(大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，大連 116024)

0 引 言

我國(guó)北方地區(qū)供熱期熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組(CHP)“以熱定電”的運(yùn)行方式使得機(jī)組調(diào)峰能力受限，嚴(yán)重限制了電力系統(tǒng)的靈活性[1]，與可再生能源隨機(jī)性、波動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)相矛盾，無(wú)法滿(mǎn)足新能源發(fā)電高比例并網(wǎng)的要求。因此需要深入研究熱能和電能的協(xié)調(diào)方法，以實(shí)現(xiàn)熱能和電能的協(xié)調(diào)調(diào)度。熱能相比于電能，熱能的易存儲(chǔ)、難傳輸與電能的易傳輸、難存儲(chǔ)存在著天然的互補(bǔ)特性[2]，然而電力系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)往往作為兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)分開(kāi)運(yùn)行，難以統(tǒng)一規(guī)劃調(diào)度，嚴(yán)重阻礙了熱能與電能的協(xié)調(diào)互補(bǔ)[3]。因此對(duì)熱能和電能進(jìn)行聯(lián)合分析和優(yōu)化，對(duì)于實(shí)現(xiàn)熱能和電能的協(xié)調(diào)互補(bǔ)，提高能源利用效率和可再生能源的消納能力具有十分重要的意義。

熱電聯(lián)合調(diào)度方案主要可分為以下三個(gè)方面：(1)對(duì)于抽汽式CHP機(jī)組，通過(guò)改變抽汽量的方式改變CHP機(jī)組的熱電比，可在一定程度上提高CHP機(jī)組的靈活性[4]；(2)以系統(tǒng)的運(yùn)行成本最小或可再生能源的消納比例最高為目標(biāo)，在設(shè)備容量和供需平衡的約束下，對(duì)包含可再生能源的熱電聯(lián)合系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度[5-6]；(3)在熱電聯(lián)合系統(tǒng)內(nèi)增加電鍋爐或者儲(chǔ)熱裝置，增強(qiáng)電能和熱能的轉(zhuǎn)換關(guān)系，以提高系統(tǒng)的靈活性[7-8]。本文在上述研究?jī)?nèi)容的基礎(chǔ)上，以系統(tǒng)的運(yùn)行成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，以一個(gè)實(shí)際應(yīng)用案例為例，建立了熱能和電能的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，對(duì)比分析了在系統(tǒng)中分別添加電鍋爐和儲(chǔ)熱裝置等不同場(chǎng)景對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度策略、各設(shè)備的出力情況以及風(fēng)電消納能力的影響，并進(jìn)一步研究了系統(tǒng)在不同場(chǎng)景下的風(fēng)電消納機(jī)理。本文的研究?jī)?nèi)容旨在對(duì)電鍋爐和儲(chǔ)熱裝置在實(shí)際能源系統(tǒng)中的具體應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 包含電鍋爐和儲(chǔ)熱的熱電聯(lián)合系統(tǒng)

熱電聯(lián)合系統(tǒng)是一個(gè)包含電力網(wǎng)絡(luò)和供熱網(wǎng)絡(luò)以及熱電耦合設(shè)備的統(tǒng)一有機(jī)整體，電力網(wǎng)絡(luò)和供熱網(wǎng)絡(luò)通過(guò)熱電耦合設(shè)備相互影響和交互。電熱聯(lián)合系統(tǒng)有多種不同的能源結(jié)構(gòu)形式，本文所研究主要為一個(gè)包含熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、風(fēng)力發(fā)電、電鍋爐和儲(chǔ)熱罐等裝置的熱電聯(lián)合系統(tǒng)，其中電力網(wǎng)絡(luò)和供熱網(wǎng)絡(luò)通過(guò)CHP、電鍋爐和循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)熱能與電能的耦合轉(zhuǎn)換。以下分別對(duì)它們的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行介紹。

(1)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組主要可以分為背壓式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組兩種類(lèi)型[9]。背壓式機(jī)組的熱電比基本不可調(diào)節(jié)，而抽凝式機(jī)組可以通過(guò)改變抽汽量的方式在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)機(jī)組運(yùn)行的熱電比。

背壓式機(jī)組熱功率出力與電功率出力的關(guān)系如式(1)所示：

(1)

