天然氣發電廠最佳化調度模式探討 —同時考量環保與經濟因素

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林志強(CHIH-CHIANG LIN) 查詢紙本館藏

畢業系所

環境工程研究所在職專班

論文名稱

天然氣發電廠最佳化調度模式探討 —同時考量環保與經濟因素
(Optimal of Natural Gas Power Plant Dispatch Model - Considering Both Environmental and Economic Factors)

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摘要(中)

由於氣候變遷、環保意識抬頭，電力市場的經營必須兼顧經濟與環保方能提升整體競爭力以永續經營。本論文提出天然氣發電廠考量經濟因素與二氧化碳及氮氧化物排放等環保因素之最佳化調度模式，首先以機組效率試驗資料分別建構發電燃料成本、二氧化碳排放、氮氧化物排放等數學模型此模型為連續多項式函數，利用拉格朗日乘數法及粒子群演算法具有設定參數少及收斂速度快等特點來最佳化數學模型，求取最小燃料成本及最小排放量之單目標調度模式，再以雙目標妥協法建構兼顧經濟與環保之電力調度策略。研究結果顯示各機組運轉之污染排放量分析可作為氣渦輪機燃燒調校的決策參考。在電力調度上本文除以固定負載分析外，亦以實際一日負載需求驗證所提出之經濟及排放減量調度理念。其中以燃料成本為調度目標可日減燃料成本七十九萬元（相當於效率提升0.51 %）、二氧化碳排放量1018.3 ton（3.88 %）、氮氧化物排放量171.4 kg（1.42 %）之成效；另一方面，若以氮氧化物排放為調度目標則可日減氮氧化物排放量536.7 kg （4.44 %）、減少燃料成本五十點六萬元（相當於效率提升0.37%）、二氧化碳排放量減少888.8 ton（3.39 %）。此外，若以二氧化碳排放為調度目標則可達日減二氧化碳排放量1538.9 ton（5.86%）之效果，但燃料成本增加二十八點五萬元（相當於效率降低0.21 %）且氮氧化物排放量增加1738 kg（14.37 %）；因此運轉決策者可依據上述結果，視實際需求擬定運轉調度策略，以達到同時兼顧經濟與環保的電力調度規劃目的。

摘要(英)

Due to the concerns of climate change and the rise of environmental protection consciousness, operation of electricity-generation system should take economics and environmental protection into account to achieve better overall competitiveness and sustainable management. This thesis proposes an optimal dispatch model by considering fuel consumption and environmental factors including CO2 and NOx emissions from a natural gas power plant. At first, a mathematical model considering the cost of fuel, CO2 and NOx emission was constructed by compiling the information collected during efficiency testing. The output pf this model is a continuous polynomial function. Next, it uses Lagrange Multiplier Method and Particle Swarm Optimization with less parameters and higher convergence speed to optimize the mathematical mode by obtaining the minimum fuel cost or minimum pollutant emissions. The single objective dispatch mode is then further developd to take economics and environmental protection into account and works as a dual-objective compromise method. The results indicate that analysis of pollutants emitted from each unit can be regarded as a strategic decision parameter of gas turbine combustion tuning. In addition to fixed load analysis, the concept of minimizing fuel cost and pollutant emissions can be adopted for power dispatching by considing actual load demand. The results indicate that optimization of fuel cost as the dispatching objective can reduce the daily fuel cost by seven hundred ninety thousand NT dollars (equivalent to rise up 0.51% of efficiency), CO2 emission is reduced by 1018.3 ton (3.88%), and NOx emission is reduced by 171.4 kg (1.42%). On the other hand, optimization with NOx emission as the daily dispatching objective can reduce daily NOx emission by 536.7 kg (4.44%) and decrease fuel cost by five hundred and six thousand NT dollars (equivalent to 0.37% of efficiency increase) and reduce CO2 emission by 888.8 ton (3.39%). Furthermore, optimization with CO2 emission as the dispatching objective would reduce the daily CO2 emission by 1538.9 ton (5.86%), but fuel cost is increased by two hundred eighty-five thousand NT dollars (equivalent to 0.21% of efficiency reduction) and NOx emission is increased by 1738 kg (14.37%). Therefore, the decision maker can take these results and draw up the operation dispatching strategy by considering actual load demand to achieve the best power dispatch mode by considering both economic and environmental factors.

