1、第 卷第 期 年 月热能动力工程 ，收稿日期：；修订日期：作者简介：黄治军（），男，内蒙古大唐国际托克托发电有限公司高级工程师文章编号：（）多种可再生能源渗透场景下的热电联产系统优化黄治军（内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司，内蒙古 呼和浩特）摘 要：针对传统热电联产（）系统受热电耦合的限制，灵活调节能力低、可再生能源消纳能力弱的问题，分析了传统热电联产系统的灵活性不足机理，提出采用地热源热泵来提高其灵活性。为了确定地热源热泵（）的最优容量，建立了考虑切负荷惩罚、可再生能源弃用惩罚、设备投资成本及运行成本的热电联产 地热源热泵系统优化模型，将该模型运用到可再生能源渗透率（可再生能源发电量 总
2、发电量）分别为，和 的 种情景中。结果表明：地热源热泵的容量随可再生能源渗透率的提升而提升，同时地热源热泵的集成可以扩大系统的可运行域，提高可再生能源的消纳容量；在最优地热源热泵容量下，种场景的日节约成本分别为，和，同时集成系统的能源利用率可超过，可再生能源弃用的惩罚成本分别下降，和。关 键 词：热电联产系统；灵活性改造；可再生能源渗透；地热源热泵中图分类号：.文献标识码：引用本文格式黄治军 多种可再生能源渗透场景下的热电联产系统优化 热能动力工程，（）：，（）：（，：）：（），（），（），：（），（）热能动力工程 年引 言随着各国对环保问题的日益关注及“碳达峰、碳中和”等战略目标的提出，可再
3、生能源的发展受到了广泛关注。未来新型电力系统的构建将以可再生能源为主体，但由于可再生能源的波动性与随机性，电网的供需失衡程度极大加深。此外，为了满足冬季热负荷的供应，提高能源的利用效率，大量的热电联产系统被接入电网。然而，热电联产系统的热电耦合关系使其热电比的灵活调控有限，导致大规模的可再生能源接入后难以保证电力系统的安全稳定运行，造成可再生能源弃用率逐渐增加。因此，需要对热电联产系统进行技术升级改造。目前，国内外许多学者对热电联产（，）系统进行改造，增加其灵活性。胡康等人分析了热电耦合对系统整体效率的影响，并对比了电加热储热、电热泵制热、热电机组储热、汽轮机高 中压旁路抽汽供热等 种灵活性改
4、造方案的效果。李斌等人在传统火电机组基础上，开发利用太阳能和储能，提出了带储热的槽式太阳能光热系统、压缩空气储能和火电机组集成的“光火储”一体化发电系统。等人通过分析热电联产系统调峰能力与可再生能源发电煤耗的关系，提出降低加热抽汽压力的方案。胡康等人采用相变储热装置提升热电联产系统的灵活性。等人使用电锅炉、电解槽和氢罐等设备来扩展热电联产系统的等效运行区域。等人在中央热电联产系统的基础设施中增加熔盐高温热能储存技术来提高系统灵活性。唐树芳等人对汽轮机进行新型凝抽背改造，并分析了改造后供热能力的提升情况，验证了该改造对热电机组灵活性的提升效果。等人提出了一种协调热电联产、区域热网和建筑物的两层控
5、制系统，实现了热电解耦，提高了 系统的灵活性。等人通过协调加氢热解油生产和热电联产系统之间的运行，提高了 系统的灵活性和可再生能源的消纳水平。陈永辉等人针对热电解耦时间、电锅炉型式及不同电锅炉容量配置对机组实际发电负荷的影响等灵活性改造关键技术进行研究，确定了最优电锅炉容量，提供了电锅炉装设方案。目前，大量研究采用不同的技术来提高热电联产系统的灵活性，从而增加可再生能源的消纳，但对采用地热源热泵（，）技术的系统鲜有研究。本文对热电联产系统的灵活性不足机理进行了剖析，并集成地热源热泵来提高其灵活性。为了确定地热源热泵的最优容量，提出集成系统的优化方法，分析灵活性的提升效果与特征。此外，针对可再生
