油田新能源電儲熱系統(tǒng)設(shè)計與實驗研究*

張洪陽,時振堂,陶麗楠,孫 陽

(中石化(大連)石油化工研究院有限公司,遼寧大連 116045)

1 新能源電蓄熱技術(shù)進展

新能源發(fā)電的富余電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艽鎯?在有熱負荷需求的油田場景下是實現(xiàn)綠色低碳生產(chǎn)的重要手段之一。儲熱作為重要的儲能形式,由于應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠,得到了廣泛的應(yīng)用?；谟吞飯鼍暗碾娂訜?蓄熱研究主要集中在加熱電源及蓄熱裝置開發(fā)上面。蔡國偉,等[1]通過仿真驗證了解耦傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)機組的熱電關(guān)系,并利用儲熱裝置實現(xiàn)了熱負荷的實時轉(zhuǎn)移;張承慧,等[2]則就油田中的變頻加熱電源進行了設(shè)計和分析?；诎雽?dǎo)體的熱電發(fā)生器,袁義生,等[3]就升壓型熱電充電裝置的建模和控制進行了研究;李洪斌,等[4]利用變頻調(diào)速技術(shù)優(yōu)化控制注水泵,進而降低油田注水系統(tǒng)能耗。

基于新能源發(fā)電蓄熱方面的研究主要集中在仿真建模、分析,以及優(yōu)化控制策略方面。Madaeni S H,等[5]研究了含儲熱和不含儲熱系統(tǒng)的CPS電站的關(guān)聯(lián)性和經(jīng)濟性,通過增加儲熱電站來擴大電站能量容量,進而提升電站運行的凈收益;崔楊,等[6]在優(yōu)化系統(tǒng)風(fēng)電消納能力的同時降低旋轉(zhuǎn)備用成本,采用電加熱裝置將多余風(fēng)電轉(zhuǎn)換為熱能存儲于光熱電站的儲熱系統(tǒng)中,模型中綜合考慮系統(tǒng)發(fā)電收益與系統(tǒng)綜合成本,以系統(tǒng)凈收益最大為目標(biāo),優(yōu)化求解系統(tǒng)最優(yōu)旋轉(zhuǎn)備用容量與分配計劃以及日前調(diào)度計劃。為提升新能源和蓄熱系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟性,目前研究主要圍繞系統(tǒng)調(diào)度、優(yōu)化決策模型等方面。陳磊,等[7]研究了應(yīng)用大容量儲熱系統(tǒng)的電力系統(tǒng)運行控制的靈活性,提升系統(tǒng)消納風(fēng)電的能力,構(gòu)建熱電聯(lián)產(chǎn)機組、電供熱系統(tǒng)的模型,將儲熱納入風(fēng)電參與的電力系統(tǒng)調(diào)度體系;程中林,等[8]基于對棄風(fēng)棄電、儲熱系統(tǒng)的分析,充分考慮棄風(fēng)隨機性、儲熱需求彈性對價格的影響,并采用場景分類處理模型中的隨機變量,提出了基于線性供給函數(shù)模型的報價決策算法。目前通過多目標(biāo)/單目標(biāo)求解的方法實現(xiàn)風(fēng)-儲、熱-電方面研究較多。李虹,等[9]建立含熱電機組、火電機組、風(fēng)電機組、儲熱裝置和電鍋爐在內(nèi)的多目標(biāo)風(fēng)電消納協(xié)調(diào)調(diào)度模型,并利用電鍋爐增大負荷側(cè)用電負荷來提高風(fēng)電消納能力,以系統(tǒng)總經(jīng)濟成本最小和棄風(fēng)量最少為目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化新能源消納。于婧,等[10]通過調(diào)節(jié)熱電機組和儲熱裝置的出力使得發(fā)電收益達到最大化,考慮熱-電耦合特性,將含儲熱裝置的熱電廠和風(fēng)電場組成一個發(fā)電集合體,以系統(tǒng)總經(jīng)濟成本最小和棄風(fēng)量最少為目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化新能源消納。呂泉,等[11]利用儲熱消納棄風(fēng)的基本運行機理,建立了含儲熱的電力系統(tǒng)電熱綜合調(diào)度模型,對比分析增加了系統(tǒng)熱平衡約束、熱電機組的熱電耦合約束、儲熱裝置運行約束等,且模型目標(biāo)擴展為供電和供熱總煤耗最低。Christidis A,等[12]研究了蓄熱對聯(lián)合供熱系統(tǒng)經(jīng)濟運行的貢獻以及電力市場中的發(fā)電廠等問題。馮衛(wèi)華,等[13]在分析稠油開采過程中螺桿泵傳統(tǒng)電纜加熱方式的基礎(chǔ)上,提出新型電磁水循環(huán)加熱方式,提高原油日產(chǎn)量。

