畢業(yè)論文（設(shè)計）含相變儲熱裝置的熱電機組對電力系統(tǒng)靈活性的提升規(guī)律研究

1、含相變儲熱裝置的熱電機組對電力系統(tǒng)靈活性的提升規(guī)律研究摘 要 由于波動性和間歇性，可再生能源的引入對電力系統(tǒng)的靈活性提出更高要求。然而目前以"以 熱定電”模式運行的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)靈活性較低，阻礙了可再生能源的發(fā)展。本文研究了一個加裝了相 變儲熱裝置的電-熱綜合能源系統(tǒng)，基于滋耗散熱阻理論以“能量流”視角對其建模，并優(yōu)化其調(diào)度策 略。結(jié)果顯示：】）儲熱裝置提高了系統(tǒng)靈活性，使系統(tǒng)棄風(fēng)量由18.7%降至11.2%； 2）在該系統(tǒng)模型中 考慮換熱過程是必要的：3）相變儲熱材料故佳溫度為9（tc至100°co 關(guān)鍵詞 綜合能源系統(tǒng)；相變儲熱；可再生能源；熱電聯(lián)產(chǎn)（chp）；熱阻0前言

2、為了應(yīng)對能源危機，提高能源利用效率和開發(fā)化石能源替代品成為了本世紀(jì)能源領(lǐng) 域研究者們關(guān)注的兩個焦點。其中，熱電聯(lián)產(chǎn)（chp）作為提高一次能源利用效率的代 表性技術(shù)，已被世界各國廣泛應(yīng)用；而風(fēng)能、太陽能等可再生能源也在近十年來得到 了飛速發(fā)展。然而，此兩者在實際運行中存在相互制約：由于波動性和間歇性，可再生 能源的引入對電力系統(tǒng)的靈活性提出很高要求，但現(xiàn)有熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的“以熱定電” 運行模式恰恰制約了其調(diào)節(jié)能力。于是，隨著風(fēng)電、光伏裝機規(guī)模的不斷增加，棄風(fēng)、 棄光問題日益凸顯，特別是在我國北方地區(qū)冬季供曖期。解決上述問題的方法z是提高熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)靈活性。目前已有研究者提出在熱電 廠屮加裝儲能裝置

3、，將其電出力和熱出力在一定程度上解耦，從而提高靈活性w然而 此前的研究多是利用熱水進(jìn)行儲熱卩®,它對系統(tǒng)中包括供熱抽汽、熱網(wǎng)水在內(nèi)的其他工 質(zhì)溫度區(qū)間要求較為苛刻，而且顯熱儲熱的儲能密度較低。如果利用相變儲熱，則上述 的問題可以得到較好的解決。此外，為了使儲熱裝置在系統(tǒng)屮發(fā)揮最大的調(diào)節(jié)作用，有必要從全局角度對電-熱 綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行建模和優(yōu)化。然而，電能和熱能具有不同的輸運特性，傳統(tǒng)電力系統(tǒng) 模型和熱力系統(tǒng)模型的研究視角分別是“能量流”和“工質(zhì)流”，難以整合。因此，用 傳統(tǒng)理論構(gòu)建電-熱綜合能源系統(tǒng)模型時，只能將熱力部件作為邊界條件，賦以經(jīng)驗性 參數(shù)及表達(dá)式卩。顯然，如此忽略熱力系統(tǒng)

