供热机组热电负荷分配方法分析 2.docx
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供热机组热电负荷分配方法分析2
中图分类号：
TK01+8学校代码：
13820
供热机组热电负荷分配方法分析
学生姓名：
邵梦璧
学院：
银川能源学院
专业：
能源与动力工程
班级：
能动（本）1302班
学号：
1310240192
校内导师：
董娟讲师
企业导师：
郭兴杰高级工程师
2017年5月
摘要
以变工况热力计算为基础，分段采用改进的弗留盖尔公式，分析供热机组的热力特性。
通过具体机组进行验证，表明这种热力计算方法具有足够的精度。
以实际机组为例，改进热电分离、以热定电的热电负荷分配方案。
方案中考虑了热化作功系数的变化，直接以总热耗最小作为电负荷分配指标。
同时，依据机组的热力特性，生成热电关系曲线，从而可以将热电负荷调度范围作为限制条件，使分配结果更加合理。
通过对比可以发现，这种分配方法可以有效降低机组的总热耗，因而使分配结果明显优于其他方案。
该方法可以为电厂与调度部门的负荷调度提供合理的解决方案。
关键词：
热电负荷；供热机组；变工况计算；负荷调度
ABSTRACT
Basedonthethermodynamiccalculationundervariableworkingconditions,theimprovedFreugerformulaisusedtoanalyzethethermalcharacteristicsofheatingunits.Itisprovedthatthethermalcalculationmethodisaccurateenoughbythetestofaspecificunit.Takingtheactualunitasanexample,thethermoelectricloaddistributionschemeofimprovingthermal-electricseparationandconstantthermalpowerisproposed.Thechangeofthermalworkcoefficientistakenintoaccountinthescheme,andtheminimumtotalheatconsumptionistakenasthedistributionindexofelectricloaddirectly.Atthesametime,accordingtothethermalcharacteristicsoftheunit,thethermoelectricrelationcurvecanbegenerated,sothatthedispatchingrangeofthethermoelectricloadcanberegardedasthelimitingcondition,andthedistributionresultcanbemorereasonable.Throughcomparison,itcanbefoundthatthisallocationmethodcanThetotalheatconsumptionoftheunitisreducedeffectively,sothedistributionresultisobviouslysuperiortootherschemes.Thismethodcanprovideareasonablesolutionforloaddispatchingofpowerplantanddispatchingdepartment.
Keywords:
Thermoelectricload;heatingunit;variableconditioncalculation;loaddispatching
1绪论
1.1研究背景及意义
热电联产机组可以同时提供热、电两种不同性质的负荷，因而在我国的发电供热问题上得到广泛应用。
我国关于热电联产的规定中明确限制地方管理部门以电量指标限制热电厂对外供热，规定调度部门在制定热电厂电力调度曲线时，必须充分考虑供热负荷曲线变化以及节能因素。
然而负荷调度过程中却存在很多的问题，这主要是因为电厂与电力调度部门对于热电负荷曲线的制定存在一定的差异，缺少合理的论证。
在以后的发展中，热电厂的装机容量占比将逐渐增加，热电厂的优化运行将成为电厂节能发展的重点，此时对热电厂的机组负荷进行优化分配是主要手段。
供热机组的负荷优化分配与凝汽式机组的负荷优化分配有很大的不同，供热机组生产的热能和电能是两种品质不等价的能量，两者之间相互影响，具有复杂的变化关系，这使得供热机组的负荷优化分配较凝汽式机组复杂的多。
1.2国内外研究现状
