（电力系统及其自动化专业论文）居民小区电网气网负荷曲线调节方案研究.pdf

燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a l t h o u g hr e c e n t l ye l e c t r i cp o w e rd e m a n ds i d em a n a g e m e n ta c q u i r eb e s t e v o l v e ，t h e r ei sab i gd i s p a r i t yi nt h ed e e p n e s sa n ds c o p eo f w o r kb e t w e e no t h e r p r e f e r a b l e c o u n t r i e sw i t hu s w es h o u l di n s i s to n e x p e n dd e m a n d s i d e m a n a g e m e n t ，a n de x c a v a t et h i sv a l u a b l ec o n c e a l e de l e c t r i cp o w e rr e s o u r c e i nt h i st h e s i s ，w et o o kad i s t r i c t i n8 e i j i n gf o re x a m p l e f i r s t l yf r o mt h e t e r m i n a le n e r g ya n dt h el o a dc u r v e so fg a sa n de l e c t r i cp o w e ri nw i n t e ra n d s u m m e r , w ef o u n dt h e i rc h a r a c t e ro fb i gp e a k - t o v a l l e yd i f f e r e n c ea n d c o m p l e m e n t a t i o n ；m a k i n gu s eo f t h i sc h a r a c t e rw ep u tf o r w a r dap r e l i m i n a r y p l a nf o rr e b u i l dt h eh e a t i n gh o u s eo fr e s i d e n t i a ld i s t r i c t t h ep l a nb a s e do n e c o n o m i c a l e f f i c i e n c y a n dp r a c t i c a b i l i t y , a n dt h ea r n li st oi m p r o v et h e a v a i l a b i l i t yo f p o w e rl i n ea n dg a sn e t w o r k a n dt h e n , t h ee q u i p m e n t sa n dr u n n i n gm o d eo fe n e r g ys u p p l ys y s t e mi n w i n t e ra n ds u m m e rh a sb e e np a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e d o nt h eb a s eo fu s em o r e e l e c t r i ci nw i n t e r , w eu s em o r eg a si ns u m l n e lw eu s eg a sp o w e rb o i l e ra n d e l e c t r i cp o w e rb o i l e rt oa s s i s t a n th e a t ，a n dm a k eb e s tu s eo ft h ep r e f e r e n t i a l e l e c t r i c p r i c e i ns u m m e rw e 璐ec o o la n de l e c t r i cj o i n tp r o d u c ts y s t e mt o a s s i s t a n t s u p p l y c u r r e n tw h e nt h eh i g he l e c t r i cl o a dt i m ec a u s e db ya i r c o n d i t i o n i n g e v e nm o r ew et r a n s f e rc o o lw a t e rb yf l u ef o rc e n t r a lc o o l i n g f o l l o w , t h ew h o l ee n e r g ys u p p l ys y s t e mw a sh c u b r a t e d o nt h eb a s eo f o p t i m u ma l l o c a t i o n , w