热网及建筑物储热调峰过程热用户室温动态特性研究
2018-05-14王鲁东李伟郭玉珑胡乔良左珊珊
王鲁东 李伟 郭玉珑 胡乔良 左珊珊
摘要：利用热网及建筑物储热特性实施的“热电解耦”运行方式，是加深热电机组调峰深度的有效途径：热网及建筑物储热后，研究热电机组在不同环境温度下热用户室温的动态特性对热电厂调峰具有重要意义。采用机组变工况模型、热网及建筑物换热模型，以某310MW直接空冷热电联产机组为研究对象，分析供热期内机组在不同环境温度下建筑物蓄放热过程中热用户室温变化的动态特性。结果表明：利用热网及建筑物储热实施调峰，室外环境温度在5℃到-5℃之间变化，建筑物室内温度由20℃上升到24℃时，所需总蓄热时间在282.01-390.22min之间；室外环境温度在-5℃到5℃之间变化，建筑物室内温度由24℃下降到18℃时，在纯凝工况下所需总放热时间在590.19-966.22 min之间，在最小功率工况下所需总放热时间在851.86-1980.11min之间；室外温度越高，总蓄热时间越短，总放热时间越长。
关键词：热电联产；热网及建筑物：储热；调峰；动态特性
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2018）05-0159-06
0引言
我国西北地区冬季热负荷需求大，存在相当一部分热电机组。如何解决光热冲突、风热冲突，从而减少弃光、弃风现象的发生，是可再生能源大规模并网的新形势下面临的重要问题。热电机组的调峰问题，尤其是利用储热实现“热电解耦”增加调峰深度的研究一直备受关注。
吕泉等提出通过配置储热装置提高热电机组调峰能力的方案，讨论了配置储热后热电机组的运行策略，并在此基础上建立了计算配置储热后热电机组调峰能力的数学模型，分析了其影响因素：于炎娟等提出基于双线性模型的调度策略以开展热电机组与蓄热罐的协调运行策略，并通过算例说明此调度策略能够高效利用蓄热罐的蓄放热能力，提高风电接纳量与优化机组成本；毕庆生等提出利用热网及建筑物储热来提高热电机组调峰的运行模式，并通过相关算例计算出某工况下热电机组的调峰深度：李平等介绍了基于建筑物与热网热动态特性的热电联合系统的构成方案，着重对比分析了考虑建筑物与热网热动态特性前后单日热电联产机组运行点的变化情况，给出了综合考虑建筑物与热网热动态特性的热电联合调度模型：邓拓宇等从控制的角度探讨分析了利用热网储热提高调峰调频能力的控制方法：刘伟等根据机组历史及气象数据建立动态模型，求解供热负荷发生变化时热用户室内温度动态特性；朴政国、张晓娟等通过仿真，分别研究了储能在光伏发电系统调峰中的控制策略并对系统进行了相关参数设计。
热电机组供热产热量在一定范围内变化，不会影响热用户体验，供热期适当调整用户实际运行热负荷，在电网调峰容量十分紧张情况下利用建筑物的蓄热特性获得更加深度的调峰容量具有可行性和可操作性。上述研究工作对增加热电机组调峰深度做了有益探索，但是并未全面考查利用热网及建筑物蓄放热进行调峰过程中，热用户室温随蓄放热时间变化的动态特性以及不同室外温度下蓄放热时间的变化规律。本文建立热电联产系统变工况模型，研究了热用户室温随蓄放热时间变化的动态特性，以及不同室外温度下蓄放热时间的变化规律。
1利用热网及建筑物储热调峰原理
圖1为热电联产机组系统示意图，供热期内，中压缸供热抽汽通过热网加热器将热网回水加热至所需温度，并送到热用户中。
机组最小发电功率随供热抽汽量的变化如图2所示，AB段为最小主汽流量工况曲线，A点为最小主汽流量下的纯凝工况点，B点为最小主汽流量下最大抽汽工况点，同时其排汽流量为最小主汽流量下的最小排汽流量；BC段为最小排汽流量下机组强迫出力曲线，C点时机组主汽流量达到最大。一般情况下，机组供热抽汽工况点落在BC段，室外温度越低，用户热负荷需求越高，此时供热抽汽量越大，机组最小发电功率越大，其调峰能力越差。
