王明坤,高 林,郇慶秋,王 林,周俊波,侯玉婷,郭亦文
基于太陽能和燃?xì)獾亩嗄芑パa系統(tǒng)熱電負(fù)荷分配技術(shù)研究
王明坤,高 林,郇慶秋,王 林,周俊波,侯玉婷,郭亦文
(西安熱工研究院有限公司,陜西 西安 710054)
隨著新能源大規(guī)模并網(wǎng),多能互補是電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢,對于擁有多臺并列運行機組的熱電聯(lián)產(chǎn)電廠面臨著基于廠級的負(fù)荷分配問題。本文通過研究光伏電站和燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的運行特性,確定機組的調(diào)度限制范圍,并選定典型日負(fù)荷曲線對多能互補系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度計算,獲得實時負(fù)荷分配結(jié)果;同時,通過對同一負(fù)荷下不同機組運行組合方式的研究,獲得該負(fù)荷下最優(yōu)的運行組合方式。仿真計算表明:對于本文的研究對象,兩抽凝式組合氣耗量最小,一背一抽式次之,3臺機組同時運行氣耗量較大,因此,在機組運行限度范圍內(nèi),應(yīng)優(yōu)先選用兩抽凝式運行組合方式;每日在11:00—22:00時間段采用3臺機組同時運行,其余時間段內(nèi)采用2臺抽凝式機組運行,可以有效降低機組啟停次數(shù)。該結(jié)論在實現(xiàn)節(jié)能降耗的同時,為熱電負(fù)荷調(diào)度提供數(shù)據(jù)和理論支持。
太陽能;燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán);多能互補;負(fù)荷分配;節(jié)能減排;氣耗量;仿真計算
隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展,居民生活和工業(yè)對于電能、熱能和冷能的需求也日益增高。為了更好地解決用戶的不同需求,基于不同能源之間的多能互補系統(tǒng)是一種有效的方式,通過統(tǒng)籌安排不同能源之間的分配關(guān)系,以取得最合理能源利用效果與收益。另一方面,由于能源緊缺、環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重,為了滿足可持續(xù)發(fā)展需求,太陽能等新能源與其他能源形成的多能互補也是電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢[1-3]。
目前,太陽能是發(fā)展較快的新能源之一,能有效解決化石能源帶來的環(huán)境和溫室效應(yīng)等問題,許多國家都將其視為戰(zhàn)略性替代能源。利用光伏發(fā)電或者光熱發(fā)電技術(shù)可以將太陽能轉(zhuǎn)化為電能[4-5],也可以利用太陽能實現(xiàn)供熱、供汽功能[6-7]。現(xiàn)有的太陽能供電供熱技術(shù)配有大容量蓄電池,具有幾小時的儲能功能,但是時間仍然達(dá)不到用戶需求。給某一區(qū)域供給熱電負(fù)荷,必須配置相應(yīng)的較為穩(wěn)定的能源系統(tǒng)。目前,燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組是供熱系統(tǒng)中普遍采用的方式之一,而基于太陽能和燃?xì)鈾C組的多能互補系統(tǒng)作為供熱供電系統(tǒng),不僅解決了太陽能的波動性難題,而且能有效降低常規(guī)能源消耗,進(jìn)而實現(xiàn)節(jié)能減排的目的[8-9]。
受天氣影響每日太陽能可以提供的電、熱負(fù)荷具有很大的隨機性,并且每日用戶熱電負(fù)荷也呈現(xiàn)一定的波動性,這使得多臺分布式燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組需要根據(jù)實時需求做出相應(yīng)的調(diào)整。另一方面,隨著電力市場改革的不斷深入,需要在購電成本最低的前提下實現(xiàn)電網(wǎng)區(qū)域調(diào)度,因此擁有多臺并列運行機組的熱電廠不得不面臨基于廠級的負(fù)荷分配問題,負(fù)荷優(yōu)化分配將成為熱電廠一項重要的節(jié)能優(yōu)化措施[10-12]。
