考虑热网寿命的电-热耦合型综合能源系统运行调控方法

技术领域

本发明属于区域综合能源系统运行优化技术领域，尤其是一种考虑热网寿命的电-热耦合型综合能源系统运行调控方法。

背景技术

近年来电-热耦合型综合能源系统(Integrated Energy System,IES)作为综合能源利用的典型代表，受到国内外学者的广泛研究与关注。相较于电能，热能的传输、变化过程具有慢动态特性，传输损耗大，但储存成本较低。因此，热能与电能之间存在很强的互补特性。大量研究指出，将电与热进行协同运行，可利用供热系统的运行特性辅助电-热耦合型IES实现降低运行成本及提升可再生能源消纳水平等目标。

目前，国内外已建成许多电-热耦合型IES示范工程，如意大利米兰东部某供热系统，通过热电联产机组(Combined Heat and Power，CHP)以及热泵(Heat Pump，HP)、电锅炉等能源设备的冗余配置，辅以蓄热装置及供热管网热动态特性，实现不同运行条件下电、热之间灵活的相互转化；我国上海、天津等一些城市也先后建成了以能源站为核心的IES示范园区，通过电、热(冷)能等设备集成和集中控制，支撑园区IES的灵活运行，极大提升了园区的能源综合利用效率。

在电-热耦合型IES运行优化中利用供热管网热动态特性提升系统运行能力时，有必要同时考虑其对应的成本或代价。如对供热管网进行频繁调控，不可避免地会导致热网中工质温度的快频波动。供热管网承受温度交替，其受到的损伤累积到一定程度后，管网中一些部件将超过其低循环疲劳极限而发生破坏。这一作用对热网中的弯头、三通、小角度折角等的寿命有重要影响。国内外已有一些学者关注上述问题。有研究指出：在电-热耦合型IES中运行优化中，热网经受频繁的温度交替可能加速其疲劳进程，最终导致其提前损坏，因此利用供热管网热动态特性参与系统运行优化的利弊尚有待进一步分析；有研究基于热网的能量流模型，在IES协同规划中考虑了建设热网管道的成本，提出供热管网等年值投资成本的计算方法，但尚未考虑其运行寿命的问题；有研究参考欧洲一些区域供热系统的运行标准，出于热网运行安全性的考虑，在电-热耦合型IES运行优化中对热网的温度梯度(即热网的升降温速率)加以约束，并进一步讨论了选取不同温度梯度约束对IES运行方案的影响。电-热耦合型IES利用供热管网热动态特性提升系统性能时可能加速供热管网寿命损耗，产生额外的利用成本。

现有研究对于如何量化这部分成本、以及如何通过热网调控安全约束在运行层面保障热网寿命，已有一些基础性工作，但仍须探索合理的分析方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种考虑热网寿命的电-热耦合型综合能源系统运行调控方法，以避免电-热耦合型IES日前优化调控中对供热管网寿命损耗考虑不足而过高估计利用灵活性潜力的问题，指导IES运营商在日前优化调控中选取对其寿命更有利的供热管网调控安全约束。

