CN114996644B - 一种凝汽机组变工况碳排放特性曲线拟合方法 - Google Patents
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Abstract
一种凝汽机组变工况碳排放特性曲线拟合方法，可以应用于各类凝汽机组调峰变负荷运行时的碳排放强度的预测分析。本发明解决了传统软件模拟或者编程方式求解凝汽机组变负荷度电碳排放结果时需要机组热力循环信息较多，求解过程复杂的问题。本发明曲线拟合公式的基本形式是简单幂函数与正弦函数的叠加，使用显示公式计算可避免传统计算中的复杂迭代过程。拟合公式中包含的未知系数只有两项，且根据对大量凝汽机组碳排放特性的研究，本发明总结出适用不同再热级数、初参数、机组运行方式、冷却方式、阀门控制方式的拟合公式系数取值表。通过凝汽机组已知特点，应用本发明拟合公式和系数表，可以实现对凝汽机组变负荷碳排放特性的较高精度计算。
Description
技术领域
本发明属于凝汽机组脱离基准工况运行碳排放特性技术领域，具体涉及一种凝汽机组变工况碳排放特性曲线拟合方法。
背景技术
“双碳”战略目标推动以可再生能源为主体的新型电力***的构建。由于可再生能源发电时变特性强烈，直接上网会带来整个电网负荷的不稳定性，需要配置凝汽机组作为调峰机组以消纳新能源发电的顺利上网。凝汽机组用于调峰会使得机组长时间偏离基准工况运行，度电碳排放特性随之发生改变。研究机组在变负荷情景下的碳排放特性，为新型电力***机组低碳排放调度优化提供参考，对保障电力***稳定性和经济性意义重大。传统凝汽机组变负荷研究方法主要是基于GSE建模仿真的软件方法或者基于Matlab、C++的编程计算方法。上述方法需要完整的机组拓扑结构和机组热力循环信息等，应用于新型电力***中的多台机组调度优化时需要针对每台机组都进行建模研究，比较复杂，且不适用于已知机组信息较少的预测性质的研究，存在过程复杂、对包含多台机组的新型电力***可操作性低且不适用于机组信息部分已知的预测研究的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种凝汽机组变工况碳排放特性曲线拟合方法，本发明能够很好的对现有各类凝汽机组任意负荷碳排放特性进行计算，对凝汽机组全工况碳排放特性进行预测模拟，具有拟合形式简单，精确度高，依赖机组基本热力信息少，可操作性强等优点，可为新型电力***优化调度、凝汽机组偏离基准工况运行特性等问题研究提供有力工具。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种凝汽机组变工况碳排放特性曲线拟合方法，包括如下步骤：
步骤1：获取凝汽机组变工况碳排放特性曲线拟合所需的机组基本信息特征，包括机组再热级数和冷却方式；凝汽机组变工况基本特征，包括机组变工况运行方式和主汽阀门控制形式；燃料基本信息特征，包括低位热值LHV和元素碳含量xc；
步骤2：获取凝汽机组变工况碳排放特性曲线拟合所需的机组基准工况信息，包括基准工况主蒸汽焓h0、基准工况汽轮机热耗率qFL、锅炉效率ηb、管道效率ηp和燃料碳氧化率OF；
步骤3：根据基准工况汽轮机热耗率qFL、锅炉效率ηb、管道效率ηp、燃料碳氧化率OF和燃料基本信息特征，使用度电碳排放计算公式：计算得到基准工况度电碳排放EFFL；其中，MCO2和MC分别是二氧化碳和碳的摩尔质量；
步骤4：根据已经拟定好的系数表格，见表1，结合步骤1中获取的机组基本特征，查表得到拟合曲线所需的再热系数ZR、冷却系数LR和阀门节流修正系数f；
表1
步骤5：根据再热系数ZR、冷却系数LR和主蒸汽焓h0，使用R＝ZR·h0+LR线性化计算公式求解拟合曲线所需劣化系数R；
