供热补偿设备对热电企业优化运行影响的对比研究.pdf
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1、optimaloperationcombinedheatandpowerplantJlThermalPowerGeneration,025,52(9):129-137.ZHANG Yan,ment on the129-137.引用本文格式章艳,王一泽,周运虎.供热补偿设备对热电企业优化运行影响的对比研究.热力发电,2 0 2 3,5 2(9):Sep.2023THERMALPOWERGENERATION2023年9 月No.9Vo1.52第9 期热力发电第5 2 卷DOI:10.19666/j.rlfd.202212254供热补偿设备对热电企业优化运行影响的对比研究章艳1,王一泽1,周运虎2(
2、1.大连理工大学电气工程学院,辽宁大连116024;2.中国船级社天津分社,天津300450)摘要针对热电企业广泛应用的供热补偿设备,构建了抽凝机组配置固体蓄热式电锅炉后的电热可行域模型以及节煤率模型,对比分析了固体蓄热式电锅炉与电极式电锅炉、储水式蓄热罐对热电机组在供热能力、调峰能力、运行成本3 方面的影响。基于当前热电企业现状,对配置供热补偿设备的灵活性热电厂建立了电热联合调度通用模型,结合实际热电厂运行数据,校验了上述模型并量化分析了不同补偿供热方案在运行灵活性、场景适应性以及节煤效果、运行成本方面的差异性。结果表明:同等供热能力下,固体蓄热式电锅炉灵活性最强,节煤效果相对最弱,节煤率仅
3、为0.11;蓄热罐节煤效果最佳,节煤率达到0.2 7,但其场景适应性不及其他供热补偿方案。本文所建模型与研究结果可为热电企业的优化运行提供理论工具及参考。关键词供热补偿;固体蓄热式电锅炉;运行灵活性;优化运行Comparative study on the influence of heat compensation equipment on thoptimal operation of combined heat and power plantZHANG Yan,WANG Yize,ZHOU Yunhu?(1.School of Electrical Engineering,Dalian U
4、niversity of Technology,Dalian 116024,China;2.China Classification Society,Tianjin Branch,Tianjin 300450,China)Abstract:In view of the heat compensation equipment widely used in combined heat and power(CHP)plant,thefeasible operation region model and coal-saving rate model of the CHP plant equipped
5、with a solid heat storageelectric boiler are constructed.The effects of the solid heat storage electric boiler,the electrode electric boiler andthe water storage heat accumulator on the heat-supply capacity,regulation ability and operation cost of the CHPplant are compared and analyzed.Based on the
6、current status of a CHP plant,a general model for combineddispatching of the CHP plant with flexibility to configure heat compensation equipment is established.Combiningwith the actual operation data of the CHP plant,the above models are verified and the differences in operationflexibility,scene ada
