一种大型无水罐电极水锅炉联合相变蓄热的调峰供热系统的制作方法

本发明涉及一种大型无水罐电极水锅炉联合相变蓄热的调峰供热系统。特别涉及电极水锅炉，相变蓄热设备，其属于锅炉供暖及电网调峰领域。

背景技术：

中国随着科技日新月异的变化，能源的消耗日益增加且依然以化石能源为主，一方面，风电、太阳能等新能源技术快速发展，但是因为其发电的不确定性对电网的调度带来了极大的困难。另一方面，传统火电厂除了需要承担供应电力的任务，还需要对所在地区提供供暖。在我国的东北、华北、西北地区，由于以热定电，弃风、弃光、弃核现象严重，发电调节灵活性差等各种原因，导致了能源的极大浪费。日常用电的不平衡性导致了电网运行过程中存在着用电高峰期和用电低谷期，根据统计，发电低谷出现在夜间10时至次日凌晨6时左右，低谷时段持续时间约为10小时，这段时间用电需求较低，发电量也相应降低。但由于夜间的温度低，供暖的需求很大，目前国内热电联产机组的供热能力和发电量成正比，因此会形成发电与供暖的矛盾问题，为了在保证供暖的情况下，又维持了电网供求的平衡，如何解决夜间多余电量的消耗问题，是非常迫切的问题。

针对电厂调峰项目，现有技术应用案例有“固体电蓄热调峰”“电极锅炉配大型储热水罐调峰”两种调峰方式；

单独采用相变蓄热进行调峰，最大的缺点就是初投资较高，由于相变蓄热设备采用相变蓄热砖，纳米保温材料等高科技材料，材料成本较高，若完全采用相变蓄热设备进行调峰，投资成本巨大。

单独采用电极式锅炉配储热水罐进行调峰，缺点是若要达到调峰要求，将需要超大型储热水罐，占地面积巨大，投资建设超大型储热水罐，将大大增加投资成本及占地面积。

技术实现要素：

发明目的：

本发明提供一种大型无水罐电极水锅炉联合相变蓄热的调峰供热系统，其目的是解决以往所存在的问题。

技术方案：

一种大型无水罐电极水锅炉联合相变蓄热的调峰供热系统，该系统包括发电机组、高压电极锅炉、相变蓄热设备和控制系统(控制系统连接换热器、相变蓄热设备、高压电极锅炉)；发电机组出线母线与隔离变压器相连，降压变压器与高压电极锅炉接线端子相连，同时，降压变压器还与相变蓄热设备的高压开关柜开关相连；相变蓄热设备的换热器出水口与集水器相连，高压电极锅炉板式换热器出水口也与同一集水器相连；

相变蓄热装置出水温度高，电极锅炉出水温度低，两者在集热水器混合，集热器通过供水管与供暖管网的供热首站出口管道相连(供热首站一次侧为电厂供给的热蒸汽，二次侧为一次循环水，集热器出口供水管道与供热首站二次侧出口管道相连。)，进入城市供暖管网；供暖管网的供暖回水通过回水管进入分水器，分水器通过管道分别与相变蓄热换热器的入水口及高压电极锅炉的板式换热器的入水口相连。

本发明利用热电厂现有条件，通过电热转化，将多余电能消耗以达到调峰目的，同时满足当前供热需求。

高压电极锅炉与相变蓄热设备的总装机容量不能大于机组容量的50％。

设备容量＝机组小稳定出力-厂用电。该设备容量是高压电极锅炉与相变蓄热设备的总容量，机组最小稳定出力(技术最小出力)是指在满足锅炉稳定燃烧的情况下，发电机组安全运行的最小稳定的发电能力，是火力发电厂的一项重要指标。厂用电系统是指由机组高、低压厂变和停机/检修变及其供电网络和厂用负荷组成的系统。供电范围包括主厂房内厂用负荷、输煤系统、脱硫系统、除灰系统、水处理系统、循环水系统等，一般为装机总量的7％-12％。