步骤6：根据步骤3中获得的基准工况度电碳排放EFFL、步骤4中获得的阀门节流修正系数f、步骤5中获得的劣化系数R，使用幂—正弦函数叠加公式：EF＝EFFL·{X-R+sin[f·(1-X)]}，求解任意凝汽机组负荷率X情景下的机组度电碳排放EF，单位为g/kWh；其中，X为凝汽机组负荷率，即新工况电负荷与基准工况电负荷的比值；从100％负荷率开始，选取预设负荷率间隔依次求解度电碳排放，连接求得的数据点，即获得凝汽机组变工况碳排放特性曲线。
步骤1中所述机组再热级数分为不采用再热、一次再热和二次再热；机组冷却方式分为水冷和空冷；机组变工况运行方式分为定压运行和滑压运行；主汽阀门控制形式分为单阀控制和顺序阀控制。
步骤1中所述燃料低位热值LHV、元素碳含量xc能从电厂机组用燃料信息表单中查取。
步骤2中基准工况按照运行需求分为：热耗率验收工况THA、铭牌工况TRL、阀门全开工况VWO和最大连续运行工况T-MCR。
步骤2中基准工况主蒸汽焓h0能够从机组基准工况热平衡图上直接读取，或通过主蒸汽温度T0和主蒸汽压力P0利用水蒸汽热力性质表查取；基准工况汽轮机热耗率qFL能够从机组基准工况热平衡图上直接读取；锅炉效率ηb、管道效率ηp和燃料碳氧化率OF能够从机组锅炉热力特性书中查取，或直接按照缺省值：ηb＝92％、ηp＝99％、OF＝98％取值。
步骤4中系数表格的拟定基于对25台涵盖538℃、566℃和600℃温度等级，无再热、一次再热和二次再热，水冷和空冷，定压运行和滑压运行，单阀控制和顺序阀控制基本特性的凝汽机组的研究得出。
步骤6中获得凝汽机组变工况碳排放特性曲线从100％负荷率开始，根据拟合精度需求选取负荷率间隔，使用幂函数—正弦函数叠加公式求解一系列数据点，连接获得拟合曲线。
和现有技术相比，本发明具有下述优点：
本发明方法无需对凝汽机组拓扑结构和热力循环过程有详细的了解，只需要获取基准工况能耗、再热级数、冷却方式、机组运行方式、主汽阀门控制方式以及主蒸汽温度和主蒸汽压力这些基本信息，应用本发明提供的系数表和幂函数-正弦函数叠加公式，即可计算得到凝汽机组各个负荷情况下的度电碳排放结果，并作出凝汽机组变负荷运行碳排放特性曲线。本发明方法适用各类凝汽机组，拟合形式简单，精确度高，依赖机组基本信息少，可操作性强，显式公式形式避免传统迭代算法，可为新型电力***优化调度、凝汽机组偏离基准工况运行特性等问题研究提供有力工具。
附图说明
图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
图2为本发明实施例方法的凝汽机组变工况碳排放特性拟合曲线与实际曲线对比图。子图(a)为拟合曲线与实际曲线重合度对比图，子图(b)为拟合曲线与实际曲线相对误差图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
下面将以某538℃、566℃和600℃初温度型凝汽机组作为实施对象，按本发明凝汽机组变工况碳排放特性曲线拟合方法进行变负荷碳排放特性曲线拟合，以对本发明凝汽机组变工况碳排放特性曲线拟合方法进行进一步的详细说明。
如图1所示，本实施例凝汽机组变工况碳排放特性曲线拟合方法包括：
1)获取凝汽机组变工况碳排放特性曲线拟合所需的机组基本信息特征，包括机组再热级数和冷却方式。凝汽机组变工况基本特征，包括机组变工况运行方式和主汽阀门控制形式。燃料基本信息特征，包括低位热值LHV和元素碳含量xc；
2)获取凝汽机组变工况碳排放特性曲线拟合所需的机组基准工况信息，包括基准工况主蒸汽焓h0、基准工况汽轮机热耗率qFL、锅炉效率ηb、管道效率ηp和燃料碳氧化率OF；
3)根据基准工况汽轮机热耗率qFL、锅炉效率ηb、管道效率ηp、燃料碳氧化率OF和燃料基本信息特征，使用度电碳排放计算公式：计算得到基准工况度电碳排放EFFL；
4)根据已经拟定好的系数表格，见表1，结合1)中获取的机组基本特征，查表得到拟合曲线所需的再热系数ZR、冷却系数LR和阀门节流修正系数f；
5)根据再热系数ZR、冷却系数LR和主蒸汽焓h0，使用R＝ZR·h0+LR线性化计算公式求解拟合曲线所需劣化系数R；
