CN116885752A - 一种基于特斯拉阀新型储热罐的火电机组调峰能力提升方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于特斯拉阀新型储热罐的火电机组调峰能力提升方法。本发明使火电机组供热不足或供热剩余部分由特斯拉阀新型储热罐进行补偿供热或蓄热以维持热负荷的稳定，扩大了电热运行区间，机组电出力调节幅度得到了增加，从而可提高了机组的调峰能力。特斯拉阀新型储热罐通过增加特斯拉阀级数，使湍流损耗速率减少，特斯拉阀内部能量损失程度下降，峰荷时段最大可蓄热量增大，即日内总计可提高的调峰容量增加。
Description
技术领域
本发明属于清洁能源消纳技术领域，具体涉及一种基于特斯拉阀新型储热罐的火电机组调峰能力提升方法。
背景技术
我国已成为世界最大的风电市场国，然而弃风问题越来越严重，造成了巨大的国民经济损失和能源浪费。“风热冲突”为造成我国弃风问题的主要原因之一。
“风热冲突”是因为风电具有典型的反调峰特性，表现为白天出力在一定范围内不断波动、夜晚风电出力开始逐渐上升的日出力特点和冬季平均出力最高、夏季的平均出力最低的季节出力特点，导致了风电出力在相当程度上增大了系统调峰需求和调峰难度。而且在冬季供暖期普遍较长的我国“三北”地区，由于热电机组可同时产生电、热两种产品，以其高效、环保等优点受到了大力发展，在电源结构中占很大比例供暖热负荷与国民生活至关重要，热电机组作为主要的热源需优先满足热负荷，存在着“以热定电”工况运行约束，会导致冬季供暖期系统调峰能力下降，甚至无法调峰。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于特斯拉阀新型储热罐的火电机组调峰能力提升方法，通过配置特斯拉阀新型储热罐，扩大电热运行区间，增大峰荷时段最大可蓄热量，提高风电的消纳水平。
本发明所采用的技术方案是如下：
本发明提供了一种基于特斯拉阀新型储热罐的火电机组调峰能力提升方法，具体按照以下步骤实施：
步骤S1：建立配置特斯拉阀新型储热罐后机组的调峰容量增量与储热装置最大蓄、放热功率间的关系模型；
步骤S2：计算装配特斯拉阀新型储热罐前后的电-热特性，获得机组提高调峰能力的范围；
步骤S3：根据特斯拉阀新型储热罐的电-热特性优化，获得最大可蓄热量与特斯拉阀级数的关系；
步骤S4：将最大可蓄热量与特斯拉阀级数的关系带入步骤S1得到的关系模型中，获得特斯拉阀级数与机组调峰容量增量的关系；
步骤S5：根据机组调峰容量以及调峰能力范围的需求装配相应级数的特斯拉阀新型储热罐。
进一步的，所述步骤S1建立配置特斯拉阀新型储热罐后机组的调峰容量增量与储热装置最大蓄、放热功率间的关系模型包括：
根据储热罐在腰荷时段最大可蓄热量QS,F和储热罐在低谷时段最大可蓄热量QD,L的大小，确定调峰容量增量ΔC；
进一步的，所述步骤S2计算装配特斯拉阀新型储热罐后的电-热特性，获得机组提高调峰能力的范围包括：
根据配置储热前后电热特性的公式，获得电热特性曲线图，并比较调峰能力范围的变化；
进一步的，所述步骤S3中根据多级特斯拉阀的电-热特性优化，获得最大可蓄热量与特斯拉阀级数的具体关系包括：
由Tesla valve研究，电热特性公式、多级特斯拉阀连续性、动量和能量的控制方程、标准k-ε湍流模型相关方程等公式进行推导获得；
进一步的，所述步骤S4中特斯拉阀级数与机组调峰容量增量的关系为：
本发明的有益效果是：
