一种含电转气的区域综合能源系统热电优化调度方法技术方案

本发明专利技术是一种含电转气的区域综合能源系统热电优化调度方法，包括：分析电转气两阶段运行机理，在电解水制氢环节引入储氢，通过氢燃料电池热电联产促进氢能高品位使用，降低直接甲烷化造成的能量梯级利用损耗；将氢燃料电池与燃气轮机优化为变效率运行，通过调节热电效率灵活追踪热电负荷态势，使热电出力更为经济合理；引入有机朗肯循环余热发电将热电联产过剩热输出转化为电能，通过促进余热消纳的方式改善系统的热电耦合性能；以系统购能成本、运行维护成本以及能量损耗成本之和最小为目标，构建含电转气的热电耦合RIES优化调度模型。该方法能够提高区域综合能源系统的能量利用效率和热电联产性能，具有科学合理，适用性强，效果佳等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种含电转气的区域综合能源系统热电优化调度方法
本专利技术涉及能源利用领域，是一种含电转气的区域综合能源系统热电优化调度方法。
技术介绍
目前区域综合能源系统调度所面临的首要问题是如何协调系统内各类机组出力，在最大化消纳可再生能源的前提下，提高综合能源利用效率，降低系统运行成本。其中，电转气消纳风电与优化热电耦合是改善区域综合能源系统经济运行的两个重要方面。电转气可将夜间高发风电或低谷电价电能转化为氢气或天然气储存，在需要时供应高成本时段负荷，是促进风电消纳和实现“高发低储”套利的一个有效途径。热电联产机组运行于固定效率模式，不能根据热电负荷变化灵活调整机组出力，存在供能效率低下的问题，具有进一步优化空间；当系统热负荷低于电负荷时，受制于热电机组的运行极限，即使热电效率可调，在技术约束范围内依然存在热产能过剩的问题；利用高温烟气或冷却介质余热发电是促进富余热能消纳的一个重要技术手段，其中以有机朗肯循环余热发电的综合性能最优。
技术实现思路
本专利技术的基本构思是：基于提高风电调度能力、优化系统多能耦合以及灵活本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含电转气的区域综合能源系统热电优化调度方法，其特征是，在电解水制氢环节引入储氢，通过氢燃料电池热电联产促进氢能高品位使用，降低直接甲烷化造成的能量梯级利用损耗，将氢燃料电池与燃气轮机优化为变效率运行，通过调节热电效率灵活追踪热电负荷态势，引入有机朗肯循环余热发电将热电联产过剩热输出转化为电能，通过促进余热消纳的方式改善系统的热电耦合性能，具体包括以下步骤：/n步骤一，区域综合能源系统多能耦合机理：/n①电-气转化机理：/n电转气包括电制氢气与氢气甲烷化两个过程；在电解槽中通入高强度直流电解水生成氢气和氧气，生成的氢气一部分存储在储氢罐中在需要时供给氢燃料电池热电联产；另一部分氢气与二氧...

【技术特征摘要】
1.一种含电转气的区域综合能源系统热电优化调度方法，其特征是，在电解水制氢环节引入储氢，通过氢燃料电池热电联产促进氢能高品位使用，降低直接甲烷化造成的能量梯级利用损耗，将氢燃料电池与燃气轮机优化为变效率运行，通过调节热电效率灵活追踪热电负荷态势，引入有机朗肯循环余热发电将热电联产过剩热输出转化为电能，通过促进余热消纳的方式改善系统的热电耦合性能，具体包括以下步骤：
步骤一，区域综合能源系统多能耦合机理：
①电-气转化机理：
电转气包括电制氢气与氢气甲烷化两个过程；在电解槽中通入高强度直流电解水生成氢气和氧气，生成的氢气一部分存储在储氢罐中在需要时供给氢燃料电池热电联产；另一部分氢气与二氧化碳在甲烷反应器中经Sabatier反应生成甲烷和水，制取的甲烷直接注入天然气网络供应气负荷或其他燃气机组；
质子交换膜电解水具有良好的化学稳定性与较高的转化效率，适用于空间有限的区域综合能源系统，转化效率可近似用输入电功率标幺值的二次函数表征；氢气甲烷化的效率主要与氢碳配比、催化剂性能、反应温度、反应压力相关，由于是电转气的二次阶段，近似取氢气甲烷化效率为固定值，构建电解槽、甲烷反应器模型分别如式(1)-式(2)；






