史佩鋼+薛明華+成勛+黃素華

文章編號(hào)： 1008-8857(2014)02-0092-05DOI:10.13259/j.cnki.eri.2014.02.007

摘 要： 電廠熱電負(fù)荷優(yōu)化分配是指在全廠總調(diào)度負(fù)荷下,根據(jù)各機(jī)組的熱力性能確定各機(jī)組應(yīng)承擔(dān)的熱電負(fù)荷,使得全廠效益最大或能耗最小的一種最優(yōu)化問(wèn)題.不同于燃煤熱電廠,燃機(jī)電廠9F型機(jī)組由于設(shè)計(jì)為燃?xì)廨啓C(jī)加蒸汽輪機(jī)的組合方式運(yùn)行,因此在聯(lián)合循環(huán)熱力性能模型建立上較為復(fù)雜.提出了將余熱鍋爐新蒸汽參數(shù)作為中間變量,建立了機(jī)組天然氣燃料消耗與電負(fù)荷、熱負(fù)荷之間的關(guān)系模型,確定了優(yōu)化計(jì)算的目標(biāo)函數(shù)和邊界約束條件,并采用非線性規(guī)劃方法求解.模擬與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果均表明,該優(yōu)化分配方法能有效降低燃機(jī)電廠燃料消耗水平,可以為同類(lèi)型燃機(jī)電廠熱電負(fù)荷優(yōu)化分配提供參考.

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關(guān)鍵詞：

熱電負(fù)荷優(yōu)化; 新蒸汽; 燃機(jī)電廠

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中圖分類(lèi)號(hào)： TM 611.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

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Research of combined heat and power load optimal distribution in gas turbine power plant

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SHI Peigang1, XUE Minghua2, CHENG Xun1, HUANG Suhua2

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(1.Shanghai Caojing Cogeneration Co.,Ltd.,Shanghai 201507,China;

2.Shanghai Minghua Power Technology & Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200090,China)

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Abstract： Combined heat and power load optimal distribution is a method that distributes the load to all units of the power plant in order to obtain the minimum fuel consumption or maximum economic benefit.But thermal performance model of combined cycle is difficult to set up for the gas turbine power plant in which the gas turbine and steam turbine work together,which is different from the coalfired power plant.In this paper,the relationship of natural gas consumption,heat and power load is established by setting the new steam parameters in wasteheat boiler as intermediate variables.The objective function and boundary conditions are also established.The results of optimal distribution show that this method can reduce the gas consumption.It provides a reference for optimization of heat and power load distribution in similar gas turbine power plant.

Key words：

combined heat and power load optimal distribution; new steam; gas turbine power plant

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電廠熱電負(fù)荷優(yōu)化分配是指在全廠總調(diào)度負(fù)荷下,根據(jù)各機(jī)組的熱力性能確定各機(jī)組應(yīng)承擔(dān)的熱電負(fù)荷,使得全廠效益最大或能耗最小的一種最優(yōu)化問(wèn)題.由于電力生產(chǎn)的特點(diǎn),隨著熱、電負(fù)荷的變化,電廠的主要設(shè)備不可能一直保持在經(jīng)濟(jì)負(fù)荷下運(yùn)行,正因如此,各機(jī)組不同組合的運(yùn)行方式,會(huì)引起全廠經(jīng)濟(jì)性發(fā)生變化,所以在不同的熱電負(fù)荷下合理分配各機(jī)組的負(fù)荷是電廠節(jié)能的一個(gè)重要方面.國(guó)內(nèi)外研究表明,火電廠進(jìn)行負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配可節(jié)約0.5%~1.5%的燃料成本［1］.

目前,國(guó)內(nèi)外熱電負(fù)荷優(yōu)化分配的主要應(yīng)用對(duì)象為燃煤電廠,廣大學(xué)者與工程師對(duì)此也進(jìn)行了廣泛研究,在數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化算法兩方面都取得了一定成果［2］.熱電負(fù)荷優(yōu)化分配的數(shù)學(xué)模型包括目標(biāo)函數(shù)和約束條件兩部分.國(guó)內(nèi)研究一般以某一電廠熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),優(yōu)化模型中的約束條件主要考慮:各機(jī)組的熱、電負(fù)荷之和滿足外界總需求;各機(jī)組的熱、電負(fù)荷不超過(guò)單機(jī)出力的上、下限約束;機(jī)組熱電負(fù)荷之間相互制約以滿足鍋爐最大蒸發(fā)量和低壓缸最小進(jìn)汽量的限制等［3］.從所查閱的文獻(xiàn)來(lái)看,絕大多數(shù)負(fù)荷分配研究是針對(duì)燃煤電廠開(kāi)展,而對(duì)燃機(jī)電廠開(kāi)展熱電負(fù)荷分配研究幾乎未見(jiàn).文獻(xiàn)［4］研究了基于廠級(jí)調(diào)度的熱電負(fù)荷優(yōu)化分配系統(tǒng),提出了以全廠總煤耗最小作為優(yōu)化目標(biāo),通過(guò)對(duì)熱電關(guān)系的線性化處理,獲得一般性約束條件,完成煤耗特性方程的擬合,并采用二次規(guī)劃和廣義既約梯度法完成尋優(yōu).文獻(xiàn)［5］研究了供熱機(jī)組負(fù)荷優(yōu)化分配,將全廠煤耗量作為經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo),重點(diǎn)研究了等微增率法、多維動(dòng)態(tài)規(guī)劃降維法、遺傳算法等在負(fù)荷分配中的特點(diǎn)和可行性.

