CN109815530B - 一种考虑余热锅炉换热饱和的热电联产系统的调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑余热锅炉换热饱和现象的热电联产系统的控制方法，属于能源系统控制技术领域。本发明方法首先对余热锅炉中的省煤器、蒸发器和过热器进行建模，得到余热锅炉的详细模型，然后出于规划问题的计算需求对其进行了合理简化与松弛，使其在规划问题中构成凸可行集。然后，给出了线性的燃气轮机模型与抽凝式汽轮机模型，构成了完整的热电联产系统模型。本发明在热电联产模型的建立过程中考虑了余热锅炉换热饱和效应，相比传统的线性模型，在一些极端工况中提高了模型的准确性，增强了基于该模型的调度计划的经济性，减小了系统的运行成本，同时避免了不准确的发电特性带来的功率失配问题。

Description

一种考虑余热锅炉换热饱和的热电联产系统的调度方法

技术领域

本发明涉及一种考虑余热锅炉换热饱和现象的热电联产系统的控制方法，属于能源系统控制技术领域。

背景技术

随着能源危机与环境破坏问题的日益严峻，热电联产(以下简称CHP，即combinedheat and power)技术凭借其对化石能源的梯级高效利用而被广泛研究与使用。

热电联产的形式有很多，本发明主要讨论的对象是燃气蒸汽循环型热电联产系统，即燃气轮机燃烧天然气发电，其排放的尾气进入余热锅炉进一步利用生产蒸汽，余热锅炉的高品位蒸汽再进入抽凝式汽轮机(一种可调节抽汽的蒸汽轮机)继续做功产生电能，同时从抽凝式汽轮机的中压级可以抽取中品位的蒸汽用于供热。

在热电联产系统的优化运行中，目前广泛采用的CHP模型还是一种凸多边形模型，即使用CHP可行域的极点的凸组合来表征任一一个可行的运行状态。该模型本质上是一个线性模型，相当于把所有CHP的组成设备(燃气轮机、余热锅炉、抽凝式汽轮机)均视为线性特性。实际经验表明，在合理运行范围内，燃气轮机与抽凝式汽轮机较好地负荷线性特性，但是对于余热锅炉，其存在一种“换热饱和”的现象：随着输入的烟气质量流量的增大，单位质量流量的烟气产生的蒸汽量越来越少。这是因为随着烟气质量流量增大，单位质量流量的烟气在余热锅炉内进行热交换的时间变短，同时换热器存在一定的热量传递的速率上限，导致更多的废热残留在烟气中，没有充分传递给水蒸汽。这是造成原有的凸多边形模型精度损失的一大原因。

发明内容

本发明的目的是提出一种考虑余热锅炉换热饱和现象的热电联产系统的控制方法，并考虑到控制过程的计算需求，对优化模型进行了相关的简化与凸松弛，以增强基于该模型的调度计划的经济性

本发明提出的考虑余热锅炉换热饱和的热电联产系统的调度方法，包括以下步骤：

(1)从热电联产系统的数据库获取热电联产系统的运行参数，其中，热电厂参数包括：热电机组效率η_tpp、热电机组产生的电功率的下限和上限P_tpp 和热电机组出力爬坡速率下限和上限RP_dn,tpp和RP_up,tpp，热电联产电厂参数包括：热电联产机组的产生电功率下限和上限P_CHP 和/>热功率下限和上限m_CHP 和/>(蒸汽质量流量形式)，电功率爬坡速率上限和下限RP_dn,CHPP和RP_up,CHPP，热功率爬坡速率上限和下限RP_dn,CHPm和RP_up,CHPm，风电场参数包括：风电并网功率变化速率上限和下限RP_dn,w和RP_up，w，线路参数包括热电联产系统中每条线路的最大传输功率MTC；

(2)从热电联产系统的预测中心获得日前预测的热电联产系统节点n处电负荷曲线、热负荷曲线和风电最大可出力曲线；

(3)建立一个考虑余热锅炉换热饱和现象的热电联产系统调度的优化模型，该优化模型的目标函数为：以热电联产系统的运行成本最小为目标，表达式如下：

其中，i为热电联产电厂的序号，j为热电厂的序号，t为调度时段，S_T是一个间隔Δt＝15min的时间序列，共96点，S_CHP是热电联产系统中的热电联产电厂序列，S_tpp是热电联产系统中的热电厂序列，p_gas是天然气单价，p_coal是燃煤单价，是热电联产电厂i在调度时段t的耗气量，/>是热电厂j在调度时段t的耗煤量；

