多源多压工业热网全工况热电负荷优化模型的构建方法

技术领域

本发明涉及一种热电负荷优化模型的构建方法，尤其是涉及一种多源多压工业热网全工况热电负荷优化模型的构建方法。

背景技术

随着深度调峰市场机制运行和电力市场化改革的推进，电源侧将面临越来越多的挑战，热电联产机组的盈利模式和盈利能力也将发生变化。深度调峰市场机制启动后，机组可以通过压降负荷提供深度调峰辅助服务来获取补偿费用，或者降低在深度调峰市场中承担的分摊费用，但是机组压降负荷也会使得机组效率下降，同时供热能力也下降。当一次能源价格(煤价或天然气价格)和上网电价发生变化时，热电联产机组的热电负荷分配就不能按照传统的做法，只考虑机组煤耗或者气耗最低，而是应该将机组生产利润作为目标函数，综合考虑一次能源价格和上网电价变化的影响，合理选择机组的运行方案以获得最优的经济性。

工业热网具有供热参数高、压力等级多的特点，为了保证供热安全，热网中通常有过个热源点，热源的形式有燃气轮机热电联产联合循环机组、燃气锅炉、抽凝式供热燃煤机组和背压式供热燃煤机组等，联合循环机组根据供热方式也可分为抽凝式和背压式，其中抽凝式机组可根据不同的抽汽点提供不同压力的供热蒸汽。当燃机电功率一定时，燃机排气能量相对固定，也就是进入余热锅炉的能源基本不变，余热锅炉利用这部分能源进行发电和供热，这部分的发电量与机组供热量存在耦合关系；多级抽汽供热的汽轮机组，各级抽汽量也存在耦合关系。在建立联合循环机组热电负荷优化模型时，这些耦合关系是必须考虑的约束条件。在传统的热电负荷优化模型构建时，通常将供热量约束构建为不等式约束，约束的上下限是常量，没有考虑热电耦合和各级抽汽耦合关系。

联合循环机组变工况热力性能计算方法是热电负荷优化模型构建的重点和难点，由于制造厂商的技术保密，通常燃气轮机联合循环机组热力性能计算采用运行历史数据拟合或热力系统仿真模型，得到热力性能指标计算的拟合多项式。由于燃机运行负荷较高，低负荷稳定工况的数据通常较少，深度调峰市场启动后机组可能运行至较低负荷，那么通过历史数据得到的计算模型难以覆盖全负荷；而通过热力系统仿真模型得到的计算模型精度有限，因此为了获得高精度的机组全工况热力性能，需要采用其他的手段。

经过检索中国专利公开CN110070460A公开了一种多套燃气-蒸汽联合循环机组热电负荷优化调度系统，具体公开了该系统从发电厂DCS系统获得现场测量仪表测量并上传的燃气-蒸汽联合循环机组的运行参数，并对运行参数进行分析获得设备的实际运行趋势曲线，然后将热力需求和发电负荷需求合并作为机组总能量需求，以最小化天然气总消耗量为目标，通过最优化的方法，将热电厂热力和发电负荷需求在各台机组中进行优化分配，可以达到在满足相同热力和发电负荷条件下，热电厂发电和供热综合能耗最低、能效水平最优。但是该现有专利从电厂DCS系统获取机组的运行参数，并根据运行参数拟合机组热力性能曲线，计算时只考虑环境温度，且仅以天然气消耗量最小为目标函数，同时提出了电负荷和供热量上下限，但是没有给出耦合约束。

因此现有技术在构建热电负荷优化模型时，从机组生产成本最小的角度考虑较多，即使以生产利润最大为目标，考虑的生产成本主要是燃料成本，相对简单；同时现有技术针对燃气-蒸汽联合循环热电联产机组热电负荷优化模型构建时，约束条件的考虑不够全面，对于存在多个压力等级供热的工业热网，需要考虑热电耦合约束和不同压力等级之间的耦合约束，通常在模型构建时，只考虑供热量和发电量的上下限约束，把约束的上下限固定为常数，而不是一个与优化变量相关的数学表达式。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高精度的多源多压工业热网全工况热电负荷优化模型的构建方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

