CN114033508B - 一种储能型热电联产系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能型热电联产系统及控制方法，所述系统包括蓄热锅炉、有机朗肯循环发电系统及热风循环系统；热风循环系统包括循环风机、与蓄热锅炉的高温风口连通的高温风道、及与蓄热锅炉的低温风口连通的低温风道；循环风机能够使低温空气经低温风道进入蓄热锅炉吸热转变为高温空气，并使高温空气经高温风道排出顺次与有机朗肯循环发电系统的蒸发器、预热器换热后转变为低温空气；有机朗肯循环发电系统的冷凝器的循环水管路能够在第二阀组的配合控制下进入热用户供热或者进入冷却塔散热。本发明可有效缓解电网的调峰压力，进一步降低弃风弃光率，实现清洁能源供热，提高能源利用率。

Description

一种储能型热电联产系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种储能型热电联产系统及控制方法，属于能源利用技术领域。

背景技术

北方地区大力推广应用清洁供暖，并且大规模的清洁能源发电系统将逐渐被并网。由于风能、太阳能发电存在间歇性、波动性、随机性等特点，大规模的光伏发电与风力发电并网后对电网的调峰能力提出了更高的要求，而我国目前主要以燃煤火力发电为主，因此，对常规燃煤机组参与电网调峰能力要求越来越高。目前大规模的电蓄热锅炉参与燃煤供热机组的调峰，电蓄热锅炉中存储的热能主要用于供热，但非采暖季期间，对电网的调峰能力要求依然较高，此时电蓄热锅炉并不能参与其中。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种储能型热电联产系统及其控制方法，能够在用户有供热需求时对外供热，并在用户无供热需求时参与电网调峰。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供储能型一种热电联产系统，包括蓄热锅炉、有机朗肯循环发电系统及热风循环系统；

所述有机朗肯循环发电系统包括溶液箱、工质泵、预热器、蒸发器、冷凝器、发电机和用于驱动发电机发电的膨胀机，所述工质泵能够驱动溶液箱内的有机工质顺次经过预热器、蒸发器、膨胀机以及冷凝器壳体后，回流至溶液箱；

所述热风循环系统包括循环风机、与蓄热锅炉的高温风口连通的高温风道、及与蓄热锅炉的低温风口连通的低温风道；所述循环风机能够使低温空气经低温风道进入蓄热锅炉吸热转变为高温空气，并使高温空气经高温风道排出顺次与所述蒸发器、预热器换热后转变为低温空气；

所述蒸发器产生的高温高压气态工质能够在第一阀组的配合控制下进入膨胀机做功或者进入冷凝器凝结放热；

所述冷凝器的循环水管路能够在第二阀组的配合控制下进入热用户供热或者进入冷却塔散热。

结合第一方面，进一步的，所述蓄热锅炉包括电加热管和蓄热材料，所述电加热管用于将电能转换为热能存储于蓄热材料内，所述蓄热材料用于对进入蓄热锅炉的低温空气进行加热，以使低温空气转换为高温空气。

结合第一方面，进一步的，所述蓄热材料包括镁砖或复合相变砖；所述电加热管包括镍铬合金电加热管。

结合第一方面，进一步的，所述蓄热锅炉的外壳内还设有保温材料，所述保温材料与蓄热材料之间设置有内隔板。

结合第一方面，进一步的，所述保温材料包括岩棉板。

结合第一方面，进一步的，所述有机朗肯循环发电系统中的蒸发器与预热器共用同一壳体，所述壳体靠近蒸发器的一端与所述高温风道连通，靠近预热器的一端与所述低温风道连通。

结合第一方面，进一步的，所述冷凝器的出水管路分别与热用户的进水管路、冷却塔的进水管路连通，冷凝器的进水管路分别与所述热用户的出水管路、冷却塔的出水管路连通；

所述第二阀组包括设于热用户的进水管路上的第二截止阀、设于冷却塔的进水管路上的第四截止阀、设于热用户的出水管路上的第三截止阀、以及设于冷却塔的出水管路上的第五截止阀；

