基于可调热源耦合蒸汽射流蓄热机组灵活调控系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于可调热源耦合蒸汽射流蓄热机组灵活调控系统及方法，该系统由可调热源供热系统、蓄热系统和调峰调频控制系统构成。调峰调频控制系统包括调峰调频控制器、电热负荷监测与预测装置、电负荷监测装置、热负荷监测装置、第一执行器、第二执行器；可调热源包括主蒸汽抽汽及汽轮机抽汽，二者可同时也可单独作为热源加热蓄热系统，采用可调热源提高了机组调峰调频能力，增加了机组灵活调控的裕度；调峰调频控制系统实时监测电负荷与热负荷，并对负荷波动进行预测，通过调整相应阀门开度迅速调整发电量与供热量，同时将白天富余的蒸汽送入蓄热水罐储存起来，夜间再将其送到热用户供热，使机组低负荷运行，从而实现机组的调峰调频功能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于可调热源耦合蒸汽射流蓄热机组灵活调控系统及方法。

背景技术

我国北方地区存在大量的热电联产机组，其“以热定电”的运行模式使得电出力和热出力存在强耦合关系，在冬季为了保证供热，电出力上下限受到严重制约，调峰能力仅为发电装机容量的10％左右，热电矛盾突出。

从汽轮机抽出蒸汽的量是有限的，如果热源仅为汽轮机抽汽，那么整个系统调峰调频会受到汽轮机抽汽量的限制，若通过设置可调热源，可以使整个系统调峰调频裕度增加，进而提高机组灵活性。

近年来，新能源发展迅速，开始大量接入电网，其具有的间歇性和波动性对电网的正常运行造成了不利影响，增加了电网的调峰调频压力。但传统机组受到本身技术及其相关安全运行规则的限制，导致电网调峰调频难度更大。若将机组全部更新换代成本巨大，因此对现有机组进行技术改造势在必行。

蓄热水罐是一种具有大规模蓄热能力的蓄热方式，可以利用其来提高机组的调峰能力。传统蓄热水罐通过换热器实现蒸汽加热冷水，换热效率低、系统复杂且热惯性大，仅适用于调峰，无法参与调频，在一定程度上限制了热水蓄热技术在热电解耦方面的应用。蒸汽射流凝结换热是将高速蒸汽直接射入过冷水中，快速被过冷水冷却凝结的换热方式。该过程换热系数很高，通常在MW/m

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于可调热源耦合蒸汽射流蓄热机组灵活调控系统及方法，将主蒸汽抽汽和汽轮机抽汽作为可调热源加热蓄热水罐，利用蓄热水罐蓄热能力大的特点实现机组快速调峰降负荷，并将热量以热水的形式储存在蓄热水罐内；在供热侧有需求时，将蓄热水罐内热水送出供热，实现热电解耦。同时，机组调峰调频控制系统实时检测并预测电负荷和热负荷的波动情况，并通过控制阀门开度，改变抽汽量大小，利用蒸汽浸没式射流凝结换热系数大的特点，实现主蒸汽抽汽和汽轮机抽汽热量的快速有效释放，进而实现机组快速调频。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于可调热源耦合蒸汽射流蓄热机组灵活调控系统，由可调热源供热系统、蓄热系统和调峰调频控制系统组成；可调热源供热系统包括锅炉1、主蒸汽管路2、主蒸汽抽汽管路3、主蒸汽抽汽阀门4、汽轮机5、蒸汽抽汽管路7和蒸汽抽汽阀门8；蓄热系统包括蓄热抽汽阀门9、蓄热水罐17、蒸汽浸没式射流凝结装置16和温度检测装置19；调峰调频控制系统包括调峰调频控制器12、电热负荷监测与预测装置13、电负荷检测装置14、热负荷监测装置15、第一执行器10和第二执行器11；

