第43卷第3期汽輪機技術(shù)Vol.43 No.3200年6月TURBINE TECHNOLOGYJun. 2001母管制循環(huán)水系統(tǒng)經(jīng)濟運行研究程懋華'高訂!,石江陵2( 1東南大學(xué)火電機組振動國家工程研究中心南京210096 2南京熱電廠南京)摘要:以南京熱電廠循環(huán)水系統(tǒng)計算機優(yōu)化分析研究課題為例,討論了火電廠循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化運行中的若干關(guān)鍵問題。詳細介紹了母管制循環(huán)水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述和求解提出了虛擬流程阻力的概念。還介紹了優(yōu)化算法及計算機軟件實現(xiàn)等方面的研究成果。關(guān)鍵詞循環(huán)水系統(tǒng);母管制流程阻力經(jīng)濟運行;優(yōu)化算法分類號:TK267文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1001 - 588( 2001 )03 - 0156 - 04.Research of Bus - piping Circulating W ater System Economical OperationCHENG Mao-hua' , GAO Weil , SHI Jiang- ling2( 1 Southeast University , Nanjing 210096 China ; 2 Nanjing Thermal Power Plant , Nanjing China )Abstract :Based on the research project of Nanjing Thermal Power Plant circulating water system computerized optimization , thispaper discusses some key problems of thermal power plant circulating water system optimization operation. The paper discusses thesolution method of bus - piping circulating water system and introduces one new concept - V irtual Flow Resistance. The paper al-so introduces optimization algorithm and the application software.Key words circulating water system ; bus - piping ; flow resistance ; economical operation ; optimization algorithm本文從目標(biāo)函數(shù),優(yōu)化變量及系統(tǒng)模型3個方面討0前言論母管制循環(huán)水系統(tǒng)運行優(yōu)化模型。1.1 目標(biāo)函數(shù)火電廠循環(huán)水系統(tǒng)是一個龐大的動力系統(tǒng)研循環(huán)水系統(tǒng)經(jīng)濟運行研究就是要尋找-種合理究和改善循環(huán)水系統(tǒng)的運行方式是提高電廠機組運地運行方式。在該方式下機組出力增量總和與水泵.行經(jīng)濟性的主要措施之-。許多電廠為此作了大量耗功增加的總量之差為最大此時電廠運行的經(jīng)濟工作如改造循環(huán)水泵使其葉片角度連續(xù)可調(diào)為循性最高故目標(biāo)函數(shù)為:環(huán)水系統(tǒng)的經(jīng)濟運行創(chuàng)造了良好條件?，F(xiàn)在,電廠maxOP = pri- 2Ppj運行人員主要是依據(jù)運行經(jīng)驗進行循環(huán)水泵的運行調(diào)節(jié),雖然也能取得一定的經(jīng)濟性 ,但其效果取決于式中pr.一 -第i臺機組的發(fā)電增量,i= ...m,運行人員的操作水平。母管制循環(huán)水系統(tǒng),由于其m為機組的臺數(shù);系統(tǒng)復(fù)雜各臺機組性能和循環(huán)水泵之間的運行狀第j臺水泵的耗電增量j=...n ,n態(tài)相互影響單憑經(jīng)驗進行調(diào)節(jié)就有更大的局限性,為水泵的臺數(shù)。循環(huán)水系統(tǒng)具有的經(jīng)濟性潛力難以得到充分發(fā)揮。