根据本发明的一个方面，提供了一种多源多压工业热网全工况热电负荷优化模型的构建方法，该方法包括以下步骤：

步骤101，根据联合循环机组全工况的性能试验数据，建立热源机组热力性能技术模型，包括燃机热耗率和汽机功率计算模型；

步骤102，确立热源机组可变成本，以及热源机组生产收益计算方法，并根据深度调峰市场规则，合理假设深度调峰市场的边界参数，确立深度调峰市场启动后机组的分摊费用，据此建立热源机组生产利润计算模型，作为热电负荷优化的目标函数；

步骤103，确立优化变量的约束条件，给出等式约束和不等式约束，采用设定方法对供热量与发电量之间的耦合约束，不同压力等级供热量之间的耦合约束进行解耦，确立不等式约束的数学表达式；

步骤104，通过热电负荷优化模型进行优化计算，得到生产利润最优的运行方案。

作为优选的技术方案，所述的步骤101中的燃机热耗率和汽机功率计算模型建立具体如下：

燃机热耗率计算模型的输入变量为燃机功率、环境温度、大气压力和相对湿度；汽机功率计算模型的输入变量为燃机功率、环境温度、大气压力、相对湿度、高减供热量、高抽供热量和中抽供热量，可表示为：

其中

作为优选的技术方案，所述的步骤102中的机组生产利润计算模型包括热电机组的收入计算子模型、热电机组的成本计算子模型、深度调峰市场分摊费用计算子模型和利润子模型。

作为优选的技术方案，所述的热电机组的收入计算子模型具体为：

电机组的收入包括供电收入和供热收入，供电收入计算联合循环机组的燃机供电和汽机供电产生的收入；根据不同的热源点，供热单价亦不同，应区分不同热源分别计算，各项计算的数学表达式为：

I＝I

其中，I为总收入，I

作为优选的技术方案，所述的热电机组的成本计算子模型具体为：

热电机组的包括燃料成本、购买回供蒸汽成本、购买燃煤机组供热量成本和制水成本，各项计算的数学表达式为：

C＝C

其中，C为总成本，C

作为优选的技术方案，所述的深度调峰市场分摊费用计算子模型具体为：

数学表达式如下

ξ

其中，

作为优选的技术方案，所述的利润子模型具体为：

其中；I为总收入，I

作为优选的技术方案，电负荷优化的目标函数为MAX(P)，优化的目标使得机组的利润最大，其中优化的变量包括

第j台联合循环机组燃机电功率

第j台联合循环机组高减供热量

第j台联合循环机组高抽供热量

第j台联合循环机组中抽供热量

燃气锅炉供热量D

燃煤机组高压供热量

燃煤机组中压供热量

作为优选的技术方案，所述的步骤103中的确立优化变量的约束条件具体为：

等式约束为热网高中压供热需求，各热源点的高压供热量和中压供热量总和与热网高中压需求相等，数学表达式为

其中

不等式约束包括电负荷和热负荷的上下限约束，针对优化变量燃机电负荷，存在机组可稳定运行的最小负荷和最大负荷；针对优化变量燃煤机组高、中压供热量，存在最小供热量和最大供热量约束；

针对优化变量联合循环机组高抽和中抽供热量，在不同燃机负荷，存在最小值和最大值，同时高减、高抽和中抽最大值和最小值与汽机功率存在耦合关系，不等式约束的数学表达式为

其中

作为优选的技术方案，所述的步骤103中的不同压力等级供热量之间的耦合约束进行解耦具体为：

根据机组运行调整的方式，机组高抽供热量下限通过抽汽阀门调节至0，从而高抽供热量的最小值为0，当抽汽阀门调节至最大时，高抽供热量最大值与燃机电功率和高减供热量有关，通过全工况试验数据分析，拟合高抽供热量最大值与燃机功率和高减供热的关系式，高抽供热量最大值数学表达表示为