式中，PCHP為機(jī)組的電功率出力；HCHP為機(jī)組的熱功率出力；ψ為機(jī)組的熱電比。

抽凝式機(jī)組熱功率出力與電功率出力的關(guān)系如式(2)所示：

(2)

式中，χ是抽凝式機(jī)組的運(yùn)行特性參數(shù)，表示因抽取蒸汽而產(chǎn)生的熱功率增加量與電功率減少量的比值；Pcon表示當(dāng)機(jī)組在純凝模式下時(shí)的電功率出力。

(2)電鍋爐

電鍋爐是一種通過(guò)電流的熱效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換為熱能的供熱設(shè)備。電鍋爐的熱效率是電鍋爐將電能轉(zhuǎn)換為熱能的主要參數(shù)，其關(guān)系式為：

(3)

式中，ηEB為電鍋爐的熱效率；HEB為電鍋爐的供熱功率；PEB為電鍋爐消耗的電功率。

(3)循環(huán)泵

循環(huán)泵是維持載熱流體在供熱網(wǎng)絡(luò)中循環(huán)流動(dòng)的機(jī)械設(shè)備，通過(guò)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，為流體的流動(dòng)提供壓力。循環(huán)泵的電功率與流量和揚(yáng)程有關(guān)，關(guān)系如下式所示：

(4)

(4)儲(chǔ)熱裝置

儲(chǔ)熱裝置一般是根據(jù)熱量的供求關(guān)系，將熱量進(jìn)行短期存儲(chǔ)和釋放的容器設(shè)備。當(dāng)儲(chǔ)熱裝置的熱損失忽略不計(jì)時(shí)，儲(chǔ)熱裝置內(nèi)部存儲(chǔ)的熱量與其熱功率出力的關(guān)系如式(5)所示：

(5)

2 熱電聯(lián)合系統(tǒng)調(diào)度模型

為了分析電鍋爐和儲(chǔ)熱裝置對(duì)降低運(yùn)行成本的作用，并分析二者對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行策略和風(fēng)電消納能力的影響，本節(jié)以系統(tǒng)的運(yùn)行成本最低為目標(biāo)，建立了熱電聯(lián)合系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度模型。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

本文建立的優(yōu)化調(diào)度模型以系統(tǒng)的運(yùn)行成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，系統(tǒng)的運(yùn)行成本主要包括：熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的燃料成本和外購(gòu)電成本，其表達(dá)式如式(6)所示：

(6)

2.2 約束條件

模型的約束條件除包括式(1)-式(6)所示的設(shè)備模型約束外,還應(yīng)包括電網(wǎng)平衡和熱網(wǎng)平衡的等式約束條件以及各設(shè)備的出力限制的不等式約束條件。

(1)電網(wǎng)平衡約束

電力系統(tǒng)的平衡可分為有功功率平衡和無(wú)功功率平衡，對(duì)于每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，它們均可用電網(wǎng)的潮流方程表示：

(7)

式中，i、k分別為節(jié)點(diǎn)的編號(hào)；P為節(jié)點(diǎn)的有功功率；Q為節(jié)點(diǎn)的無(wú)功功率；U為節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓幅值；G為節(jié)點(diǎn)之間的電導(dǎo)；B為節(jié)點(diǎn)之間的電納；φ為節(jié)點(diǎn)之間的電壓相角。

(2)熱網(wǎng)平衡約束

熱網(wǎng)的平衡約束可分為水力平衡約束和熱力平衡約束。對(duì)于水力平衡，由流量連續(xù)方程可知，流入熱網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i的所有質(zhì)量流量之和等于流出該節(jié)點(diǎn)的所有質(zhì)量流量之和，即：

(8)

此外，水力平衡還應(yīng)考慮流體流動(dòng)過(guò)程中的壓力損失，即沿著基本閉合回路上所有支路兩端水頭損失的代數(shù)和等于零。如式(9)所示：

(9)

式中，l為基本閉合回路的編號(hào)；j為屬于基本閉合回路s中的支路的編號(hào)；k為支路的管道阻力特性系數(shù)；hz為支路的末端與始端的高度差；hp為管道附件的壓強(qiáng)水頭。

對(duì)于熱力平衡，由能量守恒知，流入熱網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i的所有熱量之和等于流出該節(jié)點(diǎn)的所有熱量之和，即：