1.2 優(yōu)化變量運用計算機對循環(huán)水系統(tǒng)進行分析,尋找其最循環(huán)水系統(tǒng)的運行方式表現(xiàn)為水泵和閥i門的運佳的經(jīng)濟運行方式是充分發(fā)揮循環(huán)水系統(tǒng)運行經(jīng)濟行狀態(tài),它們構(gòu)成優(yōu)化變量。系統(tǒng)中水泵的優(yōu)化變性潛力的有效手段。量是工作葉片角度、開啟水泵的臺數(shù)及組合等。閥門的中國煤化工程度。設(shè)Ru為循環(huán)1母管制循環(huán)水系統(tǒng)運行優(yōu)化模型水系YHCNM HG ,R,水泵運行方式,R,閥門運行方式則有:Rm= {R, ,R,}式中:Rp循環(huán)水系統(tǒng)經(jīng)濟運行問題是-個最優(yōu)化問題={R,;lj= ...n},Rp.j為第j臺水泵的運行方式,收稿日期2001 -01 -27作者簡介雁慈敢握s5- )男南京講師碩士。研究方向火電廠運行性能在線分析及其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。第3期程懋華等:母管制循環(huán)水系統(tǒng)經(jīng)濟運行研究157R,j={r ,a}其中r以0或1分別表示水泵的開或統(tǒng)。其系統(tǒng)組成如圖1所示。由圖可見,該 系統(tǒng)循停,a為葉片的工作角度,n為水泵臺數(shù)。R, =環(huán)水泵側(cè)通過耦合管路0相互耦合凝汽器側(cè)的3{R,.hIk=1...l}為第k個閥門的開啟情況,R.k=號和4號凝汽器可同時接受來自母管1和母管2的{v x}其中v以0或1表示閥門開或關(guān),x為閥門循環(huán)水構(gòu)成耦合管路1和耦合管路2。該系統(tǒng)復(fù)的開啟程度,l 為閥門個數(shù)。雜，無法用類似電路串并聯(lián)的方法將該系統(tǒng)歸并為1.3 系統(tǒng)模型單一水路。循環(huán)水系統(tǒng)經(jīng)濟運行優(yōu)化分析中包含循環(huán)水、但該系統(tǒng)可視為由圖2所示的兩個相互耦合具凝汽器和汽輪機3組模型。模型首先應(yīng)正確反映實有敞開端的分支管路系統(tǒng)組成。際系統(tǒng)的運行特性此外還要考慮獲得模型的難易母管1程度、對優(yōu)化算法的影響等因素。適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛻?yīng)易30- DA于獲得滿足算法簡單結(jié)果可靠等多方面的要求。以南京熱電廠循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化問題為例各系乘聚耦合管路1耦合管路2統(tǒng)模型的獲得方法及其形式分析如下。.母管2 I1.3.1 循環(huán)水系統(tǒng)模型50循環(huán)水系統(tǒng)對運行經(jīng)濟性的影響表現(xiàn)為在- -定的系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成、系統(tǒng)運行方式和特定的外部環(huán)境(循環(huán)水入口水溫水頭條件下進入凝汽器的循環(huán)水流量和水泵耗功之間的關(guān)系。這種關(guān)系可用下式圖1南京熱電廠 循環(huán)水系統(tǒng)示意圖表示:對每-分支管路系統(tǒng),可按揚程相等的原則得到其并聯(lián)運行水泵總的揚程特性;具有敞開端的分Rout = f( Run ,Rstru ,Renwi)式中,R循環(huán)水系統(tǒng)對運行方式改變的輸出響應(yīng),支管路揚程特性可按總流量等于各分支流量之和,即各水泵的耗功和進入各凝汽器的循環(huán)水量。Rout水阻與相對分支點處的位置揚程之和對每個分支管={Qw ,Pp},Qw= {qw.;li=1.. m},qw. ;表示進入第段相等的原則求得系統(tǒng)的管路和水泵揚程特性獲i個凝汽器的循環(huán)水流量,m為凝汽器臺數(shù);Pp=得后系統(tǒng)也就得解。要獨立分析兩分支管路，必須用適當(dāng)?shù)姆椒ǚ謕,jij=1...n}p. ;表示第j臺水泵的耗功m為水解它們之間的耦合關(guān)系。本系統(tǒng)中兩個分支管路系泵的臺數(shù)。外部環(huán)境Remw:={p t}p t分別為循環(huán)水進入統(tǒng)之間的耦合關(guān)系可用圖3的結(jié)構(gòu)表示。設(shè)P1、A、Q、P2、A2、Q2~ P3、A3、Q3分別表示水泵的壓頭和溫度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型Rsm ,即系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成和相互各對應(yīng)管段的出、入口壓頭，阻力特性系數(shù)和流量，連接關(guān)系。