CN115982916B - 基于综合能源系统静态安全评估的燃气轮机接入方法 - Google Patents

Abstract

基于综合能源系统静态安全评估的燃气轮机接入方法，属于发电机组规划配置技术领域。其特征在于：包括如下步骤：S1建立天然气系统网络模型；S2对天然气管道支路N‑1开断事故量化评估；S3确定气电综合能源系统关键耦合设备规划流程。本发明的电驱动压缩机作为电力系统的负荷，为保证天然气能够得到可靠供应，压缩机电能供应的可靠性是首先要考虑的问题。考虑天然气系统压缩机的供电可靠性，对电力线路构建N‑1开断故障集，依次选取开断支路调用潮流计算，量化事故风险指标，对指标进行排序后选取指标值最小的支路配置压缩机，提高压缩机供电的可靠性。

Description

基于综合能源系统静态安全评估的燃气轮机接入方法

技术领域

基于综合能源系统静态安全评估的燃气轮机接入方法，属于发电机组规划配置技术领域。

背景技术

全球变暖和能源危机已成为制约人类社会可持续发展的关键问题。可再生能源成为解决这一问题的主要方式，但其间歇性和波动性对电力系统的灵活性调节资源提出巨大需求。燃气轮机在响应特性、发电成本、调节范围以及变负荷能力方面相比于燃煤机组、抽水蓄能电站以及储能设备具有明显优势。随着天然气机组的广泛建设，电力和天然气系统的耦合日益紧密，高效、清洁、可持续的综合能源体系逐渐成型。然而，天然气系统中可能出现的管道泄漏、供应中断等随机性故障会导致燃气机组供气中断，从而使得机组不得不降低出力甚至停机，从而严重威胁电力系统的稳定运行。因此有必要对燃气机组在天然气网络系统中的接入点进行规划选址，达到燃气轮机安全可靠供气的目的，从而保证其充分发挥为电力系统提供灵活性调节的潜力。

另一方面，电驱动压缩机消耗电能来对管道天然气增压输送，作为电力负荷，当电力系统发生故障停运时将导致压缩机停机，从而使得天然气管道气压降低，影响天然气管网的稳定运行。因此，电驱动压缩机在电力系统中的接入点的优化配置可以保证压缩机电能供应的可靠性，对天然气系统的稳定运行起到重要作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种确定燃气机组在天然气系统中的接入点以及电驱动压缩机在电力系统中的接入点，燃气轮机和电驱动压缩机能源供应的可靠性的基于综合能源系统静态安全评估的燃气轮机接入方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该基于综合能源系统静态安全评估的燃气轮机接入方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1建立天然气系统网络模型；

S2对天然气管道支路N-1开断事故量化评估；

S3确定气电综合能源系统关键耦合设备规划流程。

优选的，所述方法还包括，节点r和s之间管道的天然气流量数学模型为：

其中，f_rs节点r和s之间的管道流量，节点r和s为气源节点，S_r为注入管道的天然气流量，N_L为天然气管道集合；

管道节点气压和管道流量之间的数学模型为：

其中，C_rs为管道参数有关的常系数，p_r和p_s分别为节点r和s的气压，A_p为不含压缩机的天然气管道支路集合，A_a为含有压缩机的天然气管道支路集合；

sign_rs为管道流量的方向为：

优选的，所述的管道参数有关的常系数C_rs为：

其中，D_rs是管道内径，L_rs是管道长度，T是温度，z是天然气压缩因子，δ为天然气相对于空气的密度，∈代表管壁粗糙度。

优选的，在所述的节点r和节点s之间有压缩机，压缩机通过压缩所通过的天然气从而使得节点s的压力p_s相对于节点r的压力p_r增强；

压缩机c(为压缩机集合)消耗的天然气量为：

其中，β_c为压缩机c的能量转换系数，B_c为与压缩机c温度、效率和天然气热值有关系的常系数，为流过压缩机c的天然气流量，Z_c为与压缩机c的压缩因子。

优选的，所述方法还包括，压缩机c的压缩比约束为：

其中，R_c，max为压缩机c的压缩比上限，R_c，min为压缩机c的压缩比下限；

压缩机的节点r的气压需要满足物理约束：

其中，P_g，r，max为管道节点所允许的最大气压，P_g，r，min为管道节点所允许的最低气压，N_a为所有天然气管道节点；

气源节点的天然气流量不能超过天然气注入流量的限制为：

其中，S_g，r，max为气源节点注入管道节点的最大流量，S_g，r，min为气源节点注入管道节点的最小流量，N_s为气源节点。

优选的，所述方法还包括，天然气系统运行的目标函数为：

优选的，所述方法还包括，管道N-1后节点压力波动指标：

其中，ING_prs，k为针对第k条N-1开断管道支路，所有节点波动情况的指标，用来衡量天然气管道节点压力在不同管道支路停运下的波动严重情况，R为天然气网络所有节点集合N_s中元素的总个数，为管道支路k开断N-1故障后节点r的压力，/>为正常运行状态下节点r的压力，w_r为节点权重系数；

