CN105371509B - 槽式光热发电系统结合天气预测数据的热罐控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及太阳能槽式光热发电技术领域，具体是槽式光热发电系统结合天气预测数据的热罐控制装置，包括数值天气预报接收机、热罐流量调节控制单元以及中央协调控制单元；所述数值天气预报接收机通过网络，接收数值预报数据；并利用数值预报数据作数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学的方程组，获取短期太阳能资源预测数据；通过本发明介绍的槽式光热发电系统结合天气预测数据的热罐控制装置，通过数值天气预报估算未来一定时间内系统存储的热熔盐质量，根据热罐已存储热熔盐质量，结合电网调度功率出力要求，对热罐熔盐出口泵进行流量控制。

Description

槽式光热发电系统结合天气预测数据的热罐控制装置
技术领域
本发明涉及太阳能槽式光热发电技术领域，具体是槽式光热发电系统结合天气预测数据的热罐控制装置。
背景技术
太阳能集热发电是一种可集中进行规模化发电的清洁能源方式。槽式系统是目前太阳能集热发电方式当中，技术成熟度和商业化验证度最高的。太阳能热发电所需要的热源全部来自于太阳光照，而太阳光照强度存在很大差异，这必然导致光热发电系统在每个时间点所能存储的热熔盐质量有大范围变化。太阳能光热发电系统要能够并网发电需要具备如常规电源一样对有功出力进行计划安排和控制，就需要对光热发电系统在未来一段时间所吸收的太阳能进行预测，并结合对送入换热发电系统的热熔盐流量控制，实现电网对太阳能光热发电系统的并网发电与调度控制。通过天气预测与功率控制有效的抑制太阳能随机性强、波动性大的特性，对光热发电系统并网商用化有着举足轻重的作用。
太阳能槽式光热发电系统在长期运行过程中，受复杂天气条件影响，太阳能随机性强、波动性大，光热发电系统在每个时间点所能存储的热熔盐质量有大范围变化，从而在极端条件下可能会造成存储的热熔盐过度使用，使系统出现非预期停机。
发明内容
为提高光热发电系统并网发电可靠性，降低因太阳能波动对光热发电系统出力的影响，并使得太阳能光热发电系统具备电网可调度性，本发明提出了槽式光热发电系统结合天气预测数据的热罐控制装置。
受本发明控制的系统包括集热场、热罐、冷罐和发电系统，所述集热场的出口通过第一管道连接至所述热罐的入口；所述热罐的出口处接熔盐泵A，熔盐泵A通过第二管道连接至发电系统的入口；所述发电系统的出口通过第三管道连接至所述冷罐的第一入口；所述冷罐的出口通过第四管道连接至所述集热场的入口，所述集热场的出口处通过第五管道连接至所述冷罐的第二入口。
控制装置包括数值天气预报接收机、热罐流量调节控制单元以及中央协调控制单元。所述数值天气预报接收机通过网络，接收数值预报数据。并利用数值预报数据作数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学的方程组，获取短期太阳能资源预测数据。所述数值天气预报接收机以及热罐流量调节控制单元分别通过通讯网络与所述中央协调控制单元相连。所述热罐流量调节控制单元根据所述中央协调控制单元的指令完所述热罐的出口处的熔盐泵A的流量控制。所述中央协调控制单元根据所述数值天气预报接收机计算的短期太阳能资源预测数据以及电厂生产调度指令，向所述热罐流量调节控制单元发送协调控制指令。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
槽式光热发电系统结合天气预测数据的热罐控制装置，其特征在于：具体步骤如下：
a.以每小时值天气预报光照辐射值 (W/m)为参考输入，计算集热场内熔盐加热后的温度提升，，其中，为集热场集热管总长度，为集热场温度损耗，为熔盐密度，为熔盐比热，为集热场管道总容积，；
b.采用公式计算出将熔盐温度提升至额定温度所需的熔盐流量，其中，为额定集热场输出熔盐温度，为额定集热场温输入熔盐温度；
