电厂循环水系统的建模与优化

加热设备《工业加热》第37卷2008年第5期电厂循环水系统的建模与优化毛晓宇,王庆圓,颜文俊浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027)摘要:循环水系统作为火电厂的重要组成部分,其优化问题已引起人们的高度重视。针对火电厂循环水系统高能耗问题,根据某火电厂提供的数据,建立了其循环水系统发电量与耗电量差额的数学模型,用有约束非线性规划的方法解出其最优解。仿真结果表明该优化模型和求解算法能够找到最优循环水量和最佳真空,使水泵高效运行,以节约电厂耗电。关键词:循环水系统;循环水泵;汽轮机;序列二次规划法中图分类号:TM621.9文献标志码:A文章编号:1002-1639(2008)05-0030-03Modeling and Solution for the Cycle Water System in Power PlantMAO Xiao-yu, WANG Qing-guo, YAN Wen-junCollege of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)Abstract: Optimal control of circulating water system is an important item in energy saving of power plant. As to the high power consumptionof circulating water system, we establish a mathematical model of circulating water system, according to the data of a power plant, whichpicts the difference between the generating capacity and power consumption, and obtain its optimal solution based on the method of constrained nonlinear programming. The simulation result shows that the method of constrained nonlinear programming can effectually get theoptimal solution. It makes pumps more effectual and saves the power consumption.Key words: circulating water system; circulating pump; steam turbine: Sequential Quadratic Programming循环水系统是发电厂独立且重要的子系统,循环电厂循环水系统的日常运行,往往是靠操作人员的经验,水泵作为热电厂的重要辅机,其供水量一般是汽轮机排并不十分可靠。建立起优化模型,并用适当的算法求出汽量的50~70倍,同时它消耗的电能约占总发电量的其最优解是当务之急。1%~15%。因此,研究开发循环水系统的最优运行方本文根据某火电厂提供的数据,在夏季工况下,建式,对于节约用电、提高运行经济性具有重要意义2。近立了其优化问题的控制模型,并用约束变尺度法求解该些年,我国火电厂在推广应用变频调速方面取得了长足有约束非线性规划问题,求解出其最优解进展但在应用高压变频器方面,很多电厂很谨慎,其1循环水系统的建模主要原因是高压变频器初投资过高,恰恰循环水泵的连续调节需要使用高压变频器。没有使用高压变频技术的该电厂循环水系统的相关设备为:88LKXA-235型循环水泵2台,YKSL2500-162150-1收稿日期:200807-23:修回日期:200808-04型循泵电机2台和DX7pk4X-6Q型液控蝶阀。