CN106968794A - 一种冷热电联产系统的两级调峰运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷热电联产系统的两级调峰运行方法，所述冷热电联产系统通过回热可调的原动机和蓄冷热水箱满足用户的冷热负荷调峰需求，所述方法包括下列步骤：根据冷热电联产系统用户在当前季节的所需上游余热平均值，确定原动机的运行模式；根据确定的原动机的运行模式，结合当日用户的实时冷热负荷需求，确定蓄冷热水箱的运行模式。与现有技术相比，本发明具有同时满足冷热负荷日调峰和季节性调峰的需要、节能效果好、设备利用率高以及实用性强等优点。

Description

一种冷热电联产系统的两级调峰运行方法

技术领域

本发明涉及冷热电联产系统的运行调峰领域，尤其是涉及一种冷热电联产系统的两级调峰运行方法。

背景技术

以天然气为一次能源的冷热电三联产系统是分布式供能系统的一种主要形式。它通过原动机(燃气轮机、内燃机等)发电，然后利用原动机排烟余热制冷供热，实现了能量的梯级利用，系统能源利用效率高、污染物排放低，有广阔的应用前景，是国家重点推广的能源利用技术。

但冷热电联产系统目前应用中的一个很大问题就是实际运行中设备利用小时数低、全年运行效率低于设计工况的效率。这主要是因为用户的冷/热负荷在每天的不同时间和每年的不同季节往往变化很大，设计时为满足用户的最大冷/热需求，通常都是按最大需求设计，造成运行时设备(尤其是原动机)低负荷运行或并列运行设备部分停运。

目前分布式供能系统中适应用户冷/热负荷变化的调峰方法数要是利用蓄冷/热水箱。但利用蓄冷/热水箱的调节来适应负荷的变化只能实现用户冷/热负荷日负荷调峰需要，而季节性变化目前还没有很好的调节方法。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种冷热电联产系统的两级调峰运行方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种冷热电联产系统的两级调峰运行方法，所述冷热电联产系统通过回热可调的原动机和蓄冷热水箱满足用户的冷热负荷调峰需求，所述方法包括下列步骤：

1)根据冷热电联产系统用户在当前季节的所需上游余热平均值确定原动机的运行模式；

2)根据步骤1)确定的原动机的运行模式，结合当日用户的实时冷热负荷需求Q_day，确定蓄冷热水箱的运行模式。

所述步骤1)具体为：

11)根据当前季节，确定冷热电联产系统用户的所需上游余热平均值

12)判断步骤11)得到的所需上游余热平均值是否在原动机输出余热Q_w的调节范围内，若是则进入步骤13)，若否则对原动机的运行模式进行主动更改；

13)根据步骤11)得到的所需上游余热平均值结合原动机的输出余热Q_w与回热度X之间的函数关系Q_w＝f(X)，推导得到原动机当前运行的回热度X，从而确定原动机的运行模式。

所述步骤11)具体为：

111)通过预测数据、计算数据或历史记录数据，确定冷热电联产系统在春季运行时的用户冷热负荷平均值在夏季运行时的用户冷热负荷平均值在秋季运行时的用户冷热负荷平均值以及在冬季运行时的用户冷热负荷平均值

112)根据当前季节选取步骤111)中相对应的用户冷热负荷平均值，除以冷热电联产系统中的余热利用设备的能量转换系数，即为冷热电联产系统的所需上游余热平均值

所述对原动机的运行模式进行主动更改具体为：在所需上游余热平均值大于原动机输出余热Q_w的最大值Q_wmax时，启动备用供能设备，在所需上游余热平均值小于原动机输出余热Q_w的最小值Q_wmin时，降低原动机的负荷或停运一台正在并列运行的原动机。

所述推导得到原动机当前运行的回热度X具体为：

所述原动机的输出余热Q_w与回热度X之间的函数关系Q_w＝f(X)通过多项式拟合确定。

所述步骤2)具体为：

21)根据预测数据、计算数据或历史记录数据，确定冷热电联产系统用户的日平均冷热负荷值

22)将当日用户的实时冷热负荷需求Q_day与步骤21)得到的日平均冷热负荷值进行数值比较，根据得到的结果确定蓄冷热水箱的运行模式。

所述步骤22)具体为：

221)当时，蓄冷热水箱的运行模式为释放冷热模式，向用户供应冷水或热水；

222)当时，蓄冷热水箱的运行模式为储蓄冷热模式，将产生的冷水或热水储存于蓄冷热水箱内；

223)当时，蓄冷热水箱的运行模式为静止模式，不进行释放或储蓄工作。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)在进行冷热日负荷调峰之前增加了季节性负荷的调峰，最大限度的提高了原动机设备的负荷率，一方面在满足用户冷热需求的前提下提高了系统的发电量，另一方面提高了原动机设备的利用小时数，与目前的仅用蓄冷热水箱调节日负荷变化的调峰方式相比，提高了设备利用率的同时，也提高了系统的全年运行节能效果。

