大型火電機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化目標(biāo)值的研究和確定

1、大型火電機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化目標(biāo)值的研究和確定發(fā)表時(shí)間:2004-9-23作者：胡洪華，黃廷輝，艾衛(wèi)國(guó)，吳濤摘要：0  前 言   隨著火電機(jī)組性能監(jiān)測(cè)和運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展，如何確定運(yùn)行優(yōu)化目標(biāo)值變得越來(lái)越重要。目標(biāo)值的合理確定是機(jī)組實(shí)施性能診斷和優(yōu)化運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)?；痣姍C(jī)組的運(yùn)行優(yōu)化目標(biāo)值的研究在方法上可分為3種：(1)建立以機(jī)組經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)函數(shù)，采用機(jī)組變工況理論優(yōu)化計(jì)算得到；(2)通過(guò)機(jī)組的最大量?jī)?yōu)化試驗(yàn)得到；(3)在機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)優(yōu)化確定。而目前國(guó)內(nèi)大量采用的方法為第(1)、(2)種，對(duì)第(3)種方法，國(guó)內(nèi)尚未有真正的研究成查報(bào)道。國(guó)外，在機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行方

2、面做了大量的研究，可動(dòng)態(tài)地給運(yùn)行人員提供實(shí)時(shí)的控制目標(biāo)值。由于影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)和參數(shù)較多，且各種運(yùn)行優(yōu)化目標(biāo)值之間相互關(guān)聯(lián)和耦合，并有固定的層次，代表機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的供電煤耗率是鍋爐效率、汽輪機(jī)熱耗率、廠用電率、管道效率和機(jī)械效率的函數(shù)，而鍋爐效率又是燃料特性、排煙氧量、飛灰含碳量、排煙溫度等的函數(shù)，并且排煙氧量、飛灰含碳量之間是互相耦合的。因此，研究和正確確定機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化目標(biāo)值，對(duì)提高火電機(jī)組的運(yùn)行水平和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義?，F(xiàn)對(duì)火電機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化目標(biāo)值進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出各主要參數(shù)目標(biāo)值的確定方法，該方法在多臺(tái)大型火電機(jī)組上的應(yīng)用實(shí)踐表明，按該方法確定的優(yōu)化值，經(jīng)實(shí)踐運(yùn)行證明，可相對(duì)提高機(jī)組的

3、經(jīng)濟(jì)性1.0%1.5%。一、火電機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)1.1 機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)供電煤耗率目標(biāo)函數(shù)    我國(guó)一般采用供電煤耗率作為機(jī)組經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，它可全面反映機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。              式中，b為機(jī)組供電煤耗率，g/(kW.h)；HR為汽輪機(jī)熱耗率，kJ/(kW.h)；b為鍋爐效率，%；p為管道效率，%；為廠用電率，%。    設(shè)機(jī)組在優(yōu)化運(yùn)行方式及參數(shù)下能達(dá)到的煤耗率為b。；機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行方式及運(yùn)行參數(shù)下的煤

4、耗率為ba。火電機(jī)組的運(yùn)行優(yōu)化就是在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行條件下，最大限度地降低b=ba-bo，達(dá)到機(jī)組運(yùn)行在最優(yōu)工況的目的。    因此，機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化的關(guān)鍵是機(jī)組運(yùn)行熱力參數(shù)中影響經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)值的確定。    式(1)表示機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)，火電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化問(wèn)題為在任何工況、滿足機(jī)組安全性前提下，機(jī)組的供電煤耗率為最小?；痣姀S是一個(gè)大型的復(fù)雜系統(tǒng)，供電煤耗率是眾多參數(shù)的函數(shù)，且有些關(guān)系無(wú)法用確定的關(guān)系式描述，如果直接對(duì)供電煤耗率進(jìn)行優(yōu)化，將使優(yōu)化問(wèn)題變得非常復(fù)雜，而且會(huì)帶來(lái)“維數(shù)災(zāi)”和增加計(jì)算機(jī)優(yōu)化難度。為此將該優(yōu)化問(wèn)題簡(jiǎn)單化，將式(1