所述冷凝器的出水管路或冷凝器的进水管路上设有循环泵。

结合第一方面，进一步的，所述第一阀组包括：第一调节阀、第二调节阀及第一截止阀，所述蒸发器的有机工质出口管路通过第一调节阀与膨胀机的入口连接，通过第二调节阀与冷凝器的工质入口连接；所述膨胀机的出口通过第一截止阀与所述冷凝器的工质入口连接。

第二方面，本发明提供一种储能型热电联产系统的控制方法，包括：

采暖季期间：

低谷电时间段或者电网负荷低于设定值时，开启蓄热锅炉及热风循环系统的循环风机，使低温空气转换为高温空气，为有机朗肯循环发电系统的预热器和蒸发器提高热能；

开启工质泵，使有机朗肯循环发电系统中的有机工质经预热器、蒸发器吸热后转换为高温高压气态有机工质进入膨胀机，以推动发电机发电；并使从膨胀机排出的有机工质进入冷凝器壳体内放热后，回流至溶液箱；

控制冷凝器的循环水管路为进入热用户供热；

非采暖季期间：

低谷电时间段或者电网负荷低于设定值时，开启蓄热锅炉及热风循环系统的循环风机，使低温空气转换为高温空气，为有机朗肯循环发电系统的预热器和蒸发器提高热能；

开启工质泵，使有机朗肯循环发电系统中的有机工质经预热器、蒸发器吸热后转换为高温高压气态有机工质进入膨胀机，以推动发电机发电；并使从膨胀机排出的有机工质进入冷凝器壳体内放热后，回流至溶液箱；

控制冷凝器的循环水管路为进入冷却塔散热。

结合第二方面，进一步的，所述方法还包括：

通过调节第一调节阀和第二调节阀控制高温高压气态有机工质进入膨胀机的量，使部分高温高压气态有机工质进入冷凝器壳体中，满足热用户对供热量的需求。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

在低谷电时间段内，蓄热锅炉将电能转换为热能存储，利用低谷电蓄热，有效缓解了电网调峰压力；用电高峰时间段，利用有机朗肯循环系统将存储的热量转换为电能对外输出。降低了弃风弃光率，提高了能源利用率，具有良好的经济效益；采暖季期间，通过蓄热锅炉和其他各系统的配合，实现清洁能源向住户提供热量；

本发明利用能量梯级利用原理，高效利用电蓄热锅炉存储的热量，有机工质在蒸发器中吸热气化后，进入膨胀机做功发电，做完功后的低温低压工质进入冷凝器中加热供热回水，实现热电联供。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种储能型热电联产系统的结构示意图；

附图标记：1.配电柜，2.外壳，3.保温材料，4.电加热管，5.内隔板，6.蓄热材料，7.高温风道，8.低温风道，9.循环风机，10.预热器，11.蒸发器，12.膨胀机，13.发电机，14.冷凝器，15.溶液箱，16.工质泵，17.循环泵，18.热用户，19.冷却塔，20.第一调节阀，21.第二调节阀，22.第一截止阀，23.第二截止阀，24.第三截止阀，25.第四截止阀，26.第五截止阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，实施例之间可以互相借鉴、参考。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

实施例一：

如图1所示，是本发明实施例提供的一种储能型热电联产系统的结构示意图，包括：蓄热锅炉、热风循环系统、有机朗肯循环发电系统、循环水供热系统和循环水冷却系统。

蓄热锅炉在低谷电时间段内可以将电能转换为热能存储，利用低谷电蓄热，可以有效缓解电网调峰压力。蓄热锅炉包括外壳2，设置于外壳2上的配电柜1、低温风口、高温风口、以及设置于外壳2内的保温材料3、电加热管4、内隔板5及蓄热材料6。配电柜1可以设置于外壳2的旁侧，保温材料3可以设置于外壳2内壁，内隔板5用于隔离保温材料3与蓄热材料6，防止热量消耗。电加热管4可以设置有多个，用于将电能转换为热能存储于蓄热材料6中。

