CN109944650B - 一种含超临界压缩空气储能的冷热电联产系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种含超临界压缩空气储能的冷热电联产系统及方法，涉及冷热电联产系统优化技术领域。本发明包括发电机、超临界压缩空气储能模块、压缩热利用模块、太阳能预热模块、电制冷机、吸收式制冷机、余热锅炉和电锅炉；发电机为系统中的装置和用户供电；超临界压缩空气储能模块将空气压缩后释放电能，输出端与电制冷机、电锅炉和用户输入端连接；压缩热利用模块将空气冷却，储存吸收热能的水，输出端与超临界压缩空气储能模块和用户连接；太阳能预热模块对空气进行升温后输出至超临界压缩空气储能模块；余热锅炉、吸收式制冷机、电制冷机和电锅炉的输出端与用户连接。本发明充分满足系统中能量需求的变化，提高系统在变工况条件下的稳定性。

Description

一种含超临界压缩空气储能的冷热电联产系统及方法

技术领域

本发明涉及冷热电联产系统优化技术领域，尤其涉及一种含超临界压缩空气储能的冷热电联产系统及方法。

背景技术

由于化石燃料的日益短缺及其所造成的环境污染问题的日益严重，人们越来越重视节能减排技术的发展和新能源的开发利用。冷热电联产系统将动力系统和余热利用系统有机整合在一起，对动力系统所排放的余热进行梯级利用，直接面向能源需求的用户，根据用户的需求实行能量的转换，实现了多种能量输出的同时提高了能源利用效率。由于负荷的波动性，使机组大多时候都运行在非工况下，不断的改变机组的出力不利于机组的长期运行，引入储能技术将使这一问得到改善。储能技术是指利用某种方法及某种介质，将生产的富余能源储存起来，在需要的时候释放利用，可以很好的提高系统在非设计工况下的运行。在以热定产的运行策略下，发电机所发的电量大于用户所需的电量时，将多余的电能进行存储，当发电机的发电量小于用户的需求时释放所存储的电量进行电能的补充供应。压缩空气储能技术集合了安全性、高效性、清洁环保、寿长、成本低、能量密度大等几大优点，对于提升冷热电联产系统的整体效率来说非常合适。由于可再生能源具有波动性的特点，直接利用可再生能源发电并网会对电网的稳定性产生影响，将可再生能源与冷热电联产系统结合，利用太阳能来提高透平入口空气的温度，提高发电效率，从而使整个系统的效率得到提升。

传统的含压缩空气储能的冷热电联产系统，仅仅是考虑了将多余的电能进行存储，在电能不足时进行释放，而较少考虑在压缩空气储能系统运行过程中的能量的利用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种含超临界压缩空气储能的冷热电联产系统及方法，本方法充分利用超临界压缩空气储能系统分时储/释的特点来满足能量需求的变化，提高了系统在变工况条件下运行的稳定性。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一方面，本发明提供一种含超临界压缩空气储能的冷热电联产系统，包括发电机、超临界压缩空气储能模块、压缩热利用模块、太阳能预热模块、电制冷机、吸收式制冷机、余热锅炉和电锅炉；

所述超临界压缩空气储能模块包括压缩机1、压缩机2、后冷器、蓄冷回热器、液体膨胀机、液态空气存储罐、低温泵、透平1、透平2；所述压缩机1用于将空气进行压缩，形成高温高压空气，压缩机1的输出端与压缩热利用模块相连接；所述压缩机2用于将压缩热利用模块输出的高压空气进行压缩，压缩机2的输入端与压缩热利用模块相连接，其输出端与压缩热利用模块相连接；所述后冷器用于减少蓄冷回热器内部的冷量需求，其输入端与压缩热利用模块相连接，其输出端与蓄冷回热器的1号端口相连接；所述蓄冷回热器用于将高压空气冷却至接近常压对应的饱和温度，蓄冷回热器的2号端口与液体膨胀机的输入端相连接，其4号端口与太阳能预热模块相连接；所述液体膨胀机用于将高压空气降压液化，液体膨胀机的输出端与液态空气存储罐的输入端相连接；所述液态空气存储罐用于储存液化后的空气，液态空气存储罐的输出端与低温泵的输入端相连接；所述低温泵用于将液态空气升压，低温泵的输出端与蓄冷回热器的3号端口相连接；所述透平1用于使太阳能预热模块输出的加热后的压缩空气进行膨胀做功，透平1的输入端与太阳能预热模块相连接，其输出端与太阳能预热模块相连接，所述透平2用于将太阳能预热模块输出的加热后的压缩空气进行膨胀从而发电，膨胀做功后的空气排放到大气中，透平2的输入端与太阳能预热模块相连接，其电能输出端分别与电制冷机的输入端、电锅炉的输入端、用户的输入端相连接；

所述压缩热利用模块包括冷却水阀、换热器1、换热器2、热能存储罐；所述冷却水阀用于控制冷却水的输出，冷却水阀的输出端分别与换热器1的3号端口和换热器2的3号端口相连接；所述换热器1用于将高温高压空气通过冷却水进行冷却，冷却水吸收了压缩热变为热水，换热器1的1号端口与压缩机1的输出端相连接，换热器1的2号端口与压缩机2的输入端相连接,换热器1的4号端口与热能存储罐的输入端相连接；所述换热器2用于将压缩机2输出的高温高压空气通过冷却水进行冷却，冷却水吸收了压缩热变为热水，换热器2的1号端口与压缩机2的输出端相连接，换热器2的2号端口与后冷器的输入端相连接,换热器2的4号端口与热能存储罐的输入端相连接；所述热能存储罐用于将接收到的热水进行储存，当系统的热负荷增加时，优先释放热能进行补足,热能存储罐的输出端与用户相连接；

