熱網(wǎng)及建筑物儲(chǔ)熱調(diào)峰過程熱用戶室溫動(dòng)態(tài)特性研究

王魯東　李偉　郭玉瓏　胡喬良　左珊珊

摘要：利用熱網(wǎng)及建筑物儲(chǔ)熱特性實(shí)施的“熱電解耦”運(yùn)行方式，是加深熱電機(jī)組調(diào)峰深度的有效途徑：熱網(wǎng)及建筑物儲(chǔ)熱后，研究熱電機(jī)組在不同環(huán)境溫度下熱用戶室溫的動(dòng)態(tài)特性對(duì)熱電廠調(diào)峰具有重要意義。采用機(jī)組變工況模型、熱網(wǎng)及建筑物換熱模型，以某310MW直接空冷熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為研究對(duì)象，分析供熱期內(nèi)機(jī)組在不同環(huán)境溫度下建筑物蓄放熱過程中熱用戶室溫變化的動(dòng)態(tài)特性。結(jié)果表明：利用熱網(wǎng)及建筑物儲(chǔ)熱實(shí)施調(diào)峰，室外環(huán)境溫度在5℃到-5℃之間變化，建筑物室內(nèi)溫度由20℃上升到24℃時(shí)，所需總蓄熱時(shí)間在282.01-390.22min之間；室外環(huán)境溫度在-5℃到5℃之間變化，建筑物室內(nèi)溫度由24℃下降到18℃時(shí)，在純凝工況下所需總放熱時(shí)間在590.19-966.22 min之間，在最小功率工況下所需總放熱時(shí)間在851.86-1980.11min之間；室外溫度越高，總蓄熱時(shí)間越短，總放熱時(shí)間越長。

關(guān)鍵詞：熱電聯(lián)產(chǎn)；熱網(wǎng)及建筑物：儲(chǔ)熱；調(diào)峰；動(dòng)態(tài)特性

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2018）05-0159-06

0引言

我國西北地區(qū)冬季熱負(fù)荷需求大，存在相當(dāng)一部分熱電機(jī)組。如何解決光熱沖突、風(fēng)熱沖突，從而減少棄光、棄風(fēng)現(xiàn)象的發(fā)生，是可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)的新形勢(shì)下面臨的重要問題。熱電機(jī)組的調(diào)峰問題，尤其是利用儲(chǔ)熱實(shí)現(xiàn)“熱電解耦”增加調(diào)峰深度的研究一直備受關(guān)注。

呂泉等提出通過配置儲(chǔ)熱裝置提高熱電機(jī)組調(diào)峰能力的方案，討論了配置儲(chǔ)熱后熱電機(jī)組的運(yùn)行策略，并在此基礎(chǔ)上建立了計(jì)算配置儲(chǔ)熱后熱電機(jī)組調(diào)峰能力的數(shù)學(xué)模型，分析了其影響因素：于炎娟等提出基于雙線性模型的調(diào)度策略以開展熱電機(jī)組與蓄熱罐的協(xié)調(diào)運(yùn)行策略，并通過算例說明此調(diào)度策略能夠高效利用蓄熱罐的蓄放熱能力，提高風(fēng)電接納量與優(yōu)化機(jī)組成本；畢慶生等提出利用熱網(wǎng)及建筑物儲(chǔ)熱來提高熱電機(jī)組調(diào)峰的運(yùn)行模式，并通過相關(guān)算例計(jì)算出某工況下熱電機(jī)組的調(diào)峰深度：李平等介紹了基于建筑物與熱網(wǎng)熱動(dòng)態(tài)特性的熱電聯(lián)合系統(tǒng)的構(gòu)成方案，著重對(duì)比分析了考慮建筑物與熱網(wǎng)熱動(dòng)態(tài)特性前后單日熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行點(diǎn)的變化情況，給出了綜合考慮建筑物與熱網(wǎng)熱動(dòng)態(tài)特性的熱電聯(lián)合調(diào)度模型：鄧拓宇等從控制的角度探討分析了利用熱網(wǎng)儲(chǔ)熱提高調(diào)峰調(diào)頻能力的控制方法：劉偉等根據(jù)機(jī)組歷史及氣象數(shù)據(jù)建立動(dòng)態(tài)模型，求解供熱負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)熱用戶室內(nèi)溫度動(dòng)態(tài)特性；樸政國、張曉娟等通過仿真，分別研究了儲(chǔ)能在光伏發(fā)電系統(tǒng)調(diào)峰中的控制策略并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)。

