说明书背压式热电机组用的热电联供型压缩空气储能系统及方法
技术领域
本发明属于清洁能源综合利用技术领域，涉及一种背压式热电机组用的热电联供型压缩 空气储能系统及方法。
背景技术
随着中国风电开发利用规模持续扩大，风电并网运行和市场消纳已成为制约风电发展的 重要因素。我国风电比较集中地三北地区，冬季夜间风速很大，但是夜间电负荷需求较低， 由于冬季供暖期为保证供热要求，热电联产机组多数运行在“以热定电”的模式，特别是对 于热电厂中大量存在的背压式热电机组，其输出热电比固定，难以参与调峰，造成低谷时严 重的弃风现象。
随着储能技术的发展，利用储能对风电进行“削峰填谷”，在夜间电负荷低谷时存储多余 的风电，在白天电负荷高峰时释放，已经成为提高风电的消纳能力的有效手段。特别是压缩 空气储能技术因其具有储能成本低、环境友好、无相变损耗的优点而成为近年来备受关注的 大规模储能技术。
文献《基于压缩空气储能的风电场功率调节及效益分析》提出了一种应用于风电场的压 缩空气储能技术，中国发明专利CN201210153370也提出一种能够用于风电场的串级压缩空气 储能系统，由于系统带有储热和回热装置，因此能够最大限度地减低系统对外界排放热量中 所含的有效能量，回收压缩机压缩过程中放出的热量，提高了系统的热效率。
中国发明专利CN201310614128提到一种风力发电、压缩空气储能、火力发电一体的发电 系统，该系统在用电低谷利用火电厂蒸汽推动压缩机压缩空气储能，高峰时刻膨胀发电同时 利用火电厂高温炉渣预热膨胀空气以提高系统效率。
但是上述的利用压缩空气储能提高风电消纳的方法都只涉及到单一的电能的存储，未能 够将储能和调节现有热电联产机组的热电比结合起来，以提高热电机组自身的调峰能力，减 少同等消纳风电下需要的储能容量。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种背压式热电机组用的热电联供型压缩空 气储能系统及方法，它具有解决冬季供热期间，热电联产机组运行与风电并网之间的矛盾而 导致的风电被迫大量弃风问题优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种背压式热电机组用的热电联供型压缩空气储能系统，包括：热电联产机组和绝热压 缩空气储能系统；
所述热电联产机组包括热电机组锅炉，所述热电机组锅炉的输出端分为两条支路，其中 一条支路通过汽轮机与热用户的输入端连接，另外一条支路通过热电机组减温减压阀与热用 户的输入端连接，所述汽轮机与发电机连接；所述用户的输出端通过第二汽水换热器与热电 机组锅炉的输入端连接；
所述绝热压缩空气储能系统包括依次连接的压缩机、第二汽水换热器、储气罐、第一汽 水换热器、透平膨胀设备、第一离合器、发电电动机、第二离合器，所述第二离合器与压缩 机连接；
所述热用户与第一汽水换热器并联，在热用户与第一汽水换热器的输入管道上还设有蒸 汽调节阀；
压缩空气储能系统和热电联产机组进行电能和热能的耦合：压缩空气储能系统压缩空气 储能时能够向热电联产机组供热，释放空气发电时能够吸收热电联产机组的热能。
所述压缩机输出高压高温空气经管路通过第二汽水换热器和热电机组锅炉的回水端进行 热交换，从而对供热回水在进入热电机组锅炉前加热。
所述第一汽水换热器连接进入透平膨胀设备前的高压空气管路和汽轮机的蒸汽输出管 路，从而能够利用汽轮机蒸汽热量加热进入透平膨胀设备前的气体。
一种背压式热电机组用的热电联供型压缩空气储能系统调节方法：
当电网负荷处于低谷而风电发电处于高峰时刻，压缩空气储能处于压缩储能模式，将部 分风电能转换为高压空气能存储；同时压缩过程中产生的高压高温空气经过第二汽水换热器 后对供热管道的回水通路进行加热，以此减少热联机组汽轮机端需要输出的热量，从而热联 机组汽轮机为风电提供额外的上网空间；
当电网负荷高峰而风电功率处于低谷时，储气罐释放高压空气膨胀发电，同时膨胀过程 中高压气体通过第一汽水换热器吸收热电机组汽轮机的热量并将其转换为电能，从而热电联 产机组输出电能用于调峰。
一种背压式热电机组用的热电联供型压缩空气储能系统调节方法，包括如下步骤：
步骤(1)：获取下一个调度时间段T内的风电预测输出功率、热负荷需求预测数据和电 负荷需求预测数据；
步骤(2)：根据t时刻背压式热电机组的煤耗量、t时刻消纳的风电功率等效煤耗量和压 缩空气储能系统t时刻等效耗能来设置系统目标函数；
