本發(fā)明涉及火電優(yōu)化控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種用于雙背壓冷端系統(tǒng)循環(huán)水質(zhì)量流量?jī)?yōu)化控制的方法，尤其是一種基于機(jī)組凈增功率最大化的火電機(jī)組雙背壓冷端、裝備變頻泵(即循環(huán)水質(zhì)量流量連續(xù)可調(diào))系統(tǒng)的循環(huán)水質(zhì)量流量?jī)?yōu)化方法。

背景技術(shù)：

冷端系統(tǒng)是火電機(jī)組重要組成部分。隨著機(jī)組容量的擴(kuò)大，汽輪機(jī)排汽量和排汽口數(shù)量增多，為提高機(jī)組效率，電站大多采用雙背壓或多背壓冷端系統(tǒng)。冷端系統(tǒng)中各設(shè)備的工作狀態(tài)不僅通過(guò)冷凝器壓力影響機(jī)組的出力，而且因自身電力消耗影響供電煤耗，其中循環(huán)水泵尤為明顯。當(dāng)循環(huán)水量增大時(shí)，冷凝器壓力降低，機(jī)組出力增加，然而循環(huán)水泵功耗也隨之增大，反之亦然。

對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，公開(kāi)號(hào)為CN102279565A、申請(qǐng)?zhí)枮镃N201110118579.8的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，該專(zhuān)利中涉及一種火力發(fā)電機(jī)組冷端設(shè)備優(yōu)化系統(tǒng)，根據(jù)冷凝器實(shí)際運(yùn)行的壓力值與壓力應(yīng)達(dá)值之間的偏差量獲得機(jī)組的微增功率，并將其與循環(huán)水泵功耗相減得到冷端綜合功率耗差，然后比較不同工況下的耗差，選取性能較優(yōu)的冷端設(shè)備調(diào)整方式。

但上述發(fā)明計(jì)算冷凝器應(yīng)達(dá)值過(guò)程中需用到總體換熱系數(shù)，在計(jì)算微增功率時(shí)需用到機(jī)組功率修正曲線，然而總體換熱系數(shù)很難精確確定，機(jī)組功率修正曲線也是通過(guò)專(zhuān)門(mén)試驗(yàn)得到的擬合曲線，在大部分機(jī)組只能一年做一次試驗(yàn)的條件下，它顯然不能反映設(shè)備的性能動(dòng)態(tài)變化，因此無(wú)法保證冷端系統(tǒng)中循環(huán)水流量實(shí)際最優(yōu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種基于機(jī)組凈增功率最大化的火電機(jī)組雙背壓冷端系統(tǒng)雙速泵循環(huán)水流量?jī)?yōu)化方法，該方法不需計(jì)算冷凝器總體換熱系數(shù)，同時(shí)機(jī)組微增功率通過(guò)計(jì)算而非根據(jù)修正曲線得到。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種火電機(jī)組雙背壓冷端系統(tǒng)變頻泵循環(huán)水流量?jī)?yōu)化方法，具體步驟如下：

步驟1：從現(xiàn)場(chǎng)DCS(Distributed Control System，即分布式控制系統(tǒng))實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取給定時(shí)刻的機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，具體包括：低壓冷凝器循環(huán)水入口溫度、高壓冷凝器循環(huán)水出口溫度、主蒸汽質(zhì)量流量、高壓和低壓冷凝器真空度及環(huán)境大氣壓力；

步驟2：計(jì)算低壓缸排汽濕度，并在抽汽份額給定的條件下，根據(jù)可覆蓋全操作工況的工質(zhì)物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，分別計(jì)算該給定時(shí)刻高壓和低壓冷凝器入口排汽質(zhì)量流量、入口排汽比焓、凝結(jié)水比焓和飽和蒸汽溫度；步驟2的計(jì)算是在采用步驟1的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行的；

步驟3：根據(jù)低壓冷凝器和高壓冷凝器內(nèi)換熱過(guò)程能量衡算模型，計(jì)算循環(huán)水實(shí)際質(zhì)量流量、低壓冷凝器循環(huán)水出口溫度及高壓冷凝器的當(dāng)前端差；步驟3的計(jì)算是在采用步驟2的計(jì)算結(jié)果上進(jìn)行的；

