CN113217899A - 一种主动调控蒸汽管网负荷的综合能源站及运行调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主动调控蒸汽管网负荷的综合能源站及运行调度方法，它包括蒸汽管道、蒸汽空压机、压空储罐、热水储罐和控制系统；所述蒸汽管道通过第一管道与蒸汽空压机的入口连通，所述第一管道上设置有第一电动阀；所述压空储罐的入口通过蒸汽管道与蒸汽空压机的出口连通，用于接收来自蒸汽空压机的压缩空气；所述压空储罐的出口通过第二管道连接到压空用户，所述第二管道上设置有第二电动阀。本发明提供一种主动调控蒸汽管网负荷的综合能源站及运行调度方法，利用多重能源时间上的不一致性，起到蒸汽管网峰谷调控，可以通过储能装置利用管网低负荷时的蒸汽并降低管损率、提高综合能效水平。
Description
技术领域
本发明涉及一种主动调控蒸汽管网负荷的综合能源站及运行调度方法，属于综合能源应用领域技术领域。
背景技术
目前，综合能源的建设是国家推进能源生产消费革命的重要一环。国家为发展多主体联动的综合能源系统提供了政策支持，鼓励电、热、气等多种能源形态协同转化，明确了建设综合能源网络基础设施的重要性，但蒸汽热网与其他能源网的综合互补仍有待研究发展。
蒸汽管网一般按长期规划设计，在管网运行前期或夜间运行时，管网实际负荷常远低于设计负荷，此时管网管损率会大幅度上升，最高可达40％以上，大量的蒸汽和能量被浪费。在现有技术中对于蒸汽管网的调节普遍采用相变技术来调节峰谷能源，但是相变材料的导热率不够高，装置结构复杂，生产工艺难度大且成本高；另外在现有技术中还有采用将多余蒸汽热能转化为电能储存，在用户需要时候转化为热能供给用户，但是此种方式整体设备复杂，成本高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种主动调控蒸汽管网负荷的综合能源站及运行调度方法，利用多重能源时间上的不一致性，起到蒸汽管网峰谷调控，可以通过储能装置利用管网低负荷时的蒸汽并降低管损率、提高综合能效水平。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种主动调控蒸汽管网负荷的综合能源站，它包括蒸汽管道、蒸汽空压机、压空储罐、热水储罐和控制系统；
所述蒸汽管道通过第一管道与蒸汽空压机的入口连通，所述第一管道上设置有第一电动阀；
所述压空储罐的入口通过蒸汽管道与蒸汽空压机的出口连通，用于接收来自蒸汽空压机的压缩空气；
所述压空储罐的出口通过第二管道连接到压空用户，所述第二管道上设置有第二电动阀；
所述热水储罐的入口通过热水管道与蒸汽空压机的出口连通，用于接收来自蒸汽空压机的热水；
所述热水储罐的出口通过第三管道连接到热水用户，所述第三管道上设置有第三电动阀和热水泵，所述热水泵位于第三电动阀和热水用户之间；
所述控制系统用于实时监测所述蒸汽管道、压空储罐以及热水储罐的工作状态信息，分析工作状态信息做出决策，对所述第一电动阀、第二电动阀、第三电动阀和热水泵进行调控。
进一步，所述控制系统包括决策中心、控制中心以及信号采集终端；
所述信号采集终端用于采集整个综合能源站的系统工作状态信息并传输到决策中心，所述蒸汽管道、压空储罐和热水储罐上均安装有信号采集终端；
所述决策中心用于收集蒸汽管道的信号终端输出、压空储罐的信号终端输出以及热水储罐的信号终端输出，然后通过内置的智能调控程序向控制中心发出调控信息；
所述控制中心用于从决策中心接收调控信息，向第一电动阀、第二电动阀、第三电动阀和热水泵发出动作指令。
进一步，所述控制中心包括CPU控制芯片；
所述决策中心包括云端系统；
所述信号采集终端包括温度传感器、压力传感器、流量传感器、液位计以及无线信号发送装置。
进一步，所述热水储罐的出口与蒸汽空压机的出口之间设置有旁路管道，所述旁路管道上设置第四电动阀。
一种主动调控蒸汽管网负荷的综合能源站的运行调度方法，包括如下步骤：