(4)建立优化模型的约束条件，包括：

(4-1)热电联产系统电功率平衡约束：

其中，S_wf是热电联产系统中的风电场序列，S_bus是热电联产系统的中所有节点的集合，是热电联产电厂i在调度时段t的电功率，/>是热电厂j在调度时段t的电功率；是风电场k在调度时段t的消纳功率，/>是日前预测的节点n在调度时段t的电负荷，从步骤(2)的热电联产系统节点n处电负荷曲线中获取；

(4-2)热电联产系统热功率平衡约束：

其中，是热电联产电厂i在调度时段t的热功率，/>是日前预测的节点n在调度时段t的热负荷，从热电联产系统节点n处的热负荷曲线获取；

(4-3)热电联产电厂i出力上限和下限约束：

(4-4)热电联产电厂i爬坡速率的上限和下限约束：

(4-5)热电联产电厂i出力特性约束：

m_fg＝(ρ_airk_V+ρ_gas)V_gas

λ＝m_fg/m_ws

m_ws≤g(λ_N)+g'(λ_N)·(λ-λ_N)

h(λ)＝ln[(m₁λ-n₁)/(m₂λ-n₂)]

P_st＝m_ws·k₁-m_extraction·k₂

其中，是燃气轮机的机端功率，V_gas是天然气的进气体积流量；LHV是天然气的低位热值，η_gt是燃气轮机的额定效率，P_st是抽凝式汽轮机的机端功率；m_ws是输入抽凝式汽轮机的蒸汽质量流量，m_extraction是从抽凝式汽轮机的抽汽口抽取的蒸汽质量流量，k₁和k₂是两个抽凝式汽轮机的外特性参数，U₃是过热器的换热系数，A₃是过热器的换热面积，c_fg是烟气的比热，m_fg是进入余热锅炉的烟气质量流量，m_ws是进入余热锅炉的循环水质量流量；λ是余热锅炉的烟气蒸汽比，λ_N是余热锅炉额定工况处的烟气蒸汽比，ρ_air是空气的密度，ρ_gas是天然气的密度，k_V为空气与天然气的体积比例；

(4-6)热电厂出力特性约束：

其中，HV_c是燃煤热值；

(4-7)热电厂出力上限和下限约束：

(4-8)热电厂爬坡速率的上限和下限约束：

风电场消纳功率的上限约束：

其中，是日前预测的风电场k在调度时段t的最大可出力功率；

(4-9)热电联产系统中线路的最大传输功率约束：

其中，S_line是热电联产系统所在的网络中所有支路组成的序列，SF_l,n是节点之间的支路l与节点n的关联系数，MTC_l的线路l的最大传输功率；

(5)使用非线性规划方法，求解上述步骤(3)和步骤(4)组成的优化模型，得到热电联产系统的调度计划，包括热电厂燃煤计划热电联产电厂燃气计划/>抽汽计划和风电场消纳计划/>实现热电联产系统的调度。

本发明提出的考虑余热锅炉换热饱和的热电联产系统的调度方法，其优点是：

本发明的考虑余热锅炉换热饱和的热电联产系统的调度方法，在热电联产模型的建立过程中考虑了余热锅炉换热饱和效应，相比传统的线性模型在一些极端工况中提高了模型的准确性，增强了基于该模型的调度计划的经济性，减小了系统的运行成本，同时避免了不准确的发电特性带来的功率失配问题。

附图说明

图1为本发明提出的考虑余热锅炉换热饱和的热电联产系统的调度方法中涉及的热电联产系统电厂的结构示意图。

具体实施方式

本发明提出的考虑余热锅炉换热饱和的热电联产系统的调度方法，其中涉及的热电联产电厂的结构示意图如图1所示。该调度方法包括以下步骤：

(1)从热电联产系统的数据库获取热电联产系统的运行参数，包括热电厂参数、热电联产电厂参数、风电场参数、线路参数等。其中，热电厂参数包括：热电机组效率η_tpp、热电机组产生的电功率的下限和上限P_tpp 和热电机组出力爬坡速率下限和上限RP_dn,tpp和RP_up,tpp，热电联产电厂参数包括：热电联产机组的产生电功率下限和上限P_CHP 和/>热功率下限和上限m_CHP 和/>(蒸汽质量流量形式)，电功率爬坡速率上限和下限RP_dn,CHPP和RP_up,CHPP，热功率爬坡速率上限和下限RP_dn,CHPm和RP_up,CHPm，风电场参数包括：风电并网功率变化速率上限和下限RP_dn,w和RP_up,w，线路参数包括热电联产系统中每条线路的最大传输功率MTC；

