运行优化的空冷凝汽器机组的制作方法

本发明涉及一种运行优化的空冷凝汽器机组，更具体地，涉及一种基于多变量预测控制来优化运行的空冷凝汽器机组。

背景技术：

在工厂设备中，汽轮机中的蒸汽完成膨胀过程，将热能转变为机械能，该机械能例如可用于发电机发电或驱动压缩机。用于汽轮机的凝汽器是使驱动汽轮机作功后排出的蒸汽变成凝结水的热交换设备。自凝汽器排出的凝结水则通过凝结水泵经给水加热器、给水泵等输送进锅炉，经锅炉加热后形成蒸汽输送至汽轮机，从而保证整个热力循环的连续进行。

直接用空气作为冷却介质来对汽轮机排汽进行冷凝的机组称为直接空冷凝汽器机组(亦称为直接空冷系统或ACC系统)，典型地包括汽轮机、排汽管道、凝汽器、冷却风机，其工艺流程为汽轮机排汽通过粗大的排汽管道至通常放置于室外的凝汽器，冷却风机(通常为轴流式风扇)迫使空气流过凝汽器，带走排汽的热量，因而将排汽冷凝成水。

空冷凝汽器机组具有结构简单、占地面积少、系统的调节较灵活的优点。但是，在实际的运行过程中，其缺点也明显：能耗大，例如采用强制通风导致电耗能大；系统运行不稳定例如受环境影响大。例如当夏季高温时，汽轮机背压升高，严重影响机组安全运行。此外，当出现不利的风向、风速以及上游建筑物对空气环流的影响，例如不利风向造成的热回流及散热不畅，汽轮机背压也会突然升高，汽轮机出力下降，甚至有可能导致汽轮机背压超过背压保护限值而跳闸停机。在某些极恶劣情况下，例如当环境温度低于零度时，汽轮机背压会降得过低，容易导致汽轮机最末级叶片 的损伤，此外，空冷系统容易发生冷凝水结冰和管道冻裂。

因此，困扰业界的主要问题是如何使得整个空冷系统在多变的环境下稳定可靠地运行并保持以最优的性能运行，例如避免空冷系统在夏季期间出现较大的热性能损失和防止在冬季发生冰冻。针对所述问题，现有的应对策略之一是由操作员根据天气变化和对系统的监测结果手动操作风机的开关，但是，这存在严重的滞后并且极易出现操作失误以及系统不稳定。另外，操作员也可基于简单的常规控制系统来实施空冷系统的运行/停机控制。目前，此类常规控制系统所采用的控制器大多是PID(比例-积分-微分)型控制器，或是在PID控制的基础上采取一些自适应措施后组成的自适应PID控制器。但是，由于传统的PID控制器在本质上是滞后调节，从而导致PID型控制系统在控制品质上存在许多不足。

由于传统的应对策略或控制方法过于粗糙，容易导致风机耗电量过大造成不必要的浪费，并且容易发生剧烈的运行参数波动导致整个空冷系统不稳定、可靠性降低。尤其重要的是，不能始终保持空冷系统以最优状态运行。

鉴于以上所述，本发明旨在克服上述问题中的一个或多个。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种运行优化的空冷凝汽器机组，该空冷凝汽器机组能够在可靠性和稳定性的情况下运行性能最优。

上述目的主要通过这样的概念来实现：一种运行优化的空冷凝汽器机组，包括：

空冷凝汽器，其具有换热管束和风机设备，换热管束构造用于接收来自汽轮机的排汽，风机设备与换热管束匹配设置用以将换热管束中流动的排汽冷却成冷凝水；

数据测量和采集系统，其构造用于测量和采集空冷凝汽器的至少部分被控变量和干扰变量；

多变量预测控制器，其基于预先设定的模块单元，根据来自数据测量 和采集系统的至少部分被控变量和干扰变量的数值自动控制风机设备的控制变量以优化空冷凝汽器的性能同时防止汽轮机背压超出设定的压力保护限值范围和防止冷凝水温度低于冷凝水温预定限值。

