一种超临界锅炉工质与燃料协同直接快速蓄供能系统和方法

本发明涉及燃煤发电或领域，尤其涉及一种超临界锅炉工质与燃料协同直接快速蓄供能系统和方法，可应用于超临界机组或超超临界机组锅炉快速爬坡时的高温水工质协同炉内快速给粉的协同供能。

背景技术：

1、在“双碳”目标的大背景下，构建高新能源占比的新型电力系统成为了推动能源结构低碳化转型的关键步骤。随着未来风能、太阳能等新能源装机容量的持续增长，新型电力系统的调节缺口将变得更为显著。传统电源的调节能力将难以满足需求，这使得大比例间歇式可再生能源的介入对电网安全构成了潜在威胁。因此，提升现有燃煤发电机组的变负荷响应速率与跟踪能力，成为了确保电网安全稳定运行的重要任务。

2、目前，我国超(超)临界燃煤发电机组的变负荷速率通常在1.0％～2.0％额定负荷/分钟，这显然无法满足新型电力系统对燃煤发电机组快速变负荷能力的要求(3.0～5.0％额定负荷/分钟)。由于锅炉存在磨煤机制粉与煤粉输送过程、炉内燃料燃烧放热与工质吸热过程、锅炉受热面金属部件蓄热等过程，锅炉的热惯性与迟滞性导致了其变负荷响应速率长达10分钟以上。这意味着在机组快速爬坡时，锅炉的供能会出现明显不足，锅炉蒸汽产率响应速率不足是限制燃煤发电机组变负速率提升的根本原因。

3、尽管目前有一些燃煤电站锅炉加装了储能装置(如熔盐储能、电极锅炉、蓄热罐等)，这些主要被用于实现燃煤机组的“热电解耦”，拓宽机组运行负荷上、下限，对于提高机组变负荷响应速率影响较小，且投资巨大。

4、因此，我们需要提出适合燃煤机组快速爬坡的新技术与解决方案，以提高燃煤发电机组的变负荷响应速率，应对新型电力系统下高比例新能源大面积失风、失光下对燃煤机组快速爬坡性能的需求，保障电网安全、可靠运行。

技术实现思路

1、针对现有燃煤机组锅炉在快速爬坡过程中存在能量供应不足的难题，本发明所要解决的技术问题是如何提高燃煤发电机组锅炉的蒸汽产率快速响应能力，以满足新型电力系统下对传统煤电快速变负荷响应速率的需求，支撑高比例新能源确保电网安全、稳定运行。

2、为实现上述目的，本发明采用高温工质储供能装置直接供能(高焓值工质直接进入锅炉水循环系统，解决锅炉传热迟滞问题)与粉仓煤粉炉内快速给粉供能(能量快速补给)的协同，通过锅炉工质侧与燃料侧的直接强化协同蓄/供能，快速提升锅炉变负荷响应速率至3～5％pe/min及以上，充分发挥煤电机组的托底保供与调峰作用，进一步提升新能源消纳能力。

3、本发明一方面提供了一种超临界锅炉工质与燃料协同直接快速蓄供能系统，包括高温工质直接快速蓄供能模块、小粉仓储粉直接快速蓄供能模块和工质燃料协同自动控制模块；所述工质燃料协同自动控制模块用于监控和调整所述高温工质直接快速蓄供能模块、小粉仓储粉直接快速蓄供能模块以及锅炉的工作状态和运行参数；

4、其中，所述高温工质直接快速蓄供能模块包括：

5、高温工质蓄供能装置；

6、蒸汽充能支路(包括入口管路和出口管路)，用于给高温工质蓄供能装置提供蓄热用所需蒸汽；

7、给水支路，用于将工质通入高温工质蓄供能装置内；

8、蒸汽释能支路，用于将高温工质蓄供能装置释热过程中产生的高温蒸汽输送入超临界锅炉循环水蒸汽管路系统(进入锅炉汽水分离器或水冷壁中间集箱等)；

9、工质释能支路，用于将高温工质蓄供能装置内的高焓值高温饱和水通入水冷壁下集箱，以提高锅炉水冷壁进口工质焓值；

10、换热管，用于充能时高温工质蓄供能装置内高温蒸汽与水换热。

11、优选地，所述小粉仓储粉直接快速蓄供能模块包括煤粉输送管道，所述煤粉输送管道上依次连接有磨煤机、煤粉分离器、煤粉仓、螺旋给料机、温风风机；所述煤粉分离器将从所述磨煤机出口的一次风煤粉进行风粉分离，煤粉进入置于所述煤粉分离器下方的所述煤粉仓，所述螺旋给料机将所述煤粉仓中的煤粉通过所述煤粉输送管道进入超临界锅炉的燃烧器进行燃烧。

12、优选地，所述螺旋给料机出口设有文丘里引射器，从螺旋给料机出来的煤粉通过温风送粉进入超临界锅炉炉内进行燃烧。

13、优选地，所述磨煤机和/或煤粉分离器上设有乏气输送管道，所述乏气输送管道将磨煤机和/或煤粉分离器产生的淡相煤粉乏气直接送入超临界锅炉的燃烧器进行燃烧。

14、优选地，所述高温工质蓄供能装置上设有安全阀和/或液位计和/或温度计和/或压力表和/或传感器和/或开关阀门和/或调节阀和/或流量计，所述工质/燃料协同自动控制模块通过上述仪表和/或设备监控和调整所述高温工质蓄/供能装置的工作状态和运行参数。

