本發(fā)明屬于IGCC發(fā)電技術領域，涉及一種利用空分系統(tǒng)儲能的IGCC電站調峰裝置及方法
背景技術：
電力生產具有隨用隨發(fā)，電能不能大規(guī)模存儲的特點，因此，電網的發(fā)電側和用電側必須維持發(fā)電和用電的平衡。我國電網的峰谷差呈現不斷增長的趨勢，目前部分區(qū)域電網的晝夜峰谷差已達到60％以上，電網的調峰壓力巨大。我國電網發(fā)電形式的組成主要包括火電、水電、核電、風電等，其中火電比重占據絕對的優(yōu)勢地位，水電裝機容量趨于穩(wěn)定，核電裝機容量在穩(wěn)步增長，風電裝機則更是爆發(fā)式的增長。核電機組由于需要穩(wěn)定運行，只能承擔基本負荷，不能參與調峰，風電機組由于風資源不可控，也無法承擔調峰責任，反而需要增加配套的調峰機組才能保證風電上網，水電機組由于受水利調節(jié)以及自身容量的限制，只能滿足部分電網調峰的需求，因此，火電機組調峰是未來電網發(fā)電的必然要求。未來火電機組若想能夠較好的生存，必須要有較高的調峰能力。
此外，風能作為一種成熟的可再生能源技術，已經得到了大力發(fā)展，截止2015年，我國風電裝機容量高達1.5億千瓦。風力發(fā)電具有運行不穩(wěn)定，可靠性差的特點，風力發(fā)電機組的發(fā)電功率不是根據電力需求側的需求進行發(fā)電，而是根據風況的情況進行發(fā)電，當風場風速大的時候就可以多發(fā)出電能，風速小的時候發(fā)電功率就少，因而風電的上網進一步提升了電網的調峰需求。為保證大規(guī)模風電上網，避免棄風現象造成的能源浪費，就必須配套能夠快速響應的調峰機組，當風電場發(fā)電功率增大時，調峰機組降低負荷，以保證電網供需平衡，當風電場因為風小而發(fā)電功率減小時，調峰機組要升高負荷，以滿足電網的電力負荷需求。這種大規(guī)模的快速負荷響應調峰責任只能由火電機承擔。
整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(Integrated Gasification Combine Cycle,IGCC)是集成煤氣化與燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)的清潔高效發(fā)電技術，作為未來燃煤發(fā)電的重要發(fā)展方向之一，其調峰能力還不能滿足電網的快速變負荷需求。IGCC發(fā)電是一種清潔高效的燃煤發(fā)電技術，相比于傳統(tǒng)的燃煤機組，IGCC在發(fā)電效率、CO2排放水平、粉塵排放、氮氧化物排放、硫氧化物排放以及水耗方面都具有很大優(yōu)勢。然而，由于IGCC的工藝流程比較長，包括空分系統(tǒng)制氧、氣化爐反應、合成氣凈化、燃氣輪機發(fā)電、余熱鍋爐回收余熱、汽輪機發(fā)電等一系列流程，當電網需要機組進行升降負荷時，IGCC電站首先需要從空分系統(tǒng)制氧量和氣化爐投煤量進行調整，系統(tǒng)響應速率較慢，因而IGCC的負荷變動速率較慢，調峰能力比較弱，難以滿足未來調峰需求。IGCC發(fā)電技術亟待完善，以提升調峰能力。
技術實現要素：
為克服IGCC發(fā)電系統(tǒng)負荷響應慢、調峰能力弱的缺點，本發(fā)明提出一種利用空分系統(tǒng)儲能的IGCC電站調峰裝置及方法，通過直接降低和提升IGCC的廠用電的方法，實現IGCC電站快速調峰的能力。