步驟4：保持步驟2給定的排汽濕度和抽汽份額不變，令循環(huán)水質(zhì)量流量從D_w增加為D_w+ΔD_w，計(jì)算與循環(huán)水質(zhì)量流量D_w+ΔD_w對(duì)應(yīng)的低壓冷凝器循環(huán)水出口溫度以及高壓和低壓冷凝器的飽和蒸汽溫度，并計(jì)算與循環(huán)水質(zhì)量流量D_w+ΔD_w對(duì)應(yīng)的高壓和低壓冷凝器入口排汽比焓；步驟4的計(jì)算結(jié)果是為了用于步驟5的尋優(yōu)；

步驟5：定義循環(huán)水質(zhì)量流量增加后機(jī)組的微增功率與循環(huán)水泵的功耗增量之差(即凈功率增量)為效益函數(shù)，在給定的低壓缸機(jī)械效率、發(fā)電機(jī)效率和循環(huán)水單位功耗條件下，以循環(huán)水質(zhì)量流量增量ΔD_w為待尋優(yōu)變量，采用連續(xù)尋優(yōu)方法優(yōu)化效益函數(shù)，得到最優(yōu)循環(huán)水質(zhì)量流量增量ΔD_w；

在每一采樣時(shí)刻，重復(fù)上述計(jì)算步驟1-5，即可實(shí)現(xiàn)冷端系統(tǒng)循環(huán)水質(zhì)量流量的滾動(dòng)優(yōu)化。

步驟3中，所述低壓冷凝器和高壓冷凝器內(nèi)換熱過(guò)程能量衡算模型：

D_LEB(h_LEB-h_cw1)＝D_wc_pw(t_w2-t_w1)

D_LEA(h_LEA-h_cw2)＝D_LEB(h_cw2-h_cw1)+D_wc_pw(t_w3-t_w2)

式中：

D_LEB和D_LEA分別為低壓冷凝器和高壓冷凝器的入口排汽質(zhì)量流量,kg/s；

h_LEB和h_LEA分別為低壓冷凝器和高壓冷凝器的入口排汽比焓,J/kg；

h_cw1和h_cw2分別為低壓冷凝器和高壓冷凝器的凝結(jié)水比焓,J/kg；

D_w為循環(huán)水質(zhì)量流量,kg/s；

t_w1和t_w3分別為低壓冷凝器循環(huán)水入口溫度和高壓冷凝器循環(huán)水出口溫度,K；

t_w2為低壓冷凝器循環(huán)水出口水溫,K；

c_pw為水的等壓比熱容，通常取為4.1868J/(kg*K)。

D_LEB和D_LEA的計(jì)算為：

D_LE＝D_ms(1-α)

D_LEB＝0.5D_LE

D_LEA＝D_LE-D_LEB

式中：

D_LE為低壓缸總排汽質(zhì)量流量,kg/s；

D_ms為機(jī)組主蒸汽質(zhì)量流量,kg/s；

α為主蒸汽抽汽份額,％。

步驟3中，所述高壓冷凝器的當(dāng)前端差δt_A計(jì)算方法為：

δt_A＝t_sA-t_w3

t_sA為高壓冷凝器飽和蒸汽溫度,K；

t_w3為高壓冷凝器循環(huán)水出口溫度,K。

優(yōu)選地，步驟4中，計(jì)算與循環(huán)水質(zhì)量流量D_w+ΔD_w對(duì)應(yīng)的低壓冷凝器循環(huán)水出口溫度以及高壓和低壓冷凝器的飽和蒸汽溫度：

$t_{w2}^{\′}=t_{w1}+\frac{D_{LEB}(h_{LEB}-h_{cw1})}{c_{pw}(D_w+{\mathrm{\ΔD}}_w)}$

t_s'_B＝t_sB+(t'_w2-t_w2)

