火电厂循环水系统优化控制技术的研究

第9卷第2期南京工业职业技术学院学报Vol.9, No.22009年6月Jourmal of Nanjing Institute of Industry TechnologyJun.，2009文章编号: 1671-4644 (2009) 02-0034-05火电厂循环水系统优化控制技术的研究刘利'，裘浔隽2(1. 南京工业职业技术学院 电气与自动化系，江苏南京210046;2.南京工程学院能源与动力 工程学院，江苏南京211167)摘要:基于理论分析和试验分析相结合的方法，对火电厂汽轮机、凝汽器、循环水泵和管网系统的主要特性和相互制约关系进行分析，把建立的数学模型和现场试验数据库编成应用软件,实现火电厂循环水系统的优化功能并指导经济运行，获得了良好的节能效果。关键词:火电厂;循环水系统;优化控制中图分类号: TP271.3文献标识码: A汽轮机的真空对火电厂的经济性影响较大，增加循环水量会使汽轮机的真空提高从而也会使汽轮发电机组发电量增加，但增加循环水量也会使循环水泵发电址增加，循环水泵作为火电厂的重要辅机供水量- -般是汽轮机排汽量的50 ~70倍，耗电量很大，约占发电厂本身发电量的1.5%左右，仅次于给水泵的耗电量。如果实现了循环水系统的经济运行，能使电厂净电能输出增大，节省能耗，降低供电成本，提高发电厂的经济性。随着优化理论、计算科学以及计算机技术的发展，产生导。G了一种新的节能方法一优化运行。 这种方法不需要对现有设备进行改造，只须借助计算机软件，就可确定系统当前I图1汽轮机真空变 化通用曲线况下的最佳运行状态点，在保证安全生产和运行的前提下，以最小的代价获得收益。本文研究基于中国南方地区某电站汽轮机背压影响汽轮机功率是从两方面作用的:在亚临的由双母管制和单元制循环水系统组成的复杂网络循环水系界条件下，影响汽轮机术级的蒸汽焓降;而在动叶中出现超统，水泵机组台数较多且性能不-。因此,本研究既有循环临界I.况时，还要引起内效率的变化。由于在汽轮机末级变水系统优化运行的共性，也有该电站的具体特点。工况的时候，会产生- - 些请如汽流过度膨胀、漩涡和湿汽损1循环水 系统的优化运行失等多种不定因素，这样就使得计算的结果误差较大，因而循环水系统的运行方式对电厂经济性的影响涉及到凝汽本文采用现场试验的方法获取精确的数据,求取“真空变器、汽轮机和循环水泵三大系统，是三者共同作用的结果。化通用曲线”,然后按比例计算求取“真空变化对功率的修若循环水系统在某种运行调整方式下凝汽器的真空水平达到正曲线”。最优，即机组出力的增量与循环水梨耗功增最之差为最大，1.2凝汽器特性则此种调整后的运行方式为最佳运行方式。因此，本文研究凝汽器特性是燕汽流最与冷却水流量变化时，它们与凝的是汽轮机、凝汽器和循环水泵三个子系统的各自运行特性汽器压力变化的关系，即“冷却水量、凝汽器内真空一一蒸汽负倚”关系特性。运行操作人员要对凝汽设备进行监和三者的相互.配合运行的优化问题。视，最直接的方法是参考凝汽器变工况特性曲线，来确保汽.1 汽轮机特性汽轮机特性就是当汽轮机背压变化时背压与功率的关轮机的最安全最合理的运转。凝汽器在不同的排汽负荷下由不同的冷却水量携带传递系，在确定最佳水量和计算经济效果时都要用到这一-特性关交换热戢时表现出的“冷却水量、冷却水温升一蒸汽负系。如图1所示,这-关系可以在汽轮机真空变化通用曲线荷”步汽负荷"，“冷却水量.上得以反映。中国煤化工fYHCNMHG收稿日期: 2008-09-12基金项目:南京工业职业技术学院青年基金项目(编号: QK06-04-02)作者简介:刘利(1977- ),女,江苏射阳人，南京工业职业技术学院讲师，工学硕士。第9卷第2期刘利， 裘浔隽:火电厂循环水系统优化控制技术的研究35流动阻力” 等对应关系特性称作凝汽器变工况特性。(横坐标上冷却水)的供水量是最经济的。