多燃料混合燃烧电厂负荷调度优化方法研究

v:* {behavior:url(#default#VML);} o:* {behavior:url(#default#VML);} w:* {behavior:url(#default#VML);} .shape {behavior:url(#default#VML);} 摘 要 能源是社会经济发展的物质基础，和人们的生活息息相关。随着社会经济的高速发展，人们对于能源的需求量与日俱增。但是有限的自然资源和严峻的环保形式，要求我们对能源开发利用进行反思和变革。因此，秉着“开源节流”的能源优化利用方针，多燃料混合燃烧电厂的负荷调度优化方法研究就显得很有意义了。 本文主要以某电厂的五台机组为研究对象。其中1、2、3号机组是燃用煤/高炉煤气(BFG)/焦炉煤气(COG)/轻重油的350MW发电机组，0号机组是大容量单烧低热值高炉煤气的燃气-蒸汽联合循环热电机组，4号机组是以低热值高炉煤气与天然气混合燃烧的350MW发电机组，同时0、3号机组也具备单独供热能力。电厂本身复杂的机组结构，各种燃料介质的不同特性给负荷优化调度带来了极大的困难。本文研究了各机组的实际运行状态及对不同时段的负荷要求，建立目标函数，确定边界条件，并利用等微增率曲线法与动态规划法对电厂一天内五台机组的负荷变化与一月内五台机组的负荷变化进行计算和比较，获得系统的最优解。结果表明，在系统总负荷及机组台数确定的情况下，等微增率曲线法和动态规划法是适用于多燃料混合燃烧电厂负荷调度优化的。 本文的主要工作涉及以下三个方面：机组煤耗特性曲线(面)研究、基于等微增率曲线法的机组负荷调度优化研究以及基于动态规划法的机组负荷调度优化研究。文章针对这两个问题，建立准确的数学模型，运用合理的仿真算法，并在此基础上进行优化分配的调度设计。在满足电厂正常供电的前提下，使各台机组效率最高。结果标明，进行多燃料混合燃烧电厂负荷调度优化分配是可行的，能有效降低煤耗，提高能源利用率，为电厂取得良好经济效益。 关键字：煤耗特性，等微增率法，动态规划法，调度优化，组合优化 课题研究背景 能源资源是人类社会经济发展的基础。在过去的30年里，我国作为世界上最大的发展中国家，经济社会发展取得了举世瞩目的辉煌成就。我国能源分布呈现“总体丰富，人均不足”的特点，主要表现在如下几个方面： (1) 能源资源总量虽然丰富，但是人均能源资源拥有量较低。我国幅员辽阔，化石能源资源丰沛。在已探明的能源资源储备中，煤炭资源储备约为10345亿吨，占世界总储量的13%，列世界第三位。但是石油、天然气资源储量较少，已探明的石油储量位57.5亿吨，天然气储量为3.1万亿立方米。我国也拥有很丰富的可再生能源。其中，水力资源蕴藏量巨大，现已开发的水力资源年发电量约1.76万亿千瓦时，占世界水力资源量的12%，位列世界首位。但是我国庞大的人口基数导致人均能源资源拥有量长期徘徊在世界中下游水平。煤炭和水力资源人均拥有量仅为世界平均水平的50%，石油、天然气资源的人均资源量仅为世界平均水平的6.7%，耕地资源的拥有量仅为世界平均水平的30%。 (2) 能源资源蕴藏分布广泛但不均衡。我国地理位置特殊，西高东低，西部资源丰富人员稀少，东部经济发达人口稠密。对自然资源而言，煤炭资源主要储存在华北和西北地区；水力资源主要分布在西南和中部地区；石油、天然气资源主要储存在东北、西部地区和深海海域；风力资源主要集中在西北地区和沿海海域。但是我国主要的能源消费地区集中在东南沿海以及中部地区，资源赋存地域与能源消费地域距离遥远导致能源运输困难。 (3) 能源资源开发难度较大。与世界其他国家相比，中国复杂的地貌特征给资源开采带来了极大的困难。已探明的煤炭、石油、天然气资源的地质开采条件较差，开采技术要求较高。未开发的水力资源多集中在西南部的高山深谷，远离负荷中心，开发难度和成本较大。部分地区甚至还存在使用原始开采设备的现象，导致开采效率低下，资源浪费严重。 严峻的能源供应形势迫使人们必须在合理利用常规能源、大力发展新能源及开发可再生能源等方面进行积极的探索。鉴于发达国家的能源发展战略，我国能源资源的紧迫现状要求我们走能源可持续发展道路。因此，在现阶段人口多、资源缺乏的基本国情下，如何“开源节流”，合理利用现有能源对我国经济的可持续发展有着十分重要的意义。能源供应侧的“开源”主要有以下4个方面： (1) 充分利用传统化石能源，即通过对现有资源的优化配置，完善合理的开采计划，尽可能降低传统化石能源的消耗； (2) 开发利用风力、光伏、蓄电池等可再生能源； (3) 大力开发利用潮汐、地热等新能源； (4) 加速寻找新的能源供应源。 相对的，能源需求侧的“节流”主要有以下2个方面： (1) 合理使用现有化石能源，减少能源资源浪费； (2) 升级消耗能源的终端设备，提高设备利用效率。 电力作为人类社会生产最主要的二次能源，不仅需要消耗大量的的一次能源，而且还要付出很大的环境代价。出于稳定性、可靠性和经济性等多方面因素综合考虑，火力发电还是在我国现阶段的主要发电方式占主导地位，目前的燃煤机组占全国装机总容量的74％。火力发电是煤炭资源的消耗大户，年煤炭消耗量占全国煤炭消耗量的70%以上。当然，随着科学技术的不断发展，我国平均供电煤耗也逐渐呈下降趋势，在“节流”方面也取得了可喜的成绩。 发电企业的生产方式决定了电力行业是主要大气污染物的排放大户。由于早期生产技术水平的落后以及发电设施设备的限制导致了资源开发浪费大、环境破坏严重等一系列社会问题，让我国经济在高速发展的同时也付出了沉重的代价。近年来，我国政府开始逐渐加强对大气污染问题的监管力度，虽然已得到了有效的控制，但大气污染仍严重影响到人们的正常生活，制约着我国社会经济的发展。有相关研究表明，近年来我国主要大气污染物造成森林、作物、人体健康和房屋建筑等方面的经济损失约高达国民生产总值的2.5%。电力行业的高速发展给人们的日常生活带来很大的便利，但火力发电所带来的硫化物、氮氧化物、氰化物等大气污染物对环境和人体健康造成了严重的影响和损害，大量的二氧化碳排放又造成全球温室效应，所以燃煤电厂已成为我国最主要的大气污染源。因此，减少火电厂的煤耗量以及严格监控发电企业的大气污染物排放量，从源头上控制污染源，才能有效解决大气污染问题。因此，降低火力发电厂的供电煤耗已经迫在眉睫。所以进行火电机组的优化调度研究，不仅有很大的经济价值，还具有十分重要的社会意义。 随着我国电力工业体制改革的逐步展开，“厂网分开、竞价上网”的新政策要求传统电力行业必须尽快实现“公司制改组、商业化经营、法制化管理”。这也让我国电力工业发生了诸多转变，主要表现在： (1) 市场主体由原本的唯一一家变成了多家； (2) 资源配置由原本以计划调度为基础逐步过度到以市场资源配置为基础； (3) 政府管理也从原本的主要依靠行政手段逐步转向依法监督。 不同的体制也导致了电价结构的变化，即由原本的国家统一定价转变为“两部分叠加”：一部分是市场竟价形成的上网电价，一部分是国家审定的输配电价，叠加得到用户电价。由于上网电价的出现，电价不再完全由国家掌控，会根据生产工艺和市场需求上下浮动，也为电力工业的快速发展带来了新的机遇与挑战。 