${\mathrm{\δ}}_{tA}^{\′}=\frac{{\mathrm{\δ}}_{tA}(31.5+t_{w2})}{31.5+t_{w2}^{\′}}$

$t_{sA}^{\′}=t_{w2}^{\′}+\frac{D_{LEA}(h_{LEA}-h_{cw2})+D_{LEB}(h_{cw1}-h_{cw2})}{c_{pw}(D_w+\mathrm{\Δ}Dw)}+{\mathrm{\δ}}_{tA}^{\′}$

以上式中：

ΔD_w為循環(huán)水質(zhì)量流量增量,kg/s；

t_sB為循環(huán)水質(zhì)量流量增加前低壓冷凝器飽和蒸汽溫度,K；

t'_w2為循環(huán)水質(zhì)量流量增加后低壓冷凝器出口循環(huán)水溫度,K；

t_s'_B為循環(huán)水質(zhì)量流量增加后低壓冷凝器飽和蒸汽溫度,K；

δ_t'_A為循環(huán)水質(zhì)量流量增加后高壓冷凝器端差,K；

t_s'_A為循環(huán)水質(zhì)量流量增加后高壓冷凝器飽和蒸汽溫度,K。

優(yōu)選地，步驟5中，循環(huán)水質(zhì)量流量增量?jī)?yōu)化效益函數(shù)J為

$J=\underset{{\mathrm{\ΔD}}_w}{max}\{\mathrm{\Δ}P-{\mathrm{\ΔP}}_p\}$

ΔP＝[D_LEA(h_LEA-h'_LEA)+D_LEB(h_LEB-h'_LEB)]η_mη_g

ΔP_p＝k·ΔD_w

式中：

ΔP為循環(huán)水質(zhì)量流量增加后機(jī)組的微增功率,W；

ΔP_p為循環(huán)水泵的功耗增量,W；

h'_LEA和h'_LEB為循環(huán)水質(zhì)量流量增加后高壓冷凝器和低壓冷凝器的入口排汽比焓,J/kg；

η_m為低壓缸機(jī)械效率,％；

η_g為發(fā)電機(jī)效率,％；

k為循環(huán)水泵單位功耗,J/kg。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

本發(fā)明根據(jù)冷凝器內(nèi)換熱過(guò)程能量平衡關(guān)系，給出了一種火電機(jī)組冷端、裝備變頻泵系統(tǒng)的循環(huán)水質(zhì)量流量?jī)?yōu)化方法。該方法能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算冷凝器熱力特性和機(jī)組微增功率，但避免了整體換熱系數(shù)的計(jì)算，也無(wú)需應(yīng)用機(jī)組功率修正曲線，提高了計(jì)算速度和機(jī)組冷端系統(tǒng)性能跟蹤的實(shí)時(shí)性。另外，該方法所需的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)均來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)DCS控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，不需要額外增加測(cè)點(diǎn)，僅需在已有的控制系統(tǒng)中增加相應(yīng)的軟件計(jì)算模塊，實(shí)施成本低。最后，借助可覆蓋全工況的工質(zhì)物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，該方法還可適用于不同工況和負(fù)荷條件，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

本發(fā)明用于火電機(jī)組雙背壓冷端系統(tǒng)雙速泵循環(huán)水流量?jī)?yōu)化方法，可為火電節(jié)能增效提供技術(shù)支撐。

附圖說(shuō)明

通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例雙背壓冷端系統(tǒng)示意圖；

圖2為實(shí)施例冷端系統(tǒng)優(yōu)化效果圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1所示，以某300MW火電機(jī)組為例，該冷端系統(tǒng)主要包括低壓冷凝器、高壓冷凝器和循環(huán)水系統(tǒng)三個(gè)部分。其中，低壓冷凝器的凝結(jié)水進(jìn)入高壓冷凝器再次換熱后和高壓冷凝器的凝結(jié)水一起排出。

本實(shí)施例提供一種火電機(jī)組雙背壓冷端系統(tǒng)循環(huán)水質(zhì)量流量?jī)?yōu)化方法，該方法具體包括以下步驟：

步驟1：從DCS控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取給定的某一時(shí)刻的機(jī)組運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，具體如下：

