第55卷第5汽輪機(jī)技術(shù)Vol 55 No 52013年10月TURBINE TECHNOLOGYOct.2013基于遺傳算法的火電廠循環(huán)水泵優(yōu)化運(yùn)行王洋∵,梁俊宇!,趙明2,陳鴻偉(1華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司博士后、研究生工作站,昆明650217;2云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司電力研究院,昆明650217;3華北電力大學(xué)動(dòng)力工程系,保定071003)摘要:循環(huán)水泵耗電對(duì)廠用電率、機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性影響很大。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,通過遺傳算法尋優(yōu),找出特定運(yùn)行工況下的最經(jīng)濟(jì)循環(huán)水流量,從而確定該流量下的凝汽器壓力,使得機(jī)組在最經(jīng)濟(jì)背壓下運(yùn)行。計(jì)算結(jié)果表明,通過遺傳算法獲取的最佳循環(huán)水優(yōu)化該工況下的運(yùn)行值,且在不同的循環(huán)水進(jìn)口水溫和負(fù)荷條件下計(jì)算結(jié)果可以指導(dǎo)循環(huán)水泵的投運(yùn)臺(tái)數(shù),從而提高機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性關(guān)鍵詞:循環(huán)水泵;循環(huán)水流量;遺傳算法;運(yùn)行優(yōu)化分類號(hào):TK262文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10015884(2013)054039144The Optimum Operation of Circulating Water Pumps in Power PlantBased on genetic algorithmsWANG Yang", LIANG Jun-yu, ZHAO Ming, ChEn Hong-wei(1 Postdoctoral and Graduate Workstation of North China Electric Power University and Yunnan Power GridCorporation, Kunming 650217, China; 2 Yunnan Electric Power Test Research GrouptdElectric Power Research Institute, Kunming 650217, China; 3 Department of Power EngineeringNorth China ElectricPower University, Baoding 071003, China)Abstract: The power consumption of circulating pumps has a great influence on the auxiliary power and the unit economyOn the basis of the experimental data, the most economical circulating water flow of the specific operating conditions wasidentified with genetic algorithms. Thus, the corresponding condenser pressure was got to make the unit run on the mosteconomical backpressure. The results show that the best circulating water flow calculated with the genetic algorithms canoptimize the operation conditions, and on different inlet temperatures of circulating water and load conditions, the results candetermine the number of pumps put into operation to improve the economy of the unitKey words: circulating water pumps circulating water flow; genetic algorithms; operation optimization最經(jīng)濟(jì)壓力,此時(shí)循環(huán)水泵處于最優(yōu)運(yùn)行方式下30前言遺傳算法是一種模擬生物進(jìn)化和遺傳的尋優(yōu)方法,是智能優(yōu)化算法中應(yīng)用最為廣泛也最為成功的算法。