决策中心收集蒸汽管道上的信号终端输出，通过控制中心打开第一电动阀使蒸汽进入蒸汽空压机，蒸汽空压机利用蒸汽能量输出压缩空气并压入压空储罐，做功后的蒸汽凝结水进入热水储罐；
决策中心收集压空储罐上的信号终端输出，通过控制中心打开第二电动阀，使压空储罐中的压缩空气通过管道进入压空用户；
决策中心收集热水储罐上的信号终端输出，通过控制中心打开第三电动阀和热水泵，使热水储罐中的热水通过管道进入热水用户。
进一步，所述决策中心的具体调度过程如下：
设置信号采集终端检测时间步长为T；
设置蒸汽管道额定放汽区间最小流量为Gmin；
设置压空储罐额定工作状态压力为Pd，合理工作状态压力区间为[Pmin，Pmax],Pd根据设备性能、用户需求标定，但始终有Pmin<Pd<Pmax；
设置热水储罐额定工作状态最小液位高度为Hd，合理工作状态压力区间为[Hmin，Hmax]，Hd根据设备性能、用户需求标定，但始终有Hmin<Hd<Hmax；
G(t)为蒸汽管道t时刻流量信号值，P(t)为压空储罐t时刻压力信号值，H(t)为热水储罐t时刻液位高度信号值；
S1、检测时间步长T内，采集信号始终有：
即当蒸汽管道上的信号采集终端发出流量低信号并持续一段时间(如10s—15s)、压空储罐上的信号采集终端发出压力低信号、热水储罐上的信号采集终端发出液位低信号同时存在时，决策中心向控制中心下发第一电动阀打开的命令,蒸汽管道放汽；
S2、检测时间步长T内，采集信号存在
G(t)<Gmin；
或存在
P(t)>Pmax；
或存在
H(t)>Hmax；
即当蒸汽管道上的信号采集终端发出流量低信号消失、或压空储罐上的信号采集终端发出压力高信号、或热水储罐上的信号采集终端发出液位高信号时，决策中心向控制中心下发第一电动阀关闭的命令，蒸汽管道封闭；
记压空储罐内压缩空气变化量ΔA与压力变化量ΔP，存在关系ΔP～f(ΔA)；蒸汽空压机在工作状态单位时间内输出压缩空气量为Ai,压空用户单位时刻用气量需求为Ao，则系统工作时间ΔT内，压空储罐内压力变化为：
记热水储罐内热水液位变化量ΔW与液位高度变化量ΔH，存在关系ΔH～f(ΔW)；蒸汽空压机在工作状态单位时间内输出热水量为Wi，热水用户单位时刻用水量需求为Wo，则系统工作时间ΔT内，热水储罐内液位高度变化为：
S3、当压空用户压缩空气负荷需求高时或其它判断需要时，决策中心向控制中心下发第二电动阀打开的命令；供压缩空气工作时间ΔT后，P(t′)＝P(t)+ΔP；当P(t′)<Pd,即压空储罐上的信号采集终端发出压力低信号时，决策中心向控制中心下发第二电动阀关闭的命令；
S4、当热水用户热水负荷需求高时或其它判断需要时，决策中心向控制中心下发第三电动阀打开、热水泵启动的命令；系统供水工作时间ΔT后，H(t′)＝H(t)+ΔH；当H(t′)<Hd,即当热水储罐上的信号采集终端发出液位低信号时，决策中心向控制中心下发热水泵关闭、第三电动阀关闭的命令；
S5、当热水储罐上的信号采集终端发出入口温度高信号时，决策中心向控制中心下发第四电动阀打开的命令；当热水储罐上的信号采集终端发出入口温度低信号时，决策中心向控制中心下发第四电动阀关闭的命令。
采用了上述技术方案，本发明中的综合能源站及其运行调度方法，通过蒸汽空压机实现了储能效果；可以在管网低负荷时开启，维持管网最低流量，以降低管损率并减少管网低流速水击的安全风险，这时蒸汽进入蒸汽压空机做功并输出压缩空气，压缩空气进入压空储罐储存；做功后的蒸汽凝结成水，进入热水储罐储存。当用户需要时，将压空储罐中的压缩空气和热水储罐的热水供给用户使用，形成多能流协同运行网络，构建了能源互联网，利用多重能源时间上的不一致性，起到蒸汽管网峰谷调控，可以通过储能装置利用管网低负荷时的蒸汽并降低管损率、提高综合能效水平。
本发明结构简单，整体设备构思巧妙，不但利用多重能源时间上的不一致性，起到蒸汽管网峰谷调控，可以通过储能装置利用管网低负荷时的蒸汽并降低管损率、提高综合能效水平；并且在实施本设备时，对于现有管网的改造成本低廉，改造代价小。
