承擔(dān)采暖負(fù)荷的背壓機(jī)組電力調(diào)峰優(yōu)化運(yùn)行

1、承當(dāng)采暖負(fù)荷的背壓機(jī)組電力調(diào)峰優(yōu)化運(yùn)行摘要：本文將采暖建筑物、熱網(wǎng)、熱電廠及電網(wǎng)作為一個整體系統(tǒng)，利用供熱系統(tǒng)熱慣性大的特點(diǎn)，建立背壓機(jī)組組成的熱電廠參與電力調(diào)峰的優(yōu)化運(yùn)行模型。最后，舉例給出一個采暖季背壓機(jī)組供熱和發(fā)電量的優(yōu)化分配方案。關(guān)鍵詞：背壓機(jī)組熱慣性優(yōu)化運(yùn)行符號說明B-煤耗量噸/小時Z-目的函數(shù)值-電能價值當(dāng)量元/k.ha、b、g、q、j、a、b-公式系數(shù)；-定壓熱容KJ/下標(biāo)G-熱網(wǎng)水流量噸/小時g-供水I-階數(shù)或采暖期一天的時段數(shù)h-回水J-階數(shù)或目的函數(shù)選取的天數(shù)n-室內(nèi)t-溫度-室外p-發(fā)電功率千瓦t-當(dāng)前時段q-供熱流量吉焦/小時ax-最大DT-時段長度小時in-最小q-供

2、熱流量吉焦/小時其它V-燃料的價格元/噸(k)-第k時段一前言熱電廠在電力系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位。到1997年底，我國單機(jī)6000千瓦以上的供熱機(jī)組總?cè)萘恳堰_(dá)2197.1萬千瓦，占同容量火電裝機(jī)容量的12.12%1,而北方熱電聯(lián)產(chǎn)的熱負(fù)荷大局部用于冬季采暖。這種熱電廠的運(yùn)行方式主要是以熱定電，其發(fā)電在電網(wǎng)中主要承當(dāng)基荷，其不同時間發(fā)電量的多少受供熱量的影響。在傳統(tǒng)的熱網(wǎng)供熱運(yùn)行中，供熱量在一天內(nèi)一般不做大的調(diào)整，因此造成供熱機(jī)組不能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的電力調(diào)峰運(yùn)行。假如在不影響供熱采暖效果的同時，改變一天之中不同時段的熱網(wǎng)供熱量，會使熱電廠參與電力調(diào)峰的優(yōu)化運(yùn)行成為可能，從而會減少電網(wǎng)中其他調(diào)峰電站的

3、高額投資，進(jìn)步電力負(fù)荷低谷期電網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)電效率，進(jìn)而產(chǎn)生宏大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。文獻(xiàn)3針對熱網(wǎng)和采暖建筑物熱慣性大的特點(diǎn)，對供熱系統(tǒng)的熱力工況進(jìn)展了定量分析，并對以抽凝機(jī)組為例，研究了承當(dāng)采暖負(fù)荷的熱電廠參與電力調(diào)峰優(yōu)化運(yùn)行方式。本文將研究背壓機(jī)組的電力調(diào)峰優(yōu)化運(yùn)行問題。二供熱系統(tǒng)熱力工況分析目前集中供熱系統(tǒng)熱力工況調(diào)節(jié)大都是從穩(wěn)態(tài)出發(fā)，根據(jù)當(dāng)天的室外溫度，給出當(dāng)天的日平均供、回水溫度來指導(dǎo)運(yùn)行。這種靜態(tài)調(diào)節(jié)方法無法反映熱網(wǎng)和建筑物的動態(tài)特性，一天中熱網(wǎng)的供熱負(fù)荷很少變化，使得熱電廠背壓機(jī)組的發(fā)電功率在一天之中變化幅度很校這是承當(dāng)采暖負(fù)荷的背壓供熱機(jī)組無法參與電力調(diào)峰的主要原因。事實(shí)上，一天