以上研究多以熱電裝置、風(fēng)-儲、熱-電或其他多能源耦合的建模出發(fā),通過調(diào)度方法優(yōu)化、多目標(biāo)/單目標(biāo)求解等方面為主,對儲熱裝置的內(nèi)部控制或調(diào)控問題進行深入的探討較少。此外,油田井口加熱爐煙塵排放存在超標(biāo)問題,重視新能源利用也是油田綠色建設(shè)的重要內(nèi)容[14-15],特別是在油田場景下如何開展新能源-儲熱裝置應(yīng)用研究,是解決油田用能綠色、低碳的重要手段。

基于此,本文設(shè)計開發(fā)了一種油田新能源電儲熱系統(tǒng),制定多級可調(diào)加熱電阻和變頻器控制一次側(cè)循環(huán)水泵的雙重控制策略,采用儲熱系統(tǒng)閉環(huán)控制與變頻器調(diào)控系統(tǒng)構(gòu)成互補控制回路,并進行了實驗檢驗,驗證了設(shè)計和分析的正確性,為后續(xù)大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2 新能源電儲熱系統(tǒng)設(shè)計及分析

2.1 新能源接入功率分配

油田場景下,分散式的風(fēng)電、光伏已有接入案例,而中小型機組的接入則更為靈活。由于油田抽油機、集輸站等生產(chǎn)負荷的特殊性,對電能回饋和供電質(zhì)量要求較高,所以新能源接入后的功率分配更顯重要。圖1是考慮儲熱的新能源接入功率分配流程,可以看到,電功率和熱功率的平衡是保證熱負荷需求的關(guān)鍵。

圖1 考慮儲熱的新能源接入的功率分配流程

新能源接入功率分配應(yīng)考慮功率平衡和風(fēng)光新能源發(fā)電的功率預(yù)測誤差等,確定約束函數(shù)如式(1)所示:

(1)

式中:PG_k——新能源發(fā)電接入節(jié)點功率;

PF_m——負荷接入節(jié)點功率;

ΔPG——功率預(yù)測誤差(根據(jù)系統(tǒng)允許誤差范圍設(shè)置);

PT_max——負荷最大接入值;

m,k,M,N——對應(yīng)的接入數(shù)目。

蓄熱系統(tǒng)作為電力負荷的主體之一,是負荷接入節(jié)點功率的重要組成部分,必須在滿足式(1)功率約束下才能實現(xiàn)蓄熱負荷參與下的整個電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

2.2 儲熱系統(tǒng)設(shè)計及分析

為提升系統(tǒng)壽命和控制的靈活性,儲熱系統(tǒng)采用多級可調(diào)加熱電阻(可根據(jù)熱負荷要求靈活地設(shè)置多組)和變頻器控制一次側(cè)循環(huán)水泵這2種控制方式實現(xiàn)電熱功率平衡。圖2是儲熱系統(tǒng)流程,其中通過PLC控制器控制2臺變頻器實現(xiàn)對加熱側(cè)水泵和一次側(cè)水泵的動態(tài)調(diào)整,并通過接觸器控制周波控制器,當(dāng)加熱側(cè)的變頻器出現(xiàn)故障后,快速實現(xiàn)周波控制器的切入,保證加熱回路的正常運行。

圖2 儲熱系統(tǒng)流程

根據(jù)油田場景的實際生產(chǎn)需要,系統(tǒng)設(shè)計成撬裝式,以便于安裝和維護。為提高系統(tǒng)的整體經(jīng)濟性,儲熱設(shè)置具有分時段響應(yīng)功能,亦可選擇谷電時段和非谷電時段2種控制策略。非谷電時段采用消納新能源過剩電量方式,將過剩電量轉(zhuǎn)化成熱量儲存到蓄熱體中。谷電時段電價較低,盡可能多地進行制熱儲熱,提高系統(tǒng)供熱能力。

儲熱調(diào)控泵也是系統(tǒng)除加熱電阻之外的電能消耗途徑。電動機驅(qū)動泵的電動機軸功率如式(2)所示[16]:

(2)

式中:P——電動機軸功率;

ρ——裕度系數(shù);

Q——流量;

H——揚程;

ηC——傳動系統(tǒng)的效率;

ηF——泵的效率。

系統(tǒng)增加晶閘管調(diào)功器作為并列的控制組件,與變頻器調(diào)控系統(tǒng)構(gòu)成互補控制回路,當(dāng)變頻器調(diào)控系統(tǒng)故障時,晶閘管調(diào)功器切入,降低對熱負荷影響,提升系統(tǒng)運行安全性。此外,系統(tǒng)通過流量計可以實現(xiàn)對系統(tǒng)流量狀態(tài)的監(jiān)測。該系統(tǒng)放大后可用于油田井場下的伴熱系統(tǒng),代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃氣加熱鍋爐,促進節(jié)能減排。

