PDF《利用建筑物与热网热动态特性提高热电联产机组调峰能力》

利用建筑物与热网热动态特性提高热电联产机组调峰能力 李平1 ,王海霞1 ,王漪2 ,韩晔2 ,李卫东1 ( 1.

大连理工大学电气工程学院,辽宁省大连市

1 1

6 0

2 4;

2. 国网辽宁省电力有限公司,辽宁省沈阳市

1 1

0 0

0 6 ) 摘要:提出了综合考虑建筑物与集中供热管网热动态特性的热电联合运行模式, 解决了因传统 以 热定电 运行模式而导致的热电联产机组调峰能力不足的问题.详细介绍了基于建筑物与热网热 动态特性的热电联合系统的构成方案;

着重对比分析了考虑建筑物与热网热动态特性前后的热电 联产机组运行点的变化情况, 在此基础上明确了其能够提高机组调峰能力的机理;

给出了综合考虑 建筑物与热网热动态特性的热电联合调度模型.算例结果表明, 所述综合模型可以显著提高机组 的上调节和下调节容量, 其效果优于仅考虑建筑物或者热网单一环节热动态特性的模型.进一步, 将系统源侧 热电耦合 特性扩展到荷侧, 利用系统 源荷协调控制 实现了机组 热电解耦 . 关键词:热电联合;

热动态特性;

建筑物;

集中供热管网;

热电解耦 收稿日期:

2 0

1 6 G

1 1 G

1 7;

修回日期:

2 0

1 7 G

0 3 G

3 0. 上网日期:

2 0

1 7 G

0 6 G

1 2. 国家自然科学基金青年科学基金资助项目(

5 1

6 0

7 0

2 1 ) .

0 引言 中国的东北、 华北、 西北( 简称 三北 ) 地区供热 期持续时间长、 热负荷需求大, 热电联产( c o m b i n e d h e a t a n dp o w e r , CH P) 机组装机 比例高, 其类型主 要为大型抽汽凝汽式燃煤机组.优先满足用户供热 期采暖需求, 是机组工作在 以热定电 运行模式的 首要原因.热电联产机组具有较强的 热电耦合 特性, 为满足热负荷需求, 其强迫电出力始终处于较高 水平, 电出力范围变窄, 限制了机组调峰能力.另外, 夜间等热负荷较高时段的风电出力也较大, 热电 联产机组调峰能力受限导致风电上网空间不足, 造 成大量弃风. 提高热电联产机组调峰能力的措施主要有两 种: 一种是传统的提高调峰能力的措施, 主要集中在 准确确定机组的实际调峰能力, 为挖掘机组的深度 调峰能力提供依据[

1 G 2] ;

另一种是通过实现 热电解 耦 来提高调峰能力的措施, 主要方案分为两种.一 种是通过平移热负荷来降低 以热定电 的必发功 率[ 3] : 给热电厂配置储热可以实现 热电解耦 [

4 G 8] ;

文献[

9 G

1 0 ] 根据热负荷实际情况, 确定了储热容量 的优化配置;

文献[

1 1] 对配置储热后的机组的调峰 能力进行了深入分析.另一种是通过电热负荷转换 来削减热负荷、 提高电负荷, 通过配置电锅炉和用户 侧热泵等也可以实现 热电解耦 : 文献[

1 2] 对热电 厂配置电锅炉进行风电消纳的方案进行了研究;

基 于需求侧响应技术在用户侧配置热泵, 承担部分热 负荷需求, 从而降低供热机组强迫出力, 提高风电消 纳水平[

1 3 G

1 6 ] . 上述提高热电联产机组调峰能力的措施中, 建 筑物与集中供热管网始终作为整体被抽象为一个简 单的静态热负荷节点, 并没有涉及其具体网络结构 和热动态特性.而现已存在无需额外投资的建筑物 与热网具有非常大的储热能力.同时, 国内绝大部 分集中供热系统在室内没有自主调节手段, 建筑物 室内温度直接受热源和热网的调节, 以及室外气象 条件变化的影响.因此, 可以利用建筑物与热网的 储热能力来对实际热负荷进行等效平移及削峰填 谷, 提高 热电联产机组的调峰能力, 实现 热电解耦 . 文献[

1 7 G

1 8 ] 通过系统辨识的方式, 基于实测数 据得到特定区域建筑物室内温度与热网供回水温度 及室外温度之间的自回归滑动平均( AMR A) 时间 序列模型, 结合分时电价对单一热电联产机组的优 化运行进行研究.同时, 文献[

1 9] 指出没有学者将 建筑物的热动态特性作为独立研究部分并纳入系统 热动态特性中来加以研究. 文献[

2 0 ] 对利用建筑物和热网热惯性实施热电 联产电力调峰运行的可行性进行 了定性分析.文献[

2 1 G

2 2 ] 建立了热网热动态特性模型, 利用其进行 热电解耦 以提高系统运行灵活性.文献[

1 6 ] 考虑 建筑物热惯性及热需求的模糊性, 研究了单一类型 建筑物且室外温度保持不变的情形下的热电协调控

6 2 第4 1卷第1 5期2017年8月1 0日Vol.41N o .

1 5A u g .

1 0,

2 0

1 7 D O I :

1 0.