此点以后，冷却水最后，将试验结果绘制成曲线，回归成方程，存入凝汽量继续增大, AN值将减小，当冷却水量达到W2时, AN=0。.器性能数据库，为优化数学模型的计算提供依据以及为指导2循环水系统优化运行的数学模型运行提供参考。1.3循环水系统特性本文根据对母管制循环水系统中的汽轮机、凝汽器、循循环水系统是由水泵和循环水管道系统组成，它的特性环水策及循环水管路系统进行针对性热力试验，整理出循环是用循环水流量、水温和压头与消耗厂用电之间的关系来表水泵特性曲线、循环水管网特性曲线、汽轮机真空变化特性示的。该电站的循环水供水系统不存在水泵串联运行的情曲线以及凝汽器特性曲线，并把以上各类性能曲线回归成代况，要么单台泵运行，要么多台泵并联运行。数方程，存人凝汽器性能数据库，以便为优化数学模型的计循环水泵的“扬程-流量”、“电功率-流量”、 “效率-算提供依据以及为指导运行提供参考。流量"的对应关系统称循环水泵的性能特性,我们用试验本文讨论的母管制循环水系统的结构如图3所示，系统方法获得。曲m台循环水泵与n台凝汽器共同构成，m台循泵共提它的作用是在各种型式的水泵群组合成并联运行方式供了总量为Q的循环水，通过供水母管分配到n台凝汽器时，可根据并联[作点的压力水平来确定每台泵的输出流量中。为了简化计算，假设每台循环水泵的人口水位是一致和消耗功率等，从而获取冷却水的供给总最和泵功的消耗水的，而且各泵之间的运行互不干扰，同样，也假设循环水流平，为建立优化调度软件的“ 运行指导数据库"提供必要出凝汽器的水位也是-一致的。的技术资料。1.4凝汽器最有利真空的确定供水母管影响凝汽器最有利真空的主要因素有:进人凝汽器的蒸爷爷8、8i凝风器汽流最D.、汽轮机的凝汽压力P.、冷却水的进口温度小循环水量W (或是循环水泵的运行台数)、汽轮机的出力变化AN,及循环水泵的耗电量变化SN2等。实际运行中，则n循泵8$本是根据凝汽量D和冷却水进水温度I|来选用最有利真空下的冷却水量，也即是合理调度使用循环水泵的容量和台数。应该指出，机组运行时，用开大或关小冷却水供水阀门围3母管制循环水系统围的方法来调节冷却水量是不经济的。关小阀门后，供水量可能减少很多，但循环水泵的功率却减少甚微。因此运行时循2.1最优化的数学模型环水泵的出口门及凝汽器(的进水门应全开，只有在各台凝汽根据前面的分析，就可以定出并求解母管制循环水系统器之间的水阻特性相差根大，并且冷却水从母管供至各台凝最优经济运行的非线性规划的模型，如式(1) 所示。它是汽器时，为了调节分配冷却水流量时，才考虑将部分凝汽器典型的混合型的有约束的静态优化决策问题，涉及的变量进水管上的阀门进行节流调骼。凝汽器最有利真空试验是在蒸汽流量及冷却水进口温度多，形式复杂，并具有较多的约束条件,非常适合用计算机不变的情况下，求出因汽轮机真空提高后输出功率增加的曲实现快速求解。.线和循环水泵多耗电能的曲线，然后将两曲线进行比较，并S.= ZAPn-二sP,(1)将其差值也绘成曲线，如图2所示。式中，APn = SPn(Pa, D2)，P。= P2(ta),6。=f(Q, T。，q1),SP# = SP,(H, 9g),H= H(q,),Q; = Q;(R，Ra，... Rm),q;=q(r，日, ."， rm)20.= 2n=QH,+rq;=H, +rp9p(j≠p),围2汽轮机出力和循环水流量 t关 系曲线圉中国煤化工(i*I)，图2表示了冷却水最增加时，汽轮机出力变化值曲线MHCNMHG1、循环水泵耗电量变化曲线2和两者之差值曲线3的变化其中，S为目标函数，是各汽轮机功率增最OPn总最与情况。曲线3上的a点的AN值为最大,这说明a点所对应各循环水泵电耗增量SP,总屋的差，当s最大时所对应的解36南京工业职业技术学院学报第9卷第2期就是最优解，其中i表示台数。汽轮机功率增最AP是凝汽机排汽量 和循环水泵的运行台数及其组合等系统参数作为已器内压力Pe与凝汽量D。