CN105221345A - 一种热电联供型压缩空气储能系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热电联供型压缩空气储能系统，包括热电联产机组和绝热压缩空气储能单元；热电联产机组包括热电机组锅炉，热电机组锅炉的输出端设置有第一支路和第二支路，所述第一支路通过汽轮机与热用户的输入端连接，所述第二支路通过热电机组减温减压阀与热用户的输入端连接，所述汽轮机与发电机连接；所述热用户的输出端通过第二汽水换热器与热电机组锅炉的输入端连接；所述绝热压缩空气储能单元包括依次连接的压缩机、第二汽水换热器、储气罐、第一汽水换热器、透平膨胀设备、第一离合器、发电电动机、第二离合器，所述第二离合器与压缩机连接；所述热用户与第一汽水换热器并联，在热用户与第一汽水换热器的输入管道上还设有蒸汽调节阀。

Description

一种热电联供型压缩空气储能系统及其控制方法

技术领域

本发明属于清洁能源综合利用技术领域，涉及一种热电联供型压缩空气储能系统及其控制方法。

背景技术

随着中国风电开发利用规模持续扩大，风电并网运行和市场消纳已成为制约风电发展的重要因素。我国风电比较集中在三北地区，冬季夜间风速很大，但是夜间电负荷需求较低，由于冬季供暖期为保证供热要求，热电联产机组多数运行在“以热定电”的模式，特别是对于热电厂中大量存在的背压式热电机组，其输出热电比固定，难以参与调峰，造成低谷时严重的弃风现象。

随着储能技术的发展，利用储能对风电进行“削峰填谷”，在夜间电负荷低谷时存储多余的风电，在白天电负荷高峰时释放，已经成为提高风电的消纳能力的有效手段。特别是压缩空气储能技术因其具有储能成本低、环境友好、无相变损耗的优点而成为近年来备受关注的大规模储能技术。

目前利用压缩空气储能提高风电消纳的方法都只涉及到单一的电能的存储，未能够将储能和调节现有热电联产机组的热电比结合起来，以提高热电机组自身的调峰能力，减少同等消纳风电下需要的储能容量。此为现有技术的不足之处。

因此，提供设计一种热电联供型压缩空气储能系统及其控制方法，以解决上述技术问题，是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术存在的缺陷，提供设计一种一种热电联供型压缩空气储能系统及其控制方法，以解决上述技术问题。

为实现上述目的，本发明给出以下技术方案：

一种热电联供型压缩空气储能系统，包括热电联产机组和绝热压缩空气储能单元，其特征在于：

所述热电联产机组包括热电机组锅炉，所述热电机组锅炉的输出端设置有第一支路和第二支路，所述第一支路通过汽轮机与热用户的输入端连接，所述第二支路通过热电机组减温减压阀与热用户的输入端连接，所述汽轮机与发电机连接；所述热用户的输出端通过第二汽水换热器与热电机组锅炉的输入端连接；

所述绝热压缩空气储能单元包括依次连接的压缩机、第二汽水换热器、储气罐、第一汽水换热器、透平膨胀设备、第一离合器、发电电动机、第二离合器，所述第二离合器与压缩机连接；

所述热用户与第一汽水换热器并联，在热用户与第一汽水换热器的输入管道上还设有蒸汽调节阀。

优选地，所述第一汽水换热器连接进入透平膨胀设备前的高压空气管路和汽轮机的蒸汽输出管路；从而能够利用汽轮机蒸汽热量加热进入透平膨胀设备前的气体。

优选地，所述的第一支路为金属管道；采用金属管道不仅能够实现水流的导通，而且不易腐蚀。

优选地，所述的第一支路为不锈钢管道；抗腐蚀，使用寿命长。

优选地，所述的第一支路外为包裹有保温层；既能够保护第一支路，而且能够有效延缓第一支路内热水的降温速度。

优选地，所述的第二支路为金属管道；采用金属管道不仅能够实现水流的导通，而且不易腐蚀。

优选地，所述的第二支路为不锈钢管道；抗腐蚀，使用寿命长。

优选地，所述的第二支路外包裹有保温层；既能够保护第二支路，而且能够有效延缓第二支路内热水的降温速度。

一种热电联供型压缩空气储能系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤(1)：获取下一个调度时间段T内的风电预测输出功率、热负荷需求预测数据和电负荷需求预测数据；

