面向电厂调峰的CO2热泵-卡诺电池耦合系统及控制方法

本发明属于热泵储能与火力发电，特别涉及一种面向电厂调峰的co2热泵-卡诺电池耦合系统及控制方法。

背景技术：

1、由于电网消纳能力有限，电力市场出现供需阶段性失衡，电价可能降至低电价甚至零电价。对于传统火电机组而言，若在低电价或零电价时段继续保持发电运行，易导致机组运行经济性下降。储热技术作为一种有效的能量时移手段，能够将低电价时段的富余电能进行高效存储，并在高电价时段释放利用，成为提高火电机组灵活调峰能力和运行经济性的关键技术。

2、熔盐储热是目前最常见的火电机组储热方式之一，具有系统结构简单、控制方便、储热效率较高等优点，该方式通过电加热并结合从蒸汽动力循环回路抽取的高温蒸汽对储热系统供热，但驱动储热进行所需耗电量较大，难以充分发挥低电价时段富余电能的储能价值。

3、热泵技术是一种利用少量电能驱动压缩机，将低品位热能提升为高品位热能的高效能源转换技术，是改善储热系统热源供应的有效途径；将热泵技术应用于火电机组储热系统以代替传统电加热方式，并结合现有抽汽供热方式共同为储热系统供热，能够大大减小系统能耗，从而进一步提高储热效率和系统能源利用率。然而，现有方案中热泵储热系统多采用独立运行方式，与火电机组蒸汽动力循环耦合程度较低，导致抽汽热能及余热资源未能实现协同利用。为此，亟需新的技术方案，以将蒸汽动力循环、热泵系统与储热系统深度耦合，提高火电机组的灵活调峰能力、运行经济性及能源综合利用效率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种面向电厂调峰的co2热泵-卡诺电池耦合系统及控制方法，以解决现有储热技术电加热能耗高、热泵与蒸汽循环耦合度低导致余热及抽汽热能难以协同利用的技术问题。本发明公开的技术方案，以co2热泵替代电加热，耦合排汽余热回收与抽汽供热，可提高火电机组调峰经济性与能源利用效率。另外，针对现有技术缺少电价响应调控手段的问题，本发明还公开了基于综合风险势函数的控制方法，以实时电价判据实现发电与储热模式自适应切换，并对运行参数动态优化，保证了高效稳定运行。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明第一方面，提供一种面向电厂调峰的co2热泵-卡诺电池耦合系统，包括：动力循环回路、储热回路、热泵回路、释热回路、热泵低温热源回路和抽汽支路；其中，

4、所述动力循环回路包括：锅炉、汽轮机高压缸、汽轮机中压缸、汽轮机低压缸、冷凝器、低压给水加热器、除氧器和高压给水加热器；其中，锅炉的蒸汽出口经第一电磁阀依次连通汽轮机高压缸、锅炉的再热器、汽轮机中压缸、汽轮机低压缸和冷凝器的蒸汽进口，冷凝器的凝结水出口经低压给水加热器和除氧器后，经第二电磁阀连通高压给水加热器并返回锅炉的给水进口；

5、所述储热回路包括：低温储热介质储罐、第一换热器、第二换热器、高温储热介质储罐和第三换热器；其中，低温储热介质储罐的储热介质出口依次经第一换热器的储热介质通道、第二换热器的储热介质通道与高温储热介质储罐的储热介质进口相连通，高温储热介质储罐的储热介质出口经第三电磁阀、第三换热器的储热介质通道与低温储热介质储罐的储热介质进口相连通；

6、所述热泵回路包括：压缩机、膨胀机、第一换热器和第四换热器；其中，压缩机的热泵工质出口依次经第一换热器的热泵工质通道、膨胀机、第四换热器的热泵工质通道与压缩机的热泵工质进口相连通；

