導(dǎo)語：背壓機組電力優(yōu)化管理論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

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，建立背壓機組組成的熱電廠參與電力調(diào)峰的優(yōu)化運行模型。最后，舉例給出一個采暖季背壓機組供熱和發(fā)電量的優(yōu)化分配方案。

關(guān)鍵詞：背壓機組熱慣性優(yōu)化運行

符號說明

B----煤耗量噸/小時Z----目標函數(shù)值

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

C；----定壓熱容KJ/°C下標

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)或目標函數(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)前時段

q----供熱流量吉焦/小時max----最大

DT----時段長度小時min----最小

q----供熱流量吉焦/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6000千瓦以上的供熱機組總?cè)萘恳堰_2197.1萬千瓦，占同容量火電裝機容量的12.12%[1],而北方熱電聯(lián)產(chǎn)的熱負荷大部分用于冬季采暖。這種熱電廠的運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，因而造成供熱機組不能實現(xiàn)最優(yōu)的電力調(diào)峰運行。

如果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)化運行成為可能，從而會減少電網(wǎng)中其他調(diào)峰電站的高額投資，提高電力負荷低谷期電網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)電效率，進而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

文獻[3]針對熱網(wǎng)和采暖建筑物熱慣性大的特點，對供熱系統(tǒng)的熱力工況進行了定量分析，并對以抽凝機組為例，研究了承擔(dān)采暖負荷的熱電廠參與電力調(diào)峰優(yōu)化運行方式。本文將研究背壓機組的電力調(diào)峰優(yōu)化運行問題。

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)的供熱負荷很少變化，使得熱電廠背壓機組的發(fā)電功率在一天之中變化幅度很小。這是承擔(dān)采暖負荷的背壓供熱機組無法參與電力調(diào)峰的主要原因。

事實上，一天中某一時段供熱量的改變對室溫的影響并不顯著。熱網(wǎng)實時運行數(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，外溫升高時供熱量也不立刻隨之下降。如果利用這種特性，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，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：

以上兩式中各項系數(shù)及階次I、J取決于供熱系統(tǒng)的特性，可由實際熱網(wǎng)運行數(shù)據(jù)確定?，F(xiàn)以沈陽某熱網(wǎng)一采暖期逐時運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)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，對進行預(yù)處理，并采用最小二乘法由實際運行數(shù)據(jù)獲得公式（2a）、公式（2b）的各項系數(shù)[3]，見表1。

公式（1b）中系數(shù)j1、w1遠小于系數(shù)q1，說明瞬時熱網(wǎng)供水溫度對室溫的作用并不十分顯著，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荷，進而優(yōu)化供熱機組的運行方式、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)化運行

熱電廠的運行，首先要保證用戶對熱負荷的需要。對于承擔(dān)采暖熱負荷的熱電廠，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，必然有一個最優(yōu)的熱電廠運行方式。

1．分時電價

如果僅研究某個熱電廠的運行，那么將該熱電廠與電力系統(tǒng)的其他電站統(tǒng)一進行運行規(guī)劃的研究方法是不合適的，因為某一熱電廠發(fā)電量在電網(wǎng)中的比例是很微小的。因此，需要有一聯(lián)系熱電廠和電網(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)貢獻大小的尺度。本文采用文獻[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生產(chǎn)和消費的價值，即小時級的分時電價。電力負荷高峰期和低谷期電能的分時電價不同，因而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，作為本文計算的依據(jù)。

2．建立數(shù)學(xué)模型

本文對由背壓機組組成的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)加以研究。汽輪機背壓排汽通過汽-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)方式運行。熱電廠發(fā)電直接輸送至電網(wǎng)。

熱電廠運行目標應(yīng)是在保證熱用戶采暖要求和電廠安全運行的前提下，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天的熱電廠運行，于是目標函數(shù)選為：

k時段機組燃料消耗量B(k)是該時段供熱流量q(k)的函數(shù)，采用下式表達：

背壓機組的供熱流量q和發(fā)電功率p的關(guān)系可簡單地認為是成正比關(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：

在第四部分的實例中，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（2）、式（1a）、式（1b）及式（3a）~（3e）共同組成熱電廠優(yōu)化運行的數(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時段的供熱機組供熱量q(k)。由目標函數(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，以彌補高電能價值當(dāng)量時段供熱量的不足。由于電能價值當(dāng)量的高低反映出電力負荷的變化，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)，而且是前若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)劃法進行求解。

將時間序列方程，即式（1a）、式（1b）用狀態(tài)空間方程表達，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。目標函數(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X（K）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M個確定量。根據(jù)最優(yōu)性原理，從N時段起逐時段向前進行優(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的背壓機組組成，各機組以單元制方式運行。并做以下設(shè)定:

1熱電廠單元制機組鍋爐出力范圍在50~100%之間。單臺汽輪機最大排汽供熱量為56噸/小時。當(dāng)采暖負荷超過三臺汽輪機最大供汽量，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）的熱電廠運行進行優(yōu)化計算，于是目標函數(shù)式（2）中J=136,I=6。在初寒期的開始5天和末寒期的最后20天一臺汽輪機停運。

