PDF《基于能量平衡法的供热机组电量分析数学模型》

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0 0 / A E P S

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0 8

0 8

0 0

7 基于能量平衡法的供热机组电量分析数学模型 王漪1 ,薛永锋2 ,张敏2 ,王聪3 ( 1. 国网辽宁省电力有限公司,辽宁省沈阳市

1 1

0 0

0 6;

2. 东北电力科学研究院有限公司,辽宁省沈阳市

1 1

0 0

0 6;

3. 奥克兰大学,奥克兰

1 0

1 0,新西兰) 摘要:辽宁电网供热季节电网调峰压力巨大, 在保证供热质量的前提下尽可能降低供热机组电负 荷, 并合理安排电量计划, 可最大限度地消纳风电.文中基于供热机组 以热定电 在线监测系统, 提出了能量平衡法.通过对进出汽轮机的能量进行平衡计算, 确定不同采暖抽汽热量和工业抽汽 热量下机组发电量的关系, 可以准确计算出一段时间内机组在给定的采暖抽汽热量和工业抽汽热 量下的最大电量和最小电量范围.通过实际应用验证了该方法的准确性和实用性. 关键词:供热机组;

以热定电;

能量平衡;

电量预测;

风电消纳 收稿日期:

2 0

1 3 -

0 8 -

0 8;

修回日期:

2 0

1 4 -

0 1 -

0 6.

0 引言 随着中国智能电网的建设和电力体制改革的不 断深化, 科学、 合理地制定发电计划是电网运营以及 交易管理的重要工作之一[ 1] , 而对于东北电网而言, 供热机组比重大、 冬季风量充足等特点使得冬季采 暖期的电量预测显得尤为重要[

2 ] .辽宁电网直调发 电厂机组中, 供热机组占装机容量的5 4%, 近期仍 有部分机组进行供热改造和新建热电联 产机组投 产, 供热机组将达到火电机组总容量的7 0%以上, 而吉林和黑龙江供热机组的比重已分别达到9 0% 和8 5%.因此, 应充分挖掘供热机组调峰潜力, 并 实施 以热定电 [

3 - 6] .国内外学者对如何提高电网 风电消纳能力的方法进行了大量的研究[

7 -

1 0 ] .笔者 认为供热机组 以热定电 包含着双重含义: 一是 以 热力定电力 , 为调度运行人员提供调峰的依据;

二是 以热量定电量 , 为政府和电网公司有关人员提 供编制年度、 月度及日前发电计划的依据.业界对 以热力定电力 的研究较多[

1 1 -

1 2] , 而 以 热量定电 量 的研究论述较少. 供热机组在各类燃煤机组中整体热效率较高, 同时集中供热取代了大量的锅炉房, 改善了大气环 境, 提高了能源利用效率, 热电联产企业对中国经济 社会发展作出了重要贡献.但在肯定热电联产机组 重要作用的同时, 也必须看到热电联产机组运行管 理方面还存在诸多问题.部分省份热电联产机组运 行的动态信息尚未采集和分析, 缺乏科学量化控制 和有效监督;

不少热电企业供热与供电比例失衡, 有 的热负荷与发电量计划不匹配, 直接影响节能减排、 风电消纳[

1 3 -

1 7 ] 及资源优化配置.以往通常由政府相 关部门组织年度核查, 确定机组最小开机方式[

1 8] , 但这种方法远不能满足电网发电计划编制和电网调 峰的需要.为此, 找到一种准确的方法来预测供热 机组电量, 对于节能减排、 消纳清洁能源、 实行经济 调度、 保障社会生产和生活用电具有重要意义.

