CN105184502B - 一种基于机组污染物排放的节能减排机组调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于机组污染物排放的节能减排机组调度方法，实现地域电网的总发负荷给定的前提下，总燃煤消耗以及污染排放最低；其方法如下：(1)确定地域电网内机组发电序位表；(2)确立目标函数；(3)利用优化算法求解；本发明通过考虑地域电网内各机组煤耗、各污染物排放的综合目标函数，兼顾经济性和环境排放特性，同时还兼顾不同水平机组都能得到合理的调度，具有能够保证地域电网内机组负荷调度供电经济效益和良好的环保性的优点。

Description

一种基于机组污染物排放的节能减排机组调度方法

技术领域

本发明属于电厂机组调度方法。

背景技术

近年来，我国以工业为主的经济发展速度逐年增长，但与此同时，也伴随着能源消耗量的迅猛增长，这使得环境污染日益严重。我国空气质量恶劣程度逐渐加深，除酸雨和温室效应，雾霾成为影响空气质量的又一重大问题，我国多地区发生PM2.5报表状况，严重影响了人们身体健康，给生活带来了直接的影响。为了兼顾发电交易的节能、减排和高经济效益，需要综合考虑发电能耗、发电污染物排放等因素，依此作为发电调度的依据，使得机组发电具有高经济性和良好的环保性。

发明内容

本发明的目的正是为了克服上述现有发电技术管理上存在的缺陷而提供一种更经济、更环保的基于机组污染物排放的节能减排机组调度方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来实现的。

1.建立节能减排发电调度模型

为了建立高效的节能发电调度模型，在利用数学优化算法求解机组的最优发电负荷，包括机组组合、经济负荷分配、备用计划等，以期达到节能减排的目的。建模中主要考虑如下四个方面因素：

(1)机组组合

合理的机组组合方案将产生明显的节能或经济效益，机组组合问题是发电计划制定的核心内容之一。本发明中根据机组的设计煤耗，污染物排放情况确定机组发电排序的序位表。

(2)目标函数的确立

不仅机组组合影响系统的节能效果，火电机组发电耗量特性函数拟合的准确程度也是影响节能的重要因素。如果能够较好贴近火电机组实际的耗量特性曲线，可以获得更好的优化效果。

(3)环保约束

为实现减排目标，需要在制定发电计划中考虑环保约束。按节能优先、环保优先的原则处理环保约束。即，首先按机组能耗水平排序；当能耗相同时，按环保优先原则调度；当环保等级相同时，按容量同比例分配负荷。

(4)旋转备用计划

节能发电调度改变了现行的平均发电利用小时数的发电调度方式，单纯以降低系统运行能耗为目标的发电调度方式，使得电力系统的旋转备用集中由少数小容量、高能耗机组承担，由此引发系统备用安全问题。因此，需要制定科学的节能发电调度环境下的旋转备用计划。

根据机组的设计煤耗，污染物排放情况确定机组发电排序的序位表；大型火电机组按照能耗水平由低到高排序；能耗水平相同时，按照污染物排放水平由低到高排序，n台机组，对应第1，第2，……，第n；

2.节能减排发电调度目标函数

以降低系统煤耗，减少系统污染物排放为目标，并考虑各方面约束条件，建立针对火电机组的节能减排发电调度的机组组合模型；

确立机组节能减排发电调度的目标函数如下：

(机组编号i＝1，2，3……，n)

a.目标函数中f_M(P)、f_N(P)、f_S(P)、f_YC(P)分别是CO₂，NO_X，SO₂，烟尘排放特性曲线，排放特性曲线曲线都是根据机组变负荷实际运行数据处理并利用数学工具拟合而得

第i台机组的煤耗排放特性曲线(单位：t/h)

第i台机组的NO_X排放特性曲线(单位：kg/h)

第i台机组的SO₂排放特性曲线(单位：kg/h)

第i台机组的烟尘排放特性曲线(单位：kg/h)

b.根据机组特性和地域电网环保要求，建立不同等级机组的煤耗和各污染物排放基准值和最大允许量差数据库；

M_i0＝M_i0(P_i)是第i台机组不同负荷下的标准煤耗函数，是根据各个机组的锅炉和汽机热平衡图，计算出各个机组不同负荷下的煤耗基准值，然后利用数学工具拟合而得

(NO_x)_i0、(SO₂)_i0、(YC)_i0分别是第i台机组的标准NO_X排量、标准SO₂排量、标准烟尘排量

(ΔM)_i、(ΔNO_X)_i、(ΔSO₂)_i、(ΔYC)_i分别是第i台机组的最大煤耗量差、最大NO_X排放量差、最大SO₂排放量差、最大烟尘排放量差

c.单目标函数的归一化处理；根据不同等级机组的煤耗及各污染物排放基准值和最大允许量差，对煤耗特性函数和各污染物排放特性函数绝对量化：煤耗函数量化表达式NO_X函数量化表达式SO2函数量化表达式以及粉尘函数量化表达式

