CN116718059B - 一种基于大容量高温熔盐储能的电站调峰系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电站配电技术领域，具体公开了一种基于大容量高温熔盐储能的电站调峰系统及方法，包括高温熔盐数据收集模块、高温熔盐储存罐、高温熔盐储能模块、高温熔盐能量转换模块以及人机交互模块；本发明能够解决进盐过程中熔盐结块率不稳定从而无规律地影响电站调峰，并损伤设备的技术问题，本发明通过预测熔盐在高温熔盐储存罐内的温度分布以及控制高温熔盐在流动过程中的能量变化，利用高温熔盐结块分析单元计算高温熔盐储存罐中高温熔盐结块率，随后高温熔盐储能模块将热量转换为热能并存储，高温熔盐能量转换模块将热能转换为电能进行调峰，通过对熔盐结块进行预测，便于及时调整电站调峰系统的运行策略。
Description
技术领域
本发明涉及电站配电技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于大容量高温熔盐储能的电站调峰系统及方法。
背景技术
随着可再生能源发电份额的迅速激增，从负荷侧、电源侧、电网侧多方挖掘现有系统的电站调峰能力，已经成为现阶段破解新能源消纳难题的重要举措，电网侧主要是利用储能技术实现电网能源灵活调整，常见的储能技术有电池储能、抽水蓄能、飞轮储能以及压缩空气储能，火电机组以调峰调频为主，由于二次再热机组对外界负荷响应速度与常规一次再热机组相比更加缓慢，难以满足电网对火电机组调峰调频等灵活性的要求，高温熔盐储能系统的超临界二次再热机组通过将以高温熔盐作为媒介来储存和释放能量，这些熔盐具有高热容量和稳定性，能够在高温条件下储存和释放大量热能，储能过程中，电力系统中的多余电能用来加热熔盐，将其储存为热能，在释放存储热能过程中，当电力需求增加时，储能系统会将存储的热能通过热交换机组（超超临界）转换为机械能，最终转化为电能供应到电网当中，能够为电站提供灵活的电力调峰能力，帮助平衡电网负荷波动和提高电力系统的可靠性。但是电站的高温熔盐储能系统在参与调峰的过程中，在对熔盐储存罐进行预热时，罐体底部存在温度较低并且升温速率慢的问题，温度上升不均匀导致进盐过程中熔盐结块率不稳定，从而无规律地影响电站调峰，并损伤设备。为了解决上述问题，现提供一种技术方案。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种基于大容量高温熔盐储能的电站调峰系统及方法，该系统通过高温熔盐热传导单元预测熔盐在高温熔盐储存罐内的温度分布，再通过高温熔盐流动控制单元反映高温熔盐在流动过程中的能量变化，利用高温熔盐结块分析单元计算高温熔盐储存罐中高温熔盐结块率，高温熔盐能量转换模块将热能转换为电能进行调峰，同时对熔盐结块进行预测，便于及时调整电站调峰系统的运行策略，减少了熔盐结块对设备造成损害的可能性，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于大容量高温熔盐储能的电站调峰系统，包括高温熔盐数据收集模块、高温熔盐储存罐、高温熔盐储能模块、高温熔盐能量转换模块以及人机交互模块，高温熔盐储存罐包括熔盐泵、高温熔盐数据处理单元、熔盐加热器、搅拌单元、高温熔盐热传导单元、高温熔盐流动控制单元以及高温熔盐结块分析单元，高温熔盐流量整合单元通过建立高温熔盐结块率模型获得高温熔盐结块率，其中，高温熔盐结块率模型的公式为：
