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基于調(diào)度及運行數(shù)據(jù)的抽水蓄能電站運行效能量化評價方法

2016-08-26 22:44:36宋旭峰高沁胡志平
中國科技博覽 2016年17期
關鍵詞:抽水蓄能電站

宋旭峰++高沁++胡志平

[摘 要]隨著抽水蓄能電站的發(fā)展,對其運行效能進行科學、系統(tǒng)、全面的量化評價,有著重要的研究價值和實際意義?;诔樗钅茈娬驹陔娋W(wǎng)中的各種功能,本文提出了一種基于調(diào)度及電網(wǎng)數(shù)據(jù)的抽水蓄能電站運行效能量化評價方法,通過對其靜態(tài)效益、動態(tài)效益和環(huán)境效益三個方面進行量化評價,并且考慮電站所處區(qū)域電網(wǎng)的調(diào)度及運行數(shù)據(jù),從而更深入的認識和了解抽水蓄能電站在電網(wǎng)中發(fā)揮的作用及其功能定位。

[關鍵詞]抽水蓄能電站;運行效能;量化評價指標;調(diào)度及運行數(shù)據(jù)

中圖分類號:TV743 文獻標識碼:A 文章編號:1009-914X(2016)17-0207-02

0 引言

抽水蓄能電站具有啟停靈活、反應快速等特點,能夠為系統(tǒng)提供調(diào)峰填谷、緊急事故備用、調(diào)頻調(diào)相、黑啟動等功能,可以有效的提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,從而在世界各國電力系統(tǒng)中發(fā)展迅速。一直以來,世界各國都針對抽水蓄能電站展開了深入的、廣泛的研究工作[1]。然而,對于抽水蓄能電站運行效能的研究大部分集中在動態(tài)效益方面,一方面是對于動態(tài)效益的劃分[3],由于與靜態(tài)效益存在一定的關聯(lián)或重疊,因此難以進行一個準確合理的劃分;另一方面是抽水蓄能電站的量化評價方法,如今已經(jīng)出現(xiàn)了如等效替代法、隨機生產(chǎn)模擬法等多種方法,然而都存在著一定的局限性,至今沒有一個全面和公認的成果。

基于此,本文在傳統(tǒng)抽水蓄能電站運行效能評價指標的基礎上,對其靜態(tài)、動態(tài)效益進行詳細劃分,并加入了環(huán)境效益指標,完善了抽水蓄能電站運行效能的量化評價指標。此外,本文提出了一種基于調(diào)度管理及電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)的抽水蓄能電站量化評價方法,可以提高量化評價計算的準確性,對其在電網(wǎng)中發(fā)揮的作用和功能定位進行客觀評價分析。

1 抽水蓄能電站運行效能量化指標

抽水蓄能電站在電網(wǎng)中的主要作用集中在:1)通過削峰填谷來平滑負荷曲線;2)通過承擔各種動態(tài)任務保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行;3)通過減少其他電源的運行以減少污染物的排放。本文采用靜態(tài)效益、動態(tài)效益和環(huán)境效益三個指標對抽水蓄能電站運行效能進行量化評價,其中靜態(tài)效益包括容量效益和電量效益;動態(tài)效益包括調(diào)頻、調(diào)相、事故備用和黑啟動等效益;環(huán)境效益包括因減少二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物排放量產(chǎn)生的折算效益。

1.1 靜態(tài)效益

抽水蓄能電站的靜態(tài)效益表現(xiàn)在電站在電力系統(tǒng)中所發(fā)揮的靜態(tài)功能。其靜態(tài)效益主要由以下兩個部分組成:1)因抽水蓄能建設減少的其他電源的容量投資費用帶來的容量效益;2)因抽水蓄能電站替代常規(guī)機組進行調(diào)峰填谷任務所節(jié)約燃料消耗帶來的節(jié)煤效益,即電量效益。

(1)容量效益

抽水蓄能電站可以承擔調(diào)峰填谷的雙重任務,投運后可改變電網(wǎng)的電源結構,從而減少火電裝機容量。由于抽水蓄能電站設備相對簡單,工程量較少,建設周期較短,運行費用較低,因此其單位造價一般要低于常規(guī)水電、火電和核電等。

(2)電量效益

抽水蓄能電站的電量效益基于能量轉換,即將電網(wǎng)的谷荷電能轉換為峰荷電能,主要分為調(diào)峰、填谷兩個過程。

1)調(diào)峰效益

調(diào)峰火電機組在非調(diào)峰時期以壓負荷運行,當抽水蓄能電站承擔系統(tǒng)的調(diào)峰任務,可以使部分調(diào)峰火電機組運行在高效基荷位置,改善火電機組的運行條件,從而降低燃料消耗燃耗和廠用電率,節(jié)約系統(tǒng)的運行成本。

