CN108009669A - 一种基于节能环保的火电厂多目标负荷优化分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于节能环保的火电厂多目标负荷优化分配方法,包括以下步骤:S1、读取各机组煤耗参数和环保排放数据,建立机组煤耗环保特性曲线;S2、接收调度主站下发的总负荷指令,并读取各机组可调容量限值;S3、结合机组煤耗环保特性曲线建立目标函数,根据等耗量微增率算法,求解各可调机组负荷优化目标;S4、判断是否有机组负荷优化目标越过机组可调容量限值;否,则输出优化分配结果;S5、是,则修正越限的机组负荷优化目标为机组可调容量限值,然后返回步骤S2。本发明实现了基于节能环保进行火电厂多目标负荷优化分配的目标。
Description
技术领域
本发明涉及电厂负荷优化分配技术领域,尤其涉及一种基于节能环保的火电厂多目标负荷优化分配方法。
背景技术
随着现行发电调度方式改革的不断深入,在保障电力可靠供应的前提下,按照节能、经济的原则,除了优先调度可再生发电资源外,对传统火电机组按机组能耗和污染物排放水平由低到高排序,依次调用化石类发电资源,最大限度地减少能源、资源消耗和污染物排放,是电网安全、稳定、经济运行的目标。而目前,电网对火电厂机组的负荷调度绝大部分采用单机AGC直调方式,即将负荷指令发给每台机组,直接调度每台机组负荷,发电机组AGC的投入对电网的安全稳定、经济运行起到了积极有效的促进作用。但是目前的负荷调度方式,由于不能在电厂内部实现各台机组负荷的经济分配,也没有综合考虑厂内各机组的污染排放及其他环保指标,不能适应当前低碳经济和节能减排政策的发展趋势。
在目前的单机AGC方式下,调度中心直接调度到单台机组,电网的变负荷调度要求一般按比例分配给投入AGC运行的机组,该方式存在以下问题:
目前的单机AGC没有充分考虑厂内负荷经济分配,尽管调度的AGC有经济分配功能,但由于机组反馈给调度的信息不够,在调度侧很难做到各台机组间的负荷经济分配。在厂网分开后,不仅要考虑全网负荷经济分配,同时还要考虑厂内的负荷经济分配,而调度很难实现电网和电厂两级负荷的经济分配。
在我国火电行业二氧化硫、氧化氮产物是火力发电厂两种主要的污染物排放气体,每年排放的SO2、NOx分别约占全国其它行业同类气体排放总量54%和21%。另外,虽然CO2相对于上述两种气体对环境的危害程度较小,但是火电厂的CO2排放量却比SO2、NOx高出几个甚至十几个数量级,而且CO2是温室效应气体,理应对其加以重视。虽然目前大多数火电厂都安装了脱硫脱硝设备,但这属于被动的污染治理,在负荷分配的过程中并没有从生产消耗的源头加以考虑。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题,本发明提出了一种基于节能环保的火电厂多目标负荷优化分配方法。
本发明提出的一种基于节能环保的火电厂多目标负荷优化分配方法,包括以下步骤:
S1、读取各机组煤耗参数和环保排放数据,建立机组煤耗环保特性曲线;
S2、接收调度主站下发的总负荷指令,并读取各机组的可调容量限值;
S3、结合机组煤耗环保特性曲线建立目标函数,根据等耗量微增率算法,求解各可调机组负荷优化目标;
S4、判断是否有机组负荷优化目标越过机组的可调容量限值;否,则输出优化分配结果;
S5、是,则修正越限的机组负荷优化目标为机组的可调容量限值,然后返回步骤S2。
优选地,步骤S2具体包括以下步骤:
S21、接收调度主站下发的总负荷指令,并读取各机组的可调容量限值;
S22、判断总负荷指令是否为有效指令;否,则返回步骤S21;