所述太阳能预热模块，包括太阳能集热/蓄热系统、换热器3、换热器4；所述太阳能集热/蓄热系统用于吸收太阳能，将其内部的高温导热油加热，太阳能集热/蓄热系统的输入端分别与换热器3的4号端口和换热器4的4号端口相连接，其输出端分别与换热器3的3号端口和换热器4的3号端口相连接；所述换热器3用于通过高温导热油对蓄冷回热器输出的高压空气进行加热，换热器3的1号端口与蓄冷回热器的4号端口相连接，换热器3的2号端口与透平1的输入端相连接；所述换热器4用于通过高温导热油对透平输出的高压空气进行加热，换热器4的1号端口与透平1的输出端相连接，换热器4的2号端口与透平2的输入端相连接；

所述电制冷机用于系统中负荷改变时冷负荷增加量的供应，电制冷机的输入端分别与发电机的输出端和透平2的输出端相连接，其输出端与用户相连接；

所述吸收式制冷机用于正常运行时冷负荷的供应，吸收式制冷机的输入端与发电机相连接，其输出端与用户相连接；

所述余热锅炉用于利用发电机的高温尾气进行加热，生产热水，进行热负荷的供应，余热锅炉的输入端与发电机相连接，其输出端与用户相连接；

所述电锅炉用于系统负荷改变时热负荷增加量的供应，电锅炉的输入端分别与发电机的输出端和透平2的输出端相连接，其输出端与用户相连接；

所述发电机用于为上述压缩机、电制冷机和电锅炉供电，发电机的高温烟气输出端与余热锅炉的输入端和吸收式制冷机的输入端相连接，电能输出端与用户相连。

另一方面，本发明提供一种含超临界压缩空气储能的冷热电联产方法，通过一种含超临界压缩空气储能的冷热电联产系统实现，包括如下步骤：

步骤1：初始运行时将电制冷机和电锅炉的开关断开，根据负荷预测或者前K天的负荷历史数据获取当前热负荷的需求，热负荷由发电机的高温尾气驱动余热锅炉来供应，从而确定发电机的出力；

步骤2：根据发电机所发出的电量调节超临界压缩空气储能模块的工作状态，超临界压缩空气储能模块的工作状态分为充能与释能状态，两种工作状态不能同时开启，工作状态为充能时，发电机将除去提供给用户和系统各装置的电能以外多余的电能驱动压缩机1压缩空气，形成高温高压的空气，将高温高压空气输出至换热器1，经过冷却水的降温后传输至压缩机2，将高压空气进行第二次压缩，将二次压缩后的的高温高压空气输出至换热器2进行降温；同时换热器1和换热器2中的冷却水通过吸收高压空气中的压缩热变为热水，并储存至热能储存罐中；将降温后的压缩空气通过后冷器再进行冷却，冷却后的高压空气进入蓄冷回热器中冷却至接近常压对应的饱和温度，再经液体膨胀机降压液化，储存在液态空气储存罐中；当工作状态为释能状态时，液态空气储存罐输出液态空气，将液态空气升压回热后经过换热器3进行升温，升温后的空气经过透平1进入到换热器4进行二次升温，将二次升温后的空气输出至透平2继续发电；当发电量能够满足用户的需求时，将多余的电量驱动超临界压缩空气储能模块；当发电量无法满足用户的需求时，将超临界压缩空气储能模块的工作状态调整为释能状态，优先释放超临界压缩空气储能模块进行发电，不足的电负荷由电网供应；

电网的供电量为：

E_grid＝E_d-E_pgu-E_CAES

其中，E_grid表示电网提供的电量，E_d表示用户所需的电量，E_pgu表示发电机在满足热负荷时所发的电量，E_CAES表示超临界压缩空气储能系统所发的电量；

步骤3：系统运行过程中冷负荷或热负荷发生变化时，根据冷热负荷的改变情况判断发电机的出力是否随之改变；若发电机的出力不变，则以当前状态继续运行；若发电机的出力随负荷改变，执行步骤2；

所述冷热负荷的变化分以下六种情景和两种极端情景：

情景1：冷负荷和热负荷同时增加。释放被压缩的空气发电，启动电制冷机，将电制冷机的开关a闭合，增加冷负荷的供应，利用热能存储罐中存储的热能增加热负荷的供应，若所存储的热能不足以满足热负荷的增量时启动电锅炉，将电锅炉的开关b闭合，进行热负荷的补足。当电制冷机和电锅炉提供的冷负荷和热负荷不能满足用户的要求时，发电机的出力随负荷改变；

情景2：冷负荷增加，热负荷不变。增加的冷负荷由电制冷机提供，若超临界压缩空气储能模块存储的电量不足以满足电制冷机的需求，则发电机的出力随负荷改变；

情景3：冷负荷增加，热负荷减少。将冷负荷的增加量折算为热负荷，再与热负荷的减少量进行比较。当经过折算的热负荷大于热负荷的减少量时，折算后的热负荷减去热负荷的减少量，剩余的折算后热负荷返回为冷负荷，由电制冷机提供，若超临界压缩空气储能模块存储的电量不足以满足电制冷机的需求，则发电机的出力随负荷改变；当经过折算的热负荷小于热负荷的减少量时，发电机出力随负荷改变；当经过折算的热负荷等于热负荷的减少量时，发电机的出力保持不变；