一种大型无水罐电极水锅炉联合相变蓄热的调峰供热方法，其特征在于：该方法步骤如下：

第一步：确定高压电极锅炉和相变蓄热装置的容量；

第二步：分别设定高压电极炉和相变蓄热设备的控制策略；并根据实际运行当中agc指令或值长调度指令，依据设定好的控制策略，对各设备的启停进行控制，进而实现调峰供热。

第一步中根据电厂在安全运行的最低负荷时的供热缺口确定电极锅炉的容量(因为相变蓄热设备建设成本高，无水罐的电极锅炉成本低，二者的供热能力加一起等于供热缺口。但是因为不同电厂的装机不同，两种设备的安装容量也不同。)；根据不同地区的调峰政策以及电厂安全运行的最小出力，确定相变蓄热装置的容量。(例：电厂发电机组100mw的容量，最低运行方式40％，则增加的储能调峰容量40mw，单独利用相变蓄热装置或点击锅炉都可以满足深度调峰条件，如果单独安装相变蓄热装置较多，会成本上升，对经济性会造成影响。若只利用电极锅炉调峰需要增加水罐，同样会导致成本及后期运行费用的增加。)

第二步中的调峰供热的优先级别设定如下：如果存在供热缺口，则电极锅炉优先启动补足供热缺口；启动电极锅炉后不能满足调峰需求，则再启动相变蓄热设备；反之，如果不存在供热缺口，则相变蓄热设备优先启动，消耗电量进行调峰蓄热；启动相变蓄热设备后不满足调峰，再启动电极锅炉辅助调峰。

第二步中的调峰供热时，热电厂在接收到调峰指令之后，按照电厂本身自我调峰的策略减少发电机出力，直至使得发电机机组减负荷到机组最小稳定出力(技术最小出力)；如果上述操作导致供热负荷产生缺口；那么按照预先设定的控制策略先启动高压电极锅炉补足供热缺口，在启动高压电极锅炉时，多台电极锅炉的容量是保持一致的，(每一组中有一台相变蓄热装置和一台电极锅炉，共安装n组，根据供热缺口，启动m台电极锅炉(m<n)。)根据实际的供热负荷缺口的大小来依照顺序依次启动高压电极锅炉，当补足供热缺口以后，则不再启动后续的电极锅炉。

使电极锅炉系统出现供热缺口时再最短时间内响应，消耗电量的同时，补足调峰导致的供热缺口。

调峰指令之后控制系统计算发电机组的运行负荷值、高压电极锅炉以及相变蓄热设备组成的系统的负荷值，使三者的负荷值先后满足如下要求，首先满足：电网发电机组的供热量及相变蓄热系统的供热量之和与热网用户需热量平衡；其次满足：发电机组的上网电量小于等于电网调度分配电量；同时满足：上网电量及相变蓄热系统的用电量之和与电厂发电机组供电量平衡。

在存在供热缺口时，在发电机组负荷和高压电极锅炉系统的负荷值调整完毕之前，先通过相变蓄热系统储存的热量向热网补充供热。

控制系统根据需热量和供热量的当前值和变化趋势预判，当发电厂机组和高压电极锅炉供热量超过供暖需求量时，相变蓄热系统启动蓄热模式，消耗电厂或者发电厂机组多余的电量进行蓄热；当电网发电机组和高压电极锅炉供热量不足时，相变蓄热系统自动切换到放热模式，向供热管网供热。

系统运行过程中，综合分析热电机组的供热效率损耗、高压电极锅炉的供热效率损耗、蓄热系统的供热效率损耗，在总体电量平衡和热网平衡的前提下，将供热量在热电机组、高压电极锅炉、蓄热系统之间进行灵活调节，保证系统运行的能量最优。(根据实际需求，相变蓄热装置需要先停换热器循环风机，再停循环水泵。电极锅炉需要先停电极锅炉再停板式换热器一次循环水泵，最后停板换二次循环水泵。所有的热量最终来源是燃煤，最优状态就是在一段时间内，发电机组的燃煤量最小。)

优点效果：

为了满足电网调峰需求，以及电厂在激烈竞争中的生存需要，深度调峰势在必行，为解决上述现有技术存在的问题。本发明通过火电供热机组运行灵活性技术及电锅炉区域供暖技术，可以使火电厂深度调峰，既可有效缓解可再生能源消纳困境，又可以减少燃煤燃烧。未来必将拥有广阔的市场发展前景。

本发明采用的技术方案是：一种大型无水罐电极水锅炉联合相变蓄热的调峰供热系统，系统包括若干台发电机组、若干台高压电极锅炉和若干台相变蓄热设备、控制系统组成。发电厂出线母线与降压变压器相连，降压变压器另一端与蓄热系统相连(n台电极锅炉与m台相变蓄热装置)；蓄热系统与热网供水管路相连。