通过作商的形式，将综合函数表达式中煤耗和各个污染物排放量绝对量化，在数学上实现了煤耗和各个污染物不同排放标准归一化，以此为基础确定的权重系数更准确、更具可靠性；

d.目标函数中A₁、A₂、A₃、A₄是各个污染物排放量的权重系数，且A₁+A₂+A₃+A₄＝1

本发明中所要确立的目标函数属于多目标优化问题，在求解过程中需要将多目标问题向单目标转化，此时需要合理的确立各目标函数的权重值。本发明中利用粗糙集理论确定各个目标函数的权重值。计算步骤如下：

(1)建立关系数据模型。

将各目标函数作为条件属性，并赋予初始权重A₁＝0.7，A₂＝A₃＝A₄＝0.1，得到综合目标函数F，将其作为决策属性，设决策属性集合D＝{F}，并令不同优化目标下的综合目标函数值u_k为研究对象F的一条信息，所有单目标函数下的综合目标函数值构成集合u_k＝(f_1k，f_2k，……，f_mk；F_k)，其中，U＝{u₁，u₂，……，u_k}为论域，对象u_k的属性为f_i(u_k)＝c_ik，F_i(u_k)＝F_k，其中i＝1，2，……m；k＝1，2，……，n。

(2)计算知识库R_c对知识库R_D的依赖度

式中ρ()——表示集合基数

ρ(D)和——分别是去掉指标C_i前后全域U的所有那些使用分类U/C所表达的知识，能够正确的分类与U/D的等价类之中的对象集合。

(3)对各个单目标优化函数f_i，计算知识R_D对知识的依赖程度，即

(4)计算第i个最优化目标的重要性，即

(5)第i个优化目标的权系数为

式中λ_i——表示第i个目标函数的权重系数。

e建立模型的约束条件函数，包括有功功率平衡约束函数有功功率限制条件函数P_i，min≤P_i≤P_i，max以及旋转备用和有功功率条件约束函数R_i+P_i≤P_i，max；具体约束条件如下

①系统有功功率平衡

②机组有功功率限制

P_i，min≤P_i≤P_i，max

③旋转备用和有功功率约束

R_i+P_i≤P_i，max

式中，P_i为机组i有功出力，P_D为机组总的出力，P_i，min、P_i，max分别是机组i的最低负荷和最大负荷，R_i为机组i的旋转备用出力

3.算法求解。

权重系数确定以后，模型的目标函数便最终确立。

在模型有功功率平衡约束、有功功率限制以及旋转备用和有功功率约束下，对模型求解；为了保证调度结果的精度，利用改进的粒子群优化算法求解以提高算法的收敛速度和精度。本发明的有益效果是：

本发明的目的在于针对现有调度方法中仅考虑煤耗最低的节能调度方法的不足，提供一种基于机组污染物排放的节能减排机组调度方法，该方法不仅能够保证机组的经济效益，同时又能使得系统具有良好的环保性。

(1)综合函数表达式中将煤耗和各个污染物排放量进行绝对量化，在数学上实现了煤耗和各个污染物不同排放标准归一化，以此为基础确定的权重系数更具可靠性。

(2)对于每一台机组的最大污染物排放量差设定都不同，对于大型机组的量差设定会小一些，而对于小型机组的设定值会大一些，这样避免了仅仅调度大型机组的情况，也能使得小型机组得到调度，保证每台机组都能得到合理的调度，防止小型机组被闲置的情况发生。

(3)本发明以云南电网电厂的变负荷运行数据为计算基础数据，通过对优化调度后的结果对比分析，证明该调度方法的优越性，可以保证调度后系统具有良好的经济效益和环保性。

具体实施方式

下面结合具体实施方案对本发明作进一步详细说明。具体实施方式中以云南电网的某电厂的四台机组实际运行数据为机组节能减排调度方法的计算数据。本案例选取一台600MW机组、一台330MW机组、一台300MW机组以及一台125MW机组的实际运行数据进行研究。计算步骤如下：

①根据机组的设计煤耗，额定负荷运行下污染物排放情况确定机组发电排序的序位表。排序依据：大型火电机组按照能耗水平由低到高排序。能耗水平相同时，按照污染物排放水平由低到高排序。本案例中机组序位从低到高分别是600MW、330MW、300MW、125MW。

②确立目标函数

a根据云南电网电厂中四台机组的实际运行数据，通过对数据的处理，利用数学工具拟合出机组变负荷运行时的煤耗、NOx、二氧化硫以及粉尘的排放特性曲线，确定各污染物排放特性的函数；

b针对每台机组的排放特性，并结合当地污染物排放的法律法规，从数据库中确定合理的各污染物最大排放量差；

c确定各污染物排放特性函数的权重系数。权重系数的确定利用粗糙集理论，以各个单目标函数和初始权重下的综合目标函数作为属性集，以这四台机组为论域，分别对属性集中各目标函数进行模型求解，根据计算结果列出权重计算的决策表；再依据决策表计算各目标函数的权重系数。本算例下的权重计算结果为A1＝0.526，A2＝0.203，A3＝0.184，A4＝0.087。