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別，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，供熱機組在最大排汽供熱工況點附近運行，此時機組供熱量已達到最大(170t/h)，以滿足這一時段在整個采暖負荷的需要，而機組的發(fā)電功率也達到最大，即維持在18.8MW附近。由于全天在一個工況下運行，熱電廠沒有電力調(diào)峰能力。在尖峰期附近的采暖時段，機組具備一定的調(diào)峰能力，但調(diào)峰幅度不大，在這一期間，隨著外溫的增長，開始是分時電價最低的時段發(fā)電量和供熱量減小，直至達到最低。隨著外溫進一步升高，即采暖負荷進一步降低，一天中分時電價處于中間值的時段發(fā)電功率和供熱量開始降低，直至到達最小。在初寒期的5天和末寒期20天，雖然此時采暖熱負荷明顯減小了，但由于僅有兩臺機組運行，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。

由圖4可以看出，一天內(nèi)采暖建筑物的室溫變化幅度在0.5oC以內(nèi)，并在整個采暖期內(nèi)維持在17oC~19oC的范圍內(nèi)，可見這種熱電廠的運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°C，最低為46.4°C，而回水溫度變化幅度較小，在51.9°C至30.6°C之間。

本文還將本運行方案與一參考運行方案進行了比較(見表2)。在參考運行方案中，一天中供熱總量與優(yōu)化運行方案相同，而熱網(wǎng)供水溫度保持不變。表2給出兩種運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?？梢钥闯觯瑢τ趦?yōu)化運行方式，隨著電能價值當(dāng)量不同,各時段發(fā)電量與參考運行方式相比有明顯差別，這使得優(yōu)化運行方式發(fā)電的平均電能價值當(dāng)量高于參考運行方式。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)濟學(xué)價值?？梢钥闯?，優(yōu)化運行方式的平均電能價值比參考運行方式高出約9.7%，定義式

（2）的目標函數(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荷的前提下熱電廠單位發(fā)電量的經(jīng)濟學(xué)效益。由表2看出，優(yōu)化運行方式的單位電量效益比參考運行方式提高了約16.5%。

表2熱電廠優(yōu)化運行方式和參考運行方式比較

Table2Comparisonoftheoptimaloperationandareferenceoperation

最優(yōu)運行方式參考運行方式

時段分時電價（元/kWh）供熱量(GJ)發(fā)電量(MW.h)供熱量(GJ)發(fā)電量(MW.h)

0:00~4:000.20131507.275859.26186685.608372.40

4:00~8:000.20141099.806296.13187429.258406.27

8:00~12.001.00213474.489592.53184339.738265.56

12:00~16:000.50205896.999247.45180938.258110.63

16:00~20:000.50202894.349110.75183831.708242.42

20:00~24:001.00213344.769586.59184994.918295.40

合計1108217.649692.71108217.649692.7

總電能價值當(dāng)量（萬元）3078．92809．3

平均電能當(dāng)量價值（元/kw.h）0.6200.565

總電量效益（萬元）1900．01630.3

單位電量效益（元/kw.h）0.3820.328

五．結(jié)語

背壓機組的發(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)的巨大蓄能能力而進行調(diào)峰運行。如果這一運行方式得以實現(xiàn)并加以推廣，對于緩解電網(wǎng)負荷出現(xiàn)的峰谷差具有非常積極的作用。計算數(shù)據(jù)表明，采用本模型優(yōu)化的熱電廠運行方式在滿足采暖效果的同時，單位發(fā)電量的經(jīng)濟學(xué)效益明顯高于一般運行方式。

實施并推廣這種運行方式需要一定的有效措施做保證，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)化運行方式的同時，熱電廠自身獲得一定的經(jīng)濟效益。

由于背壓機組在改變發(fā)電量的同時，主蒸汽量也改變?？紤]到鍋爐的安全運行，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%，而從燃煤鍋爐實際運行情況看，一般要比這一范圍小。

參考文獻

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OptimalOperationofBack-pressureUnitsforSpaceHeating

Abstract：Duetothehugethermalmassofbuildingsanddistrictheatingnetwork,roomtemperaturesofthebuildingsdonotchangemuchwhenheatoutputfromtheheatsourcevariesonalargescaleduringaday.Therefore,backpressureunitscanvaryitspoweroutputduringadaytomatchthepowerdemandbyvaryingtheheatoutputwiththespaceheatingqualitynotdecreased.Inthispaper,theoptimaloperationofback-pressureunitsisstudied.ThesystemforstudyconsistsofaDHnetwork,anelectricalutilitygridandaCHPplantinwhichonlyback-pressureunitsareconsidered.Optimaloperationmodelisobtainedbyachievingtwoobjectivesthatthecustomers''''spaceheatingrequirementsaremetandtheprofitoftheCHPplantismaximized.Then,analgorithmisgivenforthemodelandnumericalresultsforaspecificcasearederived.

Keywords：Back-pressureunits,Spaceheating,Optimaloperation