母管制循环水系统经济运行研究

第43卷第3期汽轮机技术Vol.43 No.3200年6月TURBINE TECHNOLOGYJun. 2001母管制循环水系统经济运行研究程懋华'高訂!,石江陵2( 1东南大学火电机组振动国家工程研究中心南京210096 2南京热电厂南京)摘要:以南京热电厂循环水系统计算机优化分析研究课题为例,讨论了火电厂循环水系统优化运行中的若干关键问题。详细介绍了母管制循环水系统的数学描述和求解提出了虛拟流程阻力的概念。还介绍了优化算法及计算机软件实现等方面的研究成果。关键词循环水系统;母管制流程阻力经济运行;优化算法分类号:TK267文献标识码:A文章编号:1001 - 588( 2001 )03 - 0156 - 04.Research of Bus - piping Circulating W ater System Economical OperationCHENG Mao-hua' , GAO Weil , SHI Jiang- ling2( 1 Southeast University , Nanjing 210096 China ; 2 Nanjing Thermal Power Plant , Nanjing China )Abstract :Based on the research project of Nanjing Thermal Power Plant circulating water system computerized optimization , thispaper discusses some key problems of thermal power plant circulating water system optimization operation. The paper discusses thesolution method of bus - piping circulating water system and introduces one new concept - V irtual Flow Resistance. The paper al-so introduces optimization algorithm and the application software.Key words circulating water system ; bus - piping ; flow resistance ; economical operation ; optimization algorithm本文从目标函数,优化变量及系统模型3个方面讨0前言论母管制循环水系统运行优化模型。1.1 目标函数火电厂循环水系统是一个庞大的动力系统研循环水系统经济运行研究就是要寻找-种合理究和改善循环水系统的运行方式是提高电厂机组运地运行方式。在该方式下机组出力增量总和与水泵.行经济性的主要措施之-。许多电厂为此作了大量耗功增加的总量之差为最大此时电厂运行的经济工作如改造循环水泵使其叶片角度连续可调为循性最高故目标函数为:环水系统的经济运行创造了良好条件。现在,电厂maxOP = pri- 2Ppj运行人员主要是依据运行经验进行循环水泵的运行调节,虽然也能取得一定的经济性 ,但其效果取决于式中pr.一 -第i台机组的发电增量,i= ...m,运行人员的操作水平。母管制循环水系统,由于其m为机组的台数;系统复杂各台机组性能和循环水泵之间的运行状第j台水泵的耗电增量j=...n ,n态相互影响单凭经验进行调节就有更大的局限性,为水泵的台数。循环水系统具有的经济性潜力难以得到充分发挥。1.2 优化变量运用计算机对循环水系统进行分析,寻找其最循环水系统的运行方式表现为水泵和阀i门的运佳的经济运行方式是充分发挥循环水系统运行经济行状态,它们构成优化变量。系统中水泵的优化变性潜力的有效手段。量是工作叶片角度、开启水泵的台数及组合等。阀门的中国煤化工程度。设Ru为循环1母管制循环水系统运行优化模型水系YHCNM HG ,R,水泵运行方式,R,阀门运行方式则有:Rm= {R, ,R,}式中:Rp循环水系统经济运行问题是-个最优化问题={R,;lj= ...n},Rp.j为第j台水泵的运行方式,收稿日期2001 -01 -27作者简介雁慈敢握s5- )男南京讲师硕士。研究方向火电厂运行性能在线分析及其网络系统。第3期程懋华等:母管制循环水系统经济运行研究157R,j={r ,a}其中r以0或1分别表示水泵的开或统。其系统组成如图1所示。