步骤(3)：设置约束条件，根据步骤(2)的系统目标函数和约束条件，求解出任意时刻 绝热压缩空气储能系统和热电联产机组最优输出功率；所述约束条件包括电负荷平衡约束、 热负荷平衡约束、热电联产机组处理约束、机组爬坡速率约束以及绝热压缩空气储能系统容 量约束。
所述步骤(2)的步骤为：
对于背压式热电联产机组的供热煤耗量表示为发电功率的二次形式：
C 1 ( i , t ) = a i ( P e 1 , i t ) 2 + b i p e 1 , i t + c i - - - ( 1 ) ; ]]>
式中：C1(i,t)表示t时刻背压式热电机组的煤耗量，ai、bi、ci为背压式热电机组i的煤 耗系数；为第i台背压式热电机组在t时刻的发电功率；
消纳的风电部分无需消耗燃料，所以t时刻消纳风电消耗的等效煤耗量C2(t)为
C2(t)＝0 (2)；
绝热压缩空气储能系统工作过程中不可避免的造成损耗，设绝热压缩空气储能系统储能 效率为η，则压缩空气储能系统t时刻等效耗能C3(t)为：
C 3 ( t ) = ( 1 - η ) C ave p e 3 t - - - ( 3 ) ]]>
式中Cave为整个系统单位功率平均能耗，为绝热压缩空气储能系统在t时刻的发电 功率；
pe1表示背压热电机组发电功率，pe2表示消纳的风电功率，pe3表示压缩空气储能系统发 电功率；
综上，建立系统目标函数为：
C ( t ) = Σ t = 1 T { Σ i = 1 n C 1 ( i , t ) p e 1 , i t + C 2 ( t ) p e 2 t + C 3 ( t ) p e 3 t } - - - ( 4 ) ]]>
其中，C(t)为整个系统的总煤耗量，C1(i,t)表示t时刻背压式热电机组的煤耗量，C2(t)为 t时刻消纳的风电功率等效煤耗量，C3(t)为压缩空气储能系统t时刻等效耗能，表示第i台 热电机组在t时刻的电功率，表示在t时刻消纳的风电电功率，表示压缩空气储能系 统t时刻的电功率。
所述步骤(3)的电负荷平衡约束和热负荷平衡约束：
Σ i = 1 n P e 1 , i t + P e 2 t + P e 3 t = P De t P h 1 , i t + c v p e 3 t ≥ P Dh t - - - ( 5 ) ]]>
式中为t时刻等效电负荷功率,为t时刻热负荷功率，cv为绝热压缩空气储能系 统热电比。
所述步骤(3)的热电联产机组出力约束：
P e 1 , i t = c m P h , i t + K i P e 1 , min , i ≤ P e 1 , i t ≤ P e 1 , max , i - - - ( 6 ) ]]>
其中，cm表示热电联产机组的热电比，Ki为常数，Pe1,min,i为热电联产机组i最小有功出 力，Pe1,max,i分别为热电联产机组i最大有功出力。
所述步骤(3)的机组爬坡速率约束：
P i t - P i t - 1 ≤ P up , i P i t - 1 - p i t ≤ P down , i - - - ( 7 ) ]]>
Pup,i为热电联产机组i向上爬坡速率约束，Pdown,i为热电联产机组i向下爬坡速率约束。
所述步骤(3)的绝热压缩空气储能系统容量约束：
Σ t = 1 n p e 3 t ≤ S - - - ( 8 ) ]]>
式中n≤T，S为储能额定容量；
根据目标函数和约束条件，求解出任意时刻绝热压缩空气储能系统和热电联产机组最优 输出功率。
本发明的有益效果：
1压缩空气储能和热电联产机组结合，压缩存储电能的将压缩空气产生的热能注入供热 管道，从而减少热电联产机组的供热功率，为风电上网释放更多的调峰空间。同理在用电高 峰时期，压缩空气通过透平设备膨胀发电，同时吸收热电联产机组多余的热能并将其转换为 电能。相对于传统的单一的电储能的压缩空气储能系统，本发明所述的与热电联产热电耦合 的压缩空气储能系统一方面可以自身的电能储能容量为风电提供上网空间，令一方面通过热 电耦合辅助调整热电机组输出热电比，从而热电联产机组能够进一步为风电上网提供调峰空 间。因此同样调峰效果下，系统所需的储能容量会小于单独电能存储的方案。