为此，本发明采用如下的技术方案：考虑热网寿命的电-热耦合型综合能源系统运行调控方法，其包括：

构建考虑热网寿命的电-热综合能源系统年运行指标；

构建供暖季每个供暖日中电-热综合能源系统优化运行调控模型；

构建考虑热网寿命的电-热综合能源系统运行计算模型；

构建供热管网的低循环疲劳寿命分析模型；

构建供热管网全寿命周期等年值成本模型。

进一步的，在构建考虑热网寿命的电-热综合能源系统年运行指标时，所述的年运行指标

式(1)中，综合能源系统年运行费用

式中：N

热网额外寿命损耗年成本

式中：

进一步的，所述的电-热综合能源系统优化运行调控模型中，

综合能源系统优化运行调控的目标函数为一天中的总运行成本C

minC

式中：C

式中：NT为时段数；

式中：

进一步的，所述电-热综合能源系统优化运行调控模型的等式约束条件包括电、热负荷平衡约束及电-热耦合型综合能源系统各设备模型约束：

1)电、热负荷平衡约束

对电负荷，确保电功率平衡：

式中：

对热负荷，要求确保换热站的换热量能恰好满足用户热负荷需求：

式中：

综合能源系统中的热负荷平衡关系如下：

式中：

2)供热管网的模型约束

①节点流量连续性：任一时段内，流入某一节点的工质质量流率之和等于流出该节点的工质质量流率之和：

式中：

②工质温度混合：任一时段内，流入某一节点的工质能量之和等于流出该节点的工质能量之和，假设工质在节点处的温度混合是充分和均匀的：

式中：

3)换热站模型约束

换热首站模型如式(13)所示：

式中：q

连接供热管网与用户热负荷的换热站模型如式(14)所示：

式中：

4)CHP模型约束

式中：

5)HP模型约束

式中：

进一步的，所述电-热综合能源系统优化运行调控模型的不等式约束条件包括CHP、HP及供热管网的调控约束；

1)CHP调控约束

出于运行安全考虑，CHP的出力维持在一定范围内：

式中：

CHP机组增加和减少出力都存在一定的极限速率，即CHP的爬坡率限制：

式中：

2)HP调控约束

式中：

3)供热管网调控安全约束

工质温度的限制：出于运行安全，供热管网供、回水温度应各自维持在一定范围内：

式中：

工质温度梯度的限制：由于管网中工质温度的快频变化会加剧其对管网造成的损伤，在实际运行中出于降低故障率和延长运行寿命考虑，对管网工质温度梯度加以约束：

式中：

进一步的，构建考虑热网寿命的电-热综合能源系统运行计算模型的步骤如下：

1)选取典型日：对于电-热耦合型综合能源系统，选取一般供暖日和极寒天气供暖日两种场景，作为整个供暖季代表性的典型日；

2)选取灵活性边界：选取供热管网调控安全约束，确定利用供热管网灵活性的边界，以热网工质梯度约束进行分析；

3)计算

4)计算T

5)计算

进一步的，构建供热管网的低循环疲劳寿命分析模型的过程包括：

供热工程中使用的S-N曲线的经验公式如下：

式中：

在供热管网低循环疲劳寿命分析中，近似假设其所受的应力作用与其温度成正比：

式中：

忽略工质与供热管网间的传热过程，近似认为供热管网中某处的温度等于该处管网中工质的温度，式(27)将应力循环与供热管网寿命的关系转化为温度循环与供热管网寿命的关系；

基于管网元件的S-N曲线，使用泊尔姆格林-米纳规则分析供热管网的低循环疲劳寿命，这一规则基于如下假设：

1)供热管网所经历的每个应力循环对其造成的损伤是可累积的；

2)每一次循环所造成的损伤都可用同一条S-N曲线刻画；

3)循环所造成的损伤与循环在时间上的分布无关；

在上述假设前提下，确定供热管网寿命符合要求的判据为：

式中：r为供热管网实际经历的温度循环的编号；n

为使上述判据更为直观，选取管网运行中的最高温度与环境温度之差ΔT

式中：N

将供热管网实际经历的温度循环按不同时间尺度进行分类，将式(29)不等式左侧部分改写为：

式中：

对于热网的输配干线，要求在设计校验中保证其可经受的等值参考温度循环N

式中：T

进一步的，构建供热管网全寿命周期等年值成本模型的过程如下：

供热管网寿命的变化主要影响其等年值投资成本

暂不考虑利用灵活性潜力对供热管网故障风险的影响，认为其年风险损失成本为一定值，在通过式(3)计算

进一步的，供热管网投资成本计算公式，如式(33)所示：

式中：

式中：q

供热管网全寿命周期等年值投资成本按式(35)计算：

式中：d

进一步的，供热管网的年运行维护成本如式(36)所示：

式中：

热网循环泵运行费用主要由热网中各换热站与供热管网间的换热量决定，要求热负荷需求恰好能被满足，因此综合能源系统利用供热管网灵活性潜力将只影响换热首站与供热管网间的换热量，而不会影响供热管网与负荷间的换热量，基于这一考虑，热网循环泵年运行费用如式(37)所示：

式中：γ

供热管网年维护成本包括管网检修、保养所产生的年费用，如式(38)所示：

式中：γ

供热管网残值等年值收益是指管网退出运行或重新敷设后对退出运行的部件进行处理所获得的残值收入，在计算时常认为其与设备投资同时发生，如式(39)所示：

式中：γ

本发明具有以下有益效果：本发明可避免电-热耦合型IES日前优化调控中对供热管网寿命损耗考虑不足而过高估计利用灵活性潜力的问题，指导IES运营商在日前优化调控中选取对其寿命更有利的供热管网调控安全约束，当供热管网寿命达到或接近终点时，IES运营商可选择将管网退出运行或对其进行更换(重新敷设)。

附图说明

图1为本发明考虑供热管网寿命的电-热耦合型IES运行优化计算模型的流程图；

图2为本发明管网元件的S-N曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种考虑热网寿命的电-热耦合型综合能源系统运行调控方法，采用如下步骤：

1.构建考虑热网寿命的电-热综合能源系统年运行指标；

2.构建供暖季每个供暖日d中IES优化运行调控模型；

3.构建考虑热网寿命的电-热综合能源系统运行计算模型；

4.构建考供热管网的低循环疲劳寿命分析模型；

5.提出供热管网全寿命周期等年值成本模型。

步骤1.所述考虑热网寿命的电-热综合能源系统年运行指标的构建过程如下：

本发明提出一种考虑供热管网寿命的电-热耦合型IES年运行优化目标

式(1)中，IES年运行费用

式中：N

热网额外寿命损耗年成本

式中：

步骤2.供暖季每个供暖日d中IES优化运行调控模型构建过程如下：

IES优化运行调控的目标函数为一天中的总运行成本C

minC

式中：C

式中：NT为时段数；

式中：

优化运行调控模型的约束可分为等式约束和不等式约束。

等式约束条件主要包括电、热负荷平衡约束及电-热耦合型IES各设备模型约束：

1)电、热负荷平衡约束：对电负荷，应确保电功率平衡：

式中：

对热负荷，要求确保换热站的换热量能恰好满足用户热负荷需求：

式中：

IES中的热负荷平衡关系如下：

式中：

式(10)体现了供热管网作为电-热耦合型IES中的灵活性环节在热源与热负荷间的“能量缓冲”作用。H

2)供热管网的模型约束：

①节点流量连续性：任一时段内，流入某一节点的工质质量流率之和等于流出该节点的工质质量流率之和：

式中：

②工质温度混合：任一时段内，流入某一节点的工质能量之和等于流出该节点的工质能量之和。假设工质在节点处的温度混合是充分和均匀的：

式中：

3)换热站模型约束：换热首站模型如式(13)所示：

式中：q

连接供热管网与用户热负荷的换热站模型如式(14)所示：

式中：

其余等式约束条件包括CHP及HP的模型约束：

4)CHP模型约束：

式中：

5)HP模型约束：

式中：

所提优化调控模型的不等式约束条件主要包括CHP、HP及供热管网的调控约束：

1)CHP调控约束：

出于运行安全，CHP的出力应维持在一定范围内：

式中：

CHP机组增加和减少出力都存在一定的极限速率，即CHP的爬坡率限制：

式中：

2)HP调控约束

式中：

3)供热管网调控安全约束：如式(22)-(25)所示。

工质温度的限制：出于运行安全，供热管网供、回水温度应各自维持在一定范围内：

式中：

工质温度梯度的限制：由于管网中工质温度的快频变化可能加剧其对管网造成的损伤，在实际运行中出于降低故障率和延长运行寿命考虑，应对管网工质温度梯度加以约束：

式中：

由于上述所提电-热耦合型IES日前优化调控方法中包含表示每一时段HP开关状态的0-1变量

步骤3.考虑热网寿命的电-热综合能源系统运行优化计算模型构建过程如下：

如图1所示，考虑供热管网寿命的电-热耦合型IES运行优化计算模型流程如下：

1)选取典型日：由于对整个供暖季逐日计算的方法计算量过大，故选取其中有代表性的典型日进行计算。对于电-热耦合型IES，可选取一般供暖日和极寒天气供暖日两种场景，作为整个供暖季代表性的典型日。