燃煤電廠熱電負(fù)荷分配數(shù)學(xué)模型關(guān)鍵在于求得電功率、進(jìn)汽流量、抽汽量之間的相互關(guān)系.不同于燃煤電廠,燃機(jī)電廠9F型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為燃?xì)廨啓C(jī)加蒸汽輪機(jī)的組合方式運(yùn)行,即電負(fù)荷有燃機(jī)、汽機(jī)兩種負(fù)荷,熱負(fù)荷有高、中壓抽汽兩級(jí)抽汽形式.因此擬合熱電負(fù)荷參數(shù)更為復(fù)雜且數(shù)目眾多,這也導(dǎo)致燃機(jī)電廠熱電負(fù)荷分配數(shù)學(xué)模型的建立較為困難.本文基于燃機(jī)電廠熱電負(fù)荷分配特性,提出一套適合燃機(jī)電廠的熱電負(fù)荷分配算法,編寫(xiě)負(fù)荷分配軟件,可以為同類(lèi)型燃機(jī)電廠熱電負(fù)荷優(yōu)化分配提供參考.

1 機(jī)組能耗特性方程 

機(jī)組能耗特性方程是熱電負(fù)荷優(yōu)化分配數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ).本文研究的燃機(jī)電廠位于上海某化工區(qū)內(nèi),擁有2臺(tái)9F型熱電聯(lián)供機(jī)組、3臺(tái)快速啟動(dòng)鍋爐、2臺(tái)燃煤應(yīng)急鍋爐,既能滿足化工區(qū)熱用戶(hù)的供熱需求,提供兩種品質(zhì)的蒸汽(高壓和中壓蒸汽),又承擔(dān)一定的電網(wǎng)調(diào)峰任務(wù).其中2臺(tái)9F型熱電聯(lián)供聯(lián)合循環(huán)機(jī)組工作流程為:天然氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部燃燒發(fā)電,燃?xì)廨啓C(jī)排氣至余熱鍋爐,加熱余熱鍋爐中的水,產(chǎn)生新蒸汽推動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電,同時(shí)可由蒸汽輪機(jī)進(jìn)行高壓抽汽和中壓抽汽.從該工作流程可知,余熱鍋爐出口新蒸汽流量是聯(lián)系燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)的重要參數(shù),可依據(jù)該中間變量建立聯(lián)合循環(huán)機(jī)組天然氣燃料消耗和熱負(fù)荷、電負(fù)荷之間的關(guān)系.

1.1 天然氣流量、燃機(jī)功率和余熱鍋爐新蒸汽流量之間的關(guān)系

表1為某時(shí)間段內(nèi)不同工況下,1號(hào)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組天然氣流量Q1、燃機(jī)功率Pr1以及新蒸汽流量Qr1數(shù)據(jù),采集自電廠DCS系統(tǒng).圖1為天然氣流量、燃機(jī)功率和新蒸汽流量關(guān)系曲線.



表1 1號(hào)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組天然氣流量、燃機(jī)功率

和新蒸汽流量數(shù)據(jù)

Tab.1 Data of natural gas flow rate,gas turbine 

power and new steam flow rate



天然氣流量Q1/( t?h-1)燃機(jī)功率Pr1/MW新蒸汽流量Qr1/ (t?h-1)

52.20260.30362.26

52.30261.16364.27

50.28250.47349.66

50.14249.79345.26

50.17250.04346.70

50.17249.98346.51

46.67229.49327.51

46.78230.20328.47

46.84230.51326.58

40.87190.36298.32

40.82189.99297.92

38.19169.41290.30

35.84150.11285.69

35.83149.95285.18

35.94150.24285.22



根據(jù)表1數(shù)據(jù),天然氣流量和新蒸汽流量的擬合關(guān)系式可以表示為



Q1=a11Qr21+a12Qr1+a13(1)



式中:a11、a12、a13均為系數(shù).

由于機(jī)組性能隨著運(yùn)行時(shí)間和其它因素會(huì)發(fā)生變化,因此擬合關(guān)系式的系數(shù)也并非一成不變.由表1和圖1(a)可得:a11=-0.001,a12=1.155,a13=-173.808.該擬合關(guān)系式方差R2=0.995,說(shuō)明擬合結(jié)果和數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)程度非常好.

同理,燃機(jī)功率和新蒸汽流量的擬合關(guān)系式可表示為



Pr1=b11Qr21+b12Qr1+b13

(2)



式中:b11、b12、b13均為系數(shù).

根據(jù)表1和圖1(b)可得:b11=-0.014,b12=10.585,b13=-1 706.359.該擬合關(guān)系式的方差R2=0.992,說(shuō)明擬合結(jié)果和數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)程度非常好.



圖1 天然氣流量、燃機(jī)功率和新蒸汽流量的關(guān)系

Fig.1

Relationship between natural gas flow rate,gas turbinepower and new steam flow rate



1.2 新蒸汽流量和蒸汽輪機(jī)高壓抽汽量、中壓抽汽量

、汽機(jī)功率之間的關(guān)系

表2給出了和表1相同時(shí)間段內(nèi),1號(hào)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組新蒸汽流量、汽機(jī)功率Pg1、中壓抽汽量Dz1以及高壓抽汽量Dg1數(shù)據(jù).



