柏春光，萬 杰，劉 嬌，張修君，左世春

(1.華電能源哈爾濱第三發(fā)電廠，黑龍江 哈爾濱 150024;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

當(dāng)前，面對能源利用及環(huán)境污染等人類共識性難題，大規(guī)模開發(fā)利用新能源、節(jié)能減排等舉措已成為各國重要的能源發(fā)展戰(zhàn)略。然而，由于火力發(fā)電在我國裝機構(gòu)成的主導(dǎo)地位及電源結(jié)構(gòu)性矛盾等問題，缺乏可平抑新能源電力隨機波動特性的電源，導(dǎo)致風(fēng)電等新能源電力功率的強隨機波動確定特性與保證電力持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)的要求形成尖銳的矛盾，大規(guī)模新能源電力消納成為目前電力系統(tǒng)面臨的重大現(xiàn)實問題。由于缺乏全局優(yōu)化理論體系，目前的新能源開發(fā)利用模式存在大規(guī)模棄風(fēng)現(xiàn)象以及大量冗余備用電源設(shè)置［1］。尤其是在我國北方的冬季，由于電網(wǎng)中運行著大量的按照傳統(tǒng)調(diào)度模式運行的供熱機組，電網(wǎng)整體的深度變負荷調(diào)峰運行能力和大規(guī)模吸納新能源電源的能力不足，電網(wǎng)整體運行效率低下。因此，鑒于目前我國能源相對不足，尤其是燃料供應(yīng)越來越緊張、煤價逐年在上漲的狀況，對于裝備供熱抽汽機組的電廠和電網(wǎng)來說，降低煤耗不僅關(guān)乎企業(yè)生存的重要因素，而且對于節(jié)能減排提高電網(wǎng)運行效率也具有重大意義。所以各熱電廠都在挖掘機組的節(jié)能潛力，采取各種方法和手段盡可能地降低發(fā)電煤耗，以節(jié)約發(fā)電成本，提高在上網(wǎng)競爭中的優(yōu)勢［2］。按照熱電聯(lián)產(chǎn)的節(jié)能機理，用熱電比、全廠總熱效率、供(發(fā))電標(biāo)煤耗率等作為節(jié)能界定指標(biāo)，其中熱電廠中如何分配電、熱兩產(chǎn)品各自所耗煤耗受到冷凝器背壓變化、主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、再熱壓力、再熱蒸汽溫度、給水溫度等多方面的影響，是當(dāng)今熱電廠面臨的主要問題。對于熱電廠負荷分配優(yōu)化問題的研究工作主要分為兩部分，首先是建立準(zhǔn)確的機組煤耗特性曲線，文獻［3］利用現(xiàn)場實際運行數(shù)據(jù)來得到機組的煤耗特性曲線，文獻［4］提出了用加權(quán)等式約束的最小二乘法建立機組煤耗特性曲線的方法，文獻［5］以變工況熱力計算為基礎(chǔ)，分段采用改進的弗留蓋爾公式，分析供熱機組的熱力特性。另外，由于熱電廠中存在熱、電兩種品質(zhì)不等價又相互關(guān)聯(lián)的能量類型，所以其負荷優(yōu)化分配問題較普通凝汽式電廠復(fù)雜得多，是一個高維、非凸、離散的非線性規(guī)劃問題［6］。因此研究工作者針對負荷分配優(yōu)化模型及優(yōu)化算法開展了大量工作，如等微增率法、動態(tài)規(guī)劃法、免疫優(yōu)化算法、蟻群算法、禁區(qū)搜索進化規(guī)劃法、多維動態(tài)規(guī)劃降維法、遺傳算法、粒子群算法、多目標(biāo)優(yōu)化算法、M5’模型樹算法等［7－13］，利用這些優(yōu)化算法來提高計算精度及收斂速度。綜上所述可以看出，目前電廠供熱抽汽機組間電負荷及熱負荷分配優(yōu)化時，均沒有考慮冷凝器背壓的影響。

