用于动力驱动设备选型的蒸汽动力系统建模方法和装置制造方法
【专利摘要】一种用于动力驱动设备选型的蒸汽动力系统建模方法和装置，该方法包括：确定蒸汽动力系统所包含的各设备的性能指标以及工艺参数；建立蒸汽动力系统的第一非线性数学模型；根据蒸汽动力系统中各处动力驱动功率需求和待选型驱动所处位置的蒸汽管网的压力等级条件，生成动力驱动设备选型备选方案并配置相应的参数；将第一非线性数学模型的求解结果和动力驱动设备选型备选方案进行线性转化，生成混合整数线性数学模型；根据混合整数线性数学模型的优化求解结果判断最优动力驱动设备设计方案是否满足蒸汽动力系统的整体性能指标；如最优动力驱动设备设计方案满足整体性能指标，则根据最优动力驱动设备设计方案生成蒸汽动力系统的第二非线性数学模型。
【专利说明】用于动力驱动设备选型的蒸汽动力系统建模方法和装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及蒸汽动力设备领域，具体而言，涉及一种用于动力驱动设备选型的蒸 汽动力系统建模方法和装置。
【背景技术】
[0002] 电机和蒸汽透平作为主要的动力驱动设备，在各类大型工业企业和热力发电厂都 有着广泛的应用。目前，动力驱动设备的选型，以及相应的蒸汽动力系统的设计或改造主要 依靠技术人员的经验。
[0003] 在大型工业企业中，大量工艺过程都需要动力驱动，需要采用电机或者蒸汽透平 作为驱动机。这部分驱动带来的能量消耗巨大。驱动选型和蒸汽动力系统的设计问题复 杂，凭经验进行相关设计工作很难确保设计结果的最优。如果驱动设备本身选型有问题，会 造成整个蒸汽动力系统结构的不合理，从而造成额外的能量和经济损失。对于已经采用不 合理设计的蒸汽动力系统和不合理选型的驱动设备，在操作中即使采用相关操作优化等手 段，也只能在现有工艺流程的基础上进行优化，效果有限。要改变这种局面需要进行蒸汽动 力系统的改造设计和驱动设备的重新选型。
[0004] 如何实现对全新系统的动力驱动设备选型和蒸汽动力系统最优设计；如何对一个 已经存在的系统进行优化改造解决相关瓶颈，为本领域技术人员的研究方向所在。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种用于动力驱动设备选型的蒸汽动力系统建模方法和装置，用以克 服现有技术中存在的至少一个问题。
[0006] 为达到上述目的，本发明提供了一种基于动力驱动设备选型的蒸汽动力系统建模 方法，包括以下步骤：
[0007] 确定蒸汽动力系统所包含的各设备的性能特征参数，以及蒸汽动力系统的工艺参 数，其中，这里的各设备包括待选型的动力驱动设备和已经固定选型的设备；
[0008] 根据蒸汽动力系统的能量守恒方程、蒸汽动力系统的质量守恒方程、各设备的能 量守恒方程、各设备的质量守恒方程以及各设备的性能特征参数和蒸汽动力系统的工艺参 数建立蒸汽动力系统的第一非线性数学模型；
[0009] 根据蒸汽动力系统中各处动力驱动功率需求和待选型驱动所处位置的蒸汽管网 的压力等级条件，生成供动力驱动设备选型使用的动力驱动设备选型备选方案，并为动力 驱动设备选型备选方案配置相应的参数；
[0010] 求解第一非线性数学模型，将第一非线性数学模型的求解结果和动力驱动设备选 型备选方案进行线性转化，生成混合整数线性数学模型；
[0011] 求解混合整数线性数学模型，根据混合整数线性数学模型的最优求解结果选出满 足动力驱动需求的最优动力驱动设备设计方案，并判断最优动力驱动设备设计方案是否满 足蒸汽动力系统的整体性能指标；
[0012] 如果最优动力驱动设备设计方案满足蒸汽动力系统的整体性能指标，则根据最优 动力驱动设备设计方案生成蒸汽动力系统的第二非线性数学模型。
[0013] 可选的，上述方法还包括以下步骤：
