耦合電鍋爐和儲熱的熱電聯合系統風電消納分析

(大連理工大學能源與動力學院，大連 116024)

0 引 言

我國北方地區供熱期熱電聯產機組(CHP)“以熱定電”的運行方式使得機組調峰能力受限，嚴重限制了電力系統的靈活性[1]，與可再生能源隨機性、波動性強的特點相矛盾，無法滿足新能源發電高比例并網的要求。因此需要深入研究熱能和電能的協調方法，以實現熱能和電能的協調調度。熱能相比于電能，熱能的易存儲、難傳輸與電能的易傳輸、難存儲存在著天然的互補特性[2]，然而電力系統和熱力系統往往作為兩個獨立的系統分開運行，難以統一規劃調度，嚴重阻礙了熱能與電能的協調互補[3]。因此對熱能和電能進行聯合分析和優化，對于實現熱能和電能的協調互補，提高能源利用效率和可再生能源的消納能力具有十分重要的意義。

熱電聯合調度方案主要可分為以下三個方面：(1)對于抽汽式CHP機組，通過改變抽汽量的方式改變CHP機組的熱電比，可在一定程度上提高CHP機組的靈活性[4]；(2)以系統的運行成本最小或可再生能源的消納比例最高為目標，在設備容量和供需平衡的約束下，對包含可再生能源的熱電聯合系統進行優化調度[5-6]；(3)在熱電聯合系統內增加電鍋爐或者儲熱裝置，增強電能和熱能的轉換關系，以提高系統的靈活性[7-8]。本文在上述研究內容的基礎上，以系統的運行成本最低為優化目標，以一個實際應用案例為例，建立了熱能和電能的聯合優化調度模型，對比分析了在系統中分別添加電鍋爐和儲熱裝置等不同場景對系統的運行調度策略、各設備的出力情況以及風電消納能力的影響，并進一步研究了系統在不同場景下的風電消納機理。本文的研究內容旨在對電鍋爐和儲熱裝置在實際能源系統中的具體應用提供理論指導。

1 包含電鍋爐和儲熱的熱電聯合系統

熱電聯合系統是一個包含電力網絡和供熱網絡以及熱電耦合設備的統一有機整體，電力網絡和供熱網絡通過熱電耦合設備相互影響和交互。電熱聯合系統有多種不同的能源結構形式，本文所研究主要為一個包含熱電聯產機組、風力發電、電鍋爐和儲熱罐等裝置的熱電聯合系統，其中電力網絡和供熱網絡通過CHP、電鍋爐和循環泵實現熱能與電能的耦合轉換。以下分別對它們的數學模型進行介紹。

(1)熱電聯產機組

熱電聯產機組主要可以分為背壓式熱電聯產機組和抽凝式熱電聯產機組兩種類型[9]。背壓式機組的熱電比基本不可調節，而抽凝式機組可以通過改變抽汽量的方式在一定范圍內調節機組運行的熱電比。

背壓式機組熱功率出力與電功率出力的關系如式(1)所示：

(1)

式中，PCHP為機組的電功率出力；HCHP為機組的熱功率出力；ψ為機組的熱電比。

抽凝式機組熱功率出力與電功率出力的關系如式(2)所示：

(2)

式中，χ是抽凝式機組的運行特性參數，表示因抽取蒸汽而產生的熱功率增加量與電功率減少量的比值；Pcon表示當機組在純凝模式下時的電功率出力。

(2)電鍋爐

電鍋爐是一種通過電流的熱效應將電能轉換為熱能的供熱設備。電鍋爐的熱效率是電鍋爐將電能轉換為熱能的主要參數，其關系式為：

(3)

式中，ηEB為電鍋爐的熱效率；HEB為電鍋爐的供熱功率；PEB為電鍋爐消耗的電功率。

(3)循環泵

循環泵是維持載熱流體在供熱網絡中循環流動的機械設備，通過將電能轉化為機械能，為流體的流動提供壓力。循環泵的電功率與流量和揚程有關，關系如下式所示：

(4)