本发明适应不同情况的电厂，根据电厂的装机总量、各地调峰政策、场地面积等条件，选择不同台数、不同功率的电极锅炉与相变蓄热设备组合，以达到调峰的目的。

利用电极锅炉直热的特性，根据电厂在安全运行的最低负荷时的供热缺口确定电极锅炉的容量。根据调峰政策以及电厂安全运行的最低负荷，确定相变蓄热装置的容量。使电极锅炉和相变蓄热装置联合运行后使得电厂的调峰深度达到最大，上网电量可以减少到0。

本发明中所述的电极锅炉与电厂采用的传统电极锅炉相比，减少了蓄水罐，占地面积与造价成本减少了很多。将电极锅炉与相变蓄热相结合，既满足了调峰所需，也减少了相变蓄热设备的投入，降低了初期投资。

系统分别设定高压电极炉和相变蓄热设备的优先级别，每台设备都单独设置有pid控制模块，分别对电极炉和相变蓄热设备进行功率和出口温度调节。根据实际运行当中agc指令或值长调度指令，依据事先设定好的优先级和控制策略，对各设备的启停进行控制。在日常状态，热电厂需要向电网提供电量，同时机组利用发电产生的热量向城市供热管网供热。当电网的电量需求下降，同时为了保证清洁能源产生电量尽可能多的并网，火电机组将减少对电网的电量输出，并且要维持对城市供暖管网的供热输出。

热电厂在接收到调峰指令之后，按照预定策略减少发电机出力，此操作可能导致供热负荷产生缺口。电极锅炉系统接收控制系统发出的指令后，按照预定策略分配电极锅炉负荷，使电极锅炉系统在最短时间内响应，消耗电量的同时，补足调峰导致的供热缺口。

进一步地，控制系统计算发电机组的运行负荷值及高压电极锅炉与相变蓄热设备组成的系统的负荷值，使其满足：电网用户需电量及蓄热系统的用电量之和与电厂发电机组供电量平衡，电网发电机组的供热量及蓄热系统的供热量之和与热网用户需热量平衡；

为了保证热网平稳，在存在供热缺口时，在发电机组负荷和高压电极锅炉系统的负荷值调整完毕之前，先通过相变蓄热系统储存的热量向热网补充供热。

系统根据agc或值长指令以及供热量和用热量的当前值和变化趋势预判，调节热电机组的发电量和供热量。

为了系统稳定，系统根据供热量和用热量的当前值和变化趋势预判，当热电机组和高压电极锅炉供热量超过供暖需求量时，相变蓄热系统启动蓄热模式，消耗多余的电量进行蓄热；当热电机组和高压电极锅炉供热量不足时，相变蓄热系统自动切换到放热模式，向供热管网供热。

系统运行过程中，综合分析热电机组的供热效率损耗、高压电极锅炉的供热效率损耗、蓄热系统的供热效率损耗，在总体电量平衡和热网平衡的前提下，将供热量在热电机组、高压电极锅炉、蓄热系统之间进行灵活调节，保证系统运行的能量最优。

相变蓄热系统属于电锅炉控制系统的一部分，根据热网运行状态，系统可自动切换蓄热和放热模式，平衡因高压电极锅炉和发电机组启停速度、功率调节速度差异造成的热网热量波动。因发电机组响应速度较慢，当发电机组根据负荷指令要求，导致供热减少，系监测到供热温度降低，可自动投入蓄热装置，以保证供热温度的平稳。系统可设定在特定条件下(如：低谷电价、富余热量存储等)进行蓄热。

本申请具体的有益效果是：系统充分利用相变蓄热设备蓄热能力强，高压电极锅炉响应速度快，无极调节的特性，以高效、节能为目标，在高压电极锅炉和相变蓄热系统之间灵活切换，减少燃煤的使用、污染物的排放并达到深度调节的目的。

附图说明

图1为系统结构示意图；图1中1、相变蓄热炉；2、蓄热体；3、风道；4、保温层；5、换热器；6、风机；7、集水器；8、分水器；9、电极炉；10、电极；11、风道；12、控制机构；13、高压接线端子；14、变压器接线端子；15、板换；16、隔离变压器；17、高压电缆；18、供水管；19、回水管；20电闸；

图2为系统原理图；图2中控制算法就是对目前供热需求和机组(机组；机组+电极；机组+固蓄；机组+电极+固蓄；)的供热能力进行大小比较，然后求差值，通过比较差值和电极锅炉(或者相变蓄热装置)的功率进行锅炉启动数量的选择。在保证供热的情况下尽可能的进行调峰。