本發(fā)明是通過以下技術方案來實現：
一種利用空分系統(tǒng)儲能的IGCC電站調峰裝置，包括氣化爐、合成氣凈化單元、燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)、余熱鍋爐系統(tǒng)和蒸汽輪機發(fā)電系統(tǒng)，所述的氣化爐所需氧氣由空分系統(tǒng)提供；所述的空分系統(tǒng)包括向精餾塔提供冷卻空氣的可變頻調節(jié)的空氣冷卻壓縮系統(tǒng)，在精餾塔內空氣被分成氮氣和氧氣，分別存入液氮儲罐和液氧儲罐，液氧儲罐經液氧泵、冷箱與氧氣加熱器相連接，從氧氣加熱器出來的高壓氧氣送去氣化爐。
所述的空氣冷卻壓縮系統(tǒng)包括空冷塔，自空冷塔出來的空氣送往分子篩干燥器進行干燥，從分子篩干燥器出來的空氣再經過增壓機壓縮后送膨脹壓縮機，經過循環(huán)水冷卻器冷卻后進入冷箱進一步冷卻，從冷箱出來的冷卻空氣再進入膨脹機膨脹降溫后送入精餾塔。
所述的空分系統(tǒng)采用獨立的空壓機將空氣加壓后送空冷塔進行冷卻；
或者，空分系統(tǒng)從燃氣輪機壓氣機抽取高壓空氣送往空冷塔內進行冷卻。
進一步的，從精餾塔出來的液氧送入液氧儲罐，液氧泵從液氧儲罐抽取液氧加壓后送去冷箱與空氣換熱，然后送去氧氣加熱器，從氧氣加熱器出來的高壓氧氣送去氣化爐；
從精餾塔出來的液氮存入液氮儲罐，液氮泵從液氮儲罐抽取液氮加壓后送去冷箱與空氣換熱，然后送去氮氣加熱器加熱后得到高壓氮氣，送去高壓氮氣系統(tǒng)；從精餾塔頂部分離的氮氣送去低壓氮氣系統(tǒng)；
氧氣加熱器和氮氣加熱器均采用低壓蒸汽作為加熱源。
在氧氣進入氣化爐的同時投入煤粉，氣化爐內發(fā)生氣化反應生成合成氣，合成氣從氣化爐出來后送合成氣凈化單元，經過凈化的合成氣送燃氣輪機發(fā)電；燃氣輪機的排煙送去余熱鍋爐回收排煙的余熱，并產生蒸汽送去蒸汽輪機發(fā)電。
當電網不需要IGCC電站調峰時，空分系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，空壓機的進氣量與空分系統(tǒng)提供的氧氣和氮氣量相平衡，此時利用冷箱的換熱即可滿足氮氣和氧氣的加熱，氮氣加熱器和氧氣加熱器不需要工作；
當IGCC電站因調峰需要提升負荷的時，減少空分系統(tǒng)的進氣量，逐步降低空壓機和增壓機的出力直至停機，空分系統(tǒng)依賴液氧儲罐存儲的液氧和液氮儲罐存儲的液氮持續(xù)向氣化爐提供氧氣和高壓氮氣系統(tǒng)提供氮氣；隨著冷箱空氣流量的減少，液氧和液氮在冷箱內不能獲得充分加熱，根據負荷需要啟動氧氣加熱器和氮氣加熱器，調節(jié)對其供熱的低壓蒸汽流量，保證從氧氣加熱器和氮氣加熱器中流出的氧氣和氮氣的溫度。
當IGCC電站因調峰需要降低負荷時，增加空壓機進氣量，使空分系統(tǒng)進氣量大于氧氣和氮氣的輸出量，以補充高負荷調峰時液氧儲罐和液氮儲罐的液氧儲量和液氮儲量，以備電網下一次升負荷調峰的需求；由于空壓機和增壓機的負荷增加，隨著冷箱空氣側流量加大，對液氧和液氮的加熱作用加大，調整氧氣加熱器和氮氣加熱器的加熱蒸汽負荷直至切除加熱蒸汽。
基于所述利用空分系統(tǒng)儲能的IGCC電站調峰裝置的調峰方法，包括以下操作：
IGCC電站接到電網快速升負荷指令時，在不增加發(fā)電功率的情況下，通過降低空壓機和增壓機負荷，實現IGCC電站向電網供電功率的大幅提升，滿足調峰快速響應的要求；利用液氧儲罐存儲的液氧滿足氣化爐用氧的需求，利用液氮儲罐存儲的液氮滿足高壓氮氣的需求；利用低壓蒸汽對從冷箱出來的氧氣在氧氣加熱器內進行加熱調節(jié)；利用低壓蒸汽對從冷箱出來的氮氣在氮氣加熱器內進行加熱調節(jié)；