本文首先對光伏電站和燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的運行特性進(jìn)行研究,確定機組的調(diào)度限制范圍,并選定典型日負(fù)荷曲線對多能互補系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度計算,獲得實時負(fù)荷分配結(jié)果;然后,通過對同一負(fù)荷下不同機組運行組合方式的研究,獲得該負(fù)荷下最優(yōu)的運行組合方式,為多能互補系統(tǒng)的熱電負(fù)荷調(diào)度提供數(shù)據(jù)和理論支持。
本文選取基于太陽能和燃?xì)獾亩嗄芑パa系統(tǒng)作為區(qū)域供熱供電系統(tǒng),區(qū)域電網(wǎng)配置示意如圖1所示。該系統(tǒng)由1個光伏電站、1臺燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組(背壓式汽輪機)和2臺燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組(抽凝式汽輪機)構(gòu)成,通過優(yōu)化控制調(diào)度多能互補系統(tǒng)內(nèi)機組運行組合方式和負(fù)荷分配,來實時滿足用戶的熱電負(fù)荷需求。
圖1 區(qū)域電網(wǎng)配置示意
圖2為某30 MW光伏電站的典型日光伏發(fā)電出力曲線。由圖2可以看出:在沒有光照的時間段,如0:00—6:00和20:00—24:00內(nèi),該光伏電站沒有出力;光照強度在12:00時達(dá)到最大,出力可以達(dá)到約25 MW。因此,光伏發(fā)電系統(tǒng)具有間歇性和隨機性,必須與其他能源進(jìn)行互補發(fā)電。
圖2 某典型日光伏電站出力曲線
首先分析某些重要參數(shù)對不同類型機組燃?xì)?蒸汽循環(huán)效率曲線的影響,獲得燃機負(fù)荷與燃機效率、聯(lián)合循環(huán)總效率之間的關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可以看出:燃機效率隨著負(fù)荷率的降低呈現(xiàn)大幅下降的趨勢,在部分負(fù)荷工況下燃機效率較差;背壓式機組聯(lián)合循環(huán)效率變化趨勢并不明顯,在負(fù)荷變化范圍內(nèi)聯(lián)合效率均在85%左右;在燃機低負(fù)荷時,蒸汽循環(huán)的效率可以平衡一部分效率。
圖3 背壓式機組燃機負(fù)荷率、效率、聯(lián)合循環(huán)效率關(guān)系曲線
圖4為抽凝式機組100%燃機負(fù)荷工況下抽汽量、聯(lián)合循環(huán)效率、熱電比關(guān)系曲線。由圖4可以看出:在同一燃機負(fù)荷下,熱電比隨著抽汽量增加呈現(xiàn)上升趨勢;同時對于抽凝式機組而言,聯(lián)合循環(huán)效率呈現(xiàn)明顯的上升趨勢,表明抽汽量越多,即熱負(fù)荷占比越高,其聯(lián)合循環(huán)效率越高。
圖4 抽凝式機組抽汽量、聯(lián)合循環(huán)效率、熱電比關(guān)系曲線
可以看出,無論是何種類型的聯(lián)合循環(huán)機組,供熱負(fù)荷對機組的循環(huán)效率影響較大,且由于熱負(fù)荷和電負(fù)荷評價指標(biāo)之間無法直接進(jìn)行比較分析,故選取燃?xì)饬窟@一能耗指標(biāo)進(jìn)行后續(xù)分析。
本文選取熱負(fù)荷、電負(fù)荷和環(huán)境溫度等影響能耗的3個關(guān)鍵參數(shù)作為研究對象,忽略其他參數(shù)對能耗的影響。其中,機組的熱、電負(fù)荷直接影響能耗量,環(huán)境溫度不僅影響機組進(jìn)氣密度從而影響壓氣機進(jìn)口空氣質(zhì)量流量,而且還對燃?xì)廨啓C排汽溫度和流量產(chǎn)生影響[13]。在此基礎(chǔ)上,選取環(huán)境溫度20℃工況下某廠燃?xì)?蒸汽聯(lián)合機組的特性進(jìn)行分析,更為直觀地了解熱電負(fù)荷對能耗的影響規(guī)律。
2.2.1背壓式汽輪機特性
背壓式汽輪機組的工作特點是在一定的排汽參數(shù)下供應(yīng)熱用戶規(guī)定的蒸汽量,同時供給電用戶一定的電能。背壓式汽輪機采用以熱定電模式,供熱量一旦確定,其機組的電負(fù)荷、燃料量也隨之確定。熱負(fù)荷、電負(fù)荷、燃料量等一一對應(yīng),無法通過單獨調(diào)節(jié)同時滿足熱負(fù)荷和電負(fù)荷的需求。因此,對于一個同時裝有多類型機組的發(fā)電廠而言,需進(jìn)行廠級負(fù)荷分配,首先要確定背壓機組所提供熱負(fù)荷量,以此來確定承擔(dān)的發(fā)電出力,進(jìn)而確定其他機組承擔(dān)的熱電總負(fù)荷,對其他機組進(jìn)行再次分配,從而完成負(fù)荷的優(yōu)化分配工作。圖5為某燃機額定出力為50 MW的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)(背壓式)機組的電、熱、燃?xì)饬筷P(guān)系曲線。