可调热源供热系统中锅炉1蒸汽出口连接主蒸汽管路2，主蒸汽管路2出口连接汽轮机5，主蒸汽管路2中间引出主蒸汽抽汽管路3，主蒸汽抽汽管路3连接主蒸汽抽汽阀门4入口，主蒸汽抽汽阀门4出口连接蒸汽抽汽管路7，汽轮机5连接蒸汽抽汽管路7，蒸汽抽汽管路7连接蒸汽抽汽阀门8入口，蒸汽抽汽阀门8出口分为两路，一路将抽汽直接供给工业用户，一路连接蓄热抽汽阀门9；

蓄热系统中蓄热抽汽阀门9出口连接蒸汽浸没式射流凝结装置16，通过调整蓄热抽汽阀门9的开度来调整蓄热抽汽量，蒸汽浸没式射流凝结装置16安装在蓄热水罐17内部；

调峰调频控制系统中电热负荷监测与预测装置13入口信号来自两路，一路来自电负荷监测装置14，另一路来自热负荷监测装置15，电热负荷监测与预测装置13将两路信号汇总并对电热负荷变换做出预测，再将信号输出到调峰调频控制系统12中，对发电量与供热量做出调整，调峰调频控制系统12出口信号分为两路，一路连接第一执行器10，另一路连接第二执行器11，第一执行器10连接蒸汽抽汽阀门8，第二执行器11连接供热抽汽阀门9。

所述的可调热源供热系统中热源来自主蒸汽抽汽和汽轮机抽汽，二者抽汽量由相应的阀门控制，抽汽比例由调峰调频控制系统控制。调峰调频控制系统实时监测并预测电负荷与热负荷波动，及时调整阀门开度，以满足电负荷与热负荷需求。

所述的可调热源供热系统相比于单一汽轮机抽汽供热，抽汽量更大，供热能力更强，对汽轮机负荷的调节能力也更强，机组调峰调频能力也更大。

所述的调峰调频控制系统实时监测并预测电负荷和热负荷的变化情况，实时调整蒸汽抽汽阀门8、蓄热抽汽阀门9、主蒸汽抽汽阀门4的开度，调整通过汽轮机、蓄热水罐和热用户的蒸汽量，进而改变发电量、储热量和供热量，使系统处于动态平衡的状态。

所述的蒸汽浸没式射流凝结装置16的换热系数可以达到MW/m

所述的基于可调热源耦合蒸汽射流蓄热机组灵活调控系统的调控方法，包括调峰和调频，调峰依靠蓄热水罐的大规模储热能力实现，通过将白天富余的热量利用蓄热水罐储存起来再在夜间释放，满足一部分供热需求，使机组低负荷运行；调频依靠蒸汽浸没式射流凝结装置16快速换热实现，将抽汽中的热量快速高效转移到蓄热水罐内，为持续大量抽汽提供了可能性，进而实现机组快速调频。

系统调峰依靠蓄热水罐17的大规模储热能力实现，过程为：机组在白天电负荷较高时，通过调峰调频控制系统控制蒸汽抽汽阀门8、蓄热抽汽阀门9、主蒸汽抽汽阀门4的开度，使机组在正常满足电负荷和热负荷的基础上，将富余的蒸汽引至蓄热水罐17中进行蓄热，机组在夜间电负荷较低时，通过调峰调频控制系统控制蓄热抽汽阀门9和主蒸汽抽汽阀门4关闭，将白天储存的热量以热水的形式释放出来满足热用户一部分供热需求，使机组低负荷运行，减少发电量，实现了机组的调峰；