[0014] 如果所有动力驱动设备选型备选方案皆无法满足蒸汽动力系统的整体性能指标， 则跳转执行根据蒸汽动力系统中各处驱动需求的性能指标和蒸汽管网的压力等级，生成供 动力驱动设备选型使用的动力驱动设备选型备选方案，并为动力驱动设备选型备选方案配 置相应的参数步骤，对动力驱动设备选型备选方案进行调整。
[0015] 可选的，混合整数线性数学模型的目标函数为TOC=TCC+TPC+TEC+TSC，并使目标函 数在优化变量的取值范围内达到最小，其中，TOC为年操作费用；TCC为年投资费用；TPC为 年用电费用；TFC为年燃料费用；TSC为年蒸汽购买费用；
[0016] 混合整数线性数学模型的限定条件为：
[0017] Work (driver) =sum (n，BV (driver, n) *W (driver, η)，以及
[0018] sum (n, BV (driver, η)) =1,
[0019] 其中，Work (driver)表示待设计的驱动设备的驱动功率需求；BV (driver, n)为开 关变量，表示每个待设计的驱动设备的所有待选结构的选取状况；sum(n, BV(driver, η)) =1 用来保证优化计算从η个待选结构中选出1个最优设计方案；W(driver, η)表示每个待设 计驱动设备的待选结构的做功能力。
[0020] 为达到上述目的，本发明还提供了一种用于动力驱动设备选型的蒸汽动力系统建 模装置，包括：
[0021] 性能参数模块，用于确定蒸汽动力系统所包含的各设备的性能特征参数，以及蒸 汽动力系统的工艺参数，其中，这里的各设备包括待选型的动力驱动设备和已经固定选型 的设备；
[0022] 第一建模模块，用于根据蒸汽动力系统的能量守恒方程、蒸汽动力系统的质量守 恒方程、各设备的能量守恒方程、各设备的质量守恒方程以及各设备的性能特征参数和蒸 汽动力系统的工艺参数建立蒸汽动力系统的第一非线性数学模型；
[0023] 备选驱动方案确定模块，用于根据蒸汽动力系统中各处动力驱动功率需求和待选 型驱动所处位置的蒸汽管网的压力等级条件，生成供动力驱动设备选型使用的动力驱动设 备选型备选方案，并为动力驱动设备选型备选方案配置相应的参数；
[0024] 整合建模模块，用于根据第一非线性数学模型的求解结果和动力驱动设备选型备 选方案进行线性转化，生成混合整数线性数学模型；
[0025] 计算和结果判断模块，用于根据混合整数线性数学模型的最优求解结果选出满足 动力驱动需求的最优动力驱动设备设计方案，并判断最优动力驱动设备设计方案是否满足 蒸汽动力系统的整体性能指标；
[0026] 第二建模模块，用于当计算和结果判断模块的判断结果为最优动力驱动设备设计 方案满足蒸汽动力系统的整体性能指标时，根据最优动力驱动设备设计方案生成蒸汽动力 系统的第二非线性数学模型。
[0027] 可选的，第一建模模块还用于当计算和结果判断模块的判断结果为所有动力驱动 设备选型备选方案皆无法满足蒸汽动力系统的整体性能指标时，根据蒸汽动力系统中各处 驱动功率需求和待选型驱动所处位置的蒸汽管网的压力等级条件，生成新的供动力驱动设 备选型使用的动力驱动设备选型备选方案，并为动力驱动设备选型备选方案配置相应的参 数。
[0028] 可选的，混合整数线性数学模型的目标函数为TOC=TCC+TPC+TEC+TSC，并使目标函 数在优化变量的取值范围内达到最小，其中，TOC为年操作费用；TCC为年投资费用；TPC为 年用电费用；TFC为年燃料费用；TSC为年蒸汽购买费用；
[0029] 混合整数线性数学模型的限定条件为：
[0030] Work (driver) =sum (n，BV (driver, n) *W (driver, η)，以及
[0031] sum (n, BV (driver, η)) =1,