表2 1號(hào)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組新蒸汽流量、汽機(jī)功率、

中壓抽汽及高壓抽汽量數(shù)據(jù)

Tab.2

Data of new steam flow rate,steam turbine power,medium 

pressure and high pressure extraction steam flow rate



新蒸汽流量Qr1/ (t?h-1)汽機(jī)功率Pg1/MW中壓抽汽量Dz1/(t?h-1)高壓抽汽量Dg1/(t?h-1)

362.26152.3755.7462.25

364.27137.7756.2568.75

366.91168.5055.8959.38

365.75190.1755.4552.70

349.66151.3655.9459.06

345.26141.1255.9862.53

346.7095.9955.7373.17

346.51110.7955.8069.76

328.47102.6340.2464.61

326.58141.4832.7652.34

298.32159.6813.4241.68

297.92187.6813.9234.27

290.30144.64043.44

285.6999.189.2956.46

285.22153.3510.9641.04

汽輪機(jī)高壓和中壓抽汽可認(rèn)為是進(jìn)行二次調(diào)節(jié)抽汽的汽輪機(jī)系統(tǒng),有



Qr1－d11Dg1－d12Dz1=f(Pg1)

(3)



式中:系數(shù)d11和d12的引入是考慮到因高壓、中壓抽汽流量與新蒸汽溫度、壓力不同(焓值不同)造成的品質(zhì)差異.d11和d12通常可在獲得各個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度和壓力后,通過(guò)焓值計(jì)算得到.本文計(jì)算得到的d11=0.782,d12=0.618.因此,由式(3)得到二次抽汽后新蒸汽流量和汽機(jī)功率的擬合關(guān)系如圖2所示.



圖2 二次抽汽后新蒸汽流量和汽機(jī)功率的關(guān)系

Fig.2

Relationship between the steam turbine power 

and the reduced new steam flow rate

新蒸汽流量與蒸汽輪機(jī)高壓抽汽量、中壓抽汽量、汽機(jī)功率之間的擬合關(guān)系式為





Qr1=d11Dg1+d12Dz1+d13Pg21+

d14Pg1+d15

(4)





其中:d11、d12、d13、d14、d15均為系數(shù),此處d11=0.782,d12=0.618,d13=-0.006,d14=2.416,d15=98.616.該擬合關(guān)系式的方差R2=0.938.

值得注意的是,將新蒸汽直接減溫、減壓得到的高壓蒸汽,由于未進(jìn)入汽輪機(jī)做功發(fā)電,則在這種情況下,系數(shù)d11可取為1,表示該高壓抽汽量是直接從新蒸汽減溫、減壓而來(lái).

2 熱電負(fù)荷優(yōu)化分配目標(biāo)函數(shù)和邊界條件

2.1 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)是熱電負(fù)荷優(yōu)化分配最終的決策依據(jù).本文以燃料成本最低作為目標(biāo)函數(shù),以?xún)膳_(tái)機(jī)組聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行工況為例,介紹目標(biāo)函數(shù)的推導(dǎo)過(guò)程.

將式(4)代入式(1)中,建立單臺(tái)機(jī)組天然氣流量、高壓抽汽量、中壓抽汽量以及汽機(jī)功率之間的關(guān)系式,即





Q1=a11(d11Dg1+d12Dz1+d13Pg21+

d14Pg1+d15)2+a12(d11Dg1+

d12Dz1+d13Pg21+d14Pg1+

d15)+a13

(5)





兩臺(tái)機(jī)組的目標(biāo)函數(shù)Qz可表示為兩臺(tái)機(jī)組的天然氣流量之和,即





Qz=a11(d11Dg1+d12Dz1+d13Pg21+

d14Pg1+d15)2+a12(d11Dg1+

d12Dz1+d13Pg21+d14Pg1+

d15)+a13+a21(d21Dg2+

d22Dz2+d23Pg22+d24Pg2+

d25)2+a22(d21Dg2+d22Dz2+

d23Pg22+d24Pg2+d25)+a23

(6)





式中:a21、a22、a23、c21、c22、c23、c24、c25 、d21、d22、d23、d24、d25均為按照1號(hào)機(jī)組數(shù)據(jù)擬合方法同理得到的2號(hào)機(jī)組數(shù)據(jù)擬合關(guān)系式的系數(shù).

為了便于確定最優(yōu)化計(jì)算的邊界條件,將1號(hào)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組Dg定義為x1,Dz1定義為x2,Pg1定義為x3,2號(hào)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組Dg2定義為x4,Dz2定義為x5,Pg2定義為x6,可得到目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為





Qz=a11(d11x1+d12x2+d13x32+

d14x3+d15)2+a12(d11x1+d12x2+

d13x32+d14x3+d15)+a13+

a21(d21x4+d22x5+d23x62+

d24x6+d25)2+a22(d21x4+

d22x5+d23x62+d24x6+

d25)+a23(7)