所述冷负荷的变量折算为热负荷是通过吸收式制冷机来折算的，具体折算的公式可表示为：

其中，Q_dc表示通过冷负荷折算而来的热负荷，Q_ac表示当前时刻所需的冷负荷，COP表示吸收式制冷机的制冷系数。

吸收式制冷机的运行约束可表示为：

0≤P_AC≤P_AC，MAX

其中，P_AC表示吸收式制冷机运行的功率；P_AC，MAX表示吸收式制冷机运行的最大功率。

情景4：冷负荷减少，热负荷增加。将冷负荷的减少量折算为热负荷，再与热负荷的增加量进行比较，当经过折算后的热负荷大于热负荷的增加量时，发电机出力随负荷改变；当经过折算的热负荷小于热负荷的增加量时，由热能存储罐储存的压缩热提供增加的热负荷，压缩热不满足时启动电锅炉；电锅炉无法满足时发电机出力随负荷改变；当经过折算的热负荷等于热负荷的增加量时，发电机的出力保持不变；

情景5：冷负荷不变，热负荷增加。压缩热供应增加的热负荷，压缩热无法满足时启动电锅炉，电锅炉无法满足则发电机的出力随负荷改变。

情景6：当冷负荷不变热负荷减少或冷负荷减少热负荷不变或冷负荷减少热负荷减少时，发电机的出力随负荷改变。

极端情景1：在上述情景1-6中，当发电机的出力达到额定功率时系统仍然无法满足用户冷热负荷的需求时，发电机以额定功率运行，启动电锅炉和电制冷进行负荷的供应，不足的电负荷由超临界压缩空气储能模块提供，电负荷仍然不足时，由电网提供；

所述发电机的出力是否小于发电机最小出力和发电机的出力是否大于发电机的额定功率由以下公式判定：

P＜α·P_N

P＞P_N

其中，α表示最小出力系数；P_N表示发电机的额定功率；P表示发电机的出力。

极端情景2：在上述情景1-6中，当发电机的出力小于其最小出力时停止运行，由超临界压缩空气储能模块发电供应所需的电负荷以及驱动电制冷机和电锅炉供应所需的冷热负荷，不足的电负荷由电网提供。

所述步骤2中的超临界压缩空气储能模块的液态空气存储罐在运行过程中的约束可表示为：

P_S，MIN＜P_S＜P_S，MAX

其中，P_S表示储能压力，P_S，MIN为储能系统的最小储气压力；P_S，MAX为储能系统的最大储气压力。

所述步骤2中当需要电锅炉运行时，电锅炉在运行过程中的约束如下：

0≤P_Eb≤P_Eb，MAX

其中，P_Eb表示电锅炉的运行功率；P_Eb，MAX表示电锅炉的最大运行功率。

所述步骤2中的当需要电制冷机运行时，电制冷机的运行约束如下：

0≤P_EC≤P_EC，MAX

其中，P_EC表示电制冷机的运行功率；P_EC，MAX表示电制冷机的最大功率。

系统在运行过程中应满足系统所提供的电量大于等于用户所需的电量，系统所提供的热量和冷量应等于用户的需求；当系统在运行过程中冷负荷或热负荷突然增加且大于系统所能提供的最大冷负荷或热负荷时，从电网提供电量驱动电制冷机和电锅炉进行能量的补足；

系统在运行过程中的电负荷约束为：

E_pgu+E_grid+E_CAES≥E_d-E_EC-E_Eb-E_C

其中，E_pgu表示发电机在满足热负荷时所发的电量；E_CAES表示超临界压缩空气储能系统所发的电量；E_grid表示电网提供的电量，当不需要电网提供电量时E_grid＝0；E_d表示用户所需要的电量；E_EC表示电制冷机所需要的电量，当不需要电制冷机出力时E_EC＝0；E_Eb表示电锅炉所消耗的电量，当不需要电锅炉出力时E_Eb＝0；E_C表示压缩空气储能系统中压缩机所消耗的电量。

系统运行过程的冷负荷约束为如下：

Q_EC+Q_AC≥Q_C+Q_c，lose

其中，Q_EC表示电制冷机产生的冷量，Q_AC表示吸收式制冷机产生的冷量，Q_C表示用户所需的冷量，Q_c，lose表示运行过程中产生的冷量损失。当系统所需的冷负荷大于系统所提供的最大冷负荷，不满足冷负荷的约束时，多余的冷负荷由电网供电驱动电制冷提供。

系统运行过程的热负荷约束如下：

Q_G+Q_Eb≥Q_h+Q_bc+Q_h，lose

其中，Q_h表示用户所需的热量；Q_G表示发电机组产生的热量；Q_bc表示吸收式制冷机用于制冷所需的热量，Q_Eb表示电锅炉产生的热量；Q_h，lose表示的是运行过程中产生的热量损失。当系统所需的热负荷大于系统所以提供的最大热负荷，不满足热负荷的约束时，多余的热负荷由电网供电驱动电锅炉提供。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种含超临界压缩空气储能的冷热电联产系统及方法，本方法采用超临界压缩空气储能系统，在以热定产的基础运行策略下，存储多余的电能，在电能不足时释放被压缩的空气进行发电；将压缩空气以液态的形式进行存储，能量密度更高，可以存储更多的电能，同时也解放了对储气室体积的要求，对于整体系统的空间要求有很好的改善。在运行过程中，负荷发生改变时优先考虑所存储能量的利用，在储能系统的供能不足时发电机的出力再随之改变。系统在能量供应时，将压缩热用于用户热负荷的供应，利用太阳能来加热透平入口的空气温度，增加动力输出，冷负荷的变量由电制冷机供应。充分利用超临界压缩空气储能系统分时储/释的特点来满足能量需求的变化，提高了系统在变工况条件下运行的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的超临界压缩空气储能的冷热电联产系统结构图；

