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      聯(lián)合循環(huán)機(jī)組停機(jī)過(guò)程的負(fù)荷分配優(yōu)化

      2017-05-22 02:44:50萬(wàn)安平陳堅(jiān)紅盛德仁顧新建紀(jì)楊建金炯民
      電力自動(dòng)化設(shè)備 2017年5期
      關(guān)鍵詞:發(fā)電量停機(jī)天然氣

      萬(wàn)安平 ,陳堅(jiān)紅 ,盛德仁 ,顧新建 ,紀(jì)楊建 ,金炯民

      (1.浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 浙江省先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)研究實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310027;2.浙江大學(xué) 熱工與動(dòng)力系統(tǒng)研究所,浙江 杭州 310027)

      0 引言

      電力系統(tǒng)機(jī)組啟停優(yōu)化是在一定的研究周期內(nèi),根據(jù)負(fù)荷預(yù)報(bào),在滿(mǎn)足負(fù)荷需求和機(jī)組安全、啟停限制等約束的條件下,優(yōu)化選定各時(shí)段參加運(yùn)行的機(jī)組,決定機(jī)組開(kāi)停時(shí)間,使該周期內(nèi)的系統(tǒng)燃料總耗量最小。隨著電網(wǎng)峰谷差日益增大,“十二五”規(guī)劃提出要推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè),提高電網(wǎng)優(yōu)化配置電力能力和供電可靠性,這對(duì)機(jī)組的調(diào)峰能力提出了更高要求。燃?xì)廨啓C(jī)是重要的軍民兩用動(dòng)力裝備,以其效率高、污染低、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、啟動(dòng)快、可靠性高、用水少、投資低、占地面積少等一系列優(yōu)點(diǎn),迅速發(fā)展成為熱機(jī)中的一支勁旅,在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。隨著我國(guó)“西氣東輸”工程的實(shí)施,燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組逐漸成為我國(guó)電力工業(yè)的一個(gè)重要組成部分[4]。合理的機(jī)組啟停方案能節(jié)約大量的燃料費(fèi)用,延長(zhǎng)機(jī)組的使用壽命,帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。很多學(xué)者針對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)組啟停優(yōu)化進(jìn)行了大量的研究,提出了遺傳算法[5]、蟻群算法[6-7]、混沌粒子群優(yōu)化算法[8]、雙重粒子群優(yōu)化算法[9-12]、遺傳禁忌混合算法[13-14]等先進(jìn)的優(yōu)化算法,并取得了一定的成果。由于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的運(yùn)行特性不同于普通火電機(jī)組,傳統(tǒng)機(jī)組啟停優(yōu)化問(wèn)題的求解已相當(dāng)困難,而聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的多狀態(tài)運(yùn)行特性,尤其是各模式間的轉(zhuǎn)移會(huì)使其求解變得更復(fù)雜,更難以求得最優(yōu)解。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的機(jī)組啟停優(yōu)化也進(jìn)行了較深入研究。文獻(xiàn)[15]通過(guò)試驗(yàn)來(lái)核對(duì)模型,計(jì)算聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的變工況性能,并研究了某電廠的300 MW聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在變工況下運(yùn)行的最佳匹配方式及其機(jī)組開(kāi)停機(jī)時(shí)間的最優(yōu)化分配。文獻(xiàn)[16]利用機(jī)組氣耗量特性曲線及修正曲線擬合公式,分析計(jì)算不同機(jī)組的性能,在天然氣量約束條件下保證機(jī)組安全停機(jī),以發(fā)電量最大為目標(biāo),分別制定各臺(tái)機(jī)組的停機(jī)計(jì)劃。文獻(xiàn)[17]考慮到擬合的二次氣耗量特性曲線很難滿(mǎn)足聯(lián)合循環(huán)機(jī)組精度的要求,利用機(jī)組的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)建立基于前饋型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)組變工況模型代替機(jī)組耗量特性曲線熱耗率的映射,并將該變工況模型應(yīng)用到機(jī)組組合優(yōu)化及負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配問(wèn)題數(shù)學(xué)模型的求解過(guò)程中。文獻(xiàn)[18]提出一種隨機(jī)機(jī)組組合(SUC)模型,涉及多種靈活運(yùn)行機(jī)組。雖然引入了多種運(yùn)行模式,并實(shí)現(xiàn)了模式之間的轉(zhuǎn)換,但對(duì)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的處理稍顯簡(jiǎn)單,未考慮各模式出力范圍的重疊現(xiàn)象。文獻(xiàn)[4]通過(guò)引入模式轉(zhuǎn)移矩陣,結(jié)合混合整數(shù)規(guī)劃建模方法,提出一種綜合考慮模式轉(zhuǎn)移關(guān)系及由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移成本的模型,解決聯(lián)合循環(huán)機(jī)組模式轉(zhuǎn)移及出力分配問(wèn)題。文獻(xiàn)[19]建立了聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的一種簡(jiǎn)化模型,利用非連續(xù)曲線的建模方法[20],將聯(lián)合循環(huán)機(jī)組當(dāng)作一臺(tái)具有不連續(xù)成本曲線的普通機(jī)組處理,回避了聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的模式轉(zhuǎn)移這一最困難的問(wèn)題。文獻(xiàn)[21]分別定義了聯(lián)合循環(huán)機(jī)組每種模式的可轉(zhuǎn)移模式集合和不可轉(zhuǎn)移模式集合,借此表達(dá)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組各模式的轉(zhuǎn)移關(guān)系,但其借由集合進(jìn)行模型描述,并未給出解析表達(dá)式。文獻(xiàn)[22]利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方法,通過(guò)聯(lián)系聯(lián)合循環(huán)機(jī)組各組件間的熱力耦合關(guān)系,提出了另外一種組件模型。但該模型需要各機(jī)組組件的詳細(xì)參數(shù),而在實(shí)際條件下某些關(guān)鍵參數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量得到,使得組件模型的應(yīng)用受到限制。文獻(xiàn)[23]通過(guò)數(shù)值模擬研究啟動(dòng)過(guò)程中各暖機(jī)操作對(duì)轉(zhuǎn)子應(yīng)力的影響,并結(jié)合試驗(yàn)機(jī)組結(jié)構(gòu)、運(yùn)行特點(diǎn),制定了優(yōu)化后的啟動(dòng)過(guò)程,使得汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子啟動(dòng)時(shí)間和最大應(yīng)力都大幅減小。