4、中某一時段供熱量的改變對室溫的影響并不顯著。熱網(wǎng)實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)說明，隨著室外溫度的下降，熱網(wǎng)供熱量并不立即隨之升高，外溫升高時供熱量也不立即隨之下降。假如利用這種特性，通過動態(tài)方法獲得小時級而不是以天為單位的采暖建筑物室溫與熱網(wǎng)供熱量、外溫之間的關(guān)系，那么在室溫被控制在允許的范圍內(nèi)前提下，可以改變一天之中不同時段的熱網(wǎng)供熱量，從而使熱電廠參與電力調(diào)峰成為可能。對于一個以質(zhì)調(diào)節(jié)方式運(yùn)行的熱網(wǎng)供熱系統(tǒng)，從系統(tǒng)辯識的角度看，其輸入?yún)?shù)為熱網(wǎng)供水溫度tg和室外溫度t，輸出參數(shù)為熱網(wǎng)回水溫度th和建筑物室溫tn，現(xiàn)以ARA時間序列模型表示輸出參數(shù)與輸入?yún)?shù)之間的關(guān)系：以上兩式中各項(xiàng)系數(shù)及階次I、J取決于供

5、熱系統(tǒng)的特性，可由實(shí)際熱網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)確定?，F(xiàn)以沈陽某熱網(wǎng)一采暖期逐時運(yùn)行數(shù)據(jù)為根底利用公式1a、公式1b確定該熱網(wǎng)輸入輸出參數(shù)之間的定量關(guān)系。選取時間長度4小時為一個時段，對進(jìn)展預(yù)處理，并采用最小二乘法由實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)獲得公式2a、公式2b的各項(xiàng)系數(shù)3，見表1。公式1b中系數(shù)j1、1遠(yuǎn)小于系數(shù)q1，說明瞬時熱網(wǎng)供水溫度對室溫的作用并不非常顯著，采暖建筑物室溫主要取決于前一時段的室溫。這反映出，某時段采暖建筑物室溫是過去多個時段熱網(wǎng)供熱量共同作用的結(jié)果。因此，可以改變過去各時段供熱負(fù)荷的比例，而不影響當(dāng)前時段建筑物的采暖效果。這就為在不影響采暖效果的前提下調(diào)整熱電廠不同時段的熱負(fù)荷，進(jìn)而優(yōu)化供熱機(jī)組

6、的運(yùn)行方式、參與電力系統(tǒng)的調(diào)峰創(chuàng)造了條件。三熱電廠的調(diào)峰優(yōu)化運(yùn)行熱電廠的運(yùn)行，首先要保證用戶對熱負(fù)荷的需要。對于承當(dāng)采暖熱負(fù)荷的熱電廠，應(yīng)保證采暖建筑物室溫在允許的范圍內(nèi)。由本文第二局部對熱網(wǎng)系統(tǒng)供熱工況的分析可知，在不影響采暖效果的前提下，熱電廠的供熱負(fù)荷分配在一天中是可以改變的。熱電廠在不同時段該如何發(fā)電和供熱才是最優(yōu)運(yùn)行方式？當(dāng)然，目前許多熱電廠發(fā)電量的多少受電力部門統(tǒng)一調(diào)度，不能任意多發(fā)。但是，假如將電力系統(tǒng)、熱電廠和供熱系統(tǒng)作為一整體研究，必然有一個最優(yōu)的熱電廠運(yùn)行方式。1分時電價假如僅研究某個熱電廠的運(yùn)行，那么將該熱電廠與電力系統(tǒng)的其他電站統(tǒng)一進(jìn)展運(yùn)行規(guī)劃的研究方法是不適宜的，因?yàn)?/p>

7、某一熱電廠發(fā)電量在電網(wǎng)中的比例是很微小的。因此，需要有一聯(lián)絡(luò)熱電廠和電網(wǎng)的紐帶，作為衡量熱電廠不同時間發(fā)電量對包括熱電廠在內(nèi)的整個電力系統(tǒng)奉獻(xiàn)大小的尺度。本文采用文獻(xiàn)4所提出的基于電能價值當(dāng)量理論的分時電價作為這一尺度。電能價值當(dāng)量理論給出了小時級的單位電能消費(fèi)和消費(fèi)的價值，即小時級的分時電價。電力負(fù)荷頂峰期和低谷期電能的分時電價不同，因此可衡量熱電廠不同時段發(fā)電量的價值，指導(dǎo)熱電廠的調(diào)峰運(yùn)行。將小時級分時電價平均折算至各時段(4小時)中，某電網(wǎng)典型日各時段分時電價分布見表2，作為本文計算的根據(jù)。2建立數(shù)學(xué)模型本文對由背壓機(jī)組組成的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)加以研究。汽輪機(jī)背壓排汽通過汽-水換熱器與熱網(wǎng)水換