1 能量平衡法的特点及原理 目前国内研究电量预测的方法很多, 但大部分 只针对纯凝机组, 而对供热机组的研究较少.由于 供热机组 以热定电 的特殊性, 使得供热机组和纯 凝机组的电量预测模型有很大不 同.针对以上问 题, 本文提出了一种新的 以热定电 数学模型― ― ― 能量平衡法.能量平衡法是对所有进出汽轮机的能 量进行平衡计算, 得到不同采暖抽汽流量和工业抽 汽流量下机组发电负荷的关系, 再对发电负荷进行 积分就得到抽汽热量与电量的关系.该方法具有物 理意义清晰、 推导过程严谨、 模型简捷实用、 计算结 果准确、 适用范围广等特点, 可以根据机组的供热量 得到机组的最小和最大电量范围. 一般性汽轮机简化热力图如图1所示, 实际机 组可能与图 中所示机组存在 部分区别.图中: DH 为主蒸汽流量;

hH 为主蒸汽焓;

hH '

为高压缸排汽 焓;

hM 为中压缸进汽焓;

Dg 为工业抽汽流量;

hg 为 工业抽汽焓( 图中的机组hg =h α 4, 部分机组hg = h α 3) ;

Dd 为采暖抽汽流量;

hd 为采暖抽汽焓;

α

1 和α2为高压缸各段抽汽流量占 Dc 的比例, α 3, α 4, α

5 为中压缸各段抽汽流量占 Dc 的比例, α 6, α 7, α

8 为 低压缸各段抽汽流量占 Dc 的比例( 部分机组没有 ―

8 0

1 ― 第38卷第8期2014年4月25日Vol.38No.8Apr.25,

2 0

1 4 第八段抽汽, 即α

8 =0) , Dc 为各段抽汽流量之和;

h α 1和h α

2 为高压缸各段抽汽焓;

h α 3, h α 4, h α

5 为中压 缸各段抽汽焓;

h α 6, h α 7, h α

8 为低压缸各段抽汽焓;

Dn 为低压缸排汽流量;

hp 为低压缸排汽焓;

P 为发 电机功率. 图1 汽轮机简化热力图 F i g .

1 S i m p l i f i e dt h e r m o d y n a m i cd i a g r a mo f s t e a mt u r b i n e

2 能量平衡法数学模型的计算公式 2.

1 电力模型 输入和输出汽轮机的总能量 Q1 和Q2 的表达 式分别为: Q1=DH hH +[ DH -( α 1+ α 2) Dc] hM (

1 ) Q2= α

1 Dc h α 1+ α

2 Dc hH '

+[ DH - ( α 1+ α 2) Dc] hH '

+ α

3 Dc h α 3+ α

4 Dc hg+ α

5 Dc hd+ α

6 Dc h α 6+ α

7 Dc h α 7+ α

8 Dc h α 8+ Dg hg+Dd hd+Dn hp+Pi (

2 ) 式中: Pi 为汽轮机内功率. 根据能量平衡原理, Q1 =Q2, 整理后得出汽轮 机内功率Pi 的计算公式为: Pi=DH hH +[ DH -( α 1+ α 2) Dc] hM - [ DH -( α 1+ α 2) Dc] hH '

-( α

1 h α 1+ α

2 hH '

+ α

3 h α 3+ α

4 hg+ α

5 hd+ α

6 h α 6+ α

7 h α 7+ α

8 h α 8) Dc-Dg hg-Dd hd-Dn hp (

3 ) 发电机功率P 与汽轮机内功率Pi 的关系为: P=( Pi-Pm) η (

4 ) 式中: Pm 为机械损失;

η 为发电机效率. 将式(

3 ) 代入式( 4) , 得出发电机有功功率的计 算式为: P={ DH hH +[ DH -( α 1+ α 2) Dc] hM - [ DH -( α 1+ α 2) Dc] hH '

-( α

1 h α 1+ α

2 hH '

+ α

3 h α 3+ α

4 hg+ α

5 hd+ α

6 h α 6+ α

7 h α 7+ α

8 h α 8) Dc-Dg hg-Dd hd-Dn hp-Pm} η (

5 ) 主蒸汽流量 DH 表达式为: DH =Dg+Dd+Dc+Dn (

6 ) α 1+ α 2+ α 3+ α 4+ α 5+ α 6+ α 7+ α 8=1 (

7 ) 当计算机组最小负荷时, 低压缸 排汽流量Dn 已知, 为低压缸最小冷却蒸汽流量, 利用焓差来计算 机组功率, 物理意义清晰.因此, 最小负荷Pm i n的表 达式为: Pm i n ={Dg( hH -hH '

