專利名稱：單元機組熱電廠的運行方法及實施該方法的設備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單元機組熱電廠(BHKW)的運行方法，用它來按需生產(chǎn)有效能量，尤其如作為電能的電量和/或作為熱能的熱量或冷氣，其中電流和熱能的需求量要能在每天至少在接下來的24小時內(nèi)給予預測。此外，本發(fā)明也涉及實施該單元機組熱電廠(BHKW)運行方法的所屬設備，該設備具有運行單元機組發(fā)電廠的控制單元以及一相應的包括處理器和存儲器的最優(yōu)化計算機。
所謂單元機組熱電廠(BHKW)是指同時使用熱能的發(fā)電設備組，其中如不同的燃氣以及輕燃油或重燃油等初級能源借助于內(nèi)燃發(fā)動機(即活塞式發(fā)動機或燃氣輪機)被轉(zhuǎn)換。為覆蓋峰值熱負荷的需要還要加入加熱鍋爐。
以單元機組熱電廠設備特別多的使用在于它具有約85％-92％的很高的總效率，用這樣高的效率來將所用的初級能源轉(zhuǎn)換成電和有效熱。特別是40％左右的高值電能部分以及對電流和熱量的同時使用使單元機組發(fā)電廠產(chǎn)生很高的利潤。
在刊物BWK燃料-熱能-動力41卷(1989)第6期第273277頁上(BWK Brennstoff-Waerme-Kraft 41(1989),Nr.6)已推薦有一種用于動力-熱能結(jié)合的發(fā)電廠系統(tǒng)的晝夜運行優(yōu)化方法。在這一研究的范疇內(nèi)確切地說是證明了用于晝夜運行優(yōu)化的高效軟件的可用性和用途。該系統(tǒng)被提供用于在另外運行熱電廠的城市電站中加以實現(xiàn)。單元機組熱電廠的專門條件未被詳細研究。
在刊物BWK燃料-熱能-動力47卷(1995)第11/12期第461-464頁(BWK Brennstoff-Waerme-Kraft 47(1995),No.11/12)以及BWK燃料-熱能-動力48卷(1996)第1/2期第61-66頁(BWK 48(1996),No.1/2)中指出了單元機組熱電廠的存在問題。在上述出版物中詳細研究了在規(guī)劃和運作單元機組熱電廠時動力學的意義。從這一點出發(fā)可看到，至今尚沒有有效的工具來對單元機組熱電廠熱能關(guān)系的晝夜變化作計算機研究。尤其是，不同研究對象的典型化了的關(guān)系曲線是否能導致可接受的結(jié)果，這一問題由于缺乏足夠研究而不能夠被加以回答。從這一點出發(fā)則要求我們采用動態(tài)計算機輔助手段用于動態(tài)規(guī)劃。對實際情況來說，將根據(jù)運行試驗來研究運行最優(yōu)化的比較參數(shù)。但事實上在這中間仍需要有人工干預。
另外，在BWK燃料-熱能-動力47卷(1995)第11/12期第476-479頁上(BWK Brennstoff-Waerme-Kraft 47(1995),No.11/12)介紹到，可通過將一PC機輔助能源管理系統(tǒng)集成在控制與測量系統(tǒng)中來進行對單元機組熱電廠的運行優(yōu)化。對此重要的是除了要傳遞至PC機的那些數(shù)據(jù)外，還應提供反映經(jīng)濟性邊界條件的那些數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的目的是推薦一種運作單元機組熱電廠的方法及其設備，用它們可能在很大程度上自動化地實施運行優(yōu)化。
這一目的根據(jù)本發(fā)明是通過如下措施來實現(xiàn)的預測是根據(jù)當前所得的不同評判標準所作的一種預見性計算，且通過自動化評價來確定由此可導出的需求總量，其中對電量和熱量生產(chǎn)的選擇和/或調(diào)節(jié)則根據(jù)不同收費率階段中能源的費用來進行優(yōu)化。作為預見性計算的評價標準可采用不同設置的、自校正的當日標準曲線。為此可有一系列的參數(shù)適用于日常的運行。