熱電機(jī)組供熱產(chǎn)熱量在一定范圍內(nèi)變化，不會(huì)影響熱用戶體驗(yàn)，供熱期適當(dāng)調(diào)整用戶實(shí)際運(yùn)行熱負(fù)荷，在電網(wǎng)調(diào)峰容量十分緊張情況下利用建筑物的蓄熱特性獲得更加深度的調(diào)峰容量具有可行性和可操作性。上述研究工作對(duì)增加熱電機(jī)組調(diào)峰深度做了有益探索，但是并未全面考查利用熱網(wǎng)及建筑物蓄放熱進(jìn)行調(diào)峰過程中，熱用戶室溫隨蓄放熱時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)特性以及不同室外溫度下蓄放熱時(shí)間的變化規(guī)律。本文建立熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)變工況模型，研究了熱用戶室溫隨蓄放熱時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)特性，以及不同室外溫度下蓄放熱時(shí)間的變化規(guī)律。

1利用熱網(wǎng)及建筑物儲(chǔ)熱調(diào)峰原理

圖1為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組系統(tǒng)示意圖，供熱期內(nèi)，中壓缸供熱抽汽通過熱網(wǎng)加熱器將熱網(wǎng)回水加熱至所需溫度，并送到熱用戶中。

機(jī)組最小發(fā)電功率隨供熱抽汽量的變化如圖2所示，AB段為最小主汽流量工況曲線，A點(diǎn)為最小主汽流量下的純凝工況點(diǎn)，B點(diǎn)為最小主汽流量下最大抽汽工況點(diǎn)，同時(shí)其排汽流量為最小主汽流量下的最小排汽流量；BC段為最小排汽流量下機(jī)組強(qiáng)迫出力曲線，C點(diǎn)時(shí)機(jī)組主汽流量達(dá)到最大。一般情況下，機(jī)組供熱抽汽工況點(diǎn)落在BC段，室外溫度越低，用戶熱負(fù)荷需求越高，此時(shí)供熱抽汽量越大，機(jī)組最小發(fā)電功率越大，其調(diào)峰能力越差。

在風(fēng)電等可再生能源出力低谷階段，機(jī)組可在傳統(tǒng)“以熱定電”模式的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高電出力和熱出力，多余的熱量可儲(chǔ)存到熱網(wǎng)或建筑物內(nèi)空氣中，使室內(nèi)溫度適當(dāng)升高；風(fēng)電等可再生能源出力升高時(shí)，機(jī)組可在傳統(tǒng)“以熱定電”模式的基礎(chǔ)上，適當(dāng)降低電出力和熱出力，在保證熱用戶體驗(yàn)的前提下，使儲(chǔ)存在熱網(wǎng)及建筑物內(nèi)的熱量得到釋放；受熱網(wǎng)及建筑物熱慣性影響，建筑物室內(nèi)溫度變化緩慢，適當(dāng)控制蓄放熱時(shí)間，既可使室內(nèi)溫度在熱用戶可接受范圍內(nèi)變化，同時(shí)也可達(dá)到增加調(diào)峰深度的目的。

2模型建立

2.1系統(tǒng)靜態(tài)模型

由熱平衡可知，不考慮熱力管網(wǎng)熱損失，室內(nèi)溫度到穩(wěn)定時(shí)，汽輪機(jī)中壓缸供熱抽汽凝結(jié)放熱量與熱用戶向環(huán)境散熱量相等，即：