在风电等可再生能源出力低谷阶段，机组可在传统“以热定电”模式的基础上，适当提高电出力和热出力，多余的热量可储存到热网或建筑物内空气中，使室内温度适当升高；风电等可再生能源出力升高时，机组可在传统“以热定电”模式的基础上，适当降低电出力和热出力，在保证热用户体验的前提下，使储存在热网及建筑物内的热量得到释放；受热网及建筑物热惯性影响，建筑物室内温度变化缓慢，适当控制蓄放热时间，既可使室内温度在热用户可接受范围内变化，同时也可达到增加调峰深度的目的。
2模型建立
2.1系统静态模型
由热平衡可知，不考虑热力管网热损失，室内温度到稳定时，汽轮机中压缸供热抽汽凝结放热量与热用户向环境散热量相等，即：
1000Gc（he-hs）=qA/sub>A（tn-tw） （1）式中：Gc——中压缸供热抽汽量，kg/s；
he、hs——供热抽汽焓和凝结水焓，kJ/kg；
qA——建筑物面积热指标，W/（m2·℃）；
A——供热建筑总面积，m2；
tn、tw——建筑物室内温度和环境温度，℃。
对于汽轮机侧，各组采用改进的弗留格尔公式进行变工况计算：
2.2热用户室内温度动态模型
蓄热或放热过程中，热用户室内热平衡方程的微分形式为
3案例机组分析
本文以某地310MW热电联产机组为例，在考虑热网及建筑物储热特性的前提下，依据所建立机组变工况模型与热网及建筑物换热模型，采用Matlab编程计算其在不同室外温度下的调峰能力、建筑物室内温度动态特性等，其中供热期内，案例机组所在地室外温度在-5～5℃之间变化，供热面积为4×106 m2；机组设计参数如表1所示。
3.1系统变工况模型验证
本文采用Matlab编程建立汽轮机及热力系统模型，根据各设计工况将锅炉、汽轮机、凝汽器等设备元件参数进行多项式拟合，并嵌入到所编写的程序中，进行供热机组热力系统计算分析。选取THA、50%THA两种工况，对所建立模型的准确性进行验证。
表2为编程计算结果与厂家热平衡图的对比。由表可知，THA工况下，编程计算结果与厂家热平衡图参数相对误差最大值为0.13%，发电机功率相对误差为-0.04%；50%THA工况下，编程计算结果与厂家热平衡图参数相对误差最大值为0.36%，发电机功率相对误差为0.02%：两种工况下编程计算结果误差很小，在工程允许范围内。因此，模型可靠性较高，可以依据此模型做进一步分析。
3.2室外温度对供热抽汽量的影响
基于建立的热力系统计算模型，计算供热抽汽量与室外温度的关系，其结果如图3所示。可知室内温度下，随着室外温度升高，热负荷需求量减小，故供热抽汽量逐渐减小，几乎成线性变化：相同室外温度下，室内温度升高，热负荷需求增加，供热抽汽量逐渐增加。
根据相关文献，建筑物室内温度在18～24℃时，不影响热用户体验，即抽汽点落在图3中阴影部分时，建筑物室内温度总在热用户可接受范围内，此时对热网及建筑物的蓄放热时间没有限制，但调峰深度增加量有限。为了更好地扩大调峰范围，需要让抽汽点落在阴影部分以外，但此种调峰方式需注意对蓄放热时间的控制，使建筑物室内温度保持在18-24℃。当抽汽点落在阴影部分下方时，需控制放热时间，及时进行蓄热，否则会造成建筑物室内温度过低影响热用户体验。同理，当抽汽点落在阴影部分上方时，应控制蓄热时间，及时放热。理论上，只要蓄放热时间控制得当，抽汽点可在图2中BC段任意变化，抽汽量越大，蓄热过程时间越短，放热过程时间越长。
3.3蓄放热过程建筑物室内温度动态特性
3.3.1蓄热过程建筑物室内温度动态特性
依据建立的建筑物室内温度动态模型，计算热网及建筑物以最快速度进行蓄热时室内温度随蓄热时间的变化，此时抽汽点对应机组最大抽汽工况点，即图2中c点的状态，其结果如图4所示。由于大部分情况下室内温度要保持在20℃，因此蓄热过程动态分析时取室内初始温度为20℃。
