一种燃气蒸汽联合循环机组启动曲线在线优化调整方法与流程

本发明属于燃气蒸汽联合循环发电机组启停优化方法技术领域，特别涉及一种燃气蒸汽联合循环机组启动曲线在线优化调整方法。

背景技术：

为了满足电网对发电机组快速调峰调频的要求，需要进一步优化机组快速负荷响应与机组启动时间。燃气蒸汽联合循环机组因为具有能源利用率高、污染物排放低、启停迅速等特点，近年来装机总量不断提高。而联合循环机组的汽轮机启动时间较长，是制约机组及时响应电网快速调峰要求的主要因素。

联合循环机组中，汽轮机在启动过程中暖机阶段和低负荷保持阶段的时间长短的设置，主要避免启动过程中转子应力过大，从而影响机组安全运行。然而，汽轮机制造厂只根据高压缸第一级金属温度范围对启动曲线进行简单的冷、温、热态划分，没有考虑到金属温度连续变化时，汽轮机暖机阶段和低负荷保持阶段的持续时间可有所不同。因此，需要对机组启动过程进行优化，使启动曲线能够随高压缸第一级金属温度进行在线动态调整，综合降低燃气蒸汽联合循环机组启动过程中汽轮机转子的寿命损耗成本和启动过程中燃料耗损成本。

技术实现要素：

针对现有技术不足，本发明提供了一种燃气蒸汽联合循环机组启动曲线在线优化调整方法。

该方法包括如下步骤：

步骤1、对燃气蒸汽联合循环机组的启动流程进行划分，确定启动过程中所要优化的阶段为汽轮机暖机阶段和汽轮机低负荷保持阶段，并选择汽轮机高压缸第一级金属温度作为汽轮机暖机阶段和低负荷保持阶段优化时间的唯一影响条件；

步骤2、保持汽轮机高压缸第一级金属温度不变，求解汽轮机不同暖机时间和低负荷保持时间下转子的应力，根据转子应力、应变与转子疲劳寿命损耗的关系，确定转子的疲劳寿命损耗；

步骤3、综合考虑转子疲劳寿命损耗成本和燃料消耗成本，在保证安全运行的前提下，选择总成本最低时所对应的汽轮机暖机时间和低负荷保持时间，作为在步骤2所述的汽轮机高压缸第一级金属温度下，汽轮机的最优暖机时间和低负荷保持时间；

步骤4、改变汽轮机高压缸第一级金属温度，重复步骤2和步骤3，确定在不同的汽轮机高压缸第一级金属温度下，汽轮机的最优暖机时间和低负荷保持时间；

步骤5、对上述步骤4求得的汽轮机高压缸第一级金属温度与其对应的汽轮机最优暖机时间和低负荷保持时间所形成的离散点对，进行偏最小二乘拟合，得到启动过程中汽轮机最优暖机时间和低负荷保持时间随汽轮机高压缸第一级金属温度变化的函数解析方程，实现汽轮机启动时间随汽轮机高压缸第一级金属温度变化进行在线动态调整。

进一步，所述步骤2包括：

步骤201、建立汽轮机转子二维有限元模型，对应力集中部位采用网格细化处理，用等效质量块替代转子叶片；

步骤202、确定汽轮机启动过程中暖机阶段和低负荷保持阶段全部可能时间，考虑机组实际运行情况，选择汽轮机暖机阶段的时间范围是0-60min，汽轮机低负荷保持阶段的时间范围是0-30min，利用穷举法，以1min为间隔步长，共计61*31＝1891种工况，计算当前汽轮机高压缸第一级金属温度下，转子在不同暖机时间和低负荷保持时间下的启动应力和疲劳寿命损耗。

进一步，所述步骤202中，利用穷举法计算当前汽轮机高压缸第一级金属温度下转子在不同暖机时间和低负荷保持时间下的启动应力和疲劳寿命损耗，包括如下步骤：

①、选取汽轮机启动过程中暖机时间A和低负荷保持时间B分别为A＝0min、B＝0min；

②、确定启动过程中汽轮机转子初始温度场、边界条件和对流换热系数；

③、采用ANSYS对转子应力集中部位进行有限元求解，选取调节级或调节级后第一级的前后叶轮根部圆角处节点，以及同一径向下，前后叶轮根部圆角处节点各自对应的轴心处节点作为监测点，得到转子监测点处热应力变化曲线；利用Misses准则进行热应力与离心应力的合成，最终得到启动过程中监测点应力随时间的变化曲线；