系统调频依靠蒸汽浸没式射流凝结装置16的快速换热能力实现，过程为：通过调峰调频控制系统，实时监测并预测电负荷与发电量之间的关系，当发电量大于电负荷时，控制蒸汽抽汽阀门8和主蒸汽抽汽阀门4的开度增大，增加抽汽量，减少汽轮机蒸汽量，减小与汽轮机5连接的发电机6的有功功率；在白天蓄热过程中，蓄热抽汽阀门9的开度也增大，使机组对外供热量保持不变，蓄热蒸汽量增加；在夜间放热过程中，蓄热抽汽阀门保持关闭，减少蓄热水罐对外供热量；当发电量小于电负荷时，控制蒸汽抽汽阀门8和主蒸汽抽汽阀门4的开度减小，减小抽汽量，增大汽轮机蒸汽量，增大与汽轮机5连接的发电机6的有功功率；在白天蓄热过程中，蓄热抽汽阀门9的开度也减小，使机组对外供热量保持不变，蓄热蒸汽量减小；在夜间放热过程中，蓄热抽汽阀门保持关闭，增大蓄热水罐对外供热量。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1)本发明可调热源包括主蒸汽抽汽及汽轮机抽汽，二者可以同时作为热源加热蓄热系统，也可以单独作为热源加热蓄热系统，采用可调热源大大提高了机组的调峰调频能力，增加了机组灵活性调控的裕度；调峰调频控制系统实时监测电负荷与热负荷的变化，并对电负荷和热负荷的波动进行预测，提前做出反应，有效提高机组调峰调频的反应，通过调整主蒸汽抽汽阀门、蒸汽抽汽阀门和供热抽汽阀门的开度来迅速调整发电量与供热量，同时将白天富余的蒸汽送入蓄热水罐内储存起来，在夜间再将其送到热用户供热，使机组低负荷运行，从而实现机组的调峰调频功能。

2)所述的可调热源供热系统相比于单一汽轮机抽汽供热，抽汽量更大，供热能力更强，对汽轮机负荷的调节能力也更强，机组调峰调频能力也更大。

3)采用蓄热水罐蓄热，蓄热能力大，投资少，易于改造。

附图说明

图1为一种基于可调热源耦合蒸汽射流蓄热机组灵活调控系统的示意图。

图中：1-锅炉，2-主蒸汽管路，3-主蒸汽抽汽管路，4-汽轮机，5-蒸汽抽汽管路，6-发电机，7-蒸汽抽汽管路，8-蒸汽抽汽阀门，9-蓄热抽汽阀门，10-第一执行器，11-第二执行器，12-调峰调频控制器，13-电热负荷监测与预测装置，14-电负荷监测装置，15-热负荷监测装置，16-蒸汽浸没式射流凝结装置，17-蓄热水罐，18-上布水器，19-温度监测装置，20-下布水器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明的一种基于可调热源耦合蒸汽射流蓄热机组灵活调控系统，由可调热源供热系统、蓄热系统和调峰调频控制系统组成。可调热源供热系统包括锅炉1、主蒸汽管路2、主蒸汽抽汽管路3、主蒸汽抽汽阀门4、汽轮机5、蒸汽抽汽管路7、蒸汽抽汽阀门8；蓄热系统包括蓄热抽汽阀门9、蓄热水罐17、蒸汽浸没式射流凝结装置16、温度检测装置19；调峰调频控制系统包括调峰调频控制器12、电热负荷监测与预测装置13、电负荷检测装置14、热负荷监测装置15、第一执行器10、第二执行器11，其中：

可调热源供热系统中锅炉1蒸汽出口连接主蒸汽管路2，主蒸汽管路2出口连接汽轮机5，主蒸汽管路2中间引出主蒸汽抽汽管路3，主蒸汽抽汽管路3连接主蒸汽抽汽阀门4入口，主蒸汽抽汽阀门4出口连接蒸汽抽汽管路7，汽轮机5连接蒸汽抽汽管路7，蒸汽抽汽管路7连接蒸汽抽汽阀门8入口，蒸汽抽汽阀门8出口分为两路，一路将抽汽直接供给工业用户，一路连接蓄热抽汽阀门9；

蓄热系统中蓄热抽汽阀门9出口连接蒸汽浸没式射流凝结装置16，通过调整蓄热抽汽阀门9的开度来调整蓄热抽汽量，蒸汽浸没式射流凝结装置16安装在蓄热水罐17内部；

调峰调频控制系统中电热负荷监测与预测装置13入口信号来自两路，一路来自电负荷监测装置14，另一路来自热负荷监测装置15，电热负荷监测与预测装置13将两路信号汇总并对电热负荷变换做出预测，再将信号输出到调峰调频控制系统12中，对发电量与供热量做出调整，调峰调频控制系统12出口信号分为两路，一路连接第一执行器10，另一路连接第二执行器11，第一执行器10连接蒸汽抽汽阀门8，第二执行器11连接供热抽汽阀门9。