它基于凝汽器壓力是火電機(jī)組運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù),運(yùn)行機(jī)組群體在搜索空間進(jìn)行搜索,從而實(shí)現(xiàn)全局或準(zhǔn)全局最優(yōu)。而通常通過調(diào)節(jié)循環(huán)水流量來調(diào)節(jié)凝汽器壓力"。通過增加且優(yōu)化求解過程與梯度信息無關(guān),對(duì)優(yōu)化問題沒有太多的數(shù)循環(huán)水流量可降低凝汽器壓力使汽輪機(jī)的理想比焓降增學(xué)約束,可以處理任意形式的目標(biāo)函數(shù)和約束條)的數(shù)大,從而增大汽輪機(jī)功率,但同時(shí),增大循環(huán)水流量也會(huì)增加利用遺傳算法對(duì)不同運(yùn)行工況下的循環(huán)水流量進(jìn)行尋循環(huán)水泵功耗,所以凝汽器壓力存在一個(gè)最佳值,即最經(jīng)濟(jì)優(yōu)計(jì)算,獲取各工況下的最佳循環(huán)水量,從而得到相應(yīng)的最壓力。由于海拔和氣候存在差異,凝汽器最經(jīng)濟(jì)壓力一般會(huì)經(jīng)濟(jì)凝汽器壓力,對(duì)運(yùn)行機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性、火電廠的經(jīng)濟(jì)效益偏離設(shè)計(jì)值以及節(jié)能降耗工作都具有重要的意義。循環(huán)水泵是廠用電的大戶之一,其消耗的電能約占電總發(fā)電量的1.0%-1.5%。過分增大循環(huán)水量,可能使凝1優(yōu)化計(jì)算模型汽器壓力降低而多發(fā)的電反而小于循環(huán)水泵多消耗的電,得不償失。因此,根據(jù)熱經(jīng)濟(jì)性最佳的原則,當(dāng)汽機(jī)功率的增基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的循環(huán)水泵優(yōu)化計(jì)算模型是通過機(jī)組微量與循環(huán)水泵耗功增量的差值最大時(shí),對(duì)應(yīng)的凝汽器壓力為增出力和循環(huán)水泵耗功綜合優(yōu)化得到的,具體模型如下392汽輪機(jī)技術(shù)第55卷(1)通過機(jī)組微增出力試驗(yàn),得出機(jī)組在不同運(yùn)行負(fù)荷(4)最經(jīng)濟(jì)凝汽器壓力是以機(jī)組功率、循環(huán)水進(jìn)口溫度下,微增出力與背壓的關(guān)系和循環(huán)水流量為變量的目標(biāo)函數(shù),在量值上為汽輪機(jī)凈功△N,=f(N,P)(機(jī)組功率的增量與循環(huán)水泵耗功增量之差)最大時(shí)的凝汽式中,ΔN為機(jī)組微增出力,kW;N為機(jī)組負(fù)荷,kW;p為機(jī)器壓力,即組背壓,kPaf(P)=F(N,l,Q)=△N-△P(2)試驗(yàn)得岀當(dāng)前循環(huán)水溫度條件下,凝汽器壓力與循式中,ΔP為循環(huán)水泵耗功增量,kW;AN,-AP為汽輪機(jī)凈環(huán)水流量的關(guān)系,當(dāng)循環(huán)水溫度改變時(shí),由凝汽器變工況特功,kW。性予以修正p4=f2(N,t,Q。)2試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與計(jì)算方法式中,a為循環(huán)水溫度,℃;Q。為循環(huán)水流量,th。(3)通過試驗(yàn)得出循環(huán)水泵流量與其耗功的關(guān)系2.1機(jī)組概況P=f3(Q.)試驗(yàn)機(jī)組為國內(nèi)某發(fā)電廠的國產(chǎn)300MW機(jī)組,汽輪機(jī)式中,P為循環(huán)水泵耗功kW。