2本发明提出一种热电机组和压缩空气储能组成的热电联产机组，在完成电能存储释放 的同时利用压缩空气储能和释能过程的热量变化，协助调节背压式机组的热电输出比例，提 高其自身调峰能力。相对于传统的单一的电能存储模式的压缩空气储能系统，在相同的储能 容量下，本发明提出的系统能够提供更大的风电消纳空间。
该方法在绝热压缩空气储能系统进行电能存储的同时利用空气压缩膨胀吸收释放的热量 调节热电联产机组输出热电比，从而提高整个系统的风电上网空间。
3本发明最大的创新点是改进了现有压缩空气储能系统，使之在同样容量下能够提供更 大的电网上网空间：
3.1、对于目前已经有的压缩空气储能系统，压缩过程中会产生热量，膨胀过程需要吸收 热量，常规的处理方法是采用热水储热罐进行存储，例如发明专利201210153370.X，这样造 成需要额外增加储热装置。
3.2、本发明的目的是将压缩空气储能和背压式热电联产机组结合，无需蓄热器进行热存 储，而是在压缩时将压缩热量直接供给供热管道以释放热电机组的调峰空间，膨胀时吸收供 热管道多余热量。因此对于传统的压缩空气储能系统，本发明无需蓄热装置，同时在同样容 量下，由于采用热电联合调度，调峰空间更大。
3.3、本发明采用压缩空气储能技术，是一种双向的能量存储转换技术，即电能可以转换 为压缩空气能，而在用电高峰压缩空气能同样可以转换为电能，而现有技术的热或者冷蓄能 在调度过程中不能转换为电能，特别是在用电高峰时期，蓄冷蓄热无法提高系统的发电量， 而压缩空气储能则可以通过膨胀发电提供电能，因此蓄热蓄冷的调度范围灵活性比本发明不 足。
3.4、与蓄冷蓄热相比，本发明的调度方法也不同，例如专利CN00134616中，是在用中 午电高峰时刻，蓄热器工作储能，而本发明则相反，在用电低谷时刻，压缩空气储能系统进 行储能。而在用电高峰期，压缩空气储能系统释放能量。
目前的文献和专利已经有将压缩空气储能应用与风电调峰中，也有通过背压式机组热电 联产调度对风电进行调峰消纳，但是利用压缩空气储能过程中的释放和吸收的热量与热电联 产机组结合，通过利用压缩储能热量在储能的同时调节热电机组热电比进一步提高联产系统 消纳风电能力，本发明是首次提出。
附图说明
图1是本发明的压缩空气储能系统与背压式热电机组结合系统结构图；
图2是热电联产机组于压缩空气储能、风电联合调度原理；
1为热电机组锅炉；2压缩机；3发电电动机；4第一离合器；5透平膨胀设备；6汽轮机； 7热电机组减温减压阀；8蒸汽调节阀；9第一汽水换热器；10高压空气节流阀；11储气罐； 12第二汽水换热器。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
在含有风电的储能系统经济调度中，弃风量最小、运行成本最低是常见的调度模式，本 发明以满足用户热、电需求条件下系统运行过程中整体煤耗量最小为目标函数，对储能系统 及热电机组进行调度。
一种背压式热电机组用的热电联供型压缩空气储能系统，包括：热电联产机组和绝热压 缩空气储能系统；
所述热电联产机组包括热电机组锅炉1，所述热电机组锅炉的输出端分为两条支路，其 中一条支路通过汽轮机6与热用户的输入端连接，另外一条支路通过热电机组减温减压阀7 与热用户的输入端连接，所述汽轮机与发电机连接；所述用户的输出端通过第二汽水换热器 12与热电机组锅炉的输入端连接；
所述绝热压缩空气储能系统包括依次连接的压缩机2、第二汽水换热器、储气罐11、第 一汽水换热器9、透平膨胀设备5、第一离合器4、发电电动机3、第二离合器，所述第二离 合器与压缩机连接；
所述热用户与第一汽水换热器并联，在热用户与第一汽水换热器的输入管道上还设有蒸 汽调节阀8；
压缩空气储能系统和热电联产机组进行电能和热能的耦合：压缩空气储能系统压缩空气 储能时能够向热电联产机组供热，释放空气发电时能够吸收热电联产机组的热能。
所述压缩机输出高压高温空气经管路通过第二汽水换热器和热电机组锅炉的回水端进行 热交换，从而对供热回水在进入热电机组锅炉前加热。
所述第一汽水换热器连接进入透平膨胀设备前的高压空气管路和汽轮机的蒸汽输出管 路，从而能够利用汽轮机蒸汽热量加热进入透平膨胀设备前的气体。
所述储气罐的输出管路上设有高压空气节流阀10。
一种背压式热电机组用的热电联供型压缩空气储能系统调节方法，包括如下步骤：
步骤(1)：获取下一个调度时间段T内的风电预测输出功率、热负荷需求预测数据和电 负荷需求预测数据；
步骤(2)：设置目标函数：