在本发明实施例中，蓄热锅炉内的保温材料3采用岩棉板，在供电供热过程中良好的绝热性能使得热量不易流失、提高节能效果。蓄热锅炉中的电加热管4采用镍铬合金电加热管，在高温环境下不易变形，其结构不易改变，在加热过程中产生热量的效率更高，使用过程中由于镍铬合金电加热管寿命长，节约维修、更换的成本。蓄热材料6采用镁砖或者复合相变砖。

有机朗肯循环发电系统包括顺次连接的溶液箱15、工质泵16、预热器10、蒸发器11、膨胀机12和冷凝器14，以及连接于膨胀机12上的发电机13。蒸发器11和预热器10可以采用同一壳体。蒸发器11的工质出口管路连接有第一支路和第二支路，其中，第一支路连接膨胀机12的工质入口，第二支路连接冷凝器14的工质入口，第一支路上设置有第一调节阀20，第二支路上设置有第二调节阀21，膨胀机12的工质出口至冷凝器14的工质入口管路上设有第一截止阀22。通过对第一调节阀20、第二调节阀21的开度进行调节，可以满足热用户18的热需求，例如：第一调节阀20、第一截止阀22打开和第二调节阀21关闭状态下，满足热用户18的供热需求情况下，第二调节阀21不参与调节供热；当前者情况下，供热需求不能满足热用户18需求，第二调节阀21打开，根据热用户对热量需求的大小，通过调节第一调节阀20与第二调节阀21的开度，满足热用户18的供热需求。

开启第一调节阀20，关闭第二调节阀21，开启第一截止阀22，溶液箱15内的有机工质通过工质泵16增压后，在预热器10与蒸发器11中吸热蒸发，高温高压气态有机工质进入膨胀机12中做功，推动发电机13发电，在膨胀机12内做完功的有机工质，进入冷凝器14内进一步放热冷凝，冷凝为液态后进入溶液箱15，完成有机工质的循环。

作为本发明的一种实施例，蒸发器11和预热器10可以使用传热效率高的翅片管换热器，由于翅片对流体的扰动使边界层不断破裂，因而具有较大的换热系数;同时由于隔板、翅片很薄，具有高导热性，所以在蒸发器11和预热器10中使用翅片管换热器可以达到很高的效率。有机工质采用沸点低、易挥发的五氟丙烷，在预热器10和蒸发器11中快速吸热蒸发成为高温高压气态有机工质，进入膨胀机12做功推动发电机13发电，提升发电效率。

热风循环系统包括高温风道7、循环风机9和低温风道8。高温风道7与蓄热锅炉的高温风口连通，低温风道8与蓄热锅炉的低温风口连通，循环风机9用于使低温空气进入蓄热锅炉，从蓄热材料6内吸热后变换高温空气后进入高温风道7，高温风道7可以引导高温空气顺次与蒸发器11、预热器10发生换热，从而转换为低温空气，形成热风循环。蒸发器11设于壳体连接高温风道7一侧内，预热器10设于壳体连接低温风道8一侧内。

循环水供热系统的热用户18一端依次串联热用户18进水管路、冷凝器14、循环泵17、热用户18出水管路，热用户18出水管路接入热用户18。

循环水冷却系统包括冷却塔19，冷却塔19上设有冷却塔19进水管路和冷却塔19出水管路；冷凝器14的出水管路分别与热用户18的进水管路、冷却塔19的进水管路连通，冷凝器14的进水管路分别与所述热用户18的出水管路、冷却塔19的出水管路连通；