步骤(2)：根据t时刻背压式热电机组的煤耗量、t时刻消纳的风电功率等效煤耗量和压缩空气储能系统t时刻等效耗能来设置系统目标函数；

步骤(3)：设置约束条件，根据步骤(2)的系统目标函数和约束条件，求解出任意时刻绝热压缩空气储能单元和热电联产机组最优输出功率；所述约束条件包括电负荷平衡约束、热负荷平衡约束、热电联产机组处理约束、机组爬坡速率约束以及绝热压缩空气储能单元容量约束；

所述步骤(2)的具体步骤为：

对于背压式热电联产机组的供热煤耗量表示为发电功率的二次形式：

$C_1(i,t)=a_i{\left(p_{e1,i}^t\right)}^2+b_i{p}_{e1,i}^t+c_i;$

式中：C₁(i,t)表示t时刻背压式热电机组的煤耗量，a_i、b_i、c_i为背压式热电机组i的煤耗系数；为第i台背压式热电机组在t时刻的发电功率；

t时刻消纳风电消耗的等效煤耗量C₂(t)为

C₂(t)＝0；

设绝热压缩空气储能单元储能效率为η，则绝热压缩空气储能单元t时刻等效耗能C₃(t)为：

$C_3\left(t\right)=(1-\mathrm{\η})C_{ave}{p}_{e3}^t;$

式中C_ave为整个单元单位功率平均能耗，为绝热压缩空气储能单元在t时刻的发电功率；

p_e1表示背压热电机组发电功率，p_e2表示消纳的风电功率，p_e3表示绝热压缩空气储能单元发电功率；

建立系统目标函数为：

$C\left(t\right)=\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{C}_1(i,t)p_{e1,i}^t+C_2\left(t\right)p_{e2}^t+C_3\left(t\right)p_{e3}^t\};$

其中，C(t)为整个系统的总煤耗量，C₁(i,t)表示t时刻背压式热电机组的煤耗量，C₂(t)为t时刻消纳的风电功率等效煤耗量，C₃(t)为绝热压缩空气储能单元t时刻等效耗能，表示第i台热电机组在t时刻的电功率，表示在t时刻消纳的风电电功率，表示绝热压缩空气储能单元t时刻的电功率；

所述步骤(3)的电负荷平衡约束和热负荷平衡约束：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{e1,i}^t+P_{e2}^t+P_{e3}^t=P_{De}^t\\ P_{h1,i}^t+c_v{p}_{e3}^t\≥P_{Dh}^t\end{array}\right.;$

式中为t时刻等效电负荷功率,为t时刻热负荷功率，c_v为绝热压缩空气储能单元热电比；

所述步骤(3)的热电联产机组出力约束：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{e1,i}^t=c_m{P}_{h,i}^t+K_i\\ P_{e1,\min ,i}\≤P_{e1,i}^t\≤P_{e1,\max ,i}\end{array}\right.;$

其中，c_m表示热电联产机组的热电比，K_i为常数，P_e1,min,i为热电联产机组i最小有功出力，P_e1,max,i分别为热电联产机组i最大有功出力；

所述步骤(3)的机组爬坡速率约束：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_i^t-P_i^{t-1}\≤P_{up,i}\\ P_i^{t-1}-P_i^t\≤P_{down,i}\end{array}\right.$

P_up,i为热电联产机组i向上爬坡速率约束，P_down,i为热电联产机组i向下爬坡速率约束；

所述步骤(3)的绝热压缩空气储能单元容量约束：

$\underset{t=1}{\overset{n}{\Σ}}{p}_{e3}^t\≤S;$

式中n≤T，S为储能额定容量；

根据目标函数和约束条件，求解出任意时刻绝热压缩空气储能单元和热电联产机组最优输出功率。

本发明的有益效果在于，所述压缩机输出的高压高温空气经管路通过第二汽水换热器和热电机组锅炉的回水端进行热交换，从而对供热回水在进入热电机组锅炉前加热；

绝热压缩空气储能单元和热电联产机组进行电能和热能的耦合，绝热压缩空气储能单元压缩空气储能时能够向热电联产机组供热，释放空气发电时能够吸收热电联产机组的热能。此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1是本发明提供的一种热电联供型压缩空气储能系统的结构示意图。

