大型火電機(jī)組冷端優(yōu)化在線指導(dǎo)系統(tǒng)的研究

李 蔚，馬 潔，盛德仁，孫永平，侯玲玲

（1.浙江大學(xué)能源系，杭州 310027；2.浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014；3.寧波四維科技有限公司，浙江 寧波 315020）

在火力發(fā)電廠凝汽式汽輪機(jī)組的熱力循環(huán)中，凝汽設(shè)備起著冷源作用，其主要任務(wù)是將汽輪機(jī)排汽凝結(jié)成水，并在排汽口建立和維持一定的真空，使蒸汽的熱能盡可能多地轉(zhuǎn)化為電能。因此研究大型火電機(jī)組冷端優(yōu)化問(wèn)題，對(duì)于節(jié)約廠用電、提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性具有重要意義[1-2]。

在介紹大型火電機(jī)組冷端系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，著重建立冷端系統(tǒng)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，包括目標(biāo)函數(shù)、各項(xiàng)設(shè)備特性和約束條件；然后研究冷端優(yōu)化在線指導(dǎo)程序的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，該系統(tǒng)具有在線實(shí)時(shí)計(jì)算、模擬工況和仿真工況計(jì)算功能；最后輸入北侖發(fā)電廠1號(hào)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，應(yīng)用本系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，為操作人員提供了量化的優(yōu)化指導(dǎo)意見(jiàn)。

1 冷端系統(tǒng)優(yōu)化模型

大型火電機(jī)組冷端系統(tǒng)包括汽輪機(jī)的低壓缸末級(jí)組、凝汽器、冷卻塔、循環(huán)水泵和供水系統(tǒng)、空氣抽出系統(tǒng)等。凝汽器真空與環(huán)境溫度、江河水位、機(jī)組負(fù)荷、循環(huán)水系統(tǒng)的水力特性、凝汽器特性、汽輪機(jī)末級(jí)參數(shù)、管子清潔程度、真空嚴(yán)密性以及抽氣器的結(jié)構(gòu)特性等眾多因素有關(guān)[3-4]，凝汽器真空主要由機(jī)組負(fù)荷、循環(huán)水進(jìn)水溫度、循環(huán)水流量這三者決定。

1.1 優(yōu)化目標(biāo)

冷端系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題具體可描述為：在循環(huán)水系統(tǒng)的外部工作條件（如循環(huán)水溫度、水位、機(jī)組負(fù)荷等）以及內(nèi)部條件（如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備性能等）已經(jīng)確定的情況下，尋求最優(yōu)的循環(huán)水泵運(yùn)行組合、葉角開(kāi)度和凝汽器出口管道閥門開(kāi)度等調(diào)整目標(biāo)，使凝汽器處于最佳真空狀態(tài)，以求得增加的汽輪機(jī)電功率ΔPel扣去循環(huán)水泵多消耗的電功率ΔPp后折算得到的最高運(yùn)行收益。目標(biāo)函數(shù)可用式（1）表示，該目標(biāo)函數(shù)綜合考慮了煤價(jià)、電價(jià)因素的影響。

式中： ΔC=ΔPel×bcp×Cb，ΔC 為運(yùn)行費(fèi)用收益，ΔPel為機(jī)組的發(fā)電增量，bcp為機(jī)組的發(fā)電煤耗率，Cd為標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)；ΔC1為機(jī)組發(fā)電增量折算成的煤耗成本； ΔC2=ΔPp×Cd，ΔC2為循泵發(fā)電增量折算成的電價(jià)費(fèi)用增加，ΔPp為循環(huán)水泵的耗電增量，Cd為上網(wǎng)電價(jià)。

1.2 系統(tǒng)特性

1.2.1 汽輪機(jī)特性

汽輪機(jī)特性是指在某一新蒸汽參數(shù)和流量下，汽輪機(jī)功率與排汽壓力之間的關(guān)系。圖1為通過(guò)真空變化試驗(yàn)獲得的北侖發(fā)電廠1號(hào)機(jī)低壓凝汽器真空變化對(duì)機(jī)組熱耗率的修正曲線，可將修正曲線擬合成為多項(xiàng)式進(jìn)入計(jì)算機(jī)程序運(yùn)算，如式（2）所示。

式中：y為熱耗變化率；x為凝器汽真空偏差。

1.2.2 凝汽器特性

凝汽器特性是指凝汽器壓力與循環(huán)水流量、循環(huán)水進(jìn)水溫度以及汽輪機(jī)排汽量之間的關(guān)系，可用函數(shù)式（3）表示[5]。

圖1 低壓凝汽器真空變化對(duì)熱耗率的修正曲線

式中： pc為凝汽器的蒸汽壓力；ts=tw1+Δt+δt，ts為蒸汽的凝結(jié)溫度，tw1為循環(huán)水進(jìn)水溫度，Δt為循環(huán)水溫升，δt為凝汽器端差。

