徐姍姍,郭通,王月,李永剛
(1.華北電力大學電力工程系,河北省保定市 071003;2.國網(wǎng)河北省電力有限公司雄安新區(qū)供電公司,河北省雄安新區(qū) 071700)
大規(guī)模多變性可再生能源(variable renewable energy,VRE)并網(wǎng)所帶來的靈活性問題是關(guān)乎電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型成敗的關(guān)鍵因素之一[1-3]。為了增強電力系統(tǒng)靈活性,國家發(fā)展改革委、國家能源局先后確定了2批共22個火電靈活性改造示范試點項目,并大規(guī)模推廣電廠實施靈活性改造[4]。
實施靈活性改造可以提高機組的爬坡速率、縮短啟機時間、減小最小負荷,增加VRE的消納空間。但是,靈活性改造內(nèi)容涉及較廣,機組之間存在不同的技術(shù)瓶頸,且改造后會增加機組的運行復雜性和運營成本[5]。因此,在大規(guī)模靈活性改造背景下,如何對采取差異化改造技術(shù)的不同機組進行建模,以及如何完善和優(yōu)化改造后火電機組的經(jīng)濟運行及調(diào)度是亟待解決的問題。
對于純凝機組而言,解決鍋爐側(cè)低負荷穩(wěn)燃及排放問題是目前改造工作的重點[6]。雖然,不同純凝機組的改造內(nèi)容存在差異,但不同方案的改造效果是一致的,即減小機組最小技術(shù)出力,增強調(diào)峰能力。文獻[7-8]量化分析了改造后深度調(diào)峰階段的能耗成本,構(gòu)建了基于火電機組多階段調(diào)峰的優(yōu)化調(diào)度模型,并對深度調(diào)峰的效益進行了分析。在此基礎(chǔ)上,文獻[9-11]分別對考慮補償、需求響應和市場機制等問題進行了補充。但是上述研究都僅考慮了電系統(tǒng),沒有討論供暖季節(jié)電熱耦合運行問題。在供暖期,我國“三北”地區(qū)存在著嚴重的“風熱沖突”問題,棄風現(xiàn)象嚴重。電-熱系統(tǒng)的解耦運行是靈活性改造的另一個重點。
對于電-熱集成系統(tǒng)而言,實現(xiàn)“熱電解耦”目前主要存在2類改造技術(shù)。一類技術(shù)是配置熱泵(heat pump, HP)、電鍋爐(electric boiler, EB)和蓄熱罐(heat accumulator, HA)等靈活性設(shè)施[12-17]。文獻[18]在構(gòu)建了熱電聯(lián)產(chǎn)(combined heat and power, CHP)機組和上述靈活性設(shè)施模型的基礎(chǔ)上,分別考慮了傳熱過程、備用策略和容量配置等相關(guān)問題,并認為這類技術(shù)能夠顯著增強電熱系統(tǒng)的靈活性,促進VRE消納。另一類技術(shù)則是對CHP機組本體進行改造,主要涉及汽輪機本體、凝機器和循環(huán)水等相關(guān)子系統(tǒng)[3,5]。這類技術(shù)并沒有實現(xiàn)真正意義上的“熱電解耦”,其目的是保證供熱的同時,有效降低電功率,增加VRE的消納空間[19]。針對不同類型CHP機組的運行建模,通常采用線性能耗成本函數(shù),文獻[20-21]基于頂點凸組合法,建立了CHP機組的運行模型。但是,上述文獻僅考慮了CHP機組的單模式運行問題,忽略了CHP改造后多模式運行問題。
鑒于上述分析,現(xiàn)有文獻的研究存在如下2點問題:
1)靈活性改造主要涉及電和熱2個能量維度,現(xiàn)有研究大多僅考慮了單一維度或某種改造技術(shù),缺乏全面考慮不同改造技術(shù)的適用性、互補性及協(xié)調(diào)配合能力。
2)火電機組改造的技術(shù)路線眾多,采用不同技術(shù)改造后,機組運行的數(shù)學模型存在差異,缺少一種建模方法對采用不同改造技術(shù)的機組復雜運行問題進行統(tǒng)一建模。
綜上所述,本文提出一種考慮差異化改造技術(shù)的電熱集成系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度方法。首先,對純凝和CHP機組的靈活性改造重點、效果和相關(guān)技術(shù)進行分析,并對CHP機組多種改造技術(shù)進行對比;其次,在考慮純凝機組多階段調(diào)峰、CHP機組多模式運行的基礎(chǔ)上,引入頂點凸組合法對火電機組采用多重改造技術(shù)后的雙能量維度的運行問題進行統(tǒng)一建模;最后,將機組運行模型內(nèi)嵌入電熱集成系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型中,并對所提模型進行算例分析和相關(guān)研究,證明本文所提方法的合理性和有效性。