通过根据本发明的控制系统可以有利地实时、不间断地执行对空冷凝汽器机组的控制，保持机组一直在安全、可靠、高效、经济的状态下运行。

有利地，所述控制变量包括风机运行数目、风机转速、风机转动方向。

有利地，所述被控变量包括汽轮机背压、汽轮机排汽温度、冷凝水流量、冷凝水温度。

有利地，所述干扰变量包括环境温度、湿度、风力、风向、降雨等级、降雪等级、太阳光照射强度。

有利地，用于评价空冷凝汽器的性能的系数定义为Q_换热流量/P_风机，其中P_风机为风机运行所消耗的功率，Q_换热流量为空冷凝汽器的实际换热流量。

有利地，所述多变量预测控制器中预先设定的模块单元，包括模型模块、预测模块和执行模块，模型模块包括通过对空冷凝汽器机组的周期性监测构建的多输入多输出阶跃相应模型，预测模块基于所构建的模型预测并输出控制变量需要的变化量，所述执行模块构造用于将所述预测模块的动态输出施加到空冷凝汽器机组上。

有利地，所述多变量预测控制器中还包括与所述预测模块和执行模块相连接的维护模块，用于在所述执行模块进行实时控制之后，对所述多变量预测控制器进行维护。

根据本发明的具有多变量预测控制器的空冷凝汽器机组可在由多个参数表征的运行条件改变时事先预警性地调节以避免汽轮机背压超出设定的压力保护限值范围和避免冷凝水温度低于冷凝水温预定限值，并优化空冷凝汽器机组的运行，因此，大大提高了控制精确性，由于控制系统的预测功能，使得能够提早应对运行条件的变化，避免了人为控制或传统控制中出现的滞后性。

附图说明

下文将参考附图进一步描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出示例性空冷凝汽器机组的原理性汽水系统示意图；

图2示出根据本发明的空冷凝汽器机组中多变量预测控制器、空冷凝汽器以及数据测量和采集系统的数据连接的示意图；以及

图3示出作为本发明空冷凝汽器机组的多变量预测控制器的预测模块的构建基础数据的多输入多输出阶跃相应曲线图。

具体实施方式

图1示出示例性汽水系统图，该示出的汽水系统包括锅炉10、汽轮机14、发电机18以及空冷凝汽器机组21。锅炉通过燃烧加热水形成水蒸汽，水蒸汽经管路12流入到汽轮机14，热的水蒸汽在汽轮机中膨胀驱动汽轮机转动，汽轮机通过输出轴16带动发电机18发电。而从汽轮机14排出的蒸汽经管路20进入直接式空冷凝汽器机组21。空冷凝汽器机组21主要包括空冷凝汽器22。空冷凝汽器22包括换热管束26和风机设备32。换热管束26接收来自管路20的汽轮机排汽，将所有的排汽收集在公共的上部集管24中，构成换热管束的管子分别沿上部集管24的延伸方向按一角度排开，构成A字形的左侧管部26和右侧管部28，总体而言具有屋顶的构型。风机设备32包括风机34和用于驱动风机转动的风机电机36。风机设备32设置在由左侧管部26和右侧管部28限定的空间内。转动的风机34迫使来自周围环境的空气流过换热管束26，同时，来自上部集管24中的蒸汽沿途流入到各个管子内与管子外的空气进行热交换，左侧管部26和右侧管部28中被冷却的蒸汽流动到下部集管30中，并进一步沿着冷凝水收集管道38流至锅炉10。

空冷凝汽器机组21还包括用于测量和采集空冷凝汽器的至少部分被控变量和干扰变量的数据测量和采集系统。为了清楚起见，图1中仅示意性示出数据测量和采集系统的一部分部件，例如压力传感器(图中PT)、温度传感器(图中TT)、质量流量计(图中FT)。这些压力传感器、温度传感器和质量流量计布置成例如测量和采集空冷凝汽器的进汽温度、压 力和流量、自空冷凝汽器排出的冷凝水的温度、压力和流量，空气的入流温度(环境温度)和换热管束的各管子的出口温度等等。数据测量和采集系统还可包括设置用于测量天气条件(例如风力、风向、降雨、降雪等级)的测量装置以及用于测量当前风机运转数目、风机用电机的频率、电流、电压等测量仪器。因此，通过此数据测量和采集系统所得到的数据可分为控制变量、被控变量和干扰变量。