的函数,对应于汽轮机特性曲线。知的外界 条件来对待，这些参数的变化町通过改变数学模型凝汽器内压力p。由该压力下的饱和温度tg所求得;饱和温得到体现，对改变后的数学模型的求解就可得到这些参数变度l.由凝汽器的循环水流量Q.循环水入口温度T.和凝汽化对 系统最优解的影响。在其它参数不变的情况之下，循环器的清洁系数4r求出，对应于凝汽器的特性曲线。sP;为水泵的不同运行台数、不同运行组合方式对应着不同的目标不同的循环水泵的组合方式及不同的机组运行方式下，循环函数的值(能满足实际运行需要的台数及其组合方式是比水泵耗电功率总量的变化，是循环水泵的扬程H,与循环水较有限的)，这些目标函数中的最大值对应台数和组合方式泵流量q,的函数;而扬程H,又是循环水泵流量q;的函数，即为最优台数和最优组合。这两个函数分别对应了循环水泵的特性曲线。凝汽器中循环通过式Q.=Q (R, Ra, .. R_),及q;=q, (R，水流量Q,与循环水泵流最q;分别由凝汽器外循环水管路的Rg, .，R.),可把最优的阻力系数转换为最优的各循环阻力系数R.和凝汽器内循环水管路的阻力系数rn所求出;水泵循环水流量和凝汽器循环水量，再由凝汽器特性关系曲7为连接循环水泵管道的阻力系数; b, a为循环水母管压力线中的循环水流最 与循环水温升的关系曲线，将循环水量转的上、下限; minPs, max P。为凝汽器压力的上下限; i, l化为循环水温升， 此时就可以通过温升作为监控参数，以便为1, 2, 3, .. n;j, p为1, 2,3, . m。调节循环水泵运行台数及组合方式(粗调)和凝汽器循环22模型的转换与求解水调门的开度(细调),予以实现循环水的最优经济运行。循环水初温、取水水位、排水水位、凝汽器端差、汽轮优化问题的框图 如图4所示。变量初始化，原始数批输入T计算排'(城求给定1.况X对应的功半增敏SP求当前水梨f)数不变条件下水址最件分配时功率增址AP= AP,令l=k为美团的水泵台数I=是t令I=k为开启的水泵台数计算开启不同水梨时最佳水最分配时计算关闭不同水杂时的最仕水量对应的OP。分配对应的功率增H 0P,否Max(OP,)>OP,Mex(OPJ> OP,Y是令1=I+1(份止)OP,=Max(OP,J中国煤化工JMYTHCNMHG圈4循环水优化问题框圉第9卷第2期刘利, 裘浔隽:火电厂循环水系统优化控制技术的研究3723循环水优化结果的表达求解过程。最佳工况图事实上是将优化问题的数学模型的计为了能够将循环水系统优化的结果能够利用-一个较直观算结果用图形表示出来。图上集中表现出来的参数，正是运的方式进行显示，这里利用了“最佳工况图”的方法。利行人员在运行操作中最关心的几个参数:蒸汽负荷、循环水用凝汽器在各种条件下的特性数据资料,可以用它确定在汽温度、循环水系统特性及循环水泵组合方式等，而且表达方水两侧处在不同条件时(通称变工况条件)的最佳工作状式通俗易懂，对具体操作的指导性强，使实时分析技术的表态,也就是可以指导运行人员操作的“最佳工况图"。现方法极为合理。而该数学模型的正确性和合理性已被广泛最佳工况图的求取是-个比较严密的过程，也是一-个体证明，因此，最佳工况图是科学的，合理的。现汽轮机、凝汽器和循环水系统=:部分特性相万关联的计算口6815-哩凝汽品晕有利真空工汉确认图得机喝最人品事坏水包流量:三票:50酸:200五票 1505基代场比水理导压办P:三票:厂螺:-国五票:601-0调座气疆出水物导压力:工重:户暖:0-000 重:0-0囝5凝汽器最佳工况确认图界面3母管制循环水系统运行方式优化分析软件于运行现场和管理两个层面，现场层面对运行工况实时分析判断，指导运行人员按最优工况状态进行操作，而管理层面为了进一步提高循环水优化运行系统的效果，编制了母记录各种运行工况，从中整理出最优工况而组成最优工况数管制循环水系统运行方式优化分析软件。