7、ptability,coal-saving effect and operation cost among different heat compensation equipmentare quantitatively analyzed.The results show that under the same heating capacity,the solid heat storage electricboiler has the strongest flexibility and the lowest coal saving rate.The heat accumulator has th
8、e best coal-savingeffect,but the scene adaptability is lower than other heat compensation schemes.The model and research resultscan provide theoretical tools and reference for the optimal operation of CHP plants.Key words:heat compensation;solid heat storage electric boiler;operation flexibility;opt
9、imize operation在我国力争实现“双碳”目标的大背景下,高效节能的热电机组受到青睐,然其“以热定电”的运行方式,却不利于灵活地为新能源腾让上网空间,这一矛盾在“三北”地区供暖季最为明显。为修回日期:2 0 2 2-12-2 4网络首发日期:2 0 2 3-0 2-2 3基金项目:国家自然科学基金项目(5 16 0 7 0 2 1)Supported by:National Natural Science Foundation of China(51607021)第一作者简介:章艳(19 8 0),女,博士,副教授,主要研究方向为电力系统经济运行与调度,。http:/13020233
10、年热力发电此,常需借助供热补偿设备松弛机组的电热耦合关系,增加热电企业整体电出力的灵活性1-3 。热电企业配置的主要供热补偿设备有电极式电锅炉(电锅炉)、储水式蓄热罐(蓄热罐)和固体蓄热式电锅炉(固蓄电锅炉)。其中电锅炉、蓄热罐配置后对热电机组煤耗特性、电出力灵活性的影响研究已经较为成熟4-6 ,而对固蓄电锅炉的研究则不多见。早期文献7-9 围绕蓄热材料开发,对氧化镁、堇青石、碳化硅陶瓷、高温混凝土等材料进行研究,分析不同粒径、配置不同添加剂后的热导率等参数。文献10-12 采用电阻丝、风箱等材料进行改进,提高固蓄电锅炉的结构和性能。文献13-14 对蓄热能力进行仿真模拟,得出了在添加不同传热
11、结构时最优的放热效率、放热时间以及蓄热成本。随着其应用日渐普及15 ,研究者开始关注固蓄电锅炉的运行策略与应用价值,对比分析固蓄电锅炉的高峰低谷电价所产生的经济性收益16-17 。同时文献18-2 0 从系统层面对弃风消纳进行研究,分析在不同电、热负荷下固蓄电锅炉采取不同的运行方式对弃风消纳效果的影响。而站在热电企业角度,固蓄电锅炉的供热补偿能力将会如何参与厂内优化运行,其对机组电热运行区间的影响以及整体节煤效果目前尚未有明确模型与定性分析。此外,固蓄电锅炉和电锅炉、蓄热罐同为供热补偿设备,在当前热电企业中均有广泛应用15 ,它们之间对于企业电出力灵活性的提升效果是否相当,彼此是否具有可替代性
12、或是互补性,尚需进一步明确。现有研究对于热电机组配置电锅炉与蓄热罐的对比颇为丰富,或从供热能力、成本等技术经济性角度2 1-2 5 ,或从电力市场层面2 6 对比了二者对热电企业带来的经济效果与投资回报,而固蓄电锅炉与它们的对比研究则鲜有报道。因此,本文重点以固蓄电锅炉为研究对象,基于工作原理研究其对传统抽凝机组电热可行运行域以及煤耗特性的影响。在此基础上,对比分析其与其他补偿供热设备对热电机组运行成本、灵活性、供热能力3 方面的影响差异。对配置有供热补偿设备的灵活性热电厂构建电热联合调度通用模型,结合东北实际热电厂数据,对上述研究进行量化分析与校验。1固蓄电锅炉的运行原理1.1固蓄电锅炉的结