基金项目:浙江省科技计划项月资助(2007C2180)汽轮机的额定功率为600MW,取夏季工况(即一机作者简介:毛晓宇(1975-),男,硕士研究生,工程师,主要研究两泵的运行工况),即:方向为工业过程建模和控制、集散系统控制;王庆国(1984-),男,硕士研究生,主要研究方向为工循环水的密度p=1000kgm业过程建模和控制、优化算法;重力加速度g=98Nkg颜文俊(1965),男,教授、博士研究生导师,主要研传动效率抛m=1究方向为控制理论、优化控制、离散事件系统和复杂系原动机效率7g=1统等方面的理论和应用研究温度均匀数,定量计算了温度均匀性,计算结果显示:当质量[J中南大学学报:自然科学版,2004,35(5):763-768加热炉所用燃料的热值在一定范围内减小时,炉内温度2]程强周怀春,娄春,等.工业炉三维温度场可视化试验均匀性降低;当燃料热值减小较多时,炉内温度均匀性研究[.工业加热,2005,34(1):19-23虽略有改善,但炉温明显降低,这对钢坯后续轧制过程3]贺新华.高、焦炉煤气直接混合燃烧技术烧结球团,极为不利。因此,对于燃料成分不稳定的加热炉,应当200530(3):35-38安装在线热值监测或相应成分监测仪表,以便及时调整[4]范维澄,万跃鹏.流动及燃烧的模型与计算[M合肥:中国科技大学出版社,1992:3335燃烧工况,使钢坯温度均匀性达到后序工艺的要求。[5]赵坚行燃烧的数值模拟[M]北京:科学出版社,2002:51-52[6]穆勇.等离子点火器三维燃烧流场数值模拟[D].哈尔滨:参考文献哈尔滨工业大学,2005:31-32]刘光穆,郑柏平,陈建新,等.薄板坯连铸连轧工艺与产品(刀]韩昭沧燃料与燃烧[M].北京:冶金工业出版社,2004:4649加热没备《工业加热》第37卷2008年第5期因为电厂提供的是汽轮机和循环水泵的工作特性曲线,在建模的时候需要把这些曲线转化为特性方程式,因此需要用到模型化方法。本文采用的是多项式回归法,即用最小二乘法拟定经验公式,其优点在于拟合得到的曲线方程可以和实验数据有最好的一致性。-3011汽轮机输出功率建模蒸汽在凝汽器压力下的饱和温度用式(1)计算书-60t=l+△+bt(1)式中:l为冷却水进口温度;△为冷却水温升;b为凝汽8.0器传热端差。789101l1213141516凝汽器热平衡方程式为背压/kPa中=100m(h-h2)=1000qm(hw2-h)=图1汽轮机功率变化率和背压关系曲线4187q拟合为4次多项式,拟合的方程式为式中:中为凝汽器的传热量,kJh;qm,qmw分别为进人P=-28p+1595p3-2960872+凝汽器的蒸汽量和冷却水量,th;h,h分别为凝汽器中14273.0p+587413.3kW的蒸汽比焓和凝结水比焙,k/kg;kw2,hu分别为流出和式中:P为凝汽器压力;P为对应的汽轮机功率。流人凝汽器冷却水的比焓,kJ/kg。12循环水泵的耗功计算由式(2)得循环泵的压力-流量特性方程式为H=0049-229q+44.21(根据曲线拟合)(9)4. 187qmw'gme由凝汽器的传热方程可知蒸汽凝结时传给冷却水的式中:q为循环水泵的体积流量,m3s;H为泵的扬程,m热量中为循环泵的效率-流量特性方程式为中=KA△m0.52-7.23q+101.2(根据曲线拟合)(10)式中:K为凝汽器的总体传热系数,W/(m2K);△m为式中:q为循环水泵的体积流量,m/s;m为泵的效率蒸汽和冷却水之间的对数平均传热温差循环水泵电动机功率可以用式(11)计算5b由式(5)求得yhPb所以,循环水泵耗电功率和循环水量的关系式为凝汽器压力与饱和温度t有关,按式(6)计算P=9.1x10-3x/+10024=(04k-2.29+4.21)w(12)2q-7.23q+101257.662系统模型建立根据电厂实际情况,取进汽量(即凝汽器的蒸汽负荷)qm=03,M=13℃(q为循环水泵的体积流选取目标函数为汽轮机输出的净功率,决策变量为汽轮机背压(即凝汽器压力p),状态变量为循环水的体量),总冷却面积4=38000m2,凝汽器的总体传热系积流量q(因为循环水量在其他因素一定的情况下决定着数K=35332W/(m2·K),所以凝汽器真空),有t=l+△+br=23+℃△P=max(△Pr-2△Pb)(13)≥3.