耦合燃煤机组及RSOC的发电储能一体化系统及运行方法

本发明属于rsoc发电储能系统运行以及燃煤电厂热能利用等能源领域，具体涉及一种将rsoc发电储能系统与燃煤机组耦合集成技术，可为长期运行于深度快速灵活调峰的燃煤发电机组借鉴。

背景技术：

1、我国正在建设以新能源为主体的新型电力系统，但风能、太阳能等新能源电力具有间歇性、周期性等特点，为电网的安全稳定运行带来了巨大挑战。电网亟需高灵活电源增强调峰能力，燃煤发电是我国调峰电源的主体，未来数年燃煤发电将面临日益艰巨的电网调峰任务。受锅炉炉膛内部稳定燃烧要求的限制，一般超临界机组的最低运行负荷为30％额定负荷；当进一步降低机组运行负荷时，炉膛内部需要投油助燃，以保障锅炉内燃烧的稳定。燃煤发电热力系统复杂庞大，机组在变负荷瞬态过程中，受其热惯性影响，最大变负荷速率受到限制。由此可知，提升运行灵活性是燃煤机组面临的最为迫切的技术需求。固体氧化物燃料电池/电解池(rsoc)是一种可分别运行在发电和电解模式的能量转换装置，当其运行在发电模式时，可直接将燃料的化学能转换为电能；当其运行在电解模式时，可将电能转换为化学能以储存。以rsoc为核心部件，充分利用其即可发电又可储能的特点，将其与燃煤电厂发电系统耦合构建发电与储能一体化系统，可极大地提高发电系统的运行灵活性，减小电网调峰压力。

2、由于rsoc需要运行在600～1000℃的高温环境，同时燃煤机组锅炉燃烧可以产生大量的热能，因此可以将rsoc与燃煤机组耦合以利用燃烧产生的热量来维持rsoc系统的稳定运行。通过对耦合系统进行合理的构型设计，能够构建高效、灵活、稳定的发电储能一体化系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种耦合燃煤机组及rsoc的发电储能一体化系统及运行方法。将rsoc运行所需的热量与燃煤电厂锅炉具备的高温环境通过熔盐耦合，构建了以rsoc为核心部件的发电与储能一体化系统。该系统在电网用电低谷时，rsoc电堆开启储能模式，利用锅炉高温区的热量和燃煤机组所发电能分解水蒸气生成氢气和氧气；当电网在用电高峰时，rsoc电堆开启发电模式，利用熔盐将电堆释放的热量输送入燃煤机组锅炉中利用，产生的氧气输送入锅炉炉膛中进行助燃，电堆所发直流电通过交流逆变器后与燃煤机组所发电量汇合向电网输送电能。本发明能够为未来燃煤电厂与rsoc发电储能一体化系统的构建和运行奠定理论基础。

2、为达到上述目的，本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

3、一种耦合燃煤机组及rsoc的发电储能一体化系统，包括燃煤机组发电单元、rsoc发电与储能单元、高温区熔融盐换热储热单元与低温区熔融盐换热储热单元；

4、所述燃煤机组发电单元包括锅炉1、汽轮机、发电机5、第一凝汽器6、除氧器7、凝结水泵8、低压加热器9、给水泵10和高压加热器11；所述汽轮机包括汽轮机高压缸2、汽轮机中压缸3和汽轮机低压缸4，锅炉1的主蒸汽进入汽轮机高压缸2入口，汽轮机高压缸2出口的蒸汽再次回到锅炉1进行再热，再热蒸汽进入汽轮机中压缸3，再从汽轮机中压缸3出口进入汽轮机低压缸4，汽轮机高压缸2、汽轮机中压缸3和汽轮机低压缸4三缸同轴，与发电机5相连接；汽轮机低压缸4排汽进入第一凝汽器6，第一凝汽器6内的凝结水通过凝结水泵8加压进入汽轮机回热系统即低压加热器9和高压加热器11，流过低压加热器9后进入除氧器7；除氧器7出口的水通过给水泵10加压后进入高压加热器11，高压加热器11出口的给水进入锅炉1尾部烟道省煤器中；汽轮机回热系统加热凝结水和给水的热源为汽轮机各级抽汽，低压加热器9和高压加热器11的疏水为逐级自流式；