本发明一种基于特斯拉阀新型储热罐的火电机组调峰能力提升方法，主要面向因“风热冲突”而引起的弃风问题，通过配置含多级特斯拉阀的新型储热罐，火电机组供热不足或供热剩余部分由特斯拉阀新型储热罐进行补偿供热或蓄热以维持热负荷的稳定，扩大了电热运行区间，机组电出力调节幅度得到了增加，从而也可提高了机组的调峰能力。
通过配置特斯拉阀储热罐并增加级数，使湍流损耗速率减少，特斯拉阀内部能量损失程度下降，峰荷时段最大可蓄热量增大，日内总计可提高的调峰容量增加，提高风电消纳水平。
附图说明
图1是本发明中机组配置特斯拉阀新型储热罐前后的调峰能力变化图；
图2是本发明中机组配置特斯拉阀新型储热罐前后的电热特性变化图；
图3是本发明中特斯拉阀参数对热电机组调峰容量增量影响图；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
本发明一种基于特斯拉阀新型储热罐的火电机组调峰能力提升方法，具体按照以下步骤实施：
步骤S1：建立配置特斯拉阀新型储热罐后机组的调峰容量增量与储热装置最大蓄、放热功率间的关系模型；
步骤S2：计算装配特斯拉阀新型储热罐前后的电-热特性，获得机组提高调峰能力的范围；
步骤S3：根据特斯拉阀新型储热罐的电-热特性优化，获得最大可蓄热量与特斯拉阀级数的关系；
步骤S4：将最大可蓄热量与特斯拉阀级数的关系带入步骤S1得到的关系模型中，获得特斯拉阀级数与机组调峰容量增量的关系；
步骤S5：根据机组调峰容量以及调峰能力范围的需求装配相应级数的特斯拉阀新型储热罐。
本发明提供的基于特斯拉阀新型储热罐的火电机组调峰能力提升方法，特斯拉阀新型储热罐在火电机组供热不足或供热剩余部分进行补偿供热或蓄热以维持热负荷的稳定，扩大电热运行区间，使机组电出力调节幅度得到了增加，从而也可提高了机组的调峰能力。特斯拉阀新型储热罐并且通过增加特斯拉阀级数，使湍流损耗速率减少，特斯拉阀内部能量损失程度下降，峰荷时段最大可蓄热量增大，即日内总计可提高的调峰容量增加。
具体的，所述步骤S1包括：
根据储热罐在腰荷时段最大可蓄热量QS,F和储热罐在低谷时段最大可蓄热量QD,L的大小，确定调峰容量增量ΔC；
储热罐没有储存的热量时，本着优先使用新能源供热的原则，首先调节一次热源的供热温度，充分利用一次热源的调节空间；仍有多余的热功率时，再调节储热罐的逻辑顺序，从而得到储热罐容积最小的配置结果，尽量减小配置特斯拉阀新型储热罐的容积，实现新能源的完全消纳；充热结束后，为避免储热罐静置过程的热量散失，优先放出储热罐储存的热量，协调控制一次热源的供热功率，实时满足热负荷需求。
由于低谷下调峰容量系数通常大于尖峰上调峰容量系数，机组一天内电负荷低谷时段持续时间约等于机组一天内电负荷峰谷时段持续时间，则将储热量用于低谷时段所获得的的风电接纳空间大于尖峰时段所获得的，故特斯拉阀新型储热罐储热量有限时，优先补偿给低谷时段；当腰荷蓄热不足时，特斯拉阀新型储热罐采用在峰荷时段蓄热，低谷时段放热的方式提高机组提供的风电接纳空间。
由于将热量用于低谷时段所获得的风电接纳空间大于用于尖峰时段，故蓄热量有限时，优先补偿给低谷时段；当腰荷蓄热不足时，可采用在峰荷时段蓄热，低谷时段放热的方式提高机组提供的风电接纳空间；则腰荷时段储热量和低谷时段储热量之间大小不同时，调峰容量增量不同；因此，根据QS,F和QD,L二者大小，确定特斯拉阀新型储热罐增加的调峰容量增量。
当QS,F＜QD,L时：
