基于电热协调优化提升机组顶峰出力能力研究_钟子威.pdf

SHANDONG ELECTRIC POWER山东电力技术第50卷（总第307期）2023年第6期 源网荷储协调互动 0引言在碳达峰碳中和背景下，我国提出构建新型电力系统1。由于新能源发电具有很强的波动性和反调峰特性，大规模的光伏、风电并入电网时，电源侧会产生随机性波动，给电网用电高峰时刻安全稳定运行带来巨大挑战。目前核电和外电全年基本不参与调峰，抽水蓄能电站、燃气发电机组容量有限，导致电网可以调用的灵活性调节资源严重不足。随着城市供暖需求的增加，热电机组占火电装机容量的比例逐年增加，加之新能源发展步伐加快，电网调节能力特别是供热期顶峰出力能力明显不足2。机组在进行供热改造后，因冬季采暖供热和工业供汽因素制约，同时耦合外电不确定性、新能源发电随机性等因素影响，进一步加剧电网调节的难度3。当前阶段，热电厂对外供热调节方式相对粗放，未充分考虑电网峰谷差异及热网惯性等因素的影响，不仅影响热用户的采暖体验，也进一步加剧电网调节的难度。传统实时平衡调度热网系统模式是在白天降低供热量，傍晚开始增大供热量，会因供热制约导致机组顶峰出力能力降低，无法保障尖峰时段用基金项目：山东省自然科学基金项目（ZH2020QE199）；国网山东省电力公司电力科学研究院自主研发项目“保供需求下基于电热协调优化的火电机组顶峰能力提升研究”（ZY-2022-15）。基于电热协调优化提升机组顶峰出力能力研究钟子威，祝令凯，郑威，巩志强，刘军（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南250003）摘要：传统煤电机组逐步由电量型电源向调节型电源转变，由于受外电不确定性、新能源发电随机性等因素影响，加剧了电网调节的难度，尤其是供热期，热电机组面临用电与供热双重高峰的压力，被迫因满足民生供热向电网调度部门提报降出力申请。基于采暖季电力保供严峻形势，提出针对机组因供热制约而提报降出力的合理评判标准，核实机组真实出力水平；进一步提出三种利用热网特性短时提升机组顶峰出力的技术措施，并对三种措施的可行性及应用场景进行分析，在不进行额外技术改造的前提下，确保电力安全可靠供应。关键词：电热协调；热网特性；顶峰出力；电网调度中图分类号：TM621.4文献标识码：A文章编号：1007-9904（2023）06-0034-05Research on Improving Peak Output Capacity of Unit Based onElectro-thermal Coordination and OptimizationZHONG Ziwei，ZHU Lingkai，ZHENG Wei，GONG Zhiqiang，LIU Jun（State Grid Shandong Eectric Power Research Institute，Jinan 250003，China）Abstract：Traditional coal-fired power units are gradually transitioning from electricity based power sources to regulated powersources.Due to factors such as external power uncertainty and the randomness of new energy generation，the difficulty of gridregulation has been exacerbated，especially during the heating period.Thermal power units are facing the pressure of dual peaksin electricity consumption and heating，and are forced to submit output reduction applications to the grid dispatching departmentto meet the needs of peoples livelihood heating.Based on the severe situation of electricity supply