15、优选地，所述蒸汽充能支路入口上设有启闭阀门一，所述释能支路上设有启闭阀门二，所述工质释能支路上设有启闭阀门三，所述蒸汽释能支路上设有启闭阀门四，所述给水支路上设有启闭阀门五，所述蒸汽充能支路出口上设有启闭阀门六；所述工质燃料协同自动控制模块通过控制上述阀门的开闭或开度来调整所述高温工质蓄供能装置的充能或保温或释能过程。

16、优选地，所述系统还包括：

17、给水管路，所述给水管路上设有给水泵、高压加热器和省煤器；

18、控制循环回路，所述控制循环回路包括水冷壁、水冷壁下集箱、水冷壁中间集箱、汽水分离器、下降管；

19、所述给水支路连接在所述给水泵后的所述给水管道上；所述释能支路通过泄压阀和蓄供能装置外置式汽水分离器，将高温工质蓄/供能装置内的高焓值高温工质进行减压和汽水分离，工质释能支路与省煤器出口的高温工质混合后通入水冷壁下集箱，蒸汽释能支路通过进入锅炉汽水分离器与锅炉产生的高温蒸汽混合后，共同进入锅炉过热器系统，进一步过热。

20、优选地，所述蒸汽充能支路的蒸汽来自于超临界锅炉任一级过热器出口管路的蒸汽和/或其他来源的温度≥370℃的蒸汽。

21、另一方面，本发明前述的超临界锅炉工质与燃料协同直接快速蓄供能系统可以在超超临界机组中的应用。

22、第三方面，本发明提供了一种超临界锅炉工质与燃料协同直接快速蓄供能方法，所述方法包括：

23、(1)充能

24、在超临界机组处于用电过剩状态运行时，所述超临界锅炉工质与燃料协同直接快速蓄供能系统处于可充能状态；

25、(a)启闭阀门二、启闭阀门三和启闭阀门四均处于关闭；

26、(b)开启启闭阀门五，向高温工质蓄/供能装置充入一定量的锅炉给水至充水水位；

27、(c)关闭启闭阀门五、打开启闭阀门一和启闭阀门六，蒸汽由蒸汽充能支路入口进入，通过换热管换热后由蒸汽充能支路出口流出，向高温水工质蓄供能装置充能；当高温工质蓄供能装置内工质温度、压力升高至设定值后，关闭启闭阀门一和启闭阀门六，高温工质蓄供能装置充能完毕；

28、(2)保温

29、当所述高温工质蓄供能装置处于充能完毕状态时，所述超临界锅炉工质与燃料协同直接快速蓄供能系统处于保温阶段；

30、(d)工质燃料协同自动控制模块在线监测高温工质蓄供能装置内工质温度，当装置内工质温度比设定压力值对应的饱和温度低10～15℃时，打开启闭阀门一和启闭阀门六引入高温蒸汽，待高温水工质蓄/供能装置内工质温度、压力重新达到设定值时，关闭启闭阀门一和启闭阀门六；

31、(3)释能

32、当超临界机组需要快速变负荷和紧急冷态或热态启动时，所述超临界锅炉工质与燃料协同直接快速蓄供能系统处于释能阶段；

33、(e)工质燃料协同自动控制模块控制螺旋给料机、温风送粉送风机启动，将煤粉仓内的煤粉经煤粉输送管道送入燃烧器的煤粉喷口；

34、同时控制启闭阀门一、启闭阀门五和启闭阀门六处于关闭状态；启闭阀门二、启闭阀门三、启闭阀门四、泄压阀、止回阀一和止回阀二处于开启状态；高温工质蓄/供能装置释能时工质流经泄压阀产生汽水混合物，高温工质蓄/供能装置释能过程中释放的高温蒸汽通过蒸汽释能支路通入水冷壁中间集箱，高温工质蓄供能装置释能过程中释放的高温水通过工质释能支路与省煤器出口的高温工质混合通入水冷壁下集箱，提高锅炉炉膛入口工质焓值，进而直接快速提升锅炉蒸汽产率响应速率。

35、优选地，所述超临界锅炉工质与燃料协同直接快速蓄供能系统需要与超临界机组的原制粉系统和工质循环系统紧密联系配合，确保系统储、释能过程中机组的安全运行。

36、本发明的有益效果：

37、(1)本发明适用于燃煤发电机组超临界锅炉或超超临界锅炉快速变负荷工况与机组冷/热态启动工况，其中机组升负荷工况时可通过高温工质蓄供能装置向锅炉水循环系统直接快速提供高温蒸汽与高温水，从而有效解决变负荷时段锅炉的传热与蓄热延迟问题；

38、(2)本发明通过小粉仓储粉直接快速蓄供能模块向炉内快速供粉协同补能，解决机组快速变负荷下锅炉供能不足的问题，同时辅以自动控制系统，实现锅炉工质侧与燃料侧的协同供能，在确保机组锅炉受热面壁温安全的条件下，大幅提高机组快速变负荷与灵活调峰能力；

39、(3)本发明由于高温工质蓄供能装置的存在，还可缩短锅炉冷启动或温态启动的启炉时间，同时提高锅炉冷态/温态启动时入炉工质温度。

40、以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。