2.2 邊界條件

在優(yōu)化問(wèn)題中,對(duì)變量的取值范圍加以限制或規(guī)定它們之間的制約關(guān)系稱(chēng)為約束條件.約束條件實(shí)際上給出了尋優(yōu)的范圍,對(duì)于最終的分配方案具有重要意義.本文研究的問(wèn)題是機(jī)組負(fù)荷的分配,無(wú)需考慮熱網(wǎng)網(wǎng)損的影響,并且由于電廠采用先滿足熱用戶(hù)需求的方式運(yùn)行,負(fù)荷變動(dòng)不大,可以將其視為靜態(tài)分配,不考慮輸出功率變化速度的影響?yīng)?］.最終的熱電負(fù)荷分配約束條件為





x2+x5=C1

x3+x6+x7+x8=C2

x1+b11(d11x3+d12x2+d13x12+

d14x1+d15)2+b12(d11x3+d12x2+

d13x12+d14x1+d15)+b13+x4+

b21(d21x6+d22x5+d23x42+

d24x4+

d25)2+b22(d21x6+d22x5+d23x42+

d24x4+d25)+b23=C3

0≤x1,x4≤100

0≤x2,x5≤300

0≤x3,x6≤100

0≤x7,x8≤100

200≤d11x3+d12x2+d13x21+

d14x1+d15≤400

200≤d21x6+d22x5+d23x24+

d24x4+d25≤400

(8)





式中:C1、C2、C3為定值.

值得注意的是,在目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式中并沒(méi)有出現(xiàn)燃機(jī)功率,但是根據(jù)式(2),新蒸汽流量可以擬合成燃機(jī)功率的函數(shù).將式(4)代入式(2)中,同樣可以得到燃機(jī)功率和高壓抽汽量、中壓抽汽量以及汽機(jī)功率之間的關(guān)系,建立燃機(jī)功率和汽機(jī)功率之和為定值的表達(dá)式.

3 熱電負(fù)荷最優(yōu)化計(jì)算

在建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件的基礎(chǔ)上,根據(jù)模型的特點(diǎn),采用非線性規(guī)劃法進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算.所謂最優(yōu)化方法,就是找出使得目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到最小或者最大的自變量值的方法.本文目標(biāo)函數(shù)和邊界條件的數(shù)學(xué)表達(dá),可以認(rèn)為是一般非線性規(guī)劃的最優(yōu)化問(wèn)題求解,目標(biāo)函數(shù)是多次函數(shù),約束條件為非線性,采用基于Matlab數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行最優(yōu)化求解.表3給出了兩臺(tái)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行時(shí)部分工況負(fù)荷均等分配方案與優(yōu)化分配方案的對(duì)比.



表3 兩臺(tái)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行時(shí)部分工況負(fù)荷分配方案對(duì)比

Tab.3

Comparison between average distribution and load optimal distribution for two combined cycle units



參數(shù)

方案1

總負(fù)荷

均等分配

1號(hào)機(jī)組2號(hào)機(jī)組

優(yōu)化分配

1號(hào)機(jī)組2號(hào)機(jī)組

方案2

總負(fù)荷

均等分配

1號(hào)機(jī)組2號(hào)機(jī)組

優(yōu)化分配

1號(hào)機(jī)組2號(hào)機(jī)組

電負(fù)荷/MW430215215225.2204.8430215215229.3200.7

高壓抽汽量/ (t?h-1)90454550408040405030

中壓抽汽量/(t?h-1)250120125129.1120.9200130130109.490.6

天然氣流量/(t?h-1)83.4882.8679.9078.24



均等分配方案是電廠比較常見(jiàn)的運(yùn)行方案.如果兩臺(tái)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能沒(méi)有差異,那么均等分配確實(shí)是一種優(yōu)化分配.一旦兩臺(tái)機(jī)組存在性能差異,那么均等分配就不是最優(yōu)化的分配方式.通過(guò)熱電負(fù)荷分配算法,能計(jì)算出機(jī)組由于性能差異導(dǎo)致的負(fù)荷分配不同,這正是負(fù)荷優(yōu)化分配的意義所在.由表3可知,優(yōu)化分配方案均優(yōu)于均等分配方案,證明了軟件的有效性以及算法運(yùn)用的正確性.

為了使熱電負(fù)荷分配方法能實(shí)時(shí)運(yùn)用到燃機(jī)電廠運(yùn)行管理中,將熱電負(fù)荷分配最優(yōu)化算法和采用Visual Studio 2008 (C#)編程相結(jié)合,圖4給出了熱電負(fù)荷分配計(jì)算軟件界面.



圖4 熱電負(fù)荷分配計(jì)算軟件界面

Fig.4

Interface of load optimal distribution 

calculation software

該軟件能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能,一是對(duì)熱電負(fù)荷分配作在線計(jì)算,二是對(duì)一段時(shí)間內(nèi)熱電負(fù)荷分配作預(yù)測(cè)計(jì)算.功能一根據(jù)當(dāng)前的機(jī)組運(yùn)行方式,給出滿足當(dāng)前供電和供熱情況下運(yùn)行機(jī)組的最佳運(yùn)行方式,即各機(jī)組承擔(dān)的供電量和供熱量,使得燃料成本最低;功能二則根據(jù)給出的供熱、供電需求,求解滿足該需求的各機(jī)組不同組合方式,再在各機(jī)組不同的組合方式中,尋找一種利潤(rùn)最大化的組合方式,即明確給出哪臺(tái)機(jī)組參與供熱發(fā)電,并且確定各機(jī)組供熱量和發(fā)電量.功能一為實(shí)時(shí)計(jì)算,功能二為預(yù)測(cè)計(jì)算,均可指導(dǎo)管理人員、運(yùn)行人員按公司利潤(rùn)最大化進(jìn)行生產(chǎn)決策.

