專利名稱：一種壓縮空氣蓄能與燃煤鍋爐集成的發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于壓縮空氣蓄能發(fā)電系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及一種壓縮空氣蓄能與燃煤鍋爐集成的發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
壓縮空氣蓄能(CAES)是一種公認(rèn)的有潛力的大規(guī)模蓄能方式，它既可實現(xiàn)大規(guī)模蓄能，又可以減少蓄能成本，同時對環(huán)境的影響很小。在一個典型的壓縮空氣系統(tǒng)中，在電網(wǎng)的低負(fù)荷時期或者當(dāng)電網(wǎng)無法消納大量可再生能源電力時，一部分電能或全部電能用來驅(qū)動空氣壓縮機(jī)。壓縮的空氣儲存在某種特定的空間(如地下溶洞或人造的儲氣室等) 里。然后，在電網(wǎng)高負(fù)荷時期，壓縮的空氣被釋放出來，經(jīng)過膨脹驅(qū)動透平發(fā)電。CAES要使用某種燃料，通常是天然氣，與壓縮空氣在燃燒室中燃燒以提高壓縮空氣的溫度，從而提高系統(tǒng)的效率。我國能源結(jié)構(gòu)的特點為多煤少油、少氣，煤一方面支撐我國能源安全、是我國的主要一次能源，另一方面，燃煤也成為我國主要的污染源之一。為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境的根本轉(zhuǎn)變，潔凈煤技術(shù)已成為我國的重要戰(zhàn)略措施。這其中，超臨界煤粉燃燒鍋爐、循環(huán)流化床燃燒鍋爐都是重要的潔凈煤技術(shù)，長期以來獲得重視與發(fā)展。將壓縮空氣蓄能系統(tǒng)與燃煤發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合起來，既實現(xiàn)了削峰填谷、增強(qiáng)了電網(wǎng)的可靠性，同時又能實現(xiàn)壓縮空氣蓄能系統(tǒng)與燃煤發(fā)電系統(tǒng)的熱量合理分配利用，提高能源利用效率。在用電高峰時，高壓空氣驅(qū)動兩級空氣透平發(fā)電，并且啟動鍋爐，驅(qū)動汽輪機(jī)系統(tǒng)發(fā)電，二者的發(fā)電量均供給電網(wǎng)；同時將鍋爐煙氣顯熱和壓縮空氣過程中產(chǎn)生的熱量進(jìn)行蓄熱集成，從而實現(xiàn)熱能的優(yōu)化利用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種壓縮空氣蓄能與燃煤鍋爐集成的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述壓縮空氣蓄能與燃煤鍋爐集成的發(fā)電系統(tǒng)包括4個子系統(tǒng)壓縮空氣蓄能系統(tǒng)、空氣透平發(fā)電系統(tǒng)、汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)以及燃煤鍋爐系統(tǒng)；其中，所述壓縮空氣蓄能系統(tǒng)由原動機(jī)1與3個串聯(lián)的壓氣機(jī)組成的壓氣機(jī)系統(tǒng)2連接，壓氣機(jī)系統(tǒng)2的輸入、輸出連接管道均在低溫蓄熱器3殼內(nèi)進(jìn)行換熱，即第一級壓氣機(jī)的輸出連接第二級壓氣機(jī)的輸入，第二級壓氣機(jī)的輸出連接第三級壓氣機(jī)的輸入，第三級壓氣機(jī)的輸出穿過低溫蓄熱器3釋放熱量后連接至儲氣室4 ；所述空氣透平發(fā)電系統(tǒng)由省煤器5、鍋爐本體6、一段空氣加熱器7與二段空氣加熱器9連接，高壓空氣透平8的輸入連接一段空氣加熱器7，一段空氣加熱器7與二段空氣加熱器9連接，高壓空氣透平8的輸出通過二段空氣加熱器9后和低壓空氣透平10輸入連接，高壓空氣透平8、低壓空氣透平10和發(fā)電機(jī)11連接在一根傳動軸上，從儲氣室4出來的壓縮空氣經(jīng)換熱器12與一段空氣加熱器7后進(jìn)入高壓空氣透平8，低壓空氣透平10的輸出直接連接換熱器12 ；換熱器12和儲氣室4聯(lián)通。
