CN114370896B - 一种膨胀发电系统蓄热罐加热发电能力监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种膨胀发电系统蓄热罐加热发电能力监测方法，它包括：确定蓄热罐最低运行液位；实时采集蓄热罐液位、蓄热罐温度、加热介质压力、热泵出口温度、换热器加热介质出口温度、加热介质密度、加热介质质量流量；根据加热介质类型，计算热泵出口加热介质的热值；根据加热介质类型，计算换热器出口加热介质对应的热值；根据蓄热罐加热介质质量流量、热值及换热器换热效率，计算蓄热罐当前发电功率；据当前液位和最低液位，通过蓄热罐形状，计算可用加热介质体积容量；根据蓄热罐可发电加热介质质量容量、热值及换热器换热效率计算蓄热罐剩余发电电量；解决了无法开展蓄热罐加热做功发电节能评估、优化控制、发电预测、问题查找等问题。
Description
技术领域
本发明属于压缩空气储能技术领域，尤其涉及一种膨胀发电系统蓄热罐加热发电能力监测方法。
背景技术
随着电力事业的迅速发展，在传统能源的基础上大规模的新能源并入电网，而新能源发电的间隙性和波动性需要配备大量储能进行平抑，保证新能源的消纳。压缩空气储能有着容量大、污染小、寿命长等特点，是最具有发展空间的储能类型之一。包含储能耗电系统和释能发电系统，储能耗电系统在用电的低谷利用压缩机把空气加压到较高的压力后，经过冷却存储到空气储罐中消耗电能，释能发电系统在用电高峰把储气罐中的空气加热到一定温度后，送入空气膨胀机带动发电机向电网提供电能。
压缩空气储能系统中的加热工艺是蓄热罐在储能阶段通过加热介质储存热量，在膨胀发电阶段加热介质由热泵加压后，通过换热器对压缩空气进行加热，提升压缩空气发电能力。现有技术仅监视蓄热罐的温度、加热介质液位和膨胀发电机发电功率，不能监测加热工艺带来的发电功率值，且忽视了蓄热罐的热量是有限的，当蓄热罐液位过低时热泵无法运行，不能对压缩空气进行加热，膨胀发电系统将因压缩空气温度下降到限制值后紧急停机，对电网造成冲击等影响，因此需要一种技术，对压缩空气储能蓄热罐加热做功发电的参数进行测量、计算，掌握压缩空气储能蓄热罐加热做功的发电功率、剩余发电电量、剩余发电时间，以便开展蓄热罐加热做功发电节能评估、优化控制、发电预测、问题查找等相关技术问题中的定量分析，提前安排相应的停机等运行操作和电网运行方式。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种膨胀发电系统蓄热罐加热发电能力监测方法，以解决现有技术仅监视蓄热罐的温度、加热介质液位和膨胀发电机发电功率，不能监测加热工艺带来的发电功率值，且忽视了蓄热罐的热量是有限的，当蓄热罐液位过低时热泵无法运行，不能对压缩空气进行加热，膨胀发电系统将因压缩空气温度下降到限制值后紧急停机，对电网造成冲击等影响。
本发明的技术方案是：
一种膨胀发电系统蓄热罐加热发电能力监测方法，它包括：
步骤1、确定蓄热罐最低运行液位Hl；
步骤2、实时采集蓄热罐液位Hg、蓄热罐温度Tg、加热介质压力Pe、热泵出口温度Te、n级换热器加热介质出口温度Te1.....Ten、加热介质密度ρ、加热介质质量流量Qn；
步骤3、根据加热介质类型，计算热泵出口加热介质的热值he0；
步骤4、根据加热介质类型，计算n级换热器出口加热介质对应的热值he1.......hen；
步骤5、根据蓄热罐加热介质质量流量、热值及换热器换热效率，计算蓄热罐当前发电功率；
步骤6、据当前液位Hg和最低液位Hl，通过蓄热罐形状，计算可用加热介质体积容量Vu；
步骤7、根据蓄热罐可发电加热介质质量容量、热值及换热器换热效率，计算蓄热罐剩余发电电量Apu；当Apu≤Aphu时，发出报警；Aphu为蓄热罐剩余发电电量报警值。
它还包括：
步骤8、根据蓄热罐可发电加热介质质量容量和实时加热介质质量流量计算蓄热罐剩余发电时间tu；当tu≤thu时，发出报警；thu为蓄热罐剩余发电时间报警值。