c.根据实际熔盐流量限制范围，采用限幅方式剔除流量计算值低于熔盐最低流量以及高于熔盐流量上限的数据，即得到理想条件下的以小时为步长的集热场熔盐流量预测值；
d.每小时假定集热场熔盐流量预测值在一小时内不发生变化，则，即可得到每小时产生的热熔盐质量预测值，将24小时的热熔盐质量预测值累加即可计算出未来时间段内太阳能光热发电系统所能存储的热熔盐质量预测值；
e.以热熔盐质量预测值与系统现有热熔盐质量的总和作为光热发电系统在某时间段内存储热熔盐总质量预测值；
f.根据电网调度功率出力值计算得到在内满足该调度功率所需热熔盐质量设定系统热罐存储熔盐质量下限为，以及最低停机熔盐质量；
g.按照如下方法控制热罐熔盐出口泵流量：
g1.当时，光热发电系统能够满足电网功率需求，以电网需求控制热罐输出流量；
g2.当，且时，光热发电系统优先保证连续运行，适当降低输出功率，但依然保证热罐存储熔盐质量在下限之上；即，控制为光热发电系统保证自身用电功率需求所需热罐输出流量；
g3.当时，光热发电系统以全部储热量保证连续运行，即；但当时，光热发电系统进入停机。
为一天或多天。
所述为系统热罐存储熔盐质量下限，为热罐可存储总质量的10%。
所述为保证系统正常停机过程所需的最低热熔盐质量，当热罐存储热熔盐总质量可满足系统满负荷15小时工作时，为热罐可存储总质量的4%。
本发明的优点在于：通过本发明介绍的槽式光热发电系统结合天气预测数据的热罐控制装置，通过数值天气预报估算未来一定时间内系统存储的热熔盐质量，根据热罐已存储热熔盐质量，结合电网调度功率出力要求，对热罐熔盐出口泵进行流量控制。提高光热发电系统并网发电可靠性，降低因太阳能资源稳定性较差的特性对光热发电系统出力的影响，并使得太阳能光热发电系统具备如常规发电系统一样能够接收电网功率控制与调度，同时控制方法有利于系统在复杂多样气候条件下能够长期稳定运行。
附图说明
图1为应用本发明的实施例的槽式光热电站结构示意图。
图2 为应用本发明的结构简图。
图3 为应用本发明的实施例其天气预测及热罐控制流程图。
图4 为应用本发明的电网调度为50MW功率时其热罐控制曲线图。
图5为应用本发明的电网调度为40MW功率时其热罐控制曲线图。
具体实施方式
实施例1
槽式光热发电系统结合天气预测数据的热罐控制装置包括集热场、热罐、冷罐和发电系统，如图1所示，所述集热场的出口通过第一管道连接至所述热罐的入口；所述热罐的出口处接熔盐泵A，熔盐泵A通过第二管道连接至发电系统的入口；所述发电系统的出口通过第三管道连接至所述冷罐的第一入口；所述冷罐的出口通过第四管道连接至所述集热场的入口，所述集热场的出口处通过第五管道连接至所述冷罐的第二入口。
该控制装置包括数值天气预报接收机、热罐流量调节控制单元以及中央协调控制单元。如图2所示，所述数值天气预报接收机通过网络，接收数值预报数据。并利用数值预报数据作数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学的方程组，获取短期太阳能资源预测数据。所述数值天气预报接收机以及热罐流量调节控制单元分别通过通讯网络与所述中央协调控制单元相连。所述热罐流量调节控制单元根据所述中央协调控制单元的指令完所述热罐的出口处的熔盐泵A的流量控制。所述中央协调控制单元根据所述数值天气预报接收机计算的短期太阳能资源预测数据以及电厂生产调度指令，向所述热罐流量调节控制单元发送协调控制指令。
实施例2
槽式光热发电系统结合天气预测数据的热罐控制装置，其具体控制步骤如下：
a.以每小时值天气预报光照辐射值 (W/m)为参考输入，计算集热场内熔盐加热后的温度提升，，其中，为集热场集热管总长度，为集热场温度损耗，为熔盐密度，为熔盐比热，为集热场管道总容积，；
b.采用公式计算出将熔盐温度提升至额定温度所需的熔盐流量，其中，为额定集热场输出熔盐温度，为额定集热场温输入熔盐温度；