；
式中：为高温熔盐结块率，/>为表面微元，/>为高温熔盐密度，/>为流体速度矢量，/>为表面法向量，/>为高温熔盐的热性物参数，/>为高温熔盐储存罐的几何尺寸，为高温熔盐的流动参数，/>为高温熔盐储存罐的材料属性参数。
作为本发明进一步的方案，高温熔盐数据收集模块与高温熔盐储存罐相连接，高温熔盐储存罐与高温熔盐储能模块相连接，高温熔盐储能模块与高温熔盐能量转换模块相连接，高温熔盐能量转换模块与人机交互模块相连接。
作为本发明进一步的方案，熔盐泵与高温熔盐数据处理单元相连接，高温熔盐数据处理单元与熔盐加热器相连接，熔盐加热器与搅拌单元相连接，搅拌单元与高温熔盐热传导单元相连接，高温熔盐热传导单元与高温熔盐流动控制单元相连接，高温熔盐流动控制单元与高温熔盐结块分析单元相连接。
作为本发明进一步的方案，高温熔盐数据收集模块收集高温熔盐的热性物参数以及流动参数、高温熔盐储存罐的几何尺寸以及材料属性参数；高温熔盐储存罐通过高温熔盐流量整合单元建立模型得到高温熔盐的结块率；高温熔盐储能模块通过将高温熔盐产生的热量进行热能转换并存储；高温熔盐能量转换模块将转换后的热能转换为电能；人机交互模块实时显示高温熔盐储存罐中各项数据的变化。
作为本发明进一步的方案，高温熔盐的热性物参数包括高温熔盐的比热容、初始温度、导热系数以及熔点，高温熔盐的流动参数包括高温熔盐的密度以及动力粘度，高温熔盐储存罐的几何尺寸包括高温熔盐储存罐的直径、高度以及厚度，高温熔盐储存罐的材料属性参数包括高温熔盐储存罐的导热系数、材料密度以及比热容。
作为本发明进一步的方案，高温熔盐热传导单元通过高温熔盐数据处理单元处理后的高温熔盐的热性物参数、高温熔盐储存罐的几何尺寸以及材料属性参数建立高温熔盐热传导方程，具体步骤为：
步骤Z1，数据准备：收集高温熔盐导热系数、熔点、初始温度以及高温熔盐储存罐的导热系数、比热容；
步骤Z2，建立高温熔盐热传导方程：建立柱坐标系下的高温熔盐热传导方程，高温熔盐热传导方程为：
；
式中：为导热系数，/>为温度，/>为时间，/>为轴向角度，/>为轴向距离，/>为径向距离；
步骤Z3，分析高温熔盐热传导方程：综合高温熔盐储存罐的几何尺寸以及材料属性参数对高温熔盐热传导方程进行分析，其中，高温熔盐热传导方程中的导热系数和分别为：
；
；
式中：为高温熔盐的导热系数，/>为高温熔盐的熔点，/>为高温熔盐的初始温度，/>为高温熔盐储存罐的导热系数，/>为高温熔盐储存罐的温度。
作为本发明进一步的方案，高温熔盐流动控制单元通过建立高温熔盐流动控制公式反映高温熔盐流动过程中能量变化，具体步骤为：
步骤S1，数据再准备：收集高温熔盐的比热容、导热系数、熔点、密度、动力粘度以及高温熔盐储存罐的直径、高度、厚度、导热系数、材料密度、比热容；
步骤S2，建立坐标系：通过建立柱坐标系描述高温熔盐储存罐内的流动；
步骤S3，建立高温熔盐流动控制公式：通过质量守恒定律建立动量方程，并将动量方程转化为柱坐标系下的形式得到高温熔盐流动控制公式，高温熔盐流动控制公式为：
；
式中：为高温熔盐的密度，/>、/>、/>分别为高温熔盐在x、y、z方向的速度向量，/>为高温熔盐罐中的压力，/>为温度，/>为梯度算子，/>为高温熔盐的线性热膨胀系数；
步骤S4，公式求解：通过高温熔盐储存罐的实际工况确定初始条件和边界条件，利用边界元法对公式进行求解。