ep u tf o r w a r dl o g i c a lr u n n i n gm o d ea n db l u ep r i n t w e i n t r o d u c em a t h e m a t i cp l a n n i n gm e t h o d st oo p t i m i z et h es y s t e m t h e nw e a n a l y z e dt h es y s t e mr u n n i n gi n f l u e n c eb yt i m e - s h a r 她e l e c t r o v a l e n c e ，f u e l p r i c ea n d s oo i le s t a b l i s ht h em a i nf a c t o r sa n dt e x ti n d e x a tl a s t w ed i s c u s s e dt h ee v a l u a t i o nm e t h o do fa l la s p e c t sn o u g h tf i - o m d e m a n ds i d em a n a g e m e n t p o i n to u tt h a tw es h o u l de s t i m a t et h ea c t i o no f d s m c o m p l e t e l yf r o mf o u ra s p e c t sw h i c ha r ed s m t oe l e c t r i cp o w e rc o m p a n y , t o e k c t r i cp o w e rc o n s u m e s ，t op a n i c i p a t o r sa n dt oa ns o c i e t y m o r e o v e rw e s t u d yt h ew h o l ea n a l y t i c a lm e t h o do fd s m b e n e f i te v a l u m i o ns ow eh a v e m t e g e ra n dq u a n t i f yf o u n d a t i o n f o rd s mb e n e f ae v a l u a t i o m i nc o n c l u s i o nt h i sp r o j e ac a l ln o to n l y 翘s l l r ed e m a n do fh e m m g 南r r e s i d e mi nw i n t e r , h a ta l s oo f f e ra i re o n d i t i o n i n ga n dm a k e u pe l c c t r i cp o w e r n c a nr e d u c et h ec i v i le n e r g ys p e n d i n g e v e nm o r ei 【g a l ae f f e c t u a l l ym e r e a 辩t h e 1 0 a de f f i c i e n e yo f p o w e rl i n e ，a n da d v a n c et h em i l i z a t i o nr a t so f e m c t r i cp o w e r g e n e r a t i o n ，t r a n s m i s s i o na n dd i s ”i b u t i o ne q m p m e m s k e y w o r d s e l e c t r i c p o w e rd e m a n d s i d e m a n a g e m e n t ；l o a da d j u s t m e m ； o p t i m u ma l l o e a t m n ；o p e m t i o i l a ls t r a t e g y ；b e n e f i te v a l u a t i o l l m 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文居民小区电网气网负 荷曲线调节方案研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明 部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结 果将完全由本人承担。 作者签字三吞霸日期：和7 年，彤日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 居民小区电网气网负荷曲线调节方案研究系本人在燕山大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关 人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和 借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文，可以公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密d ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：王墨蔼 导师签名： 卢枷 日期：乃平# 明多日 日期：川年3 胚日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 电力是国家重点支持的资金密集型基础产业，其消费由经济的增长驱 动。