所述的可调热源供热系统中热源来自主蒸汽抽汽和汽轮机抽汽，二者抽汽量由相应的阀门控制，抽汽比例由调峰调频控制系统控制。调峰调频控制系统实时监测并预测电负荷与热负荷波动，及时调整阀门开度，以满足电负荷与热负荷需求。

所述的可调热源供热系统相比于单一汽轮机抽汽供热，抽汽量更大，供热能力更强，对汽轮机负荷的调节能力也更强，机组调峰调频能力也更大。

所述的调峰调频控制系统实时监测并预测电负荷和热负荷的变化情况，实时调整蒸汽抽汽阀门8、蓄热抽汽阀门9、主蒸汽抽汽阀门4的开度，调整通过汽轮机、蓄热水罐和热用户的蒸汽量，进而改变发电量、储热量和供热量，使系统处于动态平衡的状态。

所述的蒸汽浸没式射流凝结装置16，其换热系数可以达到MW/m

所述的一种基于可调热源耦合蒸汽射流蓄热机组灵活调控系统的调控方法，系统主要功能包括调峰和调频：调峰依靠蓄热水罐的大规模储热能力实现，过程为，机组在白天电负荷较高时，通过调峰调频控制系统控制蒸汽抽汽阀门8、蓄热抽汽阀门9、主蒸汽抽汽阀门4的开度，使机组在正常满足电负荷和热负荷的基础上，将富余的蒸汽引至蓄热水罐17中进行蓄热，机组在夜间电负荷较低时，通过调峰调频控制系统控制蓄热抽汽阀门9和主蒸汽抽汽阀门4关闭，将白天储存的热量以热水的形式释放出来满足热用户一部分供热需求，使机组低负荷运行，减少发电量，实现了机组的调峰；

调频依靠蒸汽浸没式凝结装置的快速换热能力实现，过程为，在白天蓄热过程中，通过调峰调频控制系统，实时监测并预测电负荷与发电量之间的关系，当发电量大于电负荷时，即频率过大时，控制蒸汽抽汽阀门8和主蒸汽抽汽阀门4的开度增大，增加抽汽量，减少汽轮机蒸汽量，减小与汽轮机5连接的发电机6的有功功率，蓄热抽汽阀门9的开度也增大，使机组对外供热量保持不变，蓄热蒸汽量增加；当发电量小于电负荷时，即频率过小时，控制蒸汽抽汽阀门8和主蒸汽阀门4的开度减小，减小抽汽量，增加汽轮机蒸汽量，增加发电机6的有功功率，同时，蓄热抽汽阀门9的开度也减小，使机组对外供热量保持不变，蓄热蒸汽量减小；利用蒸汽浸没式射流凝结换热将抽汽中的热量快速传递给蓄热水罐，实现了蓄热蒸汽热量的快速有效释放，为机组快速变负荷提供了可能性，进而实现机组的调频；

在夜间放热过程中，通过调峰调频控制系统，实时监测并预测电负荷与发电量之间的关系，当发电量大于电负荷，即频率过大时，控制蒸汽抽汽阀门8和主蒸汽抽汽阀门4的开度增大，增加抽汽量，减小发电机6的有功功率，此时，由于蓄热抽汽阀门9是关闭的，机组对外供热量增加，为了保证对外供热总量不变，减少蓄热水罐对外供热量；当发电量小于电负荷，即频率过小时，控制蒸汽抽汽阀门8和主蒸汽抽汽阀门4开度减小，减小抽汽量，增大发电机6的有功功率，此时，由于蓄热抽汽阀门9是关闭的，机组对外供热量减小，为了保证对外供热总量不变，增加蓄热水罐对外供热量。