作为本发明进一步的方案，一种基于大容量高温熔盐储能的电站调峰方法，其步骤具体为：
步骤一，数据收集：通过高温熔盐数据收集模块收集高温熔盐的热性物参数以及流动参数、高温熔盐储存罐的几何尺寸以及材料属性参数；
步骤二，模型建立与分析：利用高温熔盐储存罐中的熔盐泵输送高温熔盐，通过高温熔盐热传导单元预测熔盐在高温熔盐储存罐内的温度分布以及能量传递过程，再通过高温熔盐流动控制单元反映高温熔盐在流动过程中的能量变化，利用高温熔盐结块分析单元计算高温熔盐储存罐中高温熔盐结块率；
步骤三，通过高温熔盐储能模块将热量转换为热能并存储，再通过高温熔盐能量转换模块将热能转换为电能进行调峰；
步骤四，通过人机交互模块控制系统运作，并实时显示各项数据的变化。
本发明一种基于大容量高温熔盐储能的电站调峰系统及方法的技术效果和优点：
1、本发明通过对熔盐结块进行预测，及时采取措施防止结块现象的发生，从而提高储能系统的效率和可靠性，同时减少熔盐结块对设备造成损害的可能性，延长设备的使用寿命；
2、本发明通过在大容量高温熔盐储能系统中储存和释放能量，使电站在电力需求低峰时储存能量，而在高峰时段释放能量，从而提高能源利用效率；
3、本发明在电力系统中引入熔盐储能调峰系统可以提高电网的弹性和适应性，使其能够更好地应对突发事件；
4、本发明有助于及时调整电站调峰系统的运行策略，使其能够更好地适应电网负荷的变化，提高电网的稳定性和适应性。
附图说明
图1为本发明一种基于大容量高温熔盐储能的电站调峰系统及方法结构示意图。
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。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。
一种基于大容量高温熔盐储能的电站调峰系统，包括高温熔盐数据收集模块、高温熔盐储存罐、高温熔盐储能模块、高温熔盐能量转换模块以及人机交互模块，高温熔盐储存罐包括熔盐泵、高温熔盐数据处理单元、熔盐加热器、搅拌单元、高温熔盐热传导单元、高温熔盐流动控制单元以及高温熔盐结块分析单元，高温熔盐流量整合单元通过建立高温熔盐结块率模型获得高温熔盐结块率，其中，高温熔盐结块率模型的公式为：
；
式中：为高温熔盐结块率，/>为表面微元，/>为高温熔盐密度，/>为流体速度矢量，/>为表面法向量，/>为高温熔盐的热性物参数，/>为高温熔盐储存罐的几何尺寸，为高温熔盐的流动参数，/>为高温熔盐储存罐的材料属性参数。
本实施例中高温熔盐数据收集模块与高温熔盐储存罐相连接，高温熔盐储存罐与高温熔盐储能模块相连接，高温熔盐储能模块与高温熔盐能量转换模块相连接，高温熔盐能量转换模块与人机交互模块相连接。
本实施例中熔盐泵与高温熔盐数据处理单元相连接，高温熔盐数据处理单元与熔盐加热器相连接，熔盐加热器与搅拌单元相连接，搅拌单元与高温熔盐热传导单元相连接，高温熔盐热传导单元与高温熔盐流动控制单元相连接，高温熔盐流动控制单元与高温熔盐结块分析单元相连接。
本实施例中高温熔盐数据收集模块收集高温熔盐的热性物参数以及流动参数、高温熔盐储存罐的几何尺寸以及材料属性参数；高温熔盐储存罐通过高温熔盐流量整合单元建立模型得到高温熔盐的结块率；高温熔盐储能模块通过将高温熔盐产生的热量进行热能转换并存储；高温熔盐能量转换模块将转换后的热能转换为电能；人机交互模块实时显示高温熔盐储存罐中各项数据的变化。