由图4可知，室外温度越高，建筑物向室外散热越慢，故蓄热过程室内温度上升越快，相应蓄热时间越短，室外温度分别为5.0，-5℃时，建筑物室内温度由20℃上升到24℃所用时间为282.01，327.40，390.22min；同一室外温度下，建筑物室内温度随蓄热时间几乎成线性变化。
为了更直观地展示蓄热时间与室外温度的关系，现计算出以最快速度进行蓄热时各室外温度下建筑物室内温度由20℃上升到24℃所用时间（总蓄热时间），结果如图5所示。图中结果进一步说明了室外温度越高，所需的总蓄热时间越短：随着室外温度的升高，总蓄热时间的变化率有小幅减小。需要说明的是，由于热网热惯性的存在，电厂做出调整动作后，过一段时间建筑物室内温度才开始发生变化，因此应根据需要提前预测未来短时间内机组功率，并寻找合适时机将蓄热开始时间及结束时间提前，否则会因蓄热量不足影响调峰效果或者蓄热时间过长使室内温度高于24℃影响热用户体验。
3.3.2放熱过程建筑物室内温度动态特性
依据建立的建筑物室内温度动态模型，计算切断供热抽汽时（纯凝工况）和机组处于可达的最小发电功率工况下（图2中B点对应的工况），室内温度随放热时间的变化：由于没有热源向建筑物及热网输送热量，故机组在纯凝工况下运行，建筑物室内温度下降最快。一般放热过程是在蓄热过程之后，因此取放热过程的建筑物室内初始温度为24℃，室内温度降到18℃时停止放热过程。计算结果如图6所示。
由图6可知，室外温度越高，建筑物向外界散热速度越慢，故放热过程中室内温度下降越慢，相应放热时间越长，室外温度分别为-5，0，5℃时，纯凝工况下建筑物室内温度由24℃下降到18℃所用时间为590.19，732.47，966.22min，最小发电功率工况下所用时间为851.86，1 187.20，1 980.11 min；同一室外温度下，建筑物室内温度随放热时间几乎成线性变化。
同样，为了更直观地展示放热时间与室外温度的关系，现计算出放热过程中纯凝工况及最小功率工况下，各室外温度下建筑物室内温度由24℃下降到18℃所用时间（总放热时间），结果如图7所示。
结果进一步说明了无论是纯凝工况还是最小功率工况运行，室外温度越高，所需的总放热时间越长；随着室外温度的升高，总放热时间的变化率有小幅增加；相比于纯凝工况，由于有少量供热抽汽为热网及建筑物提供热量，因此相同室外温度下，最小功率工况总放热时间总是大于纯凝工况。值得注意的是，即使在室外温度-5℃时且机组以纯凝工况运行的情况下（此时为放热时间最短的情况），总放热时间也将近10h，充分说明利用热网及建筑物储热的方式进行调峰，热电厂有相当长的时间去保持有效的调峰深度。
同样，由于热网热惯性的存在，电厂做出调整动作后，过一段时间建筑物室内温度才开始发生响应，因此应根据需要把握好放热时间及结束放热过程的时机，否则会因放热时间过长造成建筑物室内温度低于18℃，影响热用户体验。
4结束语
以我国某地区供热机组为研究对象，考查利用热网及建筑物储热调峰过程中热用户的蓄放热特性，结论如下：
1）利用热网及建筑物蓄热进行调峰，蓄热过程中，室外温度在5℃到-5℃之间变化，建筑物室内温度由20℃上升到24℃时，热用户总蓄热时间在282.01～390.22 min之间：室外温度越高，总蓄热时间越短。
2）利用热网及建筑物蓄热进行调峰，放热过程中，室外温度在-5℃到5℃之间变化，建筑物室内温度由24℃下降到18℃时，纯凝工况下，热用户总放热时间在590.19～966.22 min之间；最小功率工况下，热用户总放热时间在851.86～1 980.11 min之间；室外温度越高，总放热时间越长。
3）利用热网及建筑物蓄热进行调峰，最短总放热时间将近10h，充分说明利用热网及建筑物储热的方式进行调峰，热电厂有相当长的时间去保持有效的调峰深度。
（编辑：李刚）