guarantee during the heatingseason，a reasonable evaluation standard for unit output reduction due to heating constraints is proposed to verify the actualoutput level of the unit；Further propose three technical measures to utilize the characteristics of the heating network to short-termincrease the peak output of the unit，and analyze the feasibility and application scenarios of these measures to ensure safe andreliable power supply without additional technical modifications.Keywords：electro-thermal coordination；heating network characteristics；peak output；grid dispatchingDOI：10.20097/ki.issn1007-9904.2023.06.00634电负荷。供热系统中包含热网加热器、热力管道和建筑物，具备一定的储能特性 4。利用这一特性，在不影响居民采暖舒适度的前提下，在用电负荷尖峰时段短时减少供热量来增加机组顶峰出力能力，有利于缓解电力平衡矛盾，确保电力安全可靠供应5。1热电机组出力上限热电机组热电特性指的是发电功率和机组供热负荷之间的耦合关系6。热电机组供热工况图是以曲线的形式表示机组主蒸汽量、电功率、供热负荷三者的耦合关系，曲线上对应每一个供热负荷都有一个机组理论出力上限值7。对供热工况图通过EX-CEL软件进行数字化和维度转换，可得到机组热电特性曲线，并拟合出机组出力上限值与供热负荷的数学关系式。对于热电机组，随着机组供热负荷的增加，机组出力区间变窄，顶峰出力能力受限。机组顶峰能力受限于高背压（Turbine Rated Load，TRL）工况下主蒸汽流量，机组带最大出力时主蒸汽流量达到或接近TRL工况下主蒸汽流量8。根据顶峰出力能力受限机组实际热负荷情况进行分类研究。如果机组的热负荷只有供热负荷，则计算机组在此期间的平均供热负荷，并通过供热工况图数字化和维度转换，拟合出机组出力上限值与供热负荷的数学关系式，得出在当前供热负荷下的理论出力上限值。如果机组热负荷包括供热负荷及工业热负荷，首先通过机组出力上限值与供热负荷的数学关系式得出当前供热负荷下的理论出力上限值。再根据工业热负荷实际汽源抽汽位置，计算出对应工业抽汽对顶峰出力能力的修正系数，得出在考虑供热负荷及工业热负荷影响下的机组理论出力上限值。机组工业热负荷汽源抽汽位置一般可分为以下三类：1）抽汽位置在再热冷段之前，即y1=(H-H1+H2-H3)/3 600（1）2）抽汽位置在再热冷段，即y2=(H2-H1)/3 600（2）3）抽汽位置在再热热段或再热热段后，即y3=(H-H1)/3 600（3）式中：y1、y2、y3分别为对应不同位置的出力上限修正系数；H为机组工业热负荷汽源抽汽焓；H1为低压缸排汽焓；H2为再热热段焓；H3为再热冷段焓。不同抽汽位置的焓值可查询汽水焓熵图。考虑供热与工业热负荷下的机组顶峰出力上限值计算式为PT=P-y1q1-y2q2-y3q3（4）式中：PT为考虑供热与工业热负荷下机组顶峰出力上限值；P为考虑供热负荷下的顶峰出力上限值；q1、q2、q3分别为对应三类工业热负荷汽源抽汽位置的实际抽汽量。2机组顶峰能力提升研究2.1考虑热网特性的区域热力管道区域热力管道是连接热用户与热源的管线系统9，热能是通过热力管道水流循环传输到热用户10。随着城市热力管道以及节能建筑的建设与发展，整个城市热网呈现大容量、大惯性的特征，既是一个巨大的用能负荷端，同时也具备一定的储能特性11。从源网荷储协同的角度，城市热网具备荷与储的双重特征，面对能源结构调整，电网与热网的热电协同互补意义突显12。管网供回水温度与室内温度变化趋势如图1所示。