电力体制改革主要通过建立电力市场为电力工业引入竞争机制，引导发电企业的技术革新，提高生产效率，节约发电成本。良性的市场竞争能调整上网电价，有效促进社会经济的发展，带来巨大的经济效益，环保效益和社会效益。与传统电网的统一调度运行模式相比，在新的市场运行体制下，电厂和发电公司成为了主要角色，而电网则为电力交易提供了公平可靠地平台。根据市场电价的高低，由电力市场来决定各个电厂的市场份额。因此，如何根据不同的发电指标确定各台机组的运行方式是各大发电集团调度计划的重中之重。 本文的研究对象是某钢铁企业自备电厂。该混合燃料电厂立足其钢铁企业的背景，利用炼钢副产品作为发电燃料之一，在节约能源和环境保护方面为能源综合利用开辟了新的途径。目前该电厂共有0、1、2、3、4五台机组，总装机容量1550MW。1、2、3号机组以燃煤为主，并可燃用高炉煤气(BFG)、焦炉煤气(COG)、重油、轻油。0、4号发电机组以燃用高炉煤气为主，也可燃用焦炉煤气、转炉煤气(LDG)、轻油、天然气等多种燃料。炼钢工业废气的综合利用是该电厂节能减排，提高效率的重要突破口。炼钢过程中产生的富余高炉煤气既可用于发电并网；也可用于机组预热，为启停检修节约大量能源，减少浪费。在大大提高了能源利用效率的同时，还减少了工业废气的排放，是能源优化利用的优秀典范。 在新一轮低碳经济发展的热潮下，传统能源的优化利用、新能源的研究开发以及节能减排是社会各界关注的重中之重。如何在保证对电网安全提供电的同时，更有效地利用传统能源、开发新能源、减少污染排放对于实现国民经济可持续发展具有至关重要的作用。因此对多燃料混合燃烧电厂负荷调度优化方法的研究，具有十分重要的意义。 1.2 课题研究现状 相比于传统燃煤电厂，混合燃料电厂的发电方式存在很大的不同。发电机组不仅要在满足电网调度的前提下，保证电网的安全运行，还必须保证特殊工况下的燃料调配和启停检修时的煤气平衡。因此，机组负荷优化分配和机组优化组合是多燃料混合燃烧电厂负荷调度优化的主要环节，也是本文的主要工作。在科学技术日益进步的今天，国内外研究人员根据火力发电的特点发明了许多优秀的算法。主要有： (1) 优先顺序法(Priority List) 优先顺序法是在比较早期提出的调度优化算法。其主要特点是将系统内可调度的各台机组按照一定的经济特性指标排出先后顺序，再将系统的总负荷按照此顺序依次将最经济运行的机组加至最大负荷，即“高效机组多负荷，低效机组少负荷”的排列原则。 因此，优先顺序法的处理组合较少，计算量也相对较小，过程简洁明了。由于其操作简便、易于执行，在满足最简单的应用要求的前提下获得最大效益，所以在发电厂调度优化中得到了非常广泛的应用；相对的，优先顺序法也存在着很多的缺点，例如：在处理不同时段的机组优化组合问题时，要求各台机组频繁启停，这在现实操作中是不能实现的，所以优先顺序法一般需要和其他优化算法结合使用。 (2) 动态规划法(Dynamic Programming) 动态规划法是上世纪五十年代初，由美国数学家贝尔曼（R.Bellman）等人提出的一种解决多阶段决策过程问题的最优化算法。其基本原理是：根据研究对象的时空特性，将优化过程划分为若干个相互联系的时间段，然后选定系统的正方向，再逆向计算，从终点向起点逐次寻找每个阶段的最优决策，从而使得到整个过程的最优解，因此也称为逆序决策过程。 动态规划法的主要优点是对目标函数和约束条件的限制较为宽松，上下级决策影响较小，并且能够获得较为准确的全局最优解；缺点是当机组台数较多时，系统计算量较大，求解速度相对较慢，并要求研究对象具有明显的阶段性特征，并受时间变化，功率变化等约束条件的制约。