对于背压式热电联产机组，由于其供热量来自汽轮机发电后排出的乏力蒸汽，无需额外 消耗燃料，因此其供热其煤耗量Cc可以表示为发电功率的二次形式：
C 1 ( i , t ) = a i ( P e 1 , i t ) 2 + b i p e 1 , i t + c i ]]>
式中：其中，ai、bi、ci为机组i的煤耗系数；为机组i在t时刻的发电功率。
系统消纳的风电功率无需消耗燃料，所以其等效煤耗量C2(t)＝0
压缩空气储能系统工作过程中不可避免的造成损耗，设其储能效率为η，则储能系统等 效耗能可以表示为：
C 3 ( t ) = ( 1 - η ) C ave p e 3 t ]]>
式中Cave为系统单位功率平均能耗，为储能系统在t时刻的发电功率。
综合可以建立系统目标函数为：
C ( t ) = Σ t = 1 T { Σ i = 1 n C 1 ( i , t ) p e 1 , i t + C 2 ( t ) p e 2 t + C 3 ( t ) p e 3 t } ]]>
步骤(3)：设置约束条件:
电、热平衡约束
Σ i ∈ N P e 1 , i t + P e 2 t + P e 3 t = P De t P h , i t + c v p e 2 t ≥ P Dh t ]]>
式中为t时刻电、热负荷功率，cv为储能系统热电比。
热电机组出力约束：
P e 1 , i t = c m P h , i t + K i P e 1 , min , i ≤ P e 1 , i t ≤ P e 1 , max , i ]]>
式中cm表示热电机组的热电比，Ki为常数。Pe1,min,i、Pe1,max,i分别为机组i最小、最大有功 出力。
机组爬坡速率约束：
P i t - P i t - 1 ≤ P up , i P i t - 1 - p i t ≤ P down , i ]]>
Pup,i、Pdown,i分别为机组i向上、向下爬坡速率约束
储能装置容量约束：
Σ t = 1 n p e 3 t ≤ S ]]>
式中n<＝T，S为储能额定容量。
根据目标函数和约束条件，可以求解出任意时刻储能系统和热电机组最优输出功率。
相对于单纯的非热电联供压缩空气储能系统，相同的储能容量下，本发明可以提供更大 的风电上网空间，以下以同样储气容积为V的压缩空气储能系统从气压P1压缩到P2过程为例， 对比非热电联供压缩空气储能系统和本发明提出的热电联供压缩空气储能系统所能提供的风 电上网空间。
对于非热电联供压缩空气储能系统，可以提供的风电上网空间为wcom
w com = 1 η Vr r - 1 [ p 0 - k 1 k + 1 ( p 2 k + 1 - p 1 k + 1 ) - ( p 2 - p 1 ) ] ]]>
式中:γ为比热容比,η为压缩储能系统总效率,V表示储气罐体积，p0为环境压 力,T0为环境温度，cp为空气的定压比热容，p1表示压缩过程中储气罐压力变化前的压力，p2表示压缩过程中储气罐压力变化后的压力。
同样条件下，本发明提出的热电联产压缩储能系统除了提供wcom的电能上网空间外，压缩过 程中经第二汽水换热器12提供给供热管道的热量Qc：
Q c = ϵp 0 V γ γ - 1 [ 1 k + 1 ( p 2 k + 1 - p 1 k + 1 ) - ( p 2 - p 1 ) ] ]]>
式中：ε为换热器效率。
压缩过程中，通过利用压缩空气热能供热，热电机组可以减少Qc的供热量，因此可为风 电提供额外的上网空间wHP：
wHP＝Qc/cm
式中，cm为热点机组的背压热电比。因此加入本发明提出的热电联供压缩空气储能系统 总共提供的风电上网空间为wHP+wcom，大于非热电联供压缩空气储能系统的wcom。
图2是热电联产机组与压缩空气储能系统结合调峰过程的示意图。一天中热负荷基本不 变，而电网负荷和风电随时间有明显的峰谷变化。在夜间时电网负荷处于谷底，风电输出功 率却处于高峰，系统实际的电热比明显小于热电机组自身的热电比。此时压缩机工作，消耗 多余电能同时释放热量，减少热电机组需要输出的热量，热电机组输出的电量同时也可以减 少，为风电上网提供空间。在中午用电高峰期，风机输出的电能处于谷底，系统需求的电热 比大于热电机组自身的调节范围，此时高压气体通过膨胀机发电，同时吸收的热能。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。