和凝汽器的技術(shù)規(guī)范如表1和表2所示表1汽輪機(jī)技術(shù)規(guī)范額定額定額定額定額定額定設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)機(jī)組型號(hào)機(jī)組型式功率主汽壓力主汽溫度再熱壓力再熱溫度主汽流量冷卻水溫背壓W℃℃N300-16.5/535/535單軸、四缸、四排汽、3003.5535985次再熱、沖動(dòng)凝汽式表2凝汽器主要技術(shù)參數(shù)凝汽器型號(hào)冷卻面積凝汽器壓力P冷卻水流量,h冷卻管材料冷卻管根數(shù)鈦機(jī)組配置兩臺(tái)循環(huán)水泵,系某廠生產(chǎn)的1800HWQ-162.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析型混流泵,運(yùn)行中葉片角度可在-6°至+4°之間任意調(diào)整,(1)選取循環(huán)水泵運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)做最小二乘法工作性能設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示擬合處理,得到相應(yīng)條件下循環(huán)泵耗功與循環(huán)水流量的關(guān)系表31800HLWQ-16型混流泵設(shè)計(jì)參數(shù)線。單泵運(yùn)行和雙泵運(yùn)行的擬合圖分別如圖1和圖2所葉片安裝角流量Q揚(yáng)程配用功率mH,O2829621.0016.25220010.702638829952360723000032000340003600038000循環(huán)水流量/h)2613615.25圖1單泵運(yùn)行時(shí)循環(huán)水流量與耗功的關(guān)系30780單泵運(yùn)行擬合得到的曲線方程為2023116.9623112雙泵運(yùn)行擬合得到的曲線方程為:26610l1.00P=3.31324×10°Q2-0.2467Q.+6639.785(2)選取機(jī)組微增出力試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)做線性擬合處理,得到相應(yīng)條件下機(jī)組實(shí)際功率與背壓的關(guān)系曲線,以300MW為例,如圖3所示。21210第5期王洋等:基于遺傳算法的火電廠循環(huán)水泵優(yōu)化運(yùn)行393冷卻水進(jìn)口溫度修正系數(shù),=1-0.42(35-1m)2;甲10003600為冷卻水流程數(shù)Z的修正系數(shù),2=1+1035為D凝汽器單位負(fù)荷d修正系數(shù),設(shè)計(jì)負(fù)荷且≥1時(shí),q=1(4)凝汽器端差計(jì)算48000500005200054000560005800060000式中,F為冷卻水管外表總冷卻面積,m2;K為由蒸汽到冷卻循環(huán)水流量/h)水的平均總傳熱系數(shù),kJ/(m2·h·K)。圖2雙泵運(yùn)行時(shí)總循環(huán)水流量與總耗功的關(guān)系(5)凝汽器壓力計(jì)算凝汽器正常運(yùn)行時(shí),其壓力可由其對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度確定。由經(jīng)驗(yàn)公式”可得凝汽器壓力p=4+00240.009857.66式中,、為凝汽器內(nèi)的飽和蒸汽溫度,,=tn+M+&。3基于遺傳算法的最佳循環(huán)水流量確定由于上網(wǎng)電量由調(diào)度分配,電廠不能隨意改變,在汽輪機(jī)凈功最大的時(shí)候,機(jī)組運(yùn)行于最經(jīng)濟(jì)背壓下,這時(shí)電廠可10111213以適當(dāng)?shù)馗鶕?jù)上網(wǎng)電量的要求減少部分汽輪機(jī)的輸出功率背壓/kPa相當(dāng)于減少了耗煤量,從而可以提高電廠自身的經(jīng)濟(jì)效益。圖3機(jī)組實(shí)際出力與背壓的關(guān)系(300MW)3.1算法實(shí)現(xiàn)P=-1.9264p4+313.54選取汽輪機(jī)凈功為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),在一定的運(yùn)行工況、使用同樣的方法,得到不同負(fù)荷下的機(jī)組實(shí)際出力與背下,建立循環(huán)水流量的初始種群,通過不斷的尋優(yōu)計(jì)算,得出使得凈功最大時(shí)的循環(huán)水流量。