(10)

式中，Tin和Tout分別為支路的進(jìn)口溫度和出口溫度。

考慮熱網(wǎng)中流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)因向環(huán)境散熱而產(chǎn)生的的能量損失，應(yīng)有：

(11)

式中，λ為支路的散熱系數(shù)；L為支路的長(zhǎng)度；ΔT為散熱溫差；cp為流體的比熱容。

(3)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組出力約束

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的出力受其最大功率和爬坡速率的限制，即：

(12)

(13)

式中，PCHP，max、RCHP分別是熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的最大發(fā)電功率和最大爬坡速率。

(4)儲(chǔ)熱裝置出力約束

與熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組類(lèi)似，儲(chǔ)熱裝置的出力也受其容量和充放熱功率所限制，即對(duì)所有的時(shí)段t,都有：

(14)

(15)

式中，QS,max、RS分別為儲(chǔ)熱裝置的最大儲(chǔ)熱容量和充放熱的速率。

由于儲(chǔ)熱裝置本身不能夠產(chǎn)生熱量，為了維持儲(chǔ)熱裝置充放熱的連續(xù)性，需要保證儲(chǔ)熱罐在周期結(jié)束時(shí)存儲(chǔ)的熱量等于初始時(shí)刻罐內(nèi)存儲(chǔ)的熱量，即一個(gè)周內(nèi)儲(chǔ)熱裝置充放熱的總和等于零。

(16)

(5)電鍋爐出力約束

電鍋爐的出力受其所消耗的最大電功率的限制，即：

(17)

式中，PEB,max為電鍋爐的最大功率。

(6)風(fēng)電出力約束

風(fēng)電出力受當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力條件所限制，風(fēng)電的電出力不能超過(guò)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力發(fā)電的預(yù)測(cè)值。

(18)

3 算例分析

3.1 算例數(shù)據(jù)

為了對(duì)電鍋爐和儲(chǔ)熱裝置對(duì)風(fēng)電消納的影響效果和影響機(jī)理進(jìn)行分析，基于本文所建立的優(yōu)化調(diào)度模型，以某實(shí)際熱電聯(lián)合系統(tǒng)為例進(jìn)行優(yōu)化。系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖可簡(jiǎn)化為如圖1所示。

圖1 熱電聯(lián)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

系統(tǒng)的所有負(fù)荷可簡(jiǎn)化為6個(gè)電負(fù)荷和8個(gè)熱負(fù)荷。電負(fù)荷通過(guò)CHP機(jī)組和風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行供電，供電不足部分可向外部電網(wǎng)進(jìn)行購(gòu)電作為補(bǔ)充；熱負(fù)荷通過(guò)CHP機(jī)組進(jìn)行供熱。系統(tǒng)的逐時(shí)總負(fù)荷和風(fēng)電預(yù)測(cè)出力情況如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的逐時(shí)總負(fù)荷與風(fēng)電出力預(yù)測(cè)

以圖1所示的案例為例，本文分別優(yōu)化得到了在系統(tǒng)中加入電鍋爐和儲(chǔ)熱裝置等四種不同場(chǎng)景下的調(diào)度方案，并對(duì)四種場(chǎng)景下的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了分析。四種優(yōu)化場(chǎng)景的配置見(jiàn)表1。

表1 四種優(yōu)化場(chǎng)景

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

(1)不同場(chǎng)景優(yōu)化效果分析

在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)，四種場(chǎng)景下系統(tǒng)的風(fēng)電消納比例和運(yùn)行成本見(jiàn)表2。

表2 不同場(chǎng)景下風(fēng)電消納比例和運(yùn)行成本

根據(jù)表2的優(yōu)化結(jié)果，就提升風(fēng)電消納效果而言，場(chǎng)景4>場(chǎng)景2>場(chǎng)景3>場(chǎng)景1;就降低系統(tǒng)運(yùn)行成本效果而言，場(chǎng)景4>場(chǎng)景3>場(chǎng)景2>場(chǎng)景1?？芍友b電鍋爐場(chǎng)景的風(fēng)電消納能力要優(yōu)于加裝儲(chǔ)熱裝置，而加裝儲(chǔ)熱裝置比加裝電鍋爐更能降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