IGCC電站接到電網降低負荷的指令時，增加空壓機進氣量，使空分系統(tǒng)進氣量大于氧氣和氮氣的輸出量，以補充高負荷調峰時液氧儲罐和液氮儲罐的液氧儲量和液氮儲量，以備電網下一次升負荷調峰的需求；由于空壓機和增壓機的負荷增加，IGCC電站廠用電增加，對電網輸出的功率降低，隨著冷箱空氣側流量加大，對液氧和液氮的加熱作用加大，調整氧氣加熱器和氮氣加熱器的加熱蒸汽負荷直至切除加熱蒸汽。
通過降低空分系統(tǒng)功率增加功率輸出以后，若在較長時間之內電網都要求IGCC電站維持高輸出功率，則通過逐步提升氣化爐、燃氣輪機、蒸汽輪機的負荷逐漸實現發(fā)電功率的提升，與此同時逐步恢復空壓機和增壓機負荷，增加廠用電功率，直至空分系統(tǒng)恢復到正常工作水平。
與現有技術相比，本發(fā)明具有以下有益的技術效果：
本發(fā)明提供的利用空分系統(tǒng)儲能的IGCC電站調峰裝置及方法，克服了IGCC發(fā)電系統(tǒng)變負荷速度慢，電網調峰能力差的弊端，利用空分系統(tǒng)的儲存能力實現了IGCC輸出功率快速調節(jié)的能力，全廠輸出功率可以在短時間內最快實現20％的范圍的提升和降低。與氣化爐和燃氣輪機負荷調節(jié)協(xié)調配合，可以實現IGCC電廠更寬范圍的快速變負荷能力。由于采用直接調節(jié)廠用電功率的策略進行輸出功率調節(jié)，可以快速滿足電網調峰需求，因而可以減輕氣化爐、燃氣輪機、余熱鍋爐、汽輪機等設備的快速變負荷負擔。
本發(fā)明拓展了IGCC電廠調峰的負荷變動范圍，使IGCC可以短時間承擔超過額定輸出功率20％的負荷。在IGCC電廠中，空分系統(tǒng)是主要的耗電大戶，其中空壓機和增壓機的耗電功率約占總發(fā)功率的20％，通過降低空壓機和增壓機的功率，即可快速提升IGCC電站上網功率。在空分系統(tǒng)內設置大容量的液氧儲罐和液氮儲罐，并且專門設置了氧氣加熱器和氮氣加熱器。利用IGCC空分系統(tǒng)的儲能能力，通過直接降低和提升IGCC的廠用電的方法，實現IGCC電站快速調峰的能力。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
其中，1為煤粉；2為氣化爐；3為合成氣凈化單元；4為燃氣輪機；5為燃氣輪發(fā)電機；6為余熱鍋爐；7為余鍋排煙；8為蒸汽輪機；9為蒸汽輪發(fā)電機；10為凝汽器；11為給水泵；12為氧氣加熱器；13為氮氣加熱器；14為膨脹壓縮機；15為膨脹機；16為循環(huán)水冷卻器；17為冷箱；18為液氧泵；19為液氮泵；20為液氧儲罐；21為液氮儲罐；22為精餾塔；23為低壓氮氣；24為過冷器；25為空氣；26為空壓機；27為空冷塔；28為分子篩干燥器；29為增壓機。
具體實施方式
下面結合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。
如圖1所示，一種利用空分系統(tǒng)儲能的IGCC電站調峰裝置，包括氣化爐2、合成氣凈化單元3、燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)、余熱鍋爐系統(tǒng)和蒸汽輪機發(fā)電系統(tǒng)，所述的氣化爐2所需氧氣由空分系統(tǒng)提供；所述的空分系統(tǒng)包括向精餾塔22提供冷卻空氣的可變頻調節(jié)的空氣冷卻壓縮系統(tǒng)，在精餾塔22內空氣被分成氮氣和氧氣，分別存入液氮儲罐21和液氧儲罐20，液氧儲罐20經液氧泵18、冷箱17與氧氣加熱器12相連接，從氧氣加熱器12出來的高壓氧氣送去氣化爐2。