1000G_c（h_e-h_s）=q_{A/sub>A（tn-tw） （1）式中：Gc——中壓缸供熱抽汽量，kg/s；}

h_e、h_s——供熱抽汽焓和凝結(jié)水焓，kJ/kg；

q_A——建筑物面積熱指標(biāo)，W/（m²·℃）；

A——供熱建筑總面積，m²；

t_n、t_w——建筑物室內(nèi)溫度和環(huán)境溫度，℃。

對(duì)于汽輪機(jī)側(cè)，各組采用改進(jìn)的弗留格爾公式進(jìn)行變工況計(jì)算：

2.2熱用戶室內(nèi)溫度動(dòng)態(tài)模型

蓄熱或放熱過程中，熱用戶室內(nèi)熱平衡方程的微分形式為

3案例機(jī)組分析

本文以某地310MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為例，在考慮熱網(wǎng)及建筑物儲(chǔ)熱特性的前提下，依據(jù)所建立機(jī)組變工況模型與熱網(wǎng)及建筑物換熱模型，采用Matlab編程計(jì)算其在不同室外溫度下的調(diào)峰能力、建筑物室內(nèi)溫度動(dòng)態(tài)特性等，其中供熱期內(nèi)，案例機(jī)組所在地室外溫度在-5～5℃之間變化，供熱面積為4×10⁶ m²；機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

3.1系統(tǒng)變工況模型驗(yàn)證

本文采用Matlab編程建立汽輪機(jī)及熱力系統(tǒng)模型，根據(jù)各設(shè)計(jì)工況將鍋爐、汽輪機(jī)、凝汽器等設(shè)備元件參數(shù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，并嵌入到所編寫的程序中，進(jìn)行供熱機(jī)組熱力系統(tǒng)計(jì)算分析。選取THA、50%THA兩種工況，對(duì)所建立模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

表2為編程計(jì)算結(jié)果與廠家熱平衡圖的對(duì)比。由表可知，THA工況下，編程計(jì)算結(jié)果與廠家熱平衡圖參數(shù)相對(duì)誤差最大值為0.13%，發(fā)電機(jī)功率相對(duì)誤差為-0.04%；50%THA工況下，編程計(jì)算結(jié)果與廠家熱平衡圖參數(shù)相對(duì)誤差最大值為0.36%，發(fā)電機(jī)功率相對(duì)誤差為0.02%：兩種工況下編程計(jì)算結(jié)果誤差很小，在工程允許范圍內(nèi)。因此，模型可靠性較高，可以依據(jù)此模型做進(jìn)一步分析。

3.2室外溫度對(duì)供熱抽汽量的影響

基于建立的熱力系統(tǒng)計(jì)算模型，計(jì)算供熱抽汽量與室外溫度的關(guān)系，其結(jié)果如圖3所示。可知室內(nèi)溫度下，隨著室外溫度升高，熱負(fù)荷需求量減小，故供熱抽汽量逐漸減小，幾乎成線性變化：相同室外溫度下，室內(nèi)溫度升高，熱負(fù)荷需求增加，供熱抽汽量逐漸增加。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，建筑物室內(nèi)溫度在18～24℃時(shí)，不影響熱用戶體驗(yàn)，即抽汽點(diǎn)落在圖3中陰影部分時(shí)，建筑物室內(nèi)溫度總在熱用戶可接受范圍內(nèi)，此時(shí)對(duì)熱網(wǎng)及建筑物的蓄放熱時(shí)間沒有限制，但調(diào)峰深度增加量有限。為了更好地?cái)U(kuò)大調(diào)峰范圍，需要讓抽汽點(diǎn)落在陰影部分以外，但此種調(diào)峰方式需注意對(duì)蓄放熱時(shí)間的控制，使建筑物室內(nèi)溫度保持在18-24℃。當(dāng)抽汽點(diǎn)落在陰影部分下方時(shí)，需控制放熱時(shí)間，及時(shí)進(jìn)行蓄熱，否則會(huì)造成建筑物室內(nèi)溫度過低影響熱用戶體驗(yàn)。同理，當(dāng)抽汽點(diǎn)落在陰影部分上方時(shí)，應(yīng)控制蓄熱時(shí)間，及時(shí)放熱。理論上，只要蓄放熱時(shí)間控制得當(dāng)，抽汽點(diǎn)可在圖2中BC段任意變化，抽汽量越大，蓄熱過程時(shí)間越短，放熱過程時(shí)間越長。