4 結(jié) 論

熱電負(fù)荷分配作為一種節(jié)能措施將有廣闊的發(fā)展前景,并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益.本文系統(tǒng)研究了燃機(jī)電廠熱電負(fù)荷分配問(wèn)題,得出的結(jié)論如下:

(1) 相比燃煤電廠熱電負(fù)荷分配,燃機(jī)電廠由于熱電參數(shù)眾多,能耗特性方程建立較為困難,因此本文提出了將余熱鍋爐新蒸汽流量作為中間變量,從而建立起聯(lián)合循環(huán)機(jī)組天然氣燃料消耗與電負(fù)荷、熱負(fù)荷之間的擬合關(guān)系式.

(2) 確定了燃機(jī)電廠熱電負(fù)荷分配目標(biāo)函數(shù)

和邊界約束條件,采用各機(jī)組燃料成本最低作為目標(biāo)函數(shù),并且依據(jù)供熱蒸汽來(lái)源不同修正不同機(jī)組之間燃料消耗差異.

(3) 采用非線性規(guī)劃方法優(yōu)化求解熱電負(fù)荷分配,掌握了該類(lèi)型算法的求解理論和運(yùn)算流程,通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證其可行性,開(kāi)發(fā)的相關(guān)軟件能實(shí)時(shí)在線計(jì)算當(dāng)前燃機(jī)電廠的熱電負(fù)荷分配,并具有預(yù)測(cè)一段時(shí)間內(nèi)熱電負(fù)荷優(yōu)化分配的功能.

參考文獻(xiàn):

［1］ 李太興.火電機(jī)組負(fù)荷優(yōu)化分配系統(tǒng)研究［D］.保定: 華北電力大學(xué),2007.

［2］ 王治國(guó),劉吉臻,譚文,等.基于快速性與經(jīng)濟(jì)性多目標(biāo)優(yōu)化的火電廠廠級(jí)負(fù)荷分配研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(19):86-92.

［3］ 李學(xué)斌.火電廠廠級(jí)負(fù)荷分配的多目標(biāo)優(yōu)化和決策研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(35):102-107.

［4］ 李冬.基于廠級(jí)調(diào)度的熱電負(fù)荷優(yōu)化分配系統(tǒng)的研究［D］.北京:華北電力大學(xué),2009.

［5］ 王源.供熱機(jī)組負(fù)荷優(yōu)化分配的研究［D］.南京:東南大學(xué),2005.

［6］ 王培紅,李琳,董益華,等.供熱機(jī)組熱電負(fù)荷優(yōu)化算法研究［J］.汽輪機(jī)技術(shù),2004,46(1):37-39.

d14Pg1+d15)2+a12(d11Dg1+

d12Dz1+d13Pg21+d14Pg1+

d15)+a13+a21(d21Dg2+

d22Dz2+d23Pg22+d24Pg2+

d25)2+a22(d21Dg2+d22Dz2+

d23Pg22+d24Pg2+d25)+a23

(6)





式中:a21、a22、a23、c21、c22、c23、c24、c25 、d21、d22、d23、d24、d25均為按照1號(hào)機(jī)組數(shù)據(jù)擬合方法同理得到的2號(hào)機(jī)組數(shù)據(jù)擬合關(guān)系式的系數(shù).

為了便于確定最優(yōu)化計(jì)算的邊界條件,將1號(hào)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組Dg定義為x1,Dz1定義為x2,Pg1定義為x3,2號(hào)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組Dg2定義為x4,Dz2定義為x5,Pg2定義為x6,可得到目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為





Qz=a11(d11x1+d12x2+d13x32+

d14x3+d15)2+a12(d11x1+d12x2+

d13x32+d14x3+d15)+a13+

a21(d21x4+d22x5+d23x62+

d24x6+d25)2+a22(d21x4+

d22x5+d23x62+d24x6+

d25)+a23(7)





2.2 邊界條件

在優(yōu)化問(wèn)題中,對(duì)變量的取值范圍加以限制或規(guī)定它們之間的制約關(guān)系稱(chēng)為約束條件.約束條件實(shí)際上給出了尋優(yōu)的范圍,對(duì)于最終的分配方案具有重要意義.本文研究的問(wèn)題是機(jī)組負(fù)荷的分配,無(wú)需考慮熱網(wǎng)網(wǎng)損的影響,并且由于電廠采用先滿足熱用戶(hù)需求的方式運(yùn)行,負(fù)荷變動(dòng)不大,可以將其視為靜態(tài)分配,不考慮輸出功率變化速度的影響?yīng)?］.最終的熱電負(fù)荷分配約束條件為





x2+x5=C1

x3+x6+x7+x8=C2

x1+b11(d11x3+d12x2+d13x12+

d14x1+d15)2+b12(d11x3+d12x2+

d13x12+d14x1+d15)+b13+x4+

b21(d21x6+d22x5+d23x42+

d24x4+

d25)2+b22(d21x6+d22x5+d23x42+

d24x4+d25)+b23=C3

0≤x1,x4≤100

0≤x2,x5≤300

0≤x3,x6≤100

0≤x7,x8≤100

200≤d11x3+d12x2+d13x21+

d14x1+d15≤400

200≤d21x6+d22x5+d23x24+

d24x4+d25≤400

(8)





式中:C1、C2、C3為定值.