根據(jù)本發(fā)明將追隨一種專用于單元機組熱電廠運行的自身封閉的方案。為此可通過下述對設備操作性能的改變來決定性地改善熱電廠的經(jīng)濟性-將設備運行集中在電力高收費率階段，-最佳地使用所生產(chǎn)的熱能，-最大可能地延長對發(fā)電機組的年使用期，-對輸入和輸出的能量進行優(yōu)化。
根據(jù)本發(fā)明僅僅根據(jù)能量費用來對電能和熱能的生產(chǎn)作最佳選擇。為此將具有優(yōu)越性地為對接下去的24小時的電能和熱能作預見性計算，從15分鐘數(shù)據(jù)的平均值中確定各自的能量消耗曲線，這些消耗曲線與供電公司的最大值檢測相同步。
在用于實施根據(jù)本發(fā)明的方法的從屬設備中，存儲器用于存儲當日標準曲線而輸入單元則用于輸入變量，這樣借助于選擇運行數(shù)據(jù)的工具可實現(xiàn)能量的最優(yōu)化。尤其是為此使用了業(yè)已組合在系統(tǒng)中的處理器單元。選擇運行數(shù)據(jù)的工具在這里是處理器用軟件。
根據(jù)本發(fā)明創(chuàng)造了一個新的用于單元機組熱電廠的監(jiān)控和最優(yōu)程序或系統(tǒng)。與之相應的軟件優(yōu)選地采用匯編語言并借助神經(jīng)網(wǎng)絡而被裝配在一自動化儀器中。
本發(fā)明其它的細節(jié)和優(yōu)點可從以下根據(jù)附圖對實施例的說明并結(jié)合其它的權(quán)利要求來加以了解。附圖中

圖1為從一單元機組熱電廠所調(diào)出的對于夏季、過渡期和冬季的熱能需求曲線，圖2為圖1中表征的過渡期中的熱能需要和機組運行時間，其中有選擇地帶或不帶冷卻塔進行處理，圖3為圖1所示過渡期例子的自動計算曲線，圖4為一能量優(yōu)化程序的結(jié)構(gòu)圖。
單元機組熱電廠(Blockheizkraftwerke,(BHKW))用于在使用初級能源的條件下生產(chǎn)電量和熱量。BHKW為小型發(fā)電廠，它在需要能源的地方生產(chǎn)能源。初級能源(例如天然氣、柴油)或廢料能源(例如廢氣、垃圾站廢氣、礦井廢氣)在這里有效且有利于環(huán)保地被轉(zhuǎn)換成有用能源(熱量、冷氣、電力)。
除了用于峰值熱負荷的鍋爐以及組合電能和熱能的外圍系統(tǒng)外，在中心地位還有一帶同步發(fā)電機的燃氣發(fā)動機機組。發(fā)動機的廢氣、冷卻水以及其它的熱源被作為加熱和處理能源來加以利用。
單元機組熱電廠設備被組裝有100kW至約20000kW的電功率。一單元機組熱電廠設備組成有一臺或多臺(最多為6到8臺)機組以及在可能的情況下要求有峰值負荷鍋爐。
如已經(jīng)知道的，單元機組熱電廠的經(jīng)濟性產(chǎn)生于電能和熱能生產(chǎn)中的高效率。根據(jù)不同的使用條件，效率可達85％～90％。對單元機組熱電廠的組成部分的設計和配置的改善的可能性因此也已經(jīng)被研究得差不多了。
圖1～3示出能量需求的各當日曲線。圖中橫坐標以時間小時為刻度，而縱坐標則表示功率，每刻度為1000kW。圖1中從1到3示出三條曲線，分別表示在夏季、過渡期和冬季一天中的熱能需求。從中可看到，每條曲線均有很顯著的帶尖峰的曲線走勢，尤其是在早晨，中午和晚上。這些曲線原則上是已知的。
圖2示出圖1中的曲線2，各熱能的需求是通過機組運行時間來實現(xiàn)的。尤其是有兩臺或三臺機組被運行，它們比如每臺產(chǎn)生1.7MW的功率。由此在前面的例子中，可算出要承受5MW以上的需要量，該需求量正如在清晨時間里所需求的量一樣。由于在中午的數(shù)小時內(nèi)需求量下降，而在傍晚的數(shù)小時內(nèi)與之相對則上升到例如7MW，三臺機組在中午時分可激活一蓄能器，而在傍晚時可從中取出附加的熱能。
熱能需求可比如分別根據(jù)圖1和圖2中的曲線2具有比如500kW的一定的帶寬。如下面將要示出的那樣，可通過外部修正因素來詳細確定精確的曲線，其情形比如如圖3所示。因此對當日過程各自有一能量優(yōu)化程序。