進一步的，所述的空氣冷卻壓縮系統(tǒng)包括空冷塔29，自空冷塔29出來的空氣送往分子篩干燥器28進行干燥，從分子篩干燥器28出來的空氣再經過增壓機29壓縮后送膨脹壓縮機14，經過循環(huán)水冷卻器16冷卻后進入冷箱17進一步冷卻，從冷箱17出來的冷卻空氣再進入膨脹機15膨脹降溫后送入精餾塔22。
所述的空分系統(tǒng)采用獨立的空壓機26將空氣加壓后送空冷塔27進行冷卻；
或者，空分系統(tǒng)從燃氣輪機壓氣機抽取高壓空氣送往空冷塔內進行冷卻。
上述裝置的調峰方法，包括以下操作：
IGCC電站接到電網快速升負荷指令時，在不增加發(fā)電功率的情況下，通過降低空壓機和增壓機負荷，實現IGCC電站向電網供電功率的大幅提升，滿足調峰快速響應的要求；利用液氧儲罐存儲的液氧滿足氣化爐用氧的需求，利用液氮儲罐存儲的液氮滿足高壓氮氣的需求；利用低壓蒸汽對從冷箱出來的氧氣在氧氣加熱器內進行加熱調節(jié)；利用低壓蒸汽對從冷箱出來的氮氣在氮氣加熱器內進行加熱調節(jié)；
IGCC電站接到電網降低負荷的指令時，增加空壓機進氣量，使空分系統(tǒng)進氣量大于氧氣和氮氣的輸出量，以補充高負荷調峰時液氧儲罐和液氮儲罐的液氧儲量和液氮儲量，以備電網下一次升負荷調峰的需求；由于空壓機和增壓機的負荷增加，IGCC電站廠用電增加，對電網輸出的功率降低，隨著冷箱空氣側流量加大，對液氧和液氮的加熱作用加大，調整氧氣加熱器和氮氣加熱器的加熱蒸汽負荷直至切除加熱蒸汽。
下面給出具體的實施例和調峰方法。
參見圖1，一種利用空分系統(tǒng)儲能的IGCC電站調峰裝置，主要包括空分系統(tǒng)、氣化爐、合成氣凈化單元、燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)、余熱鍋爐系統(tǒng)、蒸汽輪機發(fā)電系統(tǒng)等組成(主要設備及運行參數如表1所示)。
空氣25從空壓機26入口進入，經壓縮后送入空冷塔27，經冷卻后送去分子篩干燥器28，在分子篩28內被干燥后，送去增壓機29，從增壓機29出來以后送去膨脹壓縮機14，然后送去循環(huán)水冷卻器16冷卻降溫，然后送去冷箱17，空氣在冷箱17內降溫后進入透平膨脹機15，在其中膨脹降溫后送入精餾塔22，在精餾塔22內空氣被分成氮氣和氧氣，其中部分高純氮氣從精餾塔頂部出來，作為低壓氮氣23送去電廠低壓氮氣系統(tǒng)。從精餾塔抽出液氧送至液氧儲罐20，液氧儲罐20向液氧泵18提供液氧，液氧泵18把液氧加壓后送去冷箱17進行吸熱氣化，從冷箱17出來的氧氣送去氧氣加熱器12，在氧氣加熱器12內利用低壓蒸汽進行進一步加熱升溫后送至氣化爐2。從精餾塔抽出液氮送至液氮儲罐21，液氮儲罐21向液氮泵19提供液氮，液氮泵19把液氮加壓后送去冷箱17進行吸熱氣化，從冷箱17出來的氮氣送去氮氣加熱器13，根據氮氣溫度情況，在氮氣加熱器內利用低壓蒸汽進行進一步加熱升溫后送至全廠高壓氮氣系統(tǒng)。