值得注意的是,在目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式中并沒(méi)有出現(xiàn)燃機(jī)功率,但是根據(jù)式(2),新蒸汽流量可以擬合成燃機(jī)功率的函數(shù).將式(4)代入式(2)中,同樣可以得到燃機(jī)功率和高壓抽汽量、中壓抽汽量以及汽機(jī)功率之間的關(guān)系,建立燃機(jī)功率和汽機(jī)功率之和為定值的表達(dá)式.

3 熱電負(fù)荷最優(yōu)化計(jì)算

在建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件的基礎(chǔ)上,根據(jù)模型的特點(diǎn),采用非線性規(guī)劃法進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算.所謂最優(yōu)化方法,就是找出使得目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到最小或者最大的自變量值的方法.本文目標(biāo)函數(shù)和邊界條件的數(shù)學(xué)表達(dá),可以認(rèn)為是一般非線性規(guī)劃的最優(yōu)化問(wèn)題求解,目標(biāo)函數(shù)是多次函數(shù),約束條件為非線性,采用基于Matlab數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行最優(yōu)化求解.表3給出了兩臺(tái)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行時(shí)部分工況負(fù)荷均等分配方案與優(yōu)化分配方案的對(duì)比.



表3 兩臺(tái)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行時(shí)部分工況負(fù)荷分配方案對(duì)比

Tab.3

Comparison between average distribution and load optimal distribution for two combined cycle units



參數(shù)

方案1

總負(fù)荷

均等分配

1號(hào)機(jī)組2號(hào)機(jī)組

優(yōu)化分配

1號(hào)機(jī)組2號(hào)機(jī)組

方案2

總負(fù)荷

均等分配

1號(hào)機(jī)組2號(hào)機(jī)組

優(yōu)化分配

1號(hào)機(jī)組2號(hào)機(jī)組

電負(fù)荷/MW430215215225.2204.8430215215229.3200.7

高壓抽汽量/ (t?h-1)90454550408040405030

中壓抽汽量/(t?h-1)250120125129.1120.9200130130109.490.6

天然氣流量/(t?h-1)83.4882.8679.9078.24



均等分配方案是電廠比較常見(jiàn)的運(yùn)行方案.如果兩臺(tái)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能沒(méi)有差異,那么均等分配確實(shí)是一種優(yōu)化分配.一旦兩臺(tái)機(jī)組存在性能差異,那么均等分配就不是最優(yōu)化的分配方式.通過(guò)熱電負(fù)荷分配算法,能計(jì)算出機(jī)組由于性能差異導(dǎo)致的負(fù)荷分配不同,這正是負(fù)荷優(yōu)化分配的意義所在.由表3可知,優(yōu)化分配方案均優(yōu)于均等分配方案,證明了軟件的有效性以及算法運(yùn)用的正確性.

為了使熱電負(fù)荷分配方法能實(shí)時(shí)運(yùn)用到燃機(jī)電廠運(yùn)行管理中,將熱電負(fù)荷分配最優(yōu)化算法和采用Visual Studio 2008 (C#)編程相結(jié)合,圖4給出了熱電負(fù)荷分配計(jì)算軟件界面.



圖4 熱電負(fù)荷分配計(jì)算軟件界面

Fig.4

Interface of load optimal distribution 

calculation software

該軟件能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能,一是對(duì)熱電負(fù)荷分配作在線計(jì)算,二是對(duì)一段時(shí)間內(nèi)熱電負(fù)荷分配作預(yù)測(cè)計(jì)算.功能一根據(jù)當(dāng)前的機(jī)組運(yùn)行方式,給出滿足當(dāng)前供電和供熱情況下運(yùn)行機(jī)組的最佳運(yùn)行方式,即各機(jī)組承擔(dān)的供電量和供熱量,使得燃料成本最低;功能二則根據(jù)給出的供熱、供電需求,求解滿足該需求的各機(jī)組不同組合方式,再在各機(jī)組不同的組合方式中,尋找一種利潤(rùn)最大化的組合方式,即明確給出哪臺(tái)機(jī)組參與供熱發(fā)電,并且確定各機(jī)組供熱量和發(fā)電量.功能一為實(shí)時(shí)計(jì)算,功能二為預(yù)測(cè)計(jì)算,均可指導(dǎo)管理人員、運(yùn)行人員按公司利潤(rùn)最大化進(jìn)行生產(chǎn)決策.

4 結(jié) 論

熱電負(fù)荷分配作為一種節(jié)能措施將有廣闊的發(fā)展前景,并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益.本文系統(tǒng)研究了燃機(jī)電廠熱電負(fù)荷分配問(wèn)題,得出的結(jié)論如下:

(1) 相比燃煤電廠熱電負(fù)荷分配,燃機(jī)電廠由于熱電參數(shù)眾多,能耗特性方程建立較為困難,因此本文提出了將余熱鍋爐新蒸汽流量作為中間變量,從而建立起聯(lián)合循環(huán)機(jī)組天然氣燃料消耗與電負(fù)荷、熱負(fù)荷之間的擬合關(guān)系式.

(2) 確定了燃機(jī)電廠熱電負(fù)荷分配目標(biāo)函數(shù)

和邊界約束條件,采用各機(jī)組燃料成本最低作為目標(biāo)函數(shù),并且依據(jù)供熱蒸汽來(lái)源不同修正不同機(jī)組之間燃料消耗差異.