S23、是,则检测各机组的运行状态,获取当前可调机组。
优选地,步骤S4具体为:判断是否有机组负荷优化目标大于其可调容量最大值或者小于其可调容量最小值;
步骤S5具体为:当机组负荷优化目标大于其可调容量最大值时,以该机组的可调容量最大值作为目标调节该机组的当前负荷;当机组负荷优化目标小于其可调容量最小值时,以该机组的可调容量最小值作为目标调节该机组的当前负荷。
优选地,机组煤耗环保特性曲线通过结合机组煤耗函数曲线和机组环保函数曲线进行推导,机组煤耗函数曲线通过各机组煤耗参数进行拟合,机组环保函数曲线通过各机组环保排放数据进行拟合。
优选地,其特征在于,步骤S1中,机组煤耗环保特性曲线函数为:Mi=Mi(Pi)=Ai+BiPi+CiPi 2,其中,Ai、Bi、Ci为各机组煤耗环保综合特性参数。
本发明提出的基于节能环保的火电厂多目标负荷优化分配方法,一方面改变了现有电网调度对机组的调度方式,由单机组负荷调度改变成全厂负荷调度;另一方面厂级负荷优化分配系统根据各机组的煤耗特性和运行效率等因素,进行最优经济分配,实现全厂最优经济运行;同时,根据各台机组环保排放指标,将电厂排放的各种有害及污染气体进行量化,建立环保成本目标函数,并以最低环保排放指标为目标进行负荷优化分配,从而实现全厂负荷的节能环保调度。
本发明实现了基于节能环保进行火电厂多目标负荷优化分配的目标。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于节能环保的火电厂多目标负荷优化分配方法流程图。
具体实施方式
参照图1,本发明提出的基于节能环保的火电厂多目标负荷优化分配方法,包括以下步骤。
S1、读取各机组煤耗参数和环保排放数据,建立机组煤耗环保特性曲线
本步骤中,机组煤耗环保特性曲线以全厂各机组的负荷作为决策变量,其形式可通过结合机组煤耗函数曲线和机组环保函数曲线进行推导。
第一步,以供电煤耗作为负荷优化目标建立目标函数,该目标函数中以各机组的负荷Pi,(i=1,2,...,n)作为决策变量。
具体的,机组煤耗特性函数为:
Bi=Fi(Pi)=ai+biPi+ciPi 2 (1)
式中Bi:表示第i台机组的标准煤耗量,用于体现全厂各机组的煤耗特性;
Fi(Pi):表示第i台机组的煤耗特性方程;
ai,bi,ci:表示第i台机组的煤耗特性系数;
Pi:表示第i台机组的有功功率;
B:表示全厂总的标准煤耗量,用于体现全厂总煤耗特性;
n:表示全厂并列运行机组数量。
结合以上公式(1)、(2),最优经济运行负荷优化分配的煤耗目标函数可以表示为:
第二步:建立最低环保排放负荷优化目标函数,即机组环保函数曲线。
首先,需要建立各机组的负荷Pi(1,2,...,n)与排放气体SO2、CO2和NOx的排放量的函数关系;其次,要得到上述各气体单位排出量的环保治理成本,即环保成本系数;最后,将上述各气体排放量与各自成本系数相乘后求和,即得出环保成本函数。
对于SO2和CO2,其排放量随着火电厂消耗燃料的增加而增加,且排放量的函数形式与机组煤耗特性函数相同。因而,若机组i的负荷为Pi,则SO2和CO2两种气体排放量特性函数如下:
式(4)中,分别为各台机组的SO2污染气体排放系数。
式(5)中,分别为各台机组的CO2污染气体排放系数。
与上述两种污染物略有不同,NOx的排放量与机组负荷有一定的非二次性函数关系,一般是二次函数和指数函数的组合,因而NOx排放量的特性函数如下:
式中分别为各台机组的NOx气体排放系数。