我国电力需求增速随着国内生产总值( g r o s sd o m e s t i cp r o d u c t ，简称 g d p ) 增速、产业结构变动趋势以及居民生活用电水平的变化而相应变化。 2 0 0 1 2 0 0 5 “十五”期间，我国g d p 年均增长速度达到9 5 ，人均 g d p 年均增长8 8 t ”。“十一五”期间节能降耗将成为影响电力行业发展 的主要因素，对高耗能行业的严控，将会降低电力需求增速。为了在2 0 1 0 年达到单位国内生产总值能源消耗比“十五”期末降低2 0 的目标，专家 预测电力弹性系数将低于“十五”期间，结合对“十一五”期间g d p 增长 率的预测，认为“十一五”期间电力需求平均增速保守估计在1 0 左右 2 1 。 在全面建设小康社会的过程中，电力生产和消费在整个经济和社会活 动中的重要性将越发明显，电力与经济、环境协调发展问题会越发凸显。 为确保我国经济和社会可持续发展，必须坚持能源节约与开发并重的战略 方针。开展电力需求侧管理是化解能源约束矛盾的有效手段，是解决能源 环境问题的关键措施。 1 2 电力需求侧管理综述 1 2 1 起源与发展 电力需求侧管理( p o w e rd e m a n ds i d em a n a g e m e n t ，简称d s m ) 是国际 上倡导和推行的一种先进的资源规划方法和管理技术【3 】。它通过采取有效 的激励措施，引导电力用户改变用电方式，提高终端用电效率；优化资源 配置，改善和保护环境，实现最小成本电力服务所进行的用电管理活动， 是促进电力工业与国民经济、社会协调发展的一项系统工程。 电力需求侧管理发源于美国。1 9 7 3 年第一次世界石油危机爆发后，燃 料价格飞涨，电力需求侧管理正是适应这一变化而兴起的新的能源管理方 燕山大学工学硕士学位论文 法。第二次石油危机爆发后，更多国家开始重视电力需求侧管理的研究和 应用，目前已逐渐扩散到加拿大、欧盟国家、日本、巴西等三十几个国家 和地区。 2 0 世纪9 0 年代初，电力需求侧管理引入到我国，1 9 9 6 - - 2 0 0 0 年期间， 各省( 市) 先后开展了多种电力需求侧管理示范项目，取得了一定的经验1 4 1 。 特别是2 0 0 2 年以来，电力需求侧管理在我国进入了一个较快发展的时期。 1 2 2 国际经验及启示 国外实施d s m 的成功经验，概括起来主要有以下几点晰】： 1 2 2 1出台相关法规政策一是制定法规，强制电力公司实施d s m 项 目；二是对发电厂污染物排放提出更高的标准；三是对主要用电产品制定 最低能效标准和能效标识制度。 1 2 2 2 建立经济激励机制许多国家出台了减免税收、低息贷款、财政 资助、电价激励等经济政策支持d s m 工作的开展，包括系统效益收费、 能源相关税收、政府直接出资等，其中应用最普遍的是系统效益收费。此 外，一些国家政府通过公益基金或其他财政来源直接筹资用于d s m ，如新 西兰设立了节能基金【6 j 。 1 2 2 - 3 鼓励电力公司发挥主体作用电力公司是实施d s m 的主体。如没 有相应的配套措施，开展d s m 工作可能对其经济利益带来负面影响，为 此英国等国家制定了针对电力公司的激励措施，主要包括成本回收、收入 损失补偿等，以调动电力公司开展d s m 的积极性。 1 2 2 4 通过市场机制开展能源服务节能服务公司以合同能源管理机制 开展专业化的节能服务，已经成为美国、加拿大等国家利用市场机制开展 d s m 的重要方式，促进了全社会节能项目的实施。在美国，节能服务公司 已经发展成为一门新兴产业。 1 2 2 5引导终端用户参与d s m 电力公司通过开展d s m 宣传、培训、 项目示范等活动，与用户直接交流，与节电产品制造企业和销售商建立商 业联盟，引导用户接受并参与d s m ；利用电视、报刊、广播等大众媒介宣 传，以及产品展览、名人宣传、资料发放、现场交流等方式，提高全社会 2 第1 章绪论 对d s m 的认知，为d s m 的开展营造良好的工作氛围。 1 3 课题研究问题的提出 电力需求侧管理包括的方面很多，这里我们主要研究如何进行负荷曲 线的调节。在合理高效的原则下实现供方和需方共同的最小费用资源利用 计划，这是负荷曲线调整的基本原则。负荷曲线调整的直观效果是降低峰 期负荷，提高低谷负荷，使负荷曲线平坦，从而使发电厂与输电设备的投 入量可以延缓或减少，现有设备的利用率可以提高，运行效率得以改善。 负荷曲线的调整除了改善负荷曲线的有功特性外，还可以在一定程度上减 少网损，降低运行成本。这不仅可以减少电力系统的运营开支，还可以有 利于环境保护。 