6、能源渗透率不同的场景，运行该优化方法，分析不同场景中的能源利用率在可运行域的分布规律以及集成地热源热泵带来的经济和环境收益。系统改造 传统热电联产系统集成可再生能源的热电联产系统结构如图 所示。可再生能源机组与热电联产系统共同组成混合热电联产系统。其中，热负荷由热电联产系统供应，电负荷由可再生能源机组与热电联产系统共同供应。在传统热电联产系统中，工质进入锅炉，在锅炉中吸热蒸发，再进入汽轮机高压缸做功；工质经再热后进入中压缸做功，此时工质的压力、温度均有较大降低，在低压缸的发电效率较低，抽凝式机组可以抽取这部分工质加热生活热水，供给热用户，满足热负荷。此外，从高压缸、中压缸和低压缸中抽取部分蒸汽
7、并分别输送至高压和低压加热器来加热给水。最后，低压缸中做功后的工质经冷凝器液化和低压加热器加热后，与供热冷凝的工质在除氧器中混合并除氧，经水泵加压、高压加热器加热后进入锅炉，完成一次汽水循环。负荷侧热电负荷具有随机性，在夜间气温较低，热负荷需求大，而电负荷需求低。而以热定电的运行模式导致电功率随热功率增长，挤压了可再生能源的消纳容量，同时可再生能源本身的波动性也不利于可再生能源的消纳。灵活性分析及改造传统热电联产系统的可运行域如图 所示。其数学模型可定义为：第 期黄治军：多种可再生能源渗透场景下的热电联产系统优化图 可再生能源发电与热电联产耦合系统 ，（）式中：电功率，；热功率，；，冷凝运行时
8、的最大电功率，；，冷凝运行时的最小电功率，；的斜率，表示增加单位热功率时，电功率的下降量；线 的斜率；，系统最大热功率。图 热电联产系统可运行域 图 中 和 分别代表主蒸汽流量最大和最小时的热电耦合关系曲线，即最大和最小煤耗时的煤耗曲线；表示最大抽汽下的热电耦合关系曲线。与 平行的每 条曲线代表在同一煤耗下的煤耗曲线，所有曲线共同组成了系统的可运行域。根据图，当热负荷低于，时，热电联产系统电功率的调节容量为，和，的差值。当热负荷高于，时，热电联产系统电功率的调节容量随着热负荷的增加逐渐减小，如热负荷为，时，最大输出电功率为，最小输出电功率为，。当等效电负荷低于最小电功率输出时，会导致可再生能源
9、的弃用；反之，当等效电负荷高于最大电负荷输出时，会导致切负荷的发生。为了满足热负荷，将热电联产系统的热负荷由，增加到，相应的电负荷也由，增加为，挤压可再生能源的消纳容量，其大小为，与，的差值。为了增加可再生能源的消纳，需要提高热电联产系统的灵活调节能力。集成地热源热泵后可有效增加热电联产系统可运行域的面积，其作用包括两方面：一方面，地热源热泵可消耗电能，降低集成系统的电功率输出，从而增加可再生能源的消纳容量；另一方面，地热源热泵提供的热功率可降低热电联产系统的等效热功率输出，进一步增加可再生能源的消纳容量。理论上集成地热源热泵后，热电联产系统的可运行域如图 所示。系统集成地热源热泵后，地热源热
10、泵可以利用部分电能获得更多热量，可运行域面积从面 增加到面，具体数学模型为：，（，），（），（），|（）热能动力工程 年式中：地热源热泵的容量，；地热源热泵能效比。图 改进后系统可运行域 图 中线 是地热源热泵最大输出功率与热电联产机组最大热功率下的热电耦合关系曲线，线 是最小主蒸汽流量下地热源热泵在额定功率的热电耦合曲线，在图形 内与 平行的所有曲线代表在该煤耗率和热电联产机组最大供热功率下，地热源热泵从零到全负荷的热电耦合曲线。由图 可知，集成地热源热泵扩大了热电联产系统的可运行域面积，使灵活调节能力提升，可再生能源消纳容量增加。这是因为当热电联产系统的等效电功率等于，而等效热功率从，增加
11、到，时，传统热电联产系统必须将电功率输出从，提高到，致使可再生能源消纳容量降低；而集成地热源热泵的热电联产系统的等效电功率输出仍为，因此提高了热电联产系统对可再生能源的消纳水平。优化模型 优化方法为确定地热源热泵的最优容量，最大化提升集成热电联产系统的灵活性及可再生能源消纳水平，构建了集成系统的优化方法。具体的优化流程如图 所示，主要包括初始参数输入、优化模型和性能评估等模块。构建的优化方法为单目标优化，优化包含系统运行成本、可再生能源弃用惩罚、切负荷惩罚及地源热泵投资成本的总成本最小值。引入弃用惩罚是为了使优化模型最大化消纳可再生能源，而引入地热源热泵投资成本是为了选取合理的热泵容量，优化函