步骤1所述确定蓄热罐最低运行液位Hl的方法为：限制条件为热泵不因蓄热罐液位下降造成入口压力低发生汽蚀，确定最低运行液位等于热泵最低汽蚀余量；即当蓄热罐液位在运行中逐渐下降，当等于最低运行液位Hl时，停止系统运行。
蓄热罐温度的测量方法为：如蓄热罐为1个，则空气温度测量不少于3个点，测量覆盖蓄热罐的底部、中部和上部温度取数学平均值进行计算得到蓄热罐温度；采用接触式PT100热电阻温度传感器作为温度测量元件；蓄热罐加热介质密度测量方法为：如蓄热罐为1个，则测量点在蓄热罐管道出口处；如蓄热罐大于1个则每个蓄热罐都有测量点，最终取数学平均值进行计算；密度测量元件采用谐振式音叉在线密度计；加热介质质量流量元件采用插入式涡街气体流量传感器，安装在管道的直管段。
蓄热罐当前发电功率的计算方法为：
为蓄热罐当前发电功率；ηi为i级换热器换热效率。
加热介质体积容量Vu的确定方法为：
Qu＝Vu*ρ
Qu为蓄热罐可发电加热介质质量容量；加热介质密度ρ。
蓄热罐剩余发电电量Apu的计算方法为：
Apu为蓄热罐剩余发电电量。
蓄热罐剩余发电时间tu的计算方法为：
tu＝Qu/Qn
tu为蓄热罐剩余发电时间。
蓄热罐加热介质为水、导热油或熔盐。
本发明有益效果：
本发明在现有技术只能监测膨胀发电系统总发电功率的基础上，通过蓄热罐参数监测和设置边界条件，实时计算蓄热罐加热做功部分提供的发电功率、剩余发电电量，根据蓄热罐可发电加热介质质量容量和实时加热介质质量流量计算蓄热罐剩余发电时间，
本发明的优点：
通过蓄热罐液位、温度等运行参数监测，实时计算蓄热罐加热做功部分提供的发电功率，揭示了蓄热罐做功发电与膨胀发电总发电功率的关系。
设置边界条件，通过蓄热罐参数监测，实时计算蓄热罐加热做功部分提供的剩余发电电量、剩余发电时间，解决了现有技术无法开展蓄热罐加热做功发电节能评估、优化控制、发电预测、问题查找等相关技术的定量分析问题。
根据机组发电剩余出力情况和运行时间，提前有序安排机组运行操作。
提供充足的电网运行方式处理时间，防止突减负荷对电网冲击的影响。
通过剩余发电能力情况和运行时间报警，达到提前有序安排机组运行操作的目的。
通过剩余发电能力情况和运行时间报警，提供充足的电网运行方式处理时间，防止突减负荷对电网冲击的影响。
根据压缩空气储能系统发电出力预测及新能源发电出力预测，能够更好的加强储能发电系统与新能源间的协调控制，提升新能源消纳能力。
解决了现有技术仅能监视蓄热罐的温度、加热介质液位、总发电功率等参数，无法掌握蓄热罐加热做功部分的发电功率、剩余发电电量、剩余发电时间，无法开展蓄热罐加热做功发电节能评估、优化控制、发电预测、问题查找等相关技术的定量分析问题。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为本发明硬件系统组成示意图。
具体实施方式
本发明压缩空气储能系统硬件组成见图2，包括：储气罐1，进气调节阀2，多级膨胀机3，发电机4，蓄热罐5，热泵6，多级换热器7，蓄冷罐(8)。储气罐储存高压压缩空气，经管道连接至首级换热器加热后，至多级膨胀机的首级膨胀机，压缩空气做功后从首级膨胀机排出，经第二级加热器加热后进入第二级膨胀机，依此类推，直至从末级膨胀机排出。多级加热器数量与多级膨胀机数量相等，布置在对应膨胀机进口。蓄热罐通过换热介质储存热量，经热泵加压后分别进入各级换热器加热压缩空气，换热介质冷却后进入蓄冷罐。高温高压的压缩空气进入膨胀机带动膨胀机旋转，膨胀机通过轴带动发电机旋转发电。
多级膨胀机(3)包括第一级膨胀机301、第二级膨胀机302、第三级膨胀机303……第n级级膨胀机级。
多级换热器(7)包括第一级换热器701、第二级换热器702、第三级换热器703……第n级换热器。
本发明一种膨胀发电系统蓄热罐加热发电能力监测方法，具体包括：
第一步 确定蓄热罐最低运行液位(Hl)，限制条件为热泵不因蓄热罐液位下降造成入口压力低发生汽蚀，因此确定最低运行液位(单位；米)等于热泵最低汽蚀余量(单位：米)，即当蓄热罐液位在运行中逐渐下降，当等于最低运行液位(Hl)时，停止系统运行。