1 3 1 目前负荷曲线调整的研究现状 负荷曲线的调整可以有以下几种方法f 8 1 = 1 3 1 1 错峰移谷、削峰添谷措施在用电高峰时段减少电力需求，最简 单的办法是通过负荷调节控制手段来强制实现。 在电网峰荷时段，系统调度人员向用户发出请求信号，按双方事先约 定的办法，经用户响应后，中断部分供电的办法称为可中断负荷控制。这 是一种使用户有一定准备的停电控制，一般可以取得较好的效果。在低谷 时期，为了增加用户的需求电量，通常采用的办法是在低谷时段增加一些 储热、储冷、提水、充电的负荷，而将积蓄的能量在原来的电力峰荷时释 放出来使用。 1 3 1 2 发展可中断、可减小费率用户这是电力公司与用户达成的一种 用电协议。用户允许电力公司在紧急情况下中断或减小部分用户的用电， 而电力公司提供用户享受一定比例的折扣电价。这种办法一般用于具有自 备发电机组的用户，使用户愿意在必要时承担自备机组投运的超支费用， 对于一些具备大型储热、蓄冷设备的用户有时也可以承受这种减少供电的 措施。可间断、可减小费率用户通常通过远方测量和定时自动控制系统来 进行管理。 燕山大学工学硕士学位论文 1 3 1 3 分时电价分时电价严格的定义是按小时计算的电价，精确地反 映了各个时段的电能成本和收益，而峰谷电价则把负荷曲线的高峰、低谷 与平均负荷时期给出了三种不同电价，其目的是为了转移高峰负荷。虽然 其电价值与分时电价不同，但可以认为是分时电价的一种类型。通过详细 计算得出的分时电价，可以用来实现对负荷曲线的调整。 1 3 1 4 其他有些电力公司让用户占有公司的一部分股份，从而使用户 可以分享经济运行带来的利润；也有些电力公司用经济运行带来的效益来 补偿用户避峰所带来的额外开支，促使用户愿意对其生产工艺流程重新作 研究，并对总体经济效益做出新的评估。 1 3 2 遇到问题 2 0 0 2 年以来，面对电力持续紧张的困局，作为缓解电力供应紧张矛盾 的有效手段，电力需求侧管理得到了全社会的极大关注。尽管我国电力需 求侧管理工作取得了积极进展和明显成效，但随着经济重工业化特征的日 益明显，加上生活水平提高带来的需求刺激，我国终端用电效率与国际先 进水平的差距有进一步扩大的趋势。以北京为例从电力电量平衡角度看， 主要呈现三高一快的特点1 9 1 ：“三高”是高用电增长率、高负荷率和高发电 设备利用率i 钉。进入新世纪，北京电网年用电量持续保持两位数增长。“一 快”是电网最高负荷增长快。北京电网及各省市电网近年来最高负荷增长 很快。电网的安全可靠经济运行面l 临着经常性且实质性的严峻考验。 据国家电网公司预测今明两年我国电力供需矛盾将有所缓和，这主要 是由于需求侧管理发挥了重要作用，最大限度地满足了社会用电需求。但 是我国电网的高峰负荷增长很快，电网负荷率逐年下降，峰谷差逐年拉大， 造成发电资源的很大闲置。我国的峰谷比为1 ：0 0 7 ，美国的谷峰比为1 ：0 2 5 ， 日本、德国、英国、法国和俄罗斯的谷峰比分别为：1 ：0 4 ，1 ：0 2 ，1 ：0 3 5 ， 1 ：0 3 5 ，1 ：0 5 2 1 i o , i h 。由此可见，我们面临的调峰任务和压力仍是非常严峻 的。 因此，加强对我国各地区、各产业的负荷特性的研究，以及气候、气 温、电价、产业调整等因素对负荷影响的研究，充分利用各地区的峰谷差、 4 第1 章绪论 时间差，发挥电力系统联网特性，削峰填谷，电力需求侧管理工作的效益 可以更充分的显现出来 1 2 , 1 3 。 1 4 课题研究的主要内容 综上所述，对于我国这样一个人均能源资源匮乏的发展中大国来说， 坚持开展电力需求侧管理，深入挖掘这一宝贵的隐性电力资源，并将工作 落实到实处，是当前及今后我国面临的一项长期战略任务。本课题以调节 电网、气网负荷为目的主要开展了以下几方面的研究工作： ( 1 ) 以北京地区为例分析研究了目前冬夏季天然气和电力的季节性负 荷曲线特点，利用其谷峰差距较大并且互补的特点，以注重经济性和实用 性为前提，以改善电网和气网的管网利用率为目标，提出对居民小区现有 供暖设备进行改建的方案。 ( 2 ) 将整个运行方案分为夏、冬两季，根据不同的电、气负荷状况及用 户需求，采用不同的设备及运行方式，并对运行方式进行具体分析研究。 ( 3 ) 对多种数学规划方法进行比较分析，选出最适合的方法，进一步对 系统及设备的运行进行优化。首先建立数学模型，确定合理的目标函数和 约束条件，然后使用适当的数学优化方法求出最优解。 ( 4 ) 采用敏感性因素分析法等进一步对影响系统运行的各相关因素进 行分析研究，找出最主要的影响因素进行重点讨论。 ( 5 ) 最后将经济学理论运用到电力需求侧管理中来，对项目进行评估， 便于对方案进行理论的投资及盈利预测。 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章电网气网负荷调节方案设计 2 1不同形式能源特点分析 长期以来，我国的能源消费以煤炭为主，燃煤锅炉作为热源有很多优 势，如我国煤炭储量丰富，价格相对较低等。但其缺点也逐渐为人们所知， 煤在燃烧过程中会排放大量的气体和固体污染物【”j 。 天然气供热因具有便于输送、便于调节、现场不需固定容器储存等特 点，得到迅速的发展。燃烧天然气可比燃煤减少氮氧化合物4 5 、c 0 5 2 ， 比燃油减少氮氧化合物6 3 、c 0 2 6 1 1 6 1 。