在 Matlab環(huán)境中運(yùn)用英國 Sheffield大學(xué)遺傳算法工具250MW:P=-2.1728pk+262.93箱進(jìn)行代碼開發(fā),該工具箱出現(xiàn)較早、影響較大且較為完備220MW:P=-1.6354p+229.842.3計(jì)算方法單個(gè)染色體采用20位二進(jìn)制數(shù)編碼表示,初始種群總量N=100,交叉率p=0.7,變異率pm=0.01,最大迭代次數(shù)為(1)冷卻水溫升P計(jì)算過程中,首先通過給定的當(dāng)前機(jī)組運(yùn)行參數(shù)及其修(Q正參數(shù)計(jì)算得到循泵耗功等指標(biāo)的基準(zhǔn)值。通過函數(shù) crbp式中,Q為凝汽器熱負(fù)荷,3MW時(shí)額定值為389300k;B創(chuàng)建循環(huán)水流量的初始種群,函數(shù)生成的隨機(jī)數(shù)可以很好地為凝汽器負(fù)荷修正系數(shù),取為1.032;P、P為試驗(yàn)時(shí)的機(jī)組功率和計(jì)算時(shí)的機(jī)組功率,考慮到凝汽器負(fù)荷隨機(jī)組功率的保證初始種群的普遍性。直接以待求解的目標(biāo)函數(shù)作為變動(dòng),所以用P/P來修正適應(yīng)度函數(shù),計(jì)算個(gè)體的適應(yīng)度,在最大迭代次數(shù)內(nèi),反復(fù)迭代計(jì)算。迭代過程中使用sele函數(shù)從父代中選擇個(gè)體時(shí),(2)管內(nèi)換熱系數(shù)以 ranking函數(shù)返回的適應(yīng)度值作為預(yù)期選擇概率,考慮子對(duì)于管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱,采取下面關(guān)聯(lián)式計(jì)算代與父代的代溝,設(shè)置部分選擇參數(shù)為0.9,并將選擇的子代Nu =0.023 Re/ Pr/用 reIns函數(shù)插入當(dāng)前種群中進(jìn)行計(jì)算。通過觀察循環(huán)水流冷卻水被加熱,所以n取0.4,則a=d·Nuy量的圖形顯示,算法的收斂效果較好。3.2實(shí)例計(jì)算(3)總傳熱系數(shù)以該機(jī)組的某運(yùn)行工況為例,其中負(fù)荷P=300MW,循由蒸汽到冷卻水的平均總傳熱系數(shù)采用全蘇熱工研究環(huán)水進(jìn)口水溫ta=10℃,循環(huán)水流量Qo=4100h,使用所(BTHD的經(jīng)驗(yàn)公式單臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行,計(jì)算優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。K=14654.5q49:q由圖4可知,在迭代計(jì)算20次左右算法收斂,優(yōu)化得到式中,φ為冷卻面積清潔修正系數(shù)循環(huán)供水時(shí),取0.75-08;。的最經(jīng)濟(jì)循環(huán)水流量為40064U/h,相應(yīng)的汽機(jī)凈功為7007394汽輪機(jī)技術(shù)第55卷4.025表5300MW時(shí)不同循環(huán)水進(jìn)口水溫對(duì)應(yīng)的最佳運(yùn)行參數(shù)循環(huán)水進(jìn)口水溫最佳循環(huán)水流量凝汽器壓力汽輪機(jī)凈功4.0154.027648證40040123454.277194--1---1---4484746951489554921961483.98005101520253035404550迭代次數(shù)圖4某工況下循環(huán)水流量的遺傳算法尋優(yōu)結(jié)果52000泵耗功,提高電廠的經(jīng)濟(jì)效益。s50000由于循環(huán)水進(jìn)水溫度受季節(jié)等外部因素影響較大,水溫460001的升高必將使用更多的循環(huán)水流量來維持機(jī)組運(yùn)行的最佳真空。