Bài giảng Kinh tế vận hành hệ thống: Chương 4 - Phân phối tối ưu phụ tải giữa các tổ máy trong nhà máy nhiệt điện

Bài giảng Kinh tế vận hành hệ thống: Chương 4 - Phân phối tối ưu phụ tải giữa các tổ máy trong nhà máy nhiệt điện được biên soạn với các nội dung chính sau: Bài toán phân phối tối ưu phụ tải trong nhà máy nhiệt điện; Chọn số tổ máy làm việc đồng thời; Phân phối tối ưu phụ tải điện cho các tổ máy làm việc không đồng thời; Phân phối tối ưu phụ tải điện cho các tổ máy làm việc song song;... Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng!

CHƯƠNG 4 PHÂN PHỐI TỐI ƯU PHỤ TẢI GIỮA CÁC TỔ MÁY TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

4.1 Đặt vấn đề

Nhà máy nhiệt điện gồm nhiều tổ máy

Phụ tải của nhà máy luôn thay đổi

Số tổ máy cần hoạt động, công suất từng tổ máy sao cho cho phí sản xuất là nhỏ nhất

Chi phí sản xuất:

Chi phí nhiên liệu chiếm tỷ trọng lớn nhất

C nhiên liệu = g.B

Nhiên liệu tiêu hao phụ thuộc chế độ vận hành

Phân phối phụ tải cho các tổ máy được gọi là tối ưu khi đáp

ứng nhu cầu phụ tải với tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất

B cangf nhor cangf tot

Bài toán phân phối tối ưu phụ tải trong nhà máy NĐ

Hàm mục tiêu: B → min

Nmin  Ni  Nmaxhoặc Ni = 0

Phân xưởng cùng loại tuabin, lò hơi, chia đều phụ tải

Toàn nhà máy:

Đảm bảo nhu cầu phụ tải vàTổng tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất

Lò hơi: Tổng tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất

Tuabin: Tổng tiêu hao nhiệt nhỏ nhất

Lò hơi hiệu suất cao hơn tuabin, phân phối tối ưu chotuabin đóng vai trò quan trọng

chọn số tổ máy làm việc đồng thời trước

1 thỏa mãn nhu cầu phụ tải

2 nhiên liệu tiêu hao nhỏ nhất (chi phí) nhu cầu phụ tải P ở các thời gian

4.2 Chọn số tổ máy làm việc đồng thời

Không yêu cầu tất cả các tổ máy làm việc

Chọn số tổ máy làm việc đồng thời

Phân phối tối ưu cho các tổ máy vận hành

Nguyên tắc chọn số tổ máy làm việc đồng thời:

Đảm bảo cung cấp phụ tải nhiệt cho các hộ yêu cầu Đảm bảo cung cấp điện cho các hộ phụ tải

Tiêu hao nhiên liệu cho nhà máy nhỏ nhất

Xét tiêu hao khởi động, tiêu hao không tải, suất tăng tiêu hao, thời gian vận hành, thay đổi chế độ làm việc tổ máy khác trong hệ thống

Giả sử xét cho chạy 1 tổ máy hay đồng thời 2 tổ máy củanhà máy điện ngưng hơi cùng công suất

Tổ máy 1: Q1 = Qkht1 + r1N (Gcal/ h)

Tổ máy 2: Q2 = Qkht2 + r2N (Gcal/ h)

Tiêu hao nhiệt cho mở máy tổ máy 1: Qmm1(Gcal)

tổ máy 2: Qmm2(Gcal) Giả thiết suất tăng tiêu hao nhiệt : r1 > r2

Tổng nhiệt lượng tiêu hao cho mỗi tổ máy sẽ được tính như sau:

Q1 = Qmm1+ Qkht1.t + r1.N1.t (Gcal)

Q2 = Qmm2+ Qkht2.t + r2.N2.t (Gcal)