(2)从热电联产系统的预测中心获得日前预测的热电联产系统节点n处电负荷曲线、热负荷曲线和风电最大可出力曲线；

(3)建立一个考虑余热锅炉换热饱和现象的热电联产系统调度的优化模型，该优化模型的目标函数为：以热电联产系统的运行成本最小为目标，表达式如下：

其中，i为热电联产电厂的序号，j为热电厂的序号，t为调度时段，S_T是一个间隔Δt＝15min的时间序列，共96点，S_CHP是热电联产系统中的热电联产电厂序列，S_tpp是热电联产系统中的热电厂序列，p_gas是天然气单价，p_coal是燃煤单价，是热电联产电厂i在调度时段t的耗气量，/>是热电厂j在调度时段t的耗煤量；

(4)建立优化模型的约束条件，包括：

(4-1)热电联产系统电功率平衡约束：

其中，S_wf是热电联产系统中的风电场序列，S_bus是热电联产系统的中所有节点的集合，是热电联产电厂i在调度时段t的电功率，/>是热电厂j在调度时段t的电功率；是风电场k在调度时段t的消纳功率，/>是日前预测的节点n在调度时段t的电负荷，从步骤(2)的热电联产系统节点n处电负荷曲线中获取；

(4-2)热电联产系统热功率平衡约束：

其中，是热电联产电厂i在调度时段t的热功率，/>是日前预测的节点n在调度时段t的热负荷，从热电联产系统节点n处的热负荷曲线获取；

(4-3)热电联产电厂i出力上限和下限约束：

(4-4)热电联产电厂i爬坡速率的上限和下限约束：

(4-5)热电联产电厂i出力特性约束：

m_fg＝(ρ_airk_V+ρ_gas)V_gas

λ＝m_fg/m_ws

m_ws≤g(λ_N)+g'(λ_N)·(λ-λ_N)

h(λ)＝ln[(m₁λ-n₁)/(m₂λ-n₂)]

P_st＝m_ws·k₁-m_extraction·k₂

其中，是燃气轮机的机端功率，V_gas是天然气的进气体积流量；LHV是天然气的低位热值，可以从相关表格查到，η_gt是燃气轮机的额定效率，P_st是抽凝式汽轮机的机端功率；m_ws是输入抽凝式汽轮机的蒸汽质量流量，m_extraction是从抽凝式汽轮机的抽汽口抽取的蒸汽质量流量，k₁和k₂是两个抽凝式汽轮机的外特性参数，可由对抽凝式汽轮机的试验曲线得到，U₃是过热器的换热系数，A₃是过热器的换热面积，c_fg是烟气的比热，可以从相关表格查到，m_fg是进入余热锅炉的烟气质量流量，m_ws是进入余热锅炉的循环水质量流量(等于余热锅炉生产的蒸汽质量流量)；λ是余热锅炉的烟气蒸汽比，λ_N是余热锅炉额定工况处的烟气蒸汽比，由余热锅炉的说明书获取，ρ_air是空气的密度，ρ_gas是天然气的密度，k_V为空气与天然气的体积比例，其余变量均为计算过程中的中间变量，以简化公式的表达；

(4-6)热电厂出力特性约束：

其中，HV_c是燃煤热值；

(4-7)热电厂出力上限和下限约束：

(4-8)热电厂爬坡速率的上限和下限约束：

风电场消纳功率的上限约束：

其中，是日前预测的风电场k在调度时段t的最大可出力功率；

(4-9)热电联产系统中线路的最大传输功率约束：

其中，S_line是热电联产系统所在的网络中所有支路组成的序列，由热电联产系统所在网络拓扑结构得到，SF_l,n是节点之间的支路l与节点n的关联系数，由热电联产系统所在网络拓扑结构得到，MTC_l的线路l的最大传输功率；

(5)使用非线性规划方法，本发明的一个实施例中使用内点法，求解上述步骤(3)和步骤(4)组成的优化模型，得到热电联产系统的调度计划，包括热电厂燃煤计划热电联产电厂燃气计划/>抽汽计划/>和风电场消纳计划/>实现热电联产系统的调度。

Claims (1)