然而由于循環(huán)水泵設(shè)計(jì)參數(shù)等因素的限制,在循環(huán)水練4200量達(dá)到一定數(shù)值時(shí),就要使用雙泵運(yùn)行才能滿足流量需求仍以滿負(fù)荷為例,改變循環(huán)水進(jìn)口水溫tn,分別使用38000單、雙泵運(yùn)行,可以得到不同的t對(duì)應(yīng)的最佳運(yùn)行參數(shù),計(jì)220MW34000算中循環(huán)水流量初值采用設(shè)計(jì)值Q.。=4000h。不同進(jìn)口水溫下單、雙泵運(yùn)行的汽輪機(jī)凈功如表4所示循環(huán)水進(jìn)口水溫rC表4300MW時(shí)不同進(jìn)口水溫下單、雙泵運(yùn)行的汽輪機(jī)凈功圖5不同負(fù)荷下各循環(huán)水入口水溫對(duì)應(yīng)的最經(jīng)濟(jì)循環(huán)水流量盾環(huán)水進(jìn)口水溫汽機(jī)凈功AP,kW由圖5可知,在負(fù)荷一定的情況下,最經(jīng)濟(jì)循環(huán)水流量單泵運(yùn)行雙泵運(yùn)行都是隨著循環(huán)水人口水溫的升高而增大。在循環(huán)水入口水溫相同時(shí),負(fù)荷越高,所需的循環(huán)水流量越大。300Mw、7431250MW和220MW負(fù)荷條件下所對(duì)應(yīng)的單、雙泵的切換溫度分別是12℃、17℃和28℃,隨著負(fù)荷的降低而升高。即在較71947183低負(fù)荷下,單泵運(yùn)行可以在較高的循環(huán)水進(jìn)口水溫下維持機(jī)6938組在最經(jīng)濟(jì)背壓下運(yùn)行。計(jì)算獲取的數(shù)據(jù)和圖線與實(shí)際運(yùn)66636701行情況相符,對(duì)該機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有較好的指導(dǎo)作用。1463676434605261484結(jié)論表4的計(jì)算結(jié)果可知,汽機(jī)凈功都隨著循環(huán)水溫的升(1)本文采用基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的循環(huán)水泵優(yōu)化計(jì)算模型高而減小。在300NW下,當(dāng)循環(huán)水進(jìn)口水溫低于12℃時(shí),單在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,使用遺傳算法對(duì)循環(huán)水流量進(jìn)行了優(yōu)泵運(yùn)行的汽機(jī)凈功較大;當(dāng)水溫超過12℃后,單泵運(yùn)行的循化。結(jié)果顯示,計(jì)算得到的最經(jīng)濟(jì)循環(huán)水流量比實(shí)際運(yùn)行值環(huán)水流量已不滿足最佳流量的需要,汽機(jī)凈功小于雙泵運(yùn)行小2.28%左右;300MW、250MW和220MW負(fù)荷條件下所對(duì)時(shí)的值,此時(shí)雙泵運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性更佳應(yīng)的單、雙泵切換溫度分別是12℃、17℃和28℃,隨著負(fù)荷在300MW的負(fù)荷條件下,以12℃作為單、雙泵切換的溫的降低而升高。計(jì)算結(jié)果對(duì)該機(jī)組循環(huán)水泵的投運(yùn)和調(diào)節(jié)度點(diǎn),分別計(jì)算各個(gè)循環(huán)水進(jìn)口水溫下的最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行參數(shù),具有較好的指導(dǎo)作用。表5給出了部分的計(jì)算結(jié)果(2)運(yùn)用英國 Sheffield大學(xué)遺傳算法工具箱在 Matlab環(huán)由表5數(shù)據(jù)可知,采用雙泵運(yùn)行計(jì)算的流量有了一個(gè)明境中開發(fā)的代碼迭代20次左右就能收斂,耗時(shí)在2s以內(nèi),顯的突變,這與雙泵并聯(lián)運(yùn)行后的特性改變有直接的聯(lián)系。計(jì)算結(jié)果與電廠實(shí)際運(yùn)行值相符?？梢姶a開發(fā)過程中各參照循環(huán)泵的設(shè)計(jì)參數(shù),為了獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益,可以調(diào)參數(shù)選用合理,算法可靠且穩(wěn)定性較好。