因此，各国专家学者在传统动态规划法的基础上做了新的改进与创新以减少计算量。目前，动态规划法已经基本成熟，也是国内外发电集团应用最广泛的优化算法之一。 (3) 等微增率曲线法( Equal Incremental Rate Curve Programming) 等微增率曲线法也称等微增率法, 普遍用于研究机组的实时负荷分配以及制定分配计划时的具体时间段的负荷值。等微增法主要是将机组性能曲线拟合成二阶函数，并利用二次函数的“非凸”以及“连续”特点模拟火电机组的煤耗特性曲线。等微增方程是个简单的求导过程，然后应用各个机组微增率相等时，总热耗最小的特点，通过拉格朗日算子进行计算即可得到各台机组的实际带负荷量。 等微增率曲线法的主要优点是算法简单直观，容易掌握并且程序简洁，计算简便易于操作；但是其对煤耗曲线单调性和凹凸性有高的要求，局限性大，在处理多台带负荷能力差别较大的机组的时，机组的最小及最大负荷为造成较大负担，影响程序的运行速度。 (4) 遗传算法(Genetic Algorithm) 遗传算法是在1975年，由美国数学家霍兰德(J. Holland)教授首先提出来的。遗传算法是参照达尔文的生物进化理论衍生出来的一套自然选择、优胜劣汰的优化算法。其基本原理是将所研究对象模拟为一个生存环境，将各个解模拟为该生存环境中的不同生物个体，通过自然选择的淘汰机制，筛选最优个体，从而得到系统最优解。 遗传算法的优点有很多：对研究对象的限制约束少，对目标函数特性的要求较低，鲁棒性较强，理论上可以得到全局最优解；可选方案多且方法灵活，适用于多目标并行处理。但是遗传算法其本质属于无约束条件的优化算法，收敛条件并不明确，因此算法的效率不高，运算速度较慢；其随机算法的特性，并不能保证求得最优解。 本文主要采用了等微增率曲线法和动态规划法对电厂五台机组进行负荷调度优化并解决了机组优化组合问题，通过建立合理的数学模型，确定正确的边界条件求解全局最优解。结果证明，使用了等微增率曲线法和动态规划法优化后的电厂煤耗量与供电煤耗明显降低，为发电企业节约了发电成本，提高了经济效益。 1.3 课题主要研究内容 本文是以某钢铁企业自备电厂作为主要研究对象，探讨了电厂内各台机组的负荷优化调度策略与各台机组间的优化组合问题，利用不同的优化算法建立合适的数学模型，最后求解出系统的最优解的。本文在国家自然科学基金重点项目（编号：61034004）的资助下完成。 本论文一共分为五章，除第一章绪论以外，本文的主要研究内容如下： 第二章：主要探讨现代火电机组主要经济性指标的选定，简单介绍了机组煤耗计算的主要方法以及机组煤耗特性曲线的常用拟合算法，并利用电厂的实际运行数据计算了各台机组的煤耗特性参数并拟合相应的煤耗特性曲线与供电煤耗曲线，为之后的调度优化方法研究奠定基础。 第三章：研究了基于等微增率曲线法的负荷优化调度策略。即以电厂煤耗量作为研究对象，通过煤耗量与机组负荷之间的关系构建目标函数，并确定边界条件。之后利用电厂实际运行数据，编写程序进行优化计算，求得满足优化要求的全局最优解。 第四章：研究了基于动态规划法的负荷优化调度策略。根据电厂五台机组燃烧介质的特殊性，建立系统的非线性数学模型并确定边界条件。探讨了各台机组间的优化组合问题并利用电厂的实际运行数据进行仿真并求得最优解，得到了该调度周期内的机组配置的最优化方案。 第五章：对全文的总结和概括以及对未来研究工作的展望和建议，为后续工作指明了方向。