2)选取灵活性边界：选取供热管网调控安全约束，确定利用供热管网灵活性的边界，以热网工质梯度约束为例进行分析。

3)计算

4)计算T

5)计算

步骤4.供热管网的低循环疲劳寿命分析模型构建过程如下：

供热工程中使用的S-N曲线示意图如图2所示，它反映了供热管网所承受的某一应力循环大小与其最大所能承受这一循环的次数间的关系。已有一些标准基于实验数据，规定了S-N曲线的经验公式：

式中：

在供热管网低循环疲劳寿命分析中，可近似假设其所受的应力作用与其温度成正比：

式中：

基于管网元件的S-N曲线，如图2所示，可使用泊尔姆格林-米纳(Palmgren-Miner)规则分析供热管网的低循环疲劳寿命。这一规则基于如下假设：

1)供热管网所经历的每个应力循环对其造成的损伤是可累积的；

2)每一次循环所造成的损伤都可用同一条S-N曲线刻画；

3)循环所造成的损伤与循环在时间上的分布无关。

在上述假设前提下，确定供热管网寿命符合要求的判据为：

式中：r为供热管网实际经历的温度循环的编号；n

为使上述判据更为直观，选取管网运行中的最高温度与环境温度之差ΔT

式中：N

将供热管网实际经历的温度循环按不同时间尺度(一天、一周、一个月和一年)进行分类，可将式(29)不等式左侧部分改写为：

式中：

对于热网的输配干线，要求在设计校验中保证其可经受的等值参考温度循环N

式中：T

本发明中分析供热管网疲劳寿命时类比电力系统中蓄电池储能寿命的分析方法，将供热管网看作一个整体，根据电-热耦合型IES对其进行调控时的决策变量

步骤5.供热管网全寿命周期等年值成本模型构建过程如下：

在运用全寿命周期等年值成本方法计算电-热耦合型IES中某一设备的优化目标时，常考虑的因素可包括等年值投资成本、年运行维护成本、年风险损失成本及设备残值等。本发明主要关注电-热耦合型IES利用供热管网灵活性潜力对其寿命的影响，供热管网寿命的变化主要影响其等年值投资成本

根据供热管网寿命的定义，在寿命期内其故障风险始终维持在较低水平，因此本发明暂不考虑利用灵活性潜力对供热管网故障风险的影响，认为其年风险损失成本为一定值，在通过式(3)计算

1)供热管网等年值投资成本

本发明提出了一种适用于电-热耦合型IES规划的较为精确的供热管网投资成本计算公式，如式(33)所示：

式中：

式中：q

供热管网全寿命周期等年值投资成本可按式(35)计算：

式中：d

2)供热管网年运行维护成本

供热管网的年运行维护成本如式(36)所示：

式中：

热网循环泵运行费用主要由热网中各换热站与供热管网间的换热量决定。由于本发明中要求热负荷需求恰好能被满足，因此IES利用供热管网灵活性潜力将只影响换热首站与供热管网间的换热量，而不会影响供热管网与负荷间的换热量。基于这一考虑，本发明中热网循环泵年运行费用如式(37)所示：

式中：γ

供热管网年维护成本包括管网检修、保养等所产生的年费用，如式(38)所示：

式中：γ

3)供热管网残值等年值收益

供热管网残值等年值收益是指管网退出运行或重新敷设后对退出运行的部件进行处理所获得的残值收入，在计算时常认为其与设备投资同时发生，如式(39)所示：

式中：γ