图1管网供回水温度与室内温度变化趋势从图1可看出管网回水温度下降趋势滞后于管网供水温度，且降温幅度更小，室内温度无明显变化，不影响热用户的采暖体验。事实上，城市热网系统具有一定的热惯性，一般一次管网有26 h滞后，二次管网有0.32 h滞后，一定时间内降低供热温度不会影响用户的采暖体验13。为充分挖掘热力管道储热潜力，以保证居民采暖舒适度作为约束条件，热钟子威，等：基于电热协调优化提升机组顶峰出力能力研究35山东电力技术第50卷（总第307期）2023年第6期网的储热上限为各管道设计温度上限14。如果把负荷侧响应也作为一种可控的负荷调控措施，考虑到热网的储热动态特性，可结合电网的峰谷差异和可再生能源消纳需求，利用热网热惯性实现热电机组部分“热电解耦”，以满足电网的调峰补偿需求，实现机组顶峰能力的提升15。利用热网热惯性的运行调整方式中的约束条件为：Tmin Ts Tmax（5）|Ts-Ts-1|Ds（6）式中：Tmin和Tmax分别为采暖季居民室内温度上下限值，我国北方采暖季室内设计基准温度是18 16；Ts和Ts-1分别为相邻两个时刻的室内温度；Ds为在某个时间段内允许的最大温度变化量。热力管道热惯性时间常数计算公式为ps=ld24m（7）式中：ps为热力管道热惯性时间常数，为热力管道内流体介质密度，l为热力管道长度，d为热力管道内径，m为热力管道流量。时刻s的热力管道终端温度（可等效为居民室内温度）为Ts=Tr,s(s-ps)-T（8）T=k(Ts-Tko,s)（9）k=1-elcm（10）式中：Tr,s为时刻s对应的热力管道首端温度，ps为热力管道热惯性时间常数，T为热力管道温降，k为温度耗损系数，Tko,s为时刻s的外部环境温度，c为供热介质比热容，为单位长度热力管道的传热系数。2.2机组顶峰能力优化2.2.1技术措施供热系统中包含热网加热器、热力管道和建筑物，具备一定的储能特性。利用这一特性，在不影响居民采暖舒适度前提下，提出几种利用热网特性短时提升机组顶峰出力能力的技术措施，确保电力安全可靠供应17。方法一：不对热网提前调整，直接降低机组供热抽汽量。利用热力管道自身的储能特性，在保证居民采暖舒适度的前提下，短时提升机组顶峰出力能力。方法二：调整一次热网供热温度。在用电负荷尖峰时段来临前，提前提高供热抽汽量对热网系统进行蓄热；在用电负荷尖峰时段，短时降低供热抽汽量，在不影响用户采暖舒适度的前提下，短时提升机组顶峰出力能力。方法三：调整一次热网循环水量。在用电负荷尖峰时段来临前，提前提高热网循环水量对热网系统进行蓄热；在用电负荷尖峰时段，短时降低供热抽汽量，在不影响用户采暖舒适度的前提下，短时提升机组顶峰出力能力。2.2.2适用场景及可行性分析根据实际情况分析三种运行调整方法适用场景及可行性。方法一简单易行，仅利用管网和建筑物的热惯性，可针对非计划负荷尖峰时段短时提升机组顶峰能力，但长期运行难以保障用户侧舒适度。方法二通过提前对一次热网进行蓄热提升热网供热温度，放热过程中，用户侧温度先升高后降低，但均在舒适温度以上，对比方法一机组顶峰出力幅度更大、时间更长，经济性和可操作性更强，可常态化应用于采暖季晚高峰。方法三受热网循环水泵额定容量限制，单独采用该方式由于热网介质流速增快会导致热网供热温度降低，因此，不建议单独使用该方法。不同运行调整方式下室内温度变化情况如图2所示，经过对比分析，方法二运行调整过程中室内温度始终在采暖舒适温度以上。因此，建议采用方法二，提高一次热网温度短时提升机组顶峰出力能力，满足电网顶峰调节需求。图2不同运行调整方式下室内温度2.3采暖季电力调度模式针对采暖季电力保供严峻形势，提出基于热网特性短时提升机组顶峰出力能力的优化调度模式，36为电网调度部门提升采暖季全网顶峰出力能力提供数据支撑。机组供热降出力合理性的评判标准：根据机组实际热负荷情况，通过式（4）计算出机组理论出力上限值。与上报电网调度部门的机组顶峰出力值比对，在确认机组顶峰出力能力除受热负荷制约外，无其他制约条件，电网调度部门可按照机组理论出力上限值进行调度。利用电热协调优化提升全网顶峰出力能力的调度模式：如果机组实际出力上限值无法维持理论出力上限值或已达到理论出力上限值，在不影响居民采暖舒适度前提下，用电负荷尖峰时段可短时减少供热量提升机组的顶峰出力能力，改变热网系统传统实时平衡调度模式。3工程示例分析某电厂配备两台额定蒸发量为1 180 t/h的锅炉和两台额定功率为330 MW的汽轮机，机组对外热负荷只有供热负荷，供热抽汽压力为0.6 MPa，机组额定供热抽汽量为260 t/h。