      上述關(guān)于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的啟停優(yōu)化研究,大多集中在機(jī)組的啟動(dòng)優(yōu)化和負(fù)荷分配方面。然而針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī),關(guān)于天然氣量約束條件不用的運(yùn)行機(jī)組間的停機(jī)過(guò)程優(yōu)化的研究尚鮮有報(bào)道。基于此,本文從熱經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度出發(fā),以安全運(yùn)行為前提、發(fā)電量最大為目標(biāo),利用自主編制的計(jì)算程序,研究不同機(jī)組間的最佳停機(jī)過(guò)程方案,使電廠運(yùn)行的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組在最后剩余的天然氣量下,實(shí)現(xiàn)最佳的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

      1 數(shù)學(xué)模型

      1.1 目標(biāo)函數(shù)

      燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在天然氣量約束條件下的停機(jī)過(guò)程優(yōu)化問(wèn)題可以描述為:由于天然氣的氣量不足,在最后用于停機(jī)的天然氣量為一常數(shù)的約束條件下,通過(guò)對(duì)問(wèn)題包含的所有機(jī)組性能的分析計(jì)算,分別制定各臺(tái)機(jī)組的停機(jī)計(jì)劃,在保證機(jī)組安全停機(jī)的前提下,以達(dá)到發(fā)電量最大的目的,產(chǎn)生最大的經(jīng)濟(jì)效益。

      機(jī)組的停機(jī)優(yōu)化模型可以表示為:

      其中,T0為停機(jī)過(guò)程所花時(shí)間(h);E為停機(jī)過(guò)程中所有機(jī)組總的發(fā)電量(MW·h);N為運(yùn)行機(jī)組臺(tái)數(shù);Pi(t)為機(jī)組 i隨時(shí)間的變化功率(MW)。