③算法求解。在模型有功功率平衡约束、有功功率限制以及旋转备用和有功功率约束下，对模型求解；为了保证调度结果的精度，利用改进的粒子群优化算法求解。

经过计算求得在预定总发电负荷1000MW的条件下，改进粒子群算法所求得的最优负荷分配值分别是487.2MW、226.2MW、217.5MW和69.1MW(次序依照机组序位表)。

根据煤耗特性曲线和各污染物拟合曲线求得个机组负荷分配值下的污染物排放量。计算求得优化调度后四台机组总的煤耗值为781.42t/h、二氧化硫排放量147.86kg/h、NOx的排放量635.28kg/h、粉尘排放量为107.86kg/h。

同理求得按比例分配负荷的调度方法的煤耗及污染物排放结果。根据计算求得四台机组总的煤耗值为787.23t/h、二氧化硫排放量161.36kg/h、NOx的排放量为663.25kg/h、粉尘排放量为119.27kg/h。

对比本发明中提出的机组节能减排调度方法和传统的按比例分配负荷调度方法的计算结果，可以发现本发明调度方法具有明显的节能减排优势，能取得良好的经济运行效果，同时能大大减少污染物的排放。

Claims (1)

1.一种基于机组污染物排放的节能减排机组调度方法，其特征在于：步骤如下：

(1)根据机组的设计煤耗，污染物排放情况确定机组发电排序的序位表；大型火电机组按照能耗水平由低到高排序；能耗水平相同时，按照污染物排放水平由低到高排序，n台机组，对应第1，第2，……，第n；

(2)确立节能减排发电调度目标函数

以降低系统煤耗，减少系统污染物排放为目标，并考虑各方面约束条件，建立针对火电机组的节能减排发电调度的机组组合模型；确立的方法包括：

a根据每台机组的变负荷运行状况，建立各机组的有功出力P_i与机组煤耗量M_i＝f_Mi(P_i)、NO_X排放量SO₂排放量以及粉尘排放量的二次函数关系；

b根据机组特性和地域电网环保要求，建立不同等级机组的煤耗和各污染物排放基准值和最大允许量差数据库；其中，机组的煤耗基准值是根据各个机组不同负荷下的锅炉和汽机热平衡图，计算求得，并根据这些计算值，建立各机组有功出力P_i与相应负荷下煤耗基准值M_i0＝M_i0(P_i)的二次函数关系，最后将这些二次函数纳入数据库；

c单目标函数的归一化处理；根据不同等级机组的煤耗及各污染物排放基准值和最大允许量差，对煤耗特性函数和各污染物排放特性函数绝对量化：煤耗函数量化表达式NO_X函数量化表达式SO2函数量化表达式以及粉尘函数量化表达式其中，(NO_x)_i0、(SO₂)_i0、(YC)_i0分别是第i台机组的标准NO_X排量、标准SO₂排量、标准烟尘排量，(ΔM)_i、(ΔNO_X)_i、(ΔSO₂)_i、(ΔYC)_i分别是第i台机组的最大煤耗量差、最大NO_X排放量差、最大SO₂排放量差、最大烟尘排放量差；

d确定各污染物排放特性函数的权重系数；根据地域电网环境和能耗需求，确定标准煤耗、NO_X排放、SO₂排放以及粉尘排放之间的权重系数，初步设定煤耗权重系数0.7，NO_X排放、SO₂排放以及粉尘排放权重系数均为0.1；分别对c步骤中的四个量化函数以及初始权重下四个量化函数构成的综合目标函数进行模型求解，根据计算结果列出权重计算的决策表；再依据决策表计算各个量化函数的权重系数A₁、A₂、A₃、A₄；最终确定机组节能减排发电调度的综合目标函数表达式：

e建立模型的约束条件函数，包括有功功率平衡约束函数有功功率限制条件函数P_i，min≤P_i≤P_i，max以及旋转备用和有功功率条件约束函数R_i+P_i≤P_i，max；其中P_i为机组i有功出力，P_D为机组总的出力，P_i，min、P_i，max分别是机组i的最低负荷和最大负荷,Ri为旋转备用；

(3)算法求解；在模型有功功率平衡约束、有功功率限制以及旋转备用和有功功率约束下，对模型求解；采用构造函数法，将约束条件计入目标函数中，其表达式便是：

其中：A为适应度函数的形式；P_i＝(P₁，P₂，…，P_n)^T为待优化向量；n为约束条件中等式约束的个数；R为对应于等式约束的惩罚因子；

步骤(2)中，在目标函数中引入煤耗和各污染物排放最大允许量差的概念，并通过作商的形式，将综合函数表达式中煤耗和各个污染物排放量绝对量化，在数学上实现了煤耗和各个污染物不同排放标准归一化；

且步骤(2)中，数据库中对于不同机组的煤耗和污染物的基准值以及最大允许排放量差设定都不同，设定大型机组的量差小于小型机组的量差；

在步骤(2)中，在机组节能减排发电调度的综合目标函数表达式中，不仅考虑机组煤耗的情况，而且综合考虑机组污染物排放水平，并把它作为机组调度表达式的一部分，通过绝对量化，归一化处理，确定各自权重，将煤耗大小和污染物排放水平统一到同一个表达式中。