进一步得出0≤q≤12p=981×10-3+100146n=981×103×(12134301+o(981×10-3211.3.01kPa(14)上面两个约束的意义分别为:凝汽器压力(单位为图1是凝汽器压力变化引起汽轮机功率(汽轮机额kPa)应高于极限真空,循环水量q(单位为m3s)低于定功率为600MW)的变化曲线。泵的容量,P和P的单位为kW加燕没备《工业加热》第37卷2008年第5期式中:H+l-H+-HZZTH+nL(18)P=-28p+1595-2960.8z2+14273.0p+5874133kW其中P=0(0-2294+421)kw:=V,L(r**)-V(x')3模型的求解=+(1-)20世纪80年代,对约束非线性问题规划算法的研ZY>0.2ZHZ究,取得了很大成果,其中 Lagrange函数乘子法、投影梯度法及序列二次规划法(SQP)已成为该领域的主导算法,尤以SQP方法对一般约束问题最为有效。4仿真实验序列二次规划法(SQP)又叫约束变尺度法(con利用 MATLAB最优化工具箱( Optimization Toolbox)strained variable metric method,cM),它的主要思路是可以实现此算法,用来解决此最优化问题,求解得出在初始的变尺度法的基础上,对目标函数进行线性搜索,P=10.3518HESSE矩阵修正,差分求梯度和二次规划,将优化数学g=120000模型形成基于拉格朗日函数二次近似的二次规划子问题,目标函数值为55674×105kW。即通过有约束问题线性化来获得二次规划子问题。此时,把p,q代人,得出设非线性规划问题为=8932%(>88.25%)(系统要求夏季工况时ηnf(X>8825%),Pb=59256945kW,耗电量占发电量的1.064%,g(X≤0,i=1,…,m(15)可见,耗电量维持在较低水平h(X)=0,j=1,…,n结语求解时,每一步迭代应确定下降方向p和决定该方向上的步长a。仿真结果显示,序列二次规划法(SQP)能够求出最优解,它能跳出局部最优并找到全局最优解。在对实时可以通过求解下列二次规划子问题求得,该二次规性要求不高的情况下,它基本上能满足工程上的要求,使划子问题可以表示为耗电量维持在较低水平minV/(r)*+PHP*但是,在实时性要求很高的情况下如何优化呢?如S8x)+Vg()≤0,1=1,…,m(16)何建立其在线优化控制模型呢?有没有同时满足鲁棒性小(x)+Vh(X)p=0,j=1,…,n和实时性的智能优化算法呢?随着科学技术的发展,对其中:酽为 Lagrange函数于循环水系统的要求必将提高,必然要求运用先进的建L(X,λ,p)=f(X+∑g(X+∑(X模方法及智能优化算法。下一步的研究方向有两个是建立其最佳真空和最小轴功率的多目标优化控制模型;的HESE矩阵。当二次规划子问题的最优解=0时,可二是运用合适的智能优化算法求解该模型以证明,对应的X即为原问题的最优解X,同时存在最优乘子x;p参考文献d可以通过一维搜索确定[黄新元,赵丽,安越里,等.火电厂单元制循环水系统离令=X+agp,其中X,p已知。散优化模型及其应用U热能动力工程,2004,19(3):302-3052]夏东伟,张承慧,石庆升电厂循环水系统优化控制及其遗min(a)=f(x*+q)+∑咖max0,g(x*+qp4)}+传算法求解[山东大学学报:工学版,2005,35(2):50-55[3]齐复东,贾树本,马义伟.电站凝气设备和冷却系统M∑对呐(>0;d>0;i=1,…,m;j=1,+,n北京:水利电力出版社,1990其中,川,刂的迭代规则是4]徐海东,刘建华崔欣,等.火力发电厂循环水系统优化p=,可=咄的研究[]华东电力,2004,32(4):1922.5]王强,樊睿源,陈立军,等电厂循环水泵应用变频技术川=max,号时+(17)的节能分析U吉林电力,2006,34(3):3941.[6郭丙然.最优化技术在电厂热力工程中的应用[M,杭州=max水利电力出版社,19967张慧生,王党生.约束变尺度法应用探讨新疆工学院下一个迭代点x1上,由修正的变尺度法BFGS形成学报,1994,15(4):249-253.H,有8]方建斌,王展青,王雨春等一般约束条件下的变尺度法武汉理工大学学报:信息与管理工程版,2007,29(6):73-76