其中

利用全工况性能试验数据，建立中抽供热量的计算模型，从而拟合中压抽汽供热量的边界值，数学表示式为：

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明提出的热电耦合约束和不同供热压力等级耦合约束的解耦方法，也是建立在全工况热力性能试验的基础上，同时结合联合循环机组的生产工艺，在解耦的过程中抓住重要的特征变量，进行合理简化，给出与优化变量相关的约束上下限数学表达式，用于热电负荷优化模型的建立，将优化结果限制在机组可运行区域之内。

2)本发明采用利润作为目标函数的过程中，因为热电负荷优化是在机组运行中进行的动态过程，固定成本在机组运行方式改变后变化并不大，优先考虑机组生产过程中的可变成本，忽略固定成本的影响，这样就简化了模型；供热收入计算时不同热源供热价格不同，且供热价格根据燃料价格等变化，这使得优化模型更符合实际情况。

3)本发明提出的热电负荷优化模型考虑上网电价、燃料价格、供热价格和深度调峰市场等电力市场化的因素，随着电力市场化的加深，采用模型进行热网热电负荷优化给出的优化结果，可为热网运营管理人员应对电力市场化带来的不利因素提供决策依据，带来更大的经济效益。

4)本发明所提出的热力性能计算模型是基于机组全工况的热力性能试验数据，数据量大，选取的工况比较全面，因此热力性能计算模型具有较高的精度，可以作为热源侧技术升级和改造的依据。

附图说明

图1为本发明实施流程图；

图2为本发明生产系统示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明结合机组全工况热力性能试验数据，提出了一种多源多压工业热网热电负荷优化模型构建方法，该方法建立的热电负荷优化模型，引入了深度调峰市场、能源价格和上网电价等电力市场化相关因素，在深度调峰市场机制和电力市场化环境下，结合热电负荷分配算法，为多源多压工业热网的运行决策提供指导。本发明所建立的热电负荷优化模型，为燃气轮机联合循环热电联产机组优化模型构建时，热电耦合约束和多压供热量耦合约束的解耦提供了有效方法，保证得到的优化求解结果在机组可运行的区域之内。

如图1所示，本发明的具体过程如下：

首先根据联合循环机组全工况的性能试验数据，建立燃机热耗率和汽机功率计算模型。

其次，确立包括燃料成本、制水成本和购热成本等在内的机组可变成本，以及包括供电利润和供汽利润在内的机组生产收益计算方法，再根据深度调峰市场规则，合理假设深度调峰市场的边界参数，确立深度调峰市场启动后机组的分摊费用，据此机组生产利润计算模型，作为热电负荷优化的目标函数。

然后，确立优化变量的约束条件，给出等式约束和不等式约束，采用设定方法对供热量与发电量之间的耦合约束，不同压力等级供热量之间的耦合约束进行解耦，确立不等式约束的数学表达式。

最后，通过热电负荷优化算法进行优化计算，得到生产利润最优的运行方案。

如图2所示，针对某工业热网包括2套燃气轮机热电联产联合循环机组、2台抽凝式供热燃煤机组和燃气锅炉等多个热源，具有高、中压两个压力等级的情况。该工业热网中，联合循环机组是主要热源点，燃煤机组为补充热源，其供热量占锅炉蒸发量比例较少，因此不分配其电负荷，燃气锅炉为备用热源，当出现其它机组检修时启用。此外，工业热网中的用户还可回供部分蒸汽。联合循环机组为双轴布置，供热方式包括余热锅炉新蒸汽经减温减压供热(简称“高减供热”)、高压抽汽供热(简称“高抽供热”)和中压抽汽供热(简称“中抽供热”)。那么，综合考虑燃料价格、上网电价、深度调峰市场产生的分摊费用等因素，热电负荷优化模型构建的具体步骤如下。

1.联合循环机组热力性能模型建立。根据2套联合循环机组在不同季节，不同燃机负荷和不同供热量组合下的全工况热力性能试验数据，构建燃机热耗率和汽机功率计算模型。其中燃机热耗率计算模型的输入变量为燃机功率、环境温度、大气压力和相对湿度；汽机功率计算模型的输入变量为燃机功率、环境温度、大气压力、相对湿度、高减供热量、高抽供热量和中抽供热量，可表示为：