8、熱，并由熱網(wǎng)向采暖建筑物供熱。熱網(wǎng)采取質(zhì)調(diào)節(jié)方式運(yùn)行。熱電廠發(fā)電直接輸送至電網(wǎng)。熱電廠運(yùn)行目的應(yīng)是在保證熱用戶采暖要求和電廠平安運(yùn)行的前提下，盡量增大總發(fā)電量的價值，即電能價值當(dāng)量與發(fā)電量之積，同時盡量減小燃料消耗量。將一天分為I個時段，每個時段為DT小時，考慮J天的熱電廠運(yùn)行，于是目的函數(shù)選為：k時段機(jī)組燃料消耗量B(k)是該時段供熱流量q(k)的函數(shù)，采用下式表達(dá)：背壓機(jī)組的供熱流量q和發(fā)電功率p的關(guān)系可簡單地認(rèn)為是成正比關(guān)系:熱電廠抽汽供熱流量與熱網(wǎng)供回水之間的關(guān)系用下式表示：對于供熱系統(tǒng)，熱力工況參數(shù)之間的關(guān)系除了要滿足式2a、式2b外，同時要滿足以下條件：在第四局部的實(shí)例中，最大允許

9、供水溫度取為120，最大室溫取為19，最小室溫取為17。系統(tǒng)的決策變量為：由式2、式1a、式1b及式3a3e共同組成熱電廠優(yōu)化運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型。該數(shù)學(xué)模型屬于給定初始條件的最優(yōu)控制問題。其中控制變量為第k時段的供熱機(jī)組供熱量q(k)。由目的函數(shù)式2可以看出，為了盡量增大總發(fā)電量的價值，電能價值當(dāng)量高的時段盡可能多發(fā)電，這時就會減小熱電廠的供熱流量，而電能價值當(dāng)量低的時段盡可能少發(fā)電，并增加供熱量，以彌補(bǔ)高電能價值當(dāng)量時段供熱量的缺乏。由于電能價值當(dāng)量的上下反映出電力負(fù)荷的變化，因此由本數(shù)學(xué)模型所確定的熱電廠優(yōu)化運(yùn)行方式又同時起到了電力調(diào)峰的作用。3模型的求解算法熱電廠電力調(diào)峰優(yōu)化運(yùn)行數(shù)學(xué)模型是給

10、定初始條件的最優(yōu)控制問題。該模型包含離散時間差分方程式1a、1b，每一時段供熱系統(tǒng)輸出參數(shù)不僅取決于該時段系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，而且是前假設(shè)干時段輸入輸出參數(shù)的函數(shù)。當(dāng)采暖期內(nèi)所研究的天數(shù)I較大時，決策變量數(shù)目較多，本文采用動態(tài)規(guī)劃法進(jìn)展求解。將時間序列方程，即式1a、式1b用狀態(tài)空間方程表達(dá)，決策變量為而室外溫度為非控量，可由已有的預(yù)測模型給出。動態(tài)規(guī)劃法將N個時段的總體最優(yōu)控制轉(zhuǎn)化為以單個時段為單位的多階段決策過程。目的函數(shù)式2的每一時段分量是該時段狀態(tài)量和決策量的函數(shù)，對于第k時段，根據(jù)約束條件確定的范圍將狀態(tài)變量離散成L個確定量。對于每一離散的狀態(tài)量，將決策變量離散成個確定量。根據(jù)最優(yōu)性原理