能量優(yōu)化程序基本上包括如下功能1)消耗預測對電能和熱能的一種可靠和高精度的消耗預測被制出來，以連續(xù)地用于接下去的24小時。消耗曲線由取平均的15分數(shù)數(shù)值所組成，該數(shù)值與供電公司的最大值測量同步。
預測比如是根據(jù)8條不同的自校正當日模型曲線來計算出的。作為預測計算中的參數(shù)，其中包括外部溫度、用于電能和熱能消耗的最后四個被測數(shù)值的向量、以及一用于當日模型的編程了的日歷。
提供有以下的參數(shù)a)儲存分別用于電力和熱能的當日模型曲線-普通工作日-過渡工作日(春季運行結(jié)束)-工作日前一天，例如星期日-工作日后一天，例如星期六-兩工作日間的一天-兩班運行的工作日-特殊日1(過渡日)-特殊日2(臨時性運行)所有當日模型持續(xù)且自動地被用具有相同模型的最近5天的平均實測值來加以校正。b)用于當日曲線的校正功能-外部溫度
-依據(jù)一天時間的參考值校正性地作用于熱需求曲線。
-熱功率小時平均值熱功率變化的斜率將同輸出曲線進行比較并用來校正熱需求曲線。
-電力需求小時平均值電功率變化的斜率將同輸出曲線進行比較并用來校正電力需求曲線。
-空氣濕度在需要時將測量空氣濕度并根據(jù)參考值來匹配熱需求曲線。
-光照度(太陽/多云)根據(jù)需要測量一天光照度并根據(jù)參考值來匹配電力-熱量需求曲線。
c)日歷功能-1年(12個月)運行時間-輸入當日模型2)評價能量費用能量類型和所需該能量的時期被排列在一張具有20個等級的價值度表中。具體來說，最貴的能量形式(比如峰值電流)具有價值度“1”，而最便宜的能量形式(比如晚間取暖熱量)具有價值度“20”。
根據(jù)所儲存的高收費率時期和低收費率時期以及所計算的消耗曲線來確定系統(tǒng)價值度等級的轉(zhuǎn)換。
采用能量費用得分的評價標度例得分1．峰值電流生產(chǎn)402．高收率率期間電能生產(chǎn)223．高收費率期間熱能生產(chǎn)84．高收費率期間用于對低收費率時期的熱能儲存75．低收費率期間儲熱器排空 66．低收費率期間熱能生產(chǎn)57．高峰負荷鍋爐燃燒值 28．煤氣儲存器排空(初級能源)29．煤氣儲存器充填(初級能源)010．高峰負荷鍋爐 011．排熱用冷卻塔 -6
12．經(jīng)新鮮水循環(huán)冷卻 -413．煤氣(初級能源) -414．廢氣(初級能源) -415．柴油(初級能源) 016．負荷卸載 等級1……16 -1017．峰值負荷煤氣(初級能源) -403)需求曲線匹配實際測到的校正系數(shù)與程序中儲存的曲線的系數(shù)相比較，該曲線然后通過相應的向上或向下平移來實際化。對校正系數(shù)的增強系數(shù)將單獨預先給定。運行時間優(yōu)化始終與現(xiàn)實曲線一起工作。4)能量數(shù)據(jù)專門設備部件的數(shù)量和功能被輸入到計算機程序的操作界面中。各個系統(tǒng)的可用性通過外部的單元機組熱電廠-MSR技術(shù)自動加以校正。根據(jù)生產(chǎn)和消耗數(shù)據(jù)以及單個部件的承載特性來調(diào)節(jié)理想的運行方式。
5)運行時間優(yōu)化能量優(yōu)化程序根據(jù)被預測的熱量需求計算在未來24～48小時內(nèi)在電量低收費率階段期的熱量需求總量，且將未來的需求量與為此所已有的以及所要求的儲熱容量作比較。
只要可能，則如下地來運行電量/熱量生產(chǎn)機組使整個熱量需求在電量高收費率期間通過機組來生產(chǎn)。
如果機組的功率或儲熱器的容量不允許這樣做，則對應于所缺少的熱能對于取決于能量價值度的機組或用于基本負荷生產(chǎn)的鍋爐也可以讓它們在低收費率階段連續(xù)運行，這樣存儲量也足夠滿足低程度的需求量。
采用相同的方式且采用相似的總量組成以及計算各自的能量費用，則可合理地對所有生產(chǎn)部件和循環(huán)冷卻部件的使用進行調(diào)節(jié)，能量優(yōu)化程序因此可通過對機組和鍋爐理想的使用在大部分場合實現(xiàn)對安裝功率的減少，亦即減少整個投資。