[0032] 其中，Work (driver)表示待设计的驱动设备的驱动功率需求；BV (driver, n)为开 关变量，表示每个待设计的驱动设备的所有待选结构的选取状况；sum(n, BV(driver, η)) =1 用来保证优化计算从η个待选结构中选出1个最优设计方案；W(driver, η)表示每个待设 计驱动设备的待选结构的做功能力。
[0033] 通过上述实施例可以看出，与现有技术相比，本发明结合了非线性建模方法对复 杂网络问题的描述精准性和混合整数线性建模的求解迅捷性，能快速实现驱动设备的自动 选型，从而得到最优的蒸汽动力系统设计方案。非线性建模的方法能确保将蒸汽动力系统 的复杂性做充分的考虑和精确的模拟，并体现在后续的蒸汽动力系统设计过程中；混合整 数线性模型的采用保证了设计计算过程的灵活性和求解速度，使得对设计方案的计算和修 改能够迅速的进行。
【专利附图】
【附图说明】
[0034] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0035] 图1为本发明一个实施例的用于动力驱动设备选型的蒸汽动力系统建模方法流 程图；
[0036] 图2为本发明一个实施例搭建的蒸汽动力系统非线性模型示意图；
[0037] 图3为本发明一个实施例搭建的优选后新的蒸汽动力系统非线性模型示意图。
【具体实施方式】
[0038] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039] 电机和蒸汽透平是主要的动力驱动设备，本发明实施例中涉及的驱动设备选型的 范畴包括电机驱动和透平驱动以及两者的组合驱动等形式。
[0040] 图1为本发明一个实施例的用于动力驱动设备选型的蒸汽动力系统建模方法流 程图；如图所示，该方法包括以下步骤：
[0041] S110,确定蒸汽动力系统所包含的各设备的性能特征参数，以及蒸汽动力系统的 工艺参数，其中，这里的各设备包括待选型的动力驱动设备和已经固定选型的设备；
[0042] 设备性能特征参数包括设备的运行负荷、设备的运行效率以及设备的操作参数。 蒸汽动力系统工艺参数包括年操作时间、系统电力需求、燃料数据、工况条件和系统尾气排 放。
[0043] 在具体实现本步骤时，可以根据实际使用的需要，确定需要设计或改造的蒸汽动 力系统的基本构架和工艺参数，这里的基本框架包括待选的设备、已确定选型的设备以及 蒸汽管网等，并对需要重新设计或改造的驱动设备进行基本的需求指定，如需要重新设计 或改造的驱动设备所要满足的性能指标。
[0044] S120,根据蒸汽动力系统的能量守恒方程、蒸汽动力系统的质量守恒方程、各设备 的能量守恒方程、各设备的质量守恒方程以及各设备的性能特征参数设置建立蒸汽动力系 统的第一非线性数学模型；
[0045] 由于蒸汽动力系统及其各设备满足能量守恒定律、质量守恒定律，因此可以根据 蒸汽动力系统及其各设备的能量守恒方程、质量守恒方程以及各设备的性能特征参数和蒸 汽动力系统的工艺参数设置建立蒸汽动力系统的第一非线性数学模型。
[0046] 此外，需要指出的是，在建立第一非线性数学模型时，无论是已经确定选型的设备 还是待选型的动力驱动设备，都需要将该设备的性能特征方程纳入第一非线性数学模型。 [0047] S130,根据蒸汽动力系统中各处动力驱动功率需求和待选型驱动所处位置的蒸汽 管网的压力等级条件，生成供动力驱动设备选型使用的动力驱动设备选型备选方案，并为 动力驱动设备选型备选方案配置相应的参数；
[0048] 在具体实现本步骤时，可以根据蒸汽动力系统中各处驱动需求的性能指标、待选 型驱动所处位置的蒸汽管网的压力等级条件，自动生成可供动力驱动设备选型使用动力驱 动设备的待选方案，其中各处驱动需求的性能指标可以由各处驱动需求的限定条件转换而 得到，根据其它实际限制条件在已生成的待选动力驱动设备设计方案中进行进一步筛选， 确定动力驱动设备选型备选方案，并指定备选方案相应参数。
