一种热电机组配置蓄热装置的设计方法与流程

本发明涉及热电机组运行效率优化领域，特别是关于一种热电机组配置蓄热装置的设计方法。

背景技术：

近年来，伴随着我国风电的大规模发展，弃风问题引起了业界越来越多的关注，特别是供暖季相关省份的弃风现象更为严重。东北电网电力负荷水平相对低，电源结构中风电和火电(含热电联产)装机比重高。东北地区风电出力较高期段和供热期重叠，由于热电联产机组供热期实际运行最小技术出力较高，严重压缩风电出力空间，导致风电和热电联产联合运行矛盾凸显。

在热电厂建设蓄热装置对提高热电厂的供热能力、降低热电厂的供热量波动、提高供热质量、节约能源、促进可再生电力消纳都具有重要的作用与意义。电力系统通过热电联产蓄热提升调峰能力在北欧国家有较为成功的运用。

然而，配置蓄热装置会增加热电厂的投资成本和运行成本。为了尽可能地减少热电厂成本、增加系统可再生能源消纳效益，需要在工程前期确定蓄热装置的蓄热容量、蓄/放热功率等关键参数。目前实际工程中热电联产配置蓄热装置的参数确定方法没有统一标准、确定方法粗放，没有精细化考虑热电机组和可再生电力弃电特性，导致投资具有一定的盲目性，难以适应未来电力市场而获得精细化操作运行收益。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种热电机组配置蓄热装置的设计方法，在区域电力系统历史负荷、出力曲线的基础上，考虑热电机组特性约束，设计热电机组配置蓄热装置的关键参数，使其在优化运行周期内最大限度地促进可再生电力消纳。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种热电机组配置蓄热装置的设计方法，其特征在于包括以下步骤：1)获取拟配置蓄热装置的热电厂所在区域电力系统的历史数据，并按照可再生电力弃电最严重、提高系统调峰能力的需求最大的原则选取供热期的多个典型日；2)将区域电力系统各典型日的可再生电力弃电曲线分摊至拟配置蓄热装置的热电机组，结合获取的该热电机组在各典型日的历史出力曲线，得到分摊至该热电机组的净负荷曲线；3)利用热电机组各典型日的实际热负荷曲线和机组热电关系曲线，并结合分摊至热电机组的净负荷曲线，得到各典型日对应的蓄热装置的设计放热功率、蓄热功率和蓄热容量，将各典型日对应蓄热装置设计参数的最大值作为最终的蓄热装置设计方案。

所述步骤2)中，所述分摊至热电机组的净负荷曲线pload,thermal[1×n]为：

pload,thermal[1×n]＝poutp,thermal[1×n]-△poutp,ner[1×n]，

式中，poutp,thermal[1×n]为热电机组实际出力曲线，△poutp,ner[1×n]为分摊至热电机组的可再生电力弃电曲线，n为区域电力系统数据的日采集次数。

所述步骤3)中，蓄热装置的设计放热功率、蓄热功率和蓄热容量的获得方法，包括以下步骤：

3.1)利用热电机组各典型日的实际热负荷曲线和机组热电关系曲线，确定热电机组的理论最小技术出力曲线poutp,thermal,min[1×n]；

3.2)根据各典型日中分摊至热电机组的净负荷曲线pload,thermal[1×n]和理论最小技术出力曲线poutp,thermal,min[1×n]，得到需要蓄热装置放热为热电机组腾出的可下降出力曲线poutp,thermal,down[1×n]以及蓄热装置蓄热可为热电机组增加的出力曲线poutp,thermal,up[1×n]；

3.3)对需要蓄热装置放热为热电机组腾出的可下降出力曲线poutp,thermal,down[1×n]进行调整，得到热电机组的有效下降出力曲线p′outp,thermal,down[1×n]，以及对应的蓄热装置的放热功率曲线进而得到蓄热装置的设计放热功率和一个备选蓄热容量q′heatstor；

3.4)对蓄热装置蓄热可为热电机组增加的出力曲线poutp,thermal,up[1×n]进行调整，得到蓄热装置的最大蓄热功率曲线进而得到蓄热装置的另一个备选蓄热容量q″heatstor；

3.5)根据两个备选蓄热容量值确定蓄热装置的设计蓄热容量qheatstor，根据设计蓄热容量qheatstor得到蓄热装置的设计蓄热功率

所述步骤3.1)中，所述热电机组的理论最小技术出力曲线poutp,thermal,min[1×n]为：

式中，为热电机组的实际热负荷曲线；f表示热电机组的实际热负荷和理论最小技术出力poutp,thermal,min之间的一元函数关系。

所述步骤3.2)中，需要蓄热装置放热为热电机组腾出的可下降出力曲线poutp,thermal,down[1×n]和蓄热装置蓄热可为热电机组增加的出力曲线poutp,thermal,up[1×n]的计算公式分别为：