13、构和原理固蓄电锅炉的原理如图1所示。其主要由蓄热材料、控制柜、导热管、换热器、循环风机、保温层及加热元件构成,还包括相应的智能系统等。与水蓄热锅炉电极式加热方式不同,固蓄电锅炉采用电阻式加热的方式对蓄热体进行加热,储热体一般选用氧化镁等材料,最高加热温度可以到8 0 0 左右;而且占地面积更小、容量更大、储热能力更强。保温层换热器出水口高压控制柜进水口材料绝缘子循环风机图1固蓄电锅炉原理Fig.1 Schematic diagram of solid heat storage electric boiler固蓄电锅炉的电-热传输情况如图2 所示。由图2 可以看出,热电厂配置固蓄电锅炉后可以在满
14、足供电前提下将多余电量转移成热量储存起来,在热负荷有需要时将热量放出,通过热交换的形式释放热量,达到能量的时、空转移作用。上网电力风新武光等新能源发电猫锅冷却塔锅炉热用户热电企业图2 固蓄电锅炉电-热传输情况Fig.2 Electric heat transmission of solid heat storageelectricboiler1.2固蓄电锅炉对机组运行区间的影响及其建模传统抽凝机组配置固蓄电锅炉后,上下调峰能力均得以提升,这是因为固蓄电锅炉兼具蓄热罐的放热特性和电锅炉的电转热特性。机组可行运行区间的变化如图3 所示。由图3 可以看出,对于抽凝机组原有运行区间ABCD而言,当固蓄
15、电锅炉放热时,运行域整体向右平移(其中AB平移至EF,移动距离与最大放热功率Ph,SH,out,max相关)。同时,因固蓄电锅炉的电转热功能,图3 中BCD段将向下(减小整体发电)并向右侧(增大整体供热)平移,其中DL、CK、F H 段长度相等,代表固蓄电锅炉的容量 Pe,SH,max。http:/131章艳等供热补偿设备对热电影响的对比研究第9 期电功率AEMPh,sH,out,maxMBFN-Pc,SH,maxDCGH1LK热功率图3 配置固蓄电锅炉后机组可行运行区间Fig.3 Feasible operation region of the CHP unit with solidheat
16、 storage electric boiler对于可行运行区间的边界,图3 中KJ段代表机组运行在C点时,固蓄电锅炉消耗最大电功率(C点下移至K点)并由蓄热体最大程度放热(K点平移至J点)的过程。FH段代表机组运行在B点时,固蓄电锅炉在蓄热体放热量最大(B点平移至F点),且消耗的电功率不断增加(F点下移至H点)的过程。可见,抽凝机组配备固蓄电锅炉后,在确定热负荷下,其调峰区间可由MN扩展到MN,灵活性双向改善。改善程度方面,上调峰与蓄热体最大放热功率有关,下调峰与固蓄电锅炉容量以及蓄热体最大放热功率有关。整体可行运行区间模型为:P,min(Pe.con,max,PP(1)PP,maxPe,S
17、H,max式中:Pe、Ph 为机组与固蓄电锅炉整体可输出的电、热功率;Ph.CHP为机组输出的热功率;Pe,Con,maxPe,Con,min为机组在纯凝工况下的最大、最小发电功率;Cv为图3 中AB段斜率,Cm为BC段斜率;Ph,CHP,max为抽汽式机组的最大供热功率;Pe,CHP,min为机组可输出的最小电功率;Pe.CHP,o为图3 中BC延长线与纵轴交点值。2补偿供热设备对抽凝机组技术经济特性的影响固蓄电锅炉与电锅炉和蓄热罐的组合应用方案工作原理不同,主要体现在组合方案中蓄热罐的热源仅来源于抽凝机组,电锅炉电转热产生的热功率直接供给负荷;而固蓄电锅炉不能对外直接供热,必须经由蓄热体发
18、出,且机组多余热功率无法由蓄热体存储。因此电锅炉、蓄热罐以及固蓄电锅炉虽然都能对抽凝机组起到热补偿作用,但它们对抽凝机组运行煤耗率、供热能力以及整体电出力灵活性(调峰能力)的的影响仍然有所不同。2.1供热能力固蓄电锅炉所提供的热量来源于其蓄热体向外供给的热量,不仅与当前储热及自身电锅炉电转热能力有关,还受单时段最大放热功率制约:AP=min(Sh.sH+NsH PPe,SH,t,1(2)Ph,SHmaxh,SH,out,max式中:Sh,SH为t时刻固蓄电锅炉蓄热体内的热量;Pe,SH,为t时刻电锅炉的耗电功率;nsH为固蓄电锅炉的电转热效率。蓄热罐的补偿供热能力同时受单时段最大放热功率以及当
19、前时段储热状态影响,最大供热功率PhHA为:AP=min(P,HA,f.max,SS(3)人h,HA,maxHA,t式中:Ph,HA,fmax为蓄热罐最大放热功率;SHA,为t时刻蓄热罐内的热量。电锅炉的最大补偿供热功率PhEB,max与其容量CEB直接相关:AP.=neBCEBCh,EB,max(4)2.2调峰能力配置供热补偿设备后抽凝机组的可行运行区间变化如图4 所示。以最大供热能力相同为前提,对比电锅炉、蓄热罐、固蓄电锅炉分别可为抽凝机组提供的灵活性。电功率固蓄电锅炉电锅炉蓄热罐抽凝机组运行域热功率图4 抽凝机组配置不同供热补偿设备后的可行运行域Fig.4 Feasible operat
20、ion regions of the CHP unit withdifferent heat compensation equipment显然,蓄热罐、电锅炉、固蓄电锅炉都能提升http:/1322023年热力发电机组的下调峰能力。由于固蓄电锅炉的容量要高于电锅炉。因此,下调峰能力固蓄电锅炉优于电锅炉,也优于蓄热罐。而对于上调峰需求,电锅炉无法为机组提供上调峰灵活性;固蓄电锅炉与蓄热罐均可以通过补偿供热的方式降低机组热负荷,从而获得相应灵活性。若忽略固蓄电锅炉在储放时能量损耗,二者上调峰能力相同。综上,抽凝机组配备固蓄电锅炉后上下调峰能力表现最佳,电出力灵活性最强。2.3节煤效果考虑到抽凝机组
21、每下调1单位发电,可为新能源上网腾让1单位空间,进而替代1单位煤电,带来一定的节煤效果。而热电机组每下调1单位发电,也将减少1/cm单位供热,这将需由补偿供热设备提供。因此,补偿供热设备实际可带来的节煤效果为:f.Jh,x(5)CC.mm式中:fe.CHP、Ji,CH p 分别为煤电机组边际发电煤耗率和边际供热煤耗率;Jhx为补偿供热设备的边际供热煤耗率。传统抽凝机组煤耗运行成本FcHP为4 ;Fcup=a(PecHp+c,PR.cHP)+b(6)式中:Pe,CHP、Ph CH P分别为机组的发电、供热功率;Cv为因抽汽供热损失的发电比例,即图3 所示AB段斜率;、b 为机组的煤耗系数,可见,
22、煤电机组的边际发电煤耗率fe,CHP=。对于固蓄电锅炉而言,其储存热量完全来自自身电锅炉的电转热,同时考虑蓄热体储热过程中存在散热现象(假设蓄热体储放效率为nSH-cf,其中nsH-cf 0e,W-,te,CHP,t,ie,EB,tnAPPAPP,LD,0e,W+,te,CHP,t,ie,EB,te,SH(18)式中:Pe,LD,t为热电厂的电负荷。6)供热平衡约束Ph,LD,=Pe,Ex,+Pr,EB,+Pr,HA,+Pr,SH,out(19)式中:Ph,LD,t为热电厂的热负荷。4算例分析以含2 台3 5 0 MW抽凝机组的丹东某热电厂为例,量化校验不同供热补偿设备对机组运行灵活性提升、供
23、热能力以及运行煤耗率的影响差异。优化模型采用IBMILOGCPLEX软件进行求解。4.1基础数据厂内机组参数见表1,以2 4 h为调度周期。4.1.1可配置的补偿供热设备以可为抽凝机组提供相同的最大补偿供热能力(4 2 MW)为前提,固蓄电锅炉、电锅炉、蓄热罐的参数见表2。其中,为保障供热补偿设备在多日场景下循环使用,假设固蓄电锅炉和蓄热罐在调度初末期存热量均达到总蓄热量的1/2(固蓄电锅炉4 8 0 MWh,蓄热罐16 8 MWh)。表1机组运行参数Tab.1Operating parameters ofunits项目数值项目数值最大发热量/MW359.2b/(t:h-l)9.797最大发电
24、功率/MW350.0Cv0.248最小发电功率/MW129.0Cm0.419a/(t:(MWh)-l)0.269Pe,CHP,0/MW110表2 补偿供热设备参数Tab.2 Operating parameters of different heat compensationequipment补偿供热电转热最大放热单时段容量设备效率/%功率/MW储热效率/%固蓄电锅炉120MW98420.1电锅炉42.8MW98蓄热罐336MWh420.14.1.2电、热负荷根据热电厂实际运行情况,将整个供暖期划分为高热、中热、低热3 种情况,如图5 a)所示;等效电负荷如图5 b)所示,包括无风光并网(无风
25、光)、风电上网(有风无光)、光伏上网(有光无风)3 种典型场景。700r600MN/率虹祥500400300200100高热一中热低热000:6000:0100:00:000:SO00:LO00:800:000:90222时刻a)热负荷700r600M/率虹申500400300200100无风光有风无光有光无风0J00:6000:LO00:80一时刻b)电负荷图5 热电厂日内电、热负荷Fig.5 Daily electric and heat load of the CHP plant20233年134热力发电4.1.3偏差惩罚电厂实际发电功率高于等效负荷需求时(正偏差),新能源上网空间存在被
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