進一步可通過實施最佳費用的運行來節(jié)省初級能源且產(chǎn)生更多的高值能量，從而也提高設備運行所產(chǎn)生的利潤。
采用上述詳細敘述的評價標準，可來制造一種軟件，用它來驅(qū)動一已有的處理器。其中重要的是，所有用于連續(xù)運行單元機組熱電廠的相關(guān)數(shù)據(jù)均被采集到。一種這樣的能量優(yōu)化程序的結(jié)構(gòu)給出在圖4中，該圖形基本上是一看就明了的。
圖4中示出專門用于單元機組熱電廠的用數(shù)字10等所代表的有關(guān)熱量需求的單元并且用20等數(shù)字所代表的有關(guān)電量需求的單元。詳細來說，11表示組成和儲存用于熱量需求的當日模型曲線(比如9個當日模型)，而12為熱量需求的校正計算，其中在單元13中導出用于比如從24小時到48小時的需求預測。與之完全相對應，單元21包括組成和儲存用于電量需求的當日模型曲線，比如9個當日模型，而22則為對電量需求的校正計算，其中在單元23中導出用于比如從接下來的24到48小時間的電量需求預測。由該電量需求預測在單元24中對利用動力-熱量組合可產(chǎn)生的熱量進行計算，其中與用于對熱需求作預測的單元13一起來控制用于預測和利用儲熱容量的單元25。在相同的路線上有一單元26，用于具有網(wǎng)絡同步最大值檢測和某些情況下對供電公司峰值電流需求有要求的電量收費率間隔段。
接下來的單元30用于機組運行時間優(yōu)化，用于在高收費率期間最大能力地生產(chǎn)電力。與單元30相連接的有用于選擇所需的動力-熱量組合機組的單元32，以及用于確定不需要的、但卻是可利用的動力-熱量組合機組的單元33。在相同的線路上另外還有一單元34，其中存放有一張被評價的能量表(比如20個評價值)，還有一單元35，用于存放如狀態(tài)、容量等提供和提取的可能性，同樣也分為20個值。由單元32～35來控制一后接單元，用于在考慮所有待輸出的能源及其值的條件下進行能量值優(yōu)化。從單元40來對單個的機組1-n(例如鍋爐、蓄能器、冷卻塔等)分別來調(diào)出單個的要求。
在圖4的結(jié)構(gòu)圖中示出的各單元由合適的軟件來進行模擬，該軟件可簡單地用匯編語言來編寫。
如果對所述的能量優(yōu)化程序不能夠確定精確的解析關(guān)系，就可以從近似出發(fā)有利地使用神經(jīng)網(wǎng)絡，該神經(jīng)網(wǎng)絡這樣來訓練，使它能根據(jù)各種情況通過自學習來加以調(diào)節(jié)。
權(quán)利要求
1．一種單元機組熱電廠(BHKW)的運行方法，用它來根據(jù)需求產(chǎn)生有效能量，特別如作為電能的電量和/或作為熱能的熱量或冷氣，其中電量和熱量的需求每天至少在接下去的24小時內(nèi)能被預測，其特征在于預測是根據(jù)現(xiàn)實所具有的、不同的評價標準所作的預見性計算，且由此所導出的消耗總量是用一種自動評價方法來確定的，其中對電量和熱量生產(chǎn)的選擇和/或調(diào)節(jié)根據(jù)在不同收費率階段的能量費用來加以優(yōu)化。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述電量盡可能地在高收費率階段生產(chǎn)。
3．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于為對接下來的24小時內(nèi)的電量和熱量作預見性預測，要從被平均的15分鐘數(shù)值中確定消耗曲線，這些曲線與供電公司的最大量檢測同步。
4．如權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于不同設計的可自動校正的當日模型曲線被用作對預見性計算的評價標準。