本实施例中高温熔盐的热性物参数包括高温熔盐的比热容、初始温度、导热系数以及熔点，高温熔盐的流动参数包括高温熔盐的密度以及动力粘度，高温熔盐储存罐的几何尺寸包括高温熔盐储存罐的直径、高度以及厚度，高温熔盐储存罐的材料属性参数包括高温熔盐储存罐的导热系数、材料密度以及比热容。
本实施例中高温熔盐热传导单元通过高温熔盐数据处理单元处理后的高温熔盐的热性物参数、高温熔盐储存罐的几何尺寸以及材料属性参数建立高温熔盐热传导方程，具体步骤为：
步骤Z1，数据准备：收集高温熔盐导热系数、熔点、初始温度以及高温熔盐储存罐的导热系数、比热容；
步骤Z2，建立高温熔盐热传导方程：建立柱坐标系下的高温熔盐热传导方程，高温熔盐热传导方程为：
；
式中：为导热系数，/>为温度，/>为时间，/>为轴向角度，/>为轴向距离，/>为径向距离；
步骤Z3，分析高温熔盐热传导方程：综合高温熔盐储存罐的几何尺寸以及材料属性参数对高温熔盐热传导方程进行分析，其中，高温熔盐热传导方程中的导热系数和分别为：
；
；
式中：为高温熔盐的导热系数，/>为高温熔盐的熔点，/>为高温熔盐的初始温度，/>为高温熔盐储存罐的导热系数，/>为高温熔盐储存罐的温度。
本实施例通过高温熔盐热传导单元预测熔盐在高温熔盐储存罐内的温度分布以及能量传递过程，为高温熔盐储存罐的设计提供了理论依据，便于为高温熔盐储存罐选择合适的材料、尺寸以及形状，以降低能耗并提高储能效率。利用高温熔盐的热传导特性，通过合理控制高温熔盐的温度与流速，实现能量的高效存储与释放，并且通过对热传导方程进行分析，可以实现对设备故障的早期诊断与预防性维护。
本实施例中高温熔盐流动控制单元通过建立高温熔盐流动控制公式反映高温熔盐流动过程中能量变化，具体步骤为：
步骤S1，数据再准备：收集高温熔盐的比热容、导热系数、熔点、密度、动力粘度以及高温熔盐储存罐的直径、高度、厚度、导热系数、材料密度、比热容；
步骤S2，建立坐标系：通过建立柱坐标系描述高温熔盐储存罐内的流动；
步骤S3，建立高温熔盐流动控制公式：通过质量守恒定律建立动量方程，并将动量方程转化为柱坐标系下的形式得到高温熔盐流动控制公式，高温熔盐流动控制公式为：
；
式中：为高温熔盐的密度，/>、/>、/>分别为高温熔盐在x、y、z方向的速度向量，/>为高温熔盐罐中的压力，/>为温度，/>为梯度算子，/>为高温熔盐的线性热膨胀系数；
步骤S4，公式求解：通过高温熔盐储存罐的实际工况确定初始条件和边界条件，利用边界元法对公式进行求解。
本实施例通过建立高温熔盐流动控制公式反映高温熔盐流动过程中能量变化，能够为高温熔盐的流动管道、泵以及阀门的设计提供理论依据，并且通过动量方程建立的控制方程可以指导熔盐流动系统的控制策略，通过优化控制参数，实现对熔盐流动速度、压力和温度的精确控制，以满足不同应用场景的需求。同时，本发明通过分析熔盐流动过程中的能量变化及其与流体运动的关系，可以预测设备在正常和异常工况下的性能变化，从而评估设备的安全性能和预防潜在风险。
本实施例中的一种基于大容量高温熔盐储能的电站调峰方法，步骤具体为：
步骤一，数据收集：通过高温熔盐数据收集模块收集高温熔盐的热性物参数以及流动参数、高温熔盐储存罐的几何尺寸以及材料属性参数；
步骤二，模型建立与分析：利用高温熔盐储存罐中的熔盐泵输送高温熔盐，通过高温熔盐热传导单元预测熔盐在高温熔盐储存罐内的温度分布以及能量传递过程，再通过高温熔盐流动控制单元反映高温熔盐在流动过程中的能量变化，利用高温熔盐结块分析单元计算高温熔盐储存罐中高温熔盐结块率；