      需要滿(mǎn)足的約束條件為:

      其中,F(xiàn)s為總的剩余天然氣量(萬(wàn)m3);Fm為機(jī)組解列所需天然氣量,即保證最后安全停機(jī)的天然氣量(萬(wàn)m3);F為整個(gè)停機(jī)過(guò)程中多臺(tái)機(jī)組的總氣耗量(萬(wàn) m3);Simaxdown和Simaxup分別為機(jī)組 i的最大降負(fù)荷率和最大升負(fù)荷率(MW/h);f(Pi(t))為負(fù)荷為Pi(t)時(shí)機(jī)組i在時(shí)段t的氣耗量函數(shù)(萬(wàn)m3),常被描述為二次方程,如式(3)所示。

      其中,ai、bi、ci為機(jī)組 i的耗量特性參數(shù)。

      考慮天然氣量約束的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組停機(jī)過(guò)程優(yōu)化,是根據(jù)給定的剩余天然氣量,在保留一定天然氣量安全裕度的情況下,得到實(shí)際可用于停機(jī)優(yōu)化的天然氣量,然后判斷該天然氣量是否在停機(jī)優(yōu)化處理的范圍內(nèi)。當(dāng)剩余天然氣量比較大時(shí),采用停機(jī)優(yōu)化安排機(jī)組按照電網(wǎng)要求發(fā)電是不利的。那么就需要判斷剩余天然氣量達(dá)到何值時(shí),可以視為滿(mǎn)足停機(jī)優(yōu)化處理的要求,機(jī)組開(kāi)始進(jìn)入停機(jī)過(guò)程優(yōu)化。本文將這個(gè)值定義為所有開(kāi)機(jī)機(jī)組從當(dāng)前運(yùn)行負(fù)荷升到基本負(fù)荷,然后一起安全停機(jī)共需消耗的天然氣量,記為停機(jī)優(yōu)化計(jì)算的上限天然氣量Fmax,即圖1所示的升負(fù)荷和降負(fù)荷過(guò)程中所有開(kāi)機(jī)機(jī)組消耗的天然氣量(a-b-c-e-a所包圍的面積)。將全體開(kāi)機(jī)機(jī)組從當(dāng)前負(fù)荷馬上安全停機(jī)共需消耗的天然氣量(a-d-e-a所包圍的面積),記為停機(jī)優(yōu)化計(jì)算的下限天然氣量Fmin。圖1中的基本負(fù)荷PB是根據(jù)當(dāng)前負(fù)荷的溫度、壓力等環(huán)境影響因素和運(yùn)行小時(shí)數(shù),將設(shè)計(jì)工況下的基本負(fù)荷修正到當(dāng)前工況下的負(fù)荷;機(jī)組運(yùn)行的最大負(fù)荷Pmax定義為,在保證安全停機(jī)情況下,機(jī)組根據(jù)剩余的天然氣量升負(fù)荷過(guò)程中能夠升到的最高負(fù)荷,如果天然氣量充足,則最大負(fù)荷可以升高到基本負(fù)荷,即Pmax=PB。

      圖1 停機(jī)過(guò)程相關(guān)變量說(shuō)明示意圖Fig.1 Schematic diagram of variables correlated with unit shutdown