其中，1.1-热电机组锅炉，1.2-第一支路，1.3-第二支路，1.4-汽轮机，1.5-热用户，1.6-热电机组减温减压阀，2.1-压缩机，2.2第二汽水换热器，2.3储气罐，2.4第一汽水换热器，2.5-透平膨胀设备，2.6-第一离合器，2.7-发电电动机，2.8第二离合器，2.9-蒸汽调节阀。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明进行详细阐述，以下实施例是对本发明的解释，而本发明并不局限于以下实施方式。

如图1所示，本发明提供的一种热电联供型压缩空气储能系统，包括热电联产机组和绝热压缩空气储能单元；

所述热电联产机组包括热电机组锅炉1.1，所述热电机组锅炉1.1的输出端设置有第一支路1.2和第二支路1.3，所述第一支路1.2通过汽轮机1.4与热用户1.5的输入端连接，所述第二支路1.3通过热电机组减温减压阀1.6与热用户1.5的输入端连接，所述汽轮机1.4与发电机连接；所述热用户1.5的输出端通过第二汽水换热器2.2与热电机组锅炉1.1的输入端连接；

所述绝热压缩空气储能单元包括依次连接的压缩机2.1、第二汽水换热器2.2、储气罐2.3、第一汽水换热器2.4、透平膨胀设备2.5、第一离合器2.6、发电电动机2.7、第二离合器2.8，所述第二离合器2.8与压缩机2.1连接；

所述热用户1.5与第一汽水换热器2.4并联，在热用户1.5与第一汽水换热器2.4的输入管道上还设有蒸汽调节阀2.9。

本实施例中，所述第一汽水换热器2.4连接进入透平膨胀设备2.5前的高压空气管路和汽轮机的蒸汽输出管路；从而能够利用汽轮机蒸汽热量加热进入透平膨胀设备前的气体。

本实施例中，所述的第一支路1.2为金属管道；采用金属管道不仅能够实现水流的导通，而且不易腐蚀。

本实施例中，所述的第一支路1.2为不锈钢管道；抗腐蚀，使用寿命长。

本实施例中，所述的第一支路1.2外为包裹有保温层；既能够保护第一支路，而且能够有效延缓第一支路内热水的降温速度。

本实施例中，所述的第二支路1.3为金属管道；采用金属管道不仅能够实现水流的导通，而且不易腐蚀。

本实施例中，所述的第二支路1.3为不锈钢管道；抗腐蚀，使用寿命长。

本实施例中，所述的第二支路1.3外包裹有保温层；既能够保护第二支路，而且能够有效延缓第二支路内热水的降温速度。

本实施例还提供一种热电联供型压缩空气储能系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤(1)：获取下一个调度时间段T内的风电预测输出功率、热负荷需求预测数据和电负荷需求预测数据；

步骤(2)：根据t时刻背压式热电机组的煤耗量、t时刻消纳的风电功率等效煤耗量和压缩空气储能系统t时刻等效耗能来设置系统目标函数；

步骤(3)：设置约束条件，根据步骤(2)的系统目标函数和约束条件，求解出任意时刻绝热压缩空气储能单元和热电联产机组最优输出功率；所述约束条件包括电负荷平衡约束、热负荷平衡约束、热电联产机组处理约束、机组爬坡速率约束以及绝热压缩空气储能单元容量约束；

所述步骤(2)的具体步骤为：

对于背压式热电联产机组的供热煤耗量表示为发电功率的二次形式：

$C_1(i,t)=a_i{\left(p_{e1,i}^t\right)}^2+b_i{p}_{e1,i}^t+c_i;$

式中：C₁(i,t)表示t时刻背压式热电机组的煤耗量，a_i、b_i、c_i为背压式热电机组i的煤耗系数；为第i台背压式热电机组在t时刻的发电功率；

t时刻消纳风电消耗的等效煤耗量C₂(t)为

C₂(t)＝0；

设绝热压缩空气储能单元储能效率为η，则绝热压缩空气储能单元t时刻等效耗能C₃(t)为：

$C_3\left(t\right)=(1-\mathrm{\η})C_{ave}{p}_{e3}^t;$

式中C_ave为整个单元单位功率平均能耗，为绝热压缩空气储能单元在t时刻的发电功率；

p_e1表示背压热电机组发电功率，p_e2表示消纳的风电功率，p_e3表示绝热压缩空气储能单元发电功率；

建立系统目标函数为：

$C\left(t\right)=\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{C}_1(i,t)p_{e1,i}^t+C_2\left(t\right)p_{e2}^t+C_3\left(t\right)p_{e3}^t\};$