目前，天然气产量和需求的矛盾， 气价较高和当前用户收入不高的矛盾也将在一定程度上制约天然气供热的 发展。 燃油锅炉由于供热流程简单、人工管理费用和设备维修费用低，无需 排烟和灰渣处理，因而应用越来越多。但是我国的石油资源并不容乐观， 石油的供需矛盾将会日益突出i l ”。 电采暖具有调节灵活、低污染、效率高、便于调节等的优点。不过按 能源利用率来评价，用高品位的电能直接转化为低品位的热能，是对能源 的极大浪费。电热采暖的一次能源利用率不高于3 0 【l ”。 具体应该选用哪一种供能技术，是由我国能源政策、环境保护、电力 供应政策、电力消费、其他供热方式和市场经济规律等综合因素影响和决 定的。 2 2 北京市终端能源的比较分析 以上是对我国整体能源情况的分析，以下将以北京市某小区为例对能 源情况作深入分析。目前北京市的终端能源主要是电力和天然气。当前由 于电力和天然气的价格不合理和不正当的竞争，电力和天然气的利用都不 尽合理。电力负荷曲线里现明显的冬低夏高状况。夏季制冷高峰用电负荷 急剧增加，电力设施不堪重负，而冬季大多数时间又会出现设备利用不足， 其标么值示意图如图2 1 所示。 6 第2 章电网气网负荷调节方案设计 ( 标么值) l o 9 0 8 0 7 0 6 o5 0 4 o 3 0 2 o 1 0 份) 图2 1 北京市某小区年电网负荷曲线图 f i g 2 - 1ay e a rl o a dc u r v e so f p o w e rl i n ei no n ed i s t r i c to f b e i j i n g 在天然气应用方面，除了居民的气灶用气和燃气厂的发电用气外，由 于采暖锅炉“煤改气”，用于冬季采暖的用气量增大，天然气冬季消耗量是 夏季的4 倍，天然气冬季峰值负荷是夏季峰值负荷的6 倍以上，使得燃气 管网的季节性负荷差逐渐拉大，呈现冬高夏低的状况，其标么值示意图如 图2 2 所示。如果城市输气管网的用气量极不均匀，那么配备庞大的储气 罐将是一笔巨大的开支。这就使得天然气输配设施的利用率大大降低，导 致成本的增加。北京去年用电最高峰时，尽管不少部门已经拉闸限电，但 天然气管网中竟有7 8 的容量被闲置，而这些天然气容量如果使用直燃机 制冷可以减少2 2 0 万千瓦的空调用电负荷【2 ”。电力、天然气的这种情况对 双方都十分不利，而且随着全面建设小康社会的发展，电力、天然气在空 调、采暖和热水供应方面应当重新定位。 ( 标么值) l o 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 月份) 图2 - 2 北京市某小区年气网负荷曲线图 f i g 2 - 2ay e a rl o a dg l f f v e $ o f g a sn e t w o r ki no n ed i s t r i c to f b e i j i n g 7 燕山大学工学硕士学位论文 城镇供热体制改革取消采暖包费制以后，消费者自行选择空调、采暖、 热水供应方式时，将从自己的经济负担来考虑问题。如果不利用天然气搞 民用建筑空调、采暖和热水供应，而把天然气供应大型纯发电厂，那么由 发电厂发出的电力供民用建筑空调、采暖和热水供应，不仅投资大，而且 能源利用率会大大降低，显然不合理。 2 3 供能情况分析 2 3 1冬季供暖情况分析 目前集中供暖仍是居民的最佳选择，除了集中供暖，一部分市民也采 取了其他的采暖方式。不少人认为，凡是现代化的采暖设备，都是科学的、 环保的、节能的、适用的，这其实是一个误区。实际调查后可以发现，这 些看似先进的采暖方式，仍存在不少弊端。“买得起房，供不起暖”，成了 一些没有集中供暖的住户中比较常见的问题。而前几年被部分媒体推崇的 地热供热似乎并不被看好。地热供热是利用地下水，通过热泵来提升温度， 达到供热的效果。但实际上一方面水资源紧缺，地下水更要多加保护；另 外，从供热本身来看，地下水含硫量较高，对管线会造成污垢，不利于后 期维护。因此，这种方式并不适合大规模采用。实际调查后可以发现，这 些看似先进的采暖方式，存在着不少弊端。表2 1 为各种供暖方式的比较 1 2 5 - 2 7 。各种供暖设备根据不同的性能有不同的适用范围和使用方式，适合 的才是最好的。 冬季天然气8 8 用于供暖，近几年冬季气温持续降低，给天然气供应 带来一定的压力。根据燃气集团测算，在冬季用气高峰时节，北京市每天 至少需用天然气2 2 0 0 多万立方米。2 0 0 5 年天然气用量达到3 1 7 亿立方米， 比2 0 0 1 年增长1 5 倍左右。根据专业机构测算，为确保北京2 0 0 8 “绿色 奥运”目标的实现，在未来三年间，北京还将加大天然气等清洁能源的使 用力度，2 0 0 8 年北京天然气用量将达到5 8 亿立方米i 2 3 1 。 电加热供热技术在发展过程中一直存在着一些争议：有的强调用电加 热供热是对二次高品位能源一电能的浪费。另外也有一些观点认为应该发 “以气代煤”。