在2021年11月15日至12月30日，该厂以满足民生供热需求向电网调度部门提报降出力申请，申报全厂出力上限值为500 MW，具体情况如表1所示。表1采暖季降出力申请机组1号机2号机额定容量/MW330330可调上限/MW250250受阻容量/MW8080受阻原因采暖供热采暖供热根据提出的基于热网特性短时提升机组顶峰出力能力的方法。先评判电厂上报降出力诉求的合理性，在不影响居民采暖舒适度前提下，用电负荷尖峰时段可短时减少供热抽汽量提升机组的顶峰出力能力，针对该厂的采暖季优化调度模式包括以下步骤：1）在机组提报降出力的时间区间内，记录全厂尖峰负荷段的平均供热抽汽量，如表2所示。2）根据表 2 统计出全厂平均供热抽汽量为476.26 t/h，通过图3供热工况图数字化和维度转换得出机组出力上限值与供热抽汽量的热电关系曲线，如图4所示。分别输入两台机组当前时间段的平均供热抽汽量，得到当前供热抽汽量下全厂理论出力上限值为526.4 MW。表2尖峰负荷段供热抽汽量单位：t/h时刻16：4516：5016：5517：0017：0517：1017：1517：2017：2517：3017：3517：4017：45平均值1号机供热抽汽量262.23259.33256.15245.80243.80245.60240.40239.40228.40222.50222.90219.80216.69238.692号机供热抽汽量259.70254.12249.80244.12243.80243.00238.40237.40230.50228.30225.50217.20216.60237.57全厂供热抽汽量521.93513.45505.95489.92487.60488.60478.80476.80458.90450.80448.40437.00433.29476.26图3330 MW热电机组供热工况图3）比对步骤 2）中计算出的理论出力上限值结果，证明机组提报的降出力申请不合理；进一步通过试验验证用电尖峰时段短时减少供热抽汽量提升机组的顶峰出力能力效果。4）通过现场试验验证，可得出在保证居民采暖钟子威，等：基于电热协调优化提升机组顶峰出力能力研究37山东电力技术第50卷（总第307期）2023年第6期需求的前提下，全厂平均负荷526.89 MW可稳定运行至少1 h以上，试验具体情况见表3，电热协调优化运行方式后机组顶峰能力情况见图5。图4机组热电关系曲线表3现场试验过程期间机组运行情况机组1号机组2号机组机组出力/MW263.33263.56主蒸汽流量/（t/h）980.80980.80供热抽汽流量/（t/h）238.70237.20申请可调出力上限/MW250.00250.00理论最大出力/MW263.10263.40出力上调空间/MW13.3313.56图5电热协调优化运行方式后机组顶峰出力能力电热协调优化运行前后，全厂机组出力上限对比见表4。表4优化前后全厂机组出力上限单位：MW时期优化前优化后机组出力上限500.00526.89由表 4可以看出，利用提出的基于电热协调提升机组顶峰出力能力的优化方法，可提升全厂顶峰出力能力26.89 MW。4结束语提出一种基于电热协调优化提升机组顶峰出力能力的优化方法。建立机组顶峰出力能力模型，根据机组实际热负荷情况，计算出机组理论出力上限值，为电网调度部门提供因供热制约而提报降出力的合理评判标准；如果受限于机组实际情况，机组出力上限值无法维持理论出力上限值或已达到理论出力上限值，进一步提出三种利用热网特性短时提升机组顶峰出力能力的技术措施，并对三种技术措施的可行性及应用场景进行分析，为电网调度部门提供一种利用电热协调优化提升全网顶峰出力能力的调度模式，保证电力供应平稳有序。参考文献1劳金旭，郑威，巩志强，等.山东电网不同类型热电机组供热与调峰性能研究 J.山东电力技术，2022，49（4）：34-38.2王学栋，魏东，孙书耀，等.不同类型供热机组的电热负荷优化分配和调峰性能 J.汽轮机技术，2010，52（5）：387-390.3程序，王超，郭泰龙，等.考虑热惯性的综合能源系统运行优化方法 J.广东电力，2022，35（5）：26-32.4祝令凯，郑威，郭俊山，等.热负荷分配在提升全厂调峰能力的应用研究 J.电站系统工程，2019，35（6）：43-49.5仪忠凯，李志民.