本文中“被控变量”指的是可以基于空冷凝汽器机组的运行规律加以间接控制但是不能被直接操控的变量，例如汽轮机背压(即，空冷凝汽器的进汽压力)、汽轮机排汽温度(即，空冷凝汽器的进汽温度)、冷凝水水温、冷凝水流量。

本文中“干扰变量”指的是来自外界(而非空冷凝汽器机组本身)的尤其是不可人为控制的参数或影响因素，例如环境温度、湿度、风力、风向、降雨等级、降雪等级、太阳光照射强度。干扰参数中，环境温度尤为重要，其直接等同于风机的送风温度。

本文中“控制变量”指的是在空冷凝汽器机组运行期间可以例如通过命令或指令的方式直接操纵和控制的变量，例如风机装置中实际运行的风机的台数、每一台风机的转速、风机转向等。这些变量可直接通过例如控制器的命令来改变或调节。

空冷凝汽器机组21还包括多变量预测控制器，其构造成基于预先设定的模块单元并基于来自数据测量和采集系统的至少部分被控变量和干扰变量的数值自动控制风机设备的控制变量以优化空冷凝汽器的性能同时防止汽轮机背压超出设定的压力保护限值范围和防止冷凝水温度低于冷凝水温预定限值。

本文中，“空冷凝汽器的性能”指的是综合利用空冷凝汽器换热效率、压力损失、设计热负荷、换热流量、风机消耗功率等相关参数来考量或评价空冷凝汽器的运行特性的指标。一般而言，空冷凝汽器作为热交换器，应主要考量其在运行时的换热效率。但是，对于本发明的空冷凝汽器机组，有利地，用于评价空冷凝汽器的性能的系数ε＝Q_换热流量/P_风机，其中P_风机为 风机运行所消耗的功率，Q_换热流量为空冷凝汽器的实际换热流量。

本文中，“设定的压力保护限值范围”指的是H≥汽轮机背压P_背压≥L,其中H为针对特定汽轮机而设定的排汽压力最高允许限值，L为针对特定汽轮机而设定的排汽压力最低允许限值。汽轮机在该设定的压力保护限值范围内能正常运作并不会偏离其设计背压值很远。当汽轮机背压超出其最高允许限值时，汽轮机出力大幅下降或基本不出力，经济性显著降低，汽轮机排汽部分的法兰、螺栓等零部件应力增大，此情况下水汽系统的自我保护系统启动而跳闸停机。当汽轮机背压低于最低允许限值时，最末级叶片受到的应力可能超过允许值，并且排汽湿度增加，将会加剧叶片的冲蚀损坏。

本文中，“冷凝水温预定限值”指的是一般而言较易发生管道冻裂的最高冷凝水水温t_l，当任一处的冷凝水水温低于该冷凝水温预定限值t_l时，对应的管道发生冰冻的概率极大。为了避免管道冻裂，应确保任一处的冷凝水水温都高于该预定限值。

之所以对空冷凝汽器机组的上述两个被控变量给出一定的约束条件，是因为其在运行方面是考核空冷凝汽器机组热经济性和安全性尤为关键的因素。而上述两个被控变量也会因干扰变量的变化而变化，例如，夏季高温条件下汽轮机出力问题、冬季低温条件下管道冻裂的问题。

1)夏季出力问题

空冷凝汽器的传热面积是按照一定的环境温度设计的。当环境温度过高时，汽轮机背压必然升高。虽然汽轮机可以适应较大范围的背压变化，但1年中总会有一段时间因背压超出设计范围使汽轮机被迫降低出力。经验表明，影响机组夏季出力的关键因素在于汽轮机本身处于高背压工况下长期运行的安全性。

作为应对措施，(1)通过增大风机转速来调节冷却空气流量，加大空气流与空冷凝汽器换热管束中排汽之间的换热；(2)由于受到风机最大功率的限制，也可以采用冲洗的方法保持空冷凝汽器换热管束外表面清洁，减小热阻，提高空冷凝汽器的换热效率；(3)在可能的情况下，也可以采 用向冷却空气流中喷水的方法提高换热系数。这些应对措施可以直接通过对风机的控制或对相应阀门的开关控制来实施。