2)填谷效益

填谷火電機組在谷荷時需要壓負荷運行,而抽水蓄能電站可以利用火電機組發(fā)出的電能作為抽水電源,使腰荷轉變成基荷,從而保證部分火電機組在額定負荷下高效率運行,提高機組設備利用率,降低廠用電率和燃耗率。

1.2 動態(tài)效益

抽水蓄能電站的經(jīng)濟效益主要體現(xiàn)在其動態(tài)效益上,即承擔系統(tǒng)中的調(diào)頻調(diào)相、事故備用和黑啟動等動態(tài)任務所取得的效益。本文選取調(diào)頻、調(diào)相、事故備用和黑啟動四個指標對抽水蓄能電站的動態(tài)效益進行量化評價。

(1)調(diào)頻效益

一方面,為了維持系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定,要求有一定的旋轉備用機組,即機組處于非額定運行工況。另一方面,為了保持系統(tǒng)發(fā)供電之間時刻平衡,系統(tǒng)提供的出力變化速率必須大于負荷變化速率,即只能通過壓負荷運行機組的增荷功能。因此抽水蓄能電站的調(diào)頻效益可以分為負荷備用效益和負荷跟蹤效益兩個部分。

(2)調(diào)相效益

電力系統(tǒng)的無功不足或過剩,都會導致系統(tǒng)電壓的波動,直接威脅著電網(wǎng)的供電質(zhì)量和安全穩(wěn)定運行,因此系統(tǒng)中需要設置相應的無功調(diào)節(jié)裝置以維持無功平衡。抽水蓄能機組不但可以在空閑時進行調(diào)相,在發(fā)電、抽水的同時也可以供給或吸收無功功率,尤其在抽水工況下,可以長時間進相運行。

(3)事故備用效益

為了減少事故停電,提高系統(tǒng)運行的可靠性,要求系統(tǒng)中可靠性較高的發(fā)供電設備提供一定的事故備用容量。抽水蓄能機組可以方便地處于旋轉備用狀態(tài),承擔系統(tǒng)事故備用任務,是電力系統(tǒng)最理想的短時間事故備用電源。抽水蓄能電站承擔電力系統(tǒng)的事故備用,一方面可以減少或避免備用火電機組壓負荷運行來節(jié)省系統(tǒng)煤耗,另一方面可以減少或避免火電機組的變出力運行來節(jié)約系統(tǒng)運行費用。

(4)黑啟動效益

作為黑啟動電源,首先需要實現(xiàn)電站機組的黑啟動,迅速恢復自身的廠用電,形成孤立運行的小系統(tǒng),然后實現(xiàn)向電網(wǎng)內(nèi)的線路和其他電站機組送電,逐步恢復電網(wǎng)的供電。抽水蓄能機組結構簡單,沒有復雜的輔機系統(tǒng),且廠用電較少,機組的啟動速度快,是電網(wǎng)中最理想的黑啟動電源之一,大型的抽水蓄能電站一般作為區(qū)域系統(tǒng)的黑啟動主電源。

1.3 環(huán)境效益

一直以來,對于抽水蓄能電站運行效能的量化評價,大部分研究工作都集中在其靜態(tài)效益和動態(tài)效益方面,而忽略了其在減少環(huán)境污染方面的作用。抽水蓄能電站的環(huán)境效益主要體現(xiàn)在:通過替代部分火電機組承擔相應的系統(tǒng)運行任務,從而減少系統(tǒng)中火電機組的煤耗,減少二氧化碳、硫化物、氮氧化物、粉塵及一氧化碳等污染物的排放。因此本文選取減少二氧化碳、二氧化硫以及氮氧化物的排放量來量化評價抽水蓄能電站的環(huán)境效益。

(1)減少二氧化碳排放量

二氧化碳作為最主要的一種溫室氣體,對氣候和環(huán)境都造成了重大的影響,而二氧化碳主要來源于化石燃料的燃燒,與能源的生產(chǎn)于利用密切相關。根據(jù)國家發(fā)展改革委員會提供的相關數(shù)據(jù)可知,工業(yè)鍋爐每燃燒一噸標準煤,就會產(chǎn)生2620千克的二氧化碳。因此抽水蓄能電站的投入運行在減少燃煤的同時,可以盡可能減少二氧化碳的排放量。

(2)減少二氧化硫的排放量

二氧化硫是大氣中主要污染物之一,是衡量大氣是否遭到污染的重要標志。很長一段時間以來,二氧化硫造成的酸雨、酸霧,不僅嚴重影響人體健康,對植被、土壤、水質(zhì)等都產(chǎn)生極大的危害,而火電燃煤是我國二氧化硫排放的主要來源。因此抽水蓄能電站的投入運行在減少燃煤的同時,可以極大減少二氧化硫的排放量。