计及热网储热和供热区域热惯性的热电联合调度策略 J.电网技术，2018，42（5）：1 378-1 3846崔福兴，游大宁，张绪辉，等.增设烟气-水换热器提升火电机组灵活性研究 J.山东电力技术，2021，48（5）：54-58.7杨德友，聂新宇.基于供热网络热惯性的风电消纳能力评估 J.电网与清洁能源，2020，36（4）：66-71.8 孙鹏，滕云，冷欧阳，等.考虑供热系统多重热惯性的电热联合系统协调优化 J.中国电机工程学报，2020，40（19）：6 059-6 0709韩雨彤.考虑建筑储热特性的多区域电热协调运行研究 D.大连：大连理工大学，2019.10 邵世圻，戴赛，胡林献，等.计及热网特性的电热联合系统调度方法 J.电力系统保护与控制，2018，46（10）：24-30.11 孙鹏，滕云，回茜，等.考虑热惯性不确定性的多能源系统两阶段鲁棒优化调度模型J.中国电机工程学报，2021，41(21)：7 249-7 261.（下转第57页）38真实的发电碳排放特性，支撑开展煤电机组低碳调度。基于分析的分摊方法由于考虑了蒸汽能量的品级，弥补了基于供热比的分摊方法将更多的碳排放分摊给了供汽（热）的不足，对采用低品级热量的能量梯级利用技术更加客观友好，能够引导鼓励机组开展低参数蒸汽、乏汽的梯级利用，实现更加清洁低碳的供热，提升电厂整体的能源利用率。参考文献1蔡宇，李保卫，胡泽春，等.燃煤机组碳排放指标计算及影响因素分析 J.电网技术，2013，37（5）：1 185-1 189.2国旭涛，韩高岩，刘虎，等.燃气内燃机污染物排放特性及全生命周期碳排放研究 J.浙江电力，2020，39（10）：80-85.3陈理帅，张东明，赵盼龙.燃煤电厂超低排放系统能耗关键因素分析 J.浙江电力，2020，39（12）：117-121.4王怡.中国省域二氧化碳排放达峰情景预测及实现路径研究J.科学决策，2022（1）：95-105.5胡鞍钢.中国实现2030年前碳达峰目标及主要途径 J.北京工业大学学报（社会科学版），2021，21（3）：1-15.6王志轩.中国电力低碳发展的现状问题及对策建议 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S.北京：中国标准出版社，2015.收稿日期：2022-12-14修回日期：2023-03-09作者简介：刘科（1986），男，高级工程师，主要研究方向为燃煤电厂深度调峰与节能减碳等；张利孟（1989），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为煤电机组更新改造及清洁高效利用；赵中华（1990），男，博士，高级工程师，主要研究方向为煤电机组更新改造及清洁高效利用；苑丽伟（1982），女，硕士，高级工程师，主要研究方向为节能诊断，电厂运行优化等；张超（1987），男，博士，讲师，主要研究方向为电网故障诊断。12 李邓超.基于供热系统热惯性供热机组短时深度参与电网调峰及风电消纳研究 D.长春：长春工程学院，2017.13 李汶明.计及热惯性的电-热综合能源系统优化运行与灵活性评估 D.吉林：东北电力大学，2020.14 秦冰，付林，江亿.利用系统热惯性的热电联产电力调峰 J.煤气与热力，2005，25（10）：6-8.15 黄宪政.基于系统热惯性与电采暖的热电联合优化分析 D.北京：清华大学，2017.16 黄树昊.面向新能源消纳的综合能源系统电热联合调度研究D.北京：华北电力大学，2021.17 邹云阳，杨莉，李佳勇，等.冷热电气多能互补的微能源网鲁棒优化调度 J.电力系统自动化，2019，43（14）：65-72.收稿日期：2022-10-11修回日期：2023-02-06作者简介：钟子威（1995），男，硕士，工程师，主要研究方向为机网协调技术研究；祝令凯（1987），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为机网协调技术研究；郑威（1980），男，硕士，教授级高级工程师，主要研究方向为机网协调技术研究；巩志强（1989），男，博士，工程师，主要研究方向为机网协调技术研究；刘军（1991），男，工程师，主要研究方向为机网协调技术研究。（上接第38页）刘科，等：煤电机组发电、供汽（热）碳排放分摊方法研究57