第二步实时采集蓄热罐液位Hg、蓄热罐温度Tg、加热介质压力Pe、热泵出口温度Te、n级换热器加热介质出口温度Te1.....Ten、加热介质密度ρ、加热介质质量流量Qn。
蓄热罐温度测量要求：如蓄热罐为1个，则空气温度测量不少于3个点，覆盖蓄热罐的底部、中部和上部，最终取数学平均值进行计算，因为蓄热罐在运行中空气不稳定流出，在蓄热罐中不同高度的温度不一样。如蓄热罐为多个，则每个蓄热罐都有空气温度测量点，最终取数学平均值进行计算。
蓄热罐加热介质密度测量要求：如蓄热罐为1个，则测量点在蓄热罐管道出口处。如蓄热罐为多个，则每个蓄热罐都有测量点，最终取数学平均值进行计算。
温度采用接触式PT100热电阻温度传感器，探头垂直深入储气罐直径1/3处，输出4～20mA信号，
压力采用电阻应变式压力传感器,量程0-25MPa，输出4～20mA信号
流量测量采用插入式涡街气体流量传感器，安装在管道的直管段，因为在调节过程中管道会产生不稳定流动，采用放大器与传感器分离，传感器采用消扰电路和抗振传感头，具有抗环境振动性能，输出4～20mA信号。
密度测量采用谐振式音叉在线密度计，输出4～20mA信号。
第三步 根据加热介质类型，计算he0。
he0为热泵出口加热介质的热值,由热泵出口加热介质压力(Pe)、热泵出口温度(Te)查加热介质的热力特性表得到。
第四步 根据加热介质类型，计算he1.......hen。
he1.......hen为n级换热器出口加热介质对应的热值，由n级换热器出口加热介质对应的压力(Pe)、温度(Te)查表得到。
第五步 根据蓄热罐加热介质质量流量、热值及换热器换热效率，计算蓄热罐当前发电功率：
Whu为蓄热罐当前发电功率
ηi为i级换热器换热效率
第六步 根据当前液位(Hg)和最低液位(Hl)，通过蓄热罐形状(一般为球罐或圆柱状)，计算可用加热介质体积容量(Vu)。
根据加热介质密度，确定质量容量。
Qu＝Vu*ρ
Qu为蓄热罐可发电加热介质质量容量。
第六步 根据蓄热罐可发电加热介质质量容量、热值及换热器换热效率，计算蓄热罐剩余发电电量：
Apu为蓄热罐剩余发电电量；
当Apu≤Aphu时，发出报警；Aphu为蓄热罐剩余发电电量报警值。
第七步 根据蓄热罐可发电加热介质质量容量和实时加热介质质量流量计算蓄热罐剩余发电时间：
tu＝Qu/Qn
tu-蓄热罐剩余发电时间。
当tu≤thu时，发出报警；thu为蓄热罐剩余发电时间报警值。
其中换热器效率由制作厂提供或现场试验确定。
蓄热罐加热介质可以为水、导热油或熔盐；具体根据投资金额、设备场地、系统效率等因素综合确定。
案例：系统发电功率为10MW，蓄热罐形状为圆柱体，底面积33m2，加热介质为水，初始水位、压力和温度分别设为5m、0.2MPa和120℃，最低液位为0.4m，膨胀机为4级，对应换热器4个。
第一步 蓄热罐最低运行液位即热泵的最低汽蚀余量H1＝0.4m。
第二步：通过实时监测系统，采集数据Hg＝3.945m、Tg＝119.922℃、Pe＝0.896MPa、Te＝119.664℃、Te1＝110.6℃、Te2＝102.6℃、Te3＝94.1℃、Te4＝85.9℃、ρ＝943.142kg/m3、Qn＝71.83kg/s。
第三步 加热介质为水，热泵出口加热介质压力、温度为Pe＝0.896MPa、Te＝119.664℃，查表得对应的热值he0＝503.661kJ/kg。
第四步 由n级换热器出口加热介质温度Te1＝110.6℃、Te2＝102.6℃、Te3＝94.1℃、Te4＝85.9℃，查表得对应的热值he1＝465.201kJ/kg、he2＝431.047kJ/kg、he3＝394.835kJ/kg、he4＝360.569kJ/kg。
第五步 计算蓄热罐当前发电功率：
第六步 计算可用加热介质体积容量Vu＝(3.945-0.4)*33＝116.985m3。
蓄热罐可发电加热介质质量容量Qu＝Vu*ρ＝116.985*943.142＝110333.5kg
第七步 换热器换热效率均为0.98，计算蓄热罐剩余发电电量：
第八步 计算蓄热罐剩余发电时间
tu＝Qu/Qn＝110333.5/71.83＝1536s.