步骤三，通过高温熔盐储能模块将热量转换为热能并存储，再通过高温熔盐能量转换模块将热能转换为电能进行调峰；
步骤四，通过人机交互模块控制系统运作，并实时显示各项数据的变化。
本实施例通过高温熔盐数据收集模块收集高温熔盐的热性物参数以及流动参数、高温熔盐储存罐的几何尺寸以及材料属性参数，利用高温熔盐储存罐中的熔盐泵输送高温熔盐，通过熔盐加热器以及搅拌单元对输送的高温熔盐通过熔盐加热器以及搅拌单元进行加热、搅拌，再通过高温熔盐热传导单元预测熔盐在高温熔盐储存罐内的温度分布以及能量传递过程，利用高温熔盐的热传导特性，通过合理控制高温熔盐的温度与流速，实现能量的高效存储与释放，并且通过对热传导方程进行分析，可以实现对设备故障的早期诊断与预防性维护。
本实施例通过高温熔盐流动控制单元反映高温熔盐在流动过程中的能量变化及其与流体运动的关系，通过优化控制参数，实现对熔盐流动速度、压力和温度的精确控制，以满足不同应用场景的需求，同时通过分析熔盐流动过程中的能量变化及其与流体运动的关系，能够预测设备在正常和异常工况下的性能变化，从而评估设备的安全性能和预防潜在风险。
本实施例利用高温熔盐结块分析单元计算高温熔盐储存罐中高温熔盐结块率，通过高温熔盐储能模块将热量转换为热能并进行存储，再通过高温熔盐能量转换模块将热能转换为电能进行调峰。本实施例通过对熔盐结块进行预测，及时采取措施防止结块现象的发生，从而提高储能系统的效率和可靠性，同时减少熔盐结块对设备造成损害的可能性，延长设备的使用寿命。
本实施例能够在大容量高温熔盐储能系统中储存和释放能量，使电站可以在电力需求低峰时储存能量，而在高峰时段释放能量，从而提高能源利用效率，引入熔盐储能调峰系统可以提高电网的弹性和适应性，使其能够更好地应对突发事件，同时对高温熔盐结块率进行计算有助于及时调整电站调峰系统的运行策略，使其能够更好地适应电网负荷的变化，提高电网的稳定性和适应性。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种基于大容量高温熔盐储能的电站调峰系统，包括高温熔盐数据收集模块、高温熔盐储存罐、高温熔盐储能模块、高温熔盐能量转换模块以及人机交互模块，其特征在于，高温熔盐储存罐包括熔盐泵、高温熔盐数据处理单元、熔盐加热器、搅拌单元、高温熔盐热传导单元、高温熔盐流动控制单元以及高温熔盐结块分析单元，高温熔盐流量整合单元通过建立高温熔盐结块率模型获得高温熔盐结块率，其中，高温熔盐结块率模型的公式为：
式中：QTI为高温熔盐结块率，dA为表面微元，ρ为高温熔盐密度，u为流体速度矢量，n为表面法向量，WTP为高温熔盐的热性物参数，WTW为高温熔盐储存罐的几何尺寸，WTR为高温熔盐的流动参数，WTV为高温熔盐储存罐的材料属性参数；