附图说明
图1是本发明的一种主动调控蒸汽管网负荷的综合能源站的总体结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
1、信号采集终端1；2、决策中心；3、控制中心；4、第一电动阀4；5、蒸汽空压机；6、压空储罐；7、热水储罐；8、第二电动阀；9、第三电动阀；10、第四电动阀；11、热水泵。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，一种主动调控蒸汽管网负荷的综合能源站，它包括蒸汽管道、蒸汽空压机5、压空储罐6、热水储罐7和控制系统；
热水泵11用于将热水储罐7中的热水供入热水用户。
蒸汽空压机5利用蒸汽能量压缩空气，做功后的蒸汽凝结成热水；蒸汽管道通过第一管道与蒸汽空压机5的入口连通，第一管道上设置有第一电动阀4，第一电动阀4用于打开或关闭蒸汽空压机5入口的第一管道。
压空储罐6用于储存蒸汽空压机5输出的压缩空气；压空储罐6的入口通过蒸汽管道与蒸汽空压机5的出口连通，用于接收来自蒸汽空压机5的压缩空气。
压空储罐6的出口通过第二管道连接到压空用户，第二管道上设置有第二电动阀8，第二电动阀8用于打开或关闭压空储罐6出口的第二管道。
热水储罐7用于储存蒸汽在蒸汽空压机5中做功后产生的凝结水；热水储罐7的入口通过热水管道与蒸汽空压机5的出口连通，用于接收来自蒸汽空压机5的热水。
热水储罐7的出口通过第三管道连接到热水用户，第三管道上设置有第三电动阀9和热水泵11，热水泵11位于第三电动阀9和热水用户之间，第三电动阀9用于打开或关闭热水储罐7出口的第三管道。
控制系统用于实时监测蒸汽管道、压空储罐6以及热水储罐7的工作状态信息，分析工作状态信息做出决策，对第一电动阀4、第二电动阀8、第三电动阀9和热水泵11进行调控。
如图1所示，控制系统包括决策中心2、控制中心3以及信号采集终端1；
信号采集终端1用于采集整个综合能源站的系统工作状态信息并传输到决策中心2，蒸汽管道、压空储罐6和热水储罐7上均安装有信号采集终端1；信号采集终端1包括温度、压力、流量计、液位计、无线信号发送装置(例如蓝牙)，综合能源站的系统工作状态信息包括各处的温度、压力、流量、液位等信息。
决策中心2用于收集蒸汽管道的信号终端输出、压空储罐6的信号终端输出以及热水储罐7的信号终端输出，然后通过内置的智能调控程序向控制中心3发出调控信息；决策中心2包括云端系统。
控制中心3用于从决策中心2接收调控信息，向第一电动阀4、第二电动阀8、第三电动阀9和热水泵11发出动作指令；控制中心3包括CPU控制芯片。
如图1所示，热水储罐7的出口与蒸汽空压机5的出口之间设置有旁路管道，旁路管道上设置第四电动阀10。第四电动阀10用于打开或关闭热水储罐7出口的旁路管道。旁路管道的功能是当蒸汽做功后仍未完全凝结成热水而存在汽水混合物时，第四电动阀10将热水储罐7中的水引入压空储罐6的入口使汽水混合物中的蒸汽完全凝结。
实施例二
一种主动调控蒸汽管网负荷的综合能源站的运行调度方法，包括如下步骤：
决策中心2收集蒸汽管道上的信号终端输出，通过控制中心3打开第一电动阀4使蒸汽进入蒸汽空压机5，蒸汽空压机5利用蒸汽能量输出压缩空气并压入压空储罐6，做功后的蒸汽凝结水进入热水储罐7；
决策中心2收集压空储罐6上的信号终端输出，通过控制中心3打开第二电动阀8，使压空储罐6中的压缩空气通过管道进入压空用户；
决策中心2收集热水储罐7上的信号终端输出，通过控制中心3打开第三电动阀9和热水泵11，使热水储罐7中的热水通过管道进入热水用户。
其中，决策中心2的具体调度过程如下：
设置信号采集终端1检测时间步长为T；
设置蒸汽管道额定放汽区间最小流量为Gmin；
设置压空储罐6额定工作状态压力为Pd，合理工作状态压力区间为[Pmin，Pmax],Pd根据设备性能、用户需求标定，但始终有Pmin<Pd<Pmax；