④、根据转子应力、应变和转子疲劳寿命损耗的关系，计算启动过程中汽轮机转子的疲劳寿命损耗；

⑤、保持汽轮机启动过程中暖机时间不变，改变低负荷保持时间为B＝B+1min，重复步骤②、③、④，循环计算，直至低负荷保持时间B不再满足B≤30min；

⑥、使汽轮机启动过程中暖机时间A和低负荷保持时间B分别为A＝A+1min、B＝0min，重复步骤②、③、④、⑤，循环计算，直至暖机时间A不再满足A≤60min；即将全部可能的工况下启动过程中汽轮机转子的启动应力和疲劳寿命损耗计算完毕。

进一步，所述步骤3包括：

步骤301、建立启动过程优化模型，对转子的疲劳寿命损耗和过程中的燃料消耗统一折合成经济成本，对其进行寻优求解；

步骤302、对当前汽轮机高压缸第一级金属温度条件下，不同汽轮机暖机阶段和低负荷保持阶段的总成本求解并排序；

步骤303、在保证转子应力低于许用应力的前提下，选择总成本最低对应下的汽轮机暖机时间和低负荷保持时间作为当前汽轮机高压缸第一级金属温度下的最优时间。

进一步，所述步骤4中：

只考虑汽轮机高压缸第一级金属温度对汽轮机启动曲线的影响，其中，考虑机组实际运行情况，汽轮机高压缸第一级金属温度的波动范围选择0-550℃，以50℃为间隔步长进行循环求解。

进一步，所述步骤5中：

建立不同汽轮机高压缸第一级金属温度下对应的燃气蒸汽联合循环机组汽轮机最优暖机时间和低负荷保持时间的函数模型：

f(T,t₁,t₂)＝0

其中，T表示汽轮机高压缸第一级金属温度，t₁表示汽轮机最优暖机时间，t₂表示汽轮机最优低负荷保持时间。

本发明的有益效果为：

本发明建立了在不同的汽轮机高压缸第一级金属温度条件下，对应的燃气蒸汽联合循环机组中汽轮机在启动过程中的最优暖机时间和低负荷保持时间的函数模型，充分考虑了汽轮机高压缸第一级金属温度的影响，实现了燃气蒸汽联合循环机组启动曲线的在线调整优化。在保证安全运行的前提下，进一步提高了机组调峰响应速率，降低了启动过程中机组的经济运行成本。

附图说明

图1为燃气蒸汽联合循环机组启动过程阶段划分示意图。

图2为燃气蒸汽联合循环机组汽轮机转子寿命损耗计算流程图。

图3为燃气蒸汽联合循环机组启动过程在线优化解析函数求解流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

以下具体说明一种燃气蒸汽联合循环机组启动曲线在线优化调整方法，如图3所示为燃气蒸汽联合循环机组启动过程在线优化解析函数求解流程图，包括如下步骤：

步骤1、对燃气蒸汽联合循环机组的启动过程依照转子转速、带负荷情况进行阶段划分，依据图1可见，启动过程分为：燃机盘车阶段、燃机启动吹扫阶段、燃机并网、燃机低负荷保持阶段、汽轮机冲转阶段、汽轮机暖机阶段、汽轮机并网、汽轮机低负荷保持阶段等。

考虑到汽轮机暖机阶段和汽轮机低负荷保持阶段的时间具有较大的改进潜力，本发明确定启动过程中所要优化的阶段为汽轮机暖机阶段和汽轮机低负荷保持阶段。其他阶段依照本发明提供的思路，仍可进行优化研究。

步骤2、分析影响汽轮机暖机阶段和低负荷保持阶段的最优时间的因素，建立计算模型，求解启动过程中汽轮机转子在不同暖机时间和低负荷保持时间下的温度场、热应力场，在此基础上求解转子的疲劳寿命损耗。计算流程如图2所示，主要包括如下步骤：

步骤201、通过分析比较影响汽轮机暖机阶段和低负荷保持阶段最优时间的因素，在综合考虑求解精度和实际运算量的情况下，选择对汽轮机暖机时间有直接影响的汽轮机高压缸第一级金属温度作为唯一的影响因素。

步骤202、建立汽轮机转子二维有限元模型，对应力集中部位采用网格细化处理，用等效质量块替代转子叶片。其中应力集中的部位包含：叶轮根部、转子轴肩。

步骤203、确定汽轮机启动过程中暖机阶段和低负荷保持阶段全部可能时间，考虑机组实际运行情况，选择暖机阶段的时间范围是0-60min，低负荷保持阶段的时间范围是0-30min，以1min为间隔进行穷举分析，共计61*31＝1891种工况，计算出当前汽轮机高压缸第一级金属温度下，转子在不同暖机时间和低负荷保持时间下的启动应力和疲劳寿命损耗。如图2所示，计算流程包括：