      1.2 機(jī)組停機(jī)運(yùn)行特性分析

      機(jī)組正常停機(jī)過(guò)程指的是機(jī)組在帶負(fù)荷運(yùn)行工況下,由降負(fù)荷、發(fā)電機(jī)解列、燃機(jī)熄火降速到機(jī)組投連續(xù)盤(pán)車(chē)運(yùn)行的過(guò)程。燃機(jī)和余熱鍋爐之間設(shè)有煙氣擋板,機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí),擋板處于打開(kāi)的狀態(tài),燃機(jī)排煙經(jīng)余熱鍋爐排至主煙囪,余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)主蒸汽管道送至汽輪機(jī),形成聯(lián)合循環(huán),同時(shí)每臺(tái)余熱鍋爐配有100%額定蒸發(fā)量的旁路系統(tǒng)。當(dāng)接到中調(diào)指令發(fā)出停機(jī)命令后,天然氣流量開(kāi)始減小,燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷降低,蒸汽輪機(jī)負(fù)荷基本保持不變。當(dāng)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組負(fù)荷下降至240 MW左右時(shí),高中壓蒸汽調(diào)節(jié)閥開(kāi)始逐步關(guān)閉,高中壓蒸汽旁路閥開(kāi)始逐步打開(kāi),汽輪機(jī)功率開(kāi)始下降到零,此過(guò)程天然氣流量不變,燃?xì)廨啓C(jī)的功率也維持不變。

      約30 min后,高中壓蒸汽調(diào)節(jié)閥完全關(guān)閉,高中壓蒸汽旁路閥完全打開(kāi),煙氣擋板關(guān)閉,燃機(jī)排汽從旁路煙道排掉,汽輪機(jī)完成停機(jī);此過(guò)程中天然氣流量再次開(kāi)始減小,燃?xì)廨啓C(jī)的功率也減小,此時(shí)為簡(jiǎn)單朗肯循環(huán);當(dāng)負(fù)荷大約為30 MW時(shí),發(fā)電機(jī)自動(dòng)與系統(tǒng)解列,機(jī)組全速空載運(yùn)行,之后冷卻燃機(jī),5 min后燃機(jī)開(kāi)始熄火,轉(zhuǎn)速下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降至零時(shí),自動(dòng)投入運(yùn)行盤(pán)車(chē)。惰走時(shí)間約為30 min。從SIS系統(tǒng)的PI數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取聯(lián)合循環(huán)機(jī)組停機(jī)過(guò)程,如圖2所示。

      圖2 機(jī)組停機(jī)曲線Fig.2 Unit shutdown curves

      由圖2的停機(jī)曲線可以擬合出氣耗量特性曲線,如圖3所示。由圖3可知,聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的氣耗量特性曲線與傳統(tǒng)汽輪機(jī)氣耗量特性曲線(連續(xù)的二次函數(shù))有所不同。主要原因是聯(lián)合循環(huán)機(jī)組負(fù)荷在130~240 MW之間時(shí),汽輪機(jī)處于停機(jī)過(guò)程,燃?xì)廨啓C(jī)的功率不變,所以這段時(shí)間的氣耗量也是不變的。因此,需要對(duì)氣耗量特性曲線進(jìn)行分段處理。

      其中,P3為聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的解列負(fù)荷;Psteamstop為汽輪機(jī)停機(jī)結(jié)束時(shí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的負(fù)荷;Psteamstart為汽輪機(jī)停機(jī)開(kāi)始時(shí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的負(fù)荷;PB為聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的基本負(fù)荷。

      圖3 氣耗量特性曲線Fig.3 Characteristic curve of gas consumption

      1.3 機(jī)組氣耗量特性曲線修正

      式(4)為基本設(shè)計(jì)負(fù)荷下的氣耗量特性曲線,需要將其修正到實(shí)際運(yùn)行的工況中。

      由文獻(xiàn)[24]可知,設(shè)計(jì)工況下的熱耗量與實(shí)際工況下的熱耗量關(guān)系如式(5)所示,設(shè)計(jì)工況和實(shí)際工況下熱耗量與氣耗量之間的關(guān)系分別如式(6)、(7)所示。

      其中,HC、HCB分別為實(shí)際工況、設(shè)計(jì)工況下的熱耗量;F、FB分別為實(shí)際工況、設(shè)計(jì)工況下的總氣耗量;LHV、LHVB分別為實(shí)際工況、設(shè)計(jì)工況下的天然氣低位發(fā)熱量;fHC為熱耗量修正系數(shù)。由式(5)—(7)可以得到設(shè)計(jì)工況與實(shí)際工況下總氣耗量之間的關(guān)系:

      設(shè)計(jì)工況與實(shí)際工況下的功率關(guān)系如式(9)所示,式(10)為設(shè)計(jì)工況下的氣耗量特性曲線。

      其中,fP為功率修正系數(shù);P為實(shí)際工況下的功率。

      由式(8)—(10)可得到實(shí)際工況下修正的氣耗量與功率之間的耗量特性曲線:

      則實(shí)際條件下的氣耗量特性曲線為:

      2 機(jī)組停機(jī)過(guò)程優(yōu)化

      2.1 單臺(tái)機(jī)組停機(jī)過(guò)程優(yōu)化

      根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)的性能特點(diǎn)可知,機(jī)組運(yùn)行的功率越大,其發(fā)電的效率越高,氣耗量越低,當(dāng)機(jī)組以基本負(fù)荷運(yùn)行時(shí),其發(fā)電效率最高。所以,為了利用剩余的天然氣發(fā)出最多的電量,應(yīng)該按照先以最大的升負(fù)荷率升負(fù)荷運(yùn)行,接著以最大的負(fù)荷運(yùn)行,最后再以最大的降負(fù)荷率降負(fù)荷運(yùn)行,證明如下。

      假設(shè)剩余天然氣量足夠的多,且能夠完成如圖4所示的機(jī)組“升負(fù)荷-維持基本負(fù)荷-降負(fù)荷”運(yùn)行過(guò)程,為便于后面的描述,將升負(fù)荷記為運(yùn)行過(guò)程1,維持基本負(fù)荷記為運(yùn)行過(guò)程2,降負(fù)荷記為運(yùn)行過(guò)程3。

      由圖4可分別求出機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程1、2、3中的氣耗量和發(fā)電量。

      機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程1的氣耗量為:

      其中,P1為機(jī)組開(kāi)始進(jìn)入停機(jī)優(yōu)化時(shí)的功率;Sup為機(jī)組升負(fù)荷時(shí)的升負(fù)荷率。

      機(jī)組運(yùn)行過(guò)程1中,機(jī)組的起始負(fù)荷已超過(guò)了汽輪機(jī)停機(jī)開(kāi)始時(shí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的負(fù)荷。將式(13)所示分段函數(shù)的高負(fù)荷段的氣耗量特性曲線代入式(14)可推導(dǎo)出過(guò)程1的氣耗量為:

      令,可得到機(jī)組運(yùn)行過(guò)程1的氣耗量為:

      其中,K1≥0且與Sup無(wú)關(guān)。

      機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程1中的發(fā)電量E1等于圖4中梯形S1的面積,即:

      聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的氣耗量特性曲線是分段函數(shù),與傳統(tǒng)汽輪機(jī)耗量特性曲線不同。因此,機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程3的氣耗量為:

      其中,Sdown為機(jī)組降負(fù)荷時(shí)的降負(fù)荷率。

      將式(13)耗量特性曲線代入式(18)得:

      其中,K3≥0且與Sdown無(wú)關(guān)。

      機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程3中的發(fā)電量E3等于圖4中梯形S3的面積,即:

      機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程2中的發(fā)電量為:

      由式(17)、(22)可求得機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程 1和運(yùn)行過(guò)程2的總發(fā)電量為:

      將式(16)代入式(23)得:

      則進(jìn)一步計(jì)算出機(jī)組運(yùn)行過(guò)程1和運(yùn)行過(guò)程2的總發(fā)電量為:

      由運(yùn)行過(guò)程2的發(fā)電量式(22)可知,式(25)中的為機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程1和運(yùn)行過(guò)程2中均以基本負(fù)荷運(yùn)行的總發(fā)電量。但是在實(shí)際情況下,由式(23)中的 E1,2可知,運(yùn)行過(guò)程 1 是升負(fù)荷過(guò)程,功率是小于基本負(fù)荷的,則可推導(dǎo)出發(fā)電量E1,2是小于發(fā)電量的,進(jìn)而可計(jì)算出式(27)中的E′1,2<0。

      由式(21)、(22)可求得機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程 2和運(yùn)行過(guò)程3的總發(fā)電量為:

      將式(20)代入式(28)得:

      則機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程2和運(yùn)行過(guò)程3的總發(fā)電量為:

      由運(yùn)行過(guò)程2的發(fā)電量式(22)可知,式(30)中的為機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程2和運(yùn)行過(guò)程3中均以基本負(fù)荷運(yùn)行的總發(fā)電量。但是由式(28)中的E2,3可知,在實(shí)際情況下,運(yùn)行過(guò)程3是降負(fù)荷過(guò)程,功率是小于基本負(fù)荷的,則可推導(dǎo)出發(fā)電量E2,3是小于發(fā)電量的,進(jìn)而可計(jì)算出式(32)中的E′2,3<0。

      由式(17)、(21)和(22)可求得機(jī)組整個(gè)運(yùn)行過(guò)程的總發(fā)電量為:

      將式(16)、(20)代入式(33)可得:

      將式(26)、式(31)代入式(34)可得:

      前文已計(jì)算出 E′1,2和 E′2,3都是小于零的參數(shù),由式(35)可知,總的發(fā)電量 E1,2,3是關(guān)于變量 Sup和Sdown的一個(gè)遞增函數(shù),如果要使 E1,2,3值最大,則需要令變量Sup和Sdown同時(shí)取最大值。所以要使得一臺(tái)機(jī)組在整個(gè)剩余天然氣量下的發(fā)電量最多,則機(jī)組在保證能夠安全停機(jī)的條件下,一開(kāi)始時(shí)就必須要升負(fù)荷運(yùn)行,而且要以最大的升負(fù)荷率升負(fù)荷;在降負(fù)荷過(guò)程中,則必須以最大的降負(fù)荷率來(lái)降負(fù)荷運(yùn)行。

      2.2 多臺(tái)機(jī)組停機(jī)過(guò)程優(yōu)化

      對(duì)多臺(tái)運(yùn)行中的機(jī)組,令其中的2臺(tái)參與“升負(fù)荷-維持基本負(fù)荷-降負(fù)荷”這一停機(jī)過(guò)程,由于環(huán)境及其他因素的影響,機(jī)組的性能不同,所以會(huì)有一臺(tái)機(jī)組的單位電量氣耗量更小,可將較差機(jī)組參與該停機(jī)過(guò)程而多耗的天然氣量都投入到較好機(jī)組的運(yùn)行中,以提高總的運(yùn)行效率。當(dāng)N臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí),對(duì)每臺(tái)運(yùn)行的機(jī)組都采用“升負(fù)荷-維持基本負(fù)荷-降負(fù)荷”方式進(jìn)行停機(jī),然后計(jì)算它們各自的發(fā)電量,通過(guò)比較,發(fā)電量最大的機(jī)組采用該方式進(jìn)行停機(jī),其他機(jī)組則直接馬上停機(jī)。這樣,N臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí),可排列組合出多種運(yùn)行方案,可通過(guò)比較其發(fā)電量來(lái)獲得最優(yōu)的結(jié)果。多臺(tái)機(jī)組停機(jī)過(guò)程優(yōu)化的具體流程如圖5所示。