管道流量越限指标为：

其中，ING_plf，k为衡量天然气管道流量在支路k开断N-1故障后是否越限指标，L为天然气管道支路集合N_L中元素的总个数，为管道支路rs最大允许流量，/>为管道支路开断N-1故障后管道rs的流量，/>为管道支路权重系数。

优选的，所述方法还包括，支路k开断N-1故障后天然气网络系统安全综合评估指标为：

其中，为节点压力波动指标ING_prs，k的权重系数，/>为管道流量越限指标ING_plf，k的权重系数。

优选的，所述方法还包括，节点气压抗干扰指标为：

其中，MGJD_r，prs为针对第r个节点，对于所有的开断N-1故障管道集合的管道总数L中的每一条管道开断后的节点气压与正常状态的波动值的平均值，表示不同节点气压对于开断N-1管道的抗干扰能力，可以用其表征节点气压的稳定性。MGJD_prs，r值越小，表征节点气压的稳定性越强。

优选的，所述方法还包括，燃气轮机的接入点位置规划模型为：

Loc_gt＝min{K_rs[sort(ING_k,descend)]

∩r[sort(MGJD_r,prs,ascend)]}；

其中，sort(ING_k，descend)是对管道N-1后节点压力波动指标ING_prs，k按照其数值从大到小进行排序；K_rs[]为对ING_prs，k排序后所对应的管道节点r和s；sort(MGJD_r，prs，ascend)是对节点气压抗干扰指标MGJD_r，prs按照其数值从小到大进行排序；这里的r[]为对指标MGJD_r，prs排序后所对应的节点编号。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

本基于综合能源系统静态安全评估的燃气轮机接入方法中，压气站通常由几个压气机串联或者并联构成，对天然气系统起着至关重要的作用。压缩机组通过减小天然气体积来增加压力，从而提供所需的推助力，使天然气沿着管道运送。电驱动压缩机作为电力系统的负荷，为保证天然气能够得到可靠供应，压缩机电能供应的可靠性是首先要考虑的问题。考虑天然气系统压缩机的供电可靠性，对电力线路构建N-1开断故障集，依次选取开断支路调用潮流计算，量化事故风险指标，对指标进行排序后选取指标值最小的支路配置压缩机，提高压缩机供电的可靠性。

附图说明

图1为天然气系统网络示意图。

图2为压缩机支路结构图。

图3为考虑天然气网络N-1开断的燃气轮机位置规划策略流程图。

图4为考虑电力网络N-1开断的P2G装置位置规划流程图。

具体实施方式

图1～4是本发明的最佳实施例，下面结合附图1～4对本发明做进一步说明。

基于综合能源系统静态安全评估的燃气轮机接入方法，包括如下步骤：

S1建立天然气系统网络模型；

S2对天然气管道支路N-1开断事故量化评估；

S3确定气电综合能源系统关键耦合设备规划流程。

天然气系统网络示意图如图1所示，天然气系统节点r、s、u、v、w通过节点之间的管道联通。例如节点r和s之间的管道流量为f_rs，节点r和s为气源节点，注入管道的天然气流量为S_r和S_s，p_r和p_s为对应节点的气压。节点u、v、w为天然气负荷节点，负荷需求分别为L_g，u、L_g，v、L_g，w，N_L为天然气管道集合，A_p为不含压缩机的天然气管道支路集合，A_a为含有压缩机的天然气管道支路集合。

节点r和s之间管道的天然气流量数学模型如下：

管道节点气压和管道流量之间的数学模型如下：

其中，C_rs为管道参数有关的常系数，其数学模型如下：

其中，D_rs是管道内径，L_rs是管道长度，T是温度，z是天然气压缩因子，δ为天然气相对于空气的密度，∈代表管壁粗糙度。

sign_rs为管道流量的方向，其数学模型如下：

天然气压缩机所在管道结构如图2所示，节点r和节点s之间有压缩机，压缩机通过压缩所通过的天然气从而使得节点s的压力p_s相对于节点r的压力p_r增强：

其中，为压缩机(/>为压缩机集合)消耗的天然气量，β_c为压缩机c的能量转换系数，B_c为与压缩机c温度、效率和天然气热值有关系的常系数，/>为流过压缩机c的天然气流量，Z_c为与压缩机c的压缩因子。