Ram= {Rcomp ,Rimk ,Rume } ,系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成Romp= {Cpu ,C, ,Cpi ,Comd},Cmu、C, Cpi、 Comd20- DO舍分別為系統(tǒng)的水泵、閥門、管段和凝汽器的組成情30-D4全況設(shè)備關(guān)系Rmk={Lpm ,L。,Lpi ,Lom}.,u\ 心Lyi、Lon分別表示系統(tǒng)中水泵與管段、管段與閥門、凝汽舞合管路2器與管段以及管段與管段之間的連接關(guān)系。這些關(guān)分支管路系統(tǒng)1系的數(shù)學(xué)模型可用關(guān)聯(lián)矩陣表述;設(shè)備特性Rme =策聚{Fpm ,Fpi ,Fo ,Fomd其中,Fpu 為水泵特性Fp為管路水力阻力特性,F。 為閥門水力阻力特性,Fom 是凝中國煤化工汽器的水阻。5CTHCNMH GR設(shè)備的運行方式變量,即模型的優(yōu)化變量60Rmm={Rp ,R}分支管路系統(tǒng)2函數(shù)關(guān)系fw可由水泵揚程特性和管路水力阻.力特性求得方南原熱電廠循環(huán)水系統(tǒng)是雙母管制系圖2分支管路系統(tǒng)158汽輪機技術(shù)第43卷汽器的循環(huán)水量,是循環(huán)水系統(tǒng)對運行方式的輸出e響應(yīng)循環(huán)水系統(tǒng)和凝汽器之間聯(lián)系的關(guān)系量;D;汽輪機排汽量是汽輪機與凝汽器之間的關(guān)系量。PPrP:本文采用理論和試驗相結(jié)合的方法獲得凝汽器系統(tǒng)的特性。凝汽器的清潔系數(shù)是一個機組的運行圖3分支管路系統(tǒng)的連接關(guān)系變量本模型利用運行數(shù)據(jù)進行計算。Po為連接點處的壓力則有:1.3.3 汽輪機模型P3=Po-AfQ1+Q2尸優(yōu)化分析中需知汽輪機組的微增出力特性,即Po= P2- A2Q2汽機輸出功率p, 與背壓p:之間的關(guān)系?？山獾?P3= P2-A2Q2-A5 Q1+Q2尸若令:p: = f{ Tomp, Tink,p ,t ,q ,px)P3=P2- A3'Q2 ,即假設(shè)合并管段中Q1流量不存其中:Tom為汽輪機組的熱力系統(tǒng)組成,Tm表示熱在,僅有Q2份額的流量流過將Qi對流動的影響力系統(tǒng)中的設(shè)備之間的連接關(guān)系,兩者構(gòu)成系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化為流程阻力即:結(jié)構(gòu)模型p、t、q為新蒸汽的壓力、溫度和流量ipeA3'Q2= A2Q22 + A3Q2 + 2A3Q1Q2 + A3Q2為機組背壓是優(yōu)化分析的中間變量ph=fie(pc)可解得:A3’=A2+ As( Q/Q2尸+2As( Q1/Q2)變工況運行時汽輪機背壓改變對輸出功率的影響+A3 ,由這個關(guān)系式若流量比Q;/Q2已知,即可分主要在末級末級變工況特性可用多項式方程表示,解圖示耦合管路為兩獨立管路。由于A3'不是實際這是-種顯式方程易于優(yōu)化求解。本項目研究中的流程阻力我們稱之為虛擬流程阻力。通過這個采用離線試驗和軟件在線分析兩種方法求取汽輪機概念的引入實現(xiàn)了耦合系統(tǒng)的分離。組的真空特性。南京熱電廠實際的兩個相互耦合的分支管路系. 1.4 循環(huán)水系統(tǒng)經(jīng)濟運行的優(yōu)化模型統(tǒng)分解方法如下:結(jié)合具體的研究對象我們對優(yōu)化模型的3個首先耦合管路0中的流動為單向流動,可先假組成部分逐項進行了分析，得到循環(huán)水系統(tǒng)經(jīng)濟運設(shè)分支管路系統(tǒng)1流入分支管路系統(tǒng)2再分別假行的優(yōu)化模型如下:定已知流入3號和4號凝汽器耦合管路1和耦合管目標(biāo)函數(shù):路2的循環(huán)水流量中分別來自母管1和母管2的流量比然后按此流量比修正共同管段的虛擬流程阻maxsOP= 2p。-之p力使其成為兩個可分別處理的分支管路系統(tǒng)進行約束條件:分系統(tǒng)的計算分系統(tǒng)計算完畢后再校核流量比假P.i = f( Tompi，Tink.i ,P; ,t:，9i，Pk.i)設(shè)是否正確進行修正直至滿足精度要求為止。Pk.i = felPe.i)系統(tǒng)水泵總的揚程特性求解中所需的每臺水泵Pe.i = f( Domp,i ,Dink.i ,w.i qno.i ,Dk.i)的揚程特性可利用制造廠提供性能曲線或現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)。