1.一种考虑余热锅炉换热饱和的热电联产系统的调度方法，其特征在于该调度方法包括以下步骤：

(1)从热电联产系统的数据库获取热电联产系统的运行参数，其中，热电厂参数包括：热电机组效率η_tpp、热电机组产生的电功率的下限和上限P_tpp 和热电机组出力爬坡速率下限和上限RP_dn,tpp和RP_up,tpp，热电联产电厂参数包括：热电联产机组的产生电功率下限和上限P_CHP 和/>热功率下限和上限m_CHP 和/>(蒸汽质量流量形式)，电功率爬坡速率上限和下限RP_dn,CHPP和RP_up,CHPP，热功率爬坡速率上限和下限RP_dn,CHPm和RP_up,CHPm，风电场参数包括：风电并网功率变化速率上限和下限RP_dn,w和RP_up,w，线路参数包括热电联产系统中每条线路的最大传输功率MTC；

(2)从热电联产系统的预测中心获得日前预测的热电联产系统节点n处电负荷曲线、热负荷曲线和风电最大可出力曲线；

(3)建立一个考虑余热锅炉换热饱和现象的热电联产系统调度的优化模型，该优化模型的目标函数为：以热电联产系统的运行成本最小为目标，表达式如下：

其中，i为热电联产电厂的序号，j为热电厂的序号，t为调度时段，S_T是一个间隔Δt＝15min的时间序列，共96点，S_CHP是热电联产系统中的热电联产电厂序列，S_tpp是热电联产系统中的热电厂序列，p_gas是天然气单价，p_coal是燃煤单价，是热电联产电厂i在调度时段t的耗气量，/>是热电厂j在调度时段t的耗煤量；

(4)建立优化模型的约束条件，包括：

(4-1)热电联产系统电功率平衡约束：

其中，S_wf是热电联产系统中的风电场序列，S_bus是热电联产系统的中所有节点的集合，是热电联产电厂i在调度时段t的电功率，/>是热电厂j在调度时段t的电功率；/>是风电场k在调度时段t的消纳功率，/>是日前预测的节点n在调度时段t的电负荷，从步骤(2)的热电联产系统节点n处电负荷曲线中获取；

(4-2)热电联产系统热功率平衡约束：

其中，是热电联产电厂i在调度时段t的热功率，/>是日前预测的节点n在调度时段t的热负荷，从热电联产系统节点n处的热负荷曲线获取；

(4-3)热电联产电厂i出力上限和下限约束：

(4-4)热电联产电厂i爬坡速率的上限和下限约束：

(4-5)热电联产电厂i出力特性约束：

m_fg＝(ρ_airk_V+ρ_gas)V_gas

λ＝m_fg/m_ws

m_ws≤g(λ_N)+g'(λ_N)·(λ-λ_N)

h(λ)＝ln[(m₁λ-n₁)/(m₂λ-n₂)]

P_st＝m_ws·k₁-m_extraction·k₂

其中，是燃气轮机的机端功率，V_gas是天然气的进气体积流量；LHV是天然气的低位热值，η_gt是燃气轮机的额定效率，P_st是抽凝式汽轮机的机端功率；m_ws是输入抽凝式汽轮机的蒸汽质量流量，m_extraction是从抽凝式汽轮机的抽汽口抽取的蒸汽质量流量，k₁和k₂是两个抽凝式汽轮机的外特性参数，U₃是过热器的换热系数，A₃是过热器的换热面积，c_fg是烟气的比热，m_fg是进入余热锅炉的烟气质量流量，m_ws是进入余热锅炉的循环水质量流量；λ是余热锅炉的烟气蒸汽比，λ_N是余热锅炉额定工况处的烟气蒸汽比，ρ_air是空气的密度，ρ_gas是天然气的密度，k_V为空气与天然气的体积比例；其中，进入余热锅炉的循环水质量流量等于输入抽凝式汽轮机的蒸汽质量流量；

(4-6)热电厂出力特性约束：

其中，HV_c是燃煤热值；

(4-7)热电厂出力上限和下限约束：

(4-8)热电厂爬坡速率的上限和下限约束：

风电场消纳功率的上限约束：

其中，是日前预测的风电场k在调度时段t的最大可出力功率；

(4-9)热电联产系统中线路的最大传输功率约束：

其中，S_line是热电联产系统所在的网络中所有支路组成的序列，SF_l,n是节点之间的支路l与节点n的关联系数，MTC_l的线路l的最大传输功率；

(5)使用非线性规划方法，求解上述步骤(3)和步骤(4)组成的优化模型，得到热电联产系统的调度计划，包括热电厂燃煤计划热电联产电厂燃气计划/>抽汽计划和风电场消纳计划/>实现热电联产系统的调度。