[0049] S140,求解第一非线性数学模型，将第一非线性数学模型的求解结果和动力驱动 设备选型备选方案进行线性转化，生成混合整数线性数学模型；
[0050] 在具体实现本步骤时，根据给定输入对第一非线性数学模块进行求解，得到求 解结果，该求解结果包括了第一非线性数学模型中所有设备的性能特征参数；进而可以 将所有待设计或改造的驱动设备的待选方案表述为一系列开关变量，并将其整合到蒸汽 动力系统的线性模型中，并进行线性转化，从而形成混合整数线性模型，其中蒸汽动力系 统网络的线性模型是由前述第一非线性数学模型求解结果转化得到，在具体转化时，将 前述第一非线性数学模型求解结果中的温度、压力、焓和熵等操作条件和热力学特性作 为固定参数，从而生成混合整数线性模型。其中，混合整数线性数学模型的目标函数为 TOC=TCC+TPC+TEC+TSC，并使目标函数在优化变量的取值范围内达到最小。其中，TOC为年 操作费用；TCC为年投资费用；TPC为年用电费用；TFC为年燃料费用；TSC为年蒸汽购买费 用；
[0051] 混合整数线性数学模型的限定条件为：
[0052] Work (driver) =sum (n，BV (driver, n) *W (driver, η)，以及
[0053] sum (n, BV (driver, η)) =1,
[0054] 其中，Work (driver)表示待设计的驱动设备的驱动功率需求；BV (driver, η)为开 关变量，表示每个待设计的驱动设备的所有待选结构的选取状况；sum(n, BV(driver, η)) =1 用来保证优化计算从η个待选结构中选出1个最优设计方案；W(driver, η)表示每个待设 计驱动设备的待选结构的做功能力。
[0055] 为保证混合整数线性求解的求解效率，模型中整数变量与一般变量的相乘的结构 需要尽量回避。为此，本发明考虑利用一种不等式方程将BV(driver，n)XWork(driver)转 化为一系列线性不等式表达式：
[0056] BV (driver, η) X L ^ W (driver, η) ^ BV (driver, η) X U
[0057] (1-BV(driver, η))X L ^ W(driver, n)-Work(driver) ^ (1-BV (driver, n))X U
[0058] 当 BV (driver, n) =1 时，
[0059] L ^ Work (driver) ^ U
[0060] W (driver, n) =Work (driver)
[0061] 当 BV (driver, n) =0 时，
[0062] L^ff (driver, n) ^ U
[0063] Work (driver) =0
[0064] 式中，L与U均为已知参数，其中L为每个待设计驱动设备的最小做功能力；U为每 个待设计驱动设备的最大做功能力。
[0065] 对每个待设计或改造的驱动设备，在其所有待选方案中应当仅有一种能够最终被 选定，而限定条件sum (n, BV (driver, n)) =1可以确保每个待选驱动设备最终只有一种待选 结构被选取。
[0066] S150,求解混合整数线性数学模型，根据混合整数线性数学模型的最优求解结果 选出满足动力驱动需求的最优动力驱动设备设计方案，并判断最优动力驱动设备设计方案 是否满足蒸汽动力系统的整体性能指标；
[0067] S160,如果最优动力驱动设备设计方案满足蒸汽动力系统的整体性能指标，则根 据最优动力驱动设备设计方案生成蒸汽动力系统的第二非线性数学模型。
[0068] 其中，建立蒸汽动力系统的第二非线性数学模型的方法与建立汽动力系统的第一 非线性数学模型的方法相同，区别在于，在建立第二非线性数学模型时，蒸汽动力系统中所 有设备的型号都已确定。