凝汽器特性可以通過(guò)理論計(jì)算或試驗(yàn)獲得，而理論計(jì)算的準(zhǔn)確性取決于循環(huán)水流量或汽輪機(jī)排汽量的確定。

1.2.3 循環(huán)水泵特性

循環(huán)水泵特性是指在系統(tǒng)內(nèi)部條件和外部條件都確定的情況下，進(jìn)入凝汽器的循環(huán)水量和循環(huán)水泵耗功之間的關(guān)系，可用式（4）表示：

式中：Pp為循環(huán)水泵的耗功；H為循環(huán)水泵的壓頭；Q為循環(huán)水泵流量。

循環(huán)水泵特性可利用制造廠提供的性能曲線和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得。考慮到試驗(yàn)中的循環(huán)水量難以準(zhǔn)確測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)也缺乏大幅度改變循環(huán)水流量的試驗(yàn)條件，所以一般是利用制造廠提供的性能曲線，再加以試驗(yàn)結(jié)果修正而獲得。

1.2.4 循環(huán)水管路特性

循環(huán)水系統(tǒng)的管路特性是循環(huán)水系統(tǒng)管路阻力和循環(huán)水泵流量之間的關(guān)系?？捎檬剑?）表示：

式中：Hz為循環(huán)水系統(tǒng)管路阻力；R為循環(huán)水泵的特性系數(shù)。

1.3 約束條件

在冷端系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，還有下列約束條件∶

（1）能量平衡約束。循環(huán)水系統(tǒng)的阻力由各臺(tái)循環(huán)水泵并聯(lián)運(yùn)行產(chǎn)生的揚(yáng)程來(lái)克服。

（2）流量平衡約束。循環(huán)水泵總流量為各臺(tái)泵的循環(huán)水量之和。

（3）循環(huán)水泵流量約束。當(dāng)各臺(tái)循環(huán)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)循環(huán)水泵一般有長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的工作范圍。

（4）循環(huán)水泵葉角約束。如果循環(huán)水泵的葉角可調(diào)，則對(duì)應(yīng)于一定裝置，葉片角度的運(yùn)行范圍如式（6）所示。

式中：θj，min和 θj，max為第 j臺(tái)循環(huán)水泵的最小和最大葉角；θj為第j臺(tái)循環(huán)水泵的實(shí)際運(yùn)行葉角。

（5）凝汽器運(yùn)行約束。為了保證機(jī)組的正常運(yùn)行，凝汽器壓力必須控制在一定范圍之內(nèi)。

2 冷端優(yōu)化在線指導(dǎo)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

2.1 設(shè)計(jì)框架

冷端優(yōu)化在線指導(dǎo)系統(tǒng)的功能主要包括冷端系統(tǒng)計(jì)算數(shù)據(jù)采集、計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)回寫、冷端系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能計(jì)算、冷端系統(tǒng)模擬工況和仿真工況計(jì)算以及數(shù)據(jù)Web顯示等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 冷端優(yōu)化在線指導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 計(jì)算流程設(shè)計(jì)

以當(dāng)前工況的算法為例，計(jì)算流程為：

（1）判斷機(jī)組是否運(yùn)行在穩(wěn)定工況，接著對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行有效判斷，剔除錯(cuò)誤的測(cè)點(diǎn)參數(shù)數(shù)據(jù)。

（2）根據(jù)機(jī)組、凝汽器壓力與供熱流量求凝汽器熱負(fù)荷和排汽量，根據(jù)凝汽器熱負(fù)荷及循環(huán)水溫升求循環(huán)水流量，計(jì)算當(dāng)前運(yùn)行工況的凝汽器性能指標(biāo)，包括凝汽器端差、過(guò)冷度、清潔系數(shù)等參數(shù)。

（3）分別以當(dāng)前工況和基準(zhǔn)工況的循環(huán)水流量計(jì)算2個(gè)真空值，最終根據(jù)這兩者差異計(jì)算機(jī)組微增功率、運(yùn)行費(fèi)用、收益等情況。

2.3 計(jì)算功能

2.3.1 當(dāng)前穩(wěn)定運(yùn)行工況計(jì)算

當(dāng)前穩(wěn)定運(yùn)行工況計(jì)算是對(duì)當(dāng)前冷端系統(tǒng)設(shè)備（如凝汽器、循環(huán)水泵、真空泵、管路、閥門等）運(yùn)行性能相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行性能計(jì)算和分析，在顯示界面上給出冷端系統(tǒng)的流程圖，單個(gè)設(shè)備的性能以及實(shí)時(shí)計(jì)算的收益情況，計(jì)算結(jié)果也可用于對(duì)運(yùn)行方式的合理性進(jìn)行考評(píng)。