所述步骤3.3)中，所述需要蓄热装置放热为热电机组腾出的有效下降出力曲线p′outp,thermal,down[1×n]为：

式中，p′outp,thermal,down,max(i)为热电机组的实际热负荷为时，蓄热装置放热为热电机组腾出的下降出力的最大值；其中：

f表示热电机组的实际热负荷和理论最小技术出力poutp,thermal,min之间的一元函数关系；

所述蓄热装置的放热功率曲线为：

式中，为热电机组减少的放热功率，计算公式为：

式中，f^-1表示热电机组的实际热负荷和理论最小技术出力poutp,thermal,min一元函数关系的反函数；

所述蓄热装置的设计放热功率和一个备选蓄热容量q′heatstor为：

其中，q为蓄热装置的热损失系数。

所述步骤3.4)中，所述蓄热装置的最大蓄热功率曲线为：

式中，表示热电机组的最大放热功率；表示热电机组增加的放热功率，即此时蓄热装置的蓄热功率；p′outp,thermal,up,max(i)表示热电机组以理论最小技术出力运行时达到最大供热量时增加的最大发电功率；

所述蓄热装置的另一个备选蓄热容量q″heatstor为：

所述步骤3.5)中，所述设计蓄热容量qheatstor为：

qheatstor＝min(q′heatstor,q″heatstor)·r，

式中，r表示在最小设计蓄热容量的基础上预留的冗余度；

所述蓄热装置的设计蓄热功率为：

当qheatstor<q″heatstor，设计蓄热功率为蓄热装置的最大蓄热功率曲线与横轴所围阴影面积的高度；

当qheatstor≥q″heatstor，设计蓄热功率为：

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明根据可再生电力弃电曲线，并结合热电机组特性设计蓄热装置的放热功率、蓄热功率和蓄热容量，在热电机组特性约束条件下可最大限度地消纳可再生能源，指导企业投资规模；2、本发明通过选择多个典型日，并选取蓄热量最大的方案，使热电机组具备充足的灵活性；3、蓄热装置的设计运行周期(不限于典型日)、优化精度可通过调整电力系统数据日采集次数而进行更改；4、本发明考虑了热损失系数和蓄热容量冗余度，可适用于不同类型和不同应用条件下的蓄热装置。5、在未来电力市场中，可根据市场情况调整分摊至热电机组的净负荷曲线，设计热电厂配置的蓄热装置，使得热电厂参与电力市场效益最大化。

附图说明

图1是本发明实施例中热电机组热电关系曲线；

图2是本发明实施例中热电机组实际热负荷曲线；

图3是本发明实施例中热电机组理论最小技术出力曲线；

图4是本发明实施例中根据热电机组净负荷曲线和理论最小技术出力曲线得到的需要蓄热装置放热为热电机组腾出的下降出力空间和蓄热装置蓄热可为热电机组增加的出力空间；

图5是本发明实施例中需要蓄热装置放热为热电机组腾出的可下降出力曲线；

图6是本发明实施例中蓄热装置放热为热电机组腾出有效下降出力的原理示意图；

图7是本发明实施例中蓄热装置的最大蓄热功率曲线；

图8是本发明实施例中蓄热装置蓄热使得热电机组最小技术出力增加的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提供的一种热电机组配置蓄热装置的设计方法，包括以下步骤：

1)获取拟配置蓄热装置的热电厂所在区域电力系统的历史数据，并按照可再生电力弃电最严重、提高系统调峰能力的需求最大的原则选取供热期的典型日；

由于典型日的选取对结果影响较大，具体计算时可以选取多个典型日，并选取各典型日中蓄热容量最大的方案，使热电机组具备充足的灵活性；

2)将区域电力系统各典型日的可再生电力弃电曲线分摊至拟配置蓄热装置的热电机组，结合获取的该热电机组的各典型日历史出力曲线，得到分摊至热电机组的净负荷曲线；

其中，分摊至热电机组的净负荷曲线pload,thermal[1×n]为：

pload,thermal[1×n]＝poutp,thermal[1×n]-△poutp,ner[1×n](1)

式中，poutp,thermal[1×n]为热电机组实际出力曲线，△poutp,ner[1×n]为分摊至热电机组的可再生电力弃电曲线，n为区域电力系统数据的日采集次数。

3)利用热电机组各典型日的实际热负荷曲线和机组热电关系曲线，并结合分摊至热电机组的净负荷曲线，得到各典型日对应的蓄热装置的设计放热功率、蓄热功率和蓄热容量，将各典型日对应蓄热装置设计参数的最大值作为最终的蓄热装置设计方案。具体的包括以下步骤：

3.1)如图1～图3所示，利用热电机组各典型日的实际热负荷曲线和机组热电关系曲线，确定热电机组的理论最小技术出力曲线poutp,thermal,min[1×n]：

式中，为热电机组的实际热负荷曲线；poutp,thermal,min为热电机组的理论最小技术出力曲线，f表示热电机组的实际热负荷和理论最小技术出力poutp,thermal,min之间的一元函数关系。