图2为本发明实施例提供的超临界压缩空气储能的冷热电联产方法流程图；

图3为本发明实施例提供的前1天的负荷历史数据图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本实施例的方法如下所述。

一方面，本发明提供一种含超临界压缩空气储能的冷热电联产系统，包括发电机、超临界压缩空气储能模块、压缩热利用模块、太阳能预热模块、电制冷机、吸收式制冷机、余热锅炉和电锅炉；

所述超临界压缩空气储能模块包括压缩机1、压缩机2、后冷器、蓄冷回热器、液体膨胀机、液态空气存储罐、低温泵、透平1、透平2；所述压缩机1用于将空气进行压缩，形成高温高压空气，压缩机1的输出端与压缩热利用模块相连接；所述压缩机2用于将压缩热利用模块输出的高压空气进行压缩，压缩机2的输入端与压缩热利用模块相连接，其输出端与压缩热利用模块相连接；所述后冷器用于减少蓄冷回热器内部的冷量需求，其输入端与压缩热利用模块相连接，其输出端与蓄冷回热器的1号端口相连接；所述蓄冷回热器用于将高压空气冷却至接近常压对应的饱和温度，蓄冷回热器的2号端口与液体膨胀机的输入端相连接，其4号端口与太阳能预热模块相连接；所述液体膨胀机用于将高压空气降压液化，液体膨胀机的输出端与液态空气存储罐的输入端相连接；所述液态空气存储罐用于储存液化后的空气，液态空气存储罐的输出端与低温泵的输入端相连接；所述低温泵用于将液态空气升压，低温泵的输出端与蓄冷回热器的3号端口相连接；所述透平1用于使太阳能预热模块输出的加热后的压缩空气进行膨胀做功，透平1的输入端与太阳能预热模块相连接，其输出端与太阳能预热模块相连接，所述透平2用于将太阳能预热模块输出的加热后的压缩空气进行膨胀从而发电，膨胀做功后的空气排放到大气中，透平2的输入端与太阳能预热模块相连接，其电能输出端分别与电制冷机的输入端、电锅炉的输入端、用户的输入端相连接；

所述压缩热利用模块包括冷却水阀、换热器1、换热器2、热能存储罐；所述冷却水阀用于控制冷却水的输出，冷却水阀的输出端分别与换热器1的3号端口和换热器2的3号端口相连接；所述换热器1用于将高温高压空气通过冷却水进行冷却，冷却水吸收了压缩热变为热水，换热器1的1号端口与压缩机1的输出端相连接，换热器1的2号端口与压缩机2的输入端相连接,换热器1的4号端口与热能存储罐的输入端相连接；所述换热器2用于将压缩机2输出的高温高压空气通过冷却水进行冷却，冷却水吸收了压缩热变为热水，换热器2的1号端口与压缩机2的输出端相连接，换热器2的2号端口与后冷器的输入端相连接,换热器2的4号端口与热能存储罐的输入端相连接；所述热能存储罐用于将接收到的热水进行储存，当系统的热负荷增加时，优先释放热能进行补足,热能存储罐的输出端与用户相连接；

所述太阳能预热模块，包括太阳能集热/蓄热系统、换热器3、换热器4；所述太阳能集热/蓄热系统用于吸收太阳能，将其内部的高温导热油加热，太阳能集热/蓄热系统的输入端分别与换热器3的4号端口和换热器4的4号端口相连接，其输出端分别与换热器3的3号端口和换热器4的3号端口相连接；所述换热器3用于通过高温导热油对蓄冷回热器输出的高压空气进行加热，换热器3的1号端口与蓄冷回热器的4号端口相连接，换热器3的2号端口与透平1的输入端相连接；所述换热器4用于通过高温导热油对透平输出的高压空气进行加热，换热器4的1号端口与透平1的输出端相连接，换热器4的2号端口与透平2的输入端相连接；

所述电制冷机用于系统中负荷改变时冷负荷增加量的供应，电制冷机的输入端分别与发电机的输出端和透平2的输出端相连接，其输出端与用户相连接；

所述吸收式制冷机用于正常运行时冷负荷的供应，吸收式制冷机的输入端与发电机相连接，其输出端与用户相连接；

所述余热锅炉用于利用发电机的高温尾气进行加热，生产热水，进行热负荷的供应，余热锅炉的输入端与发电机相连接，其输出端与用户相连接；

所述电锅炉用于系统负荷改变时热负荷增加量的供应，电锅炉的输入端分别与发电机的输出端和透平2的输出端相连接，其输出端与用户相连接；

所述发电机用于为上述压缩机、电制冷机和电锅炉供电,发电机的高温烟气输出端与余热锅炉的输入端和吸收式制冷机的输入端相连接，电能输出端与用户相连。

本实施例中的发电机采用燃气轮机。

另一方面，本发明提供一种含超临界压缩空气储能的冷热电联产方法，通过一种含超临界压缩空气储能的冷热电联产系统实现，如图2所示，包括如下步骤：

步骤1：初始运行时将电制冷机和电锅炉的开关断开，根据负荷预测或者前K天的负荷历史数据获取当前热负荷的需求，热负荷由发电机的高温尾气驱动余热锅炉来供应，从而确定发电机的出力；

