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

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

摘要：本文將采暖建筑物、熱網(wǎng)、熱電廠及電網(wǎng)作為一個(gè)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(gè)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(hào)說明

B----煤耗量噸/小時(shí)Z----目標(biāo)函數(shù)值

C----電能價(jià)值當(dāng)量元/、b、g、q、w、j、a、b---公式系數(shù)

Ｃ；----定壓熱容KJ/°C下標(biāo)

G----熱網(wǎng)水流量噸/小時(shí)g---供水

I----階數(shù)或采暖期一天的時(shí)段數(shù)h----回水

J----階數(shù)或目標(biāo)函數(shù)選取的天數(shù)n----室內(nèi)

t----溫度°Cw----室外

p----發(fā)電功率千瓦t----當(dāng)前時(shí)段

q----供熱流量吉焦/小時(shí)max----最大

DT----時(shí)段長度小時(shí)min----最小

q----供熱流量吉焦/小時(shí)其它

V----燃料的價(jià)格元/噸(k)---第k時(shí)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)萬千瓦，占同容量火電裝機(jī)容量的%[1],而北方熱電聯(lián)產(chǎn)的熱負(fù)荷大部分用于冬季采暖。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)中主要承擔(dān)基荷，其不同時(shí)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，因而造成供熱機(jī)組不能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的電力調(diào)峰運(yùn)行。

如果在不影響供熱采暖效果的同時(shí)，改變一天之中不同時(shí)段的熱網(wǎng)供熱量，會(huì)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(huì)減少電網(wǎng)中其他調(diào)峰電站的高額投資，提高電力負(fù)荷低谷期電網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)電效率，進(jìn)而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

文獻(xiàn)針對(duì)熱網(wǎng)和采暖建筑物熱慣性大的特點(diǎn)，對(duì)供熱系統(tǒng)的熱力工況進(jìn)行了定量分析，并對(duì)以抽凝機(jī)組為例，研究了承擔(dān)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(dòng)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小。這是承擔(dān)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，一天中某一時(shí)段供熱量的改變對(duì)室溫的影響并不顯著。熱網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，隨著室外溫度的下降，熱網(wǎng)供熱量并不立刻隨之升高，外溫升高時(shí)供熱量也不立刻隨之下降。如果利用這種特性，通過動(dòng)態(tài)方法獲得小時(shí)級(jí)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，則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(shí)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(duì)于一個(gè)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(shí)的角度看，其輸入?yún)?shù)為熱網(wǎng)供水溫度tg和室外溫度tw，輸出參數(shù)為熱網(wǎng)回水溫度th和建筑物室溫tn，現(xiàn)以AMRA時(shí)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(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)利用公式、公式確定該熱網(wǎng)輸入輸出參數(shù)之間的定量關(guān)系。選取時(shí)間長度4小時(shí)為一個(gè)時(shí)段，對(duì)進(jìn)行預(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、公式的各項(xiàng)系數(shù)，見表1。

公式中系數(shù)j1、w1遠(yuǎn)小于系數(shù)q1，說明瞬時(shí)熱網(wǎng)供水溫度對(duì)室溫的作用并不十分顯著，采暖建筑物室溫主要取決于前一時(shí)段的室溫。這反映出，某時(shí)段采暖建筑物室溫是過去多個(gè)時(shí)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(shí)段供熱負(fù)荷的比例，而不影響當(dāng)前時(shí)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(shí)段的熱負(fù)荷，進(jìn)而優(yōu)化供熱機(jī)組的運(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(duì)熱負(fù)荷的需要。對(duì)于承擔(dān)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)。由本文第二部分對(duì)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(shí)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，如果將電力系統(tǒng)、熱電廠和供熱系統(tǒng)作為一整體研究，必然有一個(gè)最優(yōu)的熱電廠運(yùn)行方式。

1．分時(shí)電價(jià)

如果僅研究某個(gè)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)行運(yùn)行規(guī)劃的研究方法是不合適的，因?yàn)槟骋粺犭姀S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)系熱電廠和電網(wǎng)的紐帶，作為衡量熱電廠不同時(shí)間發(fā)電量對(duì)包括熱電廠在內(nèi)的整個(gè)電力系統(tǒng)貢獻(xiàn)大小的尺度。本文采用文獻(xiàn)所提出的基于電能價(jià)值當(dāng)量理論的分時(shí)電價(jià)作為這一尺度。

