一种考虑电解铝热传导特性的机组组合方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种考虑电解铝热传导特性的机组组合方法及装置，属于电气工程领域，该方法包括：考虑铝电解槽热传导特性，建立其热传导模型；基于铝电解槽热传导模型，建立电解铝参与需求响应模型；建立考虑电解铝参与需求响应的机组组合模型；采用混合整数线性规划算法对模型进行求解，得到电力系统最优调度方案。本发明专利技术提出的考虑电解铝热传导特性的机组组合方法可以有效保障电解铝参与需求响应时的安全性，有助于推动电解铝企业参与需求响应，提高调度的灵活性和系统运行的经济性。提高调度的灵活性和系统运行的经济性。提高调度的灵活性和系统运行的经济性。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑电解铝热传导特性的机组组合方法及装置


[0001]本专利技术属于电气工程领域，更具体地，涉及一种考虑电解铝热传导特性的机组组合方法及装置。

技术介绍

[0002]随着我国“双碳目标”的制定，能源发展亟待转型升级，以构建清洁低碳高效的能源体系。在电力生产端，风电、光伏等可再生能源将逐步取代传统的化石能源。但是，大规模风电并网亦加剧了风电随机性和波动性的影响，对电网的安全性和稳定性提出了新的要求。传统的火电机组受到出力限制、爬坡限制等诸多运行要求，可能无法及时适应风电波动性的影响，而灵活的需求侧资源则可以和火电机组相协调，确保电力系统安全可靠运行。
[0003]我国作为电解铝生产大国，产量占据全球份额一半以上。电解铝属于高耗能的工业负荷，一个电解铝厂的容量可达数百兆瓦，若对电解铝的生产进行合理引导，便可以提供数兆瓦的响应容量，调控潜力巨大。此外，工厂高度的自动化系统和完善的数据监管系统使得负荷调控方便而灵活，并且减少了设备的投资成本。但是，考虑电解铝负荷参与需求响应需要对铝电解槽进行科学合理的建模，既要避免对电解铝的生产设备造成不利影响，又要避免模型过于复杂不利于机组组合的求解。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种考虑电解铝热传导特性的机组组合方法及装置，可以在确保电解铝参与需求响应的安全性的前提下，获得更加经济的机组组合方案，旨在提高电力系统日前调度的灵活性和系统运行的经济性。
[0005]为实现上述目的，本专利技术一方面提供了一种考虑电解铝热传导特性的机组组合方法，包括以下步骤：
[0006]以总运行成本最小为目标函数建立机组组合模型，所述机组组合模型包括电解铝负荷相关约束和机组组合约束；
[0007]根据预置混合整数线性规划算法求解所述机组组合模型，得到目标机组组合方案。
[0008]如图1所示，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]步骤1：建立铝电解槽热传导模型
[0010]为便于分析铝电解槽的热传导特性，如图2所示，将铝电解槽划分为两个体系：电解质
‑
铝液体系和槽壳
‑
阳极炭块体系，二者分别对应液态体系和固态体系。
[0011](1)电解质
‑
铝液体系
[0012]电解质
‑
铝液体系是电化学反应发生场所，其温度将直接影响铝电解过程。以电解质为研究对象，其热量计算公式为：
[0013]Q
in1
‑
Q
reac
‑
Q
h
‑
Q
cout1
‑
Q
dout
‑
Q
ex
＝c
e
m
e
ΔT
e
[0014]式中，Q
in1
为电解质吸收的电流产生的部分焦耳热；Q
reac
为电化学反应过程所吸收
的热量；Q
h
为加热物料所需的热量；Q
cout1
为电解质对侧部槽壳的散热量；Q
dout
为电解质对顶部阳极炭块的散热量；Q
ex
为电解质与铝液交换的热量；c
e
为电解质的比热容；m
e
为电解质的质量；ΔT
e
为电解质温度变化量。
[0015]以铝液为研究对象，其热量计算公式为：
[0016]Q
in2
+Q
ex
‑
Q
cout2
＝c
l
m
l
ΔT
l
[0017]式中，Q
in2
为铝液吸收的电流产生的部分焦耳热；Q
cout2
为铝液对侧部槽壳的散热量；c
l
为铝液的比热容；m
l
为铝液的质量；ΔT
l
为铝液温度变化量。
[0018]由于熔融的电解质和铝液处于循环流动状态，其内部温度梯度很小，电解质和铝液的温度可视为均匀一致，因此可将电解质和铝液合并为一个体系。此时，电解质与铝液的温度变化量相同，即ΔT
e
＝ΔT
l
。
[0019]因此，上式合并得：
[0020]Q
in
‑
Q
reac
‑
Q
h
‑
Q
cout1
‑
Q
cout2
‑
Q
dout
＝(c
e
m
e
+c
l
m
l
)ΔT
e
[0021]式中，Q
in
＝Q
in1
+Q
in2
，表示电流输入电解槽产生的焦耳热，其表达式为：
[0022]Q
in
＝(U
cell
‑
E)IΔt
[0023]式中，U
cell
为槽电压；E为电解槽反电动势；I为通入电解槽的电流强度；Δt为单位时间。
[0024]根据中国有色金属工业指标体系，单位时间内，每台电解槽的铝产量可按下式计算：