步骤2：根据发电机所发出的电量调节超临界压缩空气储能模块的工作状态，超临界压缩空气储能模块的工作状态分为充能与释能状态，两种工作状态不能同时开启，工作状态为充能时，发电机将除去提供给用户和系统各装置的电能以外多余的电能驱动压缩机1压缩空气，形成高温高压的空气，将高温高压空气输出至换热器1，经过冷却水的降温后传输至压缩机2，将高压空气进行第二次压缩，将二次压缩后的的高温高压空气输出至换热器2进行降温；同时换热器1和换热器2中的冷却水通过吸收高压空气中的压缩热变为热水，并储存至热能储存罐中；将降温后的压缩空气通过后冷器再进行冷却，冷却后的高压空气进入蓄冷回热器中冷却至接近常压对应的饱和温度，再经液体膨胀机降压液化，储存在液态空气储存罐中，所述液态空气储存罐又叫储气室；当工作状态为释能状态时，液态空气储存罐输出液态空气，将液态空气升压回热后经过换热器3进行升温，升温后的空气经过透平1进入到换热器4进行二次升温，将二次升温后的空气输出至透平2继续发电；当发电量能够满足用户的需求时，将多余的电量驱动超临界压缩空气储能模块；当发电量无法满足用户的需求时，将超临界压缩空气储能模块的工作状态调整为释能状态，优先释放超临界压缩空气储能模块进行发电，不足的电负荷由电网供应；

电网的供电量为：

E_grid＝E_d-E_pgu-E_CAES

其中，E_grid表示电网提供的电量，E_d表示用户所需的电量，E_pgu表示发电机在满足热负荷时所发的电量，E_CAES表示超临界压缩空气储能系统所发的电量。

步骤3：系统运行过程中冷负荷或热负荷发生变化时，根据冷热负荷的改变情况判断发电机的出力是否随之改变；若发电机的出力不变，则以当前状态继续运行；若发电机的出力发生改变，则根据负荷预测或者历史数据获取当前热负荷的需求，确定发电机的出力，执行步骤2；

所述冷热负荷的变化分以下六种情景和两种极端情景：

情景1：冷负荷和热负荷同时增加。释放被压缩的空气发电，启动电制冷机，将电制冷机的开关a闭合，增加冷负荷的供应，利用热能存储罐中存储的热能增加热负荷的供应，若所存储的热能不足以满足热负荷的增量时启动电锅炉，将电锅炉的开关b闭合，进行热负荷的补足。当电制冷机和电锅炉提供的冷负荷和热负荷不能满足用户的要求时，发电机的出力随负荷改变；

情景2：冷负荷增加，热负荷不变。增加的冷负荷由电制冷机提供，若超临界压缩空气储能模块存储的电量不足以满足电制冷机的需求，则发电机的出力随负荷改变；

情景3：冷负荷增加，热负荷减少。将冷负荷的增加量折算为热负荷，再与热负荷的减少量进行比较。当经过折算的热负荷大于热负荷的减少量时，折算后的热负荷减去热负荷的减少量，剩余的折算后热负荷返回为冷负荷，由电制冷机提供，若超临界压缩空气储能模块存储的电量不足以满足电制冷机的需求，则发电机的出力随负荷改变；当经过折算的热负荷小于热负荷的减少量时，发电机出力随负荷改变；当经过折算的热负荷等于热负荷的减少量时，发电机的出力保持不变；

所述冷负荷的变量折算为热负荷是通过吸收式制冷机来折算的，具体折算的公式可表示为：

其中，Q_dc表示通过冷负荷折算而来的热负荷，Q_ac表示当前时刻所需的冷负荷，COP表示吸收式制冷机的制冷系数。

吸收式制冷机的运行约束可表示为：

0≤P_AC≤P_AC，MAX

其中，P_AC表示吸收式制冷机运行的功率；P_AC，MAX表示吸收式制冷机运行的最大功率。

情景4：冷负荷减少，热负荷增加。将冷负荷的减少量折算为热负荷，再与热负荷的增加量进行比较，当经过折算后的热负荷大于热负荷的增加量时，发电机出力随负荷改变；当经过折算的热负荷小于热负荷的增加量时，由热能存储罐储存的压缩热提供增加的热负荷，压缩热不满足时启动电锅炉；电锅炉无法满足时发电机出力随负荷改变；当经过折算的热负荷等于热负荷的增加量时，发电机的出力保持不变；

情景5：冷负荷不变，热负荷增加。压缩热供应增加的热负荷，压缩热无法满足时启动电锅炉，电锅炉无法满足则发电机的出力随负荷改变。

情景6：当冷负荷不变热负荷减少或冷负荷减少热负荷不变或冷负荷减少热负荷减少时，发电机的出力随负荷改变。

极端情景1：在上述情景1-6中，当发电机的出力达到额定功率时系统仍然无法满足用户冷热负荷的需求时，发电机以额定功率运行，启动电锅炉和电制冷进行负荷的供应，不足的电负荷由超临界压缩空气储能模块提供，电负荷仍然不足时，由电网提供。

所述发电机的出力是否小于发电机最小出力和发电机的出力是否大于发电机的额定功率由以下公式判定：

P＜α·P_N

P＞P_N

其中，α表示最小出力系数；P_N表示发电机的额定功率；P表示发电机的出力。

极端情景2：在上述情景1-6中，当发电机的出力小于其最小出力时停止运行，由超临界压缩空气储能模块发电供应所需的电负荷以及驱动电制冷机和电锅炉供应所需的冷热负荷，不足的电负荷由电网提供。

所述步骤2中的超临界压缩空气储能模块的液态空气存储罐在运行过程中的约束可表示为：

P_S，MIN＜P_S＜P_S，MAX

其中，P_S表示储能压力，P_S，MIN为储能系统的最小储气压力；P_S，MAX为储能系统的最大储气压力。

当需要电锅炉运行时，电锅炉在运行过程中的约束如下：

0≤P_Eb≤P_Eb，MAX

其中，P_Eb表示电锅炉的运行功率；P_Eb，MAX表示电锅炉的最大运行功率。

当需要电制冷机运行时，电制冷机的运行约束如下：

0≤P_EC≤P_EC，MAX

其中，P_EC表示电制冷机的运行功率；P_EC，MAX表示电制冷机的最大功率。

系统在运行过程中应满足系统所提供的电量大于等于用户所需的电量，系统所提供的热量和冷量应等于用户的需求；当系统在运行过程中冷负荷或热负荷突然增加且大于系统所能提供的最大冷负荷或热负荷时，从电网提供电量驱动电制冷机和电锅炉进行能量的补足。