[0069] 在建立蒸汽动力系统的第二非线性数学模型后，即可对蒸汽动力系统进行求解。
[0070] 如果步骤S150的判断结果为最优动力驱动设备设计方案不满足蒸汽动力系统的 整体性能指标，则跳转执行步骤S130,对动力驱动设备选型备选方案进行调整。
[0071] 通过上述实施例可以看出，与现有技术相比，本发明结合了非线性建模方法对复 杂网络问题的描述精准性和混合整数线性建模的求解迅捷性，能快速实现驱动设备的自动 选型，从而得到最优的蒸汽动力系统设计方案。非线性建模的方法能确保将蒸汽动力系统 的复杂性做充分的考虑和精确的模拟，并体现在后续的蒸汽动力系统设计过程中；混合整 数线性模型的采用保证了设计计算过程的灵活性和求解速度，使得对设计方案的计算和修 改能够迅速的进行。
[0072] 以下结合一个新建炼油厂的实际案例对本发明的蒸汽动力系统建模方法进行说 明：
[0073] 新建一炼油厂，主要动力设备包括3台锅炉，2台蒸汽发电机，4级动力蒸汽管网和 诸多装置产汽设备和蒸汽消耗设备。工艺装置中包含装置6处较大的驱动需求，业主要求 以蒸汽透平的形式满足这6处驱动需求。
[0074] 厂区的环境条件见表1 :
[0075] 表 1
[0076]
【权利要求】
1. 一种用于动力驱动设备选型的蒸汽动力系统建模方法，其特征在于能够从复杂蒸汽 动力系统诸多动力驱动设备设计选型方案中，找到让全系统在各个不同工况下整体性能或 经济性最佳的设计方案，包括以下步骤： 确定蒸汽动力系统所包含的各设备的性能特征参数，以及所述蒸汽动力系统的工艺参 数，其中，所述各设备包括待选型的动力驱动设备和已经固定选型的设备； 根据所述蒸汽动力系统的能量守恒方程、所述蒸汽动力系统的质量守恒方程、所述各 设备的能量守恒方程、所述各设备的质量守恒方程以及所述各设备的性能特征参数和所述 蒸汽动力系统的工艺参数建立所述蒸汽动力系统的第一非线性数学模型； 根据所述蒸汽动力系统中各处动力驱动功率需求和待选型驱动所处位置的蒸汽管网 的压力等级条件，生成供动力驱动设备选型使用的动力驱动设备选型备选方案，并为所述 动力驱动设备选型备选方案配置相应的参数； 求解所述第一非线性数学模型，将所述第一非线性数学模型的求解结果和所述动力驱 动设备选型备选方案进行线性转化，生成混合整数线性数学模型； 求解所述混合整数线性数学模型，根据所述混合整数线性数学模型的最优求解结果选 出满足动力驱动需求的最优动力驱动设备设计方案，并判断所述最优动力驱动设备设计方 案是否满足所述蒸汽动力系统的整体性能指标； 如果所述最优动力驱动设备设计方案满足所述蒸汽动力系统的整体性能指标，则根据 所述最优动力驱动设备设计方案生成所述蒸汽动力系统的第二非线性数学模型。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤： 如果所述最优动力驱动设备设计方案皆无法满足所述蒸汽动力系统的整体性能指标， 则跳转执行所述根据所述蒸汽动力系统中各处驱动需求的性能指标和待选型驱动所处位 置的蒸汽管网的压力等级条件，生成供动力驱动设备选型使用的动力驱动设备选型备选方 案，并为所述动力驱动设备选型备选方案配置相应的参数步骤，对所述动力驱动设备选型 备选方案进行调整。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合整数线性数学模型的目标函数 为TOC=TCC+TPC+TEC+TSC，并使目标函数在优化变量的取值范围内达到最小，其中，TOC为 年操作费用；TCC为年投资费用；TPC为年用电费用；TFC为年燃料费用；TSC为年蒸汽购买 费用； 所述混合整数线性数学模型的限定条件为： Work (driver) =sum (n, BV (driver, n) (driver, n),以及 sum(n, BV(driver, n))=1, 其中，Work (driver)表示待设计的驱动设备的驱动功率需求；BV (driver, n)为开关变 量，表示每个待设计的驱动设备的所有待选结构的选取状况；sum(n, BV(driver, n))=l用 来保证优化计算从n个待选结构中选出1个最优设计方案；W(driver,n)表示每个待设计 驱动设备的待选结构的做功能力。