5．如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于作為當日模型曲線其依據(jù)的基礎(chǔ)為-普通工作日-過渡工作日(春季運行結(jié)束)-工作日前一天，比如星期日-工作日后一天，比如星期六-兩工作日中間的一天-兩班運行的工作日-特殊日1(過渡日)-特殊日2(臨時運行)。
6．如上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于作為已有評價標準的參數(shù)有外界溫度、至少最近4個對電量和熱量消耗所測值的向量，以及一用于當日模型的編程好的日歷。
7．如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于規(guī)定了用于當日曲線的校正函數(shù)。
8．如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于在校正函數(shù)中被輸入有根據(jù)外界溫度、熱功率的小時平均值、電量需求的小時平均值、空氣濕度和/或日照度的變化或斜率。
9．如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于熱功率和/或電量需求的變化是根據(jù)小時平均值被采集的。
10．如上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于考慮對各個能量種類和不同時期的能量費用。
11．如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于能量種類和在其中要求各個能量種類的時期被提供有比如被分為20個等級的價值度。
12．如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于根據(jù)所儲存的高收費率和低收費率的時間段以及所計算的消耗曲線來進行系統(tǒng)價值度等級的切換。
13．一種用于實施如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2-12之一所述運行方法的設備，它包括用于運行單元機組熱電廠的控制單元和一相應的具有處理器和存儲器的優(yōu)化計算機，其特征在于所述存儲器適用于存儲當日模型曲線，輸入單元用于輸入變量，這樣便具備有用于選擇能量優(yōu)化用運行數(shù)據(jù)的工具。
14．如權(quán)利要求13所述的設備，其特征在于使用一已有的處理器。
15．如權(quán)利要求12所述的設備，其特征在于用于選擇運行數(shù)據(jù)的工具被實現(xiàn)為軟件。
16．如權(quán)利要求13所述的設備，其特征在于所述軟件是一用于單元機組熱電廠的測控和優(yōu)化程序或系統(tǒng)(LEOPS,Leit-und Optimierungs-programm bzw.System)。
全文摘要
一種單元機組熱電廠的運行方法及實施該方法的設備,用它來按需生產(chǎn)有效能源,尤其如作為電能的電量和/或作為熱能的熱量或冷卻量,按照本發(fā)明,依據(jù)現(xiàn)實所具有的不同的評價標準對至少在接下去的24小時內(nèi)的電量和熱量需求作預見性計算,計算并由此求出消耗總量,由此得出,上述設備最好在高收費率階段在最佳地利用輸入和輸出能量的情況下運行。所述設備包含一自動化設備的處理單元,該處理單元尤其可以是設備中已有的,為該處理單元提供有一合適的軟件。借助現(xiàn)有數(shù)據(jù)能實現(xiàn)用于單元機組熱電廠(BHKW)的能源優(yōu)化程序。
文檔編號F02G5/00GK1218536SQ97194590
公開日1999年6月2日 申請日期1997年4月1日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月3日
發(fā)明者曼弗雷德·赫布斯特 申請人:西門子公司