系统在运行过程中的电负荷约束为：

E_pgu+E_grid+E_CAES≥E_d-E_EC-E_Eb-E_C

其中，E_pgu表示发电机在满足热负荷时所发的电量；E_CAES表示超临界压缩空气储能系统所发的电量；E_grid表示电网提供的电量，当不需要电网提供电量时E_grid＝0；E_d表示用户所需要的电量；E_EC表示电制冷机所需要的电量，当不需要电制冷机出力时E_EC＝0；E_Eb表示电锅炉所消耗的电量，当不需要电锅炉出力时E_Eb＝0；E_C表示压缩空气储能系统中压缩机所消耗的电量；

系统运行过程的冷负荷约束为如下：

Q_EC+Q_AC≥Q_C+Q_c，lose

其中，Q_EC表示电制冷机产生的冷量，Q_AC表示吸收式制冷机产生的冷量，Q_C表示用户所需的冷量，Q_c，lose表示运行过程中产生的冷量损失。当系统所需的冷负荷大于系统所提供的最大冷负荷，不满足冷负荷的约束时，多余的冷负荷由电网供电驱动电制冷提供。

系统运行过程的热负荷约束如下：

Q_G+Q_Eb≥Q_h+Q_bc+Q_h，lose

其中，Q_h表示用户所需的热量；Q_G表示发电机组产生的热量；Q_bc表示吸收式制冷机用于制冷所需的热量，Q_Eb表示电锅炉产生的热量；Q_h，lose表示的是运行过程中产生的热量损失。当系统所需的热负荷大于系统所以提供的最大热负荷，不满足热负荷的约束时，多余的热负荷由电网供电驱动电锅炉提供。

本实施例采用前1天的负荷历史数据，如图3所示，为了便于计算，已将冷负荷折算为对应的热负荷；

假设燃气轮机在0点时开始运行，则由数据可得0点时刻热负荷为4.8MW，电负荷为4.1MW，则可确定燃气轮机在0时刻的出力为4.6MW。燃气轮机选用西门子公司的SGT-100工业型燃气轮机，该机的额定功率为5MW。

在0时刻，燃气轮机的发电量为4.8MW，电负荷为4.1MW，发电量满足用户需求，利用多余的0.7MW来驱动压缩机压缩空气，将压缩后液化的空气进行存储，压缩过程中换热器的能效取0.5，则回收的压缩热为0.35MW；实际实施过程中的压缩热的回收跟换热器的选取相关。

在各个时刻冷热负荷变化情况下，超临界压缩空气储能模块和压缩热利用模块的运行状态具体如表1所示(本例意在说明系统的运行方式，故不计在储能和释能过程中的能量损失)：

表1超临界压缩空气储能模块和压缩热利用模块的运行状态

在1-2时刻热负荷增加且大于电负荷，利用压缩过程中存储的热量进行补充供应，燃气轮机的出力不变；

在3-7时刻，热负荷减少，燃气轮机的出力随之减少，但仍然大于电负荷，将多余的电量进行存储；

在7-13时刻，热负荷减少，燃气轮机出力随之减少，燃气轮机的出力无法满足用户的电负荷，释放所存储的压缩空气进行发电；在每一时刻储能系统释能结束后判断下一时刻储能系统的出力是否满足电负荷的供应，若不满足则储能系统停止出力，改用电网进行供应；

在13-18时刻，热负荷增加，燃气轮机出力不变，以3.8MW的出力运行，用压缩热供应增加的热负荷，释放所存储的压缩空气进行发电；

在19时刻，存储的电能和压缩热无法满足系统的电负荷和热负荷的供应，燃气轮机出力随热负荷改变，为4.6MW；此时电负荷仍然大于热负荷，不足的电负荷由电网供应，由历史数据可得在19时刻需要电网供应的的电负荷为E_grid＝4.7-4.6-0＝0.1MW；

在20时刻，热负荷增加且大于电负荷，燃气轮机的出力随之改变，存储多余的电量并回收压缩热；

在21时刻，热负荷增加，燃气轮机出力不变，增加的热负荷由压缩热供应，判断下一时刻压缩热是否满足供应；

在22时刻，热负荷继续增加，压缩热不足以供应，燃气轮机的出力随之改变，此时燃气轮机的出力为4.9MW；

在23时刻，热负荷减小，燃气轮机出力随之减小，存储多余的电量并回收压缩热。

综上为该系统一天内的运行，在该例中系统能够满足用户所需的冷热负荷，系统的运行与用户的负荷息息相关，在实际运行过程中，若出现系统不足以满足负荷或是系统由于出力过低停止运行的情况，则视具体情况而定。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种含超临界压缩空气储能的冷热电联产系统，其特征在于：包括发电机、超临界压缩空气储能模块、压缩热利用模块、太阳能预热模块、电制冷机、吸收式制冷机、余热锅炉和电锅炉；