3.2)如图4～图5所示，根据各典型日中分摊至热电机组的净负荷曲线pload,thermal[1×n]和理论最小技术出力曲线poutp,thermal,min[1×n]，得到需要蓄热装置放热为热电机组腾出的可下降出力曲线poutp,thermal,down[1×n]以及蓄热装置蓄热可为热电机组增加的出力曲线poutp,thermal,up[1×n]；

将各典型日中分摊至热电机组的净负荷曲线和热电机组的理论最小技术出力曲线进行作差，得到需要蓄热装置放热为热电机组腾出的可下降出力曲线poutp,thermal,down[1×n]和蓄热装置蓄热可为热电机组增加的出力曲线poutp,thermal,up[1×n]：

3.3)对需要蓄热装置放热为热电机组腾出的可下降出力曲线poutp,thermal,down[1×n]进行调整，得到热电机组的有效下降出力曲线p′outp,thermal,down[1×n]，以及对应的蓄热装置的放热功率曲线进而得到蓄热装置的设计放热功率和一个备选蓄热容量q′heatstor；具体包括以下步骤：

3.3.1)如图6所示，根据各典型日中热电机组的实际热负荷曲线在机组热电关系曲线，调整poutp,thermal,down[1×n]为需要蓄热装置放热为热电机组腾出的有效下降出力曲线p′outp,thermal,down[1×n]，和此情况下蓄热装置放热功率曲线

式中，p′outp,thermal,down,max(i)为热电机组的实际热负荷为时，蓄热装置放热为热电机组腾出的下降出力的最大值。从式中可以看出，与poutp,thermal,down[1×n]相比，需要蓄热装置放热为热电机组腾出的有效下降出力p′outp,thermal,down[1×n]中较大的值会有所下降，这会造成分摊至热电机组的可再生弃电电力不能完全被消纳。

f表示热电机组的实际热负荷和理论最小技术出力poutp,thermal,min之间的一元函数关系。

3.3.2)根据需要蓄热装置放热为热电机组腾出的可下降出力曲线以及有效可下降出力曲线，结合机组热电关系曲线，得到蓄热装置的放热功率曲线：

式中，为热电机组减少的放热功率，也即此时蓄热装置的放热功率，其计算公式为：

式中，f^-1表示热电机组的实际热负荷和理论最小技术出力poutp,thermal,min一元函数关系的反函数。

3.3.3)由蓄热装置的放热功率曲线得到蓄热装置的设计放热功率和一个备选蓄热容量qh′eatstor：

其中，q为蓄热装置的热损失系数，不同类型、不同应用条件的蓄热装置热损失系数不同。

3.4)对蓄热装置蓄热可为热电机组增加的出力曲线poutp,thermal,up[1×n]进行调整，得到蓄热装置的最大蓄热功率曲线进而得到蓄热装置的另一个备选蓄热容量q″heatstor，具体包括以下步骤：

3.4.1)如图7所示，根据各典型日中蓄热装置蓄热可为热电机组增加的出力曲线poutp,thermal,up[1×n]和机组热电关系曲线，确定蓄热装置的最大蓄热功率曲线

式中，表示热电机组的最大放热功率；表示热电机组增加的放热功率，即此时蓄热装置的蓄热功率；p′outp,thermal,up,max(i)表示热电机组以理论最小技术出力运行时达到最大供热量时增加的最大发电功率。

其中，热电机组增加的放热功率和热电机组以理论最小技术出力运行时达到最大供热量时增加的最大发电功率p′outp,thermal,up,max(i)的计算公式分别为：

式中，f表示热电机组的实际热负荷和理论最小技术出力poutp,thermal,min的一元函数关系；f^-1表示热电机组的实际热负荷曲线和理论最小技术出力曲线poutp,thermal,min一元函数关系的反函数。

3.4.2)由蓄热装置的最大蓄热功率曲线得到蓄热装置的另一个备选蓄热容量q″heatstor：

3.5)根据两个备选蓄热容量值确定蓄热装置的设计蓄热容量qheatstor，根据设计蓄热容量qheatstor得到蓄热装置的设计蓄热功率

3.5.1)由两个备选蓄热容量中确定蓄热装置的设计蓄热容量qheatstor。

qheatstor＝min(q′heatstor,q″heatstor)·r(14)

式中，r表示根据不同类型、不同应用条件的蓄热装置，在最小设计蓄热容量的基础上预留的冗余度。

3.5.2)如图8所示，由蓄热装置的设计蓄热容量qheatstor得到蓄热装置的设计蓄热功率

具体的：

当qheatstor<q″heatstor，设计蓄热功率为蓄热装置的最大蓄热功率曲线与横轴所围阴影面积的高度，图中阴影面积等于min(q′heatstor,q″heatstor)·r，即为设计蓄热容量qheatstor；

当qheatstor≥q″heatstor，设计蓄热功率为：

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。