5、)取自然對(duì)數(shù)得：              1nb=1nHR-1n29.308-1nb-1np-1n(1-)          (2)    將機(jī)組的優(yōu)化工況看作是實(shí)際運(yùn)行工況通過(guò)優(yōu)化調(diào)整可得到的工況。在優(yōu)化工況的基礎(chǔ)上，將式(2)轉(zhuǎn)化為：          

6、    式中，bo為供電煤耗率目標(biāo)值；HRo為汽輪機(jī)熱耗率目標(biāo)值；bo為鍋爐效率目標(biāo)值；po為管道效率目標(biāo)值；o為廠用電率目標(biāo)值。    b、HR、b、p、分別為機(jī)組的實(shí)際工況下供電煤耗率、汽輪機(jī)熱耗率、鍋爐效率、管道效率和廠用電率相對(duì)其目標(biāo)值的變化數(shù)值。由于管道效率變化較小，可忽略其對(duì)供電煤耗率的影響。1.2 相對(duì)獨(dú)立系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)1.2.1 汽輪機(jī)熱耗率    對(duì)于投運(yùn)的汽輪機(jī)，其通流部分結(jié)構(gòu)已確定，在一定負(fù)荷下，汽輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行熱耗率僅僅與汽輪機(jī)的進(jìn)口和排出參數(shù)有關(guān)，可用下式表示： &

7、#160;                            式中，N為機(jī)組負(fù)荷；Ci為高壓缸、中壓缸進(jìn)口參數(shù)；Pk為汽輪機(jī)背壓。1.2.2 鍋爐效率    同樣，鍋爐實(shí)際運(yùn)行效率也僅僅與煤種和經(jīng)過(guò)燃燒后的排出參數(shù)(排煙溫度、氧氣量、飛灰含碳量)有關(guān)，可用下式表示：   &#

8、160;             式中，N為機(jī)組負(fù)荷；Jcoal為燃燒煤種的特性；Ce為鍋爐燃燒后的排出參數(shù)。1.2.3 廠用電率    廠用電率主要與輔機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)和其運(yùn)行方式有關(guān)：                 式中，Ki為輔機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)和其運(yùn)行方式。2 火電機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化參數(shù)目標(biāo)值及確定方法 

9、   由上述分析可知，影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的參數(shù)很多，但并不是每一個(gè)參數(shù)均有其優(yōu)化值。因此，運(yùn)行優(yōu)化參數(shù)可分為2類。2.1 第1類運(yùn)行參數(shù)    第1類運(yùn)行參數(shù)的目標(biāo)值與機(jī)組的負(fù)荷無(wú)關(guān)，如主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度，只有其數(shù)值為設(shè)計(jì)值時(shí)，機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最好，因此，可認(rèn)為這些參數(shù)的基準(zhǔn)值為制造廠提供的設(shè)計(jì)值。然而，機(jī)組在低負(fù)荷時(shí)，再熱器出口溫度較難控制在其設(shè)計(jì)值，原因是再熱器內(nèi)部對(duì)流傳熱量不足或由于設(shè)計(jì)引起的熱量分布不均引起，因此，鍋爐再熱蒸汽溫度在低負(fù)荷時(shí)的目標(biāo)值應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)得到。2.2 第2類運(yùn)行參數(shù)    該類運(yùn)行參數(shù)

10、隨著機(jī)組運(yùn)行工況的變化而變化，與機(jī)組負(fù)荷、環(huán)境溫度和熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。如主蒸汽壓力、排煙溫度、煙氣含氧量、飛灰含碳量、廠用電率、排汽壓力、最終給水溫度、各加熱器端差、過(guò)熱器減溫水流量、再熱器減溫水流量。這些參數(shù)可通過(guò)設(shè)備和參數(shù)的調(diào)整而達(dá)到最佳值，用下式表示：                Xoi為第2類運(yùn)行參數(shù)基準(zhǔn)值；N為機(jī)組負(fù)荷；th為環(huán)境溫度；Ji為熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征。對(duì)于某臺(tái)已經(jīng)投運(yùn)的機(jī)組，其熱力系統(tǒng)和配置的設(shè)備已固定，影響系數(shù)為1；而當(dāng)熱力系統(tǒng)中