随着我国经济的快速发展，无论是生产用电还是生活用电的需求量都在快速的增长，我国机组的装机容量也在迅速的增长。
由于电能是难以储存的，各电厂需要根据电用户的用电量实时调整机组的电负荷，这导致各机组均偏离额定工况运行。
根据以上的实际情况，对电负荷进行优化分配，即如何在各机组间分配负荷可以使全厂能耗最小，成为挖掘电厂节能潜力的重要研究方向。
在过去，由于对节约资源的重要性认识不足，很多电厂都是将负荷平均分配到厂内各机组上，并不考虑负荷优化分配所带来的节能效益。
随着人们对能源危机的认识，很多学者开始对负荷优化分配进行研究，负荷不再平均分配到各机组上，而是优先让效率高的机组带满负荷的效率法，但是那并非是最优的分配方案。
对于常规纯凝机组、二次再热机组，目前已经形成较为完善的经济性诊断与评价指标[1-4]。
然而，由于供热机组的经济性受到机组运行指标、布置方式、热电负荷价格等因素的影响[5]，因而很难给出一个全面、完整的评价指标。
Svein[6]的研究中具体分析了国际上较为常用的经济性指标在评价热电联产机组运行性能上的差异。
但可以肯定的是，热电联产相比热电分产具有明显的经济优势，因此其改善方式仍是今后研究的主要方向[7-8]。
国内很多学者也同样针对热电联产、热电冷联产机组的能耗特性，变工况特性，工况图绘制等问题，进行了大量的研究[9]。
具体而言，火电厂单纯凝汽机组负荷分配的研究已经比较成熟,有一套切实可行的方法,如等微增热耗率法,在我国燃煤电厂负荷分配中得到广泛利用，国内外也提出了很多方法,如线性规划、动态规划法等数学规划算法,但这些方法使用时会有一些限制,研究人员又提出了几种近代优化算法,包括遗传算法，模拟退火算法，蜂群算法，进化算法，和声捜索算法，粒子群算法等。
其中遗传算法和模拟退火算法较为常用。
由于用等微增热耗率的分配方法很难进行分配,而采用其他优化方法进行负荷分配,则存在模型复杂,计算时间比较长,难以满足实时性要求的缺点,因此需要找到一种变量数尽可能少,又能比较准确地反映系统特性,从而减少计算量的方法来进行系统的优化。
1.3研究的主要内容及方法
1.3.1主要内容
热电联产机组可以同时提供热、电两种不同性质的负荷，因而在我国的发电供热问题上得到广泛应用。
我国关于热电联产的规定中明确限制地方管理部门以电量指标限制热电厂对外供热，规定调度部门在制定热电厂电力调度曲线时，必须充分考虑供热负荷曲线变化以及节能因素。
然而负荷调度过程中却存在很多的问题，这主要是因为电厂与电力调度部门对于热电负荷曲线的制定存在一定的差异，缺少合理的论证。
对于常规纯凝机组、二次再热机组，目前已经形成较为完善的经济性诊断与评价指标。
然而，由于供热机组的经济性受到机组运行指标、布置方式、热电负荷价格等因素的影响，因而很难给出一个全面、完整的评价指标。
Svein的研究中具体分析了国际上较为常用的经济性指标在评价热电联产机组运行性能上的差异。
但可以肯定的是，热电联产相比热电分产具有明显的经济优势，因此其改善方式仍是今后研究的主要方向。
国内很多学者也同样针对热电联产、热电冷联产机组的能耗特性，变工况特性，工况图绘制等问题，进行了大量的研究。
不同供热机组之间的热电负荷优化分配是实现热电联产经济运行的最直观最重要的问题之一。
郭民臣提出了“热耗变换系数法”这一供热成本分摊方法，而李俊涛，唐家裕分别通过线性规划建立数学模型的方法，指导热电厂最佳经济运行。
然而，这些方法未详细分析热电负荷约束条件的具体确定方法，机组变工况产生的影响等问题。
本文以不同机型,不同工作参数的BIIT-25-3机和BIIT-50-2机并列运行为例,计算了一些满足约束条件的最优热电负荷分配方案。
1.3.2主要研究方法
文献资料法：
通过对相关文献和一些学术资料的阅读研究，对电厂的分配方法进行总结。
同时为论文的研究、分析、撰写提供较为详实的理论基础。
比较研究法：
对遗传算法、免疫算法、粒子群算法和蚁群优化等算法进行对比研究。
调查法：
亲自去有关热电厂，进行调查其主要运用的分配方法。
2供热式汽轮机机组的热力特性
2.1供热机组的类型及特性
供热机组的汽轮机一般要同时承担供热和发电两项任务，目前主要的汽轮机形式包括背压式和调节抽气式以及抽汽式三种应用较为广泛。
目前对调节抽汽式和抽凝式的应用较为广泛，由于背压式热电负荷的可调性差、无调峰能力，所以应用较少。
（1）背压机组：
背压式汽轮机是供热机组的一种，蒸汽在背压式汽轮机内部做完功后在背压下全部排出，这种汽轮机既可以用于工业生产，也已可以用于城市集中供热。
背压式汽轮机的主要任务是在保证热用户供热要求的同时，再发一部电。
在热电厂实际生产中，锅炉产生的高压蒸汽进入汽轮机后，推动汽轮机做功发电，排出的蒸汽在经过降压降温处理后想热用户进行供热。