+hM -hg) +Dd( hH - hH '

+hM -hd) +Dc[hH -h α

1 + ∑

8 i=2 α i( h α

1 -hH '

) + ∑

8 i=3 α i( hM -h α 3) + ∑

8 i=4 α i( h α

3 -hg) + ∑

8 i=5 α i( hg -hd) + ∑

8 i=6 α i( hd -h α 6) + ∑

8 i=7 α i( h α

6 -h α 7) + α 8( h α

7 -h α 8) ] +Dn( hH -hH '

+ hM -hp) -Pm}η=a qg + b qd +c Dc η+Pn η-Pm η (

8 ) 式中: qg 为工业抽汽热量;

qd 为采暖抽汽热量;

且有 a= hH -hH '

+hM -hg hg ? è ? ? ? ÷ η b= hH -hH '

+hM -hd hd ? è ? ? ? ÷ η c=hH -h α

1 + ∑

8 i=2 α i( h α

1 -hH '

) + ∑

8 i=3 α i( hM -h α 3) + ∑

8 i=4 α i( h α

3 -hg) + ∑

8 i=5 α i( hg -hd) + ∑

8 i=6 α i( hd -h α 6) + ∑

8 i=7 α i( h α

6 -h α 7) +α 8( h α

7 -h α 8) Pn =Dn( hH -hH '

+hM -hp) 当计算机组最大负荷时, 主蒸汽流量 DH 已知, 为汽轮机最大连续出力( TMC R) 工况下的主蒸汽流 量, 利用焓差来计算机组功率, 得到最大负荷 Pm a x 的表达式为: Pm a x={ DH ( hH - hH '

+ hM - hp) - Dg( hg- hp) -Dd( hd- hp) - Dc[ h α 8- hp+( α 1+ α 2+ α 3+ α 4+ α 5+ α 6+ α 7) ( h α 7- h α 8) +( α 1+ α 2+ α 3+ α 4+ α 5+ α 6) ( h α 6- h α 7) +( α 1+ α 2+ α 3+ α 4+ α 5) ( hd- h α 6) +( α 1+ α 2+ α 3+ α 4) ( hg- hd) + ( α 1+ α 2+ α 3) ( h α 3- hg) +( α 1+ α 2) ( hM - h α 3) + α 1( h α 1- hH '

) ] -Pm} η= η PH - d qg- e qd- k Dc η-Pm η (

9 ) 式中: PH =DH ( hH -hH '

+hM -hp) ―

9 0

1 ― ・工程应用・ 王漪, 等 基于能量平衡法的供热机组电量分析数学模型 d= hg -hp hg ? è ? ? ? ÷ η e= hd -hp hd ? è ? ? ? ÷ η k=h α

8 -hp + ∑

7 i=1 α i( h α

7 -h α 8) + ∑

6 i=1 α i( h α

6 -h α 7) + ∑

5 i=1 α i( hd -h α 6) + ∑

4 i=1 α i( hg -hd) + ∑

3 i=1 α i( h α

3 -hg) + ∑

2 i=1 α i( hM -h α 3) +α 1( h α

1 -hH '

) 2.

2 电量模型 电量计算公式为: W = ∫ T

0 Pd t (

1 0 ) 将式(

8 ) 代入式(

1 0 ) 得: W m i n = ∫ T

0 Pm i n d t=a Qg( T) +b Qd( T) + c η Fc( T) +η Wn( T) -Pm η T (

1 1 ) 式中: Qg ( T) 为在时间T内的工业抽汽总热量;

Qd( T) 为在时间T 内的采暖抽汽总热量;

Fc( T) 为 在时间T 内汽轮机各段的抽汽总流量;

Wn( T) 为在 时间T 内低压缸排汽量最小( 满足低压缸叶片的冷 却) 时所能发出的最小电量;