火電機組的靈活性改造涉及控制和通信系統(tǒng)、燃料供應系統(tǒng)、鍋爐、蒸汽輪機系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)。純凝機組和CHP機組的改造重點、效果和相關(guān)技術(shù)都存在差異。
針對純凝機組的靈活性改造,一般需要解決鍋爐系統(tǒng)兩方面的問題:一方面,鍋爐的最低負荷取決于其燃燒穩(wěn)定性。低負荷時火焰穩(wěn)定性差,容易發(fā)生滅火事故,降低了機組運行安全性。主要改造技術(shù)包括富氧燃燒、煤粉分離器改造等技術(shù)[5-6]。另一方面,節(jié)能及環(huán)保指標是制約鍋爐低負荷運行的關(guān)鍵因素。因此,必須要考慮低負荷運行時脫硝[22]、除塵器和脫硫等系統(tǒng)的正常投運以及因低負荷脫硝投用可能造成的空預器低溫腐蝕、空預器堵塞等問題的相關(guān)技術(shù)措施。
由于改造技術(shù)種類之多,機組具體改造手段對研究純凝機組調(diào)峰過程不夠直接。為對純凝機組靈活性改造進行統(tǒng)一建模,將改造后的純凝機組調(diào)峰過程分為基本調(diào)峰(regular peak regulation, RPR)、不投油深度調(diào)峰(deep peak regulation without oil, DPR)和投油深度調(diào)峰(deep peak regulation with oil, DPRO)三階段的調(diào)峰方式[8]。
RPR階段主要考慮機組煤耗。隨著調(diào)峰深度增加,DPR階段,機組頻繁地變負荷運行,汽輪機轉(zhuǎn)子由于溫度變化使表面產(chǎn)生交變應力導致低頻疲勞損耗,可能造成機組壽命損耗。由于目前汽輪機轉(zhuǎn)子壽命計算十分復雜,本文參考文獻[8]中變負荷調(diào)峰下機組壽命損耗成本可粗略地得到機組壽命損耗成本。因此,DPR階段主要考慮機組煤耗以及壽命損耗問題。DPRO階段,機組進行深度調(diào)峰,鍋爐燃燒穩(wěn)定性是不可忽視的問題,在此階段往往會進行投油操作以保證鍋爐安全穩(wěn)定運行。在DPRO階段考慮機組煤耗、壽命損耗以及投油成本。則機組改造后多階段調(diào)峰成本為:
(1)
式中:C(g)為機組調(diào)峰成本;C1(g)為機組煤耗成本;C2(g)為機組壽命損耗成本;C3(g)為機組油耗成本。
CHP機組改造思路分為電熱運行區(qū)間擴展[23]和機組運行模式擴展2種。電熱運行區(qū)間擴展改造主要有高背壓技術(shù)[24-26]、光軸改造技術(shù)[27]以及增設(shè)靈活性輔助設(shè)備(EB、HA等)[28]等技術(shù);機組運行模式擴展路線中最為典型的技術(shù)為切缸改造。CHP機組的靈活性改造較少涉及鍋爐低負荷運行問題,重點在圍繞保障供熱的同時提高調(diào)峰能力,增加VRE的發(fā)電空間。CHP機組改造技術(shù)對比如表1所示
表1 CHP機組改造技術(shù)對比
從表1中可以看出,雖然切缸改造技術(shù)處于推廣階段,但較其他技術(shù)相比,該技術(shù)的最大優(yōu)點為:不用開缸更換低壓缸轉(zhuǎn)子,投資和改動都較小。切缸改造的原理如圖1所示。
圖1 CHP機組切缸改造示意圖
通過中低壓缸連通管新加裝的全密封、零泄漏的液壓蝶閥啟閉動作實現(xiàn)低壓缸進汽與不進汽的靈活切換,同時加裝一個冷卻蒸汽旁路控制系統(tǒng),保證了低壓缸在高真空條件下的安全“空轉(zhuǎn)”長期運行。
與采用其他技術(shù)改造后僅能運行在背壓模式下相比,采用切缸改造技術(shù)后,CHP機組能夠在抽汽和背壓2種模式下不停機靈活切換,運行方式更為復雜。
機組的角色定位以及運行方式在靈活性改造前后發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變。鑒于火電機組靈活性改造的技術(shù)存在差異性和多樣性,本節(jié)基于頂點的凸組合法提出一種涉及純凝機組的多階段調(diào)峰和CHP機組多模式運行問題的統(tǒng)一建模方法。
設(shè)K是凸集,X∈K,若X不能用不同的兩點X1∈K和X2∈K的線性組合表示為: