基于电热协调优化提升机组顶峰出力能力研究_钟子威.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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:Traditiona
5、l 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
6、.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 duri
7、ng 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
8、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.
9、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
10、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
11、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-y1q
12、1-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
13、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
14、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
15、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
16、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,
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