      首先從SIS系統(tǒng)的PI數(shù)據(jù)庫(kù)中,讀取機(jī)組運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù),遍歷計(jì)算所有機(jī)組的性能指標(biāo),得到各臺(tái)機(jī)組的氣耗量特性曲線。然后遍歷計(jì)算每一臺(tái)機(jī)組完成運(yùn)行過(guò)程1的氣耗量F1和完成運(yùn)行過(guò)程3的氣耗量F3、其他機(jī)組從當(dāng)前負(fù)荷馬上停機(jī)的總氣耗量Fr及N臺(tái)機(jī)組解列所需天然氣量NFm,如果給定的總剩余天然氣量 Fs大于 F1、F3、Fr、NFm之和,則遍歷計(jì)算的這臺(tái)機(jī)組能夠按照?qǐng)D4中的“升負(fù)荷-維持基本負(fù)荷-降負(fù)荷”過(guò)程運(yùn)行,其中維持基本負(fù)荷運(yùn)行的天然氣量為Fs-F1-F3-Fr-NFm,同時(shí)分別計(jì)算這臺(tái)機(jī)組在“升負(fù)荷-維持基本負(fù)荷-降負(fù)荷”運(yùn)行過(guò)程中的發(fā)電量。如果 Fs小于 F1、F3、Fr、NFm之和,則說(shuō)明這臺(tái)機(jī)組無(wú)法升負(fù)荷到基本負(fù)荷,只能按照?qǐng)D4中的“升負(fù)荷-降負(fù)荷”過(guò)程運(yùn)行,具體能夠上升的最大負(fù)荷值用插值法來(lái)計(jì)算。同時(shí)也分別計(jì)算這臺(tái)機(jī)組在“升負(fù)荷-降負(fù)荷”運(yùn)行過(guò)程中的發(fā)電量。在遍歷計(jì)算所有機(jī)組進(jìn)行上述運(yùn)行過(guò)程后,比較所有機(jī)組的發(fā)電量,可以得知發(fā)電量最大的機(jī)組,其綜合性能指標(biāo)比較好,因此選擇發(fā)電量最大的機(jī)組進(jìn)行圖4中的“升負(fù)荷-維持基本負(fù)荷-降負(fù)荷”過(guò)程運(yùn)行,其他機(jī)組則在當(dāng)前的負(fù)荷下馬上進(jìn)入安全停機(jī)運(yùn)行。最后計(jì)算各臺(tái)機(jī)組在不同時(shí)刻的負(fù)荷值、發(fā)電量值和氣耗量值,并用Flash控件直觀地顯示出來(lái),以指導(dǎo)運(yùn)行人員完成各臺(tái)機(jī)組的停機(jī)優(yōu)化。

      圖5 多臺(tái)機(jī)組停機(jī)過(guò)程優(yōu)化流程圖Fig.5 Flowchart of shutdown optimization for multiple units

      3 計(jì)算與討論

      按照上述的停機(jī)優(yōu)化方法,本文以Visual C#為平臺(tái),基于瀏覽器/服務(wù)器(B/S)模式開(kāi)發(fā)了計(jì)算程序。開(kāi)始計(jì)算前,用戶(hù)設(shè)置好需要進(jìn)行停機(jī)優(yōu)化計(jì)算的剩余天然氣量以及機(jī)組最大的升負(fù)荷率和最大的降負(fù)荷率,同時(shí)選擇機(jī)組的停機(jī)方式(優(yōu)化停機(jī)和正常停機(jī))。程序首先從SIS系統(tǒng)的PI數(shù)據(jù)庫(kù)中,讀取每臺(tái)機(jī)組的性能指標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)(天然氣流量和低位發(fā)熱量、當(dāng)前功率、機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行小時(shí)數(shù))和大氣環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)(大氣溫度、大氣壓力)。將本文停機(jī)過(guò)程優(yōu)化方法應(yīng)用到某電廠的3臺(tái)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的停機(jī)過(guò)程優(yōu)化中。該廠各臺(tái)機(jī)組最大升、降負(fù)荷率分別為600 MW/h和540 MW/h,設(shè)計(jì)工況和實(shí)際工況下的天然氣低位發(fā)熱量分別為48686.3 kJ/kg和46500 kJ/kg,程序從電廠PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取大氣溫度和壓力分別為20℃和101.01 kPa,機(jī)組運(yùn)行小時(shí)數(shù)為2000 h,1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)機(jī)組的當(dāng)前功率分別為270 MW、350 MW、300 MW。根據(jù)文獻(xiàn)[24]中大氣溫度、壓力和機(jī)組運(yùn)行小時(shí)數(shù)等因素將機(jī)組設(shè)計(jì)工況下的基本負(fù)荷389 MW修正到實(shí)際工況的基本負(fù)荷為378 MW,同時(shí)得到修正后實(shí)際工況下的氣耗量特性曲線如式(36)所示。