11、由于某臺(tái)加熱器停運(yùn)，熱力系統(tǒng)發(fā)生變化時(shí)，結(jié)構(gòu)影響系數(shù)為Ji；Ki為影響第2類運(yùn)行參數(shù)的設(shè)備運(yùn)行方式，主蒸汽壓力與高壓調(diào)門的開度有關(guān)；廠用電率與磨煤機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)等輔助設(shè)備的運(yùn)行方式有關(guān)；排汽壓力與循環(huán)水泵運(yùn)行方式有關(guān)等。2.3 目標(biāo)值確定方法    現(xiàn)僅對(duì)汽輪機(jī)系統(tǒng)和廠用電系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化目標(biāo)值的確定方法進(jìn)行研究。2.3.1 主蒸汽壓力     根據(jù)文獻(xiàn)1的研究，對(duì)于主蒸汽壓力高于12.5MPa的汽輪機(jī)組，采用滑壓運(yùn)行既可提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性，又可降低機(jī)組在不同負(fù)荷下高壓缸排汽溫度的變化率，提高汽輪機(jī)運(yùn)行安全性。文獻(xiàn)2給出了主蒸汽壓力目標(biāo)值

12、的計(jì)算公式，但沒(méi)有給出相應(yīng)的主蒸汽調(diào)節(jié)閥位置和開啟順序，因此，確定機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷范圍內(nèi)，主蒸汽壓力的目標(biāo)值應(yīng)該結(jié)合閥位位置和開啟順序，通過(guò)機(jī)組的定滑壓試驗(yàn)確定；否則獲得的主蒸汽壓力的目標(biāo)值較難在DEH控制系統(tǒng)中實(shí)施。2.3.2 加熱器的端差    根據(jù)傳熱學(xué)方程，加熱器出口端差可用下列關(guān)系式表示：                      式中，t為給水溫升；Dw為加熱器進(jìn)

13、水流量；Cp為給水平均比熱；A為加熱器傳熱面積；K為傳熱系數(shù)。    加熱器制造廠提供的出口端差為額定工況下的設(shè)計(jì)值，出口端差可根據(jù)變工況計(jì)算得到；文獻(xiàn)2給出了加熱器的出口端差目標(biāo)值的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，這是在加熱器水位正常、管束無(wú)沾污及無(wú)堵管的條件下計(jì)算得到的值，然而，端差受水位、管束沾污程度和傳熱面積的影響較大，尤其水位的影響。因此，式(8)計(jì)算得到的出口端差目標(biāo)數(shù)值往往小于實(shí)際運(yùn)行工況下能達(dá)到的值。為此，加熱器出口端差目標(biāo)數(shù)值的確定也應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)精心的調(diào)整試驗(yàn)得到。2.3.3 凝汽器最佳背壓    文獻(xiàn)3、4給出了通過(guò)試驗(yàn)的方法確定凝汽

14、器的最佳背壓，機(jī)組運(yùn)行最佳背壓是通過(guò)機(jī)組微增出力試驗(yàn)、凝汽器特性試驗(yàn)和機(jī)組循環(huán)水泵耗功試驗(yàn)優(yōu)化得到，具體計(jì)算是以機(jī)組功率、循環(huán)水溫度和循環(huán)水流量為變量的目標(biāo)函數(shù)，即：                 在數(shù)學(xué)意義上，當(dāng)時(shí)的循環(huán)水量對(duì)應(yīng)的機(jī)組背壓即為最佳值，即：                

