PDF《配置储热后热电机组调峰能力分析》

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0 0 / A E P S

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2 配置储热后热电机组调峰能力分析 吕泉1 ,陈天佑1 ,王海霞1 ,于汀2 ,李群3 ,汤伟3 ( 1. 大连理工大学电气工程学院,辽宁省大连市

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2 4;

2. 中国电力科学研究院,北京市

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9 2;

3. 东北电网有限公司,辽宁省沈阳市

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8 0 ) 摘要:热电联产机组 以热定电 运行所导致的调峰能力不足是目前造成中国 三北 电网大量弃风 的一个重要原因, 为此, 提出了在中国大型抽汽式热电厂中通过配置储热来提高机组调峰能力的消 纳方案.首先介绍了该方案的基本原理;

进而对配置储热前、 后热电机组的电热运行外特性进行了 分析与建模, 讨论了配置储热后热电机组的运行策略;

在此基础上, 建立了计算配置储热后热电机 组调峰能力的数学模型, 并分析了其影响因素.算例中对中国北方地区2台典型的3

0 0 MW 和200MW 供暖机组配置储热提高调峰能力的效果进行了分析, 结果表明: 在给定的供热中期的热负 荷水平下, 配置储热可使得2台机组的调峰容量分别提高额定容量的2 1%和1 3%, 从而为弃风电 力提供大量的上网空间;

但储热的效果取决于机组所承担的热负荷水平, 若热负荷接近于机组的最 大供热能力, 则效果并不明显. 关键词:储热;

热电联产;

调峰;

风电消纳 收稿日期:

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2 4;

修回日期:

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2 6. 国家自然科学基金资助项目(

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7 0

0 7 ) .

0 引言 当前, 因冬季供暖期 风热冲突 所导致的大量 弃风问题已经成为全社会关注的问题, 冲突的原因 在于热电机组在供暖时因 以热定电 约束而导致其 调峰能力大幅降低甚至散失[ 1] .在满足供热的条件 下, 提高热电机组的调峰能力, 即可提高风电的消纳 水平[ 2] . 事实上, 热电机组可以通过配置储热解耦其 以 热定电 约束实现灵活运行, 从而大幅提高调峰能力 消纳风电[

3 -

5 ] .在丹麦, 该方案已经成为实现其未来

1 0 0%可再生能源系统的一个重要手段[

6 - 7] , 而且也 已经受到了欧洲各国的关注[

8 -

1 8] . 目前, 国外关于热电通过配置储热消纳风电的 研究主要集中在小型分布式背压燃气机组方面, 包括: ①在峰谷电价或实时电价下, 如何以自身利益最 大化制定机组的运行策略, 包括如何参与调峰和调 频[ 9] ;

② 如何根据热负荷情况和市场电价、 热价水 平, 优化确定机组容量和储热容量配置[ 4,

1 0 -

1 2] ;

③在 区域供热中发展小型热电联产对促进电力系统接纳 可再生能源方面有何影响[

6 - 8] , 等等. 然而, 与国外不同, 中国 三北 地区主要为大型 抽汽式燃煤供热机组.这类机组配置储热是否可以 有效提高其调峰能力, 是否具有经济性, 在中国集中 调度环境中如何进行优化调度等诸多问题均有待于 深入研究. 为此, 本文在介绍热电厂配置储热方案基本原 理的基础上, 对大型抽汽式机组配置储热前后的电 热运行特性进行了分析与建模, 讨论了配置储热后 热电机组的灵活运行方式, 建立了计算调峰容量增 量的数学模型, 并对中国电力系统中典型的热电机 组通过配置储热提高调峰能力的效果进行了分析.

1 热电厂配置储热方案 根据国外经验, 储热装置通常是大型蓄热水罐, 利用冷热水分层原理进行储热, 如图1所示.蓄热 罐通常建设在供热系统的热源侧, 连接在热电厂与 供热网络之间, 如图2所示. 图1 储热装置工作原理 F i g .

1 O p e r a t i o np r i n c i p l eo fh e a t a c c u m u l a t o r ―

1 ― 第38卷第期2014年月日Vol.38No.,2014图2 蓄热罐在热电厂中的配置 F i g .

2 C o n n e c t i o no fh e a t a c c u m u l a t o r i n t h e r m a lp o w e rp l a n t 根据热电厂中供水温度的不同, 蓄热罐可分为 常压和承压两类[ 3] .对于供水温度不超过1

0 0℃的 系统, 可采用常压式蓄热罐存储低于1

0 0℃的热水, 如前述丹麦的 F y n电厂和中国左家庄电厂的蓄热 罐[ 3,

1 9 ] ;

对于供水温度超过1

0 0 ℃的系统, 需采用承 压式蓄热罐以存储温度高于1

0 0 ℃的热水, 不过其 投资要高于常压式蓄热罐, 如丹麦 A v e d ? r e电厂就 有2座容量为2*2

20 0 0m3 的承压式蓄热罐[ 3] , 其 蓄热温度约为1

2 0 ℃. 对于中国当前主流的抽汽式供热机组, 其一次 网供水温度往往大于1

0 0 ℃, 因此可采用承压式蓄 热罐.

2 配置储热后抽汽机组的电热特性及运行 机制 2.

1 配置储热前抽汽机组的电热特性 热电机组发电功率 P 和对外供热功率h 间的 关联耦合关系一般称为 电热特性 , 可很好地体现 热电机组的运行外特性, 因此是分析热电机组灵活 运行能力的一种有效方式.图3给出了抽汽式机组 的电热特性[

2 0 ] . 图3 抽汽式供热机组电热特性图 F i g .