2.3 雙重控制策略

整個控制系統(tǒng)由主控制器PLC完成儲熱控制,控制流程如圖3所示,通過多級可調(diào)加熱電阻、變頻器控制一次側(cè)循環(huán)水泵的雙重控制方式實現(xiàn)電熱功率平衡。其中變頻器調(diào)速采用V/F控制方式實現(xiàn)對泵的轉(zhuǎn)速控制,進而改變管道流量,保證溫度控制恒定。

給定轉(zhuǎn)矩;給定轉(zhuǎn)速;Δu*—電壓補償給定值圖3 儲熱溫度變頻器控制流程

根據(jù)上述分析,加之電阻加熱的多級切換原理,設(shè)計的雙重控制系統(tǒng)可按照優(yōu)先級實現(xiàn)多級電阻和調(diào)節(jié)泵組的組合控制。優(yōu)先級原則:①啟動時,按照熱負荷要求和加熱電阻功率等級確定加熱電阻投入數(shù)量,加熱電阻投入后,全功率工作提升蓄熱水箱溫度;②當(dāng)蓄熱水箱溫度達到90%蓄熱溫度后,啟動調(diào)節(jié)泵組參與流量控制,滿足蓄熱水箱供給熱負荷的溫度要求;③當(dāng)蓄熱水箱溫度達到穩(wěn)定后,根據(jù)熱負荷要求和換熱效率,調(diào)節(jié)泵組持續(xù)工作,投入/切除多余加熱電阻,系統(tǒng)進入動態(tài)調(diào)節(jié)過程。

3 實驗研究

為驗證以上設(shè)計和分析的正確性,開發(fā)了7.5 kW撬裝式樣機和儲熱系統(tǒng)樣機,如圖4所示。主要部件參數(shù):電制熱系統(tǒng)電壓7.5 kW,電壓380 V,加熱電阻15×0.5 kW/級可調(diào),電熱效率≥98%;儲能水箱0.8 m(長)×1.2 m(寬)×1.5 m(高);加熱循環(huán)泵的流量2 m3/h,揚程20 m;配套變頻器額定功率2.2 kW,額定電流5.5 A;一次網(wǎng)循環(huán)泵的流量1.2 m3/h,揚程20 m;配套變頻器額定功率0.75 kW,額定電流2.3 A;周波控制器控制分辨率1%,晶閘管最大1 000 A;PLC采用西門子Smart-200型號。

圖4 儲熱系統(tǒng)內(nèi)部情況

根據(jù)設(shè)計要求主要進行升溫控制實驗和降溫控制實驗。實驗項目設(shè)計如下:①升溫控制實驗根據(jù)輸入指令,控制加熱系統(tǒng),測試加熱回路溫度控制能力,升溫控制曲線如圖5所示;②放熱性能測試,即降溫控制實驗,通過變頻器控制一次網(wǎng)循環(huán)泵,進行放熱,對冷水箱內(nèi)的水進行升溫。由圖5可以看出,實驗系統(tǒng)的溫度上升速率維持在1 ℃/min左右,主要受負載和環(huán)境溫度影響;從圖6可以看出,蓄熱水箱中部和下部溫度傳感器測得的不同點的溫度變化有所差異,差異在1 ℃左右,這與傳感器安裝位置有較大關(guān)系,也是由于一次側(cè)水出口位于儲熱水箱底部所致,溫度平衡需要一定時間。此外,通過實驗可知,蓄熱系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)能力主要受加熱電阻、換熱器和調(diào)節(jié)泵組等的影響。

圖5 升溫控制曲線

圖6 降溫控制曲線

實驗研究表明,電蓄熱可以作為靈活消納電能、滿足熱能需求的重要手段。首先,電制熱、蓄熱水箱等主要設(shè)備可根據(jù)現(xiàn)場需求靈活選擇和布置,建議優(yōu)先考慮緊湊式設(shè)計,以減少傳熱過程損失;其次,電制熱速率與加熱裝置功率有關(guān),在需要快速供熱的場合下,可提高加熱裝置功率、增加換熱板面積;第三,溫度誤差與傳感器精度、機泵影響等因素有關(guān),建議根據(jù)應(yīng)用場景要求、成本等綜合選定相關(guān)配套檢測和閥泵等設(shè)備。

4 結(jié)語

未來,傳統(tǒng)石化行業(yè)與新能源的結(jié)合必然更加緊密,通過儲熱系統(tǒng)實現(xiàn)新能源發(fā)電的綠色電能應(yīng)用,可為傳統(tǒng)油氣行業(yè)的發(fā)展提供了一條新的綠色用能思路。下一步重點將在裝置大型化、能效提升和特色石化場景應(yīng)用上繼續(xù)開展研究,進一步提升電儲熱裝置的實踐應(yīng)用效果。