6)根据3)中获得的基准工况度电碳排放EFFL、4)中获得的阀门节流修正系数f、5)中获得的劣化系数R，使用幂—正弦函数叠加公式：EF＝EFFL·{X-R+sin[f·(1-X)]}，可求解任意凝汽机组负荷率X情景下的机组度电碳排放EF。从100％负荷率开始，选取一定负荷率间隔依次求解度电碳排放，连接求得的数据点，可获得凝汽机组变工况碳排放特性曲线。
本实施例中，步骤1)中所述机组再热级数分为不采用再热、一次再热和二次再热；机组冷却方式分为水冷和空冷；机组变工况运行方式分为定压运行和滑压运行；主汽阀门控制形式分为单阀控制和顺序阀控制。
本实施例中，步骤1)中所述燃料低位热值LHV、元素碳含量xc可从电厂机组用燃料信息表单中查取。
本实施例中，步骤2)中基准工况按照运行需求可分为：热耗率验收工况THA、铭牌工况TRL、阀门全开工况VWO和最大连续运行工况T-MCR。
本实施例中，步骤2)中基准工况主蒸汽焓h0(单位：kJ/kg)可以从机组基准工况热平衡图上直接读取，也可以通过主蒸汽温度T0(单位：℃)和主蒸汽压力P0(单位：MPa)利用水蒸汽热力性质表查取；基准工况汽轮机热耗率qFL可以从机组基准工况热平衡图上直接读取；锅炉效率ηb、管道效率ηp、燃料碳氧化率OF可以从机组锅炉热力特性书中查取，也可以直接按照缺省值：ηb＝92％、ηp＝99％、OF＝98％取值。
本实施例中，步骤3)中基准工况度电碳排放EFFL可由基准工况汽轮机热耗率qFL计算得到：
上式中，MCO2和MC分别是二氧化碳和碳的摩尔质量；qFL为基准工况汽轮机热耗率，可直接从机组基准工况热平衡图上读取，kJ/kWh；EFFL为基准工况度电碳排放，g/kWh；ηb为锅炉效率，ηp为管道效率；LHV为燃料低位热值，MJ/kg；xC为燃料中元素碳含量；OF为燃料的碳氧化率。
本实施例中，步骤4)中系数表格的拟定基于对25台涵盖538℃、566℃和600℃温度等级，无再热、一次再热和二次再热，水冷和空冷，定压运行和滑压运行，单阀控制和顺序阀控制基本特性的凝汽机组的研究。系数表格(见表1)给出不同特点凝汽机组再热系数ZR，冷却系数LR，阀门节流修正系数f取值方法，方便实际工程应用。
本实施例中，步骤5)中根据再热系数ZR、冷却系数LR、主蒸汽焓h0线性化计算方式求解拟合曲线所需劣化系数R的具体公式如下：
R＝ZR·h0+LR
本实施例中，步骤6)中根据3)中获得的基准工况度电碳排放EFFL、4)中获得的阀门节流修正系数f、5)中获得的劣化系数R，求解任意凝汽机组负荷率X情景下机组度电碳排放EF的幂函数—正弦函数叠加公式为：
EF＝EFFL·{X-R+sin[f·(1-X)]}
上式中，X为凝汽机组负荷率，即新工况电负荷与基准工况电负荷的比值；EF为任意负荷率X情景下机组度电碳排放，g/kWh。
本实施例中，步骤6)中获得凝汽机组变工况碳排放特性曲线从100％负荷率开始，根据拟合精度需求选取负荷率间隔，使用幂函数—正弦函数叠加公式求解一系列数据点，连接获得拟合曲线。
图2是采用本实施例方法的凝汽机组变工况碳排放特性拟合曲线与实际曲线对比图，其中子图(a)为拟合曲线与实际曲线重合度对比图，子图(b)为拟合曲线与实际曲线相对误差图。由图2可知，采用本实施例凝汽机组变工况碳排放特性曲线拟合方法拟合后的碳排放特性曲线与实际曲线重合度很高，样本点相对误差较小，符合工程精度要求，能够反映机组真实的变工况碳排放特性。
综上所述，本实施例无需对凝汽机组拓扑结构和热力循环过程有详细的了解，只需要获取基准工况碳排放、再热级数、冷却方式、机组运行方式、主汽阀门控制方式以及主蒸汽温度和主蒸汽压力这些基本信息，应用本发明提供的系数表和幂函数-正弦函数叠加公式，即可计算得到凝汽机组各个负荷情况下的度电碳排放结果，并作出凝汽机组变负荷运行碳排放曲线。本发明方法适用各类凝汽机组，拟合形式简单，精确度高，依赖机组基本信息少，可操作性强，显式公式形式避免传统迭代算法，可为新型电力***优化调度、凝汽机组偏离基准工况运行特性等问题研究提供有力工具。