所述超临界压缩空气储能模块包括压缩机1、压缩机2、后冷器、蓄冷回热器、液体膨胀机、液态空气存储罐、低温泵、透平1、透平2；所述压缩机1的输出端与压缩热利用模块相连接；所述压缩机2的输入端与压缩热利用模块相连接，其输出端与压缩热利用模块相连接；所述后冷器的输入端与压缩热利用模块相连接，其输出端与蓄冷回热器的1号端口相连接；蓄冷回热器的2号端口与液体膨胀机的输入端相连接，其4号端口与太阳能预热模块相连接；所述液体膨胀机的输出端与液态空气存储罐的输入端相连接；液态空气存储罐的输出端与低温泵的输入端相连接；低温泵的输出端与蓄冷回热器的3号端口相连接；所述透平1的输入端与太阳能预热模块相连接，其输出端与太阳能预热模块相连接，透平2的输入端与太阳能预热模块相连接，其电能输出端分别与电制冷机的输入端、电锅炉的输入端、用户的输入端相连接；

所述压缩热利用模块包括冷却水阀、换热器1、换热器2、热能存储罐；所述冷却水阀的输出端分别与换热器1的3号端口和换热器2的3号端口相连接；换热器1的1号端口与压缩机1的输出端相连接，换热器1的2号端口与压缩机2的输入端相连接,换热器1的4号端口与热能存储罐的输入端相连接；所述换热器2的1号端口与压缩机2的输出端相连接，换热器2的2号端口与后冷器的输入端相连接,换热器2的4号端口与热能存储罐的输入端相连接；所述热能存储罐的输出端与用户相连接；

所述太阳能预热模块，包括太阳能集热/蓄热系统、换热器3、换热器4；所述太阳能集热/蓄热系统的输入端分别与换热器3的4号端口和换热器4的4号端口相连接，其输出端分别与换热器3的3号端口和换热器4的3号端口相连接；所述换热器3的1号端口与蓄冷回热器的4号端口相连接，换热器3的2号端口与透平1的输入端相连接；所述换热器4的1号端口与透平1的输出端相连接，换热器4的2号端口与透平2的输入端相连接；

所述电制冷机的输入端分别与发电机的输出端和透平2的输出端相连接，其输出端与用户相连接；

所述吸收式制冷机的输入端与发电机相连接，其输出端与用户相连接；

所述余热锅炉的输入端与发电机相连接，其输出端与用户相连接；

所述电锅炉的输入端分别与发电机的输出端和透平2的输出端相连接，其输出端与用户相连接；

所述发电机的高温烟气输出端与余热锅炉的输入端和吸收式制冷机的输入端相连接，电能输出端与用户相连。

2.一种含超临界压缩空气储能的冷热电联产方法，通过权利要求1所述的一种含超临界压缩空气储能的冷热电联产系统实现，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：初始运行时将电制冷机和电锅炉的开关断开，根据负荷预测或者前K天的负荷历史数据获取当前热负荷的需求，热负荷由发电机的高温尾气驱动余热锅炉来供应，从而确定发电机的出力；

步骤2：根据发电机所发出的电量调节超临界压缩空气储能模块的工作状态，超临界压缩空气储能模块的工作状态分为充能与释能状态，两种工作状态不能同时开启，工作状态为充能时，发电机将除去提供给用户和系统各装置的电能以外多余的电能驱动压缩机1压缩空气，形成高温高压的空气，将高温高压空气输出至换热器1，经过冷却水的降温后传输至压缩机2，将高压空气进行第二次压缩，将二次压缩后的的高温高压空气输出至换热器2进行降温；同时换热器1和换热器2中的冷却水通过吸收高压空气中的压缩热变为热水，并储存至热能储存罐中；将降温后的压缩空气通过后冷器再进行冷却，冷却后的高压空气进入蓄冷回热器中冷却至接近常压对应的饱和温度，再经液体膨胀机降压液化，储存在液态空气储存罐中；当工作状态为释能状态时，液态空气储存罐输出液态空气，将液态空气升压回热后经过换热器3进行升温，升温后的空气经过透平1进入到换热器4进行二次升温，将二次升温后的空气输出至透平2继续发电；当发电量能够满足用户的需求时，将多余的电量驱动超临界压缩空气储能模块；当发电量无法满足用户的需求时，将超临界压缩空气储能模块的工作状态调整为释能状态，优先释放超临界压缩空气储能模块进行发电，不足的电负荷由电网供应；

电网的供电量为：

E_grid＝E_d-E_pgu-E_CAES

其中，E_grid表示电网提供的电量，E_d表示用户所需的电量，E_pgu表示发电机在满足热负荷时所发的电量，E_CAES表示超临界压缩空气储能系统所发的电量；

步骤3：系统运行过程中冷负荷或热负荷发生变化时，根据冷热负荷的改变情况判断发电机的出力是否随之改变；若发电机的出力不变，则以当前状态继续运行；若发电机的出力随负荷改变，执行步骤2；

所述冷热负荷的变化分以下六种情景和两种极端情景：

情景1：冷负荷和热负荷同时增加；释放被压缩的空气发电，启动电制冷机，将电制冷机的开关a闭合，增加冷负荷的供应，利用热能存储罐中存储的热能增加热负荷的供应，若所存储的热能不足以满足热负荷的增量时启动电锅炉，将电锅炉的开关b闭合，进行热负荷的补足；当电制冷机和电锅炉提供的冷负荷和热负荷不能满足用户的要求时，发电机的出力随负荷改变；

情景2：冷负荷增加，热负荷不变；增加的冷负荷由电制冷机提供，若超临界压缩空气储能模块存储的电量不足以满足电制冷机的需求，则发电机的出力随负荷改变；

情景3：冷负荷增加，热负荷减少；将冷负荷的增加量折算为热负荷，再与热负荷的减少量进行比较；当经过折算的热负荷大于热负荷的减少量时，折算后的热负荷减去热负荷的减少量，剩余的折算后热负荷返回为冷负荷，由电制冷机提供，若超临界压缩空气储能模块存储的电量不足以满足电制冷机的需求，则发电机的出力随负荷改变；当经过折算的热负荷小于热负荷的减少量时，发电机出力随负荷改变；当经过折算的热负荷等于热负荷的减少量时，发电机的出力保持不变；