所述汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)由汽輪機(jī)高壓缸13-1、汽輪機(jī)中壓缸13-2及汽輪機(jī)低壓缸 13-3串聯(lián)組成；汽輪機(jī)高壓缸13-1的排汽經(jīng)過鍋爐再熱后與汽輪機(jī)中壓缸13-2進(jìn)氣連接；汽輪機(jī)中壓缸13-2的排氣與汽輪機(jī)低壓缸13-3進(jìn)氣連接，汽輪機(jī)低壓缸13-3的排汽經(jīng)凝汽器后與給水泵16連接，給水泵16連接至低溫蓄熱器3，再與鍋爐系統(tǒng)14的省煤器5 連接；汽輪機(jī)高壓缸13-1、中壓缸13-2和低壓缸13-3同軸并與發(fā)電機(jī)15相連接。所述燃煤鍋爐系統(tǒng)14分別連接壓縮空氣蓄能系統(tǒng)、空氣透平發(fā)電系統(tǒng)和汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，將三個3個子系統(tǒng)有機(jī)地連接為壓縮空氣蓄能與燃煤鍋爐集成的發(fā)電系統(tǒng)；其中低溫蓄熱器3的給水管經(jīng)過省煤器5與鍋爐本體6連接，鍋爐本體6排出的熱煙氣進(jìn)入一段空氣加熱器7 ；鍋爐本體6產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸13-1做功。壓縮空氣蓄能與燃煤鍋爐集成發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方法是所述壓縮空氣蓄能電站與燃煤發(fā)電系統(tǒng)緊密結(jié)合，形成一體化發(fā)電系統(tǒng)；當(dāng)電網(wǎng)處于用電低谷或者電網(wǎng)無法消納大量可再生能源電力時，將剩余電力或可再生能源電力供給壓縮空氣蓄能系統(tǒng)，驅(qū)動壓氣機(jī)系統(tǒng)2壓縮空氣蓄能、并將高壓空氣儲存于大型儲氣室；壓氣機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的間冷熱儲存于低溫蓄熱器3中；在用電高峰時，將高壓空氣釋放出來，經(jīng)換熱器12、一段空氣加熱器7加熱后驅(qū)動高壓空氣透平8發(fā)電、高壓空氣透平8的排氣經(jīng)二段空氣加熱器8加熱后驅(qū)動低壓空氣透平10發(fā)電，供給電網(wǎng)；同時，給水泵16出來的水經(jīng)過低溫蓄熱器3中預(yù)熱，加熱后的給水進(jìn)入鍋爐繼續(xù)加熱，產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動汽輪機(jī)系統(tǒng)13發(fā)電，以上發(fā)出的電能絕大部分都供給電網(wǎng)調(diào)峰所用。所述空氣透平發(fā)電系統(tǒng)中，高壓空氣采用兩級膨脹做功，不設(shè)燃燒室，空氣在進(jìn)入兩級空氣透平做功之前，先經(jīng)過鍋爐受熱面加熱達(dá)到500-60(TC的較高溫度，具體而言 從儲氣室出來的60-150bar壓縮空氣先經(jīng)換熱器12預(yù)熱到150_220°C，再經(jīng)鍋爐系統(tǒng)中的一段空氣加熱器7加熱至500-600°C，然后進(jìn)入高壓空氣透平8做功，排出200-250°C、 8-15bar的空氣，再進(jìn)入鍋爐系統(tǒng)中的二段空氣加熱器9中進(jìn)一步加熱至500-600°C，之后再進(jìn)入低壓空氣透平10做功，其排氣壓力接近常壓，但溫度仍可達(dá)200°C左右、包含熱量也比較可觀，因而將其送入換熱器12中，用來預(yù)熱從儲氣室4出來的高壓空氣。所述壓縮空氣蓄能系統(tǒng)中，空氣壓縮部分采用多級壓縮、中間冷卻的方式，在空氣壓縮蓄能時，多級壓氣機(jī)2的各級出口的壓縮空氣進(jìn)入低溫蓄熱器3，將其所具有的250°C 以下的低溫?zé)醿Υ嬗谄渲?，而后進(jìn)入儲氣室4 ；在發(fā)電期間，給水泵16驅(qū)動給水進(jìn)入蓄熱器 3，接收其中儲存的熱量將給水加熱至150-220°C后，再進(jìn)入鍋爐本體6產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動其汽輪機(jī)系統(tǒng)13做功。所述大型儲氣室為利用現(xiàn)存的鹽洞、礦洞，或是專門挖掘而成的巖石洞。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明將壓縮空氣蓄能電站與燃煤發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合起來，實現(xiàn)兩種能量系統(tǒng)之間的互補(bǔ)集成。具體有以下三個特點第一，一體化系統(tǒng)中不設(shè)燃燒室，不消耗天然氣等燃料資源，直接用高溫、高壓的空氣膨脹做功，而選用燃煤鍋爐來加熱壓縮空氣，該燃煤鍋爐在過熱器之后布置有兩級加熱空氣的空氣加熱器，充分利用鍋爐煙氣的熱量、確保壓縮空氣在兩級膨脹做功的過程中保持較高溫度，增大做功量；第二，經(jīng)過兩級膨脹過后的空氣壓力接近常壓，但排氣溫度依然較高左右)，由于空氣流量巨大、排氣包含熱量也比較可觀，因而在本發(fā)明中將其用來預(yù)熱從儲氣室出來的高壓空氣；第三，多級的壓縮空氣蓄能發(fā)電系統(tǒng)在制備壓縮空氣的過程中，壓縮機(jī)產(chǎn)生的間冷熱可通過蓄熱器儲存，在用電高峰時用于加熱給水、回收熱能，提高汽輪機(jī)系統(tǒng)的做功量，進(jìn)而提高一體化系統(tǒng)的能源利用效率，從而提高系統(tǒng)的整體性能。