(2)在实现季节性负荷调峰的时候，首先将用户所需的上游余热平均值与原动机输出余热的调节范围进行了比较，避免了在原动机输出余热无法满足用户需求的状况下，进行无意义的负荷调峰而导致的资源浪费。

(3)在实现季节性负荷调峰的时候，在用户所需的上游余热平均值在原动机输出余热的调节范围内的时候，通过原动机的输出余热与回热度的函数关系，计算得出当前原动机的回热度，从而确定原动机的运行模式，这种方法操作简便的同时可以准确的对原动机的运行模式实现计算。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为以有回热的燃气轮机为原动机的冷热电联产系统的结构示意图；

图3为本实施例中的用户在三个季节典型工作日的日负荷变化曲线，其中(3a)为夏季，(3b)为冬季，(3c)为过渡季节；

图4为本发明的方法原理图；

其中，1为压气机，2为回热装置，3为燃烧室，4为旁路调节阀，5为燃气透平，6为余热利用装置，7为备用装置，8为蓄冷热水箱，9和10均为控制阀组，11为控制单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示为一种冷热电联产系统的两级调峰运行方法，冷热电联产系统通过回热可调的原动机(目前回热可调的原动机主要为燃气轮机)和蓄冷热水箱满足用户的冷热负荷调峰需求，该方法包括下列步骤：

s1)根据冷热电联产系统用户在当前季节的所需上游余热平均值确定原动机的运行模式：

s11)根据当前季节，确定冷热电联产系统用户的所需上游余热平均值

s111)通过预测数据、计算数据或历史记录数据，确定冷热电联产系统在春季运行时的用户冷热负荷平均值在夏季运行时的用户冷热负荷平均值在秋季运行时的用户冷热负荷平均值以及在冬季运行时的用户冷热负荷平均值

s112)根据当前季节选取步骤s111)中相对应的用户冷热负荷平均值，除以冷热电联产系统中的余热利用设备的能量转换系数，即为冷热电联产系统的所需上游余热平均值

s12)判断步骤s11)得到的所需上游余热平均值是否在原动机输出余热Q_w的调节范围内，若是则进入步骤13)，若否则对原动机的运行模式进行主动更改，具体为：在所需上游余热平均值大于原动机输出余热Q_w的最大值Q_wmax时，启动备用供能设备(包括原动机、电锅炉或电制冷机)，在所需上游余热平均值小于原动机输出余热Q_w的最小值Q_wmin时，降低原动机的负荷或停运一台正在并列运行的原动机；

s13)根据步骤s11)得到的所需上游余热平均值结合原动机的输出余热Q_w与回热度X之间的函数关系Q_w＝f(X)(通过多项式拟合确定)，推导得到原动机当前运行的回热度X，从而确定原动机的运行模式，其中推导得到原动机当前运行的回热度X具体为：

s2)根据步骤s1)确定的原动机的运行模式，结合当日用户的实时冷热负荷需求Q_day，确定蓄冷热水箱的运行模式：

s21)根据预测数据、计算数据或历史记录数据(可以通过用户调研进行预测或通过现有的相关软件直接进行计算)，确定冷热电联产系统用户的日平均冷热负荷值

s22)将当日用户的实时冷热负荷需求Q_day与步骤21)得到的日平均冷热负荷值进行数值比较，根据得到的结果确定蓄冷热水箱的运行模式：

s221)当时，蓄冷热水箱的运行模式为释放冷热模式，向用户供应冷水或热水；

s222)当时，蓄冷热水箱的运行模式为储蓄冷热模式，将产生的冷水或热水储存于蓄冷热水箱内；

s223)当时，蓄冷热水箱的运行模式为静止模式，不进行释放或储蓄工作。

如图2所示为以有回热的燃气轮机为原动机的冷热电联产系统：空气进入压气机1升压后进入回热装置2进一步升温，然后进入燃烧室3与天然气混合燃烧后成为高温燃气进入燃气透平5膨胀做功，燃气透平5的输出功一部分输入压气机1给空气升压，另一部分带动发电机发电。燃气透平5的排烟送入回热装置2加热送入燃烧室3的空气，通过旁路调节阀4可以调节回热装置回收的烟气热量。从回热装置2出来的烟气与通过旁路调节阀4的烟气回合后，送入余热利用装置6(烟气型溴冷机)，夏季烟气制冷模式向用户提供冷水，冬季烟气制热模式向用户提供采暖热水。备用装置7，冬季为电热水锅炉，夏季为离心式冷水机组，通过控制阀组10实现启停控制。蓄冷/热水箱8，夏季蓄冷冬季蓄热，通过控制阀组9实现蓄冷/热、释冷/热和启停控制。控制单元11根据用户的实时需求和本专利提出的运行模式，向旁路调节阀4、控制阀组9、控制阀组10发出调节指令，实现冷热电联产系统的两级运行调峰。