11、，從N時段起逐時段向前進(jìn)展優(yōu)化計算。完成逐時段向前直至零時段的遞推計算后，再根據(jù)初始條件，向后遞推確定各時段的最優(yōu)決策序列：k=0,1,.N。本文數(shù)學(xué)模型算法的流程如圖1所示。四應(yīng)用舉例在本例中,選取的熱電廠由三臺型號為B6-50/5的背壓機(jī)組組成，各機(jī)組以單元制方式運(yùn)行。并做以下設(shè)定:1熱電廠單元制機(jī)組鍋爐出力范圍在50100%之間。單臺汽輪機(jī)最大排汽供熱量為56噸/小時。當(dāng)采暖負(fù)荷超過三臺汽輪機(jī)最大供汽量，由尖峰鍋爐參與供熱。2將采暖期中的每天等分為6時段，對整個采暖期當(dāng)年11月16日至第二年3月31日的熱電廠運(yùn)行進(jìn)展優(yōu)化計算，于是目的函數(shù)式2中J=136,I=6。在初寒期的開場5天和末寒

12、期的最后20天一臺汽輪機(jī)停運(yùn)。3熱網(wǎng)及采暖用戶的選取沈陽某熱網(wǎng)為例，熱網(wǎng)流量為1800t/h。于是，反映供熱系統(tǒng)輸入輸出參數(shù)關(guān)系的式1a、式1b各項(xiàng)系數(shù)仍為表1的值。由于一天內(nèi)不同時間發(fā)電的單位電量價值有很大差異，熱電廠發(fā)電量在一天中也要改變。圖2為本例整個采暖期發(fā)電功率的優(yōu)化計算結(jié)果,圖3為相應(yīng)的供熱流量的分布。分時電價高的時段發(fā)電多，這時背壓機(jī)組的供熱流量也相應(yīng)增加，而分時電價低的時段發(fā)電少，其供熱量也相應(yīng)減少。在尖峰供熱期，供熱機(jī)組在最大排汽供熱工況點(diǎn)附近運(yùn)行，此時機(jī)組供熱量已到達(dá)最大(170t/h)，以滿足這一時段在整個采暖負(fù)荷的需要，而機(jī)組的發(fā)電功率也到達(dá)最大，即維持在18.8附近。

13、由于全天在一個工況下運(yùn)行，熱電廠沒有電力調(diào)峰才能。在尖峰期附近的采暖時段，機(jī)組具備一定的調(diào)峰才能，但調(diào)峰幅度不大，在這一期間，隨著外溫的增長，開場是分時電價最低的時段發(fā)電量和供熱量減小，直至到達(dá)最低。隨著外溫進(jìn)一步升高，即采暖負(fù)荷進(jìn)一步降低，一天中分時電價處于中間值的時段發(fā)電功率和供熱量開場降低，直至到達(dá)最校在初寒期的5天和末寒期20天，雖然此時采暖熱負(fù)荷明顯減小了，但由于僅有兩臺機(jī)組運(yùn)行，熱電廠仍有調(diào)峰才能，只是發(fā)電量在一天內(nèi)的變化幅度減小了。由此看來，由于熱網(wǎng)在一天中采取了脈沖式的供熱方式，使得機(jī)組的發(fā)電功率可以根據(jù)不同時段電能價值當(dāng)量的不同而改變，從整個電力系統(tǒng)上看，熱電廠起到了調(diào)峰作用

14、。由圖4可以看出，一天內(nèi)采暖建筑物的室溫變化幅度在0.5以內(nèi)，并在整個采暖期內(nèi)維持在1719的范圍內(nèi)，可見這種熱電廠的運(yùn)行方式并沒有影響供熱采暖效果。采暖期熱網(wǎng)供回水溫度最高為108.2，最低為46.4，而回水溫度變化幅度較小，在51.9至30.6之間。本文還將本運(yùn)行方案與一參考運(yùn)行方案進(jìn)展了比擬(見表2)。在參考運(yùn)行方案中，一天中供熱總量與優(yōu)化運(yùn)行方案一樣，而熱網(wǎng)供水溫度保持不變。表2給出兩種運(yùn)行方式一個采暖季發(fā)電量和供熱量在一天中的六個時段的累加分布?？梢钥闯?，對于優(yōu)化運(yùn)行方式，隨著電能價值當(dāng)量不同,各時段發(fā)電量與參考運(yùn)行方式相比有明顯差異，這使得優(yōu)化運(yùn)行方式發(fā)電的平均電能價值當(dāng)量高于參考

15、運(yùn)行方式。表中的總電能價值是六個時段的發(fā)電量與相應(yīng)分時電價乘積之和，而平均電能價值是指總電能價值與總發(fā)電量之比。它反映單位發(fā)電量的經(jīng)濟(jì)學(xué)價值?？梢钥闯?，優(yōu)化運(yùn)行方式的平均電能價值比參考運(yùn)行方式高出約9.7%，定義式2的目的函數(shù)值Z為系統(tǒng)的總電量效益，并定義該值與總發(fā)電量之比為系統(tǒng)單位電量效益，它可以表示在滿足采暖負(fù)荷的前提下熱電廠單位發(fā)電量的經(jīng)濟(jì)學(xué)效益。由表2看出，優(yōu)化運(yùn)行方式的單位電量效益比參考運(yùn)行方式進(jìn)步了約16.5%。表2熱電廠優(yōu)化運(yùn)行方式和參考運(yùn)行方式比擬Table2parisnftheptialperatinandarefereneperatin最優(yōu)運(yùn)行方式參考運(yùn)行方式時段分時電價元

16、/kh供熱量(GJ)發(fā)電量(.h)供熱量(GJ)發(fā)電量(.h)0:004:000.20131507.275859.26186685.608372.404:008:000.20141099.806296.13187429.258406.278:0012.001.00213474.489592.53184339.738265.5612:0016:000.50205896.999247.45180938.258110.6316:0020:000.50202894.349110.75183831.708242.4220:0024:001.00213344.769586.59184994.918295.

17、40合計1108217.649692.71108217.649692.7總電能價值當(dāng)量萬元3078928093平均電能當(dāng)量價值元/k.h0.6200.565總電量效益萬元190001630.3單位電量效益元/k.h0.3820.328五結(jié)語背壓機(jī)組的發(fā)電量取決于供熱量的大小，對于以采暖為主的熱電廠，可以充分利用采暖建筑物和熱網(wǎng)的宏大蓄能才能而進(jìn)展調(diào)峰運(yùn)行。假如這一運(yùn)行方式得以實(shí)現(xiàn)并加以推廣，對于緩解電網(wǎng)負(fù)荷出現(xiàn)的峰谷差具有非常積極的作用。計算數(shù)據(jù)說明，采用本模型優(yōu)化的熱電廠運(yùn)行方式在滿足采暖效果的同時，單位發(fā)電量的經(jīng)濟(jì)學(xué)效益明顯高于一般運(yùn)行方式。施行并推廣這種運(yùn)行方式需要一定的有效措施做保證，

18、如電力系統(tǒng)對熱電廠的合理調(diào)度及對熱電廠發(fā)電采取分時電價上網(wǎng)等，使得在采用電力調(diào)峰的優(yōu)化運(yùn)行方式的同時，熱電廠自身獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益。由于背壓機(jī)組在改變發(fā)電量的同時，主蒸汽量也改變?？紤]到鍋爐的平安運(yùn)行，主蒸汽的改變量不宜過大。本文給出鍋爐出力的變化范圍為100%50%，而從燃煤鍋爐實(shí)際運(yùn)行情況看，一般要比這一范圍校參考文獻(xiàn)1汪訓(xùn)昌蓄冷空調(diào)移峰填谷及節(jié)電中國能源1996.112王振銘我國熱電聯(lián)產(chǎn)的開展熱電聯(lián)產(chǎn)學(xué)術(shù)交流會論文集1999.63FuLinandJiangYi.peratingHPplantaspeakandyliplant.7thinternatinalsypsiundistritheatingling.1999.5LundSeden,1999,5.4a-SngYen.Tie-f-dayeletriityPriingUsingptialixfGeneratinsyste.IRED93,Beringha,ay,1993.5江億空調(diào)負(fù)荷計算用隨機(jī)氣象模型制冷學(xué)報1981.3ptialperatinfBak-pressureUnitsfrSpaeHeatingAbstrat：Duetthehugetheralassfbuildin