曹鈺,房磊
(1. 酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 酒泉 735000;2. 蘭州交通大學(xué),甘肅 蘭州 730070)
2020 年9 月22 日,習(xí)近平總書記在全世界面前莊嚴(yán)宣告了3060 雙碳目標(biāo)。針對國家提出的“雙碳”目標(biāo),大力發(fā)展新能源發(fā)電是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的必經(jīng)之路。目前“三北”地區(qū)冬季供暖期存在的大量棄風(fēng)問題嚴(yán)重阻礙了風(fēng)電等新能源的發(fā)展[1-3]。究其原因,主要在于該區(qū)域熱電機組在熱電聯(lián)產(chǎn)運行模式下調(diào)峰能力大幅減弱,大量風(fēng)電沒有足夠的空間并網(wǎng),導(dǎo)致嚴(yán)重棄風(fēng)[4-6]。
為進一步提高“三北”地區(qū)風(fēng)電等新能源發(fā)電的消納能力,最直接有效的方法是提高熱電機組的調(diào)峰能力[7]。目前對熱電機組配置儲熱的運行模式已有部分研究。丹麥、德國等在實時電價引導(dǎo)下通過配置儲熱以解耦熱電機組“以熱定電”運行約束,從而提高熱電機組調(diào)峰能力[8-9],這對發(fā)展新能源具有積極的促進作用。為降低系統(tǒng)棄風(fēng)量,中國相繼出臺了一系列激勵火電機組參與調(diào)峰的政策[10-12]。然而,火電機組參與調(diào)峰在經(jīng)濟性上存在一定劣勢,且往往伴隨著大量的碳排放。隨著“雙碳”目標(biāo)的提出,熱電機組-儲熱聯(lián)合運行參與系統(tǒng)調(diào)峰將是解決棄風(fēng)問題的有效途徑。目前國內(nèi)實時電價政策尚不成熟,要實現(xiàn)熱電機組-儲熱最優(yōu)經(jīng)濟運行,需將熱電機組-儲熱聯(lián)合運行模型納入系統(tǒng)調(diào)度模型中,在系統(tǒng)層面形成電熱綜合調(diào)度模型[13-21]。
為此,本文在分析熱電機組運行特性的基礎(chǔ)上,研究了熱電機組配置儲熱后調(diào)峰能力變化情況,討論了二者的聯(lián)合運行機制,并建立了系統(tǒng)電熱綜合調(diào)度模型。
圖1 為抽汽式熱電聯(lián)產(chǎn)機組的電熱特性曲線。由圖1 可看出,當(dāng)機組熱功率為0 時,機組發(fā)電功率調(diào)節(jié)范圍最寬,為[Pe,min,Pe,max],即圖1中的D、A兩點之間;圖1 中B點表示機組最大供熱功率,此時為滿足系統(tǒng)熱負荷需求,機組將失去調(diào)峰能力;圖1 中AB段和CD段由機組進氣量決定,當(dāng)機組運行在該區(qū)域時,其最大和最小發(fā)電功率將隨熱功率的增加呈下降趨勢;BC段為機組背壓彈性曲線,當(dāng)機組運行在該區(qū)域時,機組最小發(fā)電功率將隨機組熱功率的增加而增加。
圖1 熱電機組電熱特性Fig. 1 Electricity-heat characteristic of thermoelectric unit
由圖1 可見,當(dāng)供熱功率為Ph,med時,機組發(fā)電功率調(diào)節(jié)范圍將達到臨界狀態(tài),此時當(dāng)供熱功率繼續(xù)上升時,機組發(fā)電功率調(diào)節(jié)范圍將急劇下降。當(dāng)機組的供熱功率為Ph時,機組的發(fā)電功率調(diào)節(jié)范圍將縮小為F、E兩點之間;其中E點代表此時機組最大發(fā)電功率,F(xiàn)點代表此時機組最小發(fā)電功率。隨著機組供熱功率的逐漸增加,機組發(fā)電功率調(diào)節(jié)范圍將進一步縮小,直至喪失調(diào)峰能力,從而無法為風(fēng)電提供足夠的并網(wǎng)空間,導(dǎo)致大量棄風(fēng)。這是熱電機組因“以熱定電”運行約束造成“三北”地區(qū)大規(guī)模棄風(fēng)的主要原因。
配置儲熱前抽汽式熱電機組的電熱特性可表示為
式中:Pe,min、Pe,max分別為機組熱功率為0 時的最小、最大發(fā)電功率;Ph,min、Ph,max分別為機組的最小、最大供熱功率;cm=ΔPh/ΔPe為背壓彈性系數(shù),表示熱電機組供熱功率與發(fā)電功率之間的耦合關(guān)系;cv1和cv2為多抽取單位進氣量時所對應(yīng)發(fā)電功率的減少量;K為機組參數(shù),取常數(shù)。
熱電機組配置儲熱系統(tǒng)后,通過熱電機組-儲熱系統(tǒng)聯(lián)合協(xié)調(diào)運行,可實現(xiàn)熱功率靈活供給。圖2 為配置儲熱后熱電機組電熱運行特性曲線。