      在上述基本運(yùn)行參數(shù)下,自主編制計(jì)算程序,按照機(jī)組停機(jī)過(guò)程優(yōu)化的方法,計(jì)算總的剩余天然氣量為105m3時(shí),2號(hào)機(jī)組的發(fā)電量最大。因此,2號(hào)機(jī)組按照?qǐng)D4中的“升負(fù)荷-維持基本負(fù)荷-降負(fù)荷”過(guò)程運(yùn)行,1號(hào)、3號(hào)機(jī)組在當(dāng)前的負(fù)荷下立刻停機(jī)。

      各臺(tái)機(jī)組和所有機(jī)組總的發(fā)電量與不同機(jī)組升、降負(fù)荷率的關(guān)系分別如圖6和圖7所示。由圖6可知,隨著升負(fù)荷率的增加,2號(hào)機(jī)組的發(fā)電量和總的發(fā)電量略有增加,最大的增長(zhǎng)量為0.049 MW·h。由于1號(hào)和3號(hào)機(jī)組在當(dāng)前的負(fù)荷下立刻停機(jī),因此,隨著升負(fù)荷率的增加,這2臺(tái)機(jī)組的發(fā)電量沒(méi)有變化。

      圖6 發(fā)電量隨升負(fù)荷率的變化Fig.6 Curves of power generation vs.load-up rate

      圖7 發(fā)電量隨降負(fù)荷率的變化Fig.7 Curves of power generation vs.load-down rate

      從圖7所示的各臺(tái)機(jī)組發(fā)電量與降負(fù)荷率的關(guān)系可以看出,隨著降負(fù)荷率的增加,1號(hào)和3號(hào)機(jī)組的發(fā)電量呈直線趨勢(shì)下降,而2號(hào)機(jī)組的發(fā)電量呈直線趨勢(shì)增長(zhǎng),總的發(fā)電量也是處于直線增長(zhǎng)的趨勢(shì)中。在不同的降負(fù)荷率變化中,總發(fā)電量最大增長(zhǎng)值為28.409 MW·h。在停機(jī)過(guò)程中,機(jī)組以最大降負(fù)荷率停機(jī)比以最小降負(fù)荷率停機(jī)多發(fā)出28.409 MW·h的電量。按每年停機(jī)250次來(lái)計(jì)算,每年可多發(fā)電7102.25 MW·h電量,按 674元/(MW·h)上網(wǎng)電價(jià)計(jì)算,每年可增加478.692萬(wàn)元的收益。

      圖8為2013年4月27日該電廠3臺(tái)機(jī)組最優(yōu)停機(jī)過(guò)程中,每臺(tái)機(jī)組不同時(shí)間點(diǎn)的功率、發(fā)電量和氣耗量的Flash顯示圖。圖中,10:18時(shí)總理論發(fā)電量為359091MW·h,1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)機(jī)組的理論發(fā)電量分別為6685 MW·h、209741 MW·h、825 MW·h;1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)機(jī)組的理論功率分別為0 MW、6622MW、0 MW;總理論氣耗量為1.414×106Nm3。

      圖8 停機(jī)過(guò)程最優(yōu)結(jié)果Flash顯示Fig.8 Results of optimized shutdown shown in Flash

      4 結(jié)論

      基于發(fā)電量最大的原則,通過(guò)對(duì)所有機(jī)組進(jìn)行綜合性能分析計(jì)算,在保證機(jī)組安全停機(jī)的前提下,建立了單臺(tái)和多臺(tái)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的停機(jī)過(guò)程優(yōu)化模型,優(yōu)化分配各臺(tái)機(jī)組停機(jī)的氣耗量,以產(chǎn)生最大的經(jīng)濟(jì)效益。依據(jù)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的停機(jī)過(guò)程優(yōu)化模型,開(kāi)發(fā)了停機(jī)過(guò)程優(yōu)化實(shí)現(xiàn)程序。對(duì)某廠的3臺(tái)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在不同的升負(fù)荷率和降負(fù)荷率下的計(jì)算表明,總發(fā)電量受升負(fù)荷率的變化影響不大,但是受降負(fù)荷率的影響很大。在剩余天然氣量為105m3時(shí),優(yōu)化后停機(jī)方案總發(fā)電量多了28.409 MW·h,年收益可增加478.692萬(wàn)元。

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