圖5 某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)(背壓式)機組的電、熱、燃?xì)饬筷P(guān)系曲線
2.2.2抽凝式汽輪機特性
抽凝式汽輪機機組是指將做過功的一部分蒸汽從汽輪機中間抽出供給熱用戶,其余蒸汽繼續(xù)膨脹做功,最后排至凝汽器凝結(jié),可同時滿足熱、電兩種負(fù)荷的需要。
抽凝式汽輪機的熱負(fù)荷、電負(fù)荷與燃?xì)饬康年P(guān)系為三維曲線,熱負(fù)荷和電負(fù)荷是影響燃?xì)饬康膬蓚€變量。通過性能試驗或者歷史數(shù)據(jù)分析擬合,獲得不同燃機負(fù)荷下熱負(fù)荷與電負(fù)荷之間的關(guān)系曲線如圖6所示。由圖6可以看出,燃機負(fù)荷一定時,熱負(fù)荷與電負(fù)荷基本呈線性關(guān)系,即燃機負(fù)荷不變時,其汽輪機主蒸汽量一定,抽汽量越大,熱負(fù)荷隨之越大,電負(fù)荷隨之越小。因此,可以利用這一特性對變量進(jìn)行降維,降低運算變量維度,能有效減少多變量優(yōu)化的運算量。
圖6 某抽凝式汽輪機機組電、熱、燃?xì)饬筷P(guān)系曲線
燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的負(fù)荷優(yōu)化分配數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜,而且不同類型機組特性又有所區(qū)別,因此,需要尋求一種能統(tǒng)一計算各類型機組的算法。熱電聯(lián)產(chǎn)機組不僅要求分配電負(fù)荷,同時還要分配熱負(fù)荷,這就要求算法能同時適應(yīng)兩種能量形式,可同時考慮多個變量對煤耗的影響。熱電廠負(fù)荷優(yōu)化分配實質(zhì)上就是在同時滿足總的熱電負(fù)荷要求的基礎(chǔ)上,在各機組之間合理分配負(fù)荷,使總的燃料消耗量最小,實現(xiàn)最經(jīng)濟運行。
隨著電力設(shè)備自動化、信息化程度的不斷提高,電廠存在大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù),可以有效地獲得機組的歷史、實時運行狀態(tài),通過動態(tài)數(shù)據(jù)挖掘手段采集分析,獲得機組不同變量下的能耗特性,進(jìn)而為負(fù)荷分配提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[14-15]。
方案1:首先針對燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組穩(wěn)定工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取分析,并把穩(wěn)定工況按照環(huán)境溫度進(jìn)行分組擬合,獲得典型環(huán)境溫度下,熱負(fù)荷、電負(fù)荷和能耗的關(guān)系特性;其次對當(dāng)前溫度進(jìn)行插值,從而獲得當(dāng)前機組能耗特性;最后需要定時定期對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行更新,獲得最新機組能耗特性,從而實現(xiàn)較好的負(fù)荷分配。
方案2:由于環(huán)境溫度變化不大,可以利用計算機數(shù)據(jù)挖掘,在短時間內(nèi)快速搜索篩選歷史數(shù)據(jù)中當(dāng)前溫度附近的熱負(fù)荷、電負(fù)荷和能耗關(guān)系曲線,并對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,從而進(jìn)行下一步負(fù)荷分配。
熱電負(fù)荷分配的目標(biāo)函數(shù)為當(dāng)前環(huán)境溫度下全廠氣耗量的最小值。由于光電是可再生能源,應(yīng)在滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上,盡可能優(yōu)先光電并網(wǎng),以有效降低全廠氣耗量。