4、細(xì)節(jié)可能會對模型帶來誤差，特別是在實際 工況與經(jīng)驗工況相差較大的情況下。為了解決這一問題，已有研究者提出了愀耗散熱阻 網(wǎng)絡(luò)法旳»將熱力系統(tǒng)通過熱電比擬的方法構(gòu)建為與電力系統(tǒng)相匹配的熱阻網(wǎng)絡(luò)模熨, 進(jìn)而可以用統(tǒng)一的“能量流”視角研究電-熱綜合能源系統(tǒng)。本文所關(guān)注的是一個同時具有風(fēng)電廠、火電廠和熱電廠的電-熱綜合能源系統(tǒng)。其 中熱電廠處加裝了相變儲熱裝置。本文將基于協(xié)耗散熱阻理論，構(gòu)建該系統(tǒng)的一體化能 量流模型，并對其運行調(diào)度策略進(jìn)行優(yōu)化。最終，分析儲熱裝置在綜合能源系統(tǒng)屮的作 用。1電-熱綜合能源系統(tǒng)建模1.1電-熱綜合能源系統(tǒng)物理模型簡述本文所研究的電-熱綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，

5、它包含三種不同的電廠：風(fēng)力 電廠、火力發(fā)電廠和抽凝式熱電廠。該系統(tǒng)被分為電力子系統(tǒng)和熱力子系統(tǒng)。對于電力 子系統(tǒng)，上述三種電廠的發(fā)電量通過電網(wǎng)輸送給電用戶；對于熱力子系統(tǒng)，熱電廠利用 中壓缸抽汽，通過供熱首站及分布式供暖系統(tǒng)，借助熱網(wǎng)水將熱量輸送給熱用戶。與傳 統(tǒng)熱電廠不同的是，該熱電廠加裝了一個儲熱裝置、兩個換熱器（圖中的b和c）以及 一個雙支路回路（圖中的iii）。儲熱裝置中的儲熱工質(zhì)選用相變材料，回路中的換熱工 質(zhì)選用導(dǎo)熱油，儲熱工質(zhì)可在儲熱裝置內(nèi)與導(dǎo)熱油換熱。通過開關(guān)閥門，該系統(tǒng)有兩個 工作狀態(tài)：1.打開閥門a和b,關(guān)閉閥門c和d,導(dǎo)熱油從蒸汽中獲得熱量并存入儲熱裝置；風(fēng)電廠火電廠煥力

6、了系統(tǒng) £熱電廠電負(fù)荷第中供跟系統(tǒng):竺出水回水換熱器o供熱首站o儲煤換熱器9放熱換熱器工質(zhì)蒸汽（d水血異熱油節(jié)點瀉度抽汽度（7r 儲熱換熱器出口溫度（7打）o供煤首站出口潟度（人。）回水潟度（/jq 放熱換熱器出口溫度仃j）o岀水溫度（7；丿儲熱工質(zhì)相變溫度（刀川2打開閥門c和d,關(guān)閉閥門a和b,導(dǎo)熱油從儲熱裝置獲得熱暈并釋放給熱網(wǎng)水。pwind圖1綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，蒸汽先經(jīng)過儲熱換熱器再經(jīng)過供熱首站，溫度從aj降至人八最終降 至 % 熱網(wǎng)水先經(jīng)過放熱換熱器在經(jīng)過供熱首站，溫度從幾,升至幾，最終升至t、w 為了簡化模型，這里考慮儲熱裝置屮的儲熱工質(zhì)溫度為定值，即其相變溫度，

7、ths.圖2給出了該系統(tǒng)簡化的能量流模型。對于電力子系統(tǒng)，風(fēng)電廠出力（p®、火 電廠出力（p仞）和熱電廠出力（幾妙）之和等于用戶電負(fù)荷jp3 表達(dá)式為;尸叫:°©:pg:電力子系統(tǒng) c:p如.:0mapchp1f 亠、熱力子系統(tǒng)phs:儲熱裝置1圖2綜合能源系統(tǒng)簡化能量流模型對于熱力子系統(tǒng)，圖屮他是蒸汽質(zhì)量流量，是用戶熱負(fù)荷，0能是儲熱裝置凈 儲熱功率(正值代表儲熱，負(fù)值代表放熱)。為了簡化模型，這里假設(shè)蒸汽流量與熱電 廠電出力呈線性關(guān)系：叫=apd.p，其中。是比例常數(shù)。實際中他、0皿/和07s三者是相互約束的，但這里并不能直接給出其顯式表達(dá)式。 為了構(gòu)建完整的