2)冬季防冻问题

由于空冷凝汽器在室外露天布置，在寒冷的冬季有发生冰冻的危险因素，尤其是在设备启动过程中和在负荷较低时以及在系统中聚集有不可凝气体的地方易发生冰冻，严重时管束和凝结水管变形、管子冻裂，造成相关设备停运。

主要考虑的防冻措施有以下几种：(1)通过对在蒸汽管道上设置的阀门的控制来调节蒸汽流量，当汽轮机排热量较小且气温较低时，切断某几个散热单元的阀门，将热量集中在剩余的散热单元中，以增加其热负荷。停运的散热单元仍保持真空状态，可防止空冷凝汽器腐蚀，并可随时投运；(2)调节冷却空气流量，例如减小风机转速或停运部分风机。

由此可见，相应于汽轮机背压变量和冷凝水温度变量的变化，最为直接和简便的控制是对风机的控制，另外在风机设备加装有变频控制装置的情况下，可以控制风机在20％～100％额定转速内调节，以适应工况要求。如果部分风机较长时间在最低转速运行，可自动停转该部分风机；如果已投运风机均达到最高转速，可自动启动其他备用风机。

因此，优选地，本发明的空冷凝汽器机组的多变量预测控制器选择以与风机设备有关的参数(例如风机运行数目、风机转速等)作为控制变量。当然，本领域技术人员可以将与空冷凝汽器机组中的减温喷水系统、管束冲洗系统的运行或空冷凝汽器进汽阀门的开度有关的参数作为控制变量。

即，所有上述应对措施的实施都依赖于对由多变量预测控制器发出的控制指令的执行。“控制指令”指的是控制变量在期望方向上的变化量。在本发明中，借助多变量预测控制器，不仅能解决系统安全性问题，还能兼顾空冷凝汽器的性能优化问题。

下面主要介绍多变量预测控制器的结构和其工作原理。

在本发明中多变量预测控制器包括预先设定的模块单元。在有利的实施例中，该模块单元包括模型模块、预测模块和执行模块。模型模块包括 通过对空冷凝汽器机组的周期性监测构建的多输入多输出阶跃相应模型，预测模块基于所构建的模型预测并输出控制变量需要的变化量，所述执行模块构造用于将所述预测模块的动态输出施加到空冷凝汽器机组上，参见图2所示。

模型模块的构建基础是空冷凝汽器机组所在的汽水系统，该汽水系统中的锅炉部分和汽轮机部分可以通过仿真的方式建立对应的数学模型。对于空冷凝汽器机组部分，其对应的数学模型所涉及的变量包括以下多组：1)排汽管道20的几何参数例如长度和直径；2)与空冷凝汽器22有关的参数，例如进入空冷凝汽器的排汽压力、温度、流量，换热管束26的数量及分布情况，有效散热面积，风机转速，环境温度，风力等级，降雨降雪等级，日光照射强度分布，从凝汽器系统排出的冷凝水温度、压力和流量等；3)与凝结水收集管道38有关的参数，例如凝结水泵的转速、凝结水箱的容积等；4)与凝汽器系统有关的辅助系统例如减温喷水系统或冲洗系统(未在图1中示出)的设置参数等等。虽然上述列举了一些变量，但是，实际空冷凝汽器机组由于结构或布置类型的不同可具有更多的参数变量，因此，并不局限于上述给出的变量。将对应于锅炉部分和汽轮机部分的数学模型以及对应于空冷凝汽器机组的数学模型有机组合在一起构成整个汽水系统的数学模型。接着，根据数据测量和采集系统对实际对应的汽水系统的测量数据，测试所建的数学模型。测试是通过对每一个输入变量进行扰动试验，同时记录、采集其他变量的数据。测试周期至少为1年，否则难以覆盖空冷凝汽器机组的各种运行工况。模型模块的测试工作非常关键，如果测试准确，那么得到的模型就比较精确和逼真，有了精确的模型，多变量预测控制器在预测阶段能给出精确、合理的输出。