7、所述释热回路由除氧器的给水出口与第二电磁阀之间的管路引出，经第四电磁阀、第三换热器的给水通道后返回第二电磁阀与高压给水加热器的给水进口之间的管路；

8、所述热泵低温热源回路由汽轮机低压缸的蒸汽出口与冷凝器的蒸汽进口之间的管路引出，经第五电磁阀、第四换热器的低温热源通道后返回冷凝器的蒸汽进口与低压给水加热器的给水进口之间的管路；

9、所述抽汽支路由锅炉的蒸汽出口与汽轮机高压缸的蒸汽进口之间的管路引出，经第六电磁阀、第二换热器的蒸汽通道后接至抽汽支路出口。

10、本发明技术方案的进一步改进在于，

11、汽轮机高压缸的抽汽出口连接高压给水加热器的加热蒸汽进口；

12、汽轮机中压缸的抽汽出口分别连接低压给水加热器的加热蒸汽进口、除氧器的加热蒸汽进口和高压给水加热器的加热蒸汽进口；

13、汽轮机低压缸的抽汽出口连接低压给水加热器的加热蒸汽进口。

14、本发明技术方案的进一步改进在于，还包括：

15、第一循环泵，用于设置在冷凝器的凝结水出口与低压给水加热器的给水进口之间的连通管路；

16、第二循环泵，用于设置在除氧器的给水出口与高压给水加热器的给水进口之间的连通管路；

17、第三循环泵，用于设置在低温储热介质储罐的储热介质出口与第一换热器的储热介质进口之间的连通管路；

18、第四循环泵，用于设置在第三电磁阀与第三换热器的储热介质进口之间的连通管路；

19、第五循环泵，用于设置在第五电磁阀与第四换热器的低温热源进口之间的连通管路；

20、第六循环泵，用于设置在第六电磁阀与第二换热器的蒸汽进口之间的连通管路。

21、本发明技术方案的进一步改进在于，采用的储热介质为熔盐。

22、本发明第二方面，提供一种面向电厂调峰的co2热泵-卡诺电池耦合系统的控制方法，应用于本发明第一方面中任一项所述的面向电厂调峰的co2热泵-卡诺电池耦合系统，包括：

23、获取电网的实时电价，并与预设的高电价阈值

ph和低电价阈值

pl进行比较，若实时电价高于高电价阈值

ph则系统进入发电模式，若实时电价低于低电价阈值

pl则系统进入储热模式；

24、其中，所述发电模式中，关闭抽汽支路和热泵回路，开启释热回路，储热介质经第三换热器释放热量加热机组给水；所述储热模式中，开启抽汽支路和热泵回路，关闭释热回路，锅炉的蒸汽出口引出高温蒸汽经第二换热器加热储热介质，且汽轮机低压缸的排汽余热经第四换热器由热泵工质吸收后，再由热泵工质经第一换热器加热储热介质。

25、本发明技术方案的进一步改进在于，在系统运行过程中，以高温储热介质温度、汽轮机输出功率、锅炉入口给水温度和压缩机功率构成状态变量矩阵，以抽汽流量、压缩机功率、储热介质循环流量和锅炉输入功率构成控制变量矩阵，构建综合风险势函数；通过求解使综合风险势函数最小化的动态优化模型，获得最优控制变量；将所述最优控制变量作为设定值下发至各执行机构，对抽汽流量、压缩机功率、储热介质循环流量和锅炉输入功率进行协调控制，使系统各状态变量趋近各自目标值，并将状态变量偏差反馈至所述动态优化模型参与下一控制周期的迭代计算；

26、其中，所述动态优化模型表示为：

27、；

28、；

29、式中，为最优控制变量矩阵；为综合风险势函数；为状态变量矩阵；为控制变量矩阵；为系统在下一时刻t+1的状态变量矩阵，为系统在时刻t的状态变量矩阵，为时刻t的控制变量矩阵；为系统状态转移函数；、分别为状态变量的下限、上限约束矩阵；、分别为控制变量的下限、上限约束矩阵；