đổi lại cũng đc , nhưng này liên quan tới phần sau đổi lại thì phân phối sẽ khác

Nếu cho hai tổ máy chạy đồng thời, tổng tiêu hao nhiệt tương ứng:

Q1,2 = Qmm1+ Qmm2 + Qkht1.t + Qkht 2.t + r1.N1.t + r2.N2.t (Gcal)

r1 > r2, nên tổ máy 2 sẽ được ưu tiên mãn tải trước và

N1=N-N2 và lượng điện năng tương ứng W1=W- W2

Hệ thống yêu cầu lượng điện năng W (W > Wđm) nếu chỉ cho 1 tổ chạy sẽ không đảm nhiệm đủ, lượng điện năng thiếu hụt:

Nếu cho 1 tổ chạy thì lượng điện năng thiếu hụt này phải được bù đắp do tổ máy khác trong hệ thống

Nếu tổ máy 1 và một tổ máy khác trong hệ thống làm việc thì tiêu hao nhiệt:

Q1,HT = Qmm1+ Qkht1.t + r1.W1+ rHT W (GCal)

Nếu tổ máy 2 và một tổ máy khác trong hệ thống đảm nhiệm thì tiêu hao nhiệt:

Q2,HT = Qmm2 + Qkht2.t + r2.W2 + rHT W (Gcal)

So sánh tiêu hao nhiệt trong 3 trường hợp

Chọn phương án có tiêu hao nhiệt nhỏ hơn

Xác định được số tổ máy vận hành đồng thời

4.3 Phân phối tối ưu phụ tải điện cho các tổ máy làm việc không đồng thời

2 1

r r

2 1

r r

Q

Q kht kht

Q

(I) (II)

2 2

2

1 1

1

Q Q

N r Q

Q

N r Q

Q

gh kht

gh kht

gh kht

gh

2 1

1 2

r r

Các tuabin lần lượt vận hành theo mức tăng phụ tải

Nhu cầu phụ tải tăng dần, các tuabin lần lượt đưa vào Xác định thứ tự các tuabin đưa vào vận hành

Xác định công suất từng tuabin ở từng mức phụ tải

Q

N r Q

Q

N r Q

Q

kht kht kht

3 3

3

2 2

2

1 1

1

3 2

1

r r

r

Q Q

N 23 N 13 N 12 N đm

B¶ng ph©n phèi phô t¶i cho c¸c tæ m¸y Phô t¶i nhµ m¸y Tæ m¸y Phô t¶i tæ m¸y

Phụ tải ảo

Nmin

4 Phân phối tối ưu phụ tải điện cho các tổ máy làm việc song song

Nhà máy chỉ có 2 tổ máy

Phụ tải nhà máy lớn hơn công suất định mức 1 tổ máy

Hai tổ máy phải làm việc đồng thời

Cần ưu tiên phân phối cho tổ máy nào trước

Q1 = Qkht1 + r1P (Gcal/h)

Q2 = Qkht2 + r2P (Gcal/h) r1<r2Khi 2 tổ máy vận hành song song, tiêu hao nhiệt của NMáy

chạy tối đa phụ thuộc vào định mức và min của máy

Khi 2 tuabin vận hành đồng thời (song song), tiêu hao nhiệt của nhà máy:

- Không phụ thuộc vào tiêu hao nhiệt không tải

- Nhỏ hơn khi tăng tải cho tuabin có suất tăng tiêu

hao nhiệt nhỏ hơn và ngược lại

Với giả thiết suất tăng tiêu hao nhiệt (r1< r2)

Tiêu hao nhiệt của nhà máy nhỏ nhất, cần phân phối phụ tải cho 2 tổ máy như sau:

Tổ máy 1: P1 = N1đm

Tổ máy 2: P2 = N-N1đm

Khi 2 tuabin làm việc song song, phương án phân phối phụ tải tối

ưu là cho tổ máy có suất tăng tiêu hao nhỏ mãn tải trước

Đường đặc tính của tuabin là đường gãy thì coi tổ máy này như hai tổ máy có hai trị số suất tăng tiêu hao nhiệt khác nhau