關鍵字(中)

★ 二氧化碳
★ 氮氧化物
★ 拉格朗日乘數法
★ 粒子群演算法
★ 氣渦輪機
★ 電力調度

關鍵字(英)

★ CO2
★ NOx
★ Lagrange Multiplier Method
★ Particle Swarm Optimization
★ Gas Turbine
★ Power Dispatch

論文目次

摘要 i
Abstract ii
誌謝 iv
目錄 v
圖目錄 viii
表目錄 xi
符號說明 xiv
第一章前言 1
1-1 研究緣起 1
1-2 研究目的 3
第二章文獻回顧 4
2-1 國內電力系統現況 4
2-1-1 電業結構系統介紹 4
2-1-2 歷年國際燃料價格及台電平均電價趨勢 4
2-2 A發電廠營運現況 5
2-2-1 A發電廠機組設備介紹與NOx排放限制 5
2-2-2 歷年供電實績及發電成本分析 8
2-2-3 歷年NOx排放濃度及NOx與CO2排放量統計 9
2-3 台電實施事業部及經濟部電業自由化規劃方案日程說明 11
2-4 氮氧化物生成機制及氣渦輪機燃燒穩定性調校 12
2-4-1 氮氧化物成機制 12
2-4-2 A電廠燃燒器型式 14
2-4-3 氣渦輪機燃燒穩定性調校 17
2-5 典型的經濟及排放減量調度 18
2-5-1 電力系統經濟調度模式與方法 18
2-5-2 考慮污染排放之電力系統經濟調度與方法 20
2-5-3 A發電廠電力調度現況與整廠經濟及排放減量調度思考模式與方法 21
第三章研究方法 25
3-1 研究流程與步驟 25
3-2 負載與污染排放量目標函數建立 27
3-2-1 發電成本目標函數建立及限制式 27
3-2-2 二氧化碳排放模型及排放量目標函數建立 33
3-2-3 氮氧化物排放量目標函數建立 36
3-3 最佳化分析方法 38
3-3-1 拉格朗日乘數法(Lagrange Multiplier Method)求解最低燃料成本 38
3-3-2 粒子群最佳化演算法(Particle Swarm Optimization, PSO) 之應用 40
3-4 抵換曲線與污染排放減量之增量發電成本曲線 44
3-5 多目標規劃之交談式最佳妥協法(Interactive Best Compromise Method) 45
3-6 多目標規劃之電力調度模式 51
3-6-1 電力調度目標規劃模式 51
3-6-2 多目標電力調度規劃步驟 52
第四章結果與討論 55
4-1 A發電廠負載與污染排放強度關係 55
4-2 氮氧化物排放強度一年中之變化 59
4-3 整廠調度最佳化模擬結果及分析 60
4-3-1 可調度區間計算 60
4-3-2 抵換曲線與污染排放減量之增量燃料成本曲線 64
4-3-3 多目標規劃之電力調度 68
4-4 一日負載需求最佳化結果 72
4-4-1 燃料成本最佳化結果 73
4-4-2 二氧化碳排放最佳化結果 76
4-4-3 氮氧化物排放最佳化結果 79
4-4-4 燃料成本與二氧化碳排放雙目標最佳化結果 82
4-4-5 燃料成本與氮氧化物排放雙目標最佳化結果 84
4-5 季節氣溫變化對模擬調度結果的影響 86
4-6 污染排放強度與其他電廠對照比較 88
4-7 機組熱效率與其他電廠對照比較 92
第五章結論與建議 96
5-1 結論 96
5-2 建議 97
參考文獻 99
附錄一效率試驗資料 103
附錄二各運轉機組之目標函數迴歸係數彙整 111
附錄三 104年2月28日實際運轉數據 114
附錄四 104年2月28日最佳化模式運轉數據 116
附錄五 104年6月20日實際運轉數據 121
附錄六 104年6月20日最佳化模式運轉數據 125

參考文獻

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指導教授

張木彬

審核日期

2015-7-29

推文