式中：PECin,t为t时段电解槽的输入功率值；PEC,t为输出功率值；ηEC,t为转化效率值；aEC、bEC、cEC为效率函数系数；PECr为额定功率值；PECmax、PECmin为输入功率上、下限值；ΔPECmax、ΔPECmin为爬坡上下限值；PMRin,t为t时段甲烷反应器的输入功率值；PMR,t为输出功率值；ηMR为转化效率值；PMRmax、PMRmin为输入功率上、下限值；ΔPMRmax、ΔPMRmin为爬坡上、下限值；
电解水生成的氢气是氢燃料电池热电联产的唯一能量来源，而储氢罐可为氢燃料电池提供稳定可时移的调度氢源，储氢涉及压缩-存储-再压缩等物理过程，在调度层面主要关注氢燃料电池的输入输出特性，压缩过程产生的损耗抽象为用储放效率表征，从而构建储氢罐模型如式(3)；



式中：为t时段储氢罐的储存容量；为输入功率值；为输出功率值；为储氢容量上、下限值；为输入功率上、下限值；为输出功率上、下限值；为储氢效率值；为放氢效率值；
②氢-热电转化机理：
将电转气细化为两阶段运行后，引入氢燃料电池直接实现氢能向电、热能的转化，通过高品位利用氢能提高电转气的综合利用效率，同时进一步挖掘氢燃料电池的供热能力，更高效地发挥其热电联产性能，使电-氢-热电一整套能源耦合利用方案更具经济效益；
产电原理是利用氧化还原反应时电子运动产生的电势，经DC/AC变换器与变压器升压后将电堆反应生成的电能送至电网；产热过程是由集热装置收集电堆反应损耗产生的热量，通过换热器对循环热力系统回水进行加热，从而分担其他供热机组的部分热出力，以此实现联合供应热负荷；
就外部特性而言，氢燃料电池的电效率与负载率具有一定相关性，可用电输出功率标幺值的五次函数表征，由于热电联产充分发挥了氢燃料电池的电热特性，可近似认为热电总效率等于技术上限内某一定值，从而当电效率改变时，热效率也随之变动，氢燃料电池外部调度模型如式(4)；



式中：PHFCin,t为t时段氢燃料电池的输入功率值；PHFCe,t为电输出功率值；PHFCh,t为热输出功率值；ηHFCe,t为产电效率值；ηHFCh,t为产热效率值；PHFCr为额定电输出功率值；aHFC、bHFC、cHFC、dHFC、eHFC、fHFC为效率函数系数；ηHFCmax为热电总效率最大值；PHFCmax、PHFCmin为输入功率上、下限值；ΔPHFCmax、ΔPHFCmin为爬坡上、下限值；
从内部特性而言，当设备参数和外部环境给定时，氢燃料电池的电、热输出功率分别取决于氢气输入速率、散热循环水流速，如式(5)，而电、热效率分别为电、热输出与输入功率之比，这就建立起了外部调度与内部控制模型之间的联系，联立式(4)-式(5)，在求解调度出力与相应效率的同时，得出此时的氢气输入速率与散热循环水流速，通过控制这两个变量，实现氢燃料电池电、热效率的调节；



式中：F为法拉第常数；为氢气输入速率；为氢气摩尔质量；Enernst为能斯特电压值；Пact为活化极性过电压损耗；Пohm为欧姆过电压损耗；Пcon为浓度差过电压损耗；K为换热器换热系数；S为换热面积；V为标准流速；VL为低温侧流速；VH2O为散热循环水流速；A、B为流速系数；THFC为电堆温度值；TL为低温测水温值；
③热-电转化机理：
考虑到某些季节或时段电负荷需求高于热负荷，引入氢燃料电池作为新型热电产能来源后，系统热源更加丰富，此时系统热出力过剩，利用有机朗肯循环余热发电具有一定的可行性，此外，将本被弃置的热能转化为电能可降低其他供电机组的外部购能成本，这种余热内部消纳的方式可进一步提高综合能源利用效率，改善系统经济运行；
有机朗肯循环余热发电的物理结构主要由工质循环冷凝器、工质循环泵、预热器和蒸发器、热电转换的汽轮机构成；有机工质在蒸发器中从余热源吸收热量产生高温高压蒸汽，推动膨胀机旋转进而带动汽轮机发电，产生的乏气进入冷凝器冷却为液体，由工质泵打入蒸发器，完成一个循环；
将氢燃料电池、燃气轮机的热输出功率PHFCh、PGTh细化成两部分，一部分PHFC2hl和PGT2hl经热网直接供应热负荷，另一部分PHFC2ORC和PGT2ORC作为余热源输入到有机朗肯循环余热发电装置再生产电能，与氢燃料电池、燃气轮机的电输出功率叠加，共同供应电负荷；...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔杨，闫石，仲悟之，王铮，张鹏，赵钰婷，
申请(专利权)人：东北电力大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22