其中，ΔCL为低谷时段下所增加的调峰容量；ΔCp峰谷时段下所增加的调峰容量；cm为低谷下调峰容量系数；TL为机组一天内电负荷低谷时段持续时间；QS,P是储热罐在峰荷时段最大可蓄热量；cv1为尖峰上调峰容量系数；TP为机组一天内电负荷峰谷时段持续时间；
新型储热罐腰荷时段最大可蓄热量QS,F为：
其中，Smax为储热罐置最大蓄热量；hT,max为汽轮机最大抽汽供热功率；为t时刻的热负荷水平；hcmax为配置储热后，其最小供热功率向左平移大小；
峰荷时段最大可蓄热量QS,P为：
低谷时段最大可蓄热量QD,L为：
其中，hmed为电热特性区间最低点；hfmax为配置储热后，电热特性增加的区间范围；
当QS,F≥QD,L时：
根据上述公式(1)至(5)可以得到调峰容量增量ΔC：
具体的，所述步骤S2包括：
根据配置储热前后电热特性的公式，获得电热特性曲线图，并比较调峰能力范围的变化；
具体的，配置储热前的电-热特性：
其中，Pmin为最小电功率；Pmax最大电功率；h为供热功率；Cv为进汽量不变时多抽取单位供热热量下发电功率的减小量；Cv1为最大电出力下对应值；Cv2为最小电出力下对应值；K为常数。
配置储热后的电-热特性：
具体的，所述步骤S3中，
将定义吸热为正，由上述知日内总计可提高的调峰容量由峰荷时段最大可蓄热量主要决定，故基于多级Tesla valve研究：
其中，为t时刻热负荷水平；
其中，ΔQ为燃料消耗量，Qj为燃料低热值。
ΔQ＝(Q初-Q损-Q用) (11)
其中，Q初为燃料初始量，Q损为燃料损失量，Q用为燃料用掉量。将(11)代入(10)后得到:
多级特斯拉阀内氢气流动为可压缩流体，在数值模拟过程中连续性、动量和能量的控制方程分别为：
其中，ρ为密度，u为速度，μ为粘度，P为压力，pr为普朗特数，cv和cp为比热，δij为克罗内克符号，τij为粘性应力。
标准k-ε湍流模型相关方程为：
燃料损失量公式为：
Q损＝MVK-ε (18)
其中，M为正系数，Vk-ε为湍流损耗速率。湍流损耗速率公式为：
VK-ε＝NZ级数+T (19)
其中，N为负系数，Z级数为特斯拉阀级数，T为固定损失。将(18)、(19)代入(12)得到：
(20)代入(9)得到：
其中，其中Q初为燃料初始量，Q损为燃料损失量，Q用为燃料用量，M为正系数，N为负系数，Z级数为特斯拉阀级数，T为固定损失。
根据式(21)知：当储热罐配备特斯拉阀后，并随着特斯拉阀级数的增加，湍流损耗速率逐渐减少，特斯拉阀内部能量损失程度下降，峰荷时段最大可蓄热量增加，则通过特斯拉阀新型储热罐放热，其整体最大供热功率扩大，可允许汽轮机发电功率的调节范围变大，其电热特性得到优化。
实施例
对目前我国北方典型的300mw级供热机组配置储热提高调峰能力的效果进行分析。假设机组均只承担采暖负荷，由于采暖负荷日内变化较小，故假设各时段热负荷功率日内保持恒定不变。具体调峰能力如表1所示。
表1
可以看出，配置储热扩大了300MW机组的电热运行区间，而且含多级特斯拉阀的储热罐在普通储热罐的基础上更加扩大了电热区间的范围，对应给定的热负荷水平，300MW机组单时段断面的电出力调节幅度得到了增加。
如图2所示，随着储热装置的储热容量、蓄放热能力的不断增大，当所配置的储热容量达到897MW、放热能力达到259.8MW时，调峰容量增量达到一个恒定的最大值，为67.3MW，为额定容量的22.4％。此时，机组的总调峰容量为114.5MW，占额定容量的38.2％，较储热前的47.2MW提高了约2,4倍。