(4)儲熱裝置

儲熱裝置一般是根據熱量的供求關系，將熱量進行短期存儲和釋放的容器設備。當儲熱裝置的熱損失忽略不計時，儲熱裝置內部存儲的熱量與其熱功率出力的關系如式(5)所示：

(5)

2 熱電聯合系統調度模型

為了分析電鍋爐和儲熱裝置對降低運行成本的作用，并分析二者對系統的運行策略和風電消納能力的影響，本節以系統的運行成本最低為目標，建立了熱電聯合系統的優化調度模型。

2.1 目標函數

本文建立的優化調度模型以系統的運行成本最低為優化目標，系統的運行成本主要包括：熱電聯產機組的燃料成本和外購電成本，其表達式如式(6)所示：

(6)

2.2 約束條件

模型的約束條件除包括式(1)-式(6)所示的設備模型約束外,還應包括電網平衡和熱網平衡的等式約束條件以及各設備的出力限制的不等式約束條件。

(1)電網平衡約束

電力系統的平衡可分為有功功率平衡和無功功率平衡，對于每一個節點，它們均可用電網的潮流方程表示：

(7)

式中，i、k分別為節點的編號；P為節點的有功功率；Q為節點的無功功率；U為節點的節點電壓幅值；G為節點之間的電導；B為節點之間的電納；φ為節點之間的電壓相角。

(2)熱網平衡約束

熱網的平衡約束可分為水力平衡約束和熱力平衡約束。對于水力平衡，由流量連續方程可知，流入熱網節點i的所有質量流量之和等于流出該節點的所有質量流量之和，即：

(8)

此外，水力平衡還應考慮流體流動過程中的壓力損失，即沿著基本閉合回路上所有支路兩端水頭損失的代數和等于零。如式(9)所示：

(9)

式中，l為基本閉合回路的編號；j為屬于基本閉合回路s中的支路的編號；k為支路的管道阻力特性系數；hz為支路的末端與始端的高度差；hp為管道附件的壓強水頭。

對于熱力平衡，由能量守恒知，流入熱網節點i的所有熱量之和等于流出該節點的所有熱量之和，即：

(10)

式中，Tin和Tout分別為支路的進口溫度和出口溫度。

考慮熱網中流體在管道內流動時因向環境散熱而產生的的能量損失，應有：

(11)

式中，λ為支路的散熱系數；L為支路的長度；ΔT為散熱溫差；cp為流體的比熱容。

(3)熱電聯產機組出力約束

熱電聯產機組的出力受其最大功率和爬坡速率的限制，即：

(12)

(13)

式中，PCHP，max、RCHP分別是熱電聯產機組的最大發電功率和最大爬坡速率。

(4)儲熱裝置出力約束

與熱電聯產機組類似，儲熱裝置的出力也受其容量和充放熱功率所限制，即對所有的時段t,都有：

(14)

(15)

式中，QS,max、RS分別為儲熱裝置的最大儲熱容量和充放熱的速率。

由于儲熱裝置本身不能夠產生熱量，為了維持儲熱裝置充放熱的連續性，需要保證儲熱罐在周期結束時存儲的熱量等于初始時刻罐內存儲的熱量，即一個周內儲熱裝置充放熱的總和等于零。

(16)

(5)電鍋爐出力約束

電鍋爐的出力受其所消耗的最大電功率的限制，即：

(17)

式中，PEB,max為電鍋爐的最大功率。

(6)風電出力約束

風電出力受當地的風力條件所限制，風電的電出力不能超過當地的風力發電的預測值。

(18)

3 算例分析

3.1 算例數據

為了對電鍋爐和儲熱裝置對風電消納的影響效果和影響機理進行分析，基于本文所建立的優化調度模型，以某實際熱電聯合系統為例進行優化。系統的拓撲結構圖可簡化為如圖1所示。