圖1是壓縮空氣蓄能與燃煤鍋爐集成的發(fā)電系統(tǒng)示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明提出一種壓縮空氣蓄能與燃煤發(fā)電一體化系統(tǒng)，下面結(jié)合附圖和具體實施例進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明。實施例圖1所示為壓縮空氣蓄能與燃煤鍋爐集成的發(fā)電系統(tǒng)示意圖。如圖1，所述壓縮空氣蓄能與煤鍋爐集成的發(fā)電系統(tǒng)包括4個子系統(tǒng)壓縮空氣蓄能系統(tǒng)、空氣透平發(fā)電系統(tǒng)、 汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)以及燃煤鍋爐系統(tǒng)，所述鍋爐系統(tǒng)14分別連接壓縮空氣蓄能系統(tǒng)、空氣透平發(fā)電系統(tǒng)和汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，將三個3個子系統(tǒng)有機(jī)地連接為一體化的壓縮空氣蓄能與燃煤鍋爐集成的發(fā)電系統(tǒng)；其中低溫蓄熱器3的給水管經(jīng)過省煤器(5)與鍋爐本體6連接， 鍋爐本體6排出的熱煙氣進(jìn)入一段空氣加熱器7 ；鍋爐本體6產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸13-1做功。當(dāng)電網(wǎng)處于用電低谷時，將剩余電力供給原動機(jī)1，用來驅(qū)動三級壓氣機(jī)系統(tǒng)2壓縮空氣，壓縮過程產(chǎn)生的多級間冷熱被低溫蓄熱器3儲存，換熱后的壓縮空氣進(jìn)入儲氣室4 中儲存?？諝馔钙桨l(fā)電系統(tǒng)中，高壓空氣發(fā)電采用兩級膨脹做功，不設(shè)燃燒室，高壓空氣做功之前，經(jīng)過鍋爐受熱面加熱達(dá)到500-600°C的較高溫度，具體而言從儲氣室出來的 60-150bar壓縮空氣先經(jīng)換熱器12預(yù)熱到150_220°C，再經(jīng)鍋爐系統(tǒng)中的一段空氣加熱器7 加熱至500-600°C，然后進(jìn)入高壓空氣透平8做功，排出200-250°C、8-Mbar的空氣，再進(jìn)入鍋爐系統(tǒng)中的二段空氣加熱器9中進(jìn)一步加熱至500-600°C，之后再進(jìn)入低壓空氣透平10 做功，其排氣壓力接近常壓，但溫度仍可達(dá)200°C左右、包含熱量也比較可觀，因而將其送入換熱器12中，用來預(yù)熱從儲氣室4出來的高壓空氣。其中，所述的一體化系統(tǒng)中的燃煤鍋爐，其爐型可根據(jù)情況靈活選擇，例如可采用燃料適應(yīng)性廣、負(fù)荷調(diào)整范圍大的超高壓循環(huán)流化床鍋爐，鍋爐容量也可靈活設(shè)定，最高可達(dá)600MW。該鍋爐直接用煤作為燃料、過熱器之后布置兩級空氣加熱器，分別用來加熱壓縮空氣。同時，在對外發(fā)電期間，還將啟動鍋爐系統(tǒng)14。給水泵16出來的給水經(jīng)蓄熱器3 預(yù)熱，回收蓄熱器3儲存的壓縮空氣間冷熱量，之后經(jīng)由省煤器5進(jìn)入鍋爐本體6內(nèi)被加熱，直至得到合格的蒸汽，并去汽輪機(jī)系統(tǒng)13發(fā)電。鍋爐煙道中在過熱器之后布置有兩段空氣加熱器，用于加熱空氣。用電高峰時空氣透平發(fā)電系統(tǒng)和蒸汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)同時運(yùn)行，二者的所發(fā)出的電均供給電網(wǎng)調(diào)峰使用。本發(fā)明可用其他的不違背本發(fā)明的思想和主要特征的具體形式來概述。因此，本發(fā)明的上述實施方案是對本發(fā)明進(jìn)行說明，并非對本發(fā)明進(jìn)行限定。權(quán)利要求書指出了本發(fā)明要求保護(hù)的構(gòu)思和范圍，而上述的說明并未全部指出本發(fā)明的范圍。