c.根据实际熔盐流量限制范围，采用限幅方式剔除流量计算值低于熔盐最低流量以及高于熔盐流量上限的数据，即得到理想条件下的以小时为步长的集热场熔盐流量预测值；
d.每小时假定集热场熔盐流量预测值在一小时内不发生变化，则，即可得到每小时产生的热熔盐质量预测值，将24小时的热熔盐质量预测值累加即可计算出未来时间段内太阳能光热发电系统所能存储的热熔盐质量预测值；
e.以热熔盐质量预测值与系统现有热熔盐质量的总和作为光热发电系统在某时间段内存储热熔盐总质量预测值；
f.根据电网调度功率出力值计算得到在内满足该调度功率所需热熔盐质量设定系统热罐存储熔盐质量下限为，以及最低停机熔盐质量；
g.按照如下方法控制热罐熔盐出口泵流量：
g1.当时，光热发电系统能够满足电网功率需求，以电网需求控制热罐输出流量；
g2.当，且时，光热发电系统优先保证连续运行，适当降低输出功率，但依然保证热罐存储熔盐质量在下限之上；即，控制为光热发电系统保证自身用电功率需求所需热罐输出流量；
g3.当时，光热发电系统以全部储热量保证连续运行，即；但当时，光热发电系统进入停机。
实施例3
为提高光热发电系统并网发电可靠性，降低因太阳能资源稳定性较差的特性对光热发电系统出力的影响，并使得太阳能光热发电系统具备如常规发电系统一样能够接收电网功率控制与调度，同时控制方法有利于系统在复杂多样气候条件下能够长期稳定运行。本发明提出了槽式光热发电系统结合天气预测数据的热罐控制装置。
具体控制方法如图3所示：
以每小时值天气预报光照辐射值(W/m)为参考输入，计算集热场内熔盐加热后的温度提升，，其中，为集热场集热管总长度，为集热场温度损耗，为熔盐密度，为熔盐比热，为集热场管道总容积, 。
采用公式计算出将熔盐温度提升至额定温度所需的熔盐流量，其中，为额定集热场输出熔盐温度，为额定集热场温输入熔盐温度。
根据实际熔盐流量限制范围，采用限幅方式剔除流量计算值低于熔盐最低流量以及高于熔盐流量上限的数据，即得到理想条件下的以小时为步长的集热场熔盐流量预测值。
“实际熔盐流量限制范围”这个范围通常为3.5kg/s～7.5kg/s。
每小时假定集热场熔盐流量预测值在一小时内不发生变化，则即可得到每小时产生的热熔盐质量预测值，将24小时的热熔盐质量预测值累加即可计算出未来时间段内（如一天）太阳能光热发电系统所能存储的热熔盐质量预测值。
以热熔盐质量预测值与系统现有热熔盐质量的总和作为光热发电系统在某时间段内存储热熔盐总质量预测值。
根据电网调度功率出力值计算得到在内满足该调度功率所需热熔盐质量设定系统热罐存储熔盐质量下限为，以及最低停机熔盐质量。
为系统热罐存储熔盐质量下限。通常为热罐可存储总质量的10%。
为保证系统正常停机过程所需的最低热熔盐质量，以热罐存储热熔盐总质量可满足系统满负荷15小时工作为例，通常为热罐可存储总质量的4%。
由于系统差异，系统热罐存储熔盐质量下限为，以及最低停机熔盐质量可由用户按照使用运行经验设置。
按照如下方法控制热罐熔盐出口泵流量：
a)当时，光热发电系统能够满足电网功率需求，以电网需求控制热罐输出流量；
b)当，且时，光热发电系统优先保证连续运行，适当降低输出功率，但依然保证热罐存储熔盐质量在下限之上。即， 控制为光热发电系统保证自身用电功率需求所需热罐输出流量；
c)当时，光热发电系统以全部储热量保证连续运行，即。但当时，光热发电系统进入停机。
如图4所示，在相同天气条件与预测数据下，当电网调度为50MW功率时，前4天预测光热发动系统能够得到足够的太阳光照资源，故光热发动系统按照电网调度50MW进行功率输出；由于第5天太阳光照条件不足，光热发动系统自主控制运行工况，保证在太阳光照条件比较差时，系统可以不停机，最低维持6MW功率输出，满足光热发电系统自身消耗。如图3所示，当电网调度为40MW功率时，可以看出通过预测系统计算，光热发电系统能够完全满足电网调度需求，系统在仿真期间维持40MW稳定输出。