Nhà máy có nhiều tổ máy

Quy tắc phân phối tối ưu phụ tải cho các tổ máy được ápdụng như trường hợp hai tổ máy

Nguyên tắc phân phối tối ưu cho các tổ máy làm việc song song trong nhà máy là cho các tuabin có suất tăng tiêu hao nhiệt nhỏ nhất đầy tải trước

Phân phối phụ tải điện cho các tuabin trong trung tâm nhiệt điện

Phân phối phụ tải nhiệt trước

Phụ tải điện sản xuất theo phương thức cung nhiệt được xác định theo phụ tải nhiệt đã được phân phối

Ncn = ωcn (Qcn – Qcnkht) (MW)

Công suất điện tối thiểu của nhà máy được xác định

Nmin n/m =  Ncn(i) + Nng min (MW)

Nng min = Nđm - Ncn(tt) (MW)

Phân phối phần phụ tải còn lại cho các tuabin trích hơi và ngưng hơi chưa mang đầy tải theo qui tắc suất tăng tiêu hao nhiệt nhỏ nhất

Pclại = N - Nmin n/m. (MW)

4.5 Phân phối phụ tải nhiệt cho tuabin

- Trong trung tâm nhiệt điện, việc phân phối tối ưu cho phụ tải nhiệt được tiến hành trước

- Phụ tải nhiệt được cung cấp cho các hộ tiêu thụ nhiệt

từ các tuabin đối áp, tuabin trích hơi và qua giảm ôn giảm áp nếu cần

- Phụ tải nhiệt sẽ được phân phối sao cho điện năng sản xuất ra theo phương pháp cung nhiệt của toàn nhà máy

là lớn nhất

- Vì nếu tận dụng được điện sản xuất theo phương thức cung nhiệt thì sẽ tiết kiệm được nhiệt cho toàn nhà máy

4.5 Phân phối phụ tải nhiệt cho tuabin đối áp

Giả sử nhà máy đặt 2 tuabin đối áp có phương trình đặc tính năng lượng:

Với tổng phụ tải nhiệt (Qcn) hãy phân phối sao cho:

2 2

1 1

1 1

kht cn

cn

kht cn

cn

N Q

N

N Q

N





Ncn = Ncn1+ Ncn2 = 1Qcn1 + 2Qcn2 - (Nkht1 + Nkht2 )

Ncn = 1Qcn1 + 2(Qcn- Qcn1) - Nkht = (1-2)Qcn1+

2Qcn - NkhtVới Qcn nhất định thì 2Qcn - Nkht = const

1 1

cn cn

cn

cn cn

Q Q

Q

tt Q

2 2

cn cn

cn

cn cn

Q Q

Q

tt Q

Q

cn

cn 2 2

1

1 2

1

ωω

ωω

max Q

cn

cn

2 1

2

1 2

1

ω ω

ω ω

Kết luận: Khi phân phối phụ tải nhiệt cho tuabin đối áp,

thì tuabin nào có suất tăng công suất điện cung nhiệt của

tuabin ( cn ) lớn sẽ mang tải trước tới mức lớn nhất có thể được Sau đó mới cho các tuabin có suất tăng công suất

điện cung nhiệt nhỏ mang tải

Phân phối phụ tải nhiệt cho tuabin trích hơi

▪ Phân phối tối ưu phụ tải nhiệt cho các tuabin trích hơi về nguyên tắc như tuabin đối áp

▪ Nếu phụ tải nhiệt yêu cầu gần bằng Qcn(tt) của một tổ máy nào đó thì cho tổ máy đó mang hết phụ tải dù cho (cn) của tổ máy đó không lớn

▪ Cho tổ máy có suất tăng tiêu hao nhiệt theo phương thức ngưng hơi (rng) lớn hơn mang đầy phụ tải nhiệt để giảm phần ngưng hơi của tổ.