首先用戶總熱負(fù)荷是由燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組提供,可以根據(jù)當(dāng)前用戶總熱負(fù)荷retot算出聯(lián)合循環(huán)機組電負(fù)荷可以達(dá)到的上下限邊界;根據(jù)當(dāng)前光伏電站的發(fā)電量solarmax與用戶總電負(fù)荷diantot進(jìn)行判斷,如果光伏電站發(fā)電量全部并網(wǎng),聯(lián)合循環(huán)機組電負(fù)荷在可以達(dá)到的上下限邊界內(nèi),光伏發(fā)電量全部并網(wǎng),并直接進(jìn)行聯(lián)合循環(huán)熱電負(fù)荷分配;如果不滿足上下限邊界條件,低于下邊界時,證明聯(lián)合循環(huán)發(fā)電量不足,應(yīng)降低光伏電站并網(wǎng)電量使得聯(lián)合循環(huán)發(fā)電量達(dá)到最低發(fā)電,將這一部分能量通過蓄電池組進(jìn)行存儲,到夜晚無光照時再次釋放;高于上邊界時,證明聯(lián)合循環(huán)機組在供熱達(dá)到要求時最大的發(fā)電量以及光伏發(fā)電量全部并網(wǎng)仍不滿足用戶需要的電量,因此需要申請電網(wǎng)調(diào)度從外網(wǎng)接入電源;光伏全部并網(wǎng)后,聯(lián)合循環(huán)機組熱負(fù)荷分配原理公式如下。
全廠氣耗量的最小值:
約束條件為:
式中:、Bbici分別為全廠、第臺機組的氣耗量、第臺背壓機組的氣耗量、第臺抽凝機組的氣耗量;為全廠背壓機組總數(shù);為全廠背壓機組總數(shù);為第臺機組的運行狀態(tài)(1表示運行,0表示停運);retotdiantot分別為全廠總熱負(fù)荷、全廠總電負(fù)荷;breicreibdianicdiani分別為第臺背壓機組的熱負(fù)荷、抽凝機組的熱負(fù)荷、背壓機組的電負(fù)荷、抽凝機組的電負(fù)荷;solarmax為光伏發(fā)電最大并網(wǎng)電量;brei,xxbrei,sxcrei,xxcrei,xx分別為第臺背壓機組、抽凝機組熱負(fù)荷的上、下限;bdiani,xxbdiani,sxcdiani,xxbdiani,sx分別為第臺背壓機組、抽凝機組電負(fù)荷的上、下限。
抽凝機組的ci與該機組的熱負(fù)荷和電負(fù)荷相關(guān),可以通過擬合歷史數(shù)據(jù),獲得該抽凝機組氣耗量的關(guān)系如式(3)所示。
綜上所述,多能互補系統(tǒng)的智能熱電負(fù)荷分配技術(shù)方案計算流程示意如圖7所示。
圖7 熱電負(fù)荷分配技術(shù)方案流程
以基于太陽能和燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的多能互補系統(tǒng)為研究對象,全廠氣耗量的最小值作為目標(biāo)值,對不同工況下,多能互補系統(tǒng)的熱電分配進(jìn)行仿真計算。圖8給出了該區(qū)域熱電總負(fù)荷、光伏發(fā)電出力以及聯(lián)合循環(huán)機組出力的關(guān)系曲線。
圖8 某區(qū)域光伏、聯(lián)合循環(huán)機組日負(fù)荷及出力示意
由圖8可以看出,區(qū)域內(nèi)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組出力以及熱負(fù)荷已知,光伏出力在6:00—20:00區(qū)域內(nèi)均小于區(qū)域總電負(fù)荷,經(jīng)計算光伏電站出力全部并網(wǎng),聯(lián)合循環(huán)機組出力并未超過熱電出力上限,因此光伏出力可以全部并網(wǎng)。
分析認(rèn)為,多能互補系統(tǒng)的熱能分配問題可以簡化為3臺聯(lián)合循環(huán)機組之間的熱電負(fù)荷分配問題。基于不同類型聯(lián)合循環(huán)機組的性能特性對互補系統(tǒng)熱電負(fù)荷分配進(jìn)行計算,結(jié)果見表1,其中燃機1和燃機2為抽凝式汽輪機機組,燃機3為背壓式汽輪機機組。由表1可見:在一般工況下,機組2臺抽凝機組運行即可達(dá)到運行最優(yōu)工況,2臺機組運行時較少出現(xiàn)1臺背壓機組和1臺抽凝機組聯(lián)合運行的情況,這說明相同運行工況下,2臺抽凝機組運行要優(yōu)于一背一抽式機組;同時只有在時刻為18:00,即聯(lián)合循環(huán)機組總電出力為112.25 MW和總熱出力為95.25 MW時,超過2臺抽凝機組的上限,無法達(dá)到需求;負(fù)荷繼續(xù)升高時,如在19:00時,聯(lián)合循環(huán)機組總電出力為110.98 MW和總熱出力為101.79 MW,2臺抽凝機組和一背一抽組合無法滿足運行需求,需要3臺機組同時運行。