煤粉1和氧氣一起被送入氣化爐2，在氣化爐內完成氣化以后生成粗合成氣，粗合成氣被送入合成氣凈化系統(tǒng)凈化以后得到潔凈的合成氣然后送去燃氣輪機4燃燒膨脹做功，燃氣輪機帶動燃氣輪發(fā)電機5發(fā)電，燃氣輪機排煙送去余熱鍋爐6，余熱鍋爐6回收煙氣余熱后排煙7排入大氣。余熱鍋爐6產生的蒸汽送去蒸汽輪機8膨脹做功，蒸汽輪機8帶動蒸汽輪發(fā)電機9發(fā)電，蒸汽輪機8排出乏汽送入凝汽器10，乏汽在凝汽器10內凝結成水后由給水泵11打回余熱鍋爐。
表1利用空分儲能的IGCC調峰裝置主要設備及運行參數
在上述系統(tǒng)中，空分系統(tǒng)是主要的耗電大戶，其中空壓機和增壓機的耗點功率約占總發(fā)功率的20％。當電網不需要IGCC發(fā)電系統(tǒng)調峰的時候，空分系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，空壓機的進氣量與空分系統(tǒng)產的氧氣和氮氣量相平衡，此時利用冷箱的回熱加熱功能即可滿足氮氣和氧氣的加熱功能，氮氣加熱器和氧氣加熱器不需要工作；
當電網不需要IGCC電站調峰時，空分系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，空壓機的進氣量與空分系統(tǒng)提供的氧氣和氮氣量相平衡，此時利用冷箱的換熱即可滿足氮氣和氧氣的加熱，氮氣加熱器和氧氣加熱器不需要工作；
當IGCC發(fā)電系統(tǒng)需要調峰提升負荷的時候，根據升負荷的需要，控制減少空分系統(tǒng)的進氣量，降低空壓機和增壓機的出力，直至空壓機和增壓機停機，此時，空分系統(tǒng)依賴液氧儲罐存儲的液氧和液氮儲罐存儲的液氮持續(xù)向氣化爐提供氧氣和向IGCC全廠高壓氮氣系統(tǒng)提供氮氣。由于冷箱空氣流量的減少，在冷箱內液氧和液氮不能獲得充分加熱，根據負荷需要，啟動氧氣加熱器和氮氣加熱器，通過低壓蒸汽加熱，調節(jié)低壓蒸汽流量可保證從氧氣加熱器和氮氣加熱器出來的高壓氧氣和高壓氮氣溫度合格。
通過降低增壓機和空壓機負荷甚至停機的方法，可以使IGCC對外輸出的功率快速提升，對電網輸出功率爬坡速度可達電廠額定發(fā)電負荷的15％/min，短時電廠輸出功率增幅最高可達20％。
通過降低空分系統(tǒng)功率增加電站功率輸出以后，若在幾個小時之內電網要求電站降低輸出功率，則等到當電網調峰需要IGCC降低負荷的時候，增加空壓機進氣量，使空分系統(tǒng)進氣量大于氧氣和氮氣的輸出量，以補充高負荷調峰時液氧儲罐和液氮儲罐的液氧儲量和液氮儲量，以備電網下一次升負荷調峰的需求，由于空壓機和增壓機的負荷增加，廠用電增加，IGCC發(fā)電系統(tǒng)對電網輸出的功率降低，該工況下，由于冷箱空氣側流量加大，對液氧和液氮的加熱作用加大，可根據溫度情況，調整氧氣加熱器和氮氣加熱器的負荷直至切除加熱蒸汽。
通過降低空分系統(tǒng)功率增加功率輸出以后，若在較長時間之內電網都要求機組維持高輸出功率，則通過逐步提升氣化爐、燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)、蒸汽輪機發(fā)電系統(tǒng)等的負荷逐漸實現電廠發(fā)電功率的提升，與此同時逐步恢復空壓機和增壓機負荷，增加廠用電功率，直至使空分系統(tǒng)恢復到正常工作水平。
以上給出的實施例是實現本發(fā)明較優(yōu)的例子，本發(fā)明不限于上述實施例。本領域的技術人員根據本發(fā)明技術方案的技術特征所做出的任何非本質的添加、替換，均屬于本發(fā)明的保護范圍。