预测模块的构建也是基于模型模块的辨析，通过施加阶跃扰动，建立空冷凝汽器机组的多输入多输出阶跃响应模型。这个阶跃响应模型可以用来表示多个输入变量和多个输出变量之间的关系，即通过该阶跃响应模型矩阵，可以在知道输入的情况下对输出进行预测(参见图3所示)。例如，通过输入风机转速的变化量，预测空冷凝汽器机组的空冷凝汽器进汽压力 的变化量、冷凝水温的变化量。接着判断得到的输出是否落在汽轮机背压和冷凝水温度的约束条件，如果落在汽轮机背压和冷凝水温度的约束条件内，执行模块再确定使得空冷凝汽器性能最优的解值(例如风机最佳转速，即控制变量需要的变化量)。如果执行模块判断超出汽轮机背压和冷凝水温度的约束条件，将告知预测模块并命令预测模块按给定的方向调整输入，再次预测，如此循环直到给出使空冷凝汽器性能最优的解值。

执行模块与空冷凝汽器机组的风机设备、减温喷水系统、冲洗系统、蒸汽流量控制阀等部件通讯连接。当执行模块接收到来自预测模块的输出时，执行模块将此输出转化为命令指令并将其传送到相应的受控部件例如风机用电机上。

由此，对应于汽水系统或者空冷凝汽器机组的实际运行状况，多变量预测控制器一直处于在线运行状态，多变量预测控制器动态地将输出施加在被控对象，进行实时控制。

另外，作为一个较好的实施例，本发明的多变量预测控制器还可以包括与所述预测模块和执行模块相连接的维护模块，用于在所述执行模块进行实时控制之后，对所述多变量预测控制器进行维护。该维护的过程具体包括：通过检测控制变量和被控变量的实际上下限来修改约束条件，确保所述控制变量和被控变量的实际上下限在允许的范围内，保证所述多变量预测控制器性能的最优。

由于整个多变量预测控制器采用的是闭环系统并且基于数学模型进行动态控制，因此，完全是实时控制机组的运行，并且该控制方法能提前预测特定事件例如冰冻等事件的发生，并及时做出反馈，避免了人为控制的滞后，并且降低了手动控制错误发生的风险。

工业实用性

下面描述本发明的空冷凝汽器机组的运行实例以说明其优点：

当环境温度较高(例如在夏季)，数据测量和采集系统监测到汽轮机由于背压过高而导致出力减小，当前的风机转速不足以将汽轮机排汽降低 到足够低的温度，从而使得汽轮机进汽量增大、汽轮机背压升高。多变量预测控制器根据其阶跃相应模型预测由风机转速这一控制变量和汽轮机进汽量这一控制变量的变化所产生的被控变量例如汽轮机背压(汽轮机输出功率)、整个空冷凝汽器的性能、冷凝水温度的变化趋势，并且计算出在空冷凝汽器性能最优时控制变量所需要的变化量。控制系统将此变化量施加给被控对象，使得空冷凝汽器机组在最佳工况下运行。在必要情况下，多变量预测控制器可以考虑其它控制变量例如启动或关闭减温喷水系统或空冷凝汽器冲洗系统的策略。

当环境温度较低(例如在冬季)时，数据测量和采集系统监测到冷凝水温度过低、汽轮机背压过低。多变量预测控制器根据其预定的模块并基于来自数据测量和采集系统的至少部分被控变量和干扰变量的数值，输出与风机设备有关的变化目标值并将此输出施加在风机设备上(例如停运具有特定编号的部分风机)。在必要情况下，多变量预测控制器可以考虑其它控制变量例如停运风机或启动备用真空泵的策略。

通过本发明，使得空冷凝汽器机组能满足各种工况(包括冬季、夏季、不同负荷、机组启停、旁路运行等)的运行。运行风机的调节与环境气温、汽轮机排汽压力、凝结水温紧密结合，能够自动调节运行风机的台数、风机转速等，使得各空冷凝汽器的冷凝水温度均衡分布，达到总能耗最小化，增加机组的运行可靠性的同时实现一定的经济性目标。

本发明的上述说明虽然以图中示出的直接式空冷凝汽器机组为例，但是，本领域技术人员可以想到，本发明也适用于间接式空冷凝汽器机组(与直接式空冷凝汽器机组相比，增设了在汽轮机下游设置的冷凝器，在该冷凝器中汽轮机的排汽与空冷凝汽器中闭路循环的流体之间进行热交换)。