其中，C(t)为整个系统的总煤耗量，C₁(i,t)表示t时刻背压式热电机组的煤耗量，C₂(t)为t时刻消纳的风电功率等效煤耗量，C₃(t)为绝热压缩空气储能单元t时刻等效耗能，表示第i台热电机组在t时刻的电功率，表示在t时刻消纳的风电电功率，表示绝热压缩空气储能单元t时刻的电功率；

所述步骤(3)的电负荷平衡约束和热负荷平衡约束：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{e1,i}^t+P_{e2}^t+P_{e3}^t=P_{De}^t\\ P_{h1,i}^t+c_v{p}_{e3}^t\≥P_{Dh}^t\end{array}\right.;$

式中为t时刻等效电负荷功率,为t时刻热负荷功率，c_v为绝热压缩空气储能单元热电比；

所述步骤(3)的热电联产机组出力约束：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{e1,i}^t=c_m{P}_{h,i}^t+K_i\\ P_{e1,\min ,i}\≤P_{e1,i}^t\≤P_{e1,\max ,i}\end{array}\right.;$

其中，c_m表示热电联产机组的热电比，K_i为常数，P_e1,min,i为热电联产机组i最小有功出力，P_e1,max,i分别为热电联产机组i最大有功出力；

所述步骤(3)的机组爬坡速率约束：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_i^t-P_i^{t-1}\≤P_{up,i}\\ P_i^{t-1}-P_i^t\≤P_{down,i}\end{array}\right.$

P_up,i为热电联产机组i向上爬坡速率约束，P_down,i为热电联产机组i向下爬坡速率约束；

所述步骤(3)的绝热压缩空气储能单元容量约束：

$\underset{t=1}{\overset{n}{\Σ}}{p}_{e3}^t\≤S;$

式中n≤T，S为储能额定容量；

根据目标函数和约束条件，求解出任意时刻绝热压缩空气储能单元和热电联产机组最优输出功率。

以上公开的仅为本发明的优选实施方式，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的没有创造性的变化，以及在不脱离本发明原理前提下所作的若干改进和润饰，都应落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种热电联供型压缩空气储能系统，包括热电联产机组和绝热压缩空气储能单元，其特征在于：

所述热电联产机组包括热电机组锅炉，所述热电机组锅炉的输出端设置有第一支路和第二支路，所述第一支路通过汽轮机与热用户的输入端连接，所述第二支路通过热电机组减温减压阀与热用户的输入端连接，所述汽轮机与发电机连接；所述热用户的输出端通过第二汽水换热器与热电机组锅炉的输入端连接；

所述绝热压缩空气储能单元包括依次连接的压缩机、第二汽水换热器、储气罐、第一汽水换热器、透平膨胀设备、第一离合器、发电电动机、第二离合器，所述第二离合器与压缩机连接；

所述热用户与第一汽水换热器并联，在热用户与第一汽水换热器的输入管道上还设有蒸汽调节阀。

2.根据权利要求1所述的一种热电联供型压缩空气储能系统，其特征在于：所述第一汽水换热器连接进入透平膨胀设备前的高压空气管路和汽轮机的蒸汽输出管路。

3.根据权利要求1或2所述的一种热电联供型压缩空气储能系统，其特征在于：所述的第一支路为金属管道。

4.根据权利要求3所述的一种热电联供型压缩空气储能系统，其特征在于：所述的第一支路为不锈钢管道。

5.根据权利要求4所述的一种热电联供型压缩空气储能系统，其特征在于：所述的第一支路外为包裹有保温层。

6.根据权利要求5所述的一种热电联供型压缩空气储能系统，其特征在于：所述的第二支路为金属管道。

7.根据权利要求6所述的一种热电联供型压缩空气储能系统，其特征在于：所述的第二支路为不锈钢管道。

8.根据权利要求7所述的一种热电联供型压缩空气储能系统，其特征在于：所述的第二支路外包裹有保温层。

9.一种热电联供型压缩空气储能系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤(1)：获取下一个调度时间段T内的风电预测输出功率、热负荷需求预测数据和电负荷需求预测数据；