图3为控制原理图：

21、高压开关柜；22、相变蓄热装置；23、电极锅炉；24、plc控制器；25、低压控制柜；26、变频器；27、换热器；28、换热风机；29、换热水泵；30、一次供水；31、10kv高压电源；32、380v低压电源；33、温度反馈；34、温度传感；35、一次回水

具体实施方式

一种大型无水罐电极水锅炉联合相变蓄热的调峰供热系统，该系统包括发电机组、高压电极锅炉9、相变蓄热设备1和控制系统(控制系统连接换热器、相变蓄热设备、高压电极锅炉)；发电机组出线母线与隔离变压器16相连，降压变压器与高压电极锅炉9接线端子相连，同时，降压变压器还与相变蓄热设备1的高压开关柜开关相连；相变蓄热设备的换热器5出水口与集水器7相连，高压电极锅炉板式换热器15出水口也与同一集水器7相连；

相变蓄热装置出水温度高，电极锅炉出水温度低，两者在集热水器7混合，集热器通过供水管18与供暖管网的供热首站出口管道相连(供热首站一次侧为电厂供给的热蒸汽，二次侧为一次循环水，集热器出口供水管道与供热首站二次侧出口管道相连。)，进入城市供暖管网；供暖管网的供暖回水通过回水管19进入分水器8，分水器通过管道分别与相变蓄热换热器5的入水口及高压电极锅炉的板式换热器的入水口相连。

本发明利用热电厂现有条件，通过电热转化，将多余电能消耗以达到调峰目的，同时满足当前供热需求。

高压电极锅炉与相变蓄热设备的总装机容量不能大于机组容量的50％。

设备容量＝机组小稳定出力-厂用电。该设备容量是高压电极锅炉与相变蓄热设备的总容量，机组最小稳定出力(技术最小出力)是指在满足锅炉稳定燃烧的情况下，发电机组安全运行的最小稳定的发电能力，是火力发电厂的一项重要指标。厂用电系统是指由机组高、低压厂变和停机/检修变及其供电网络和厂用负荷组成的系统。供电范围包括主厂房内厂用负荷、输煤系统、脱硫系统、除灰系统、水处理系统、循环水系统等，一般为装机总量的7％-12％。

一种大型无水罐电极水锅炉联合相变蓄热的调峰供热方法，其特征在于：该方法步骤如下：

第一步：确定高压电极锅炉和相变蓄热装置的容量；

第二步：分别设定高压电极炉和相变蓄热设备的控制策略；并根据实际运行当中agc指令或值长调度指令，依据设定好的控制策略，对各设备的启停进行控制，进而实现调峰供热。

第一步中根据电厂在安全运行的最低负荷时的供热缺口确定电极锅炉的容量(因为相变蓄热设备建设成本高，无水罐的电极锅炉成本低，二者的供热能力加一起等于供热缺口。但是因为不同电厂的装机不同，两种设备的安装容量也不同。)；根据不同地区的调峰政策以及电厂安全运行的最小出力，确定相变蓄热装置的容量。(例：电厂发电机组100mw的容量，最低运行方式40％，则增加的储能调峰容量40mw，单独利用相变蓄热装置或点击锅炉都可以满足深度调峰条件，如果单独安装相变蓄热装置较多，会成本上升，对经济性会造成影响。若只利用电极锅炉调峰需要增加水罐，同样会导致成本及后期运行费用的增加。)

第二步中的调峰供热的优先级别设定如下：如果存在供热缺口，则电极锅炉优先启动补足供热缺口；启动电极锅炉后不能满足调峰需求，则再启动相变蓄热设备；反之，如果不存在供热缺口，则相变蓄热设备优先启动，消耗电量进行调峰蓄热；启动相变蓄热设备后不满足调峰，再启动电极锅炉辅助调峰。

第二步中的调峰供热时，热电厂在接收到调峰指令之后，按照电厂本身自我调峰的策略减少发电机出力，直至使得发电机机组减负荷到机组最小稳定出力(技术最小出力)；如果上述操作导致供热负荷产生缺口；那么按照预先设定的控制策略先启动高压电极锅炉补足供热缺口，在启动高压电极锅炉时，多台电极锅炉的容量是保持一致的，(每一组中有一台相变蓄热装置和一台电极锅炉，共安装n组，根据供热缺口，启动m台电极锅炉(m<n)。)根据实际的供热负荷缺口的大小来依照顺序依次启动高压电极锅炉，当补足供热缺口以后，则不再启动后续的电极锅炉。

