Распределение нагрузки между агрегатами электростанции

На основе характеристик для отдельных котлов строятся одно­именные характеристики для котельной применительно к одно­временно находящимся в работе котлам в данный период време­ни и оптимальному распределению тепловой нагрузки котельной между ними. Распределение нагрузки между совместно работа­ющими агрегатами будет наиболее выгодным, когда выполнение данного общего графика нагрузки требует наименьшего количе­ства первичной энергии. Тепловые нагрузки котлов, соответствующие этим условиям, будут совпадать, если в рассматриваемый период времени все работающие котлы данной котельной используют одинаковое топливо. Для достижения этих критериев необходимо, чтобы в каждый момент времени обеспе­чивалось равенство относительных приростов расхода топлива или относительных приростов стоимости топлива: г_к1 = г_к2 =... = г_кi.

Для построения характеристики относительных приростов котельной суммирование нагрузки отдельных котлов следует произ­водить при одинаковых значениях относительных приростов расхода топлива или одинаковых значениях относительных приростов стоимости топлива. Характеристика относительных приростов расхода топлива котельной, состоящей из двух разнотипных котлов, имеет излом (рис. 13.10), который происходит в характерных точ­ках, соответствующих минимальным и максимальным нагрузкам отдельных котлов. Например:

Построение характеристики относительных приростов расхода

топлива котельной: а – первого котла; б — второго котла; в — котельной

Энергетическая характеристика котельной строится по тем же характерным точкам, что и характеристика относительных при­ростов расхода топлива. При этом используются энер­гетические характеристики отдельных котлов.

По тепловым нагрузкам отдельных котлов, соответствующим данному (одинаковому) значению относительного прироста рас­хода топлива, из энергетических характеристик находят соответ­ствующие им расходы топлива. Суммируя эти величины, получа­ем расход топлива котельной при тепловой нагрузке, равной сум­ме тепловых нагрузок отдельных котлов:

Энергетические характеристики: а — первого котла; б — второго котла; в — котельной

Для ТЭС по характеристикам турбоагрегатов (ТА) составляют­ся характеристики относительных приростов (ХОП) расходов теп­лоты, энергетические характеристики машинного зала электро­станции и режимные карты. Характеристика относительных при­ростов и энергетическая для электростанции в целом могут быть получены на основе одноименных характеристик котельной и ма­шинного зала.

Относительный прирост (ОП) расхода топлива станцией явля­ется показателем экономичности работы станции или блока и по­казывает, на сколько изменится расход топлива станцией при из­менении нагрузки на 1 кВт:

Построение характеристики относительных приростов расхода

топлива тепловой электростанцией: а — электростанции; б — турбоагрегата; в — котла

Скачок на ХОП электростанции связан с ХОП турбоагрегата, а пологовогнутая часть определяется ХОП котла. Если в машинном зале станции установ­лены однотипные агрегаты, то нагрузка между ними распределя­ется равномерно при минимально необходимом числе агрегатов, что позволяет дать каждому агрегату достаточно высокую нагруз­ку. Если агрегаты разнотипны по мощности и экономичности, то должно быть произведено экономичное распределение электри­ческой нагрузки между ними, т. е. заданная электрическая нагруз­ка распределяется между ними таким образом, чтобы в машин­ном зале расход тепла был минимальным.

Рассмотрим простейший пример. В турбинном цехе установле­ны два агрегата различного типа. При этом возможны два основ­ных случая.

1. Нагрузка ТЭС может быть покрыта полностью каждым из двух агрегатов. Их расходные характеристики определяются следующим образом:

• Если q_xx1 < g_xx2 и r _т1 < r _т2, то любая нагрузка ТЭС должна по­крываться турбиной № 1.
• Если q_xx1 < q_xx2,, r _т1 > r _{т 2} ,, 0 < Р < P_max, то в диапа­зоне Р < Р_эк Q _min = Q₂, следовательно, надо загружать турбину №1; в диапазоне Р > Р_эк Q _min = Q₁, следовательно, надо разгружать тур­бину №1 и загружать турбину №2; при Р = Р_эк турбины равно-экономичны.
• Если сходящиеся характеристики не пересекаются в зоне но­минальной мощности, то всю нагрузку должна взять на себя тур­бина № 1.

1. Нагрузка ТЭС может быть покрыта только при совместной параллельной работе обоих агрегатов.

Допустим, что совместно работают два турбоагрегата, из ко­торых первый имеет часовую расходную характеристику Q _ч1 = q_{xx 1} + r _т1∙ Р ₁, а второй Q _ч2 = q_{xx 2} + r _т2∙ Р ₂. Общий часовой расход тепла двух совместно работающих агрегатов составит:

Прибавим и вычтем произведение г_т1Р₂, а общую нагрузку двух агрегатов обозначим через Р_ст= Р₁ + Р₂. Тогда

Полное покрытие нагрузки ТЭС одним из агрегатов: а — нагрузка ТЭС полностью покрывается турбиной № 1; 6 — в зоне Р < Р_эк нагрузка ТЭС полностью покрывается турбиной № 1, в зоне Р>Р_эк — полностью

турбиной № 2; 1, 2 — расходные характеристики турбин

Характеристика совместно работающих агрегатов будет иметь вид ломаной линии, точка излома которой может перемещаться при перераспределе­нии нагрузки между агрегатами. Как видно из выражения общего расхода тепла, при любом распределении нагрузки между агрега­тами суммарный расход тепла на холостой ход останется неиз­менным (q_xxl + q_xx2), а переменная часть расхода тепла будет тем меньше, чем больше нагружается агрегат, имеющий меньший относительный прирост расхода тепла.