冷凝器14用于放热冷凝，释放的热量可以通过热用户18进水管路进入住户输送热量，或者送入冷却塔19放热实现循环水冷却系统的水循环。冷凝器14可以通过第二阀组控制在热用户18与冷却塔19之间切换连通，所述第二阀组可以包括设于热用户18的进水管路上的第二截止阀23、设于冷却塔19的进水管路上的第四截止阀25、设于热用户18的出水管路上的第三截止阀24、以及设于冷却塔19的出水管路上的第五截止阀26。

实施例二：

本发明实施例提供一种储能型热电联产系统的控制方法，可以采用实施例一所述的储能型热电联产系统实现，本发明实施例提供的控制方法针对采暖季期间，具体包括：

低谷电时间段或者电网负荷低于设定值时，开启蓄热锅炉电源，将电能转换为热能存储于蓄热材料6内，启动循环风机9，低温空气从蓄热材料6内吸热变为高温空气，高温空气依次通过蒸发器11与预热器10，降温后的高温空气经过循环风机9，完成蓄热锅炉内的热风循环；开启第一调节阀20，关闭第二调节阀21，开启第一截止阀22，溶液箱15内的有机工质通过工质泵16增压后，在预热器10与蒸发器11中吸热蒸发，高温高压气态有机工质进入膨胀机12中做功，推动发电机13发电，在膨胀机12内做完功的有机工质，进入冷凝器14内进一步放热冷凝，冷凝为液态后进入溶液箱15，完成有机工质的循环；开启第二截止阀23，开启第三截止阀24，关闭第四截止阀25，关闭第五截止阀26，经过循环泵17的供热回水，进入冷凝器14内吸热，吸热后进入热用户18放热供暖，放热后又经过循环泵17提升动能进入冷凝器14中，完成循环水供热系统的循环。

运行中可以通过对第一调节阀20、第二调节阀21的开度进行调节，满足热用户18的热需求。

实施例三：

本发明实施例提供一种储能型热电联产系统的控制方法，可以采用实施例一所述的储能型热电联产系统实现，本发明实施例提供的控制方法针对非采暖季期间，具体包括：

低谷电时间段或者电网负荷低于设定值时，开启蓄热锅炉电源，将电能转换为热能存储于蓄热材料6内，启动变频循环风机9，低温空气从蓄热材料6内吸热变为高温空气，高温空气依次通过蒸发器11与预热器10，降温后的高温空气经过变频循环风机9，完成蓄热锅炉内的热风循环；开启第一调节阀20，关闭第二调节阀21，开启第一截止阀22，溶液箱15内的有机工质通过工质泵16增压后，在预热器10与蒸发器11中吸热蒸发，高温高压气态有机工质进入膨胀机12中做功，推动发电机13发电，在膨胀机12内做完功的有机工质，进入冷凝器14内进一步放热冷凝，冷凝为液态后进入溶液箱15，完成有机工质的循环；关闭第二截止阀23，关闭第三截止阀24，开启第四截止阀25，开启第五截止阀26，经过循环泵17的冷却塔19回水，进入冷凝器14内吸收有机工质放出的热量，吸热后进入冷却塔19放热，放热后又经过循环泵17提升动能进入冷凝器14中，完成循环水冷却系统的循环。