步骤(2)：根据t时刻背压式热电机组的煤耗量、t时刻消纳的风电功率等效煤耗量和压缩空气储能系统t时刻等效耗能来设置系统目标函数；

步骤(3)：设置约束条件，根据步骤(2)的系统目标函数和约束条件，求解出任意时刻绝热压缩空气储能单元和热电联产机组最优输出功率；所述约束条件包括电负荷平衡约束、热负荷平衡约束、热电联产机组处理约束、机组爬坡速率约束以及绝热压缩空气储能单元容量约束；

所述步骤(2)的具体步骤为：

对于背压式热电联产机组的供热煤耗量表示为发电功率的二次形式：

$C_1(i,t)=a_i{\left(p_{e1,i}^t\right)}^2+b_i{p}_{e1,i}^t+c_i;$

式中：C₁(i,t)表示t时刻背压式热电机组的煤耗量，a_i、b_i、c_i为背压式热电机组i的煤耗系数；为第i台背压式热电机组在t时刻的发电功率；

t时刻消纳风电消耗的等效煤耗量C₂(t)为

C₂(t)＝0；

设绝热压缩空气储能单元储能效率为η，则绝热压缩空气储能单元t时刻等效耗能C₃(t)为：

$C_3\left(t\right)=(1-\mathrm{\η})C_{ave}{p}_{e3}^t;$

式中C_ave为整个单元单位功率平均能耗，为绝热压缩空气储能单元在t时刻的发电功率；

p_e1表示背压热电机组发电功率，p_e2表示消纳的风电功率，p_e3表示绝热压缩空气储能单元发电功率；

建立系统目标函数为：

$C\left(t\right)=\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{C}_1(i,t)p_{e1,i}^t+C_2\left(t\right)p_{e2}^t+C_3\left(t\right)p_{e3}^t\};$

其中，C(t)为整个系统的总煤耗量，C₁(i,t)表示t时刻背压式热电机组的煤耗量，C₂(t)为t时刻消纳的风电功率等效煤耗量，C₃(t)为绝热压缩空气储能单元t时刻等效耗能，表示第i台热电机组在t时刻的电功率，表示在t时刻消纳的风电电功率，表示绝热压缩空气储能单元t时刻的电功率；

所述步骤(3)的电负荷平衡约束和热负荷平衡约束：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{e1,i}^t+P_{e2}^t+P_{e3}^t=P_{De}^t\\ P_{h1,i}^t+c_v{p}_{e3}^t\≥P_{Dh}^t\end{array}\right.;$

式中为t时刻等效电负荷功率,为t时刻热负荷功率，c_v为绝热压缩空气储能单元热电比；

所述步骤(3)的热电联产机组出力约束：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{e1,i}^t=c_m{P}_{h,i}^t+K_i\\ P_{e1,\min ,i}\≤P_{e1,i}^t\≤P_{e1,\max ,i}\end{array}\right.;$

其中，c_m表示热电联产机组的热电比，K_i为常数，P_e1,min,i为热电联产机组i最小有功出力，P_e1,max,i分别为热电联产机组i最大有功出力；

所述步骤(3)的机组爬坡速率约束：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_i^t-P_i^{t-1}\≤P_{up,i}\\ P_i^{t-1}-P_i^t\≤P_{down,i}\end{array}\right.$

P_up,i为热电联产机组i向上爬坡速率约束，P_down,i为热电联产机组i向下爬坡速率约束；

所述步骤(3)的绝热压缩空气储能单元容量约束：

$\underset{t=1}{\overset{n}{\Σ}}{p}_{e3}^t\≤S;$

式中n≤T，S为储能额定容量；

根据目标函数和约束条件，求解出任意时刻绝热压缩空气储能单元和热电联产机组最优输出功率。