依据上述方法，按照图4的原理过程，对图2中的冷热电联产系统进行实验验证：

A.已知条件

(1)用户参数：

图3给出了某用户夏季、冬季和过渡季(春秋季)三个季节典型工作日的日负荷变化曲线。

(2)燃气轮机参数

有回热的燃气轮机BowmanTG80型的基本参数如表1所示，给上述用户配置时，冷热日负荷采用水箱调节，BowmanTG80型燃气轮机需要配置5台。

表1燃气轮机参数

项目	Bowman-TG80
		环境温度/K	288.5
压比	4.3
		燃机输出功/KW	80
透平入口温度/K	953
		燃料流量/kg/s	0.845
环境压力/Mpa	0.1
		燃机效率/％	24.3
尾气温度/K	551
		空气流量/kg/s	0.8384

B.两级调峰运行方案

第一级调峰——日负荷调节

①根据预测数据、计算数据或历史记录数据，确定冷热电联产系统用户冷/热负荷的日平均值

根据下游溴化锂制冷机和换热器的参数，可得个季节所需的上游余热的典型日均值为：

冬季

夏季

过渡季节(春秋季)

②根据每日运行冷/热负荷的实时需求Q_day(KW)确定蓄冷/热水箱的运行模式：

以夏季典型工作日为例，在给定当日某时刻的冷热负荷Q_day的的条件下：

当时，蓄冷/热水箱处于释冷/热状态，向用户供冷/热水；

当时，蓄冷/热水箱处于蓄冷/热状态，将上游供能设备(余热利用装置(烟气制冷装置和/或烟气制热装置))产生的冷/热水储存于水箱中；

当时，蓄冷/热水箱不做释冷/热或蓄冷/热动作；

冬季和过渡季节日调峰与此类似。

第二级调峰——季节性负荷调节

①根据预测数据、计算数据或历史记录数据，确定冷热电联产系统用户冷/热负荷的在四个季节的平均值，并根据余热利用装置(烟气制冷装置和/或烟气制热装置)的能效转换为需要的上游余热平均值其中冬季夏季春季秋季

冬季

夏季

春季

秋季

②根据实验或计算，确定有回热的原动机(燃气轮机)输出余热Q_w和回热度X之间的关系Q_w＝f(X)：当回热度X＝0时，输出最大余热Q_wmax＝f(0)；当回热度X＝1时，输出最小余热Q_wmin＝f(1)。

通过厂家提供的资料可以确定有回热的燃气轮机输出余热Q_w和回热度X之间的关系如下：

5台BowmanTG80型：Q_w＝5×(587.53-326.39X)(单位：kW)

其中Q_wmax＝f(0)＝2937.65，Q_wmin＝f(1)＝1305.7

③根据不同季节需要的上游余热平均值(冬季夏季春季秋季)(单位：KW)确定上游供能设备(原动机)的运行模式：

以夏季为例，根据夏季需要的上游余热平均值确定上游供能设备燃气轮机的运行模式：

对于5台BowmanTG80型燃气轮机，根据上述公式可求得燃气轮机的回热度X＝0.0505。

冬季和过渡季节的调峰与此类似，各季节性负荷调峰运行模式如表2所示。为便于与目前常用的无回热调节而有水箱调节日负荷的联共系统相比，表2中还列出了采用BowmanTG80型燃气轮机全年回热度为0的情况下(相当于无回热调节)，不同季节的运行模式。