(3)減少氮氧化物的排放量

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展,能源消耗日益增加,大氣中氮氧化物的排放量也迅速增長。與二氧化硫相似,氮氧化物引發(fā)的環(huán)境問題己給人體健康和生態(tài)環(huán)境構成巨大威脅,而燃煤煙氣中的氮氧化物是主要的氮氧化物排放源之一。因此抽水蓄能電站的投入運行在減少燃煤的同時,也可以減少氮氧化物的排放量。

2 基于調(diào)度及電網(wǎng)數(shù)據(jù)的抽水蓄能電站運行效能量化評價方法

傳統(tǒng)的抽水蓄能電站運行效能量化評價方法主要基于電站的運行數(shù)據(jù),而忽略了電站所處電網(wǎng)本身的特性、調(diào)度管理以及電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)等因素的影響,這會對評價結果造成重大的偏差?;诖?,本文提出了一種基于調(diào)度及電網(wǎng)數(shù)據(jù)的抽水蓄能電站運行效能量化評價方法,在傳統(tǒng)評價方法的基礎上,充分考慮電站所處的電網(wǎng)結構、電源和負荷特性,加入調(diào)度管理以及電網(wǎng)運行數(shù)據(jù),從而提高評價結果的準確性。主要可以概括為以下幾個方面:

(1)為了更精確的量化評價抽水蓄能電站的運行效能,采用電站所處的相關調(diào)度機構提供的區(qū)域電網(wǎng)的日負荷曲線來確定日負荷劃分情況,可以準確區(qū)分抽水蓄能電站所承擔的系統(tǒng)任務。日負荷劃分示意圖如圖1所示。其中,電網(wǎng)負荷的分布主要以日平均負荷和日最小負荷為劃分標準,平均負荷以上稱為峰荷,最小負荷以下稱為基荷,中間負荷稱為腰荷。

(2)在傳統(tǒng)的等效替代法量化評價方法中,忽略了區(qū)域電網(wǎng)的特點,導致電網(wǎng)的調(diào)度運行安排與實際情況有著較大的差異。首先,根據(jù)實際電網(wǎng)的調(diào)度管理安排,對于抽水蓄能電站所處電網(wǎng)的電源特性和負荷特性進行分析,從而得到電網(wǎng)在執(zhí)行調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用等任務情況下不同種類機組的參與比例以及不同容量機組的參與比例;其次,求解機組在執(zhí)行系統(tǒng)各項任務情況下的等效耗量特性參數(shù),然后通過二次函數(shù)擬合,得到機組的等效耗量特性曲線;最后,分別對各項效益進行量化評價計算。

(3)對于抽水蓄能電站的環(huán)境效益,目前主要采用排污費對環(huán)境效益進行統(tǒng)一折算,而排污費受到企業(yè)管理水平、各地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平以及能源政策等多重因素的影響,因此難以用來進行準確的量化評價。然而將環(huán)境效益統(tǒng)一折算入電站的靜態(tài)效益和動態(tài)效益,即在其效益量化評價模型中采用環(huán)保煤的標煤價格進行計算則可以極大提高評價的準確性。

綜上,本文算法的主要步驟可以歸納如下:

1)初始化。輸入抽水蓄能電站的相關數(shù)據(jù),如電站裝機容量、平均水頭、建設投資、日負荷數(shù)據(jù)、檢修備用情況等等;以及電站所處區(qū)域電網(wǎng)的相關數(shù)據(jù),如電網(wǎng)的裝機容量情況、電網(wǎng)的負荷特性、電網(wǎng)的調(diào)度管理安排等。

2)根據(jù)抽水蓄能電站的具體運行數(shù)據(jù),結合區(qū)域電網(wǎng)提供的日負荷曲線,對抽水蓄能電站所承擔各項系統(tǒng)任務進行詳細劃分。

3)結合調(diào)度管理及電網(wǎng)運行數(shù)據(jù),計算抽水蓄能電站執(zhí)行在各項任務情況下,替代方案中的各類機組的參與比例;

4)對抽水蓄能電站的各項效益分別進行量化計算,最后輸出量化評價結果,并對其進行研究分析。

3 結論

1)基于抽水蓄能電站在電網(wǎng)中發(fā)揮的各類功能,對其運行效能進行了準確、詳細的劃分;

2)在傳統(tǒng)抽水蓄能電站量化評價方法的基礎上,引入調(diào)度管理及電網(wǎng)運行數(shù)據(jù),從而更加精確的對電站的運行效能進行量化評價;

3)通過對抽水蓄能電站的量化評價結果分析,明確電站在電網(wǎng)中的主要作用,從而進行功能定位。

參考文獻

[1] 高蘇杰,婁素華.抽水蓄能電站綜合效益評估綜述[J].水電自動化與大壩監(jiān)測,2008,32(1):11-15.

[2] 郭東浦.抽水蓄能電站靜態(tài)效益計算[J].東北水利水電,1993(4):23-27.

[3] 趙永生,萬永華.抽水蓄能電站動態(tài)效益評述[J].水利電力科技,1995(2):14-17.

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