2.3.2 模擬工況計(jì)算

模擬工況是以當(dāng)前運(yùn)行工況參數(shù)為基礎(chǔ)，調(diào)節(jié)循環(huán)水系統(tǒng)的可調(diào)參數(shù)，進(jìn)行模擬計(jì)算?？烧{(diào)參數(shù)包括循泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)、葉角開(kāi)度以及管路閥門開(kāi)度，其功率收益、費(fèi)用收益計(jì)算結(jié)果可以用于指導(dǎo)運(yùn)行人員對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的操作。

2.3.3 仿真工況計(jì)算

冷端系統(tǒng)的仿真工況計(jì)算是由人工設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，得出單個(gè)設(shè)備的運(yùn)行性能指標(biāo)（如凝汽器壓力、端差、循環(huán)水溫升等），及整個(gè)冷端系統(tǒng)的運(yùn)行耗差變化情況（如功率變化、費(fèi)用收益等）。仿真計(jì)算的結(jié)果可以用于預(yù)測(cè)工況變化后機(jī)組的運(yùn)行狀況，有助于運(yùn)行人員了解機(jī)組特性。

3 計(jì)算實(shí)例

3.1 機(jī)組情況介紹

北侖發(fā)電廠1號(hào)機(jī)組為600MW亞臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，低壓缸有4個(gè)排汽口，凝汽器為雙背壓凝汽器。循環(huán)水系統(tǒng)為單元制配置，配備2臺(tái)相同型號(hào)葉角可調(diào)的循環(huán)水泵，以海水作為冷卻介質(zhì)。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖3為當(dāng)前工況的界面示意圖。在對(duì)600MW汽輪機(jī)組開(kāi)展循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)用在線優(yōu)化指導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行在線優(yōu)化計(jì)算。根據(jù)機(jī)組所處的負(fù)荷、循環(huán)水進(jìn)水溫度條件，通過(guò)改變循泵葉角、凝汽器出水門開(kāi)度來(lái)改變循環(huán)水流量，按照預(yù)先確定的算法編制計(jì)算程序進(jìn)行在線計(jì)算，可以得出機(jī)組冷端系統(tǒng)的最終耗差。

圖4和5是機(jī)組功率收益和運(yùn)行費(fèi)用收益隨循環(huán)水量的變化趨勢(shì)。當(dāng)海水溫度在10.7℃時(shí)，機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，最優(yōu)循環(huán)水量為35 500t/h，此時(shí)對(duì)應(yīng)的是單泵運(yùn)行，葉角為45.7%，機(jī)組的運(yùn)行費(fèi)用收益達(dá)到最大。因此，可以將該循泵葉角、出水門開(kāi)度所代表的循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)確定作為當(dāng)前運(yùn)行條件下的最優(yōu)運(yùn)行方式。顯然，若是機(jī)組負(fù)荷、循環(huán)水進(jìn)水溫度等運(yùn)行條件發(fā)生變化，相應(yīng)的冷端尋優(yōu)結(jié)果也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生改變。

圖3 當(dāng)前工況界面示意圖

借助在線優(yōu)化指導(dǎo)系統(tǒng)，運(yùn)行人員就可以應(yīng)對(duì)各種機(jī)組運(yùn)行條件的變化，進(jìn)行循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行方式的尋優(yōu)計(jì)算和分析，并依據(jù)尋優(yōu)計(jì)算結(jié)果確定循泵葉角、凝汽器出水門開(kāi)度的優(yōu)化調(diào)整方向。在現(xiàn)場(chǎng)完成調(diào)整操作后，還可以利用在線優(yōu)化指導(dǎo)系統(tǒng)的冷端耗差計(jì)算結(jié)果，對(duì)各項(xiàng)調(diào)整措施的收益狀況作出定量計(jì)算和評(píng)價(jià)。

圖4 機(jī)組功率收益隨循環(huán)水量的變化趨勢(shì)

圖5 機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用收益隨循環(huán)水量的變化趨勢(shì)

4 結(jié)語(yǔ)

（1）采用運(yùn)行費(fèi)用收益作為冷端系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的目標(biāo)函數(shù)，可以綜合考慮煤價(jià)、電價(jià)因素的影響，比常規(guī)采用的功率收益目標(biāo)函數(shù)更科學(xué)合理。

（2）冷端系統(tǒng)優(yōu)化在線指導(dǎo)程序具有在線實(shí)時(shí)計(jì)算、模擬工況和仿真工況計(jì)算功能，并在北侖發(fā)電廠1號(hào)機(jī)組和7號(hào)機(jī)組中得到了實(shí)際應(yīng)用，為操作人員提供量化的機(jī)組運(yùn)行指導(dǎo)意見(jiàn)。

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