①、选取汽轮机启动过程中暖机时间A和低负荷保持时间B分别为A＝0min、B＝0min；

②、确定启动过程中转子初始温度场、边界条件和对流换热系数；根据汽轮机转子在运行时热量传递特点对边界条件进行如下处理：

1)转子左右端面是汽缸外的截断面，在有限元计算中作绝热处理。

2)转子无中心孔，中心边界作绝热处理。

3)转子外表面作为已知换热系数及介质温度的第三类边界条件。

根据汽轮机启动过程中蒸汽温度随时间变化曲线，获得蒸汽物性参数随时间、空间变化的函数关系，进而确定汽轮机转子表面的对流换热系数在启动过程中的数值大小。

③、采用ANSYS对转子应力集中部位进行有限元求解，选取调节级或调节级后第一级的前后叶轮根部圆角处节点，以及同一径向下，前后叶轮根部圆角处节点各自对应的轴心处节点作为监测点，得到转子监测点处热应力变化曲线。利用Misses准则进行热应力与离心应力的合成，最终得到启动过程中监测点应力随时间的变化曲线。

④、根据金属材料在交变应力作用下的全应变与弹性当量应力的关系，计算全应变Δε_t，公式为：

式中，σ_eq—合成应力，MPa；E—材料的弹性模量；K_ε—弹、塑性应变集中系数。

进而根据转子材料疲劳特性曲线(以对数坐标表示，横坐标表示致裂周次NC，纵坐标表示全应变Δε_t)得到NC，则机组启动一次转子的疲劳寿命损耗为1/NC。

⑤、保持汽轮机启动过程中暖机时间不变，改变低负荷保持时间为B＝B+1min，重复步骤②、③、④，循环计算，直至低负荷保持时间B不再满足B≤30min。

⑥、使汽轮机启动过程中暖机时间A和低负荷保持时间B分别为A＝A+1min、B＝0min，重复步骤②、③、④、⑤，循环计算，直至暖机时间A不再满足A≤60min；即将全部可能的工况下启动过程中汽轮机转子的启动应力和疲劳寿命损耗计算完毕。

最终计算得出在汽轮机高压缸第一级金属温度不变的前提下，不同暖机时间和低负荷保持时间下转子的最大应力和疲劳寿命损耗，并将计算结果存入数据库中。

步骤3、综合考虑转子疲劳寿命损耗成本和燃料消耗成本两方面因素，遍历数据库中不同启动时间对应的最大应力值和启动过程中转子的疲劳寿命损耗，在保证安全的前提下，选择总成本最低对应的时间，作为该金属温度下的汽轮机最优暖机时间和低负荷保持时间。主要包括如下步骤：

步骤301、建立启动过程优化模型，对转子的疲劳寿命损耗和过程中的燃料消耗统一折合成经济成本，对其进行寻优求解；

Z＝min f(x,y)

其中，x，y分别表示启动过程中转子的疲劳寿命损耗成本和燃料消耗成本，建立函数关系式f，依据转子部件的价格和燃料价格，将成本统一折合成经济成本，优化目标是使得二者的总成本函数值最小。为保证启动过程中转子的安全，约束条件设为应力裕度K大于0.2。其中，[σ]表示许用应力值，σ_max表示启动过程中转子最大应力值。

步骤302、遍历数据库中不同启动时间对应的最大应力值和启动过程中转子的疲劳寿命损耗，求解当前汽轮机高压缸第一级金属温度下，不同启动过程的燃料消耗成本，在此基础上根据目标函数求出总成本并排序。

步骤303、在保证启动过程中转子应力裕度K大于0.2的前提下，选择启动过程中总成本最低的暖机阶段和低负荷保持阶段的组合时间对，作为当前金属温度下最优的暖机时间和低负荷保持时间。

步骤4、改变汽轮机启动过程中的汽轮机高压缸第一级金属温度，重复步骤2、步骤3，计算转子应力、疲劳寿命损耗和燃料消耗，以总成本最低为目标，求得不同汽轮机高压缸第一级金属温度下，汽轮机的最优暖机时间和低负荷保持时间。其中，考虑机组实际运行情况，汽轮机高压缸第一级金属温度波动范围一般选择0-550℃，以50℃为间隔步长进行循环求解。

步骤5、通过对步骤2、步骤3、步骤4求解得到不同汽轮机高压缸第一级金属温度下对应的汽轮机最优暖机时间和低负荷保持时间，并建立函数模型：

f(T,t₁,t₂)＝0

其中，T表示汽轮机高压缸第一级金属温度，t₁表示汽轮机最优暖机时间，t₂表示汽轮机最优低负荷保持时间。利用偏最小二乘法对离散点拟合，得到启动过程中汽轮机最优暖机时间和低负荷保持时间随汽轮机高压缸第一级金属温度变化的函数解析方程。

最终实现了汽轮机启动时间随高压缸第一级金属温度变化而进行在线动态调整。