從圖2 中可看出,配置儲熱后熱電機組發(fā)電功率和供熱功率均發(fā)生了變化。配置儲熱后,機組供熱功率在Ph,max的基礎(chǔ)上增加了Ph,fmax,變?yōu)镻h,max+Ph,fmax。此時熱電機組運行范圍在原ABCD的基礎(chǔ)上拓展為AGIJKL,機組發(fā)電功率調(diào)節(jié)范圍明顯提升。
圖2 配置儲熱后熱電機組電熱運行特性曲線Fig. 2 Electricity-heat characteristic of thermoelectric unit with heat accumulator
對同一供熱功率Ph而言,機組在配置儲熱前,輸出的發(fā)電功率調(diào)節(jié)范圍為[PE,PF];而配置儲熱后機組發(fā)電功率調(diào)節(jié)范圍為[PM,PH],調(diào)峰能力明顯增強。配置儲熱后機組電熱特性可表示為
設(shè)機組在一天內(nèi),系統(tǒng)電負荷平時段、峰時段和谷時段持續(xù)的時間分別為TP、TF、TL。假設(shè)機組在電負荷平時段,即腰荷段儲存的熱量為QS,如果將儲存的熱量在電負荷低谷時間段全部釋放,則提供的單位時間調(diào)峰容量增量為cm·QS/TL,相當(dāng)于在電負荷低谷時段熱電機組發(fā)電功率降低cm·QS/TL,可為風(fēng)電提供同等容量的上網(wǎng)空間,有效解決負荷低谷時期棄風(fēng)現(xiàn)象。
熱電機組的調(diào)峰容量可用日內(nèi)某一時刻熱負荷下機組最大發(fā)電功率和最小發(fā)電功率之差表示。以圖2 為依據(jù),熱電機組調(diào)峰容量可表示為
為計算配置儲熱后熱電機組的日調(diào)峰容量,需對儲熱系統(tǒng)在腰荷和谷荷時段最大儲熱量和最大補償供熱量進行比較,以此來確定其運行策略。在考慮熱平衡約束、儲熱系統(tǒng)最大儲熱功率以及儲熱容量的基礎(chǔ)上,分析在腰荷、峰荷時段儲熱系統(tǒng)最大儲熱量。
腰荷時段可表示
根據(jù)腰荷時段及峰荷時段儲熱系統(tǒng)最大儲熱量QS,P+QS,F和谷荷時段儲熱系統(tǒng)最大補償熱量QD,L之間的大小,進一步確定儲熱系統(tǒng)的調(diào)峰容量增量和采用的運行機制。
(1)當(dāng)QS,P+QS,F≤QD,L時,儲熱系統(tǒng)在系統(tǒng)電負荷平時段和峰時段蓄熱,在谷時段放熱,從而獲得機組最大調(diào)峰容量。此時儲熱系統(tǒng)在谷荷時間段所需提供的最大平均熱功率為
(2)當(dāng)QS,P+QS,F≥QD,L時,儲熱系統(tǒng)需在系統(tǒng)電負荷平時段儲熱,在谷時段優(yōu)先供熱,以獲得機組最大調(diào)峰容量。
由于在腰荷時段蓄熱充足,儲熱系統(tǒng)可以滿足谷荷的最大放熱需求,因此在谷荷時補償?shù)淖畲笃骄峁β蕿?/p>
從式(11)(12)可看出,通過儲熱系統(tǒng)的補償作用,熱電機組可將最小出力降至最低水平。
儲熱系統(tǒng)剩余的熱量用于在峰荷時段放熱,故在峰荷時可補償?shù)钠骄畲蠓艧峁β蕿?/p>
熱電機組配置儲熱后日調(diào)峰容量在C0的基礎(chǔ)上增加了ΔC,可有效解決風(fēng)電消納問題。
以系統(tǒng)煤耗量最低為目標(biāo)函數(shù),其中,風(fēng)電機組的煤耗量可視為0,因此只需考慮熱電機組及純凝式火電機組的煤耗量即可。
火電機組的煤耗量為
將式(16)代入式(17)中可得熱電機組的
式中:T為調(diào)度周期;N為系統(tǒng)火電機組數(shù)量;M為系統(tǒng)熱電機組數(shù)量。
3.2.1 機組約束條件
(1)系統(tǒng)功率平衡約束。
熱負荷平衡約束為
本文數(shù)據(jù)取自某地區(qū)實際電源比例結(jié)構(gòu),共包含A、B 2 個電廠,共有6 臺熱電機組、2 臺火電機組及1 個300 MW 的風(fēng)電廠。其中1~6 號為熱電機組,7 號和8 號為純凝火電機組。A 電廠由1~3 號熱電機組和7 號火電機組組成;B 電廠由4~6 號熱電機組和8 號火電機組組成。
假設(shè)地區(qū)的熱負荷為900 MW,且熱負荷在調(diào)度周期內(nèi)保持不變。分別為A 電廠和B 電廠配置儲熱容量為1 000 MW·h,最大充放熱功率為100 MW 的儲熱系統(tǒng)。電源結(jié)構(gòu)如表1 所示,機組相關(guān)參數(shù)如表2 和表3 所示。本文以24 h 為一個調(diào)度周期。
表1 電源結(jié)構(gòu)Table 1 The power source structure
表2 機組參數(shù)1Table 2 Unit parameters 1
表3 機組參數(shù)2Table 3 Unit parameters 2
4.2.1 風(fēng)電消納情況分析