其中，R_c，max为压缩机c的压缩比上限，R_c，min为压缩机c的压缩比下限。

压缩机的节点r的气压需要满足物理约束：

其中，P_g，r，max为管道节点所允许的最大气压，P_g，r，min为管道节点所允许的最低气压，N_a为所有天然气管道节点。

气源节点的天然气流量不能超过天然气注入流量的限制：

其中，S_g，r，max为气源节点注入管道节点的最大流量，S_g，r，min为气源节点注入管道节点的最小流量，N_s为气源节点。

天然气系统运行的目标函数为气源供气成本和压缩机运行成本最小化：

管道N-1后节点压力波动指标为：

其中，ING_prs，k为针对第k条N-1开断管道支路，所有节点波动情况的指标，用来衡量天然气管道节点压力在不同管道支路停运下的波动严重情况，R为天然气网络所有节点集合N_s中元素的总个数，为管道支路k开断N-1故障后节点r的压力，/>为正常运行状态下节点r的压力，w_r为节点权重系数。

管道流量越限指标为：

其中，ING_plf，k为衡量天然气管道流量在支路k开断N-1故障后是否越限指标，L为天然气管道支路集合N_L中元素的总个数，为管道支路rs最大允许流量，/>为管道支路开断N-1故障后管道rs的流量，/>为管道支路权重系数。

综合以上两类指标，支路k开断N-1故障后天然气网络系统安全综合评估指标为：

其中，为节点压力波动指标ING_prs，k的权重系数，/>为管道流量越限指标ING_plf，k的权重系数。

节点气压抗干扰指标为：

其中，参数MGJD_r，prs为针对第r个节点，对于所有的开断N-1故障管道集合的管道总数L中的每一条管道开断后的节点气压与正常状态的波动值的平均值，表示不同节点气压对于开断N-1管道的抗干扰能力，可以用其表征节点气压的稳定性。MGJD_prs，r值越小，表征节点气压的稳定性越强。

燃气轮机是天然气网络系统的负荷，天然气供应以合同为基础，由能源监管机构监管管道运营商向客户提供的运输服务主要有两种形式，即固定服务(不间断服务)和可中断服务。根据监管要求，第一种优先级更高，它可以以任何理由占用优先级较低的运输服务的容量。最高优先级通常分配给住宅和商业客户，没有短期替代方案。由于这些原因，天然气发电公司通常会签订可中断合同。因此，优先级较低的燃气机组应努力通过多种选择来确保充足的燃料供应，尤其应着重考虑节点压力不足或者输送容量受到限制时天然气被断供的风险。

对天然气网络中的各管道支路N-1安全校核，计算各支路开断后的风险指标并排序，ING_k值越大表征此条管道支路k的重要性越高，此条管道支路停运会对天然气网络系统造成较严重的影响。此外，针对节点r，计算节点气压抗干扰指标参数MGJD_r，prs并进行排序，MGJD_r，prs越小，表征节点针对不同停运管道的抗干扰能力越强。因此，燃气轮机的接入点位置规划模型如下：

其中，sort(ING_k，descend)是对管道N-1后节点压力波动指标ING_prs，k按照其数值从大到小进行排序；K_rs[]为对ING_prs，k排序后所对应的管道节点r和s；sort(MGJD_r，prs，ascend)是对节点气压抗干扰指标MGJD_r，prs按照其数值从小到大进行排序；这里的r[]为对指标MGJD_r，prs排序后所对应的节点编号。K_rs[]和r[]相交的节点的最小序号即为燃气轮机在天然气网络系统中的节点位置，在这个节点上所对应的管道对天然气网络系统的稳定运行起着重要的作用，并且此节点对于抵抗管道支路停运具有较强的稳健性。

考虑天然气网络N-1开断的燃气轮机位置规划具体策略如图3所示。

压气站通常由几个压气机串联或者并联构成，对天然气系统起着至关重要的作用。压缩机组通过减小天然气体积来增加压力，从而提供所需的推助力，使天然气沿着管道运送。电驱动压缩机作为电力系统的负荷，为保证天然气能够得到可靠供应，压缩机电能供应的可靠性是首先要考虑的问题。考虑天然气系统压缩机的供电可靠性，对电力线路构建N-1开断故障集，依次选取开断支路调用潮流计算，量化事故风险指标，对指标进行排序后选取指标值最小的支路配置压缩机，提高压缩机供电的可靠性。考虑电力系统线路N-1开断的压缩机位置规划具体流程如图4所示。

本发明对天然气管网系统和电力网络线路设置预想事故集，对主要天然气管道和电力线路进行N-1开断，建立天然气管道支路和电力输电线路N-1开断事故量化评估指标，对管线支路开断后节点气压和电压波动情况进行量化，从而确定燃气机组在天然气系统中的接入点以及电驱动压缩机在电力系统中的接入点，从而保证气电综合能源系统的可靠运行。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.基于综合能源系统静态安全评估的燃气轮机接入方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1建立天然气系统网络模型；

S2对天然气管道支路N-1开断事故量化评估；

S3确定气电综合能源系统关键耦合设备规划流程；

所述方法还包括，节点r和s之间管道的天然气流量数学模型为：

其中，f_rs节点r和s之间的管道流量，节点r和s为气源节点，S_r为注入管道的天然气流量，N_L为天然气管道集合；

管道节点气压和管道流量之间的数学模型为：

其中，C_rs为管道参数有关的常系数，p_r和p_s分别为节点r和s的气压，A_p为不含压缩机的天然气管道支路集合，A_a为含有压缩机的天然气管道支路集合；

sign_rs为管道流量的方向为：

在所述的节点r和节点s之间有压缩机，压缩机通过压缩所通过的天然气从而使得节点s的气压p_s相对于节点r的气压p_r增强；

压缩机c消耗的天然气量为：

其中，β_c为压缩机c的能量转换系数，B_c为与压缩机c温度、效率和天然气热值有关系的常系数，为流过压缩机c的天然气流量，Z_c为与压缩机c的压缩因子；

所述方法还包括，天然气系统运行的目标函数为：

所述方法还包括，管道N-1后节点压力波动指标：

其中，ING_prs，k为针对第k条N-1开断管道支路，所有节点波动情况的指标，用来衡量天然气管道节点压力在不同管道支路停运下的波动严重情况，R为天然气网络所有节点集合N_s中元素的总个数，为管道支路k开断N-1故障后节点r的压力，/>为正常运行状态下节点r的压力，w_r为节点权重系数；

管道流量越限指标为：

其中，ING_plf，k为衡量天然气管道流量在支路k开断N-1故障后是否越限指标，L为天然气管道支路集合N_L中元素的总个数，为管道支路rs最大允许流量，/>为管道支路开断N-1故障后管道rs的流量，/>为管道支路权重系数；

所述方法还包括，支路k开断N-1故障后天然气网络系统安全综合评估指标为：

其中，为节点压力波动指标ING_prs，k的权重系数，/>为管道流量越限指标ING_plf，k的权重系数；

所述方法还包括，节点气压抗干扰指标为：

其中，MGJD_r，prs为针对第r个节点，对于所有的开断N-1故障管道集合的管道总数L中的每一条管道开断后的节点气压与正常状态的波动值的平均值，表示不同节点气压对于开断N-1管道的抗干扰能力，可以用其表征节点气压的稳定性；MGJD_prs，r值越小，表征节点气压的稳定性越强；

所述方法还包括，燃气轮机的接入点位置规划模型为：

Loc_gt＝min{K_rs[sort(ING_k,descend)]∩r[sort(MGJD_r,prs,ascend)]}；

其中，sort(ING_k，descend)是对管道N-1后节点压力波动指标ING_prs，k按照其数值从大到小进行排序；K_rs[]为对ING_prs，k排序后所对应的管道节点r和s；sort(MGJD_r，prs，ascend)是对节点气压抗干扰指标MGJD_r，prs按照其数值从小到大进行排序；这里的r[]为对指标MGJD_r，prs排序后所对应的节点编号。

2.根据权利要求1所述的基于综合能源系统静态安全评估的燃气轮机接入方法，其特征在于：所述的管道参数有关的常系数C_rs为：

其中，D_rs是管道内径，L_rs是管道长度，T是温度，z是天然气压缩因子，δ为天然气相对于空气的密度，∈代表管壁粗糙度。

3.根据权利要求1所述的基于综合能源系统静态安全评估的燃气轮机接入方法，其特征在于：所述方法还包括，压缩机c的压缩比约束为：

其中，R_c，max为压缩机c的压缩比上限，R_c，min为压缩机c的压缩比下限；

压缩机的节点r的气压需要满足物理约束：

其中，P_g，r，max为管道节点所允许的最大气压，P_g，r，min为管道节点所允许的最低气压，N_a为所有天然气管道节点；

气源节点的天然气流量不能超过天然气注入流量的限制为：

其中，S_g，r，max为气源节点注入管道节点的最大流量，S_g，r，min为气源节点注入管道节点的最小流量，N_s为气源节点。