同時(shí),程序化的計(jì)節(jié)雙泵的葉角均在0°以下運(yùn)行。算方法可對(duì)不同工況進(jìn)行優(yōu)化,具有較強(qiáng)的實(shí)用性。機(jī)組負(fù)荷受調(diào)度和調(diào)峰的影響而變化,在不同的負(fù)荷條(3)通過計(jì)算得到的最佳循環(huán)水流量指導(dǎo)循環(huán)水泵的優(yōu)件下,都可以采用類似的處理手段得到不同循環(huán)水進(jìn)口水溫化運(yùn)行,使得機(jī)組運(yùn)行于最經(jīng)濟(jì)背壓下,對(duì)電廠的節(jié)能降耗汽輪機(jī)技術(shù)第55卷2.2516.1=16.21.751h=8理論流量計(jì)算流量嘀嘴號(hào)510.012,515.0圖167個(gè)鉆孔噴嘴流量不均勻性圖18計(jì)算流量和理論流量比較值模擬,可以得出以下結(jié)論:(1)高壓進(jìn)汽部分具有明顯的減溫減壓能力,鍋爐來的新蒸汽538℃,24.1MPa經(jīng)過調(diào)節(jié)閥、鉆孔噴嘴后,出口溫度在247℃~321℃,速度948m/s~1095m/s;(2)調(diào)節(jié)閥和鉆孔噴嘴都是超音速流動(dòng),根據(jù)閥桿行程,調(diào)節(jié)閥出口段存在多個(gè)激波系(3)高壓進(jìn)汽總壓損失明顯,至少達(dá)到58%,調(diào)節(jié)閥門開度越小,總壓損失越大;(4)7個(gè)鉆孔噴嘴流量相當(dāng),與離汽源遠(yuǎn)近沒有關(guān)系。5.07參考文獻(xiàn)[1]沙曾炘.鍋爐給水泵汽輪機(jī)汽源匹配與切換方式的探討[J]圖17總壓損失系數(shù)汽輪機(jī)技術(shù),1996,38(5):314-319對(duì)不同閔桿行程計(jì)算理想流量和本次數(shù)值模擬流量進(jìn)21張嵐,仇前峰。輔助蒸汽切換給水泵汽輪機(jī)[.熱力透平行了比較,如圖18所示,數(shù)值計(jì)算的結(jié)果要比理想臨界流量2012,41(1):66-68小,最大達(dá)到5%的差距,同時(shí),也說明本次模擬與理論計(jì)算[3]王富美,何崇杰給水泵汽輪機(jī)汽源切換方式的比較[].電比較吻合。站系統(tǒng)工程,1997,13(51):29-32[4]陶文銓.計(jì)算傳熱學(xué)的近代進(jìn)展[M].北京:科學(xué)出版社4結(jié)論[5]沈維道,童鈞耕,工程熱力學(xué)[M].北京:高等教育出版社本文對(duì)1000MW給水泵汽輪機(jī)高壓進(jìn)汽流道進(jìn)行了數(shù)(上接第394頁)[6]劉定平,肖蔚然.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和混合遺傳算法的凝汽器真空參考文獻(xiàn)優(yōu)化控制[J.汽輪機(jī)技術(shù),2006,48(1):52-54[1]沈士一,等.汽輪機(jī)原理[M].北京:中國電力出版社,1992[7]蔡杰進(jìn),馬曉茜.基于遺傳算法的火電機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化[J.華[2]黃新元,趙麗,安越里,等.火電廠單元制循環(huán)水系統(tǒng)離散優(yōu)南理工大學(xué)化模型及其應(yīng)用[刀.熱能動(dòng)力工程,2004,19(3):02-306.[8]傅程燕,郭棟等.循環(huán)水泵優(yōu)化運(yùn)行計(jì)算模型的優(yōu)化及應(yīng)用實(shí)[3]王瑋,曾德良,等.基于凝汽器壓力估計(jì)算法的循環(huán)水泵最例[門].制冷空調(diào)與電力機(jī)械,2011,32(1):82-84,81優(yōu)運(yùn)行[J],中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(14):7-12[9]齊復(fù)東,賈樹本,馬義偉.電站凝汽設(shè)備和冷卻系統(tǒng)[M].北4]黃萍力,徐君詔.基于最佳真空算法的汽輪機(jī)循環(huán)水泵優(yōu)化運(yùn)京:水利電力出版社,199行研究[J].熱力透平,2010,39(3):166-167[10]雷英杰,張善文,等, 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