8、系統(tǒng)模型，接下來我們將從換熱過程出發(fā)，討論對此三者之間的關(guān)系。 1.2熱力子系統(tǒng)的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型對于上述熱力子系統(tǒng)，按閥門開關(guān)情況和導(dǎo)熱油流量分類，共存在三種運行工況。 基于熾耗散熱阻理論9",可將三種工況下的系統(tǒng)分別構(gòu)建為熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，如圖3所 示。其中，下標(biāo)5和w分別代表蒸汽和熱水，hes、hs> rel和s/o分別代表供熱首站、 儲熱裝置、放熱換熱器和儲熱換熱器。當(dāng)打開閥門c和d,關(guān)閉閥門a和b時，儲熱裝置處于放熱狀態(tài)，即工況1。此時， 蒸汽在供熱首站內(nèi)先后經(jīng)歷了氣態(tài)過稈、兩相過稈和液態(tài)過程。這三個過程將供熱首站 分為三段，相當(dāng)于三個串聯(lián)換熱器。根據(jù)熾耗散熱阻法，其等效熱阻

9、網(wǎng)絡(luò)如圖3(a)所 樂o三段換熱器的熱阻分別為rhesa、rhes2和rhes3 '而qhes, 1、qhes,2和qhes3是對應(yīng) 的換熱量，坊加。是蒸汽的相變溫度。此外，相變儲熱裝置在熱阻網(wǎng)絡(luò)中被等效為了一個 無限大電容。當(dāng)打開閥門a和b,關(guān)閉閥門c和d,且導(dǎo)熱油的流量較小吋，儲熱裝置處于儲熱 狀態(tài)，即工況2。此時，蒸汽在儲熱換熱器內(nèi)只經(jīng)歷氣態(tài)過程，而在供熱首站屮經(jīng)歷氣 態(tài)過程、兩相過程和液態(tài)過程。這三個過程同樣將供熱首站劃分為了串聯(lián)的三段換熱器, 其熱阻網(wǎng)絡(luò)模型如圖3(b)所示。當(dāng)打開閥門a和b,關(guān)閉閥門c和d,且導(dǎo)熱油的流量較大時，儲熱裝置亦處于儲 熱狀態(tài)，為工況3。與工況2不

10、同的是，此時蒸汽在儲熱換熱器內(nèi)先后經(jīng)歷了氣態(tài)和兩 相過程，而在供熱首站屮只經(jīng)歷了兩相和液態(tài)兩個過程，因此供熱首站只被劃分為了兩 段，其熱阻網(wǎng)絡(luò)模型如圖3(c)所示。q3qmslqms3tqm2°| 卜i rhs io|r< i i(a) 工況1(b) 工況2(c)工況3圖3熱電廠熱力子系統(tǒng)熱阻網(wǎng)絡(luò)模型以上三種工況的數(shù)學(xué)建模方法相同，但細(xì)節(jié)上略有不同。在此，只以工況1為例, 介紹其數(shù)學(xué)模型的構(gòu)造。首先，由蒸汽的物性可直接得到蒸汽氣態(tài)過程和兩相過程的換熱量：qllesa = mscs (: - phase)'ques.2 =叫廠'(5)其中廠是蒸汽的相變潛熱。此外，

11、由電路的基爾霍夫電流定律可得能量平衡表達(dá)式為q/ies.3 = qload qhes, qhes,2 qhs 0根據(jù)席耗散熱阻理論，供熱首站每一段的換熱暈還應(yīng)滿足qhesa t 4- tsj phasetw,i + 人“ * qhes,2 + qlies.3 + qtes ' l 2rfiesnqhes、2 =人 j + 幾。* qhes. + qhes、3 + qtes i2r"es,2qhes,3 =t +tphase £,o2z陽 + 人，.o | -qhesj _ qhes、2 + qtes <22mwcwhesarhes.3其中fnwcw = qio