選取表1中時刻5:00為研究對象,此時聯(lián)合循環(huán)電出力為93.392 5 MW和熱出力為62.633 1 MW,計算當(dāng)前負(fù)荷工況下,不同組合方式的耗氣量,結(jié)果見表2。由表2可見:基于本文研究對象的性能特性,兩抽凝式組合氣耗量最小,一背一抽式次之,3臺機組同時運行氣耗量較大;相同負(fù)荷下,兩抽凝式運行比一背一抽式氣耗量降低了81.78 m3/h,低了約0.36%;相較于3臺機組運行氣耗量降低了2 346.73 m3/h,降低了約10.38%,可以有效實現(xiàn)節(jié)能減排的目的,為企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟收益。因此在負(fù)荷調(diào)度時,在機組運行限度范圍內(nèi),應(yīng)優(yōu)先選用兩抽凝式運行組合方式。
表1 熱電負(fù)荷分配計算結(jié)果
Tab.1 The calculation results of heat-electric load distribution
表2 同一工況下不同機組組合方式的氣耗量計算結(jié)果
Tab.2 The calculation results of gas consumption for different unit combinations under a certain condition
另外,由于地區(qū)日熱電總負(fù)荷變化趨勢和幅度呈現(xiàn)類似性,為了避免頻繁啟停,選擇在熱電高負(fù)荷階段采用3臺機組同時運行,在低負(fù)荷階段采用兩抽凝機組組合運行,提前規(guī)劃出啟停次數(shù)較少的機組運行組合,經(jīng)機組組合優(yōu)化后的熱電分配結(jié)果見表3。由表3可見,在11:00—22:00時 間段內(nèi)采用3臺機組同時運行,其余時間段內(nèi)采用2臺抽凝式機組運行,這樣可以有效降低機組啟停次數(shù),在實現(xiàn)節(jié)能降耗的同時,可為運行人員提 供數(shù)據(jù)支持。
表3 熱電負(fù)荷分配計算優(yōu)化結(jié)果
Tab.3 The optimized calculation results of heat-electric load distribution
1)通過負(fù)荷分配算法可以有效計算出當(dāng)前環(huán)境溫度下光伏電站、多臺燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)的熱電分配,直接以總氣耗量最小為目標(biāo),充分考慮熱電負(fù)荷調(diào)度范圍限制,確定最優(yōu)的運行組合方式和相應(yīng)的負(fù)荷分配。
2)通過大數(shù)據(jù)挖掘,可以快速地從機組歷史數(shù)據(jù)中獲得當(dāng)前運行工況下機組變量與能耗之間的關(guān)系數(shù)據(jù),并為熱電負(fù)荷分配調(diào)度范圍提供依據(jù),從而對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行計算,能準(zhǔn)確地獲得計算結(jié)果。
3)對于本文的研究對象,兩抽凝式組合氣耗量最小,一背一抽式次之,3臺機組同時運行氣耗量較大,因此在負(fù)荷調(diào)度時,在機組運行限度范圍內(nèi),應(yīng)優(yōu)先選用兩抽凝式運行組合方式。另外,在時刻為11:00—22:00時間段內(nèi)采用3臺機組同時運行,其余時間段內(nèi)采用2臺抽凝式機組運行,可以有效降低機組啟停次數(shù),提高機組運行能力。
4)由于太陽能、風(fēng)能等可再生能源大規(guī)模并網(wǎng),區(qū)域內(nèi)熱電調(diào)度問題越來越受到重視,合理的調(diào)度不僅能保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定,并且可以有效降低機組運行能耗,提高機組的經(jīng)濟性和市場競爭力。
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Research on heat-electric load distribution for multi-energy complementary system based on solar and gas
WANG Mingkun, GAO Lin, HUAN Qingqiu, WANG Lin, ZHOU Junbo, HOU Yuting, GUO Yiwen
(Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)
With the large-scale integration of new energy sources, multi-energy complementary is an inevitable trend of power grid development. For cogeneration plants with multiple parallel operating units, they are faced with plant-level load distribution issues. By studying the operating characteristics of photovoltaic power plants and gas-steam combined cycle units, the scheduling limits are determined in this paper. The typical daily load curve is selected to complete the scheduling calculation for multi-energy complementary system, and the real-time load distribution results are obtained. Meanwhile, the optimal combination mode can be obtained through the research on different operation combination modes under the same load. The simulation calculations show that, the gas consumption of double-condensing unit operation mode is the least, followed by a back and a condensing unit operation mode. The gas consumption of three-unit operating mode is the most. Therefore, within the operating limits, the double-condensing unit operation mode should be preferred. The three-unit operating mode should be operated simultaneously during the period of 11:00—22:00 to effectively reduce the number of starts and stops. It provides data and theoretical support for heat-electric load distribution while achieving energy saving and consumption reduction.
solar energy, gas-steam combined cycle, multi-energy complementary, load distribution, energy conservation and emission reduction, gas consumption, simulation calculation
TK51
A
10.19666/j.rlfd.201904080
王明坤, 高林, 郇慶秋, 等. 基于太陽能和燃?xì)獾亩嗄芑パa系統(tǒng)熱電負(fù)荷分配技術(shù)研究[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(7): 39-46. WANG Mingkun, GAO Lin, HUAN Qingqiu, et al. Research on heat-electric load distribution for multi-energy complementary system based on solar and gas[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(7): 39-46.
2019-04-15
王明坤(1988—),男,博士,工程師,主要研究方向為智能電站控制技術(shù),wangmingkun@tpri.com.cn。
(責(zé)任編輯 馬昕紅)