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种凝汽机组变工况碳排放特性曲线拟合方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：获取凝汽机组变工况碳排放特性曲线拟合所需的机组基本信息特征，包括机组再热级数和冷却方式；凝汽机组变工况基本特征，包括机组变工况运行方式和主汽阀门控制形式；燃料基本信息特征，包括低位热值LHV和元素碳含量xc；
步骤2：获取凝汽机组变工况碳排放特性曲线拟合所需的机组基准工况信息，包括基准工况主蒸汽焓h0、基准工况汽轮机热耗率qFL、锅炉效率ηb、管道效率ηp和燃料碳氧化率OF；
步骤3：根据基准工况汽轮机热耗率qFL、锅炉效率ηb、管道效率ηp、燃料碳氧化率OF和燃料基本信息特征，使用度电碳排放计算公式：计算得到基准工况度电碳排放EFFL；其中，MCO2和MC分别是二氧化碳和碳的摩尔质量；
步骤4：根据已经拟定好的系数表格，见表1，结合步骤1中获取的机组基本特征，查表得到拟合曲线所需的再热系数ZR、冷却系数LR和阀门节流修正系数f；
表1
步骤5：根据再热系数ZR、冷却系数LR和主蒸汽焓h0，使用R＝ZR·h0+LR线性化计算公式求解拟合曲线所需劣化系数R；
步骤6：根据步骤3中获得的基准工况度电碳排放EFFL、步骤4中获得的阀门节流修正系数f、步骤5中获得的劣化系数R，使用幂—正弦函数叠加公式：EF＝EFFL·{X-R+sin[f·(1-X)]}，求解任意凝汽机组负荷率X情景下的机组度电碳排放EF，单位为g/kWh；其中，X为凝汽机组负荷率，即新工况电负荷与基准工况电负荷的比值；从100％负荷率开始，选取预设负荷率间隔依次求解度电碳排放，连接求得的数据点，即获得凝汽机组变工况碳排放特性曲线。
2.根据权利要求1所述的凝汽机组变工况碳排放特性曲线拟合方法，其特征在于，步骤1中所述机组再热级数分为不采用再热、一次再热和二次再热；机组冷却方式分为水冷和空冷；机组变工况运行方式分为定压运行和滑压运行；主汽阀门控制形式分为单阀控制和顺序阀控制。
3.根据权利要求1所述的凝汽机组变工况碳排放特性曲线拟合方法，其特征在于，步骤1中所述燃料低位热值LHV、元素碳含量xc能从电厂机组用燃料信息表单中查取。
4.根据权利要求1所述的凝汽机组变工况碳排放特性曲线拟合方法，其特征在于，步骤2中基准工况按照运行需求分为：热耗率验收工况THA、铭牌工况TRL、阀门全开工况VWO和最大连续运行工况T-MCR。
5.根据权利要求1所述的凝汽机组变工况碳排放特性曲线拟合方法，其特征在于，步骤2中基准工况主蒸汽焓h0能够从机组基准工况热平衡图上直接读取，或通过主蒸汽温度T0和主蒸汽压力P0利用水蒸汽热力性质表查取；基准工况汽轮机热耗率qFL能够从机组基准工况热平衡图上直接读取；锅炉效率ηb、管道效率ηp和燃料碳氧化率OF能够从机组锅炉热力特性书中查取，或直接按照缺省值：ηb＝92％、ηp＝99％、OF＝98％取值。
6.根据权利要求1所述的凝汽机组变工况碳排放特性曲线拟合方法，其特征在于，步骤4中系数表格的拟定基于对25台涵盖538℃、566℃和600℃温度等级，无再热、一次再热和二次再热，水冷和空冷，定压运行和滑压运行，单阀控制和顺序阀控制基本特性的凝汽机组的研究得出。
7.根据权利要求1所述的凝汽机组变工况碳排放特性曲线拟合方法，其特征在于，步骤6中获得凝汽机组变工况碳排放特性曲线从100％负荷率开始，根据拟合精度需求选取负荷率间隔，使用幂函数—正弦函数叠加公式求解一系列数据点，连接获得拟合曲线。
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