一种供热机组储热罐辅助供热的控制方法与流程

本发明涉及供热机组热电解耦技术领域，特别是涉及供热机组储热罐辅助供热的控制方法。

背景技术：

近年来，我国新能源电力增长速度惊人，但是弃风弃光现象严重，尤其在我国的东北地区，供热季风电的消纳问题尤为突出，其主要原因在于我国东北地区水电、纯凝式机组等可参与深度调峰的电源稀缺，而供热机组需兼顾热用户的热负荷需求，导致机组在夜间电负荷需求低谷时段的强迫出力过高，使得风电的上网空间不足。显然，若在“风电过剩”时段，解除供热机组“以热定电”的约束，降低机组在电负荷需求低谷时段因保证供热而产生的强迫出力，将为风电腾出巨大的上网空间。因此，实现供热机组的热电解耦控制是解决我国东北地区风电消纳问题的重要途径。

目前，可实现供热机组热电解耦的主流方法有旁路补偿供热法、电加热补偿供热法、储热补偿供热法等。其中，储热补偿供热法是利用热用户热负荷需求的昼夜差异平移热负荷，在白天，当供热抽汽的供热能力能够满足热网热负荷需求并有富裕时，对储热罐进行储热，在夜晚，当供热抽汽量不足以满足热网热负荷需求时，启动储热罐对外放热来补偿机组参与深度调峰时供热抽汽能力不足的部分；这种辅助供热手段一次性投资成本大，但具有较高的运行经济性。

因此希望有一种供热机组储热罐辅助供热的控制方法能有效解决现有技术中存在的问题。

技术实现要素：

本发明公开了一种供热机组储热罐辅助供热的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1：基于储热罐进出水的质量平衡方程，建立储热罐液位模型；

步骤2：基于热水流量和冷水流量构建储热罐斜温层位置模型；

步骤3：根据储热罐储放热流程，进行供热机组储热罐辅助供热控制。

优选地,所述步骤1的储热罐液位模型的微分方程形式为：

其中，h为储热罐液位；c为储热罐的容量系数；qin为储热罐进水流量；qout为储热罐出水流量。

优选地,当储热罐处于储热过程时，qin为储热罐热水进水流量，qin＝k2u2；当储热罐处于放热过程时qin为储热罐冷水进水流量，qin＝k3d3，其中u2、d3分别表示第一阀门2开度以及泵类型3的频率，k2、k3分别是其开度相对应的流量系数。

优选地,当储热罐处于储热过程时，qout为储热罐冷水出水流量，qout＝k3d3；当储热罐处于放热过程时，qout为储热罐热水出水流量，qout＝k8u8，

其中u8、d3分别表示第二阀门8的开度以及泵类型3的频率，k8、k3分别是其开度相对应的流量系数。

优选地，所述步骤2的储热罐斜温层位置模型的微分方程形式为：

其中，hlayer为斜温层高度；qcold为冷水进水流量，当储热罐处于放热过程时，qcold为第二阀门8进冷水流量，qcold＝k8u8；当储热罐处于放热过程时，qcold为负的泵类型3的出冷水流量，qcold＝k3d3，其中u8、d3分别表示第二阀门的开度以及泵类型3的频率，k8、k3分别是其开度相对应的流量系数。

优选地,所述步骤3进一步包括以下步骤：

步骤3.1：储热罐功率设定值计算模块根据所接受到的储放热功率设定值、储放热允许条件实时计算并给出储热罐出水流量的设定值和储热罐的运行状态；

步骤3.2：储热罐液位设定值和实际液位的偏差被送入抗积分饱和pid，经限速限幅后送入调节器指令分配模块，由来自储热罐功率设定值计算模块的储热罐运行状态决定将其分配给第一阀门2或第二阀门8，从而产生补水流量以维持储热罐的液位水平。

本发明公开的供热机组储热罐辅助供热的控制方法包括以下有益效果：

1.通过储热罐进出水质量平衡，建立的储热罐液位模型结构简单，便于实验室模拟，能够为实际工程应用提供参考；

2.通过热水流量和冷水流量构建储热罐斜温层位置模型能够及时反映斜温层的中心位置，能够为实际储放热决策提供参考；

3.提出的供热机组储热罐辅助供热控制方法能够实现储热罐储放热过程自动控制，具有一定的工程应用价值。

附图说明

图1是储热罐储放热流程示意图。

图2是储热罐辅助供热控制逻辑示意图。

图3是储热罐液位及斜温层位置仿真图。

图4是储热罐储放热过程仿真图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

如图1所示，阀门1为储热罐系统热水进出水管道电动门；阀门2为储热罐热水进水电动调节门；阀门3为储热罐热水进出水电动门；阀门4为储热罐热水出水电动门；阀门5为蓄放热泵组热水出水管道电动门；阀门6为储热罐冷水进出水电动门；阀门7为储热罐冷水出水电动门；阀门8为储热罐冷水进水电动调节门；阀门9为蓄放热泵组冷水出水管道电动门；阀门10为储热罐与老厂热网首站联络管电动门；泵类型1为热网首站供水泵；泵类型2为热泵机组供水泵；泵类型3蓄放热泵。