T 为时间单位, 是小时 的倍数, 可以是年、 月、 日. 将式(

9 ) 代入式(

1 0 ) 得: W m a x = ∫ T

0 Pm a x d t= η W H ( T) -d Qg( T) - e Qd( T) -η k Fc( T) -Pm η T (

1 2 ) 式中: W H ( T) 为在时间 T 内TMC R 工况下主蒸汽 流量所能发出的最大电量. 目前供热机组容量为1

0 0~6

0 0MW, 普遍具有 七段抽汽或八段抽汽, 只有七段抽汽的汽轮机可以 看做是第八段抽汽为0的汽轮机.因此, 能量平衡 法建立的数学模型可以普遍应用于具有一次中间再 热的抽汽供热汽轮机.

3 计算实例 某135MW 供热机组, 型号为CC100/N135-13.24/535/535, 为双抽供热机组, 工业抽汽为三段 抽汽, 采暖抽汽为五段抽汽, 额定主蒸汽压力为13.24MP a 、温度为535℃,再热蒸汽温度为535℃, TMC R 工况下主蒸汽流量为4

0 0t / h, 汽轮 机低压缸最小排汽流量为8

1 . 5t / h, 最大采暖抽汽 流量为2

1 0t / h, 最大工业抽汽流量为4 4t / h.根据 汽轮机额定抽汽工况设计, 得hH =34

2 4 . 1k J / k g ;

hH '

=

3 0

5 0 .

8 k J / k g ;

hM =

3 5

3 5 .

9 k J / k g ;

hg=32

0 1 .

3 k J / k g ;

hd =

2 8

5 9 .

9 k J / k g ;

hp =

24 9

2 . 9k J / k g ;

Dc=2

2 .

0 4k g / s ;

Pm =4

9 3kW;

η=

0 .

9 8 5;

α 1=0 .

1 8 4;

h α 1=31

5 2 . 9k J / k g ;

α 2=0 .

4 7 4;

h α

2 =

3 0

5 0 .

8 k J / k g ;

α

3 =

0 .

0 9 9;

h α

3 =

32 0

1 . 3k J / k g ;

α

4 =0 .

0 6 3;

h α

4 =30

2 9 . 3k J / k g ;

α 5=0 .

0 9;

h α 5=28

5 9 . 9k J / k g ;

α

6 =0 .

0 3 1;

h α

6 =

26 6

2 . 9k J / k g ;

α

7 =0 .

0 6 0;

h α

7 =25

0 0 . 1k J / k g ;

α 8=0. 依据能量平衡法公式, 计算得出a=0 .

2 1 8;

b=

0 .

3 6 1;

c=5

6 9 . 4k J / k g ;

Pn =3

20 6

4 . 7kW;

PH =

1 5

7 3

7 2 .

8 kW;

d =

0 .

2 1 8;

e =

0 .

1 2 6;

k =

8 4

7 . 0k J / k g .从而得出了采暖抽汽热量和工业抽 汽热量与机组电量最小值、 最大值的数学关系模型, 如下式所示: W m i n=

1 10

0 0 (

0 .

2 1

8 Qg( T) +0 .

3 6

1 Qd( T) +

4 44

3 0 .

7 T) (

1 3 ) W m a x=

1 10

0 0 (

1 3

61 3

8 .

7 T-0 .

2 1

8 Qg( T) -

0 .

1 2

6 Qd( T) ) (

1 4 )

4 电量模型的实际应用 利用电量模型可以根据机组的供热量对机组的 电量进行预测, 机组的供热量一般需要电厂以报表 的形式提供.供热量的依据如下: 电厂上一年度的 供热面积和供热参数以及天气情况;

电厂本年度的 供热合同和供热参数;

当地天气预报情况.电厂的 供热情况报表是在月底前提供, 以便对下一个月的 电量进行预测. 表1所示为某1

3 5 MW 机组某日不同时间段 根据数学模型预测的机组电量和实际发电量的比 较.从表中可以看出, 根据日采暖抽汽热量和工业 抽汽热量可以得出机组最小和最大发电量, 而机组 的实际发电量介于两者之间, 说明通过能量平衡法 建立的电量预测模型满足........