低壓冷凝器循環(huán)水入口溫度t_w1為302.65K；高壓冷凝器循環(huán)水出口溫度t_w3為314.25K；高壓冷凝器真空度為-0.0903MPa；低壓冷凝器真空度為-0.0927MPa；主蒸汽質(zhì)量流量為811kg/s；環(huán)境大氣壓力為0.101MPa。

步驟2：計(jì)算低壓缸排汽濕度為4％，并在抽汽份額給定為35％的條件下，根據(jù)可以覆蓋全操作工況的工質(zhì)物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，計(jì)算該給定時(shí)刻低壓冷凝器入口排汽質(zhì)量流量D_LEB為263.59kg/s、入口排汽比焓h_LEB為2481.39kJ/kg、凝結(jié)水比焓h_cw1為176.62kJ/kg和飽和蒸汽溫度t_sB為315.32K；高壓冷凝器入口排汽質(zhì)量流量D_LEA為263.59kg/s、入口排汽比焓h_LEA為2490.52kJ/kg、凝結(jié)水比焓h_cw2為196.99kJ/kg和飽和蒸汽溫度t_sA為320.20K。

所述工質(zhì)物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，是指根據(jù)水和水蒸氣熱力性質(zhì)工業(yè)公式(IAPWS-IF97)開(kāi)發(fā)的具有可并行調(diào)用的、區(qū)域自動(dòng)判別、批處理運(yùn)算等特點(diǎn)的用于在線計(jì)算的工質(zhì)物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，采用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)，比如參考文獻(xiàn)：王旭輝，于彤，惠兆宇，袁景淇，用于火電全范圍仿真的工質(zhì)物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，控制工程，2011,18:131-133。

所述低壓缸排汽濕度可以采用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)，比如按以下文獻(xiàn)提供的方法計(jì)算：Liang Xu,Jingqi Yuan.Online application oriented calculation of the exhaust steam wetness fraction of the low pressure cylinder in thermal power plant.Applied Thermal Engineering,2015,76:357-366。

步驟3：根據(jù)低壓冷凝器和高壓冷凝器內(nèi)換熱過(guò)程能量衡算模型，計(jì)算循環(huán)水實(shí)際質(zhì)量流量D_w、低壓冷凝器循環(huán)水出口溫度t_w2及高壓冷凝器的當(dāng)前端差δt_A。

本實(shí)施例中，步驟3所述低壓冷凝器和高壓冷凝器內(nèi)換熱過(guò)程能量衡算模型為：

D_LEB(h_LEB-h_cw1)＝D_wc_pw(t_w2-t_w1)

D_LEA(h_LEA-h_cw2)＝D_LEB(h_cw2-h_cw1)+D_wc_pw(t_w3-t_w2)

式中，

D_LEB和D_LEA分別為低壓冷凝器和高壓冷凝器的入口排汽質(zhì)量流量,kg/s；

h_LEB和h_LEA分別為低壓冷凝器和高壓冷凝器的入口排汽比焓,J/kg；

h_cw1和h_cw2分別為低壓冷凝器和高壓冷凝器的凝結(jié)水比焓,J/kg；

t_w1和t_w3分別為低壓冷凝器循環(huán)水入口溫度和高壓冷凝器循環(huán)水出口溫度,K；

t_w2為低壓冷凝器循環(huán)水出口溫度，也即高壓冷凝器的循環(huán)水入口溫度,K；

c_pw為水的等壓比熱容，通常取為4.1868J/(kg*K)。

本實(shí)施例中，步驟3所述高壓冷凝器當(dāng)前端差δt_A計(jì)算方法為

δt_A＝t_sA-t_w3

結(jié)合步驟2中的計(jì)算結(jié)果，可得該給定時(shí)刻的D_w、t_w2和δt_A分別為24927.68kg/s、308.42K和5.98K。