30、；

31、式中，为状态变量风险权重矩阵；为状态偏差惩罚矩阵；为归一化偏差矩阵。

32、本发明技术方案的进一步改进在于，

33、；

34、式中，为对角缩放矩阵d的逆矩阵，用于将各状态变量的偏差量纲统一归一化到无量纲范围；为状态变量目标参考值矩阵；分别为高温储热介质允许运行温度上限、下限/k；为汽轮机额定输出功率/kw；为锅炉入口给水额定温度/k；为压缩机额定功率/kw；为高温储热介质实时温度/k；为高温储热介质目标温度/k；为汽轮机实时输出功率/kw；为汽轮机目标输出功率/kw；为锅炉入口实时给水温度/k；为锅炉入口目标给水温度/k；为压缩机实时输出功率/kw；为压缩机目标输出功率/kw；

35、；

36、式中，、、、依次分别为高温储热介质温度偏差的风险权重系数、汽轮机输出功率偏差的风险权重系数、锅炉入口给水温度偏差的风险权重系数、压缩机功率偏差的风险权重系数；

37、；

38、式中，、、、依次分别为高温储热介质温度偏差的惩罚系数、汽轮机输出功率偏差的惩罚系数、锅炉入口给水温度偏差的惩罚系数、压缩机功率偏差的惩罚系数。

39、本发明技术方案的进一步改进在于，所述发电模式中，以综合风险势函数优化得到的最优发电功率与机组实时输出功率的差值作为误差信号，采用pid控制器调节锅炉输入功率，控制方程为：

40、；

41、式中，为当前周期的锅炉输入功率/kw；为上一周期的锅炉输入功率/kw；为比例增益系数，为当前控制周期与上一控制周期的功率偏差一阶差分；为积分增益系数，为当前控制周期的功率偏差信号；为微分增益系数，为当前控制周期功率偏差的二阶差分；k为计算次数；

42、以优化得到的最优给水温度与实际给水温度的差值作为误差信号，采用pid控制器调节第三电磁阀开度以调节高温储热介质流量，控制方程为：

43、；

44、式中，为当前控制周期的第三电磁阀开度；为上一控制周期的第三电磁阀开度；为比例增益系数，为当前控制周期给水温度偏差的一阶差分；为积分增益系数，为当前控制周期的给水温度偏差信号；为微分增益系数，为当前控制周期给水温度偏差的二阶差分。

45、本发明技术方案的进一步改进在于，所述储热模式中，以综合风险势函数优化得到的最优发电功率与机组实时输出功率的差值作为误差信号，采用pid控制器调节第六电磁阀开度以调节抽汽流量，控制方程为：

46、（10）

47、式中，为当前控制周期的第六电磁阀的开度；为上一控制周期的第六电磁阀开度；为比例增益系数，为当前控制周期抽汽偏差信号的一阶差分；为积分增益系数，为当前控制周期的抽汽偏差信号；为微分增益系数，为当前控制周期抽汽偏差信号的二阶差分；k为计算次数；

48、以优化得到的最优高温储热介质温度与实时温度的差值作为误差信号，采用pid控制器调节压缩机转速，控制方程为：

49、；

50、式中，为当前控制周期的压缩机转速/r·min-¹，用于控制储热介质温度；为上一控制周期的压缩机转速/r·min-¹；为比例增益系数，为当前控制周期储热介质温度偏差信号的一阶差分；为积分增益系数，为当前控制周期的储热介质温度偏差信号；为微分增益系数，为当前控制周期储热介质温度偏差信号的二阶差分；k为计算次数；

51、以优化得到的最优压缩机功率与实时功率的差值作为误差信号，采用pid控制器调节压缩机转速，控制方程为：

52、；

53、式中，为当前控制周期的压缩机转速/r·min-¹，用于控制压缩机功率；为上一控制周期的压缩机转速/r·min-¹；为比例增益系数，为当前控制周期压缩机功率偏差信号的一阶差分；为积分增益系数，为当前控制周期的压缩机功率偏差信号；为微分增益系数，为当前控制周期压缩机功率偏差信号的二阶差分；