3.3蓄放熱過程建筑物室內(nèi)溫度動(dòng)態(tài)特性

3.3.1蓄熱過程建筑物室內(nèi)溫度動(dòng)態(tài)特性

依據(jù)建立的建筑物室內(nèi)溫度動(dòng)態(tài)模型，計(jì)算熱網(wǎng)及建筑物以最快速度進(jìn)行蓄熱時(shí)室內(nèi)溫度隨蓄熱時(shí)間的變化，此時(shí)抽汽點(diǎn)對(duì)應(yīng)機(jī)組最大抽汽工況點(diǎn)，即圖2中c點(diǎn)的狀態(tài)，其結(jié)果如圖4所示。由于大部分情況下室內(nèi)溫度要保持在20℃，因此蓄熱過程動(dòng)態(tài)分析時(shí)取室內(nèi)初始溫度為20℃。

由圖4可知，室外溫度越高，建筑物向室外散熱越慢，故蓄熱過程室內(nèi)溫度上升越快，相應(yīng)蓄熱時(shí)間越短，室外溫度分別為5.0，-5℃時(shí)，建筑物室內(nèi)溫度由20℃上升到24℃所用時(shí)間為282.01，327.40，390.22min；同一室外溫度下，建筑物室內(nèi)溫度隨蓄熱時(shí)間幾乎成線性變化。

為了更直觀地展示蓄熱時(shí)間與室外溫度的關(guān)系，現(xiàn)計(jì)算出以最快速度進(jìn)行蓄熱時(shí)各室外溫度下建筑物室內(nèi)溫度由20℃上升到24℃所用時(shí)間（總蓄熱時(shí)間），結(jié)果如圖5所示。圖中結(jié)果進(jìn)一步說明了室外溫度越高，所需的總蓄熱時(shí)間越短：隨著室外溫度的升高，總蓄熱時(shí)間的變化率有小幅減小。需要說明的是，由于熱網(wǎng)熱慣性的存在，電廠做出調(diào)整動(dòng)作后，過一段時(shí)間建筑物室內(nèi)溫度才開始發(fā)生變化，因此應(yīng)根據(jù)需要提前預(yù)測(cè)未來短時(shí)間內(nèi)機(jī)組功率，并尋找合適時(shí)機(jī)將蓄熱開始時(shí)間及結(jié)束時(shí)間提前，否則會(huì)因蓄熱量不足影響調(diào)峰效果或者蓄熱時(shí)間過長使室內(nèi)溫度高于24℃影響熱用戶體驗(yàn)。