Phân phối phụ tải nhiệt cho trung tâm nhiệt điện

Một trung tâm nhiệt điện có cả tuabin đối áp và trích hơi,phân phối phụ tải nhiệt được thực hiện theo nguyên tắc sau:

1 Tổ hợp các tuabin thành từng nhóm theo áp lực hơi trích(1.2 ata, 2.5 ata, 4ata 6ata ; 13 ata)

2 So sánh phụ tải nhiệt ở các thông số với khả năng tríchcủa tuabin xem có đủ không hay phải cấp nhiệt qua giảm

Phân phối phụ tải nhiệt cho trung tâm nhiệt điện

5 Phân phối phụ tải nhiệt dân dụng của trung tâm nhiệtđiện cho tuabin trích hơi cho dân dụng và công nghiệp-sinhhoạt phải so sánh cả chế độ cung nhiệt và chế độ ngưnghơi

cn lớn mang tải nhiệt nhiều

rng lớn mang tải nhiệt chế độ cung nhiệt nhiều

rng nhỏ mang tải điện theo chế độ ngưng hơi nhiều

6 Nếu tuabin trích hơi cho dân dụng và công nghiệp-dândụng có suất tăng tiêu hao nhiệt để sản xuất điện theophương thức ngưng hơi (rng) như nhau, thì không nên dùngtuabin trích hơi sử dụng cho công nghiệp để cung cấp chodân dụng

Phân phối phụ tải nhiệt cho trung tâm nhiệt điện

7 Nếu trung tâm nhiệt điện có nhiều tuabin cung nhiệtgiống nhau nhiệt giống nhau, phụ tải sẽ được chia đều chocác tuabin và ưu tiên tuabin có Qcn(tt) gần bằng phụ tảinhiệt mang đầy tải nhiệt trước cho dù cn không lớn

Nếu phụ tải điện của trung tâm nhiệt điện không lớn, khôngyêu cầu các tuabin đầy tải, khi phân phối phụ tải nhiệt lưu ýphụ tải điện nhỏ nhất Nmin của mỗi tuabin để xem nên đểchạy không tải hay ngừng hẳn

Khi trung tâm nhiệt điện làm việc với công suất điện lớnnhất khi phân phối phụ tải nhiệt cho tuabin cần lưu ý khảnăng quá tải của các tuabin khác nhau ở các mức áp lựckhác nhau

4.6 Phân phối tối ưu phụ tải cho lò hơi

Tiêu chuẩn phân phối tối ưu: Tiêu hao nhiên liệu cho lò

=

→ +

=

Q Q

Q Q

min B

B B

2 1

2 1

Hàm Lagrang:

- Tại điểm tối ưu suất tăng tiêu hao nhiên liệu 2 lò bằng nhau

- Trường hợp có nhiều lò hơi, kết quả tương tự: Suất tăng tiêu hao nhiên liệu các lò bằng nhau

2 1

Q dQ dB dQ dB

2 1

2 2 1 1

2

2 1

1

b

b dQ

dB dQ

1 = b = b =

b

Qmax px = Q1max + Q2max + Q3max

Q1 px = Q1 + Q2min + Q3min (®iÓm g·y)

Q2 px = Q1 + Q2 + Q3min (®iÓm g·y)

4.7 Phương pháp Lagrang trong phân phối tối ưu phụ tải ở nhà máy nhiệt điện

Bài toán: Nhà máy nhiệt điện có phụ tải: P

Số tổ máy làm việc đồng thời: n

Tổ máy (i) mang tải: PiTiêu hao nhiên liệu của tổ máy (i): BiTổng tiêu hao nhiên liệu của nhà máy: B = Bi

Hàm mục tiêu: B = B i → min

Ràng buộc về công suất:

P - Pi = 0

Pimin  Pi  PimaxHoặc Pi = 0

Hàm Lagrăng:

L = B i + P - P i  → min

Điều kiện cho hàm Lagrang đạt cực trị:

Tại điểm phân phối tối ưu suất tăng tiêu hao nhiên liệu củacác tổ máy bằng nhau

2 1



L P L P L P L

2 2 1 1

i n

n

P P

P B P B P B







i n

P

B P

B P

1



Hàm Lagrang đạt cực trị chưa chắc đã là cực tiểuHàm đạt cực tiểu khi đạo hàm bậc 2 >0

Đường đặc tính lõm của tổ máy cho giá trị cực tiểuKhi giải hệ phương trình để tìm P1, P2 Pn

So sánh (Pimin  Pi  Pimax hoặc P = 0)

2 2

2 1

1 2

n

n

P

B

P

B P

min min

i i

i i

i i

i i

P P

P P

P P

P P

- Tính lại nhu cầu phụ tải cần đáp ứng

- Tiến hành lại từ đầu việc phân phối tối ưu cho các tổ máycòn lại

- Nếu Pi < 0  Pi = 0 phân phối tối ưu lại phụ tải cho các

+ Nếu (Pi > P) giảm giá trị của () xuống

+ Lặp lại các bước tính từ đầu

+ Thay đổi giá trị của () đến khi nào đạt được (Pi= P)phép lặp dừng

(max)

PP

P =  − imin

4.8 Phương pháp quy hoạch động Bellman trong phân phối tối ưu phụ tải ở nhà máy nhiệt điện

Quy hoạch động là một phương pháp thường được áp dụng

để giải bài toán phân phối tối ưu phụ tải giữa các tổ máytrong nhà máy điện cũng như trong hệ thống điện

Mô hình quy hoạch động là một phương pháp toán họcgiải quyết vấn đề lựa chọn tối ưu bằng cách phân chia vấn

đề cần giải quyết thành các giai đoạn nhỏ dễ giải quyếthơn

Mô hình quy hoạch động giải quyết một cách điển hìnhvấn đề tối ưu hóa theo giai đoạn, từ đó giải quyết vấn đềtối ưu hoá toàn bộ

Việc tính toán trong các giai đoạn khác nhau được liên kết thông qua mối quan hệ lặp (lặp xuôi và lặp ngược)

Nguyên tắc tối ưu hoá của Bellman (1957) phát biểu:

“Một quỹ đạo tối ưu có đặc điểm là dù bất kỳ tình trạng và quyết định ban đầu như thế nào, những quyết định còn lại phải tạo thành quỹ đạo tối ưu, với việc xem trạng thái đó là kết quả từ quyết định đầu tiên”

Vấn đề của bài toán quy hoạch động là tìm quỹ đạo tối

ưu chứ không tìm chỉ một bộ phận tối ưu

Bài toán quyết định tuyến đường đi

Có mạng giao thông được cho trong hình, hãy quyết địnhtuyến đường để đi từ thành phố C0 đến thành phố C7

( ) n = C + f *( n − 1 )

fij ij i

Cij : Chi phí chuyển từ trạng thái i của bước thứ (n-1)(bước trước) tới trạng thái (j) của bước thứ (n) (bước hiệntại)

fij(n): Tổng chi phí của việc chuyển tới trạng thái (j) ởbước hiện tại (n) từ trạng thái (i) của bước trước (n-1)

f*i(n-1): Tổng chi phí nhỏ nhất tới trạng thái (i) của bước(n-1)

Đi từ C0 đến C7, dòng tiền sẽ được tích luỹ dần hướng từ

C n

f S

n

đó

S i

Chi phí chuyển từ

Si → Sj

C ij

Tổng chi phí nhỏ nhất nhất

đến bớc trớc

f *

i (n-1)

Tổng chi phí tới trạng thái hiện tại:

f ij (n) =

C ij +f * i (n-1)