本文對有無配置儲熱2 種情況進行仿真計算,結(jié)果分別如圖3、圖4 所示。
圖3 配置儲熱前各類機組發(fā)電功率Fig. 3 Power generation of various units before heat storage is configured
圖4 配置儲熱后各類機組發(fā)電功率Fig. 4 Power generation of various units after heat storage is configured
從圖3 和圖4 可看出,在系統(tǒng)總發(fā)電功率不變的情況下,各機組的發(fā)電功率在儲熱配置前后發(fā)生了明顯變化。在電負荷低谷時段,儲熱系統(tǒng)通過放熱承擔(dān)系統(tǒng)的部分熱負荷,以增加熱電機組的調(diào)峰容量,使得熱電機組進一步降低自身的發(fā)電功率,為風(fēng)電并網(wǎng)提供上網(wǎng)空間。圖5 為2 種方式下風(fēng)電消納曲線。由圖5 可看出,在電負荷低谷時段(次日01:00—08:00),風(fēng)電并網(wǎng)功率明顯增加,有效降低了棄風(fēng)量。
圖5 2 種方式下風(fēng)電消納曲線Fig. 5 Wind power consumption curve in two ways
4.2.2 機組調(diào)度結(jié)果分析
圖6、圖7 分別為配置儲熱方式下熱電廠A、B 中熱電機組的發(fā)電功率和供熱功率曲線??梢钥闯觯跓o儲熱的方式下,由于熱電機組受到“以熱定電”運行約束,熱電機組熱出力始終保持在1 350 MW,從而導(dǎo)致電負荷低谷時段因熱電機組缺乏調(diào)峰容量,占據(jù)了大量電網(wǎng)空間,造成大量棄風(fēng)。配置儲熱后,儲熱系統(tǒng)可在系統(tǒng)調(diào)峰容量不足時釋放熱量,以降低熱電機組供熱壓力,提高其調(diào)峰能力,實現(xiàn)了能量的平移。
圖6 熱電廠供熱功率曲線Fig. 6 Heating power curve of thermoelectric plant
圖7 熱電廠發(fā)電功率曲線Fig. 7 Power curve of thermoelectric plant
圖8、圖9 為儲熱系統(tǒng)充、放熱功率及其儲熱量變化曲線。由圖8 可看出,儲熱系統(tǒng)主要在負荷峰、平時段儲熱,此時放熱功率為0,儲熱量不斷攀升,到22:00 時儲熱系統(tǒng)儲熱量達到最大值。在之后的電負荷低谷時段,儲熱系統(tǒng)開始放熱,此時蓄熱功率為0,儲熱量不斷降低。儲熱系統(tǒng)協(xié)助熱電機組承擔(dān)部分熱負荷以提高熱電機組調(diào)峰容量。
圖8 儲熱系統(tǒng)蓄、放熱功率曲線Fig. 8 Heat storage and discharge power curve
圖9 儲熱系統(tǒng)儲熱容量Fig. 9 Heat storage capacity of system
表4 為配置儲熱前后火電機組發(fā)電量、熱電機組發(fā)電量及風(fēng)電消納量。由表4 中數(shù)據(jù)可以看出,配置儲熱前后,熱電機組的發(fā)電量變化很小,這是由于在整個調(diào)度周期內(nèi),儲熱系統(tǒng)只是對熱電機組的能量進行了轉(zhuǎn)移,而并未削減其總發(fā)電量,因此對熱電廠效益幾乎不產(chǎn)生影響?;痣姍C組發(fā)電量有了明顯的下降,這是因為儲熱系統(tǒng)通過增加熱電機組調(diào)峰容量使得電網(wǎng)能接受更多的風(fēng)電以替代火力發(fā)電。
表4 配置儲熱前后各類機組發(fā)電量Table 4 Power generation of various units before and after configuration of heat storage
本文在深入分析“三北”地區(qū)棄風(fēng)消納機理的基礎(chǔ)上,制定了熱-電綜合系統(tǒng)聯(lián)合運行機制,并基于此建立了系統(tǒng)電熱綜合調(diào)度模型,利用Cplex 對模型進行求解。
算例分析表明:配置儲熱后火電機組發(fā)電量在一個調(diào)度周期結(jié)束后下降996 MW·h,對應(yīng)的風(fēng)電并網(wǎng)電量增加了987 MW·h,較配置儲熱前,風(fēng)電消納率提高了13.9%。配置儲熱前機組煤耗為17 426.607 t 標(biāo)準(zhǔn)煤,配置儲熱后機組煤耗下降為16 138.990 t 標(biāo)準(zhǔn)煤,較配置儲熱前節(jié)約了約8%的標(biāo)準(zhǔn)煤。因此,配置儲熱對解決“三北”地區(qū)風(fēng)電消納,降低碳排放及促進風(fēng)電等新能源發(fā)展具有積極作用。