電能價(jià)值當(dāng)量理論給出了小時(shí)級(jí)的單位電能生產(chǎn)和消費(fèi)的價(jià)值，即小時(shí)級(jí)的分時(shí)電價(jià)。電力負(fù)荷高峰期和低谷期電能的分時(shí)電價(jià)不同，因而可衡量熱電廠不同時(shí)段發(fā)電量的價(jià)值，指導(dǎo)熱電廠的調(diào)峰運(yùn)行。將小時(shí)級(jí)分時(shí)電價(jià)平均折算至各時(shí)段(4小時(shí))中，某電網(wǎng)典型日各時(shí)段分時(shí)電價(jià)分布見表2，作為本文計(jì)算的依據(jù)。

2．建立數(shù)學(xué)模型

本文對(duì)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)行目標(biāo)應(yīng)是在保證熱用戶采暖要求和電廠安全運(yùn)行的前提下，盡量增大總發(fā)電量的價(jià)值，即電能價(jià)值當(dāng)量與發(fā)電量之積，同時(shí)盡量減小燃料消耗量。將一天分為I個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段為DT小時(shí)，考慮J天的熱電廠運(yùn)行，于是目標(biāo)函數(shù)選為：

k時(shí)段機(jī)組燃料消耗量B(k)是該時(shí)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(duì)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、式外，同時(shí)要滿足以下條件：

在第四部分的實(shí)例中，最大允許供水溫度取為120°C，最大室溫取為19°C，最小室溫取為17°C。

系統(tǒng)的決策變量為：

由式、式、式及式~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(shí)段的供熱機(jī)組供熱量q(k)。由目標(biāo)函數(shù)式可以看出，為了盡量增大總發(fā)電量的價(jià)值，電能價(jià)值當(dāng)量高的時(shí)段盡可能多發(fā)電，這時(shí)就會(huì)減小熱電廠的供熱流量，而電能價(jià)值當(dāng)量低的時(shí)段盡可能少發(fā)電，并增加供熱量，以彌補(bǔ)高電能價(jià)值當(dāng)量時(shí)段供熱量的不足。由于電能價(jià)值當(dāng)量的高低反映出電力負(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(shí)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)模型是給定初始條件的最優(yōu)控制問題。該模型包含離散時(shí)間差分方程、），每一時(shí)段供熱系統(tǒng)輸出參數(shù)不僅取決于該時(shí)段系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，而且是前若干時(shí)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(shí)，決策變量數(shù)目較多，本文采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法進(jìn)行求解。

將時(shí)間序列方程，即式、式用狀態(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(cè)模型給出。

動(dòng)態(tài)規(guī)劃法將N個(gè)時(shí)段的總體最優(yōu)控制轉(zhuǎn)化為以單個(gè)時(shí)段為單位的多階段決策過程。目標(biāo)函數(shù)式的每一時(shí)段分量是該時(shí)段狀態(tài)量和決策量的函數(shù)，對(duì)于第k時(shí)段，根據(jù)約束條件確定的范圍將狀態(tài)變量Ｘ離散成L個(gè)確定量。對(duì)于每一離散的狀態(tài)量，將決策變量離散成M個(gè)確定量。根據(jù)最優(yōu)性原理，從N時(shí)段起逐時(shí)段向前進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。完成逐時(shí)段向前直至零時(shí)段的遞推計(jì)算后，再根據(jù)初始條件，向后遞推確定各時(shí)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(tái)型號(hào)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50~100%之間。單臺(tái)汽輪機(jī)最大排汽供熱量為56噸/小時(shí)。當(dāng)采暖負(fù)荷超過三臺(tái)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(shí)段，對(duì)整個(gè)采暖期的熱電廠運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，于是目標(biāo)函數(shù)式中J=136,I=6。在初寒期的開始5天和末寒期的最后20天一臺(tái)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、式各項(xiàng)系數(shù)仍為表1的值。

由于一天內(nèi)不同時(shí)間發(fā)電的單位電量價(jià)值有很大差別，熱電廠發(fā)電量在一天中也要改變。圖2為本例整個(gè)采暖期發(fā)電功率的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果,圖3為相應(yīng)的供熱流量的分布。分時(shí)電價(jià)高的時(shí)段發(fā)電多，這時(shí)背壓機(jī)組的供熱流量也相應(yīng)增加，而分時(shí)電價(jià)低的時(shí)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(shí)機(jī)組供熱量已達(dá)到最大(170t/h)，以滿足這一時(shí)段在整個(gè)采暖負(fù)荷的需要，而機(jī)組的發(fā)電功率也達(dá)到最大，即維持在附近。由于全天在一個(gè)工況下運(yùn)行，熱電廠沒有電力調(diào)峰能力。在尖峰期附近的采暖時(shí)段，機(jī)組具備一定的調(diào)峰能力，但調(diào)峰幅度不大，在這一期間，隨著外溫的增長，開始是分時(shí)電價(jià)最低的時(shí)段發(fā)電量和供熱量減小，直至達(dá)到最低。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(shí)電價(jià)處于中間值的時(shí)段發(fā)電功率和供熱量開始降低，直至到達(dá)最小。在初寒期的5天和末寒期20天，雖然此時(shí)采暖熱負(fù)荷明顯減小了，但由于僅有兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，熱電廠仍有調(diào)峰能力，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(shí)段電能價(jià)值當(dāng)量的不同而改變，從整個(gè)電力系統(tǒng)上看，熱電廠起到了調(diào)峰作用。

由圖4可以看出，一天內(nèi)采暖建筑物的室溫變化幅度在以內(nèi)，并在整個(gè)采暖期內(nèi)維持在17oC~19oC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°C，最低為°C，而回水溫度變化幅度較小，在°C至°C之間。本文還將本運(yùn)行方案與一參考運(yùn)行方案進(jìn)行了比較(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)行方案相同，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(gè)采暖季發(fā)電量和供熱量在一天中的六個(gè)時(shí)段的累加分布。可以看出，對(duì)于優(yōu)化運(yùn)行方式，隨著電能價(jià)值當(dāng)量不同,各時(shí)段發(fā)電量與參考運(yùn)行方式相比有明顯差別，這使得優(yōu)化運(yùn)行方式發(fā)電的平均電能價(jià)值當(dāng)量高于參考運(yùn)行方式。表中的總電能價(jià)值是六個(gè)時(shí)段的發(fā)電量與相應(yīng)分時(shí)電價(jià)乘積之和，而平均電能價(jià)值是指總電能價(jià)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(jià)值。可以看出，優(yōu)化運(yùn)行方式的平均電能價(jià)值比參考運(yùn)行方式高出約%，定義式

的目標(biāo)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)行方式提高了約%。表2熱電廠優(yōu)化運(yùn)行方式和參考運(yùn)行方式比較

Table2Comparisonoftheoptimaloperationandareferenceoperation最優(yōu)運(yùn)行方式參考運(yùn)行方式時(shí)段分時(shí)電價(jià)供熱量(GJ)發(fā)電量()供熱量(GJ)發(fā)電量()0:00~4::00~8::00~:00~16::00~20::00~24:合計(jì)總電能價(jià)值當(dāng)量3078．92809．3平均電能當(dāng)量價(jià)值總電量效益1900．單位電量效益五．結(jié)語

背壓機(jī)組的發(fā)電量取決于供熱量的大小，對(duì)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)的巨大蓄能能力而進(jìn)行調(diào)峰運(yùn)行。如果這一運(yùn)行方式得以實(shí)現(xiàn)并加以推廣，對(duì)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(jì)算數(shù)據(jù)表明，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(shí)，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。

實(shí)施并推廣這種運(yùn)行方式需要一定的有效措施做保證，如電力系統(tǒng)對(duì)熱電廠的合理調(diào)度及對(duì)熱電廠發(fā)電采取分時(shí)電價(jià)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(shí)，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(shí)，主蒸汽量也改變?？紤]到鍋爐的安全運(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，一般要比這一范圍小。

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