電廠發電協調調度優化研究

伊象武

（福建華電電力工程有限公司，福建 福州 350013）

0 引言

為了應對可能出現的突發情況，一般大型煉鋼廠、石油石化等高能耗企業會建設自備電廠，在減少浪費的同時還能有效緩解企業的峰值用電負擔[1]。因此制定出合理的高能耗企業自備電廠出力及煤氣分配計劃對降低企業成本和提高用電效率均有重要的實際意義[2]。目前對此種高能耗企業自備電廠的電力調度情況所做的研究往往是基于煤氣剩余量或對煤氣剩余量進行的大致預測[3]，但此種方法主要以機組之間約束的關口平衡作為主要優化目標，并將自備電廠作為剩余煤氣的消納用戶，未能將自備電廠本身的消耗和發電量納入優化方案，從而導致優化方案未能達到最優解，進而對其發電量產生了一定影響。針對以上問題，不少學者對以煤氣系統為主的鋼鐵企業的優化調度進行了研究。但多數研究仍然忽視了對鋼鐵廠等高能耗企業自備電廠發電效率與能源消耗特征的考慮。

該文基于某地鋼鐵廠，分別從發電機組的組合和煤氣系統的調度2 個角度分別建立分步優化調度模型和綜合優化調度模型，并通過實例對其優化效果進行了分析，可為此類企業的能源系統調度優化提供一定的參考依據。

1 研究概況

該文研究的鋼鐵廠位于我國東北某省，始建于1968 年。該廠年產鋼量達450 萬t，是當地較大的鋼鐵廠。生產類型主要以工字鋼、圓鋼、槽鋼等36 個品種為主，并包括建筑行業所使用的熱軋帶肋鋼筋等。鋼鐵廠擁有的主體設備包括4 座轉爐、3 座高爐以及5 條軋鋼生產線。其中高爐中的1 號爐容量最小，為560m3，每日工業生鐵產量約為2180t，其高爐鐵渣比約為0.4，而2 號爐和3 號爐容量最大，為1150m3，每日工業生鐵產量約為3320t，二者高爐鐵渣比均為0.4。該鋼鐵廠擁有自備電廠，電廠包括5 臺機組，其電力系統的構成電壓為220kV、66kV、35kV 和10kV4 個等級，并以10kV 的等級為主配電網為廠區內各生產線提供電力。

該鋼鐵企業的煤氣系統由4 個煤氣柜構成，包括1 個高爐煤氣柜，2 個焦爐煤氣柜和1 個轉爐煤氣柜，其容量分別為1.2×105m3、1.8×105m3和4.8×105m3。除此之外，該鋼廠擁有4 個煤氣加壓站和2 個煤氣精煉站，4 個煤氣加壓站共有14 臺氣體加壓機，可以實現對高爐煤氣和轉爐煤氣的自由加壓。為了應對企業競爭的需要，該廠在近期內會新增2.0×105m3的高爐、轉爐煤氣柜以及一臺4.8×105m3的焦爐煤氣柜。

2 研究方法

2.1 優化調度模型

該文以某地鋼鐵廠為對象，分別從發電機組的組合和煤氣系統的調度2 個角度分別建立分步優化調度模型和綜合優化調度模型。其中鋼鐵廠煤電系統的拓撲結構如圖1 所示。在該結構中，從煉鋼廠、焦化廠中產生的焦爐煤氣、高爐煤氣和轉爐煤氣分別通過3 條主管道輸送到對應的煤氣用戶或煤氣站。因此，煤氣系統中進行的分步優化調度建模需要忽略掉電廠機組的組合形式，分步優化調度建模將目標函數設置為煤氣系統運行成本最小值，以煤氣熱值為約束條件，最后以煤氣優化量為燃料參數設置機組的出力約束，建立分步優化調度模型。而綜合優化調度模型則是將機組組合與煤氣系統相耦合，以最大發電量和最小的煤氣系統運行成本為目標函數建立綜合優化調度模型。

圖1 鋼鐵廠煤電系統拓撲結構

2.2 煤氣系統模型

在煤氣系統的調度優化模型中，忽略電廠機組的組合形式，設其調度總時長為T，各分段之間的調度時長為Δt且各分段調度時長相等，則煤氣系統對應的最低成本化的目標函數如公式（1）所示。

式中：z為目標函數；u 為煤氣用戶；d 為放散塔；g 為生產的煤氣類別；h 為煤氣柜；b 為煤氣系統中的緩沖用戶。Cu，t為t時刻下的煤氣用戶能量虧損；Cd，g，t為t時刻下的放散塔中的煤氣放散成本；Gb，t為t時刻下的緩沖用戶獲益值；Wh，g，t為t時刻下的煤氣柜產生的成本；Wu，t為t時刻下的熱值成本。