5、所述rsoc发电与储能单元包括rsoc电堆12、交流到直流逆变器13、直流到交流逆变器14、第一开关61、第二开关62、第一回热器15、第二回热器16、第三回热器17、第四回热器20、三通混合阀19、第一风机18、第二风机26、水泵21、第一氢气储罐23、第二氢气储罐27、第一储水罐22、第二储水罐28、第二凝汽器29、汽水分离器25和干燥器24；其中，所述第一储水罐22、水泵21、第四回热器20燃料侧通过管路依次连接并与由第一氢气储罐23、第一风机18、第三回热器17燃料侧、第二回热器16燃料侧连接的管路在三通混合阀19处连接，通过第一熔盐-气体换热器33燃料侧后进入rsoc电堆12的燃料入口端，rsoc电堆12的燃料出口端依次通过第二回热器16尾气侧、第二熔盐-气体换热器40燃料尾气侧、第二凝汽器29、汽水分离器25、干燥器24后与第二氢气储罐27连接，形成燃料闭式管路，汽水分离器25分离出的水进入第二储水罐28进行保存；外界空气经过所述第二风机26、第一回热器15氧气侧、熔盐-气体换热器33氧气侧、进入rsoc电堆12的氧气入口端，rsoc电堆12的氧气出口端通过第一回热器15的尾气侧、第三回热器17尾气侧、第四回热器20尾气侧、第二熔盐-气体换热器40氧气尾气侧后经第一开关阀50进入锅炉或经第二开关阀51排向外界环境；所述rsoc电堆12与交流到直流逆变器13和直流到交流逆变器14通过电缆连接，交流到直流逆变器13通过第一开关61与电网连接，直流到交流逆变器14通过第二开关62与电网连接；

6、所述高温区熔融盐换热储热单元包括锅炉高温区集热器30、第一熔盐膨胀箱32、第一熔盐-气体换热器33、第一熔盐泵31、第二熔盐泵35、第一控制阀36、第二控制阀37和第一低温熔融盐储罐34，所述高温区集热器30、第一熔盐泵31、第一熔盐膨胀箱32、换热器33的熔盐侧通过管路连接形成高温区循环回路；第一控制阀36、第一低温熔融盐储罐34、第二熔盐泵35、第二控制阀37通过管路连接形成高温区熔融盐旁路，高温区熔融盐旁路与高温区循环回路通过第一熔盐三通阀38、第二熔盐三通阀39连接；

7、所述低温区熔融盐换热储热单元包括锅炉低温区给水预热器43、第二熔盐膨胀箱42、第二熔盐-气体换热器40、第三熔盐泵41、第四熔盐泵45、第三控制阀46、第四控制阀47和第二低温熔融盐储罐44，所述第二熔盐膨胀箱42、第三熔盐泵41、换热器40、低温区给水预热器43的熔盐侧通过管路连接形成低温区循环回路；第四控制阀47、第四熔盐泵45、第二低温熔融盐储罐44、第三控制阀46通过管路连接形成低温区熔融盐旁路，低温区熔融盐旁路与低温区循环回路通过第三熔盐三通阀48、第四熔盐三通阀49连接。