由图可见,该 系统循停,a为叶片的工作角度,n为水泵台数。R, =环水泵侧通过耦合管路0相互耦合凝汽器侧的3{R,.hIk=1...l}为第k个阀门的开启情况,R.k=号和4号凝汽器可同时接受来自母管1和母管2的{v x}其中v以0或1表示阀门开或关,x为阀门循环水构成耦合管路1和耦合管路2。该系统复的开启程度,l 为阀门个数。杂，无法用类似电路串并联的方法将该系统归并为1.3 系统模型单一水路。循环水系统经济运行优化分析中包含循环水、但该系统可视为由图2所示的两个相互耦合具凝汽器和汽轮机3组模型。模型首先应正确反映实有敞开端的分支管路系统组成。际系统的运行特性此外还要考虑获得模型的难易母管1程度、对优化算法的影响等因素。适当的模型应易30- DA于获得满足算法简单结果可靠等多方面的要求。以南京热电厂循环水系统优化问题为例各系乘聚耦合管路1耦合管路2统模型的获得方法及其形式分析如下。.母管2 I1.3.1 循环水系统模型50循环水系统对运行经济性的影响表现为在- -定的系统设备构成、系统运行方式和特定的外部环境(循环水入口水温水头条件下进入凝汽器的循环水流量和水泵耗功之间的关系。这种关系可用下式图1南京热电厂 循环水系统示意图表示:对每-分支管路系统,可按扬程相等的原则得到其并联运行水泵总的扬程特性;具有敞开端的分Rout = f( Run ,Rstru ,Renwi)式中,R循环水系统对运行方式改变的输出响应,支管路扬程特性可按总流量等于各分支流量之和,即各水泵的耗功和进入各凝汽器的循环水量。Rout水阻与相对分支点处的位置扬程之和对每个分支管={Qw ,Pp},Qw= {qw.;li=1.. m},qw. ;表示进入第段相等的原则求得系统的管路和水泵扬程特性获i个凝汽器的循环水流量,m为凝汽器台数;Pp=得后系统也就得解。要独立分析两分支管路，必须用适当的方法分p,jij=1...n}p. ;表示第j台水泵的耗功m为水解它们之间的耦合关系。本系统中两个分支管路系泵的台数。外部环境Remw:={p t}p t分别为循环水进入统之间的耦合关系可用图3的结构表示。设P1、A、Q、P2、A2、Q2~ P3、A3、Q3分别表示水泵的压头和温度。系统结构模型Rsm ,即系统的设备构成和相互各对应管段的出、入口压头，阻力特性系数和流量，连接关系。Ram= {Rcomp ,Rimk ,Rume } ,系统的设备构成Romp= {Cpu ,C, ,Cpi ,Comd},Cmu、C, Cpi、 Comd20- DO舍分别为系统的水泵、阀门、管段和凝汽器的组成情30-D4全况设备关系Rmk={Lpm ,L。,Lpi ,Lom}.,u\ 心Lyi、Lon分别表示系统中水泵与管段、管段与阀门、凝汽舞合管路2器与管段以及管段与管段之间的连接关系。这些关分支管路系统1系的数学模型可用关联矩阵表述;设备特性Rme =策聚{Fpm ,Fpi ,Fo ,Fomd其中,Fpu 为水泵特性Fp为管路水力阻力特性,F。 为阀门水力阻力特性,Fom 是凝中国煤化工汽器的水阻。5CTHCNMH GR设备的运行方式变量,即模型的优化变量60Rmm={Rp ,R}分支管路系统2函数关系fw可由水泵扬程特性和管路水力阻.力特性求得方南原热电厂循环水系统是双母管制系图2分支管路系统158汽轮机技术第43卷汽器的循环水量,是循环水系统对运行方式的输出e响应循环水系统和凝汽器之间联系的关系量;D;汽轮机排汽量是汽轮机与凝汽器之间的关系量。PPrP:本文采用理论和试验相结合的方法获得凝汽器系统的特性。凝汽器的清洁系数是一个机组的运行图3分支管路系统的连接关系变量本模型利用运行数据进行计算。Po为连接点处的压力则有:1.3.3 汽轮机模型P3=Po-AfQ1+Q2尸优化分析中需知汽轮机组的微增出力特性,即Po= P2- A2Q2汽机输出功率p, 与背压p:之间的关系。可解得:P3= P2-A2Q2-A5 Q1+Q2尸若令:p: = f{ Tomp, Tink,p ,t ,q ,px)P3=P2- A3'Q2 ,即假设合并管段中Q1流量不存其中:Tom为汽轮机组的热力系统组成,Tm表示热在,仅有Q2份额的流量流过将Qi对流动的影响力系统中的设备之间的连接关系,两者构成系统的转化为流程阻力即:结构模型p、t、q为新蒸汽的压力、温度和流量ipeA3'Q2= A2Q22 + A3Q2 + 2A3Q1Q2 + A3Q2为机组背压是优化分析的中间变量ph=fie(pc)可解得:A3’=A2+ As( Q/Q2尸+2As( Q1/Q2)变工况运行时汽轮机背压改变对输出功率的影响+A3 ,由这个关系式若流量比Q;/Q2已知,即可分主要在末级末级变工况特性可用多项式方程表示,解图示耦合管路为两独立管路。