通过上述方式，本发明一种基于特斯拉阀新型储热罐的火电机组调峰能力提升方法，面对“风热冲突”造成我国弃风问题的情况，通过给火电机组配备新型储热罐，提高机组调峰能力，从而提高风电的消纳水平，并对配置特斯拉阀新型储热罐前后火电机组的电热运行区间和调峰能力进行对比，火电机组电出力调节幅度得到了增加，调峰能力得到很好的提升，得到特斯拉阀新型储热罐的火电机组调峰能力提升方法为当火电机组供热不足或供热剩余部分由特斯拉阀新型储热罐进行补偿供热或蓄热以维持热负荷的稳定，扩大了电热运行区间，特斯拉阀新型储热罐增加特斯拉阀级数，使湍流损耗速率减少，特斯拉阀内部能量损失程度下降，峰荷时段最大可蓄热量增大，从而提高了机组的调峰能力。
Claims (7)
1.一种基于特斯拉阀新型储热罐的火电机组调峰能力提升方法，其特征在于，按照一下步骤实施：
步骤S1：建立配置特斯拉阀新型储热罐后机组的调峰容量增量与储热装置最大蓄、放热功率间的关系模型；
步骤S2：计算装配特斯拉阀新型储热罐前后的电-热特性，获得机组提高调峰能力的范围；
步骤S3：根据特斯拉阀新型储热罐的电-热特性优化，获得最大可蓄热量与特斯拉阀级数的关系；
步骤S4：将最大可蓄热量与特斯拉阀级数的关系带入步骤S1得到的关系模型中，获得特斯拉阀级数与机组调峰容量增量的关系；
步骤S5：根据机组调峰容量以及调峰能力范围的需求装配相应级数的特斯拉阀新型储热罐。
2.根据权利要求1所述一种基于特斯拉阀新型储热罐的火电机组调峰能力提升方法，其特征在于，所述步骤S1建立配置特斯拉阀新型储热罐后机组的调峰容量增量与储热装置最大蓄、放热功率间的关系模型包括：
根据储热罐在腰荷时段最大可蓄热量QS,F和储热罐在低谷时段最大可蓄热量QD,L的大小，确定调峰容量增量ΔC：
其中，Smax为储热罐置最大蓄热量；hfmax为配置储热后，电热特性增加的区间范围。
3.根据权利要求1所述一种基于特斯拉阀新型储热罐的火电机组调峰能力提升方法，其特征在于，所述步骤S2计算装配特斯拉阀新型储热罐后的电-热特性，获得机组提高调峰能力的范围包括：
根据配置储热前后电热特性的公式，获得电热特性曲线图，并比较调峰能力范围的变化。
4.根据权利要求1所述一种基于特斯拉阀新型储热罐的火电机组调峰能力提升方法，其特征在于，所述步骤S3中根据多级特斯拉阀的电-热特性优化，获得最大可蓄热量与特斯拉阀级数的具体关系包括：
由Tesla valve研究，电热特性公式、多级特斯拉阀连续性、动量和能量的控制方程、标准k-ε湍流模型相关方程等公式进行推导获得。
5.根据权利要求1所述一种基于特斯拉阀新型储热罐的火电机组调峰能力提升方法，其特征在于，所述步骤S4中特斯拉阀级数与机组调峰容量增量的关系为：
其中，其中Q初为燃料初始量，Q损为燃料损失量，Q用为燃料用量，M为正系数，N为负系数，Z级数为特斯拉阀级数，T为固定损失。
6.根据权利要求3所述一种基于特斯拉阀新型储热罐的火电机组调峰能力提升方法，其特征在于，所述配置储热前电热特性的公式为：
其中，Pmin为最小电功率；Pmax最大电功率；h为供热功率；Cv为进汽量不变时多抽取单位供热热量下发电功率的减小量；Cv1为最大电出力下对应值；Cv2为最小电出力下对应值；K为常数。
7.根据权利要求6所述一种基于特斯拉阀新型储热罐的火电机组调峰能力提升方法，其特征在于，所述配置储热后电热特性的公式为：
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