要正确分析电加热供热问题的利弊，应该从我国整体能源发 第2 章电网气网负荷调节方案设计 表2 - 1 各种供暖方式比较表 t a b l e2 - 1t h ec o m p a r i n gw a t c ho f d i f f e r e n th e a t i n gm o d e 方式优点缺点适用 不能按住户需要安捧采暖季， 采暖费用固定，技术、设备落 市政热大型高层住 安全，清洁、方便后，效率低，施工、运行、维 力管线宅社区 修水平跟不上，造成运行不好， 供热质量没保证 费用略微有些高，并且用户不 住宅小 安全、清洁和方便，并且采暖时间中型住宅社 住也得交钱，否则会影响其他 区锅炉可由小区业主协调决定，省钱合理区 层的供暖 用户自由控制采暖时间以及温度， 燃气排放有空气污染等问题， 户式燃节能、省钱；有的还可同时提供生郊外低密度 并且也存在安全隐患，其检修 气炉活热水，可安装在墙体上、房间角住宅 维护难度大。 落里 户式中档次高、外形好、舒适度高，买房成本高，使用这种机组冬季需饭店及高档 央空调时多由开发商免费赠送设辅助热源公寓 舒适性好，室内温度梯度小，温度 低温地 均匀，易于铺设，省空间，便于分维修麻烦；对楼的层高有影响；精装修高档 板辐射 户温控和计量，比大部分采暖方式地板铺地毯将影响采暖效果公寓 采暖 节能2 0 9 6 左右 取消了传统的水循环供暖方式，不 电热膜 为避免局部过热，不能覆盖其密封、保温、 会发生跑冒滴漏事故。温度自然、 采暖系 它物体，不能在顶棚钻孔、钉隔热性强的 舒适，无干燥感，使用寿命长，省 统钉子等 节能型住宅 空间 占地面积小，安装简单，操作便利， 家用电 抢高峰电，作为家庭采暖设备 同时也能提供生活热水。舒适性高别墅 锅炉前期投入较大，运行费用较高 具有多种时段、不同温控顸设功能 9 燕山大学工学硕士学位论文 展电加热供热技术取代热电联产和集中供热，甚至提出“以电代煤”、“以 气代煤”。要正确分析电加热供热问题的利弊，应该从我国整体能源发展状 况和消费政策的实际出发，结合我国环境保护的总体要求，考虑电力消费 在市场经济中的自身调控能力来分析。在美国，8 0 的城市实行的是电采 暖，其它一些发达国家，诸如加拿大、德国、法国等国的电采暖均在5 0 0 , 4 以上，而我国却很低。 2 0 0 5 年底北京市政府出台新政策，即北京用户每年从1 1 月1 日起至 次年的3 月3 1 日止，都享受低谷用电优惠；低谷优惠时段为2 3 ：0 0 至次日 7 ：0 0 。低谷优惠时段不区分用电性质、供热对象，一律按0 2 元千瓦时计 费，其他时段电价不变。如何合理利用这优惠的低谷电，是我们要考虑的 关键。 2 3 2 夏季供冷情况分析 空调负荷对城市夏季电力负荷的影响越来越显著，极端气候( 持续高 温、潮湿闷热、持续低温、干旱、持续洪涝) 对负荷及负荷特性影响越来越 显著。空调负荷集中在电网负荷高峰期，按我国的气候条件，年均工作时 间小于8 0 0 h ，空调使用期内平均负荷率只有4 0 。电力空调供电的这部分 发输配电设备一年里只利用几百个小时，利用率极低，难以用正常的电费 回收来弥补其损失，导致发电成本上升，最终会使电力工业的利润率降低， 或者转嫁到用户身上造成高电价【2 8 】。 由于工业用电的原因，城市白天用电负荷较高，夜问仅有少量居民用 电，其中空调占用4 0 。为解决制冷的高用电问题，若采用先进的蓄冷技 术，利用夜间的低谷电来蓄冷，虽能缓解平均日谷峰差距达到短期的调峰 目的，但对于长期的季节性天然气调峰来说作用就不显著了。因冬季采取 的节气措施而导致天然气全年的购买量减少必然会造成供气公司和电力公 司之间的矛盾。而热电冷联产系统在生产工艺上要求发电机并网发电，由 于发电后用户的购电量减少，也会触及供电部门的利益。虽然国家明确规 定鼓励发展热电冷联产，但是仍存在推广难的问题。所以如何缓解因新的 供暖制冷系统改进而造成的购电、购气量减少而损害供电、供气部门利益， l o 第2 章电网气网负荷调节方案设计 而产生的并网困难的矛盾是我们要重点考虑的。 2 4 具体方案设计 2 4 1 方案试点的选择 必须根据城市的经济实力和技术实力进行慎重的试点。试点一定要选 在有稳定的热负荷，技术管理水平较强的人口密集地区。这样，开支的适 当提高完全可以用较高的环境改善效益来抵消，使居民得到真正的实惠， 这样试点才能成功，才能逐步推广。着重从环境改善效应措施来看，城市 集中供热部分，无论采取热电联供或大型热水锅炉供热，都有可能采用高 水平的洁净煤技术来解决，且供热点一般离人口密集区较远，可不作为天 然气替代的先行。需要解决的重点应该是分散的小锅炉和小区供热部分。 从技术经济上看，改造2 t h ，4 t h 小锅炉技术上困难，经济上不可行。只 有通过城市的改造，逐步集中至小区才比较容易现实。 要选择小区的规模，不能盲目追求大。燃气轮机的效率主要取决于燃 气的初温，而与机组大小的关系较小，因而配置灵活，特别适合于我国大 院式( 一定规模的小区) 的联供模式。我们这里主要选择临近商业区的居民 小区，因为是可中断负荷区，所以便于实现供电方式的切换；又因为临近 商业区，电网负荷压力较大，会有在负荷高峰期被拉闸限电的可能，所以 更愿意接受这种新的供能方式。 2 4 2 方案内容概述 综合全年电网和气网的负荷曲线分布情况，可见其都具有季节性负荷 差较大，且正好互补的特点。我们得出最好的平衡办法就是采用冬夏季相 结合，在冬季多用电的背景下，夏季多用天然气，达到设备改造前后，两 种能源全年购买量的基本平衡。