Tổng chi phí nhỏ nhất đến trạng thái hiện tại

C7, C5, C3, C0 → C 0 , C 3 , C 5 , C 7 víi tæng chi phÝ nhá nhÊt lµ 5$

Tæng chi phÝ cña thñ tôc lÆp ngîc:



n f

C n

f S

n

Áp dụng QHĐ Bellman vào phân phối tối ưu phụ tải

Bài toán: Cần phân phối phụ tải (P) cho (n) tổ máy đang

vận hành của nhà máy Đặc tính năng lượng của các tổmáy là Qi(Pi) đã cho

min i

P P

P

P P

min )

P ( Q

Kết quả ở bước thứ (n) sẽ là kết quả tối ưu từ (n) bước lặp

- Bước quyết định đầu tiên (bước 1)

+ Chỉ xét một tổ máy chạy với phạm vi công suất

+ Xét tiêu hao năng lượng với phạm vi đã cho

- Bước tiếp theo (bước 2)

+ Đưa thêm một tổ máy bất kỳ vào

+ Tính toán các tiêu hao năng lượng tương ứng với cácnấc công suất có thể của cả hai tổ máy cung cấp được

+ Chọn sự phối hợp tối ưu ở từng nấc công suất (tiêuhao năng lượng nhỏ nhất)

Cần tìm tiêu hao năng lượng tối ưu cho các khả năng phối hợp cung cấp công suất đẳng trị của 2 tuabin

- Các bước tiếp theo

+ Lần lượt đưa các tổ máy vào vận hành

+ Tìm tiêu hao năng lượng tối ưu cho các nấc công suấtđẳng trị của các tổ máy

- Bước lặp được thực hiện liên tiếp cho đến tổ máy cuốicùng

Sự phối hợp tối ưu của các tổ máy ở bước cuối cùng là kếtquả phân phối tối ưu công suất cho tổ máy cuối cùng vàcác tiêu hao năng lượng nhỏ nhất đối với từng nấc côngsuất của nhà máy

Phụ tải tối ưu phân cho các tổ máy khác được tìm bằngcách đi ngược lại quá trình tính toán trên

Ví dụ: Áp dụng phương pháp quy hoạch động Bellman để

phân phối tối ưu phụ tải cho 3 tổ máy sau Biết 3 tổ máychạy song song và các tiêu hao năng lượng được cho ởbảng:

Bước 1: Chỉ cần xác định tiêu hao năng lượng của tổ máy 1 ở các nấc công suất

khác nhau: f1(P) = Q1 (P1)

Phạm vi phụ tải từ (0,2,4,6MW) Các tiêu hao năng lượng tương ứng: 2,3,4,5 (t/h)

Bước 2: Đưa tổ máy 2 vào vận hành, xác định hàm f2(P) theo công thức

P = 10MW f2(10) = min{ f1(10-P2) + Q2(P2)}Tiêu hao năng lượng tương ứng với công suất đẳng trị:

f2(10) = f1(4) + Q2(6) = 4 + 6 = 10 (t/h)

f2(10) = f1(6) + Q2(4) = 5 + 3 = 8 (t/h)

f2(10) = 8 (t/h)

P = 12MW f2(12) = min{ f1(12-P2) + Q2(P2)}Tiêu hao năng lượng tương ứng với công suất đẳng trị:

f2(12) = f1(6) + Q2(6) = 5 + 6 = 11 (t/h)

f2(12) = 11 (t/h)

Bước 3: Đưa tổ máy thứ 3 vào vận hành, xác định hàm f3(P) theo công thức:

f3(P) = min{ f2(P-P3) + Q3(P3)}

Hàm xác định trong khoảng phụ tải (0 - 18MW), với các tiêu hao năng lượng ở từng nấc công suất đẳng trị:

P = 0MW f3(0) = min{ f2(0-P3) + Q3(P3)}

Vì P1, P2, P3 không thể nhỏ hơn 0MW nên chỉ có một trường hợp (P1, P2,

P3 = 0) và tiêu hao năng lượng tương ứng: f3(0) = 2+1+1 = 4 (t/h)