以上三种气体排放量目标函数均未计及发电厂使用脱硫脱硝设备的吸收情况。在计算实际排放到外界环境中的污染气体排放量时,应根据各个发电机组脱硫脱硝设备的实际效率来定,这里选取平均值来进行计算,即SO2气体的吸收率为98%,NOx气体的吸收率为85%。对于CO2气体,目前基本没有使用吸收减排装置对其进行处理,仍以原排放量目标函数进行计算。因而,火电厂中第i台发电机组的污染气体排放量函数就由以下三部分构成:
在电厂实际发电过程中,为了便于衡量优化的经济效益,一般将气体排放量成本化,即在污染气体排放量函数的基础上乘以一个成本系数,将式(4),(5),(6)分别乘以污染气体排放的成本系数并相加,便得到了n台发电机组的污染治理总成本函数:
在式(6)中,数值较小,为了方便计算这里把NOx排放量函数中的参数忽略,式(6)简化为二次函数形式,然后,结合公式(4)(5)和简化后的公式(6)可进一步化简式(8)为一个简单的二次函数之和的形式,以得到最终的环保函数曲线:
上式为一个具有n台发电机组的发电系统环境成本费用目标函数的最简单形式,式中αi、βi、χi为环境成本函数的参数,具体的,
第三步:结合公式(3)和公式(9)确定基于节能环保的机组煤耗环保特性函数。
本步骤中,结合煤耗和排放综合考虑。具体的,本步骤中建立的机组煤耗环保特性目标函数为多目标优化目标函数,为了兼顾多目标即煤耗和环保排放,本步骤中引入权重系数,即对每个目标赋予一个权重,然后将既定的目标函数乘以权重,再求和得到新的目标函数,再在原目标函数的等价约束条件下求解。通过改变权重的大小,可以分别得到对不同目标侧重点的要求。
本步骤中,基于经济性与环保因素考虑的机组煤耗环保特性目标函数为:
其中:F为全厂机组煤耗量,E为全厂机组污染物排放量;ωe为经济性权重,体现了经济性在负荷优化分配占的比重,ωc为环境指标权重,体现了对污染物排放的控制程度。
该公式(10)结合了公式(3)和公式(9),既考虑了经济性,又兼顾了污染物排放的环保要求的多目标优化问题。
第六步,将目标函数整理化简。
具体的,结合公式(1)和公式(9),对公式(10)进行化简,通过变量代换可得到新的目标二次函数,形式如下:
其中:Ai、Bi、Ci为各机组煤耗环保综合特性参数。
根据机组的实际运行记录数据,以公式(11)为模型通过二次函数拟合,得到各机组的煤耗环保综合特性函数,即:
Mi=Mi(Pi)=Ai+BiPi+CiPi 2 (12)
S21、接收调度主站下发的总负荷指令,并读取各机组的可调容量限值。
S22、判断总负荷指令是否为有效指令。否,则返回步骤S21。
本步骤中,当总负荷指令能通过调节各机组达到才为有效,即总负荷指令并大于或者等于各机组可调容量最小值之和且小于或者等于各机组可调容量最大值之和,总负荷指令才为有效指令,即Psum为总负荷指令,Pimin为机组可调容量最小值,Pimax为机组可调容量最大值。
S23、是,则实时判断各机组状态,获取当前可调机组。通过本步骤,可直接放弃对当前不可控机组的调节,有利机组的安全稳定运行。
S3、结合机组煤耗环保特性目标函数,根据等耗量微增率算法,求解各可调机组负荷优化目标。
根据公式(12)定义的负荷优化分配模型,通过构造如下格朗日函数,求取在负荷平衡条件下的目标函数的极小值。
其中:λ为拉格朗日因子。
格拉朗日函数极小值存在的必要条件是:函数一阶偏导函数等于零,充分条件是:函数二阶偏导函数大于零,于是所求问题就转换成以(P1,P2,...,Pn)为多变量求函数Q*的无条件极值,即:
由式(9),可以得到:
令
则得到:
b1=b2=...=bn=λ (17)
求拉格朗日函数的二阶偏导数得:
公式(12)对应的特性方程为:
根据耗量微增率相等,以及全厂总功率平衡约束条件,可解得各机组的目标功率值,即:
