吴建中、贾宏杰等：含蒸汽蓄热器的工业蒸汽系统发电灵活性量化
发布时间:2021-04-12
含蒸汽蓄热器的工业蒸汽系统发电灵活性量化 单文亮1，徐宪东1*，孙文强2，穆云飞1，吴建中3，贾宏杰1 （1. 天津市智慧能源与信息技术重点实验室；2. 东北大学热能工程系；3. 卡迪夫大学工程学院） 本文得到国家自然科学基金中英联合基金、EPSRC/NSFC CM2及国家自然科学基金重点项目资助。本文发表在《全球能源互联网》2021年第2期“城市能源系统智慧低碳转型的驱动机制及关键技术”专题，欢迎品读。 文章导读 工业蒸汽系统常配有透平发电系统以提高能源利用率，让用户能够灵活选择本地发电或外部电网供电。因响应电网需求而带来的发电调整可能会导致系统蒸汽供给和需求的不平衡，造成蒸汽系统运行的大范围波动，进而影响能源利用效率以及蒸汽系统运行安全。针对这一问题，讨论了含蒸汽蓄热器的工业蒸汽系统结构，给出了相应的模型。进一步，提出了该系统发电灵活性的定义、关键性能指标以及基于最优运行模型的量化评估方法。通过位于欧洲的某造纸企业的实际工业蒸汽系统应用，评估了蒸汽蓄热器对于提高系统灵活性和关键性能指标的作用，以及针对能量和辅助服务具体市场的潜在应用价值。 主要结论 1 从长时间运行的角度分析，蒸汽蓄热器能够有效提升工业蒸汽系统的灵活性水平。 2 含蒸汽蓄热器的工业蒸汽系统在以运行成本最小为目标的最优运行状态，本地发电会随着电价发生变化，导致发电波动范围更大。在发电机最大/最小发电容量没有调整的情况下，工业蒸汽系统的灵活性边界会在更大的范围波动。 主要内容 以高能耗行业为代表的工业用户是电力系统的主要负荷，通过调整自备电厂发电量，结合工业用电需求，工业用户能够实现发电和用电的双向调节。以一个典型造纸厂蒸汽系统为例展开研究，如图1所示。  ⬆ 图1 含蒸汽蓄热器的工业热电联产系统示意图 工业蒸汽发电系统的灵活性内涵在于针对给定的外部调节信号激励下，系统通过对阀门、发电机、蒸汽蓄热器等可调度资源的统筹管理，在满足生产过程需求的前提下，实现对发电机出力的调整。从电力系统对灵活性的需求分析以及参考电力系统辅助服务对灵活性的需求，采用瞬时出力可调度幅值、响应速度以及可调度时间三个关键性能指标对工业蒸汽系统发电灵活性边界进行描述。图2为工业蒸汽发电机灵活性示意图。  ⬆ 图2 工业蒸汽发电机灵活性示意图 以用能成本最低为目标函数，考虑实际工业系统运行限制及设备运行约束，建立了系统正常运行的优化模型。进一步地，以所提出的灵活性性能指标为依据，对于蒸汽发电系统的出力上下边界进行优化，求解出相应的灵活性指标。图3给出了有/无蓄热器情况下系统灵活性的上下边界，可以看到，加装蓄热器后，发电机能够在更大的运行范围内灵活调整出力。  ⬆ 图3 不同发电机出力水平下的系统可调度发电量 对于含蒸汽蓄热器的系统来讲，一方面蒸汽蓄热器的存在能够扩大发电机出力水平较高场景下系统的灵活性边界，另一方面，蒸汽蓄热器能够明显降低系统提供灵活性的边际成本，提高工业蒸汽系统参与电力系统辅助服务市场的竞争力。 本文引文信息 单文亮，徐宪东，孙文强，等. 含蒸汽蓄热器的工业蒸汽系统发电灵活性量化[J]. 全球能源互联网，2021，4(2)：107-114. SHAN Wenliang, XU Xiandong, SUN Wenqiang, et al. Quantifying the electricity flexibility of industrial steam systems with a steam accumulator[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2021, 4(2): 107-114(in Chinese). 作者简介  单文亮 硕士研究生 主要研究方向为综合能源系统灵活性分析 E-mail：wlshan@tju.edu.cn   徐宪东 副教授 主要研究方向为综合能源系统建模与灵活性分析 E-mail：xuxiandong@tju.edu.cn  孙文强 副教授 主要研究方向为工业综合能源系统、能效提升与储能技术 E-mail：sunwq@mail.neu.edu.cn  穆云飞 教授 主要研究方向为电力系统安全性与稳定性、综合能源系统集成与应用、电动汽车并网规划与运行控制 E-mail：yunfeimu@tju.edu.cn  吴建中 教授 主要研究方向为智能电网与能源基础设施 E-mail：wuj5@cardiff.ac.uk  贾宏杰 教授 主要研究方向为电力系统安全性与稳定性、综合能源系统、分布式发电微网、负荷需求响应技术 E-mail：hjjia@tju.edu.cn 研究团队 天津大学贾宏杰团队长期从事电力系统与综合能源系统稳定性分析与运行优化方面的研究。在电力系统安全性与稳定性方面，系统地构建了电力系统小扰动稳定域、广域电力系统时滞稳定性和时滞稳定域的基础理论与分析方法体系，丰富发展了电力系统综合安全域理论，主持研发了大电网安全分析、预警、监控和风险评价系统，成功应用于国家电网公司、南方电网公司和美国Tri-State公司等企业，创造了显著的经济和社会效益。在综合能源系统稳定性分析与运行优化方面，构建了电/气/冷/热微型综合能源系统的通用仿真模型，建立了适用的分层优化协调控制策略及实现框架，研发了多种综合能源系统运行优化和安全调控技术。团队先后承担包括国家863项目、国家973前期研究专项项目、国家自然科学基金项目及国家重点研发计划等在内的多项重要科研项目，在IEEE Trans. Power Systems、IEEE Trans. Smart Grid、Applied Energy及中国电机工程学报等期刊发表学术论文200余篇。相关研究成果曾获国家技术发明二等奖1项，国家科技进步二等奖2项，中国高校十大科技进展1项，省部级科技奖励一等奖4项。 编辑：张鹏 审核：周舟 |
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