(3) 采用非線性規(guī)劃方法優(yōu)化求解熱電負(fù)荷分配,掌握了該類(lèi)型算法的求解理論和運(yùn)算流程,通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證其可行性,開(kāi)發(fā)的相關(guān)軟件能實(shí)時(shí)在線計(jì)算當(dāng)前燃機(jī)電廠的熱電負(fù)荷分配,并具有預(yù)測(cè)一段時(shí)間內(nèi)熱電負(fù)荷優(yōu)化分配的功能.

參考文獻(xiàn):

［1］ 李太興.火電機(jī)組負(fù)荷優(yōu)化分配系統(tǒng)研究［D］.保定: 華北電力大學(xué),2007.

［2］ 王治國(guó),劉吉臻,譚文,等.基于快速性與經(jīng)濟(jì)性多目標(biāo)優(yōu)化的火電廠廠級(jí)負(fù)荷分配研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(19):86-92.

［3］ 李學(xué)斌.火電廠廠級(jí)負(fù)荷分配的多目標(biāo)優(yōu)化和決策研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(35):102-107.

［4］ 李冬.基于廠級(jí)調(diào)度的熱電負(fù)荷優(yōu)化分配系統(tǒng)的研究［D］.北京:華北電力大學(xué),2009.

［5］ 王源.供熱機(jī)組負(fù)荷優(yōu)化分配的研究［D］.南京:東南大學(xué),2005.

［6］ 王培紅,李琳,董益華,等.供熱機(jī)組熱電負(fù)荷優(yōu)化算法研究［J］.汽輪機(jī)技術(shù),2004,46(1):37-39.

d14Pg1+d15)2+a12(d11Dg1+

d12Dz1+d13Pg21+d14Pg1+

d15)+a13+a21(d21Dg2+

d22Dz2+d23Pg22+d24Pg2+

d25)2+a22(d21Dg2+d22Dz2+

d23Pg22+d24Pg2+d25)+a23

(6)





式中:a21、a22、a23、c21、c22、c23、c24、c25 、d21、d22、d23、d24、d25均為按照1號(hào)機(jī)組數(shù)據(jù)擬合方法同理得到的2號(hào)機(jī)組數(shù)據(jù)擬合關(guān)系式的系數(shù).

為了便于確定最優(yōu)化計(jì)算的邊界條件,將1號(hào)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組Dg定義為x1,Dz1定義為x2,Pg1定義為x3,2號(hào)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組Dg2定義為x4,Dz2定義為x5,Pg2定義為x6,可得到目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為





Qz=a11(d11x1+d12x2+d13x32+

d14x3+d15)2+a12(d11x1+d12x2+

d13x32+d14x3+d15)+a13+

a21(d21x4+d22x5+d23x62+

d24x6+d25)2+a22(d21x4+

d22x5+d23x62+d24x6+

d25)+a23(7)





2.2 邊界條件

在優(yōu)化問(wèn)題中,對(duì)變量的取值范圍加以限制或規(guī)定它們之間的制約關(guān)系稱(chēng)為約束條件.約束條件實(shí)際上給出了尋優(yōu)的范圍,對(duì)于最終的分配方案具有重要意義.本文研究的問(wèn)題是機(jī)組負(fù)荷的分配,無(wú)需考慮熱網(wǎng)網(wǎng)損的影響,并且由于電廠采用先滿足熱用戶(hù)需求的方式運(yùn)行,負(fù)荷變動(dòng)不大,可以將其視為靜態(tài)分配,不考慮輸出功率變化速度的影響?yīng)?］.最終的熱電負(fù)荷分配約束條件為





x2+x5=C1

x3+x6+x7+x8=C2

x1+b11(d11x3+d12x2+d13x12+

d14x1+d15)2+b12(d11x3+d12x2+

d13x12+d14x1+d15)+b13+x4+

b21(d21x6+d22x5+d23x42+

d24x4+

d25)2+b22(d21x6+d22x5+d23x42+

d24x4+d25)+b23=C3

0≤x1,x4≤100

0≤x2,x5≤300

0≤x3,x6≤100

0≤x7,x8≤100

200≤d11x3+d12x2+d13x21+

d14x1+d15≤400

200≤d21x6+d22x5+d23x24+

d24x4+d25≤400

(8)





式中:C1、C2、C3為定值.

值得注意的是,在目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式中并沒(méi)有出現(xiàn)燃機(jī)功率,但是根據(jù)式(2),新蒸汽流量可以擬合成燃機(jī)功率的函數(shù).將式(4)代入式(2)中,同樣可以得到燃機(jī)功率和高壓抽汽量、中壓抽汽量以及汽機(jī)功率之間的關(guān)系,建立燃機(jī)功率和汽機(jī)功率之和為定值的表達(dá)式.

3 熱電負(fù)荷最優(yōu)化計(jì)算

在建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件的基礎(chǔ)上,根據(jù)模型的特點(diǎn),采用非線性規(guī)劃法進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算.所謂最優(yōu)化方法,就是找出使得目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到最小或者最大的自變量值的方法.本文目標(biāo)函數(shù)和邊界條件的數(shù)學(xué)表達(dá),可以認(rèn)為是一般非線性規(guī)劃的最優(yōu)化問(wèn)題求解,目標(biāo)函數(shù)是多次函數(shù),約束條件為非線性,采用基于Matlab數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行最優(yōu)化求解.表3給出了兩臺(tái)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行時(shí)部分工況負(fù)荷均等分配方案與優(yōu)化分配方案的對(duì)比.