富余煤氣的供應大小在不同時間段可能會出現波動，富余煤氣在給不足時會出現虧損，當虧損出現時產生的虧損成本如公式（2）所示。

式中：E為煤氣用戶在煤氣供給不足時產生的能量虧損；λ為出現虧損時設置的懲罰系數。

當煤氣供給過剩時，可以將煤氣發散，以穩定煤氣供給系統的負荷量，但發散的同時會產生發散成本，發散成本如公式（3）所示。

式中：f為煤氣放散量。

對煤氣系統調度優化的約束條件，主要對煤氣熱值進行約束，如公式（4）所示。

式中：hg為熱值大小。

2.3 機組組合模型

對此種自備電廠的機組組合模型的建立，往往需要基于煤氣系統預測結果進行，因此該文以優化的煤氣使用量作為輸入數據，設定發電量最大化為目標函數，此目標函數如公式（5）所示。

式中：P為發電量；p為機組在不同時間段的出力值大小；I為機組數量。

關于機組發電量的約束條件，主要以物料平衡為主，因此其約束條件如公式（6）所示。

式中：Q為不同時間段下的煤氣消耗量；fI，t為t時間段下的機組煤氣供給量。

3 結果分析

3.1 參數分析

根據該廠煤氣生產量、不同用戶之間的能量需求情況以及熱值產生情況等各個參數，在考慮發電機組能源消耗特征的基礎上，應用該文建立的優化調度模型對該電廠的協調調度問題進行求解計算，其中計算方式采用CPLEX 求解引擎。考慮煤氣供應波動大、不平衡的問題，按日進行調度，其中一個調度周期分為t1～t10共10 個時間段，每個時間段設定為30min。其中一個調度周期內的煤氣發生量預測結果見表1。

表1 一個調度周期內的煤氣發生量預測結果

將鋼鐵廠中自備電廠的5臺機組分別標定為U1～U5，最大Pmax及最小出力功率Pmin及出力維持時間Is，初始出力功率P0見表2。

表2 自備電廠5 臺機組性能參數

3.2 優化效果分析

根據以上參數信息并結合煤氣用戶的能量消耗特性，分別使用分步優化和綜合優化2 種優化模型對其進行優化，針對發電量、煤氣發散量以及能量虧缺結果進行統計分析，得到的優化結果對比見表3。

表3 分步優化與綜合優化結果對比

從表3 可以看出，對比2 種優化的發電量、煤氣發散量和能量虧缺量結果發現綜合調度優化在各方面均比分步優化略好，在增大發電量的同時還能夠有效減少煤氣的發散量。

基于分步優化模型和綜合優化模型，得出了一個周期內各時間段期間的電廠出力情況和煤氣供應情況。其中不同優化方案下的一個周期內各時間段期間的電廠出力情況如圖2 所示，圖中t1～t10分別為一個調度周期內的調度時段，每個時間段為30min。

圖2 不同優化方案下的一個周期內各時間段期間的電廠出力情況

對不同優化方案下一個周期內各時間段中的煤氣系統中煤氣供應情況則如圖3 所示。

圖3 不同優化方案下的一個周期內各時間段期間的煤氣供應情況

圖2 和圖3 分別為不同優化方案下的一個周期內各時間段期間的電廠出力情況和煤氣供應情況，結合圖2 和圖3 的機組出力情況和煤氣供應情況可以看出在t1、t2和t10這3 個時間段中供給端電廠的能量需求最大，而在其他時間段中該值均達到上限。在t3～t7這5 個時間段中出現了綜合優化能量消耗大于分步優化的情況，其可能原因在于在所使用的機組中存在未能滿發的機組，進而影響了煤氣在機組中的分配程度。

為了對2 種優化方案進行深入的分析，該文研究了2 種方案下同一周期內各時間段中的煤氣供應與熱值之間的關系，如圖4 和圖5 所示。圖中t1～t10同樣為一個調度周期內的調度時段且每個時間段為30min，其中為了便于觀察，圖中加注了t0以表征起始調度時段。

圖4 不同優化方案下的同一周期內各時間段期中的煤氣供應量對比

圖5 不同優化方案下的同一周期內各時間段期中的用戶熱值對比

圖4 和圖5 分別為不同優化方案下的同一周期內各時間段期中的煤氣供應量對比和用戶熱值對比情況，結合圖2 和圖3 的各時段煤氣供應量和用戶熱值情況可以看出，在t5、t6、t7、t8這4 個時間段中綜合優化的變化幅度比分步優化穩定，結合上文分析的綜合優化下的煤氣低熱值高供應量可知，綜合優化下的自備電廠消耗的煤氣主要以低熱值的高爐煤氣為主，而高熱值的焦爐煤氣則供應給了熱值需求量較高的用戶。因此通過綜合考慮煤氣供應與機組組合，能夠保證煤氣供應具有選擇性和協調性，可大大提高煤氣使用效率并增大發電量。

4 結論

該文基于某地鋼鐵廠，分別從發電機組的組合和煤氣系統的調度2 個角度分別建立分步優化調度模型和綜合優化調度模型，并通過實際案例驗算其對電廠發電量和煤氣消散率的貢獻，得出的結論如下：1）對比分步優化調度和綜合優化調度的發電量、煤氣發散量和能量虧缺量結果，發現綜合調度優化在各方面均比分步優化略好，在增大發電量的同時還能夠有效減少煤氣的發散量。2）綜合考慮煤氣供應與機組組合，能夠在保證煤氣供應具有選擇性和協調性的同時，大大提高煤氣使用效率并增大發電量。