8、所述的一种耦合燃煤机组及rsoc的发电储能一体化系统的运行方法，具体如下：

9、1)当电网电能过剩时，燃煤机组发电单元在超低负荷运行，rsoc电堆12运行为电解模式，电能来源于电网，闭合第一开关61、切断第二开关62，通过交流到直流逆变器13转换成直流后，接入rsoc电堆12；rsoc电堆12运行为电解模式下，通过交流到直流逆变器13和直流到交流逆变器14控制电流方向消纳燃煤机组发电单元的电能，打开第二风机26将空气流过rsoc电堆12，rsoc电堆12的空气极出口富氧空气通过第一加热器15、第三加热器17和第四加热器20对反应气体进行预热，余热回收后的富氧空气有利于锅炉1的稳定燃烧，此时，第一开关阀50为开启状态、第二开关阀51为关闭状态，换热后的富氧空气通过管路输送进入锅炉炉膛；打开第一风机18从第一储氢罐23引出少量氢气，同时打开水泵21，通过调整水泵转速，从第一储水罐22中取水引入到第四加热器20后与氢气在三通混合阀19混合，最终混合后的气体流入到rsoc电堆12中电解以消纳外界电能；将化学反应产生的氢气及rsoc电堆前端输入的氢气通过高温第二加热器16对未参加反应的气体进行回热，最终通过第二凝汽器29和汽水分离器25、干燥器24，流入到第二储氢罐27中对燃料进行存储；rsoc电堆12运行为电解模式下会产生大量热，高温区熔融盐换热储热单元中第一控制阀36开启，第二控制阀37关闭，第二熔盐泵35关闭，将循环管路中的熔融盐储存在第一熔盐储罐34中，逐渐减少高温区循环熔融盐量，降低锅炉内热量消耗；低温区熔融盐换热储热单元中第三控制阀46关闭，第四控制阀47开启，第四熔盐泵45开启，增加低温区循环熔融盐量，提高空气侧尾气的回热利用率；

10、2)当电网需要电能时，rsoc电堆12运行为发电模式，将所发电能通过直流到交流逆变器14转换成交流电后，切断第一开关61、闭合第二开关62，与燃煤机组发电单元所发的电汇合后向电网供电；rsoc电堆12发电模式下，通过交流到直流逆变器13和直流到交流逆变器14控制电流方向完成向外供电，打开第二风机26将空气流过rsoc电堆12，rsoc电堆12的氧气极出口贫氧空气通过第一加热器15、第三加热器17和第四加热器20对反应气体进行预热，余热回收后的贫氧空气继续沿管道流动，此时第一开关阀50为关闭状态、第二开关阀51为开启状态，最终贫氧空气流过第二开关阀后51直接进入大气；打开第一风机18将第一储氢罐23的氢气引出，同时打开水泵21，通过控制水泵转速，将第一储水罐22的水引入到第四加热器20后与氢气在三通混合阀19混合，最终混合后的气体流入到rsoc电堆12中与氧气发生电化学反应向外供电；未完全参加化学反应的燃料气利用其自身的高温通过第二加热器16对未参加反应的气体进行回热，最终通过第二凝汽器29和汽水分离器25、干燥器24，流入到第二储氢罐27中对氢气进行回收；rsoc电堆12发电模式下会消耗热量，高温区熔融盐换热储热单元中第一控制阀36关闭，第二控制阀37开启，第二熔盐泵35开启，逐渐增加高温区循环熔融盐量，保证rsoc电堆热量供应；低温区熔融盐换热储热单元中第三控制阀46开启，第四控制阀47关闭，第四熔盐泵45关闭，减少低温区循环熔融盐量；

11、3)当电网要求燃煤机组发电单元快速变负荷运行时，根据电网设定的变负荷速率设定rsoc电堆12的工作模式与电流密度；各个阀门的开启状况跟随rsoc电堆工作模式调整。

12、和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

13、1)本发明可实现发电储能一体化系统在发电模式、储能模式及模式切换等工况下，系统内部的工质，包括氧气、水和燃料，完全回收利用。

14、2)本发明发电储能一体化系统在运行模式切换过程中，无需停机，只需通过交直流逆变器控制电流方向。

15、3)燃煤机组发电单元的锅炉能够为rsoc发电与储能单元提供热量，确保rsoc电堆的安全稳定运行；rsoc发电与储能单元的高温尾气能够用于对燃煤机组发电单元蒸汽进行预热，能够提高总体系统的能量利用效率。

16、4)燃煤机组发电单元接收到电网的负荷调度指令时，rsoc电堆可根据电网的调度和机组的需求，运行为发电或者电解模式，并可通过调节电堆外加电流密度来调整电堆输入或输出功率，因此通过将燃煤机组与固体氧化物燃料电池/电解池装置相耦合，可全方位提高发电系统的运行灵活性。