12、adk t0-twj）, t$,o = 7皿廠創(chuàng)鄧/伽心）。每段換熱面積與熱阻的關(guān)系為ln 2心砂/(1/加4一1/%)+1-1/叫 c)ka5hes.3kanzi/?5,22&恣2叫4 12心心"坨+1(10)加2心q/（】/叫4 一 1/叫坨）+ 2rhes.jw 叫 c、廠屮cj-(11)if2 心es/(1/叫 4-嘰 cj-l(12)這里假設(shè)換熱器導(dǎo)熱系數(shù)為定值。于是，供熱首站總熱導(dǎo)為hes. + hes.2 + 肋"es,3 = hes其中q/jes為給定參數(shù)。另一方面，儲熱裝置的放熱量，qhs還與儲熱裝置換熱器熱導(dǎo)、熱網(wǎng)水及導(dǎo)熱油 的熱容量流有關(guān)，表示

13、為qus = tus 一 f ； y監(jiān)嚴(yán)/耘+心）（13）其小(14)11 xpwhs"%cj + 2叫i心川exp(ka加叫一 11 切(f -弘 /叫£)+ 1exp(k仏 hnoilcoil - katr/ 加/j -1(15)(16)° § 叫訂 < mnihniax ,其屮下標(biāo)。代表導(dǎo)熱油，叫忻為導(dǎo)熱油最大流量，取決于回路中循環(huán)泵的參數(shù)。聯(lián)立上述方程就構(gòu)成了 qg 0嗆和之間的約束，接下來只須給出三個變量中的 兩個，即可確定第三個。將該模型作為模塊代入l1節(jié)所述的電-熱綜合能源系統(tǒng)模型， 可構(gòu)成完整的系統(tǒng)模型。接下來，我們將対該模型進(jìn)行運

14、行調(diào)度優(yōu)化。1.3電-熱綜合能源系統(tǒng)的運行調(diào)度優(yōu)化上述系統(tǒng)在實際運行屮，除了需要滿足能量平衡和能量傳遞約束外，還需滿足各部 件的運行約束。首先，根據(jù)機組裝機規(guī)模等因素，各電廠的出力存在極限。對于風(fēng)電廠(17)其中只訕皿噸為最大風(fēng)電出力。對于火電廠和熱電廠，不僅受到最大最小出力限制，還 受到最大爬坡率限制，表示為dp-d << u切,max 成 (18)(19)(20)-d <l<chp.max 宙.max(21)c/zpjnin chp /仞.max '其中尸加nin,尸加喚戶如nin,尸咖,max分別是火電廠和熱電廠的最大最小電出力，dt, uwx, dchp

15、max, sg 分別是火電廠和熱電廠的最大向上爬坡率和最大向下爬坡率。對于儲熱裝置，其能量守恒方程為(22)其中。是儲熱裝置的儲熱量，存在安全范圍:(23)其中妙是儲熱裝置最大儲熱量。此外，為了系統(tǒng)的長期運行，儲熱裝置還應(yīng)考慮周期性條件。這里假設(shè)其儲熱量每 過24小時將回到原點，表示為嚴(yán)=護(hù)o（24）實際系統(tǒng)運行屮，最大風(fēng)電出力和電、熱負(fù)荷通常會進(jìn)行日前預(yù)測。因此，如何根 據(jù)預(yù)測值決定最佳的調(diào)度策略是關(guān)鍵。對于本文所討論的系統(tǒng)，優(yōu)化目標(biāo)可設(shè)為最小棄 風(fēng)量，即最大風(fēng)電出力與實際風(fēng)電出力之差的最小值，表示為(25)m叫工驗皿_£爲(wèi)& 其屮是時間。在這里，24小時被分成了 96個時