步驟4：保持排汽濕度和抽汽份額不變，令循環(huán)水質(zhì)量流量從D_w增加為(D_w+ΔD_w)，計(jì)算與之對(duì)應(yīng)的低壓冷凝器循環(huán)水出口溫度t'_w2以及高壓和低壓冷凝器的飽和蒸汽溫度t_s'_A和t_s'_B，并計(jì)算與之對(duì)應(yīng)的高壓和低壓冷凝器入口排汽比焓h'_LEA和h'_LEB。

本實(shí)施例中，步驟4所述循環(huán)水質(zhì)量流量增加后的低壓冷凝器出口水溫t'_w2為

$t_{w2}^{\′}=t_{w1}+\frac{D_{LEB}(h_{LEB}-h_{cw1})}{c_{pw}(D_w+{\mathrm{\ΔD}}_w)}$

循環(huán)水質(zhì)量流量增加后的低壓冷凝器飽和蒸汽溫度為

t_s'_B＝t_sB+(t'_w2-t_w2)

循環(huán)水質(zhì)量流量增加后的高壓冷凝器的端差為

${\mathrm{\δ}}_{tA}^{\′}=\frac{{\mathrm{\δ}}_{tA}(31.5+t_{w2})}{31.5+t_{w2}^{\′}}$

循環(huán)水質(zhì)量流量增加后的高壓冷凝器飽和蒸汽溫度為

$t_{sA}^{\′}=t_{w2}^{\′}+\frac{D_{LEA}(h_{LEA}-h_{cw2})+D_{LEB}(h_{cw1}-h_{cw2})}{c_{pw}(D_w+\mathrm{\Δ}Dw)}+{\mathrm{\δ}}_{tA}^{\′}$

步驟5：定義效益函數(shù)為即凈功率增量，在給定的低壓缸機(jī)械效率、發(fā)電機(jī)效率和循環(huán)水單位功耗條件下，以循環(huán)水質(zhì)量流量增量為待尋優(yōu)變量，優(yōu)化效益函數(shù)，得到最優(yōu)循環(huán)水質(zhì)量流量增量。

在每一采樣時(shí)刻，重復(fù)上述計(jì)算步驟，即可實(shí)現(xiàn)冷端系統(tǒng)循環(huán)水質(zhì)量流量的滾動(dòng)優(yōu)化。

效益函數(shù)優(yōu)化可采用現(xiàn)有的內(nèi)點(diǎn)解算方法，比如見(jiàn)文獻(xiàn)N.Karmarkar.A new polynomial-time algorithm for linear programming,Proceedings of the sixteenth annual ACM symposium on Theory of computing,1984,4:302-311。當(dāng)然，也可采用其他方法獲得ΔD_w。

本實(shí)施例中，步驟5所述的循環(huán)水質(zhì)量流量增量?jī)?yōu)化的效益函數(shù)為

$J=\underset{{\mathrm{\ΔD}}_w}{max}\{\mathrm{\Δ}P-{\mathrm{\ΔP}}_p\}$

ΔP＝[D_LEA(h_LEA-h'_LEA)+D_LEB(h_LEB-h'_LEB)]η_mη_g

ΔP_p＝K·D_w·ΔD_w

式中，

ΔP為循環(huán)水質(zhì)量流量增加后機(jī)組的微增功率,W；

ΔP_p為循環(huán)水泵的功耗增量,W；

h'_LEA和h'_LEB為循環(huán)水質(zhì)量流量增加后高壓和低壓冷凝器的入口排汽比焓,J/kg；

η_m為低壓缸機(jī)械效率,99％；

η_g為發(fā)電機(jī)效率,98.5％。

K為循環(huán)水單位功耗,210J/kg。

利用內(nèi)點(diǎn)法求解以上循環(huán)水質(zhì)量流量增量?jī)?yōu)化效益函數(shù)，得到該給定時(shí)刻最優(yōu)循環(huán)水質(zhì)量流量增量為7509.29kg/s，此時(shí)凈功率增量為302.28kW。

本實(shí)施例中，對(duì)某一天的循環(huán)水質(zhì)量流量進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果見(jiàn)圖2。

本實(shí)施例中，步驟5是以變頻泵(即循環(huán)水質(zhì)量流量連續(xù)可調(diào))為例說(shuō)明的。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。