2.热电机组的收入计算。热电机组的收入包括供电收入和供热收入，供电收入计算联合循环机组的燃机供电和汽机供电产生的收入。通常根据不同的热源点，供热单价亦不同，应区分不同热源分别计算，各项计算的数学表达式为：

I＝I

其中，I为总收入，I

3.热电机组的成本计算。热电机组的包括燃料成本、购买回供蒸汽成本、购买燃煤机组供热量成本和制水成本，各项计算的数学表达式为：

C＝C

其中，C为总成本，C

4.深度调峰市场分摊费用计算。该项费用在深度调峰市场机制启动后产生，与机组的负荷率相关。其数学表达式如下

ξ

其中，

5.建立利润模型。利润模型的数学表达式为：

因此，热电负荷优化的目标函数为MAX(P)，优化的目标使得机组的利润最大。

优化的变量包括

D

6.约束条件确立。等式约束为热网高中压供热需求，各热源点的高压供热量和中压供热量总和与热网高中压需求相等，数学表达式为

不等式约束包括电负荷和热负荷的上下限约束，针对优化变量燃机电负荷，存在机组可稳定运行的最小负荷和最大负荷；针对优化变量燃煤机组高、中压供热量，存在最小供热量和最大供热量约束，以上两类不等式约束的上下限位常量。

针对优化变量联合循环机组高抽和中抽供热量，在不同燃机负荷，存在最小值和最大值，同时高减、高抽和中抽最大值和最小值与汽机功率存在耦合关系，不等式约束的数学表达式为

7.供热量不等式约束解耦。如前所述，联合循环热电联产机组供热量上下限与燃机电功率和汽机负荷存在耦合关系，各压力等级的供热量上下限存在耦合关系，燃机电功率、各热源的供热量均是优化变量，为了能够在机组可运行区域内进行热电负荷优化求解，需对这些耦合关系进行解耦，具体方法如下。

根据机组运行调整的方式，机组高抽供热量下限可以通过抽汽阀门调节至0，从而高抽供热量的最小值为0，当抽汽阀门调节至最大时，高抽供热量最大值与燃机电功率和高减供热量有关，通过全工况试验数据分析，可以拟合高抽供热量最大值与燃机功率和高减供热的关系式，高抽供热量最大值数学表达表示为

理论上，联合循环机组燃机电功率、高减和高抽供热量不变时，汽机功率取决于中抽供热量，中抽供热量增大，汽机功率减小。对于汽机而言，为了保证汽机稳定运行有最小进汽量要求；汽机进汽量或者排汽量增大，增加了凝汽器负荷，会导致排汽背压增大。因此通过汽机功率的最大值和最小值，对应了抽汽量的最小值与最大值。

利用全工况性能试验数据，建立中抽供热量的计算模型，从而拟合中压抽汽供热量的边界值，数学表示式为：

8.利用所构建的热电负荷优化模型，结合线性回归、粒子群算法或遗传算法等热电负荷优化算法进行求解，在算法中处理供热量约束时，优先满足高压供热量等式约束，再满足中压供热量等式约束，从而找到利润最优的工况，辅助电厂生产运营决策。

具体实施例

本发明所提出的热电负荷优化模型构建方法运用于上述的工业热网，结合粒子群算法，进行热电负荷优化计算。根据机组运行的年平均负荷，选取一个基准工况，比较基准工况与不同上网电价和燃气价格组合下优化工况的利润差值。其中，优化工况1的上网电价高、燃气价格低；优化工况2的上网电价低、燃气价格低；优化工况3上网电价低、燃气价格高。

从计算结果中可以看出，优化后的工况均比基准工况的利润高；采用利润为目标函数后，不同上网电价和燃料价格下优化后的工况不同。

对于约束的耦合处理，从“优化工况2”的计算结果可以看出，当1号燃机负荷下降，高抽供热量也下降，优化结果为46t/h，同时2号联合循环机组经高减供热后，其高抽供热量受到影响，优化结果为高减供热94t/h，高抽供热0t/h。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。