由于試驗中循環(huán)水的流量難以準(zhǔn)確測量故Rou = {Qn， Pp}= {qwi, Pp.j}= fi( Rum，我們采用制造廠的性能曲線。Rsm ,Rewwi)求解系統(tǒng)總的管路水力阻力特性所需的各管段Clow.i≤Pk.i≤Cup.水力阻力特性，也有經(jīng)驗公式計算和試驗兩種獲得式中:i= 1... m ,m為機組的臺數(shù);j= 1...n ,n為水方法?？紤]到現(xiàn)場試驗由很多實際問題難以實現(xiàn)，泵的臺數(shù);Crw和Cup. ;是pk. 的上、下限。這里采用經(jīng)驗公式計算求取的方法和軟件在線分析這是一個具有等式和不等式約束的非線性優(yōu)化相結(jié)合的方法。模型求解算法應(yīng)根據(jù)優(yōu)化變量、目標(biāo)函數(shù)和約束方1.3.2 凝汽器模型程的中國煤化工在循環(huán)水系統(tǒng)經(jīng)濟運行方式的分析中需知凝YHCNMHG汽器的真空特性,可表述為:2優(yōu)化算法Pe = f( Domp,Dmink ,w，9w ,D2)式中,D.mp為凝汽器系統(tǒng)的設(shè)備組成,Dlmk為設(shè)備在優(yōu)化模型的優(yōu)化變量Rmm= {R,, R,}中,除之間的連接方數(shù)據(jù)t為循環(huán)進水溫度,qw 為進入凝閥門開度為連續(xù)變量外其他如水泵工作葉片角度第3期程懋華等:母管制循環(huán)水系統(tǒng)經(jīng)濟運行研究159等都為離散變量屬于復(fù)合類型變量的最優(yōu)化問題。化分析軟件。該軟件可以顯示機組的運行狀態(tài)(含求解時應(yīng)將復(fù)合類型變量的問題轉(zhuǎn)化為單一變量類模擬圖、運行參數(shù)以及性能曲線顯示》可以在線診型的問題。我們通過枚舉法搜索出離散變量所有可斷凝汽器和循環(huán)水系統(tǒng)運行狀態(tài)在線分析運行特能值將問題轉(zhuǎn)化為只具有閥門開度的連續(xù)變量的性。在取得優(yōu)化分析所需的各項數(shù)據(jù)以后,可以根單一類型變量問題,此時優(yōu)化算法就取決于模型方據(jù)當(dāng)前機組運行狀況,進行循環(huán)水系統(tǒng)運行方式的程的形式。如前所述在某些特殊工況下循環(huán)水系優(yōu)化分析尋找經(jīng)濟性最優(yōu)的運行方式。統(tǒng)有試驗性能曲線汽輪機和凝汽器運行特性也可通過軟件的在線分析或離線試驗逐步完備,這時模4結(jié)論型方程均為顯示方程,且其一階導(dǎo)數(shù)存在、易于求解優(yōu)化算法可采用直接搜索法;然而在多數(shù)情況本文以南京熱電廠母管制循環(huán)水系統(tǒng)的計算機下循環(huán)水系統(tǒng)試驗性能曲線是不具備的汽機和凝優(yōu)化分析系統(tǒng)為例介紹了優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)描述分汽器試驗性能曲線也是逐步完善的在這種情況下，別介紹 了循環(huán)水系統(tǒng)模型、凝汽器模型、汽輪機模汽輪機背壓特性和凝汽器真空特性模型雖然是顯式型、系統(tǒng)優(yōu)化模型的建立;計算機應(yīng)用系統(tǒng)的功能。函數(shù),但形式復(fù)雜,一階導(dǎo)數(shù)難以求解,而循環(huán)水系該系統(tǒng)不僅有助于循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化運行指導(dǎo),而統(tǒng)特性則為更復(fù)雜的隱式函數(shù)關(guān)系優(yōu)化算法宜采且能夠幫助運行人員及時了解和掌握凝汽器、循環(huán)用無須求解導(dǎo)數(shù)更具普遍性的復(fù)形調(diào)優(yōu)法。水泵和汽輪機的有關(guān)特性，對安全生產(chǎn)亦具有一定 .軟件實現(xiàn)融合了直接搜索法和復(fù)形調(diào)優(yōu)法兩種的作用。優(yōu)化算法。在軟件剛開始使用系統(tǒng)運行特性不完本文還詳細介紹了母管制循環(huán)水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描備時,使用復(fù)形調(diào)優(yōu)法。隨著軟件在使用過程中不述和求解提出了虛擬流程阻力的概念為復(fù)雜水力斷的積累運行特性在系統(tǒng)運行特性完備后軟件利管網(wǎng)系統(tǒng)的或解坦供7-種有效手段。中國煤化工用運行特性方程的導(dǎo)數(shù),使用更快速有效的直接搜THCNM HG索法。3計算機應(yīng)用系統(tǒng)針對南京熱電廠循環(huán)水系統(tǒng)，開發(fā)了計算機優(yōu)