设置热水储罐7额定工作状态最小液位高度为Hd，合理工作状态压力区间为[Hmin，Hmax]，Hd根据设备性能、用户需求标定，但始终有Hmin<Hd<Hmax；
G(t)为蒸汽管道t时刻流量信号值，P(t)为压空储罐6t时刻压力信号值，H(t)为热水储罐7t时刻液位高度信号值；
S1、检测时间步长T内，采集信号始终有：
即当蒸汽管道上的信号采集终端1发出流量低信号并持续一段时间(如10s—15s)、压空储罐6上的信号采集终端1发出压力低信号、热水储罐7上的信号采集终端1发出液位低信号同时存在时，决策中心2向控制中心3下发第一电动阀4打开的命令,蒸汽管道放汽；
S2、检测时间步长T内，采集信号存在
G(t)<Gmin；
或存在
P(t)>Pmax；
或存在
H(t)>Hmax；
即当蒸汽管道上的信号采集终端1发出流量低信号消失、或压空储罐6上的信号采集终端1发出压力高信号、或热水储罐7上的信号采集终端1发出液位高信号时，决策中心2向控制中心3下发第一电动阀4关闭的命令，蒸汽管道封闭；
记压空储罐6内压缩空气变化量ΔA与压力变化量ΔP，存在关系ΔP～f(ΔA)；蒸汽空压机5在工作状态单位时间内输出压缩空气量为Ai,压空用户单位时刻用气量需求为Ao，则系统工作时间ΔT内，压空储罐6内压力变化为：
记热水储罐7内热水液位变化量ΔW与液位高度变化量ΔH，存在关系ΔH～f(ΔW)；蒸汽空压机5在工作状态单位时间内输出热水量为Wi，热水用户单位时刻用水量需求为Wo，则系统工作时间ΔT内，热水储罐7内液位高度变化为：
S3、当压空用户压缩空气负荷需求高时或其它判断需要时，决策中心2向控制中心3下发第二电动阀8打开的命令；供压缩空气工作时间ΔT后，P(t′)＝P(t)+ΔP；当P(t′)<Pd,即压空储罐6上的信号采集终端1发出压力低信号时，决策中心2向控制中心3下发第二电动阀8关闭的命令；
S4、当热水用户热水负荷需求高时或其它判断需要时，决策中心2向控制中心3下发第三电动阀9打开、热水泵11启动的命令；系统供水工作时间ΔT后，H(t′)＝H(t)+ΔH；当H(t′)<Hd,即当热水储罐7上的信号采集终端1发出液位低信号时，决策中心2向控制中心3下发热水泵11关闭、第三电动阀9关闭的命令；
S5、当热水储罐7上的信号采集终端1发出入口温度高信号时，决策中心2向控制中心3下发第四电动阀10打开的命令；当热水储罐7上的信号采集终端1发出入口温度低信号时，决策中心2向控制中心3下发第四电动阀10关闭的命令。
以上的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种主动调控蒸汽管网负荷的综合能源站，其特征在于：它包括蒸汽管道、蒸汽空压机、压空储罐、热水储罐和控制系统；
所述蒸汽管道通过第一管道与蒸汽空压机的入口连通，所述第一管道上设置有第一电动阀；
所述压空储罐的入口通过蒸汽管道与蒸汽空压机的出口连通，用于接收来自蒸汽空压机的压缩空气；
所述压空储罐的出口通过第二管道连接到压空用户，所述第二管道上设置有第二电动阀；
所述热水储罐的入口通过热水管道与蒸汽空压机的出口连通，用于接收来自蒸汽空压机的热水；
所述热水储罐的出口通过第三管道连接到热水用户，所述第三管道上设置有第三电动阀和热水泵，所述热水泵位于第三电动阀和热水用户之间；
所述控制系统用于实时监测所述蒸汽管道、压空储罐以及热水储罐的工作状态信息，分析工作状态信息做出决策，对所述第一电动阀、第二电动阀、第三电动阀和热水泵进行调控。
2.根据权利要求1所述的一种主动调控蒸汽管网负荷的综合能源站，其特征在于：所述控制系统包括决策中心、控制中心以及信号采集终端；
所述信号采集终端用于采集整个综合能源站的系统工作状态信息并传输到决策中心，所述蒸汽管道、压空储罐和热水储罐上均安装有信号采集终端；