3.3.2放熱過程建筑物室內(nèi)溫度動(dòng)態(tài)特性

依據(jù)建立的建筑物室內(nèi)溫度動(dòng)態(tài)模型，計(jì)算切斷供熱抽汽時(shí)（純凝工況）和機(jī)組處于可達(dá)的最小發(fā)電功率工況下（圖2中B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的工況），室內(nèi)溫度隨放熱時(shí)間的變化：由于沒有熱源向建筑物及熱網(wǎng)輸送熱量，故機(jī)組在純凝工況下運(yùn)行，建筑物室內(nèi)溫度下降最快。一般放熱過程是在蓄熱過程之后，因此取放熱過程的建筑物室內(nèi)初始溫度為24℃，室內(nèi)溫度降到18℃時(shí)停止放熱過程。計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，室外溫度越高，建筑物向外界散熱速度越慢，故放熱過程中室內(nèi)溫度下降越慢，相應(yīng)放熱時(shí)間越長，室外溫度分別為-5，0，5℃時(shí)，純凝工況下建筑物室內(nèi)溫度由24℃下降到18℃所用時(shí)間為590.19，732.47，966.22min，最小發(fā)電功率工況下所用時(shí)間為851.86，1 187.20，1 980.11 min；同一室外溫度下，建筑物室內(nèi)溫度隨放熱時(shí)間幾乎成線性變化。

同樣，為了更直觀地展示放熱時(shí)間與室外溫度的關(guān)系，現(xiàn)計(jì)算出放熱過程中純凝工況及最小功率工況下，各室外溫度下建筑物室內(nèi)溫度由24℃下降到18℃所用時(shí)間（總放熱時(shí)間），結(jié)果如圖7所示。

結(jié)果進(jìn)一步說明了無論是純凝工況還是最小功率工況運(yùn)行，室外溫度越高，所需的總放熱時(shí)間越長；隨著室外溫度的升高，總放熱時(shí)間的變化率有小幅增加；相比于純凝工況，由于有少量供熱抽汽為熱網(wǎng)及建筑物提供熱量，因此相同室外溫度下，最小功率工況總放熱時(shí)間總是大于純凝工況。值得注意的是，即使在室外溫度-5℃時(shí)且機(jī)組以純凝工況運(yùn)行的情況下（此時(shí)為放熱時(shí)間最短的情況），總放熱時(shí)間也將近10h，充分說明利用熱網(wǎng)及建筑物儲(chǔ)熱的方式進(jìn)行調(diào)峰，熱電廠有相當(dāng)長的時(shí)間去保持有效的調(diào)峰深度。

同樣，由于熱網(wǎng)熱慣性的存在，電廠做出調(diào)整動(dòng)作后，過一段時(shí)間建筑物室內(nèi)溫度才開始發(fā)生響應(yīng)，因此應(yīng)根據(jù)需要把握好放熱時(shí)間及結(jié)束放熱過程的時(shí)機(jī)，否則會(huì)因放熱時(shí)間過長造成建筑物室內(nèi)溫度低于18℃，影響熱用戶體驗(yàn)。

4結(jié)束語

以我國某地區(qū)供熱機(jī)組為研究對(duì)象，考查利用熱網(wǎng)及建筑物儲(chǔ)熱調(diào)峰過程中熱用戶的蓄放熱特性，結(jié)論如下：

1）利用熱網(wǎng)及建筑物蓄熱進(jìn)行調(diào)峰，蓄熱過程中，室外溫度在5℃到-5℃之間變化，建筑物室內(nèi)溫度由20℃上升到24℃時(shí)，熱用戶總蓄熱時(shí)間在282.01～390.22 min之間：室外溫度越高，總蓄熱時(shí)間越短。

2）利用熱網(wǎng)及建筑物蓄熱進(jìn)行調(diào)峰，放熱過程中，室外溫度在-5℃到5℃之間變化，建筑物室內(nèi)溫度由24℃下降到18℃時(shí)，純凝工況下，熱用戶總放熱時(shí)間在590.19～966.22 min之間；最小功率工況下，熱用戶總放熱時(shí)間在851.86～1 980.11 min之間；室外溫度越高，總放熱時(shí)間越長。

3）利用熱網(wǎng)及建筑物蓄熱進(jìn)行調(diào)峰，最短總放熱時(shí)間將近10h，充分說明利用熱網(wǎng)及建筑物儲(chǔ)熱的方式進(jìn)行調(diào)峰，熱電廠有相當(dāng)長的時(shí)間去保持有效的調(diào)峰深度。

（編輯：李剛）