虽然在夏季的电销量相对减少，但是由于 我们采用了冬季的电供暖系统，会多消耗电，虽然从全年整体电量的消耗 看，与采用新的供能系统之前相比，没有太大差别，但是却可以调整全年 的电力和天然气负荷差，缓解电网和气网压力，达到了节约电力的目的。 同时可以避免因购电、购气量减少而损害供电、供气部门利益而产生的并 燕山大学工学硕士学位论文 网困难的问题。居民小区集中供暖锅炉房技术改造方案如图2 3 所示，通 过控制安装在小区送水管道进水口的控制阀，来切换供能方式。充分利用 已有的封闭式循环供暖管道，改建成一套可以夏季供冷冬季供热的综合供 能设施。 图2 3 系统运行工况示意图 f i g 2 - 3ad i a g r a m m a t i cs k e t c ho f t h es y s t e mr u n n i n g 1 2 第2 章电网气网负荷调节方案设计 2 4 3 设计步骤 供能系统优化的选择必须同时考虑到系统的经济性、能效性、可行性 及其他可能会影响到系统实施和运行的其他因素。主要包括以下几方面： 原动机的容量及台数，热回收装置，能源价格及供应情况，与电网的连接 方式及系统的运行模式。 一个系统的完整优化设计应包括以下三个阶段：一是系统初步评估； 二是可行性研究和系统选择；三是深化设计。 2 4 3 1系统初步评估目的是考虑热电联产应用于所研究对象的适用性 和经济性问题。在这阶段中主要考虑的内容有： ( 1 ) 热、电负荷的需求水平； ( 2 ) 在考虑采用热电联产前还有哪些可以利用的节能技术； ( 3 ) 有无影响热、电负荷需求的因素存在； ( 4 ) 热电联产系统所需的建筑空间能否满足； ( 5 ) 与城市电网、热网的连接能力； ( 6 ) 热电机组对系统其它设备产生的影响。 2 4 3 2 可行性研究和系统选择这是一个关键的阶段，它将决定方案是 否可行及其最佳系统配置。在这一阶段主要考虑的内容有： ( 1 ) 当地能源供应的价格，以及相应的能源政策等； ( 2 ) 选择合适的热电技术以满足各种负荷需求； ( 3 ) 设备台数和容量的选择。从提高能源利用率的观点出发，热电装置 产生的烟气余热应尽量利用； ( 4 ) 运行模式的选择； ( 5 ) 当系统组合发生改变时( 如热电技术，设备的台数和容量，辅助装 置及运行模式等) ，重复以上三步骤； ( 6 ) 选择性能最佳的系统，在该过程中总是遵循一元的或多元的目标准 则； ( 7 ) 研究所选择系统的环境效应及社会效应。 一般来说由于系统组成结构及运行模式的复杂化，详细的研究是比较 燕山大学工学硕士学位论文 困难的。可以借助一些商业化的计算机辅助设计程序，而这些软件都有各 自的应用范围和研究深度。更进一步的思想是将数学规划的方法和最优化 理论运用到系统的设计与运行中来。 2 4 3 3 深化设计在第二阶段的工作完成后，下一步的工作是必须收集 更为详尽和可靠的负荷资料并重复第二阶段中的( 3 ) ，( 4 ) 两个步骤，目的是 为了验证系统的主要性能，有可能会作些小范围的修改。本文主要对第二 阶段的工作进行了介绍。 2 4 4 优化方法研究 最优化就是在复杂环境中遇到的许多可能的决策中，挑选“最好”的 决策的科学【2 9 1 。最优化方法即求最优决策的方法。数学规划是最优化理论 的一个重要分支，它是指厅个变量对单目标( 或多目标) 函数求极小( 或极 大) ，而这些变量也可能受到某些条件( 等式方程或不等式方程) 的限制。数 学规划模型的一般表达式为： o p t ：厂g ) ， x r ” s j ：e g ) = 0 ，i e = l ，2 ，) c ，g ) 0 ，i i = p + 1 ，+ 2 ，z + 埘 ( 2 - 1 ) 在公式( 2 1 ) d p ，厂b ) 为目标函数，x 为疗维向量，即x = g 。，x ：，x 。) ， 称为决策向量；o p t 表示对目标函数优化，一般求最小或最大极值点； c g ) = 0 ，i e 及c ，g ) 0 ，i i = + 1 ，1 + 2 ，“朋 为约束条件，s t 是s u b j e c t t o 的缩写，表示目标函数的解需满足约束条件中的等式或不等式 组。 数学规划模型的上述形式表示要在限定的约束条件下求得目标函数的 最优，按其函数特征及变量性质可细分为不同的规划模型，常见的有以下 几类【4 3 郴1 ： 2 4 4 1 线性规划在公式( 2 - 1 ) 中，若，g ) 、c 。g ) ( f e u ，) 均是线性函 数，则得到的规划称为线性规划，其一般表达式为： o p t ，g ) = c t x ，x r ” s t c f g ) = 口j x 一匆= 0 ，i e = 1 ，2 ， 1 4 第2 章电网气网负荷调节方案设计 c ，( x ) = ? x b ， 0 ，i e ， ，+ 1 ，+ 2 ，+ m ( 2 - 2 ) 线性规划中研究的问题要求目标与约束条件函数均是线性的，在经济 管理与实际生活的问题中，大量的问题是线性的，有的可以转化为线性的， 从而使线性规划有着极大的应用价值。 2 4 4 2 非线性规划在公式( 2 - 1 ) 中，若厂g ) 、e b ) ( f e u i ) 之一为非 线性函数，则称为非线性规划。