因此，在與本發(fā)明的權(quán)利要求書相當(dāng)?shù)暮x和范圍內(nèi)的任何改變，都應(yīng)認(rèn)為是包括在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種壓縮空氣蓄能與燃煤鍋爐集成的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述壓縮空氣蓄能與燃煤鍋爐集成的發(fā)電系統(tǒng)包括4個子系統(tǒng)壓縮空氣蓄能系統(tǒng)、空氣透平發(fā)電系統(tǒng)、汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)以及燃煤鍋爐系統(tǒng)；其中，所述壓縮空氣蓄能系統(tǒng)由原動機(jī)(1)與3個串聯(lián)的壓氣機(jī)組成的壓氣機(jī)系統(tǒng)(2)連接，壓氣機(jī)系統(tǒng)O)的輸入、輸出連接管道均在低溫蓄熱器C3)殼內(nèi)進(jìn)行換熱，即第一級壓氣機(jī)的輸出連接第二級壓氣機(jī)的輸入，第二級壓氣機(jī)的輸出連接第三級壓氣機(jī)的輸入，第三級壓氣機(jī)的輸出穿過低溫蓄熱器( 釋放熱量后連接至儲氣室(4)；所述空氣透平發(fā)電系統(tǒng)由高壓空氣透平(8)和低壓空氣透平(10)與鍋爐系統(tǒng)(14)連接，高壓空氣透平(8)的輸入連接一段空氣加熱器(7)，一段空氣加熱器(7)與二段空氣加熱器(9)連接，高壓空氣透平(8)的輸出通過二段空氣加熱器(9)后和低壓空氣透平(10) 輸入連接，高壓空氣透平(8)、低壓空氣透平(10)和發(fā)電機(jī)(11)連接在一根傳動軸上，從儲氣室出來的壓縮空氣經(jīng)換熱器(12)與一段空氣加熱器(7)后進(jìn)入高壓空氣透平(8)， 低壓空氣透平(10)的輸出直接連接換熱器(1 ；換熱器(1 和儲氣室(4)聯(lián)通。所述汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)由汽輪機(jī)高壓缸(13-1)、汽輪機(jī)中壓缸(13- 及汽輪機(jī)低壓缸 (13-3)串聯(lián)組成；汽輪機(jī)高壓缸(13-1)的排汽經(jīng)過鍋爐再熱后與汽輪機(jī)中壓缸(13-2) 進(jìn)氣連接；汽輪機(jī)中壓缸(13- 的排汽與汽輪機(jī)低壓缸(13- 進(jìn)氣連接，汽輪機(jī)低壓缸 (13-3)的排汽經(jīng)凝汽器后與給水泵(16)連接，給水泵(16)連接至低溫蓄熱器(3)，再與鍋爐系統(tǒng)(14)的省煤器(5)連接；汽輪機(jī)高壓缸(13-1)、中壓缸(13-2)和低壓缸(13_3)同軸并與發(fā)電機(jī)(15)相連接。所述鍋爐系統(tǒng)(14)分別連接壓縮空氣蓄能系統(tǒng)、空氣透平發(fā)電系統(tǒng)和汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，將三個子系統(tǒng)有機(jī)地連接為一體化的壓縮空氣蓄能與燃煤鍋爐集成的發(fā)電系統(tǒng)；其中低溫蓄熱器(3)的給水管經(jīng)過省煤器(5)與鍋爐本體(6)連接，鍋爐本體(6)排出的熱煙氣進(jìn)入一段空氣加熱器(7)；鍋爐本體(6)產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸(13-1)做功。
2.—種壓縮空氣蓄能與燃煤鍋爐集成發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方法，其特征在于，壓縮空氣蓄能與燃煤鍋爐集成發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方法是所述壓縮空氣蓄能系統(tǒng)、空氣透平發(fā)電系統(tǒng)及汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)與燃煤鍋爐系統(tǒng)緊密結(jié)合，形成一體化發(fā)電系統(tǒng)；當(dāng)電網(wǎng)處于用電低谷或者電網(wǎng)無法消納大量可再生能源電力時，將剩余電力或可再生能源電力供給壓縮空氣蓄能系統(tǒng)，驅(qū)動壓氣機(jī)系統(tǒng)(2)壓縮空氣蓄能、并將高壓空氣儲存于大型儲氣室；壓氣機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的間冷熱儲存于低溫蓄熱器(3)中；在用電高峰時，將高壓空氣釋放出來，經(jīng)換熱器(12)、 一段空氣加熱器(7)加熱后驅(qū)動高壓空氣透平(8)發(fā)電、高壓空氣透平(8)的排氣經(jīng)二段空氣加熱器(8)加熱后驅(qū)動低壓空氣透平(10)發(fā)電，供給電網(wǎng)；同時，給水泵(16)出來的水經(jīng)過低溫蓄熱器(3)中預(yù)熱，加熱后的給水進(jìn)入鍋爐繼續(xù)加熱，產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動汽輪機(jī)系統(tǒng)(1 發(fā)電，以上發(fā)出的電能絕大部分都供給電網(wǎng)調(diào)峰所用。