使电极锅炉系统出现供热缺口时再最短时间内响应，消耗电量的同时，补足调峰导致的供热缺口。

调峰指令之后控制系统计算发电机组的运行负荷值、高压电极锅炉以及相变蓄热设备组成的系统的负荷值，使三者的负荷值先后满足如下要求，首先满足：电网发电机组的供热量及相变蓄热系统的供热量之和与热网用户需热量平衡；其次满足：发电机组的上网电量小于等于电网调度分配电量；同时满足：上网电量及相变蓄热系统的用电量之和与电厂发电机组供电量平衡。

在存在供热缺口时，在发电机组负荷和高压电极锅炉系统的负荷值调整完毕之前，先通过相变蓄热系统储存的热量向热网补充供热。

控制系统根据需热量和供热量的当前值和变化趋势预判，当发电厂机组和高压电极锅炉供热量超过供暖需求量时，相变蓄热系统启动蓄热模式，消耗电厂或者发电厂机组多余的电量进行蓄热；当电网发电机组和高压电极锅炉供热量不足时，相变蓄热系统自动切换到放热模式，向供热管网供热。

系统运行过程中，综合分析热电机组的供热效率损耗、高压电极锅炉的供热效率损耗、蓄热系统的供热效率损耗，在总体电量平衡和热网平衡的前提下，将供热量在热电机组、高压电极锅炉、蓄热系统之间进行灵活调节，保证系统运行的能量最优。(根据实际需求，相变蓄热装置需要先停换热器循环风机，再停循环水泵。电极锅炉需要先停电极锅炉再停板式换热器一次循环水泵，最后停板换二次循环水泵。所有的热量最终来源是燃煤，最优状态就是在一段时间内，发电机组的燃煤量最小。)

为了进一步了解本发明，下面结合附图1～3和具体实施方式对本发明做详细说明：

实施例1

如图1所示，一种大型无水罐电极水锅炉联合相变蓄热的调峰供热系统包含了n台电极锅炉与m台相变蓄热装置、热电机组、供热首站等。在本实例中，某电厂装机容量270mw(2*135mw)，厂用电为7％，在冬季供暖期机组40％工况下运行，初期可以满足供热需求，但是在寒冷天气下，有40mw的供热缺口。根据现有条件，选择40mw(2*20mw)的电极锅炉和60mw(2*30mw)的相变蓄热装置。

本实施例中，如图1所示，一台电极锅炉和一台相变蓄热装置为一组，每一组接在一路电源上，若50mw负荷失去的情况下，对电网的潮流分布及暂态稳定性影响微乎其微。即在失去一路电源，仍然保证有一半负荷调峰蓄热，电厂通过agc、avc对机组进行出力调整，不会对厂网安全稳定运行构成不利影响。

本实施例中，为保证电厂安全运行，需要按照相关继电保护规程规定配置相应馈线保护。

本实施例中，机组调峰如图2所示，接到调峰指令，机组减负荷至机组安全运行的最低负荷。如果满足当前供热需求，则启动相变蓄热装置进行蓄热，消耗多余的电量，达到深度调峰的目的。根据电厂具体情况，每小时最多可消耗60mw的电量，增加电厂的调峰收益。

若机组减负荷之后不满足当前的供热需求，则优先启动电极锅炉，利用电极锅炉直热对热网进行热量补充，同时消耗一定的上网电量。既补足了供热缺口，又增加了调峰能力。

如果遇到极寒天气，供热需求增大，启动电极锅炉以后依然不能满足城市热网的供热需求，则启动相变蓄热装置释放之前储存的热量补足供热缺口。

当机组满足了供热需求，依然有电量上网，则启动相变蓄热进行电量的消耗。

在非调峰时间段内，可以通过相变蓄热设备放热进行供暖。机组减少了供暖出力，也减少燃煤的消耗和污染物的排放。经济性和环保性良好。

根据本申请的方案，根据电厂具体实际情况，当电厂以安全运行的最低负荷运行时，配置的电极锅炉和相变蓄热联合系统将在满足供热需求的前提下，最大限度的进行深度调峰。最优效果为电厂上网电量为0。

根据附图3所示，22-相变蓄热装置、23-电极锅炉、27-换热器带有的34-温度传感器将温度信息传输到24-plc控制器。根据反馈信息和设定，24-plc控制器将控制信息输送到25-低压控制柜，通过调节26-变频器调节28-换热风机或者29-换热水泵的工作频率来控制热量的输出。