所述冷负荷的变量折算为热负荷是通过吸收式制冷机来折算的，具体折算的公式表示为：

其中，Q_dc表示通过冷负荷折算而来的热负荷，Q_ac表示当前时刻所需的冷负荷，COP表示吸收式制冷机的制冷系数；

吸收式制冷机的运行约束表示为：

0≤P_AC≤P_AC，MAX

其中，P_AC表示吸收式制冷机运行的功率；P_AC，MAX表示吸收式制冷机运行的最大功率；

情景4：冷负荷减少，热负荷增加；将冷负荷的减少量折算为热负荷，再与热负荷的增加量进行比较，当经过折算后的热负荷大于热负荷的增加量时，发电机出力随负荷改变；当经过折算的热负荷小于热负荷的增加量时，由热能存储罐储存的压缩热提供增加的热负荷，压缩热不满足时启动电锅炉；电锅炉无法满足时发电机出力随负荷改变；当经过折算的热负荷等于热负荷的增加量时，发电机的出力保持不变；

情景5：冷负荷不变，热负荷增加；压缩热供应增加的热负荷，压缩热无法满足时启动电锅炉，电锅炉无法满足则发电机的出力随负荷改变；

情景6：当冷负荷不变热负荷减少或冷负荷减少热负荷不变或冷负荷减少热负荷减少时，发电机的出力随负荷改变；

极端情景1：在上述情景1-6中，当发电机的出力达到额定功率时系统仍然无法满足用户冷热负荷的需求时，发电机以额定功率运行，启动电锅炉和电制冷进行负荷的供应，不足的电负荷由超临界压缩空气储能模块提供，电负荷仍然不足时，由电网提供；

所述发电机的出力是否小于发电机最小出力和发电机的出力是否大于发电机的额定功率由以下公式判定：

P＜α·P_N

P＞P_N

其中，α表示最小出力系数；P_N表示发电机的额定功率；P表示发电机的出力；

极端情景2：在上述情景1-6中，当发电机的出力小于其最小出力时停止运行，由超临界压缩空气储能模块发电供应所需的电负荷以及驱动电制冷机和电锅炉供应所需的冷热负荷，不足的电负荷由电网提供。

3.根据权利要求2所述的一种含超临界压缩空气储能的冷热电联产方法，其特征在于：所述步骤2中的超临界压缩空气储能模块的液态空气存储罐在运行过程中的约束表示为：

P_S，MIN＜P_S＜P_S，MAX

其中，P_S表示储能压力，P_S，MIN为储能系统的最小储气压力；P_S，MAX为储能系统的最大储气压力。

4.根据权利要求2所述的一种含超临界压缩空气储能的冷热电联产方法，其特征在于：所述步骤2中当需要电锅炉运行时，电锅炉在运行过程中的约束如下：

0≤P_Eb≤P_Eb，MAX

其中，P_Eb表示电锅炉的运行功率；P_Eb，MAX表示电锅炉的最大运行功率；

所述步骤2中的当需要电制冷机运行时，电制冷机的运行约束如下：

0≤P_EC≤P_EC，MAX

其中，P_EC表示电制冷机的运行功率；P_EC，MAX表示电制冷机的最大功率。

5.根据权利要求2所述的一种含超临界压缩空气储能的冷热电联产方法，其特征在于：所述系统在运行过程中应满足系统所提供的电量大于等于用户所需的电量，系统所提供的热量和冷量应等于用户的需求；当系统在运行过程中冷负荷或热负荷突然增加且大于系统所能提供的最大冷负荷或热负荷时，从电网提供电量驱动电制冷机和电锅炉进行能量的补足；

系统在运行过程中的电负荷约束为：

E_pgu+E_grid+E_CAES≥E_d-E_EC-E_Eb-E_C

其中，E_pgu表示发电机在满足热负荷时所发的电量；E_CAES表示超临界压缩空气储能系统所发的电量；E_grid表示电网提供的电量，当不需要电网提供电量时E_grid＝0；E_d表示用户所需要的电量；E_EC表示电制冷机所需要的电量，当不需要电制冷机出力时E_EC＝0；E_Eb表示电锅炉所消耗的电量，当不需要电锅炉出力时E_Eb＝0；E_C表示压缩空气储能系统中压缩机所消耗的电量；

系统运行过程的冷负荷约束为如下：

Q_EC+Q_AC≥Q_C+Q_c，lose

其中，Q_EC表示电制冷机产生的冷量，Q_AC表示吸收式制冷机产生的冷量，Q_C表示用户所需的冷量，Q_c，lose表示运行过程中产生的冷量损失；当系统所需的冷负荷大于系统所提供的最大冷负荷，不满足冷负荷的约束时，多余的冷负荷由电网供电驱动电制冷提供；

系统运行过程的热负荷约束如下：

Q_G+Q_Eb≥Q_h+Q_bc+Q_h，lose

其中，Q_h表示用户所需的热量；Q_G表示发电机组产生的热量；Q_bc表示吸收式制冷机用于制冷所需的热量，Q_Eb表示电锅炉产生的热量；Q_h，lose表示的是运行过程中产生的热量损失；当系统所需的热负荷大于系统所以提供的最大热负荷，不满足热负荷的约束时，多余的热负荷由电网供电驱动电锅炉提供。

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