圖1 熱電聯合系統結構拓撲圖

系統的所有負荷可簡化為6個電負荷和8個熱負荷。電負荷通過CHP機組和風力發電進行供電，供電不足部分可向外部電網進行購電作為補充；熱負荷通過CHP機組進行供熱。系統的逐時總負荷和風電預測出力情況如圖2所示。

圖2 系統的逐時總負荷與風電出力預測

以圖1所示的案例為例，本文分別優化得到了在系統中加入電鍋爐和儲熱裝置等四種不同場景下的調度方案，并對四種場景下的優化結果進行了分析。四種優化場景的配置見表1。

表1 四種優化場景

3.2 優化結果分析

(1)不同場景優化效果分析

在一個調度周期內，四種場景下系統的風電消納比例和運行成本見表2。

表2 不同場景下風電消納比例和運行成本

根據表2的優化結果，就提升風電消納效果而言，場景4>場景2>場景3>場景1;就降低系統運行成本效果而言，場景4>場景3>場景2>場景1。可知加裝電鍋爐場景的風電消納能力要優于加裝儲熱裝置，而加裝儲熱裝置比加裝電鍋爐更能降低系統的運行成本。

(2)電鍋爐和儲熱裝置風電消納機理研究

為了研究電鍋爐和儲熱裝置的風電消納機理，分別對比分析了系統在場景2(加裝電鍋爐)、場景3(加裝儲熱裝置)和場景4(加裝電鍋爐和儲熱裝置)下熱網與電網所承擔實際電負荷、實際熱負荷的逐時分布與場景1(未加裝電鍋爐與儲熱裝置)下原電負荷、原熱負荷的逐時分布。對比結果分別如圖3-圖5所示。

圖4 場景3下逐時負荷對比

圖5 場景4下逐時負荷對比

由圖3知，在加裝電鍋爐時，系統的電負荷在低谷時被提高，而熱負荷在高峰時被降低，因此電鍋爐是通過對電負荷進行“填谷”，并對熱負荷進行“削峰”，從而消除系統熱負荷和電負荷在不同的時段的峰谷差。由圖4可知，在加裝儲熱裝置時，系統電負荷并未受影響，即原電負荷與實際電負荷在圖4中顯示為同一條線。而熱負荷則在高峰時被降低，在低谷時被提高，即儲熱裝置將高峰時段的部分熱量需求轉移給了低谷時段，從而降低電熱之間的負荷峰谷差。由于儲熱裝置本身并不能產生熱量，且受設備的容量限制，對熱量的轉移能力有限，因此這種方式提升風電消納的能力不大，但可顯著降低外購電成本。根據圖5可知，當同時加裝電鍋爐和儲熱裝置時，系統既可實現電負荷和熱負荷的“削峰填谷”，也可對不同時段的熱量需求進行轉移，因此在四種場景中，場景4提高風電消納的能力和降低系統運行成本的效果均為最好。

4 結束語

本文建立了考慮電鍋爐和儲熱裝置的熱電聯合系統優化調度模型，并以一個實際的案例分析了四種不同場景下的風電消納效果和消納機理，研究結果總結如下：

(1)在系統加裝電鍋爐和儲熱裝置均可提高風電消納能力并降低系統的運行成本，其中加裝電鍋爐場景的風電消納能力要優于加裝儲熱裝置，而加裝儲熱裝置比加裝電鍋爐更能降低系統的運行成本。

(2)電鍋爐主要是通過對電負荷和熱負荷分別進行“填谷”和“削峰”，以消除系統熱負荷和電負荷在不同的時段的峰谷差，從而顯著增強風電的消納能力，但電鍋爐并不能減少外購電的成本。

(3)儲熱裝置主要是通過周期性的儲熱和放熱將系統在高峰時段的部分熱量需求轉移給了低谷時段，以降低電熱負荷之間的峰谷差，但這種方式對熱量的轉移能力有限，因此提升風電消納的能力不大，但可顯著降低系統的外購電成本。