12、数定义为：（，）（）式中：总成本，万元；系统电功率，；系统热功率，；地热源热泵热补偿 的 煤 耗；，地 热 源 热 泵 功 率，；弃用的惩罚因子；可再生能源弃用功率，；切负荷惩罚因子；切负荷，；系统发电单位投资，万元；地源热泵的单位投资，万元；维护费用，万元；第 小时，；纯冷凝状态下单位功率的边际煤耗率，（）；空载状态下的边际煤耗率，。图 优化流程 电平衡与热平衡的约束为：，（）第 期黄治军：多种可再生能源渗透场景下的热电联产系统优化，（）式中：，地热源热泵用电功率，；，电负荷，；，热负荷，。此外，传统热电联产系统需要满足可运行域的运行约束：，（）根据热泵技术参数有热泵电功率约束与爬坡约束：（
13、）（）式中：地热源热泵下降爬坡率，；地热源热泵上升爬坡率，。模型是一个整数线性规划问题，结合枚举法通过求解可得到最小目标值下地热源热泵的最优容量。为了分析热泵容量对集成系统运行性能的影响，提取集成系统运行时的相关参数，对比分析集成系统的经济节约率、能源利用率和灵活性，由此可以证明地热源热泵容量配置的合理性与优势。煤耗模型传统热电联产的纯冷凝运行功率与煤耗的关系一般可定义为二次函数，而满负荷与半负荷之间的平均煤耗相差只有。为了降低优化模型的复杂度，采用一次函数来描述系统的纯冷凝运行功率与煤耗的关系：（）（）（）式中：纯冷凝状态下的功率，；（）纯冷凝运行时的煤耗率，。纯冷凝运行下的电功率可用热电联
14、产系统的热、电功率来表示，则煤耗量的函数可表示为：，（）热补偿煤耗可定义为：（，），（）等式右侧第 项为地热源热泵耗电导致的热电联产系统多发电的煤耗，第 项为地源热泵电热转换煤耗。因此，地热源热泵热补偿的煤耗可定义为：（，），（），（）多种可再生能源渗透率场景为了使系统在不同的可再生能源渗透率下均可靠、环保、节能地运行，分别考虑可再生能源渗透率为，和 种场景下的集成系统优化。热电联产系统的等效电负荷如图 所示。图 种场景下热电联产系统的等效电负荷 评价指标根据煤耗模型，可以得到热电联产系统的能源利用率分布模型及集成地热源热泵的热电联产系统的能源利用率分布模型。在可运行区域内，热电联产系统的能源
15、利用率分布为：，（，）（）式中：煤的低位发热量，。改造后系统的能源利用率为：，（），（，）（）改造获得的成本节约率 为：（）式中：系统成本，万元；系统成本，万元。热能动力工程 年 结果与讨论 初始参数以 亚临界抽凝式热电联产系统为例，分析其灵活性与性能提升特征。基本参数如表 所示。表 热电联产系统技术参数 容量，该热电联产系统的煤耗系数 和 分别为 和 ，最小和最大输出功率的煤耗率为 和 （），切负荷与可再生能源的惩罚系数分别为 和 （）。此外，地源热泵的相关参数如表 所示。表 地源热泵技术参数 地热源热泵容量对系统性能的影响在不同的可再生能源渗透率下，热电联产系统的电负荷不同，则同容量的地热
16、源热泵无法满足不同场景下的热电联产系统的灵活运行以及对可再生能源的消纳。如果设备容量太小，热电联产系统可能会产生切负荷与可再生能源的弃用，而设备容量过大，则会造成经济与资源的浪费。因此，有必要对地源热泵在每种场景下的容量进行优化。地热源热泵的经济参数如表 所示。表 地热源热泵经济参数 生命周期 年初始投资万元 维护周期次 维护费用元 在 种场景中，地热源热泵的容量从 到 依次增加，基于优化模型求出每种地热源热泵容量对应的目标函数最优解。由图 可知，可再生能源渗透率为，和 时相应的地热源热泵的最优容量分别为，和。当可再生能源渗透率等于 时，地热源热泵的最优容量相比于 和 时的场景存在明显的差异性。原因是传统热电联产系统本身的灵活调节能力可以消纳低比例的可再生能源，因此对地热源热泵的需求不大。相反，系统中集成高比例可再生能源时，热电联产系统的等效电负荷较低，超出了最小的电负荷输出，因此需要地热源热泵来将可再生能源电力转换成热能，提高热供应的同时，增加热电联产系统的等效电负荷。因此，本文从灵活性提升、能源利用率分布、经济成本 个方面分别分析 种场景中集成地热源热泵的特征，分析耦合地热源热泵的