储热阶段：阀门1、2、3打开，热水从热网首站流入储热罐；阀门6、7、9、10打开，冷水从储热罐流入热泵机组；阀门4、5、8关闭。

放热阶段：阀门3、4、5、1打开，热水从储热罐流入供水母管；阀门10、8、6打开，冷水从回水母管流入储热罐；阀门2、7、9关闭。

保温阶段：阀门1-10全部关闭，泵类型3停运。

所涉及阀门中，阀门2和阀门8为调门，其它为电动门。三种类型泵均为变频泵，其作用分别为：

泵类型1：热网首站供水泵；

泵类型2：热泵机组供水泵，提供储热罐补冷水压力；

泵类型3：储热阶段将储热罐中冷水排出，放热阶段将储热罐中热水排出。

基于储热罐进出水质量平衡建立的储热罐液位模型如下：

其中，h为储热罐液位，m；c为储热罐的容量系数；qin为储热罐进水流量，t/h；当储热罐处于储热过程时，qin为储热罐热水进水流量，qin＝k2u2，

当储热罐处于放热过程时，qin为储热罐冷水进水流量，qin＝k3d3；qout为储热罐出水流量t/h；当储热罐处于储热过程时，qout为储热罐冷水出水流量，qout＝k3d3；当储热罐处于放热过程时，qout为储热罐热水出水流量，qout＝k8u8；其中，u2、u8、d3分别表示阀门2和阀门8的开度以及泵类型3的频率，k2、k3、k8分别是其相对应的开度-流量系数。

建立的储热罐斜温层位置模型如下：

其中，hlayer为斜温层高度，m；qcold为冷水进水流量，当储热罐处于放热过程时，qcold为阀门8进冷水流量，qcold＝k8u8；当储热罐处于放热过程时，qcold为负的泵类型3的出冷水流量，qcold＝k3d3。

如图2所示，所提出的储热罐辅助供热控制方法包含2个控制回路，分别调节储热罐的储放热功率和液位；涉及3个执行机构，分别是阀门2、阀门8和泵类型3，具体执行过程如下：

第一步，储热罐功率设定值计算模块根据所接受到的储放热功率设定值、储放热允许条件实时计算并给出储热罐出水流量的设定值和储热罐的运行状态。其中，储热罐出水流量设定值和泵类型3实际流量反馈值的偏差被送入pid实时调节储热罐的储放热功率；储热罐的运行状态送入调节器指令分配模块，根据储热罐的储热、放热、停止状态，决定阀门2和阀门8的投运状态；

第二步，储热罐液位设定值和实际液位的偏差被送入抗积分饱和pid，经限速限幅后送入调节器指令分配模块，由来自储热罐功率设定值计算模块的储热罐运行状态决定将其分配给阀门2或阀门8，从而产生补水流量以维持储热罐的液位水平。

为了便于仿真验证，本发明专利将阀门开度u2、u8和泵的频率d3标幺化至0-1，将开度/频率-流量系数k2、k3、k8进行标幺化1，依托我国某电厂储热罐主要设计参数确定储热罐的动静态参数。

表1热水储热罐主要设计参数

由表1可见，储热罐的罐体直径为26m，由此可计算储罐横截面积为530.93m2，储热罐的横截面积实际上就是储热罐的容量系数，即令c＝530.93；同时，令储热罐初始液位为48.6m；斜温层的初始位置为24.3m。

如图3和图4所示具体仿真结果，在放热起始阶段，储热罐液位下降后迅速恢复，这是由于储热罐放热启动过程中，泵类型3启动后储热罐液位调节回路动作，故液位存在偏差时才进行调节，放热结束后进入稳态时，储热罐液位略高于其设定值，这是由于储热罐泵类型3停止后液位调节回路才动作；在放热过程的起始阶段和稳态阶段均存在这样的现象，但这并不影响其工程应用的价值。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。