S4、判断是否有机组负荷优化目标越过机组可调容量限值;否,则输出优化分配结果。
只有选取合理的约束条件,确保机组运行在安全稳定的前提下,负荷优化分配才具有实际意义。通常所选取的约束条件主要包括系统的总负荷平衡、发电机组的负荷的上、下限约束。
系统的负荷平衡约束的意义在于:任何时段,全厂投入厂级负荷优化分配的并列运行机组在进行负荷优化分配时,必须保证电网调度下发的厂级总负荷指令等于整个发电厂并列运行各机组有功出力之和。
系统的负荷平衡约束模型为:
式中Psum:表示全厂总有功负荷目标值,即步骤S1中调度主站下发的总负荷指令。
发电机组的负荷上、下限是指参与厂级负荷优化分配的并列运行机组所允许承担负荷的最大或最小限制范围,这同时也是确保机组安全稳定运行的前提条件。
机组负荷的上、下限约束模型为:Pimin≤Pi≤Pimax (22)
S5、是,则修正越限的机组负荷优化目标为机组可调容量限值,然后返回步骤S2。
即,如果计算得到的机组负荷值Pi超过负荷限定值,则让它承担边界负荷,也就是当Pi<Pimin时,取Pi=Pimin;当Pi>Pimax时,取Pi=Pimax。即:
然后,将承担边界负荷的机组去除,对余下的机组再进行优化分配计算,直至全部机组负荷优化分配结束。
本发明中,最终通过多次迭代和修正得到全厂负荷最优节能环保目标结果,通过模拟量信号输出下发至机组DCS系统的机组协调控制系统,最终完成机组负荷优化控制。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于节能环保的火电厂多目标负荷优化分配方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、读取各机组煤耗参数和环保排放数据,建立机组煤耗环保特性曲线;
S2、接收调度主站下发的总负荷指令,并读取各机组可调容量限值;
S3、结合机组煤耗环保特性曲线建立目标函数,根据等耗量微增率算法,求解各可调机组负荷优化目标;
S4、判断是否有机组负荷优化目标越过机组的可调容量限值;否,则输出优化分配结果;
S5、是,则修正越限的机组负荷优化目标为机组的可调容量限值,然后返回步骤S2。
2.如权利要求1所述的基于节能环保的火电厂多目标负荷优化分配方法,其特征在于,步骤S2具体包括以下步骤:
S21、接收调度主站下发的总负荷指令,并读取各机组可调容量限值;
S22、判断总负荷指令是否为有效指令;否,则返回步骤S21;
S23、是,则判断各机组运行状态,获取当前可调机组。
3.如权利要求1所述的基于节能环保的火电厂多目标负荷优化分配方法,其特征在于,步骤S4具体为:判断是否有机组负荷优化目标大于其可调容量最大值或者小于其可调容量最小值;
步骤S5具体为:当机组负荷优化目标大于其可调容量最大值时,以该机组的可调容量最大值作为目标调节该机组的当前负荷;当机组负荷优化目标小于其可调容量最小值时,以该机组的可调容量最小值作为目标调节该机组的当前负荷。
4.如权利要求1至3任一项所述的基于节能环保的火电厂多目标负荷优化分配方法,其特征在于,机组煤耗环保特性曲线通过结合机组煤耗函数曲线和机组环保函数曲线进行推导,机组煤耗函数曲线通过各机组煤耗参数进行拟合,机组环保函数曲线通过各机组环保排放数据进行拟合。
5.如权利要求4所述的基于节能环保的火电厂多目标负荷优化分配方法,其特征在于,步骤S1中,机组煤耗环保特性曲线函数为:Mi=Mi(Pi)=Ai+BiPi+CiPi 2,其中,Ai、Bi、Ci为各机组煤耗环保综合特性参数。
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