16、段（每段15分鐘，即事）。假設(shè)在每 一個時段內(nèi)，所有的運行參數(shù)保持恒定，則該問題就被轉(zhuǎn)化為了一個關(guān)于有限個決策變 量的優(yōu)化問題，可利用線性優(yōu)化算法進(jìn)行求解。2典型日運行調(diào)度優(yōu)化表1給出了算例中使用的各部件設(shè)定參數(shù)，圖4給出了典型日風(fēng)電最大出力、電負(fù) 荷和熱負(fù)荷的變化曲線。在該日屮，風(fēng)電最大出力總量為2333.4mwho表1系統(tǒng)給定參數(shù)火電廠出力范圈,p呼mijp睞窗300/600 mw抽汽溫度,tsj200 °c爬坡率上限,d”加/ugne1.6/1.6 mw/min相變溫度，tpg120 °c熱電廠出力范圍，p '切.mir/p ap.max180/300 mw蒸

17、汽氣態(tài)定壓比熱容,c1.9kj/(kgk)爬坡率上限,dcg/ugx0.8/0.8 mw/min液態(tài)（水）定壓比熱容,54.2比例系數(shù)衛(wèi)0384 (kg/s)/mw相變潛熱"2.2 mj/kg(續(xù)表1)工質(zhì)相變溫度,ths100 °c供熱首站換熱器熱導(dǎo),kaf!es5.3 mw/k儲熱裝程最大儲熱雖,喚150 mwh儲熱換熱器換熱器熱導(dǎo)，ka迪1.0 mw/k換熱器熱導(dǎo),ka/s1.0 mw/k放熱換熱器換熱器熱導(dǎo)，肋占1.0 mw/k熱網(wǎng)水岀回水溫度,tjtw,o50/90 °c導(dǎo)熱油最人熱容駅流.mogxc罰1.() mw/k時間(h)圖4典型日風(fēng)電最大出力及

18、用戶電、熱負(fù)荷(a)風(fēng)電廠出力(b)火電廠出力(c) 熱電廠出力(d)儲熱裝置儲熱顯圖5最優(yōu)調(diào)度方案圖5給出了經(jīng)過優(yōu)化后的熱電出力曲線、火電出力曲線、風(fēng)電出力曲線和儲熱裝置儲熱量。作為對比，圖中還標(biāo)出了無儲熱裝置系統(tǒng)的最優(yōu)曲線。另外我們還采用熱電廠 固定熱電比的模型（即忽略傳熱過程的模型）進(jìn)行了同樣的優(yōu)化，此時能量平衡約束為0匕+0嚴(yán)久d（26）其中0為給定的熱電比，此外儲熱裝置凈放熱量（q/s）將給定上下限。需要指出的是， 本算例中的熱電比和儲熱裝置凈放熱量范圉是通過試湊法得到的，原則是盡可能的使忽 略傳熱模型的結(jié)果接近考慮傳熱模型的結(jié)果。經(jīng)優(yōu)化，無儲熱裝置的系統(tǒng)最大風(fēng)電消納量為1896.0

19、mwh （棄風(fēng)量18.7%）,而有 儲熱裝置的系統(tǒng)最大風(fēng)電消納量為2072.lmwh （棄風(fēng)量11.2%）0此外，火電廠出力分 別為8713.9mwh和8541.8mwh。由圖5可見,08h和1924h時段的可用風(fēng)能較多, 對于無儲熱裝置的系統(tǒng)，由于熱電廠熱出力需耍實時滿足用戶負(fù)荷，其電出力存在下限。 此時即使火電廠出力已經(jīng)降至最低，仍有大量風(fēng)能被棄。而對于有儲熱裝置的系統(tǒng)，在 此時段熱電廠的熱出力還可以適當(dāng)降低（熱負(fù)荷缺口由儲熱裝置放熱補充），從而電出 力的下限也可相應(yīng)降低，于是更多風(fēng)能可以被消納。在819h吋段，風(fēng)能總量低，不論 是否加入儲熱裝置，風(fēng)能總可以被全部消納。對于有儲熱裝置的系統(tǒng)