蓄热罐最低运行液位(Hl)等于热泵最低汽蚀余量。
蓄热罐加热介质可以为水、导热油或熔盐。
Claims (9)
1.一种膨胀发电系统蓄热罐加热发电能力监测方法，它包括：
步骤1、确定蓄热罐最低运行液位Hl；
步骤2、实时采集蓄热罐液位Hg、蓄热罐温度Tg、加热介质压力Pe、热泵出口温度Te、n级换热器加热介质出口温度Te1.....Ten、加热介质密度ρ、加热介质质量流量Qn；
步骤3、根据加热介质类型，计算热泵出口加热介质的热值he0；加热介质为水，热泵出口加热介质压力、温度为Pe＝0.896MPa、Te＝119.664℃，查表得对应的热值he0＝503.661kJ/kg；
步骤4、根据加热介质类型，计算n级换热器出口加热介质对应的热值he1.......hen；上述热值由n级换热器出口加热介质对应的压力Pe、温度Te查表得到；
步骤5、根据蓄热罐加热介质质量流量、热值及换热器换热效率，计算蓄热罐当前发电功率；
步骤6、根据当前液位Hg和最低液位Hl，通过蓄热罐形状，计算可用加热介质体积容量Vu；
步骤7、根据蓄热罐可发电加热介质质量容量、热值及换热器换热效率，计算蓄热罐剩余发电电量Apu；当Apu≤Aphu时，发出报警；Aphu为蓄热罐剩余发电电量报警值。
2.根据权利要求1所述的一种膨胀发电系统蓄热罐加热发电能力监测方法，其特征在于：它还包括：
步骤8、根据蓄热罐可发电加热介质质量容量和实时加热介质质量流量计算蓄热罐剩余发电时间tu；当tu≤thu时，发出报警；thu为蓄热罐剩余发电时间报警值。
3.根据权利要求1所述的一种膨胀发电系统蓄热罐加热发电能力监测方法，其特征在于：步骤1所述确定蓄热罐最低运行液位Hl的方法为：限制条件为热泵不因蓄热罐液位下降造成入口压力低发生汽蚀，确定最低运行液位等于热泵最低汽蚀余量；即当蓄热罐液位在运行中逐渐下降，当等于最低运行液位Hl时，停止系统运行。
4.根据权利要求1所述的一种膨胀发电系统蓄热罐加热发电能力监测方法，其特征在于：蓄热罐温度的测量方法为：如蓄热罐为1个，则空气温度测量不少于3个点，测量覆盖蓄热罐的底部、中部和上部温度取数学平均值进行计算得到蓄热罐温度；采用接触式PT100热电阻温度传感器作为温度测量元件；蓄热罐加热介质密度测量方法为：如蓄热罐为1个，则测量点在蓄热罐管道出口处；如蓄热罐大于1个则每个蓄热罐都有测量点，最终取数学平均值进行计算；密度测量元件采用谐振式音叉在线密度计；加热介质质量流量元件采用插入式涡街气体流量传感器，安装在管道的直管段。
5.根据权利要求1所述的一种膨胀发电系统蓄热罐加热发电能力监测方法，其特征在于：蓄热罐当前发电功率的计算方法为：
Whu为蓄热罐当前发电功率；ηi为i级换热器换热效率。
6.根据权利要求1所述的一种膨胀发电系统蓄热罐加热发电能力监测方法，其特征在于：蓄热罐可发电加热介质质量容量Qu的确定方法为：
Qu＝Vu*ρ
Qu为蓄热罐可发电加热介质质量容量；加热介质密度ρ。
7.根据权利要求6所述的一种膨胀发电系统蓄热罐加热发电能力监测方法，其特征在于：蓄热罐剩余发电电量Apu的计算方法为：
Apu为蓄热罐剩余发电电量。
8.根据权利要求6所述的一种膨胀发电系统蓄热罐加热发电能力监测方法，其特征在于：蓄热罐剩余发电时间tu的计算方法为：
tu＝Qu/Qn
tu为蓄热罐剩余发电时间。
9.根据权利要求1所述的一种膨胀发电系统蓄热罐加热发电能力监测方法，其特征在于：蓄热罐加热介质还可以为导热油或熔盐。
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