该应用软件主要用据库以供参考,软件的框架结构如图6所示。循环水系统光轮机凝汽器运行组合方式当前参数输入L计算]T况参数记必数据是<退价经过优化洲整取消1况答考、查诵调整建议中国煤化工最优「况参数MYHCNMHGi记承数据库图6软件功能流程图38南京工业职业技术学院学报第9卷第2期在该软件中，除了能够将当前的负荷及在运汽轮机凝汽析出汽轮机凝汽器及循环水系统在当前运行负荷要求下的最器的特性与对应的最佳运行工况相比较，给出循环水泵台数佳运行方式，及时判断当前运行工.况的优劣，并将调恪建议调整、汽轮机和凝汽器负简分配以及凝汽器循环水进出口压以直观的方式表示给运行操作人员。差的调整建议，还能调用设备性能参数库，参考、查询具体(3)为了进一步提升该优化技术的效果，编制了母管工况的性能参数，软件的自组织自学斗能力确保较可靠的运制循环水系统优化运行软件，从运行与管理两个层面对母管行指导水平。制循环水系统的运行进行优化，调动运行人员对母管制循环该软件实际上由六个模块组成: (1) 当前运行方式的水系统优化的积极性。设定与动态显示模块;(2)当前在运设备运行状态参数的录人模块; (3) 数据库模块; (4) 状态参数计算模块; (5)参考文献: .数据库显示模块; (6) 软件帮助及辅助功能模块。[1] 沈士一，庄贺庆.汽轮机原理[M]. 北京:水利电力.出版社，1995.4结论[2] 葛晓霞，缪国钧.循环水系统运行方式优化分析[J].(1)母管制循环水系统最优运行工况的实时分析技术电站辅机，2000 (1): 29-32.的研究涉及到凝汽器、汽轮机和循环水管网三个子系统的各[3]李勇，曹丽华，张欣刚.汽轮机凝汽器真空应达值的确自运行特性和三者的相5i配合运行的问题。本文通过把理论定方法及其应用[J]. 汽轮机技术，2002 (4): 207-分析和试验结果结合起来的方法对三个子系统的主要运行特209.性以及相互关系进行了系统的剖析。[4]李德存.根据循环水温的变化确定循环水泵的运行方式(2)该研究技术能实时地根据现场运行状态准确地分[J]. 山东电力技术，1992 (4): 18-22.Research on Circulating System Optimization of Power PlantLIU Li' ，QIU Xun-jun2(1. Narjing Institute of Industry Technology, Nanjing 210046, China;2. Nanjing Institute of Technology , Nanjing 211167, China)Abstract: Based on the method combining theoretial analysis with experimental analysis, the paper studied the main characteristics andthe restrictive relationship of condensers, steam turbines and a net of eirculating waler. h also developed an aplication sofware from themathematical model and field experimental database , not only realizing the system optimization, but guiding the operation economically,obaining a good energy saving efeet eventually.Key words: power plant; circulating system; optimization control(责任编辑周源)中国煤化工MYHCNMHG