20、，為了補充儲熱裝 置在其他時段釋放的熱量，熱電廠的熱出力會高于實時熱負(fù)荷，并將多余熱量存入儲熱 裝置。于是熱電廠電出力隨z上升，在系統(tǒng)電負(fù)荷一定的情況下，火電廠電出力下降。從全局來看，加裝儲熱裝置可以提高系統(tǒng)風(fēng)電消納量，降低系統(tǒng)火電出力。它的本 質(zhì)在于提高了熱電廠的靈活性，使熱電廠熱出力不再需要實吋地、嚴(yán)格地滿足用戶熱需 求。從而，提高了整個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，增加了可再生能源的消納。另一方面，圖5還展示了忽略傳熱的模型結(jié)果。我們己用試湊法找到最佳的熱電比 和儲熱裝置凈放熱量范i韋i,使其結(jié)果盡可能地接近考慮傳熱的模型結(jié)果。但由圖可見， 其二者之間仍有不可消除的誤差，具體體現(xiàn)為：當(dāng)熱負(fù)荷較高時（7

21、9h及1719h）,考 慮傳熱的模型中熱電廠出力較高，而當(dāng)熱負(fù)荷較低時（05h）,考慮傳熱的模型熱電出 力較低。其原因在于實際換熱器換熱過程存在非線性，特別是熱電廠蒸汽流量和熱出力 之間的關(guān)系（例如：當(dāng)熱出力提高20%時，所需的蒸汽量對能會提高25%）0忽略傳熱 的模型無法反映此非線性關(guān)系，因此帶來不可消除的誤差。此外，考慮傳熱的模型的另一個優(yōu)勢是可用于系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)選擇分析。圖6給出了 系統(tǒng)最大風(fēng)電消納量隨儲熱裝置儲熱溫度的變化關(guān)系?？梢?，當(dāng)儲熱裝置儲熱溫度在90°c 到100°c之間時，系統(tǒng)風(fēng)電消納量最大。這是因為當(dāng)儲熱裝置儲熱溫度較低時，不利于1900607()90no

22、ko儲熱匸質(zhì)相變溫度（。0i(xo5(oo(95o2 2 2 i圖6儲熱工質(zhì)相變溫度對系統(tǒng)最大風(fēng)電出力的影響向熱網(wǎng)水放熱；當(dāng)儲熱裝置儲熱溫度較高時，不利于從蒸汽集熱。兩者都會使系統(tǒng)風(fēng)電 消納量降低。3結(jié)論本文研究了一個帶有儲熱的電-熱綜合能源系統(tǒng)，特點在于其熱電廠加裝了相變儲 熱裝置。本文基于煉耗散熱阻理論對其熱力子系統(tǒng)進(jìn)行了建模，進(jìn)而以“能量流”的視 角對綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行了一體化建模。利用該模型，本文優(yōu)化了系統(tǒng)運行調(diào)度策略，最 大化風(fēng)電消納。經(jīng)分析，儲熱裝置的引入使熱電廠的熱出力不再需要實時滿足用戶熱需 求，提高了熱電廠的調(diào)節(jié)能力，進(jìn)而提升了整個系統(tǒng)的靈活性，促進(jìn)了風(fēng)電的消納。結(jié) 果顯示，通

23、過引入儲熱裝置，系統(tǒng)的棄風(fēng)量由無儲熱裝置時的18.7%降至11.2%。另外 分析表明，由于傳熱過程本身的非線性，忽略傳熱的簡化模型具有不可消除的誤差，因 此為了精確控制，有必要采用考慮傳熱的模型進(jìn)行后續(xù)研究。最后，本文給出了該系統(tǒng) 屮儲熱工質(zhì)的最佳溫度，90°c至100°c,該溫度的儲熱裝置最利于系統(tǒng)的可再生能源消 納，可作為工程選型的參考。致謝感謝國家自然科學(xué)基金（資助號：51422603, 51356001, 51321002）的資助。參考文獻(xiàn)1 shipley a, hampson a, hedman b, ct al. combined heat and power

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