54、其中，压缩机最终执行转速以为基准，当所对应的压缩机功率偏离风险势函数计算所得最优值时，以对转速进行修正。

55、本发明技术方案的进一步改进在于，若

pl<<

ph则系统保持当前运行状态不变。

56、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

57、本发明公开的面向电厂调峰的co2热泵-卡诺电池耦合系统，通过锅炉的蒸汽出口经第一电磁阀依次连通汽轮机高压缸、锅炉的再热器、汽轮机中压缸、汽轮机低压缸和冷凝器的蒸汽进口，构成蒸汽动力循环主通路；冷凝器的凝结水出口经低压给水加热器和除氧器后，经第二电磁阀连通高压给水加热器并返回锅炉的给水进口，形成完整的给水回热循环。储热回路中，低温储热介质储罐的储热介质出口依次经第一换热器的储热介质通道、第二换热器的储热介质通道与高温储热介质储罐的储热介质进口相连通，高温储热介质储罐的储热介质出口经第三电磁阀、第三换热器的储热介质通道与低温储热介质储罐的储热介质进口相连通，实现了储热介质在低温罐与高温罐之间的循环流动。热泵回路中，压缩机的热泵工质出口依次经第一换热器的热泵工质通道、膨胀机、第四换热器的热泵工质通道与压缩机的热泵工质进口相连通，使热泵工质在第一换热器中向储热介质放热，在第四换热器中吸收低温热源热量。热泵低温热源回路由汽轮机低压缸的蒸汽出口与冷凝器的蒸汽进口之间引出，经第四换热器的低温热源通道后返回冷凝器的蒸汽进口与低压给水加热器的给水进口之间，使汽轮机排汽余热成为热泵回路的低温热源。抽汽支路由锅炉的蒸汽出口与汽轮机高压缸的蒸汽进口之间引出，经第六电磁阀、第二换热器的蒸汽通道后接至抽汽支路出口，使锅炉出口高温蒸汽可在进入汽轮机之前部分旁路至第二换热器用于加热储热介质。另外，第一电磁阀设置于锅炉蒸汽出口与汽轮机高压缸蒸汽进口之间的管路，通过启闭控制蒸汽是否进入汽轮机做功；第三电磁阀设置于高温储热介质储罐出口，通过开度调节控制释热回路中高温储热介质的流量；第四电磁阀设置于释热回路，控制释热回路的通断；第五电磁阀设置于热泵低温热源回路，控制排汽余热回收的通断；第六电磁阀设置于抽汽支路，通过开度调节控制抽汽流量，进而调节进入汽轮机的蒸汽量；上述电磁阀的配置使系统在发电模式和储热模式之间的切换及各回路流量的调节具备可执行的操作节点，为控制方法的实施提供了硬件基础。相比传统电加热熔盐储热方案，本发明的耦合系统以热泵功耗替代电加热耗电，以汽轮机排汽余热作为热泵低温热源，以抽汽作为辅助热源，三种热源形式共同作用于储热介质加热，降低了储热过程对高品位电能的直接消耗，提高了火电机组在低电价时段的储能经济性。

58、本发明中进一步限定了，汽轮机高压缸的抽汽出口连接高压给水加热器的加热蒸汽进口，汽轮机中压缸的抽汽出口分别连接低压给水加热器的加热蒸汽进口、除氧器的加热蒸汽进口和高压给水加热器的加热蒸汽进口，汽轮机低压缸的抽汽出口连接低压给水加热器的加热蒸汽进口；上述连接关系使汽轮机各压力等级的抽汽分别输送至对应压力等级的给水加热器，实现了对凝结水和给水的逐级加热；给水温度在各级加热器之间按压力等级匹配提升，使锅炉入口给水温度在储热系统投入和切出过程中保持相对稳定，避免因给水温度大幅波动导致锅炉燃烧工况恶化。