本文將研究考慮冷凝器背壓的情況下供熱抽汽機組間電負荷及熱負荷的分配優(yōu)化問題。通過理論計算和現(xiàn)場實驗相結(jié)合的方法，建立了每臺機組不同電負荷和熱負荷時的機組熱耗值關(guān)系曲線?；谒⒌臒岷那€以及機組的耗差信號，利用遺傳算法，根據(jù)運行機組的實際情況及實際熱耗實時地調(diào)配各臺機組的負荷，以使熱電負荷分配最優(yōu)，降低煤耗，達到節(jié)約能源的目的。

1 電廠機組整體概況

哈三電廠配備國產(chǎn)600 MW機組兩臺和200 MW機組兩臺。每年用于機組運行燃煤400多萬噸，每年燃煤費用高達數(shù)十億元，因此加強我廠經(jīng)濟調(diào)度技術(shù)改造勢在必行。

負荷分配方式的好壞直接影響全廠的發(fā)電煤耗。哈三電廠很早就開始進行相關(guān)負荷分配優(yōu)化控制技術(shù)的咨詢、調(diào)研和技術(shù)儲備工作，于2008年底開始進行大量實驗，記錄各種實驗數(shù)據(jù)，分析出我廠四臺機組煤耗的特性曲線，找出其數(shù)學(xué)模型，為我廠負荷分配優(yōu)化創(chuàng)造了良好的前提條件。

該發(fā)電廠4臺機組的容量及投產(chǎn)時間差別較大，其中，200 MW機組和600 MW機組煤耗特性差異很大，即便是同類型的兩臺機組由于投產(chǎn)時間的不同以及設(shè)備運行狀況的不同，其煤耗特性差異也較大，因此機組間不同的熱電負荷分配方式將對全廠的煤耗產(chǎn)生不同的影響。根據(jù)每臺機組的煤耗特性對全廠的熱電負荷進行優(yōu)化分配，可以使全廠的發(fā)電煤耗到達最低的效果。為了實現(xiàn)我廠熱電負荷的優(yōu)化分配，利用現(xiàn)有的資源，研究開發(fā)出一套適合哈三電廠實際情況的熱電負荷優(yōu)化分配系統(tǒng)，實時按優(yōu)化曲線完成哈三電廠的熱電負荷分配任務(wù)，對于提高供熱機組整廠運行的經(jīng)濟性、節(jié)能降耗具有重要意義。

2 機組熱電負荷分配的建模分析

在得到上述每臺機組熱耗率曲線的基礎(chǔ)上，利用機組背壓修正曲線對當(dāng)前背壓下機組熱耗進行修正，背壓修正曲線如圖1所示。并結(jié)合遺傳算法，再根據(jù)給定的整個電廠的熱電負荷及用戶能夠輸入的優(yōu)化約束條件(如指定某幾臺機組的電負荷、熱負荷為某一定值)，便可開發(fā)供熱抽汽機組間電負荷和熱負荷的分配優(yōu)化系統(tǒng)，實現(xiàn)供熱抽汽機組間電負荷和熱負荷的分配優(yōu)化，輸出每臺機組最優(yōu)的電負荷和熱負荷設(shè)定值，使整個電廠的熱耗值最小。

圖1 機組背壓熱耗修正曲線［14］

電廠供熱抽汽機組間電負荷及熱負荷進行分配優(yōu)化時，影響機組經(jīng)濟性的是供熱抽汽量和用于發(fā)電用的蒸汽量，由于電負荷除受發(fā)電用蒸汽量影響外，還會受到冷凝器背壓變化的影響［15］，因此，電廠供熱抽汽機組間電負荷及熱負荷進行分配優(yōu)化時需要考慮背壓的影響。

根據(jù)以上分析，建立熱電負荷分配優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，其目標(biāo)函數(shù)如式(1)

式中 HC=f(power，steam);

即熱耗為功率和抽氣量的函數(shù)，wi是第i臺機組的功率占總功率的百分比，HCi是第i臺機組的熱耗。目標(biāo)函數(shù)的工程意義是經(jīng)優(yōu)化后，使四臺機組的加權(quán)平均熱耗最小。

考慮到進行熱電負荷分配時存在一定約束條件，包括每臺機組功率最大值和最小值、每臺機組熱負荷最大值和最小值以及全廠4臺機組的總功率和總熱負荷，綜合考慮這些約束條件，得到最終熱電負荷分配的數(shù)學(xué)模型如式(2)