本发明提供的热电联产系统与方法，可有效缓解电网的调峰压力，进一步降低弃风弃光率，实现清洁能源供热，提高能源利用率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种储能型热电联产系统的控制方法，其特征在于，所述储能型热电联产系统包括蓄热锅炉、有机朗肯循环发电系统及热风循环系统；所述有机朗肯循环发电系统包括溶液箱、工质泵、预热器、蒸发器、冷凝器、发电机和用于驱动发电机发电的膨胀机，所述工质泵能够驱动溶液箱内的有机工质顺次经过预热器、蒸发器、膨胀机以及冷凝器壳体后，回流至溶液箱；所述热风循环系统包括循环风机、与蓄热锅炉的高温风口连通的高温风道、及与蓄热锅炉的低温风口连通的低温风道；所述循环风机能够使低温空气经低温风道进入蓄热锅炉吸热转变为高温空气，并使高温空气经高温风道排出顺次与所述蒸发器、预热器换热后转变为低温空气；所述蒸发器的循环管路输出的高温高压气态工质能够在第一阀组的配合控制下进入膨胀机做功或者进入冷凝器凝结放热；所述冷凝器的循环水管路能够在第二阀组的配合控制下进入热用户供热或者进入冷却塔散热；所述蓄热锅炉包括电加热管和蓄热材料，所述电加热管用于将电能转换为热能存储于蓄热材料内，所述蓄热材料用于对进入蓄热锅炉的低温空气进行加热，以使低温空气转换为高温空气；所述有机朗肯循环发电系统中的蒸发器与预热器共用同一壳体，所述壳体靠近蒸发器的一端与所述高温风道连通，靠近预热器的一端与所述低温风道连通；所述冷凝器的出水管路分别与热用户的进水管路、冷却塔的进水管路连通，冷凝器的进水管路分别与所述热用户的出水管路、冷却塔的出水管路连通；所述第二阀组包括设于热用户的进水管路上的第二截止阀、设于冷却塔的进水管路上的第四截止阀、设于热用户的出水管路上的第三截止阀、以及设于冷却塔的出水管路上的第五截止阀；所述冷凝器的出水管路或冷凝器的进水管路上设有循环泵；所述第一阀组包括：第一调节阀、第二调节阀及第一截止阀，所述蒸发器的有机工质出口管路通过第一调节阀与膨胀机的入口连接，通过第二调节阀与冷凝器的工质入口连接；所述膨胀机的出口通过第一截止阀与所述冷凝器的工质入口连接；

所述控制方法包括：

采暖季期间：

低谷电时间段或者电网负荷低于设定值时，开启蓄热锅炉及热风循环系统的循环风机，使低温空气转换为高温空气，为有机朗肯循环发电系统的预热器和蒸发器提高热能；

开启工质泵，使有机朗肯循环发电系统中的有机工质经预热器、蒸发器吸热后转换为高温高压气态有机工质进入膨胀机，以推动发电机发电；并使从膨胀机排出的有机工质进入冷凝器壳体内放热后，回流至溶液箱；

控制冷凝器的循环水管路为进入热用户供热；

通过调节第一调节阀和第二调节阀控制高温高压气态有机工质进入膨胀机的量，使部分高温高压气态有机工质进入冷凝器壳体中，满足热用户对供热量的需求；

第一调节阀、第一截止阀打开和第二调节阀关闭状态下：若满足热用户的供热需求，第二调节阀不参与调节供热；若供热需求不能满足热用户需求，第二调节阀打开，根据热用户对热量需求的大小，通过调节第一调节阀与第二调节阀的开度，直至满足热用户的供热需求；

非采暖季期间：

低谷电时间段或者电网负荷低于设定值时，开启蓄热锅炉及热风循环系统的循环风机，使低温空气转换为高温空气，为有机朗肯循环发电系统的预热器和蒸发器提高热能；

开启工质泵，使有机朗肯循环发电系统中的有机工质经预热器、蒸发器吸热后转换为高温高压气态有机工质进入膨胀机，以推动发电机发电；并使从膨胀机排出的有机工质进入冷凝器壳体内放热后，回流至溶液箱；

控制冷凝器的循环水管路为进入冷却塔散热。

2.根据权利要求1所述的储能型热电联产系统的控制方法，其特征在于，所述蓄热材料包括镁砖或复合相变砖；所述电加热管包括镍铬合金电加热管。

3.根据权利要求1所述的储能型热电联产系统的控制方法，其特征在于，所述蓄热锅炉的外壳内还设有保温材料，所述保温材料与蓄热材料之间设置有内隔板。

4.根据权利要求3所述的储能型热电联产系统的控制方法，其特征在于，所述保温材料包括岩棉板。