[0025]M＝0.3356Iη
[0026]式中，η为电流效率。
[0027]铝电解反应为吸热反应，其吸收的热量Q
reac
可表示为：
[0028][0029]式中，为生产每吨铝电化学反应的折合电能消耗。由热力学第一定律，温度为900～1000℃时，铝电解反应热焓约1094kJ/mol，折合电能消耗约为5.63kWh/kg(Al)。
[0030]原料氧化铝通过超浓相输送系统输送至电解槽内，物料加热至反应温度需要吸收部分热量，该热量Q
h
可表示为：
[0031][0032]式中，为生产每吨铝加热物料的折合电能消耗，约为0.7kWh/kg(Al)。
[0033]在固液相边界，热量以对流传热的形式通过交界面传递。电解质和铝液向侧部槽壳的散热量以及电解质向顶部阳极炭块的散热量，可由对流换热公式计算得到：
[0034]Q
cout1
＝h
e
(T
e
‑
T
s
)A
e
Δt
[0035]Q
cout2
＝h
l
(T
e
‑
T
s
)A
l
Δt
[0036]Q
dout
＝h
c
(T
e
‑
T
s
)A
c
Δt
[0037]式中，T
e...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑电解铝热传导特性的机组组合方法，其特征在于，包括以下步骤：以总运行成本最小为目标函数建立机组组合模型，所述机组组合模型包括电解铝负荷相关约束和机组组合约束；采用预置混合整数线性规划算法求解所述机组组合模型，得到目标机组组合方案。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标函数为：其中，t为时段编号；i为火电机组编号；j为风电场编号；T
N
为时段总数；N
g
为火电机组总数；N
w
为风电场总数；N
ea
为电解槽系列总数；为时段t火电机组i的煤耗成本；为时段t火电机组i的开机成本；和分别为火电机组i提供上/下备用的容量价格系数；和分别为时段t火电机组i提供的上/下备用容量；C
wind
为弃风价格；为时段t风电场j的弃风量。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电解铝的槽热传导模型为：征在于，所述电解铝的槽热传导模型为：征在于，所述电解铝的槽热传导模型为：其中，T
e
为电解质
‑
铝液体系的温度；T
s
为槽壳
‑
阳极炭块体系的平均温度；Δt为单位时间；U
cell
为槽电压；E为电解槽反电动势；I为通入电解槽的电流强度；M为每台电解槽的铝产量；为生产每吨铝电化学反应的折合电能消耗；为生产每吨铝加热物料的折合电能消耗；c
e
为电解质的比热容；m
e
为电解质的质量；c
l
为铝液的比热容；m
l
为铝液的质量；h
e
为电解质与侧部槽壳间的对流换热系数；A
e
为电解质与侧部槽壳间的换热面积；h
l
为铝液与侧部槽壳间的对流换热系数；A
l
为铝液与侧部槽壳间的换热面积；h
c
为电解质与顶部阳极炭块
间的对流换热系数；A
c
为电解质与顶部阳极炭块间的换热面积；c
s
为槽壳
‑
阳极炭块体系的比热容；m
s
为槽壳
‑
阳极炭块体系的质量；h
s
为槽壳
‑
阳极炭块体系与空气间的对流换热系数；A
s
为槽壳
‑
阳极炭块体系与空气间的换热面积；T
a
为外界环境温度；a、b、c、d、K均为常系数。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电解铝负荷约束包括：功率约束日产量约束温度约束其中，l为电解槽系列编号；P
lt
为电解槽系列l在时段t的功率；P
lmax
和P
lmin
分别为电解槽功率的最大值和最小值；U
l
为电解槽系列电压；I
lt
为电解槽系列l在时段t通入的电流强度；和表示电解铝厂日能耗的最小值和最大值；和分别表示电解质允许温度的最小值和最大值。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机组组合约束包括：功率平衡约束火电机组出力约束火电机组爬坡约束火电机组最小开机/停机时间约束火电机组备用容量约束支路潮流约束
弃风量约束其中，d为负荷节点编号；P
it
为时段t火电机组i的有功功率；W
jt
为时段t风电场j的预测功率；L
dt
为时段t节点d的预测负荷功率；P
imin
和P
imax
分别为火电机组i有功出力的最小值和最大值；U
it
表征火电机组i的运行状态；r
iup
和r
idn
表示火电机组i的上/下爬坡速率；T
ion
和T
ioff
分别表示火电机组i的最小开机/停机时间；S为灵敏度矩阵；P为火电机组功率矩阵；W为风电场功率矩阵；L为负荷功率矩阵；P
l
为铝电解槽功率矩阵；为线路潮流最大值矩阵。6.一种考虑电解...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成龙，艾小猛，方家琨，周博，乐零陵，姚伟，文劲宇，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：