(2)電鍋爐和儲(chǔ)熱裝置風(fēng)電消納機(jī)理研究

為了研究電鍋爐和儲(chǔ)熱裝置的風(fēng)電消納機(jī)理，分別對(duì)比分析了系統(tǒng)在場(chǎng)景2(加裝電鍋爐)、場(chǎng)景3(加裝儲(chǔ)熱裝置)和場(chǎng)景4(加裝電鍋爐和儲(chǔ)熱裝置)下熱網(wǎng)與電網(wǎng)所承擔(dān)實(shí)際電負(fù)荷、實(shí)際熱負(fù)荷的逐時(shí)分布與場(chǎng)景1(未加裝電鍋爐與儲(chǔ)熱裝置)下原電負(fù)荷、原熱負(fù)荷的逐時(shí)分布。對(duì)比結(jié)果分別如圖3-圖5所示。

圖4 場(chǎng)景3下逐時(shí)負(fù)荷對(duì)比

圖5 場(chǎng)景4下逐時(shí)負(fù)荷對(duì)比

由圖3知，在加裝電鍋爐時(shí)，系統(tǒng)的電負(fù)荷在低谷時(shí)被提高，而熱負(fù)荷在高峰時(shí)被降低，因此電鍋爐是通過(guò)對(duì)電負(fù)荷進(jìn)行“填谷”，并對(duì)熱負(fù)荷進(jìn)行“削峰”，從而消除系統(tǒng)熱負(fù)荷和電負(fù)荷在不同的時(shí)段的峰谷差。由圖4可知，在加裝儲(chǔ)熱裝置時(shí)，系統(tǒng)電負(fù)荷并未受影響，即原電負(fù)荷與實(shí)際電負(fù)荷在圖4中顯示為同一條線。而熱負(fù)荷則在高峰時(shí)被降低，在低谷時(shí)被提高，即儲(chǔ)熱裝置將高峰時(shí)段的部分熱量需求轉(zhuǎn)移給了低谷時(shí)段，從而降低電熱之間的負(fù)荷峰谷差。由于儲(chǔ)熱裝置本身并不能產(chǎn)生熱量，且受設(shè)備的容量限制，對(duì)熱量的轉(zhuǎn)移能力有限，因此這種方式提升風(fēng)電消納的能力不大，但可顯著降低外購(gòu)電成本。根據(jù)圖5可知，當(dāng)同時(shí)加裝電鍋爐和儲(chǔ)熱裝置時(shí)，系統(tǒng)既可實(shí)現(xiàn)電負(fù)荷和熱負(fù)荷的“削峰填谷”，也可對(duì)不同時(shí)段的熱量需求進(jìn)行轉(zhuǎn)移，因此在四種場(chǎng)景中，場(chǎng)景4提高風(fēng)電消納的能力和降低系統(tǒng)運(yùn)行成本的效果均為最好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了考慮電鍋爐和儲(chǔ)熱裝置的熱電聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，并以一個(gè)實(shí)際的案例分析了四種不同場(chǎng)景下的風(fēng)電消納效果和消納機(jī)理，研究結(jié)果總結(jié)如下：

(1)在系統(tǒng)加裝電鍋爐和儲(chǔ)熱裝置均可提高風(fēng)電消納能力并降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本，其中加裝電鍋爐場(chǎng)景的風(fēng)電消納能力要優(yōu)于加裝儲(chǔ)熱裝置，而加裝儲(chǔ)熱裝置比加裝電鍋爐更能降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

(2)電鍋爐主要是通過(guò)對(duì)電負(fù)荷和熱負(fù)荷分別進(jìn)行“填谷”和“削峰”，以消除系統(tǒng)熱負(fù)荷和電負(fù)荷在不同的時(shí)段的峰谷差，從而顯著增強(qiáng)風(fēng)電的消納能力，但電鍋爐并不能減少外購(gòu)電的成本。

(3)儲(chǔ)熱裝置主要是通過(guò)周期性的儲(chǔ)熱和放熱將系統(tǒng)在高峰時(shí)段的部分熱量需求轉(zhuǎn)移給了低谷時(shí)段，以降低電熱負(fù)荷之間的峰谷差，但這種方式對(duì)熱量的轉(zhuǎn)移能力有限，因此提升風(fēng)電消納的能力不大，但可顯著降低系統(tǒng)的外購(gòu)電成本。