4. 一种基于动力驱动设备选型的蒸汽动力系统建模装置，其特征在于，包括： 性能参数模块，用于确定蒸汽动力系统所包含的各设备的性能特征参数，以及所述蒸 汽动力系统的工艺参数，其中，所述各设备包括待选型的动力驱动设备和已经固定选型的 设备； 第一建模模块，用于根据所述蒸汽动力系统的能量守恒方程、所述蒸汽动力系统的质 量守恒方程、所述各设备的能量守恒方程、所述各设备的质量守恒方程以及所述各设备的 性能特征参数和所述蒸汽动力系统的工艺参数建立所述蒸汽动力系统的第一非线性数学 模型； 备选驱动方案确定模块，用于根据所述蒸汽动力系统中各处动力驱动功率需求和待选 型驱动所处位置的蒸汽管网的压力等级条件，生成供动力驱动设备选型使用的动力驱动设 备选型备选方案，并为所述动力驱动设备选型备选方案配置相应的参数； 整合建模模块，用于根据所述第一非线性数学模型的求解结果和所述动力驱动设备选 型备选方案进行线性转化，生成混合整数线性数学模型； 计算和结果判断模块，用于根据所述混合整数线性数学模型的最优求解结果选出满足 动力驱动需求的最优动力驱动设备设计方案，并判断所述最优动力驱动设备设计方案是否 满足所述蒸汽动力系统的整体性能指标； 第二建模模块，用于当所述计算和结果判断模块的判断结果为所述最优动力驱动设备 设计方案满足所述蒸汽动力系统的整体性能指标要求时，根据所述最优动力驱动设备设计 方案生成所述蒸汽动力系统的第二非线性数学模型。
5. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一建模模块还用于当所述计算和 判断模块的判断结果为所述最优动力驱动设备设计方案皆无法满足所述蒸汽动力系统的 整体性能指标时，根据所述蒸汽动力系统中各处驱动功率需求和所述待选型驱动所处位置 的蒸汽管网的压力等级条件，生成新的供动力驱动设备选型使用的动力驱动设备选型备选 方案，并为所述动力驱动设备选型备选方案配置相应的参数。
6. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述混合整数线性数学模型的目标函数 为TOC=TCC+TPC+TEC+TSC，并使目标函数在优化变量的取值范围内达到最小，其中，TOC为 年操作费用；TCC为年投资费用；TPC为年用电费用；TFC为年燃料费用；TSC为年蒸汽购买 费用； 所述混合整数线性数学模型的限定条件为： Work (driver) =sum (n，BV (driver，n) (driver，n)，以及 sum (n, BV (driver, n)) =1, 其中，Work(driver)表示待设计的驱动设备的驱动功率需求；BV(driver，n)为开关变 量，表示每个待设计的驱动设备的所有待选结构的选取状况；sum (n，BV (driver，n))=l用 来保证优化计算从n个待选结构中选出1个最优设计方案；W(driver，n)表示每个待设计 驱动设备的待选结构的做功能力。
【文档编号】G06F19/00GK104424372SQ201310389546
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年8月30日 优先权日:2013年8月30日
【发明者】楼宇航, 蒋东, 张栋, 任彦, 张楠 申请人:北京宜能高科科技有限公司