表3 兩臺(tái)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行時(shí)部分工況負(fù)荷分配方案對(duì)比

Tab.3

Comparison between average distribution and load optimal distribution for two combined cycle units



參數(shù)

方案1

總負(fù)荷

均等分配

1號(hào)機(jī)組2號(hào)機(jī)組

優(yōu)化分配

1號(hào)機(jī)組2號(hào)機(jī)組

方案2

總負(fù)荷

均等分配

1號(hào)機(jī)組2號(hào)機(jī)組

優(yōu)化分配

1號(hào)機(jī)組2號(hào)機(jī)組

電負(fù)荷/MW430215215225.2204.8430215215229.3200.7

高壓抽汽量/ (t?h-1)90454550408040405030

中壓抽汽量/(t?h-1)250120125129.1120.9200130130109.490.6

天然氣流量/(t?h-1)83.4882.8679.9078.24



均等分配方案是電廠比較常見(jiàn)的運(yùn)行方案.如果兩臺(tái)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能沒(méi)有差異,那么均等分配確實(shí)是一種優(yōu)化分配.一旦兩臺(tái)機(jī)組存在性能差異,那么均等分配就不是最優(yōu)化的分配方式.通過(guò)熱電負(fù)荷分配算法,能計(jì)算出機(jī)組由于性能差異導(dǎo)致的負(fù)荷分配不同,這正是負(fù)荷優(yōu)化分配的意義所在.由表3可知,優(yōu)化分配方案均優(yōu)于均等分配方案,證明了軟件的有效性以及算法運(yùn)用的正確性.

為了使熱電負(fù)荷分配方法能實(shí)時(shí)運(yùn)用到燃機(jī)電廠運(yùn)行管理中,將熱電負(fù)荷分配最優(yōu)化算法和采用Visual Studio 2008 (C#)編程相結(jié)合,圖4給出了熱電負(fù)荷分配計(jì)算軟件界面.



圖4 熱電負(fù)荷分配計(jì)算軟件界面

Fig.4

Interface of load optimal distribution 

calculation software

該軟件能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能,一是對(duì)熱電負(fù)荷分配作在線計(jì)算,二是對(duì)一段時(shí)間內(nèi)熱電負(fù)荷分配作預(yù)測(cè)計(jì)算.功能一根據(jù)當(dāng)前的機(jī)組運(yùn)行方式,給出滿足當(dāng)前供電和供熱情況下運(yùn)行機(jī)組的最佳運(yùn)行方式,即各機(jī)組承擔(dān)的供電量和供熱量,使得燃料成本最低;功能二則根據(jù)給出的供熱、供電需求,求解滿足該需求的各機(jī)組不同組合方式,再在各機(jī)組不同的組合方式中,尋找一種利潤(rùn)最大化的組合方式,即明確給出哪臺(tái)機(jī)組參與供熱發(fā)電,并且確定各機(jī)組供熱量和發(fā)電量.功能一為實(shí)時(shí)計(jì)算,功能二為預(yù)測(cè)計(jì)算,均可指導(dǎo)管理人員、運(yùn)行人員按公司利潤(rùn)最大化進(jìn)行生產(chǎn)決策.

4 結(jié) 論

熱電負(fù)荷分配作為一種節(jié)能措施將有廣闊的發(fā)展前景,并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益.本文系統(tǒng)研究了燃機(jī)電廠熱電負(fù)荷分配問(wèn)題,得出的結(jié)論如下:

(1) 相比燃煤電廠熱電負(fù)荷分配,燃機(jī)電廠由于熱電參數(shù)眾多,能耗特性方程建立較為困難,因此本文提出了將余熱鍋爐新蒸汽流量作為中間變量,從而建立起聯(lián)合循環(huán)機(jī)組天然氣燃料消耗與電負(fù)荷、熱負(fù)荷之間的擬合關(guān)系式.

(2) 確定了燃機(jī)電廠熱電負(fù)荷分配目標(biāo)函數(shù)

和邊界約束條件,采用各機(jī)組燃料成本最低作為目標(biāo)函數(shù),并且依據(jù)供熱蒸汽來(lái)源不同修正不同機(jī)組之間燃料消耗差異.

(3) 采用非線性規(guī)劃方法優(yōu)化求解熱電負(fù)荷分配,掌握了該類(lèi)型算法的求解理論和運(yùn)算流程,通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證其可行性,開(kāi)發(fā)的相關(guān)軟件能實(shí)時(shí)在線計(jì)算當(dāng)前燃機(jī)電廠的熱電負(fù)荷分配,并具有預(yù)測(cè)一段時(shí)間內(nèi)熱電負(fù)荷優(yōu)化分配的功能.

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［3］ 李學(xué)斌.火電廠廠級(jí)負(fù)荷分配的多目標(biāo)優(yōu)化和決策研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(35):102-107.

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［6］ 王培紅,李琳,董益華,等.供熱機(jī)組熱電負(fù)荷優(yōu)化算法研究［J］.汽輪機(jī)技術(shù),2004,46(1):37-39.