背压式汽轮机得优势在于不需要安装凝汽器，减少了在凝汽器中的热损失，因此具有较高的经济价值。
分析显示，背压式汽轮机不能同时满足热电两种负荷的需要，它的运行是“以热定电”发电仅仅是背压式汽轮机的副产品，没有发热的时候也就不能发电，因此无法参与电力调峰运行工作。
（2）抽背机组：
抽背机组既能提供生产用汽，又能提供供热采暖用汽，运行过程中调节也相对灵活，能同时满足生产和生活用汽的要求。
抽背机组可以在发电量增大的条件下，也差生相应的新汽量。
发电量（包括采暖供热量）与新汽量依然是一一对应的关系。
（3）抽汽式汽轮机：
抽汽式汽轮机既能供热又能发电，其工作原理在于当抽气量为零时，进入汽轮机的一部分蒸汽要供给给水加热器，其余蒸汽刘静各级后要进入凝汽器。
抽气量不为零时进入汽轮机的蒸汽要先刘静各高压段进行做工，然后一部分通过抽气口抽出用来给热用户进行供热，另外一部分则通过其余各级，继续做功，最后流入凝汽器中。
针对热电厂，对其经济效益的评估形式很多，但是若以热力学视角进行评估，主要是能量法与熵方法或火用两类方法。
热电厂中因为同时存在电能和热能，所以单一的经济性指标无法满足评价条件，需要多项指标综合分析，才能得出结果。
2.2供热机组电热负荷优化分配的原则
热电机组运行经济型评价目前仍采用的是热好处归电法，就是热电联产多减少的冷源损失所带来的效益全部归电。
因此比较和探讨不同不同供热机组之间的经济性具有重要的现实意义。
依据这个原则，热电厂发电率越高，产生相同热负荷的发电量就越多，因此在进行热负荷分配的原则就是在保证热负荷总量的前提下，使得热化发电量最大。
2.3供热式汽轮机机组热电负荷分配方法和对比分析
为实现热电负荷的最佳分配,必须根据每台机组的热力特性,在允许的工况下进行。
下面是BПT-25-3机组和BПT-50-2机组的热力特性和约束条件。
Q1=7.73+0.4597Dn1-8.153×10+（2.165-4.206×10-3×Dn1+3.44×10-5×D×（N+0.097DT1）
（1）
约束条件:
N1-0.144Dn1+0.1DT1-2.78≥0
（2）
-N1+0.1428Dn1-0.1DT1+29≥0（3）
-5.55N1-Dn1-0.055DT1+295≥0（4）
N-0.623D-D≥0（5）
0≤N1≤30（6）
0≤Dn1≤140（7）
0≤DT1≤100（8）
BПT-50-2机组热力特性:
Q2=16.83+0.4964Dn2-2.475×10-4×Dn2+（2.097-1.544×10-3×D
约束条件:
N2-0.1768Dn2+0.1DT2+2.7≥0（9）
-N2+0.15Dn2-0.1DT2+56≥0（10）
-4.7N21-Dn2-0.47DT2+483≥0（11）
3.33N2-0.6Dn2-DT2+26.7≥0（12）
0≤N2≤60（13）
0≤Dn2≤230（14）
0≤DT2≤160（15）
按照上述关系,对并列运行的几台双抽汽机组不难写出总的热耗量（目标函数）及其约束条件的数学模型:
Ni+aiDi+biDTi+ci≥0（16）
-Ni+diDni+eiDTi+fi≥0giNi+hiDni+iiDTi+ji≥0kiNi+liDni+miDTi+ni≥0（17）
Ni+oi≥0（18）
Dni+pi≥0（19）
DTi+ri≥0（20）
式中,Q为n台机总的热耗量,kJ/h;Ni为第i台机输出的电功率,MW;Dni为第i台机的供工业抽汽量,t/h;DTi为第机的供采暖抽汽量,t/h;N0为外界需要的电负荷,MW;Dn0为外界需要的工业蒸汽量,t/h;DT0为外界需要的采暖蒸汽量,t/h;ai、bi、ci为第i台机组不等式约束条件中的系数。
热电负荷的最佳分配,就是要使并列运行的各台机组在各自的允许工况范围内,在满足外界热电负荷需要的情况下,使总的热耗量Q为最小。
本文根据供热机组热力特性关系及约束条件,应用单纯形法和综合约束函数双下降法（SCDD法）的基本骨架,结合目标函数的特点,对综合约束函数双下降法作了适当的改进,然后应用此方法进行了供热机组之间热电负荷的最佳分配。
-4
序号
最佳分配热耗
各种分配方案的热耗量
外界需要热电负荷
BПT-25-3机输出
BПT-50-2机输出
单纯形法
SCDD法
N0
Dn0
DT0
N1
Dn1
DT1
N2
Dn2
DT2
1
215.46
216.03
70
50
120
26
50
0
44
0
120
215.77
70
50
120
30
50
0
40
0
120
70
50
120
29
0
0
41
50
120
70
50
120
18.5
0
0
51.5
50
120
2
201.08
202.27
60
80
100
14
80
0
36
0
86