3 基于遺傳算法的熱電負荷分配優(yōu)化

3.1 基于遺傳算法的優(yōu)化結(jié)果

利用開發(fā)的供熱機組熱電負荷分配優(yōu)化軟件平臺，以某一工況為例，對各機組的熱電負荷進行優(yōu)化分配如下:

表1 機組熱電負荷優(yōu)化分配結(jié)果

表2 在電功率和抽汽量最大范圍內(nèi)可調(diào)時，優(yōu)化后結(jié)果

表3 降低每臺機組電功率可調(diào)最大值時，優(yōu)化后結(jié)果

表4 降低600 MW機組抽汽量可調(diào)最大值時，優(yōu)化后結(jié)果

表5 降低200 MW機組抽汽量可調(diào)最大值時，優(yōu)化后結(jié)果

由上述可以看出，通過本優(yōu)化系統(tǒng)進行機組的熱電負荷分配優(yōu)化，在機組總的電負荷和熱負荷不變的情況下，通過將電負荷和熱負荷在各機組間進行分配，參見表1和表2，機組熱耗由優(yōu)化前的7 654.201 2 kJ/kW·h降為優(yōu)化后的7 605.688 kJ/ kW·h，熱耗降低48.512 8 kJ/kW·h，具有巨大的節(jié)能潛力。

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

上述熱電負荷分配的最優(yōu)結(jié)果是在電功率和抽汽量最大范圍內(nèi)可調(diào)時得出的，實際熱電負荷分配優(yōu)化可能具有各種約束條件，通過改變約束條件，得到了如下分析結(jié)果:

(1)表3降低每臺機組電功率可調(diào)最大值時，優(yōu)化后熱耗為7 635.946 4 kJ/kW·h。

(2)表4降低600 MW機組抽汽量可調(diào)最大值時，優(yōu)化后熱耗為7 738.810 7 kJ/kW·h。

(3)表5降低200 MW機組抽汽量可調(diào)最大值時，優(yōu)化后熱耗為7 623.964 4 kJ/kW·h。

通過改變約束條件得到如下規(guī)律:

(1)在電功率和抽汽量最大范圍內(nèi)可調(diào)時，#1，#2，#3機電負荷達到200 MW和600 MW的額定值，#4機組電負荷310.2 MW接近設(shè)定的可調(diào)最小值，整個電廠熱耗達到最小值，得到這樣結(jié)果的原因在于通過盡可能多的機組接近額定負荷達到較低的熱耗，這樣雖然使剩余機組的熱耗增加較多，但熱耗大的機組功率占全廠功率比重較小，從而使整個電廠的整體熱耗獲得最優(yōu)值。

(2)限制每臺機組電功率可調(diào)最大值時，熱耗增加，特別是當(dāng)限制600 MW大機組電功率可調(diào)最大值時，熱耗增加相對更大。

(3)限制每臺機組抽汽量可調(diào)最大值時，熱耗增加，特別是當(dāng)限制600 MW大機組抽汽量可調(diào)最大值時，熱耗增加相對更大。

4 結(jié)論

通過本文研究發(fā)現(xiàn)，進行熱電負荷分配優(yōu)化，增加對實際機組間熱電負荷的優(yōu)化分配控制，能夠?qū)崟r地對全廠熱電負荷進行優(yōu)化分配，以達到最佳的機組熱電負荷分配效果，另外還可以根據(jù)機組的耗差信號動態(tài)調(diào)整機組的熱電負荷，使機組熱電負荷的分配更加趨向合理，保證了在全廠總的電負荷和熱負荷指令一定的情況下，煤耗達到最小，由此降低了發(fā)電煤耗，節(jié)約了發(fā)電成本，經(jīng)濟效益顯著提高。全廠熱電負荷分配優(yōu)化系統(tǒng)實施簡單，投資較少，但投入后的回報是非?？捎^的，具有很好的市場應(yīng)用前景。這在當(dāng)前大規(guī)模接入新能源電力并缺乏全局優(yōu)化理論體系而導(dǎo)致電網(wǎng)整體運行效率低下的條件下，也為我國的供熱機組進行熱電負荷分配優(yōu)化起到了拋磚引玉的作用，希望能夠通過各電廠內(nèi)部的節(jié)能優(yōu)化，來提高整體運行效率，響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召。

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