非线性规划问题可以有约束也可以没有约 束( 没有约束时目标函数必须是非线性的) ，其一般形式仍可用约束优化问 题式( 2 1 ) 来描述。不如线性规划那样在实践中具有高效的性能，这是由非 线性问题本身的复杂性所决定的。 2 4 4 3 多目标规划以上两类问题中，若目标函数是向量值函数，即多个 目标函数的问题，则称为多目标规划。其一般表达式为： o p t ：缸g l 以b l ，厶g ) ) 工r ” s t c l g ) = 0 ，i e = 1 ，2 ，一， c ，( 工) 0 ，i i = ，+ 1 ，+ 2 ，+ 脚( 2 3 ) 多目标规划求解的基本思想是转化为单目标规划问题，常用的解法有 评价函数法，分层序列法等。 2 4 4 4 整数规划在以上问题中，若决策变量的取值范围是整数( 或离散 值) ，就构成了整数规划。整数规划分为纯整数规划( 所有决策变量取值均 为整数) 和混合整数规划( 决策变量中有一部分取值为整数) 。有一类整数规 划问题，其决策变量只取0 或1 值，由于计算上的特殊性，称之为o 1 规 划。整数规划具有广泛的应用领域，如管理决策、人员组织、生产调度、 资源规划等。 2 4 4 5 静态规划算法常用于解决如何在一定的最优目标下，确定工程 的最佳操作和设计参数。主要思想是将一系列约束问题转化为无约束问题， 使得每一次无约束问题的最优解逐步逼近约束问题的最优解。 2 4 4 6 动态规划动态优化问题是指，选择一个或是几个函数，使问题 的性能指标( 是所选函数的函数，即泛函数) 达到最优值。但是由于候选函 数通常是时间变量的函数或是空间变量的函数，所以叫动态优化。用动态 规划解决问题的第一步是：能够将该问题看成一个所谓“多阶段决策过程”， 燕山大学工学硕士学位论文 即构造动态规划模型。能够有这种“视角”，本身就需要一定的创见和巧妙 的洞察力，具体的运算步骤蕴含在模型中。 2 4 4 7 智能优化算法现代智能优化算法从2 0 世纪8 0 年代初开始兴起， 其兴起与计算复杂性理论的形成有着密切联系。由于常规优化算法在求解 复杂问题时得不到十分满意的结果，于是现代优化算法便开始体现出优势， 它们对待寻优的函数基本无限制，它既不要求函数连续也不要求函数可微。 现代智能优化算法主要包括禁忌搜索、模拟退火、遗传算法、进化规划、 进化策略、人工神经网络、模糊优化等方法。 2 5 本章小结 以北京市为例对我国北方终端能源及冬夏两季天然气和电力的季节性 负荷曲线进行分析研究，提出了对住宅小区现有供暖锅炉房进行改建的方 案设计，并指出试点的选择不能盲目求大。最后对使用较广泛的几种数学 规划方法进行了研究，为以后的系统运行优化打好基础。 1 6 第3 章夏季供能方式分析研究 第3 章夏季供能方式分析研究 3 1 夏季供冷系统设备介绍 美国大停电事件之后更多的专家学者提出应积极发展小型全能量系 统，尤其是中、小型燃机热电联产机组。 热电冷联产( d c h p ，d i s t r i c tc o o l i n gh e a t i n g & p o w e r ) 是国际上正在迅 速发展的分布式能源系统的典型代表。它是一种建立在能量梯级利用概念 基础上将制冷、供热及发电过程一体化的总能系统，目的在于提高能源的 利用效率，减少碳化物及有害气体的排放【3 6 1 。典型的热电冷三联产系统一 般包括：动力系统和发电机、余热回收装置、制冷系统等。 本文采用的动力系统是燃气轮机热电联产系统。在发电质量即输出电 压和频率的稳定性方面，燃气轮机发电机组优于内燃机发电机组，其发电 能力在1 m w 1 0 m w 之剐川。在余热排放方面，燃气轮机排放的余热为烟 气余热，烟气温度高于4 0 0 c ，便于进行余热回收利用，更主要的是噪音 小和投资较低口。 3 2 热电冷联产在我国的推广应用中存在的问题 从文献 3 9 ，4 0 可以看出，热电冷联产系统，尤其是小型区域性热电冷 联产或楼宇热电冷联产系统在我国的推广应用中存在以下问题： 一是对建筑物全年负荷分布缺乏细致的分析，导致系统的规模和配置 不合理。系统配置问题主要指的是热电冷联产系统组成、热电联产装置的 形式选择、各单机的容量和台数等的确定。在实施热电冷联产项目中，正 确估算电力负荷、热负荷和空调负荷是项目能否取得效益的关键。 二是运行策略不灵活。热电联产的最大优点是提高能源的利用率以促 进节能，要达到这一目标必须要有良好的运行策略保证，与能耗的需求紧 密结合。单纯的“以热定电”或“以电定热”都不足以取得良好的经济效 益，因为建筑热电冷负荷是呈全年动态变化的，而热电联产机组也有其自 身的特点，当它与吸收式制冷机组结合实现供冷功能后，其热、电、冷的 燕山大学工学硕士学位论文 输出就显得尤为复杂，其运行模式和运行方案也将是一个动态的变化过程。 事实上，热电联产系统的运行除了受全年负荷变动的制约外还受到电力和 燃料价格、国家或地区能源政策和法规等的影响。针对这些问题本文对热 电冷联产系统进行改进优化，使其能适应市场的需求，将环保节能优势充 分发挥出来。 3 3 供能系统夏季运行方式 3 3 1 运行方式介绍 针对不同的用户需求，热电冷联产系统方案的可选择范围很大。在一 个特定系统中，选用何种发电机组更合适，需要考虑系统的冷、电负荷， 负荷比例及其变化情况，供