201.46
60
80
100
30
80
0
30
0
89
60
80
100
28
0
14
32
80
0
60
80
100
20
0
11
40
80
0
3
159.66
160.31
50
80
0
14.3
80
0
35.7
0
0
159.66
50
80
0
27.8
80
0
22.2
0
0
50
80
0
0
0
0
50
80
0
50
80
0
0
0
0
56
80
0
4
211.7
212.51
75
80
0
19
80
0
56
0
0
211.94
75
80
0
30
80
0
45
0
0
75
80
0
29
0
0
46
80
0
5
244.38
244.38
60
200
80
23
140
0
37
60
80
244.38
60
200
80
8
0
0
52
100
80
60
200
80
25
140
40
35
200
40
图1热电负荷最佳分配计算结果
2.4供热式汽轮机组汽耗量（热耗量）与输出
当热电厂各类型机组在同一新汽参数下并列运行时,只需建立新蒸汽流量与热电负荷的数学模型,当进入各台机组的新汽参数不同时,为实现热电负荷最佳分配,必须建立机组的热耗量与输出热电负荷的关系。
2.4.1双抽汽机组的热力特性数学模型的建立
双抽汽机组的热力特性数学模型的建立有几种方法,各有其特点,本文将通过实例介绍其中的一种。
以BIIT-25-3机为例。
先假定采暖抽汽量DT为零,在工况图上选择一些合适的点（如表1）,进行曲线拟合。
拟合（D0）Dn=DT=f（N′）曲线,由表1中的第一行数据可得:
D0）/Dn=DT==14.58+3.2N′+5×10×N′=1.11×10-4（t/h）
表1不同电负荷下的总进汽量与凝汽量
在表1中取折合功率N′为常数,对每列进行线形拟得相应的供热微增汽耗率即表1中的最下再把这些点拟合成数学表达式
9Dn=0.8882-0.042N′+2.04×10-3
-3.045×10-5×N′3（t/t）
2.4.2额定参数下供热式汽轮机组之间热电负荷的最佳分配
为实现热电负荷的最佳分配,必须根据每台机组的热力
特性,在允许的工况下进行。
下面是BПT-25-3机组和BПT-50-2机组的热力特性和约束条件：
约束条件:
N1-0.144Dn1+0.1DT1-2.78≥0
（1）
N1+0.1428Dn1-0.1DT1+29≥0
（2）
55N1-Dn1-0.055DT1+295≥0（3）
0≤N1≤30（4）
0≤Dn1≤140（5）
0≤DT1≤100（6）
BПT-50-2机组热力特性:
约束条件:
N2-0.1768Dn2+0.1DT2+2.7≥0（7）
-N2+0.15Dn2-0.1DT2+56≥0（8）
-4.7N21-Dn2-0.47DT2+483≥0（9）
3.33N2-0.6Dn2-DT2+26.7≥0（10）
0≤N2≤60（11）
0≤Dn2≤230（12）
0≤DT2≤160（13）
按照上述关系,对并列运行的几台双抽汽机组不难写出总的热耗量（目标函数）及其约束条件的数学模型:
Ni+aiDi+biDTi+ci≥0（14）
Ni+diDni+eiDTi+fi≥0（15）
giNi+hiDni+iiDTi+ji≥0（16）
kiNi+liDni+miDTi+ni≥0（17）
Ni+oi≥0（18）
Dni+pi≥0（19）
DTi+ri≥0（20）
这种运行方式的热电厂新汽一般采用母管制,因同类型机组结构,热力系统基本相同,当新汽、供汽参数变化时,热力特性按同向变化。
在一定的外界热电负荷需要量下,两台机分配等量的和不等量的热电负荷所消耗的新汽“热量”是相同的。
实际计算表明:
在这种运行方式下,当两台机组的排汽压力、回水率不同时,将导致热电负荷重新分配。
3总结
随着市场经济的发展，在国家节能减排的政策下，必然将有越来越多的城市安装和使用供热机组，因此如何用科学的方法指导供热机组经济运行是非常有意义的。
本文要研究供热机组负荷优化方法，主要工作和结论如下：
（1）通过实例对3个程序进行了介绍和检验,说明了程序的可靠性。
（2）通过对DACC系统的变工况计算,获得了变工况热力性能。
凝结温度随迎面风速的升高线性减少,随环境温度的升高线性升高。
凝汽压力随环境温度的升高呈指数增长趋势。
内部污垢热阻比外部污垢热阻影响显著,因此DACC换热单元的内部清洗工作至关重要。
（3）通过DACC系统变工况性能曲线,可以查出在特定工况下的出口参数和热力性能;也可以通过调整迎面风速或负荷来保证不同环境温度下的经济运行为DACC系统的调控提供了理论依据。
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