59、本发明中进一步限定了，第一循环泵设置于冷凝器的凝结水出口与低压给水加热器的给水进口之间的连通管路，驱动凝结水从冷凝器流向低压给水加热器；第二循环泵设置于除氧器的给水出口与高压给水加热器的给水进口之间的连通管路，驱动给水从除氧器流向高压给水加热器；第三循环泵设置于低温储热介质储罐的储热介质出口与第一换热器的储热介质进口之间的连通管路，驱动储热介质从低温罐流向第一换热器；第四循环泵设置于第三电磁阀与第三换热器的储热介质进口之间的连通管路，驱动高温储热介质从高温罐流向第三换热器；第五循环泵设置于第五电磁阀与第四换热器的低温热源进口之间的连通管路，驱动低温热源介质从汽轮机排汽管路流向第四换热器；第六循环泵设置于第六电磁阀与第二换热器的蒸汽进口之间的连通管路，驱动抽汽从锅炉出口管路流向第二换热器。上述循环泵的配置使得动力循环回路、储热回路、热泵低温热源回路和抽汽支路各自具备独立的流体驱动能力，各回路中的介质流量均可通过对应循环泵的转速进行主动调节。

60、本发明还公开了一种控制方法，该控制方法获取电网实时电价，并与预设的高电价阈值和低电价阈值进行比较，若实时电价高于高电价阈值则系统进入发电模式，若实时电价低于低电价阈值则系统进入储热模式。发电模式中，关闭抽汽支路和热泵回路，开启释热回路，储热介质经第三换热器释放热量加热机组给水；抽汽支路关闭使锅炉蒸汽出口全部蒸汽经第一电磁阀进入汽轮机高压缸，增加汽轮机通流蒸汽量，提升发电出力；释热回路开启使高温储热介质储罐中的高温储热介质经第三换热器将热量释放至给水系统，提升锅炉入口给水温度，降低锅炉燃料消耗。储热模式中，开启抽汽支路和热泵回路，关闭释热回路，锅炉的蒸汽出口引出高温蒸汽经第二换热器加热储热介质，且汽轮机低压缸的排汽余热经第四换热器由热泵工质吸收后，再由热泵工质经第一换热器加热储热介质；抽汽支路开启使部分高温蒸汽被旁路至第二换热器，热泵回路开启使排汽余热被提升后经第一换热器加热储热介质，两种热源在储热介质流经第一换热器和第二换热器的过程中依次对其进行加热；释热回路关闭使储热回路中的热量全部用于提升储热介质温度，而非释放至给水系统。本发明控制方法将电价信号直接作为模式切换的判据，使系统在电价高时优先发电、电价低时优先储热，根据电价波动自动调整机组运行方式，提高火电机组对电力市场电价信号的响应能力。

61、本发明进一步限定了，以高温储热介质温度、汽轮机输出功率、锅炉入口给水温度和压缩机功率四个物理量构成状态变量矩阵，以抽汽流量、压缩机功率、储热介质循环流量和锅炉输入功率四个物理量构成控制变量矩阵；状态变量矩阵描述系统在时刻t的运行状态，控制变量矩阵描述控制器可主动调节的操作量。动态优化模型以综合风险势函数的最小化为目标，以系统状态转移方程、状态变量安全约束和控制变量物理约束为约束条件，求取最优控制变量。将最优控制变量作为设定值下发至各执行机构，对抽汽流量、压缩机功率、储热介质循环流量和锅炉输入功率进行协调控制，使系统各状态变量趋近各自目标值。同时，将状态变量偏差反馈至动态优化模型参与下一控制周期迭代计算，形成闭环控制。本发明优化控制框架将储热温度、发电功率、给水温度和压缩机功率四个被控量的偏差统一纳入风险函数，在满足安全约束的前提下求取最优控制变量，解决了多变量耦合系统中各pid回路参数整定困难的问题。