所述决策中心用于收集蒸汽管道的信号终端输出、压空储罐的信号终端输出以及热水储罐的信号终端输出，然后通过内置的智能调控程序向控制中心发出调控信息；
所述控制中心用于从决策中心接收调控信息，向第一电动阀、第二电动阀、第三电动阀和热水泵发出动作指令。
3.根据权利要求2所述的一种主动调控蒸汽管网负荷的综合能源站，其特征在于：
所述控制中心包括CPU控制芯片；
所述决策中心包括云端系统；
所述信号采集终端包括温度传感器、压力传感器、流量传感器、液位计以及无线信号发送装置。
4.根据权利要求1所述的一种主动调控蒸汽管网负荷的综合能源站，其特征在于：所述热水储罐的出口与蒸汽空压机的出口之间设置有旁路管道，所述旁路管道上设置第四电动阀。
5.一种如权利要求2～4中任一项所述的主动调控蒸汽管网负荷的综合能源站的运行调度方法，包括如下步骤：
决策中心收集蒸汽管道上的信号终端输出，通过控制中心打开第一电动阀使蒸汽进入蒸汽空压机，蒸汽空压机利用蒸汽能量输出压缩空气并压入压空储罐，做功后的蒸汽凝结水进入热水储罐；
决策中心收集压空储罐上的信号终端输出，通过控制中心打开第二电动阀，使压空储罐中的压缩空气通过管道进入压空用户；
决策中心收集热水储罐上的信号终端输出，通过控制中心打开第三电动阀和热水泵，使热水储罐中的热水通过管道进入热水用户。
6.根据权利要求5所述的一种主动调控蒸汽管网负荷的综合能源站的运行调度方法，其特征在于，所述决策中心的具体调度过程如下：
设置信号采集终端检测时间步长为T；
设置蒸汽管道额定放汽区间最小流量为Gmin；
设置压空储罐额定工作状态压力为Pd，合理工作状态压力区间为[Pmin，Pmax]，Pd根据设备性能、用户需求标定，但始终有Pmin＜Pd＜Pmax；
设置热水储罐额定工作状态最小液位高度为Hd，合理工作状态压力区间为[Hmin，Hmax]，Hd根据设备性能、用户需求标定，但始终有Hmin＜Hd＜Hmax；
G(t)为蒸汽管道t时刻流量信号值，P(t)为压空储罐t时刻压力信号值，H(t)为热水储罐t时刻液位高度信号值；
S1、检测时间步长T内，采集信号始终有：
即当蒸汽管道上的信号采集终端发出流量低信号并持续一段时间、压空储罐上的信号采集终端发出压力低信号、热水储罐上的信号采集终端发出液位低信号同时存在时，决策中心向控制中心下发第一电动阀打开的命令，蒸汽管道放汽；
S2、检测时间步长T内，采集信号存在
G(t)＜Gmin；
或存在
P(t)＞Pmax；
或存在
H(t)＞Hmax；
即当蒸汽管道上的信号采集终端发出流量低信号消失、或压空储罐上的信号采集终端发出压力高信号、或热水储罐上的信号采集终端发出液位高信号时，决策中心向控制中心下发第一电动阀关闭的命令，蒸汽管道封闭；
记压空储罐内压缩空气变化量AA与压力变化量ΔP，存在关系ΔP～f(ΔA)；蒸汽空压机在工作状态单位时间内输出压缩空气量为Ai，压空用户单位时刻用气量需求为Ao，则系统工作时间ΔT内，压空储罐内压力变化为：
记热水储罐内热水液位变化量ΔW与液位高度变化量ΔH，存在关系ΔH～f(ΔW)；蒸汽空压机在工作状态单位时间内输出热水量为Wi，热水用户单位时刻用水量需求为Wo，则系统工作时间ΔT内，热水储罐内液位高度变化为：
S3、当压空用户压缩空气负荷需求高时或其它判断需要时，决策中心向控制中心下发第二电动阀打开的命令；供压缩空气工作时间ΔT后，P(t′)＝P(t)+ΔP；当P(t′)＜Pd，即压空储罐上的信号采集终端发出压力低信号时，决策中心向控制中心下发第二电动阀关闭的命令；
S4、当热水用户热水负荷需求高时或其它判断需要时，决策中心向控制中心下发第三电动阀打开、热水泵启动的命令；系统供水工作时间ΔT后，H(t′)＝H(t)+ΔH；当H(t′)＜Hd，即当热水储罐上的信号采集终端发出液位低信号时，决策中心向控制中心下发热水泵关闭、第三电动阀关闭的命令；
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