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述壓縮空氣蓄能與燃煤鍋爐集成發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方法，其特征在于，所述空氣透平發(fā)電系統(tǒng)中，高壓空氣發(fā)電采用兩級膨脹做功，不設(shè)燃燒室，高壓空氣做功之前，經(jīng)過鍋爐受熱面加熱達(dá)到500-600°C的較高溫度，具體而言從儲氣室出來的 60-150bar壓縮空氣先經(jīng)換熱器(12)預(yù)熱到150_220°C，再經(jīng)鍋爐系統(tǒng)中的一段空氣加熱器(7)加熱至500-600°C，然后進(jìn)入高壓空氣透平(8)做功，排出200-250°C、8-Mbar的空氣，再進(jìn)入鍋爐系統(tǒng)中的二段空氣加熱器(9)中進(jìn)一步加熱至500-600°C，之后再進(jìn)入低壓空氣透平(10)做功，排氣壓力接近常壓，但溫度仍可達(dá)200°C左右、包含熱量也比較可觀， 因而將其送入換熱器(1 中，用來預(yù)熱從儲氣室出來的高壓空氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述壓縮空氣蓄能與燃煤鍋爐集成發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方法，其特征在于，所述壓縮空氣蓄能系統(tǒng)中，空氣壓縮部分采用多級壓縮、中間冷卻的方式，在空氣壓縮蓄能時，多級壓氣機(jī)O)的各級出口的壓縮空氣進(jìn)入低溫蓄熱器(3)，將其所具有的250°C 以下的低溫?zé)醿Υ嬗谄渲校筮M(jìn)入儲氣室；在發(fā)電期間，給水泵(16)驅(qū)動給水進(jìn)入蓄熱器(3)，接收其中儲存的熱量將給水加熱至150-220°C后，再進(jìn)入鍋爐本體(6)產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動其汽輪機(jī)系統(tǒng)(13)做功。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述壓縮空氣蓄能-燃煤-發(fā)電一體化系統(tǒng)的發(fā)電方法，其特征在于，所述大型儲氣室為利用現(xiàn)存的鹽洞、礦洞，或是專門挖掘而成的巖石洞。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于壓縮空氣蓄能發(fā)電系統(tǒng)領(lǐng)域的一種壓縮空氣蓄能與燃煤鍋爐集成的發(fā)電系統(tǒng)。該一體化系統(tǒng)中鍋爐系統(tǒng)分別連接包括壓縮空氣蓄能系統(tǒng)、空氣透平發(fā)電系統(tǒng)以及汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)3個子系統(tǒng)。將3個子系統(tǒng)有機(jī)地連接為一體化的發(fā)電系統(tǒng)。當(dāng)處于用電低谷或電網(wǎng)無法消納大量可再生能源電力時，剩余電力驅(qū)動壓氣機(jī)系統(tǒng)壓縮空氣，并將高壓空氣儲存于大型儲氣室。在用電高峰時，將高壓空氣釋放出來，經(jīng)過燃煤鍋爐加熱后驅(qū)動高壓空氣透平和低壓空氣透平發(fā)電，供給電網(wǎng)；同時給水經(jīng)由低溫蓄熱器加熱后進(jìn)入燃煤鍋爐產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動汽輪機(jī)系統(tǒng)發(fā)電，也供給電網(wǎng)調(diào)峰。從而實現(xiàn)熱能充分集成與系統(tǒng)的高性能。
文檔編號F22B33/18GK102518480SQ20111041653
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者劉文毅, 張偉德, 徐鋼, 李守成, 楊勇平, 黃健 申請人:華北電力大學(xué)