Итак, в системе параллельно работающих агрегатов экономич­ность вариантов распределения нагрузки изменяется только за счет изменения дополнительного расхода энергии, так как расходы на холостой ход агрегатов имеют место при любом распределении нагрузки между ними. Следовательно, при возрастании нагрузки совместно работающих агрегатов в первую очередь должен нагру­жаться тот из них, у которого меньше относительный прирост расхода первичной энергии. Таким образом, оптимальное распре­деление достигается в порядке возрастания относительных при­ростов расходов тепла: r _т1 < r _т2 < r _тi.

Общие вопросы оптимального распределения электрической нагрузки в энергосистеме.

В хозяйственном отношении электростанции и электрические сети являются самостоятельными структурными подразделения­ми, но при выборе режима распределения электрических нагру­зок они подчиняются энергосистеме.

Основной целью энергосистемы является бесперебойное снаб­жение потребителей энергией требуемого качества при условии максимальной экономичности. Нагрузка энергосистемы, заданная ей по плану в соответствии с графиком электрических нагрузок, дол­жна быть распределена между электростанциями таким образом, чтобы достигался максимум экономичности энергосистемы в це­лом.

Для решения задачи оптимизации с использованием ЭВМ со­ставляется математическая модель, включающая в себя пять уравненийили неравенств.

1. Уравнение цели (критерий экономичности).

Общей целью, или критерием оптимизации режимов, является обеспечение минимальных текущих затрат на производство электроэнергии в энергосистеме:

От режима работы электростанции зависят только условно-пе­ременные затраты, к которым относится прежде всего топливная составляющая расходов на ТЭС. Условно-постоянные затраты не зависят от режима работы электростанции и поэтому могут быть исключены из рассмотрения. Целевая функция (критерий опти­мизации) может быть представлена следующим выражением:

где п — число тепловых станций в энергосистеме; В_гi – годовой расход топлива на i-й станции, т у.т.; Ц_тi — цена топлива, исполь­зуемого на i-й станции, р./т у.т.

Если цены на топливо для станций энергосистемы одинаковы, то целевая функция принимает следующий вид:

2. Уравнение связи (или характеристика объекта).

Объект представляется в виде следующей модели:

где х — первичная энергия, поступающая на объект (входящий поток); у — вторичная энергия (исходящий поток).

Характеристиками объекта являются расходные энергетические характеристики:

где В_к, В_ст – часовой расход топлива соответственно котла и элек­тростанции, т у.т/ч; Q_K, Q_T – количество теплоты соответственно на выходе из котла и входе в голову турбины, ГДж/ч; Р_т, Р_ст – электрическая мощность соответственно турбоагрегата и электро­станции, МВт.

Если характеристика объекта не меняется во времени, то объект называется стационарным, в противном случае – неста­ционарным. Энергетическое оборудование является типично нестационарным объектом. В настоящее время нет методики, позволяющей учесть нестационарностъ объекта, поэтому она не принимается во внимание.

3. Уравнения ограничения.

Они могут быть двух видов:

a) балансовые, в виде равенства:

где Р_ст — мощность электростанций, входящих в энергосистему; Р_потр – полезно отпущенная мощность потребителям, МВт; Р_сн, Р_{пот.ЛЭП} – потери мощности на собственные нужды и в ЛЭП и подстанциях соответственно;

б) граничные, в виде следующих неравенств, характеризующие технические возможности агрегатов:

где Р_{min i} и Р_{max i} – ограничения по выдаче мощности турбоагрега­тами соответственно по минимальному и максимальному значе­нию.

Ограничения бывают жесткие и нежесткие. К жестким отно­сятся граничные неравенства, нарушение которых недопустимо, так как это связано с безопасностью работы установки и угрожает жизни людей. Нарушение нежестких ограничений (баланса мощ­ности в энергосистеме) приводит к нарушению оптимального режима работы, снижению экономичности и дополнительным затратам.

4. Уравнение управления.

Оно формируется путем совместного решения первых трех уравнений:

5. Уравнение адаптации.

Оно является корректировкой уравнения управления при изменении целевой функции и уравнений связи и характеризует приспособляемость системы к изменяющим­ся внешним условиям.

Если в рассмотрении присутствуют все пять уравнений, то такая модель называется оптимизационной. При отсутствии в модели уравнения управления она является оценочной. Если анализирует­ся только характеристика объекта, то модель называется моделью для познания. В аварийных ситуациях используется только модель ограничения.