本发明的优点在于：通过本发明介绍的槽式光热发电系统结合天气预测数据的热罐控制装置，通过数值天气预报估算未来一定时间内系统存储的热熔盐质量，根据热罐已存储热熔盐质量，结合电网调度功率出力要求，对热罐熔盐出口泵进行流量控制。提高光热发电系统并网发电可靠性，降低因太阳能资源稳定性较差的特性对光热发电系统出力的影响，并使得太阳能光热发电系统具备如常规发电系统一样能够接收电网功率控制与调度，同时控制方法有利于系统在复杂多样气候条件下能够长期稳定运行。

Claims (4)

1.一种槽式光热发电系统结合天气预测数据的热罐控制装置，其特征在于：包括数值天气预报接收机、热罐流量调节控制单元以及中央协调控制单元；所述数值天气预报接收机通过网络，接收数值预报数据；并利用数值预报数据作数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学的方程组，获取短期太阳能资源预测数据；所述数值天气预报接收机以及热罐流量调节控制单元分别通过通讯网络与所述中央协调控制单元相连；所述热罐流量调节控制单元根据所述中央协调控制单元的指令完所述热罐的出口处的熔盐泵A的流量控制；所述中央协调控制单元根据所述数值天气预报接收机计算的短期太阳能资源预测数据以及电厂生产调度指令，向所述热罐流量调节控制单元发送协调控制指令；
控制的具体步骤如下：
a.以每小时天气预报光照辐射值qabs(W/m)为参考输入，计算集热场内熔盐加热后的温度提升ΔTheat，其中，Lcol为集热场集热管总长度，qamb为集热场温度损耗，ρsalt为熔盐密度，csalt为熔盐比热，Vvol为集热场管道总容积,Δt＝1小时；
b.采用公式计算出将熔盐温度提升至额定温度所需的熔盐流量，其中，Thot_e为额定集热场输出熔盐温度，Tcold_e为额定集热场温输入熔盐温度；
c.根据实际熔盐流量限制范围，采用限幅方式剔除流量计算值低于熔盐最低流量以及高于熔盐流量上限的数据，即得到理想条件下的以小时为步长的集热场熔盐流量预测值
d.每小时假定集热场熔盐流量预测值在一小时内不发生变化，则 即可得到每小时产生的热熔盐质量预测值Mheatpre_1h，将24小时的热熔盐质量预测值累加即可计算出未来tpre时间段内太阳能光热发电系统所能存储 的热熔盐质量预测值Mheatpre_sum；
e.以热熔盐质量预测值Mheatpre_sum与系统现有热熔盐质量Mhot的总和作为光热发电系统在某时间段内存储热熔盐总质量预测值Mpre；
f.根据电网调度功率出力值计算得到在tpre内满足该调度功率所需热熔盐质量Mcomsum设定系统热罐存储熔盐质量下限为Mmin，以及最低停机熔盐质量Mstop；
g.按照如下方法控制热罐熔盐出口泵流量：
g1.当Mcomsum≤Mpre-Mmin时，光热发电系统能够满足电网功率需求，以电网需求控制热罐输出流量
g2.当Mcomsum＞Mpre-Mmin，且Mcomsum＜Mpre时，光热发电系统优先保证连续运行，适当降低输出功率，但依然保证热罐存储熔盐质量在下限Mmin之上；
即 控制为光热发电系统保证自身用电功率需求所需热罐输出流量；
g3.当Mcomsum＞Mpre时，光热发电系统以全部储热量保证连续运行，即 但当Mhot≤Mstop时，光热发电系统进入停机。
2.根据权利要求1所述的槽式光热发电系统结合天气预测数据的热罐控制装置，其特征在于：tpre为一天或多天。
3.根据权利要求1所述的槽式光热发电系统结合天气预测数据的热罐控制装置，其特征在于：所述Mmin为系统热罐存储熔盐质量下限，为热罐可存储总质量的10％。
4.根据权利要求1所述的槽式光热发电系统结合天气预测数据的热罐控制装置，其特征在于：所述Mstop为保证系统正常停机过程所需的最低热熔盐质量， 当热罐存储热熔盐总质量可满足系统满负荷15小时工作时，Mstop为热罐可存储总质量的4％。
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