7 5

0 0 / A E P S

2 0

1 6

1 1

1 7

0 0

3 h t t p : / / ww w. a e p s G i n f o . c o m 制问题.文献[

2 3 ] 利用热网与建筑物的整体热容量 来计算在一定室温和热源某一固定供热量条件下, 室温升高/降低过程中热网与建筑物的蓄热/放热时 间, 并将机组的两个供热量对应的电出力之差作为 其深度调峰容量, 只考虑了热网与建筑物的静态特 性, 而没有考虑二者的热动态特性. 综上所述, 现有研究成果主要存在以下不足: 一 是主要集中在利用建筑物与热网储热调峰的可行性 分析而没有具体实施方案;

二是很少有综合考虑建 筑物与热网二者热动态特性来对热电联产机组的调 峰能力进行分析, 而是主要涉及二者其一;

三是多数 采用数值拟合或者整体热容量方法对建筑物室温与 供热量的关系进行建模, 通用性不强, 并且没有充分 考虑其热动态特性.基于此, 本文综合考虑建筑物 与热网的热动态特性, 对二者的个体热动态特性及 网络拓扑结构关系进行数值解析建模, 详细分析了 考虑建筑物与热网热动态特性前后的大型抽汽凝汽 式热电联产机组的电热运行点变化情况, 验证了考 虑二者热动态特性以提高调峰能力的效果, 并与考 虑建筑物或者热网单一环节热动态特性来提高调峰 能力的不同效果进行了对比分析.

1 系统构成 1.

1 热力系统 集中供热系统一般由热源、 集中供热管网和热 用户三部分构成, 如附录 A 图A1所示.其中, 热源 产生的热量通过供回水网络中的循环热水供应给各 建筑物, 以维持室内温度.为了与电力系统进行联 合, 本文只考虑热电联产机组作为热源的典型情形. 另外, 本文采用质调节作为集中供热系统的调节方 式, 即随着室外温度的变化, 只改变热源处的供水温 度, 而热网中的循环水量保持不变的调节方式[

1 7 G

1 9] . 集中供热系统是典型的多输入多输出系统[

2 4] , 由于集中供热管道输送热水的延迟特性, 以及管道 中热水的热量损失特性, 使得滞后量和衰减度成为 反映集中供热管网热动态特性的两个最主要参数. 1.

2 热电联合系统 热电联产机组以电源和热源双重角色作为电力 系统和热力系统的衔接纽带, 其电出力和热出力具 有较强的耦合特性, 同时, 电出力受到电网与系统电 负荷的约束, 热出力受到热网与建筑物热负荷的约 束.因此, 将电力系统与热力系统联合起来构成热 电联合系统, 机组 源侧 的 热电耦合 特性可以扩 展到系统电负荷与建筑物热负荷等 荷侧 层面上, 为 源荷协调控制 奠定基础. 图1所示为包含风电场的热电联合系统的构成 框图.电力系统与热力系统在电源侧和负荷侧均具 有耦合点, 联系非常密切.其中电源侧的耦合点为 热电联产机组, 负荷侧的耦合点为电锅炉和热泵等. 本文重点研究建筑物与热网热动态特性对 热电解 耦 的促进作用, 暂不考虑电锅炉和热泵等负荷侧的 耦合点. 图1 热电联合系统构成 F i g .

1 S t r u c t u r eo fC H Ps y s t e m 电能具有易传输、 难存储的特点, 而热能具有易 存储、 难传输的特点, 热电联合系统的构成使得二者 优势互补, 利用热力系统惯性大的特性可以对热负 荷进行平移或者削峰填谷, 从而实现热电联产机组 与风电场 电出力错峰[

2 5] , 能够有效提升风电消纳效果.

2 提高调峰能力的机理分析 2.

1 机组电热运行点变化 本节结合热电联产机组的电热特性对考虑建筑 物与热网热动态特性前后的机组的电热运行点变化 情况进行深入分析.图2所示为抽汽凝汽式热电联 产机组的电热特性[ 2,

1 1] , 其中多边形 A B C D 构成了 机组的可行运行区域, 其中 A B 和C D 分别表示最 大、 最小进汽工况, 斜率分别为c v 1, i和c v 2, i, AD 表示 纯凝工况, B C 表示最小凝汽工况, 斜率为cm, i, 近似 于背压工况.Pc o , m a x i 和Pc o , m i n i 分别为机组在纯凝工 况下的最大、 最小发电功率, H m a x i 为机组的最大热 出力. 机组运行在传统的 以热定电 模式时, 若不考 虑系统热负荷的波动, 核定机组的热出力为 HR i , 则 机组的电出力可在线段 L G 上变动, 若考虑系统热 负荷的波 动, 并设定一日内热负荷的波动范围为[H-Ri,H-Ri],则机组的电出力可在多边形FKMH 内 变动. 考虑建筑物与热网热动态特性时, 机组的热出 力不再受热负荷的严格制约.即使热负荷的波动范 围为[ H - R i , H - R i ] , 由于建筑物与热网的储热作用, 在72李平, 等 利用建筑物与热网热动态特性提高热电联产机组调峰能力 不影响供热质量的前提下, 机组的热出力变动范围 也可以扩大至[ H - S i , H - S i ] .相应地, 机组的电出力就 可以在 更大范围的多边形EJNI内变动, 实现了 热电解耦 功能. 图2 抽汽凝汽式热电联产机组电热特性 F i g .

2 E l e c t r i cp o w e ra n dh e a t c h a r a c t e r i s t i co f e x t r a c t i o nc o n d e n s i n g t u r b i n eC H Pu n i t s 可以看出, 考虑建筑物与热网热动态特性的热 电联合运行模式中, 机组的调峰能力大大强于传统 的 以热定电 运行模式, 其中上调节容量增加的最 大值为点E 和F 对应的电出力之差, 下调节容量增 加的最大值为点 K 和J 对应的电出力之差[

1 1] , 分 别为: Δ Cu p p r=PE -PF = c v 1, i( H - R i -H - S i ) (

1 ) Δ Cd o w n p r =PK -PJ = cm, i( H - R i -H - S i ) (

2 ) 式中: PE 为点E 对应的电出力值, 其他的类似. 其中上调节容量的增加能够在一定程度上避免 因系统高峰出力不足而导致的开机........