高温熔盐数据收集模块与高温熔盐储存罐相连接，高温熔盐储存罐与高温熔盐储能模块相连接，高温熔盐储能模块与高温熔盐能量转换模块相连接，高温熔盐能量转换模块与人机交互模块相连接；熔盐泵与高温熔盐数据处理单元相连接，高温熔盐数据处理单元与熔盐加热器相连接，熔盐加热器与搅拌单元相连接，搅拌单元与高温熔盐热传导单元相连接，高温熔盐热传导单元与高温熔盐流动控制单元相连接，高温熔盐流动控制单元与高温熔盐结块分析单元相连接；高温熔盐数据收集模块收集高温熔盐的热性物参数以及流动参数、高温熔盐储存罐的几何尺寸以及材料属性参数，高温熔盐的热性物参数包括高温熔盐的比热容、初始温度、导热系数以及熔点，高温熔盐的流动参数包括高温熔盐的密度以及动力粘度，高温熔盐储存罐的几何尺寸包括高温熔盐储存罐的直径、高度以及厚度，高温熔盐储存罐的材料属性参数包括高温熔盐储存罐的导热系数、材料密度以及比热容；高温熔盐储存罐通过高温熔盐流量整合单元建立模型得到高温熔盐的结块率；高温熔盐储能模块通过将高温熔盐产生的热量进行热能转换并存储；高温熔盐能量转换模块将转换后的热能转换为电能；人机交互模块实时显示高温熔盐储存罐中各项数据的变化；
高温熔盐数据收集模块收集高温熔盐的热性物参数以及流动参数、高温熔盐储存罐的几何尺寸以及材料属性参数，
高温熔盐热传导单元通过高温熔盐数据处理单元处理后的高温熔盐的热性物参数、高温熔盐储存罐的几何尺寸以及材料属性参数建立高温熔盐热传导方程，具体步骤为：
步骤Z1，数据准备：收集高温熔盐导热系数、熔点、初始温度以及高温熔盐储存罐的导热系数、比热容；
步骤Z2，建立高温熔盐热传导方程：建立柱坐标系下的高温熔盐热传导方程，高温熔盐热传导方程为：
式中：k为导热系数，T为温度，t为时间，θ为轴向角度，z为轴向距离，r为径向距离；
步骤Z3，分析高温熔盐热传导方程：综合高温熔盐储存罐的几何尺寸以及材料属性参数对高温熔盐热传导方程进行分析，其中，高温熔盐热传导方程中的导热系数k(r)和k(z)分别为：
式中：λm为高温熔盐的导热系数，Tm为高温熔盐的熔点，Ti为高温熔盐的初始温度，λs为高温熔盐储存罐的导热系数，Ts为高温熔盐储存罐的温度；
高温熔盐流动控制单元通过建立高温熔盐流动控制公式反映高温熔盐流动过程中能量变化，具体步骤为：
步骤S1，数据再准备：收集高温熔盐的比热容、导热系数、熔点、密度、动力粘度以及高温熔盐储存罐的直径、高度、厚度、导热系数、材料密度、比热容；
步骤S2，建立坐标系：通过建立柱坐标系描述高温熔盐储存罐内的流动；
步骤S3，建立高温熔盐流动控制公式：将动量方程转化为柱坐标系下的形式得到高温熔盐流动控制公式，高温熔盐流动控制公式为：
式中：ρ为高温熔盐的密度，u、v、ω分别为高温熔盐在x、y、z方向的速度向量，p为高温熔盐罐中的压力，T为温度，为梯度算子，α为高温熔盐的线性热膨胀系数；
步骤S4，公式求解：通过高温熔盐储存罐的实际工况确定初始条件和边界条件，利用边界元法对公式进行求解。
2.一种基于大容量高温熔盐储能的电站调峰方法，用于实现权利要求1所述的一种基于大容量高温熔盐储能的电站调峰系统，其特征在于，
步骤一，数据收集：通过高温熔盐数据收集模块收集高温熔盐的热性物参数以及流动参数、高温熔盐储存罐的几何尺寸以及材料属性参数；
步骤二，模型建立与分析：利用高温熔盐储存罐中的熔盐泵输送高温熔盐，通过高温熔盐热传导单元预测熔盐在高温熔盐储存罐内的温度分布以及能量传递过程，再通过高温熔盐流动控制单元反映高温熔盐在流动过程中的能量变化，利用高温熔盐结块分析单元计算高温熔盐储存罐中高温熔盐结块率；
步骤三，通过高温熔盐储能模块将热量转换为热能并存储，再通过高温熔盐能量转换模块将热能转换为电能进行调峰；
步骤四，通过人机交互模块控制系统运作，并实时显示各项数据的变化。
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