由于A3'不是实际这是-种显式方程易于优化求解。本项目研究中的流程阻力我们称之为虚拟流程阻力。通过这个采用离线试验和软件在线分析两种方法求取汽轮机概念的引入实现了耦合系统的分离。组的真空特性。南京热电厂实际的两个相互耦合的分支管路系. 1.4 循环水系统经济运行的优化模型统分解方法如下:结合具体的研究对象我们对优化模型的3个首先耦合管路0中的流动为单向流动,可先假组成部分逐项进行了分析，得到循环水系统经济运设分支管路系统1流入分支管路系统2再分别假行的优化模型如下:定已知流入3号和4号凝汽器耦合管路1和耦合管目标函数:路2的循环水流量中分别来自母管1和母管2的流量比然后按此流量比修正共同管段的虚拟流程阻maxsOP= 2p。-之p力使其成为两个可分别处理的分支管路系统进行约束条件:分系统的计算分系统计算完毕后再校核流量比假P.i = f( Tompi，Tink.i ,P; ,t:，9i，Pk.i)设是否正确进行修正直至满足精度要求为止。Pk.i = felPe.i)系统水泵总的扬程特性求解中所需的每台水泵Pe.i = f( Domp,i ,Dink.i ,w.i qno.i ,Dk.i)的扬程特性可利用制造厂提供性能曲线或现场试验数据。由于试验中循环水的流量难以准确测量故Rou = {Qn， Pp}= {qwi, Pp.j}= fi( Rum，我们采用制造厂的性能曲线。Rsm ,Rewwi)求解系统总的管路水力阻力特性所需的各管段Clow.i≤Pk.i≤Cup.水力阻力特性，也有经验公式计算和试验两种获得式中:i= 1... m ,m为机组的台数;j= 1...n ,n为水方法。考虑到现场试验由很多实际问题难以实现，泵的台数;Crw和Cup. ;是pk. 的上、下限。这里采用经验公式计算求取的方法和软件在线分析这是一个具有等式和不等式约束的非线性优化相结合的方法。模型求解算法应根据优化变量、目标函数和约束方1.3.2 凝汽器模型程的中国煤化工在循环水系统经济运行方式的分析中需知凝YHCNMHG汽器的真空特性,可表述为:2优化算法Pe = f( Domp,Dmink ,w，9w ,D2)式中,D.mp为凝汽器系统的设备组成,Dlmk为设备在优化模型的优化变量Rmm= {R,, R,}中,除之间的连接方数据t为循环进水温度,qw 为进入凝阀门开度为连续变量外其他如水泵工作叶片角度第3期程懋华等:母管制循环水系统经济运行研究159等都为离散变量属于复合类型变量的最优化问题。化分析软件。该软件可以显示机组的运行状态(含求解时应将复合类型变量的问题转化为单一变量类模拟图、运行参数以及性能曲线显示》可以在线诊型的问题。我们通过枚举法搜索出离散变量所有可断凝汽器和循环水系统运行状态在线分析运行特能值将问题转化为只具有阀门开度的连续变量的性。在取得优化分析所需的各项数据以后,可以根单一类型变量问题,此时优化算法就取决于模型方据当前机组运行状况,进行循环水系统运行方式的程的形式。如前所述在某些特殊工况下循环水系优化分析寻找经济性最优的运行方式。统有试验性能曲线汽轮机和凝汽器运行特性也可通过软件的在线分析或离线试验逐步完备,这时模4结论型方程均为显示方程,且其一阶导数存在、易于求解优化算法可采用直接搜索法;然而在多数情况本文以南京热电厂母管制循环水系统的计算机下循环水系统试验性能曲线是不具备的汽机和凝优化分析系统为例介绍了优化问题的数学描述分汽器试验性能曲线也是逐步完善的在这种情况下，别介绍 了循环水系统模型、凝汽器模型、汽轮机模汽轮机背压特性和凝汽器真空特性模型虽然是显式型、系统优化模型的建立;计算机应用系统的功能。函数,但形式复杂,一阶导数难以求解,而循环水系该系统不仅有助于循环水系统的优化运行指导,而统特性则为更复杂的隐式函数关系优化算法宜采且能够帮助运行人员及时了解和掌握凝汽器、循环用无须求解导数更具普遍性的复形调优法。水泵和汽轮机的有关特性，对安全生产亦具有一定 .软件实现融合了直接搜索法和复形调优法两种的作用。优化算法。在软件刚开始使用系统运行特性不完本文还详细介绍了母管制循环水系统的数学描备时,使用复形调优法。随着软件在使用过程中不述和求解提出了虚拟流程阻力的概念为复杂水力断的积累运行特性在系统运行特性完备后软件利管网系统的或解坦供7-种有效手段。中国煤化工用运行特性方程的导数,使用更快速有效的直接搜THCNM HG索法。3计算机应用系统针对南京热电厂循环水系统，开发了计算机优