3 D i a g r a mo fh e a t - e l e c t r i c i t yr e l a t i o n s h i p f o r e x t r a c t i o nu n i t s 图中: c v 1为最大电出力下对应的c v 值, c v 2为最 小电出力对应的c v 值, 其中c v 为进汽量不变时多 抽取单位供热热量下发电功率的减小量;

cm =Δ P/ Δ h 为背 压运行时的电功率和热功率的弹性系数(即背压曲线的斜率, 可近似认为常数) ;

h0 为常数;

hT, m a x为抽汽式机组的最大供热功率;

hm e d为机组发 电功率最小时的汽轮机供热功率;

Pm a x和Pm i n分别 为抽汽式机组在纯凝工况下的最大、 最小发电功率. 抽汽式供热机组是从汽轮机中间( 供暖机组通 常在中压缸到低压缸之间) 抽取了一部分蒸汽作为 热源对外供热.因此, 进入汽轮机的新汽可分为两 股, 一股在汽轮机前半部分做工后, 从汽轮机中间抽 出用于供热, 可称为供热汽流;

另一股则流过汽轮机 后半部分继续做功, 最后排入凝汽器冷却, 可称为凝 汽汽流.由于该类机组会有凝汽汽流最终进入凝汽 器直接凝结为水( 即没有用于供热) , 因此效率低于 背压式机组. 对该类机组而言, 对于某个给定进汽量, 当抽汽 量从零逐渐增大时, 由于供热汽流不经过汽轮机后 半部分发电, 因此随着抽汽量的增大( 逐步增大供热 功率) , 汽轮机输出的电功率会逐步降低, 如图3中 斜虚线所示.同时, 对于某个给定进汽量, 存在一个 最大抽汽工况( 也称最小凝汽工况) , 此时, 大部分蒸 汽被抽出供热, 只有少部分蒸汽进行汽轮机低压段 以满足冷却的需要( 约为低压段设计流量的5%~

1 0% [

2 1] ) , 因此, 该工况接近于背压工况, 图3中B C 段即为最小凝汽工况线. 由图3所示的运行区间可以看出, 在给定的热 负荷下, 发电功率具有一定的可调性, 如在供热功率 h 下, 发电功率可以在 PE ~PF 之间 调节, 但供热 功率越大, 电功率可调的范围越小.这是因为, 在给 定的抽汽量下, 该类机组可以通过调整凝汽发电蒸 汽量来调整整个汽轮机输出的电功率, 但抽汽量越 大, 可用于调节的凝汽发电蒸汽比例就越少, 因此调 节范围就越小. 上述抽汽式机组的电―热特性可描述为: m a x { Pm i n- c v

2 h, cm( h- h0) } ≤P≤Pm a x- c v

1 h 0≤ h≤ hT, m a x { (

1 ) 2.

2 配置储热后抽汽机组的电热特性 抽汽式机组在配置蓄热罐后, 其电热特性也将 发生变化.设蓄热罐的设计最大蓄、 放热功率分别 为hc m a x和h f m a x, 对于某个发电功率, 通过蓄热罐放 热, 其整体( 汽轮机和蓄热罐) 最大供热功率h 会在 原来的基础上提高h f m a x, 这相当于图3中的 A B 段和B C 段整体向右偏移了h f m a x, 如图4所示.图中: hJ = hm e d+h f m a x, hK =hm e d-hc m a x, hH1 =h-h f m a x. 另外, 当汽轮机发电功率在 Pm i n~PC 之间时存在 最小供热功率( 图3中C D 段) , 则在配置储热后, 其 最小供热功率会向左平移hc m a x.故而, 配置储热后 ―

2 ―

2 0

1 4,

3 8 ( ) 抽汽式机组的整体运行 区间如图4中AGIJKL A 所围区间. 图4 配置储热后抽汽式机组电热特性 F i g .

4 E l e c t r i c i t y - h e a t r e l a t i o n s h i pf o re x t r a c t i o n u n i tw i t hh e a t a c c u m u l a t o r 可以看出, 对于某个供热水平h, 配置储热前, 机组发电功率只可在PF ~PE 之间调节;

而配置储 热后, 可允许汽轮机的发电功率在PM ~PH 之间调 节, 而由此导致的汽轮机供热不足或供热剩余部分, 则由蓄热罐进行补偿供热或蓄热以维持总供热功率 的稳定, 从而提高了机组的调峰能力. 此外, 从理论上讲, 若蓄热罐的 放热能力足够大, 且其在周期内开机时段可蓄的热量大于机组在 最小停机时间内的供热需求, 该类机组亦可实现启 停调峰, 此时其运行区间由ON 段表示. 图4 所示的机组电―热特性数学描述如下, 开 机运行时: m a x { Pm i n- c v

2 h, Pm i n- c v

2 hm e d, cm( h- h f m a x- h0) } ≤ P≤m i n { Pm a x- c v 1( h- h f m a x) , Pm a x} 0≤ h≤ hT, m a x+ h f m a x ì ? í ? ? ? ? ? (

2 ) 停机运行时, 运行在ON 段上: P=0 0≤ h≤ h f m a x { (

3 ) 2.

3 配置储热后抽汽机组的运行策略 由于大容量抽汽式热电机组为消纳风电进行启 停调峰并不经济, 因此本文建议采用低负荷运行方 式进行风电调峰. 由图4可以看出, 对于热负荷h, 通过储热补偿 供热, 既可以在负荷低谷时段把汽轮机最小发电功 ........