表2各季节性负荷调峰运行模式

(3)实际运行操作流程：

在步骤(1)、步骤(2)确定第一级、第二级调峰方案后，冷热电联产系统的两级运行调峰步骤如下：

①确定原动机(燃气轮机)的运行模式：根据表2给出的不同季节回热可调节的燃气轮机运行模式的运行模式，确定不同季节燃气轮机运行的台套数和回热度X；

②在原动机(燃气轮机)运行模式确定的情况下，由2.1提出的方法确定蓄冷/热水箱的运行模式。

C.两级调峰运行方案效果分析

表3给出了两种不同运行方式(回热可调联供系统与回热不可调联供系统)系统能效比较。采用的节能指标是相对节能率(FESR)，即

其中，分产时制冷和供热采用电制冷和电加热的方式，电能则直接从电网引入，折算为标准煤耗时以供电煤耗率为计算基准，并考虑电网损失的影响。计算得到的能效数据汇总如下：

表3两种方案的系统能效比较

从表3的计算分析结果可以看出，采用两级运行调峰方法比目前仅采用水箱调节日负荷的情况节能效果更好。而且从表2给出的个季节的调峰运行模式，也可以看出，采用两级运行调峰后，各季节系统配置的5台燃气轮机全部满负荷运行，全年发电量达到35.04万度。而仅采用水箱调节日负荷的情况下，除了夏季可以全开以外，冬季和过渡季节分别要停运1台和2台，而且不管哪个季节，在运行的机组平均发电功率都没有达到满负荷，全年发电量26.07万度，少了9.97万度。

因此，该二级调峰方法可以最大限度地提高了原动机设备的负荷率，提高设备的利用率，不仅在满足用户冷热需求的前提下提高了系统的发电量，而且提高了系统的全年运行节能效果。

Claims (8)

1.一种冷热电联产系统的两级调峰运行方法，所述冷热电联产系统通过回热可调的原动机和蓄冷热水箱满足用户的冷热负荷调峰需求，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

1)根据冷热电联产系统用户在当前季节的所需上游余热平均值确定原动机的运行模式；

2)根据步骤1)确定的原动机的运行模式，结合当日用户的实时冷热负荷需求Q_day，确定蓄冷热水箱的运行模式。

2.根据权利要求1所述的冷热电联产系统的两级调峰运行方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：

11)根据当前季节，确定冷热电联产系统用户的所需上游余热平均值

12)判断步骤11)得到的所需上游余热平均值是否在原动机输出余热Q_w的调节范围内，若是则进入步骤13)，若否则对原动机的运行模式进行主动更改；

13)根据步骤11)得到的所需上游余热平均值结合原动机的输出余热Q_w与回热度X之间的函数关系Q_w＝f(X)，推导得到原动机当前运行的回热度X，从而确定原动机的运行模式。

3.根据权利要求2所述的冷热电联产系统的两级调峰运行方法，其特征在于，所述步骤11)具体为：

111)通过预测数据、计算数据或历史记录数据，确定冷热电联产系统在春季运行时的用户冷热负荷平均值在夏季运行时的用户冷热负荷平均值在秋季运行时的用户冷热负荷平均值以及在冬季运行时的用户冷热负荷平均值

112)根据当前季节选取步骤111)中相对应的用户冷热负荷平均值，除以冷热电联产系统中的余热利用设备的能量转换系数，即为冷热电联产系统的所需上游余热平均值

4.根据权利要求2所述的冷热电联产系统的两级调峰运行方法，其特征在于，所述对原动机的运行模式进行主动更改具体为：在所需上游余热平均值大于原动机输出余热Q_w的最大值Q_wmax时，启动备用供能设备，在所需上游余热平均值小于原动机输出余热Q_w的最小值Q_wmin时，降低原动机的负荷或停运一台正在并列运行的原动机。

5.根据权利要求2所述的冷热电联产系统的两级调峰运行方法，其特征在于，所述推导得到原动机当前运行的回热度X具体为：

$X=f^{-1}\left(\stackrel{\‾}{Q_s}\right).$

6.根据权利要求2所述的冷热电联产系统的两级调峰运行方法，其特征在于，所述原动机的输出余热Q_w与回热度X之间的函数关系Q_w＝f(X)通过多项式拟合确定。

7.根据权利要求1所述的冷热电联产系统的两级调峰运行方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：

21)根据预测数据、计算数据或历史记录数据，确定冷热电联产系统用户的日平均冷热负荷值

22)将当日用户的实时冷热负荷需求Q_day与步骤21)得到的日平均冷热负荷值进行数值比较，根据得到的结果确定蓄冷热水箱的运行模式。

8.根据权利要求7所述的冷热电联产系统的两级调峰运行方法，其特征在于，所述步骤22)具体为：

221)当时，蓄冷热水箱的运行模式为释放冷热模式，向用户供应冷水或热水；

222)当时，蓄冷热水箱的运行模式为储蓄冷热模式，将产生的冷水或热水储存于蓄冷热水箱内；

223)当时，蓄冷热水箱的运行模式为静止模式，不进行释放或储蓄工作。