15、     式中，NT為對(duì)應(yīng)循環(huán)水量變化引起的背壓變化后機(jī)組功率變化量；Np為循環(huán)水量變化引起的循環(huán)水泵功率變化量；f1(N,Pk)為汽輪機(jī)微增出力與機(jī)組負(fù)荷和背壓關(guān)系；f2(N,t,W)為凝汽器熱力試驗(yàn)特性；f3(W)為循環(huán)水泵運(yùn)行方式改變時(shí)循環(huán)水量與耗功關(guān)系。    文獻(xiàn)5、6中通過(guò)制造廠提供的汽輪機(jī)組微增功率曲線、循環(huán)水泵特性曲線、凝汽器特性曲線計(jì)算得到，該方法使用的前提是上述關(guān)系應(yīng)該與實(shí)際吻合較好。然而，對(duì)于投運(yùn)的汽輪機(jī)組，循環(huán)水泵、凝汽器實(shí)際運(yùn)行特性與設(shè)計(jì)有較大差異，因此，得到的最佳背壓結(jié)果與實(shí)際差別較大。2.3.4 減溫水量

16、     減溫水分為過(guò)熱減溫水和再熱減溫水。因此，在鍋爐過(guò)熱器和再熱器不發(fā)生超溫的前提下，理論上過(guò)熱減溫水量和再熱減溫水量的最佳值應(yīng)為零。但由于鍋爐受熱面設(shè)計(jì)的缺陷或燃燒器擺角無(wú)法進(jìn)行調(diào)溫，過(guò)熱減溫水量和再熱減溫水量的最佳值應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定。2.4 廠用電率    在輔機(jī)性能一定的前提下，由于廠用電率主要與輔機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)和方式有關(guān)，因此，廠用電率目標(biāo)值的確定一般是在機(jī)組通過(guò)調(diào)整獲得的最佳工況，對(duì)輔機(jī)的耗功進(jìn)行實(shí)測(cè)。通過(guò)機(jī)組整體優(yōu)化試驗(yàn)，可得到廠用電率的目標(biāo)曲線：      &#

17、160;                   =f(N)            (11)3  應(yīng)用實(shí)例3.1 主要目標(biāo)值    現(xiàn)介紹某廠300MW機(jī)組的運(yùn)行優(yōu)化目標(biāo)值及其確定方法。3.1.1 主蒸汽壓力    在確定主蒸汽壓力的目標(biāo)值時(shí)，

18、應(yīng)明確汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)是由4個(gè)高壓閥還是6個(gè)高壓閥控制，對(duì)典型300MW機(jī)組有4個(gè)高壓調(diào)閥和6個(gè)高壓調(diào)閥，而該300MW機(jī)組有6個(gè)高壓調(diào)閥。圖1為主蒸汽壓力定滑壓目標(biāo)曲線。圖中主蒸汽壓力目標(biāo)曲線有2個(gè)定壓過(guò)程平臺(tái)，分別為5閥向4閥和4閥向3閥的定壓過(guò)程。因此，在確定主蒸汽壓力目標(biāo)曲線時(shí)還應(yīng)考慮調(diào)節(jié)閥的數(shù)量和閥的開啟順序。                       

19、60;              3.1.2 凝汽器最佳背壓    由汽輪機(jī)微增壓力、循環(huán)水泵和凝汽器特性試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)式(10)可計(jì)算得到該廠300MW機(jī)組在不同負(fù)荷和不同循環(huán)水溫下的最佳背壓(見(jiàn)表1)。                   在確定凝汽器最佳背壓時(shí)應(yīng)該

20、考慮汽輪機(jī)極限背壓的約束；否則，機(jī)組在低負(fù)荷和較低溫度下的結(jié)果往往會(huì)失實(shí)。3.2 應(yīng)用效果    采用本文提出的優(yōu)化運(yùn)行目標(biāo)值的確定方法，表2列出了熱工研究院開發(fā)的火電機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化管理系統(tǒng)7在300MW機(jī)組上的運(yùn)行和應(yīng)用結(jié)果。                                從表中可看出：在負(fù)荷296MW、背壓為9kPa時(shí)，該機(jī)組的供電煤耗率為334.84g/(kW.h)