一种火电机组双背压冷端系统变频泵循环水流量优化方法与流程

本发明涉及火电优化控制技术领域，具体地，涉及一种用于双背压冷端系统循环水质量流量优化控制的方法，尤其是一种基于机组净增功率最大化的火电机组双背压冷端、装备变频泵(即循环水质量流量连续可调)系统的循环水质量流量优化方法。

背景技术：

冷端系统是火电机组重要组成部分。随着机组容量的扩大，汽轮机排汽量和排汽口数量增多，为提高机组效率，电站大多采用双背压或多背压冷端系统。冷端系统中各设备的工作状态不仅通过冷凝器压力影响机组的出力，而且因自身电力消耗影响供电煤耗，其中循环水泵尤为明显。当循环水量增大时，冷凝器压力降低，机组出力增加，然而循环水泵功耗也随之增大，反之亦然。

对现有技术的检索发现，公开号为CN102279565A、申请号为CN201110118579.8的中国发明专利，该专利中涉及一种火力发电机组冷端设备优化系统，根据冷凝器实际运行的压力值与压力应达值之间的偏差量获得机组的微增功率，并将其与循环水泵功耗相减得到冷端综合功率耗差，然后比较不同工况下的耗差，选取性能较优的冷端设备调整方式。

但上述发明计算冷凝器应达值过程中需用到总体换热系数，在计算微增功率时需用到机组功率修正曲线，然而总体换热系数很难精确确定，机组功率修正曲线也是通过专门试验得到的拟合曲线，在大部分机组只能一年做一次试验的条件下，它显然不能反映设备的性能动态变化，因此无法保证冷端系统中循环水流量实际最优。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于机组净增功率最大化的火电机组双背压冷端系统双速泵循环水流量优化方法，该方法不需计算冷凝器总体换热系数，同时机组微增功率通过计算而非根据修正曲线得到。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种火电机组双背压冷端系统变频泵循环水流量优化方法，具体步骤如下：

步骤1：从现场DCS(Distributed Control System，即分布式控制系统)实时数据库中获取给定时刻的机组运行数据，具体包括：低压冷凝器循环水入口温度、高压冷凝器循环水出口温度、主蒸汽质量流量、高压和低压冷凝器真空度及环境大气压力；

步骤2：计算低压缸排汽湿度，并在抽汽份额给定的条件下，根据可覆盖全操作工况的工质物性参数数据库，分别计算该给定时刻高压和低压冷凝器入口排汽质量流量、入口排汽比焓、凝结水比焓和饱和蒸汽温度；步骤2的计算是在采用步骤1的数据基础上进行的；

步骤3：根据低压冷凝器和高压冷凝器内换热过程能量衡算模型，计算循环水实际质量流量、低压冷凝器循环水出口温度及高压冷凝器的当前端差；步骤3的计算是在采用步骤2的计算结果上进行的；

步骤4：保持步骤2给定的排汽湿度和抽汽份额不变，令循环水质量流量从D_w增加为D_w+ΔD_w，计算与循环水质量流量D_w+ΔD_w对应的低压冷凝器循环水出口温度以及高压和低压冷凝器的饱和蒸汽温度，并计算与循环水质量流量D_w+ΔD_w对应的高压和低压冷凝器入口排汽比焓；步骤4的计算结果是为了用于步骤5的寻优；

步骤5：定义循环水质量流量增加后机组的微增功率与循环水泵的功耗增量之差(即净功率增量)为效益函数，在给定的低压缸机械效率、发电机效率和循环水单位功耗条件下，以循环水质量流量增量ΔD_w为待寻优变量，采用连续寻优方法优化效益函数，得到最优循环水质量流量增量ΔD_w；

在每一采样时刻，重复上述计算步骤1-5，即可实现冷端系统循环水质量流量的滚动优化。

步骤3中，所述低压冷凝器和高压冷凝器内换热过程能量衡算模型：

D_LEB(h_LEB-h_cw1)＝D_wc_pw(t_w2-t_w1)

D_LEA(h_LEA-h_cw2)＝D_LEB(h_cw2-h_cw1)+D_wc_pw(t_w3-t_w2)

式中：

D_LEB和D_LEA分别为低压冷凝器和高压冷凝器的入口排汽质量流量,kg/s；

h_LEB和h_LEA分别为低压冷凝器和高压冷凝器的入口排汽比焓,J/kg；

h_cw1和h_cw2分别为低压冷凝器和高压冷凝器的凝结水比焓,J/kg；

D_w为循环水质量流量,kg/s；

t_w1和t_w3分别为低压冷凝器循环水入口温度和高压冷凝器循环水出口温度,K；

t_w2为低压冷凝器循环水出口水温,K；

c_pw为水的等压比热容，通常取为4.1868J/(kg*K)。

D_LEB和D_LEA的计算为：

D_LE＝D_ms(1-α)

D_LEB＝0.5D_LE

D_LEA＝D_LE-D_LEB

式中：

D_LE为低压缸总排汽质量流量,kg/s；

D_ms为机组主蒸汽质量流量,kg/s；

α为主蒸汽抽汽份额,％。

步骤3中，所述高压冷凝器的当前端差δt_A计算方法为：

δt_A＝t_sA-t_w3

t_sA为高压冷凝器饱和蒸汽温度,K；

t_w3为高压冷凝器循环水出口温度,K。

优选地，步骤4中，计算与循环水质量流量D_w+ΔD_w对应的低压冷凝器循环水出口温度以及高压和低压冷凝器的饱和蒸汽温度：

$t_{w2}^{\′}=t_{w1}+\frac{D_{LEB}(h_{LEB}-h_{cw1})}{c_{pw}(D_w+{\mathrm{\ΔD}}_w)}$

t_s'_B＝t_sB+(t'_w2-t_w2)

${\mathrm{\δ}}_{tA}^{\′}=\frac{{\mathrm{\δ}}_{tA}(31.5+t_{w2})}{31.5+t_{w2}^{\′}}$

$t_{sA}^{\′}=t_{w2}^{\′}+\frac{D_{LEA}(h_{LEA}-h_{cw2})+D_{LEB}(h_{cw1}-h_{cw2})}{c_{pw}(D_w+\mathrm{\Δ}Dw)}+{\mathrm{\δ}}_{tA}^{\′}$

以上式中：

ΔD_w为循环水质量流量增量,kg/s；

t_sB为循环水质量流量增加前低压冷凝器饱和蒸汽温度,K；

t'_w2为循环水质量流量增加后低压冷凝器出口循环水温度,K；

t_s'_B为循环水质量流量增加后低压冷凝器饱和蒸汽温度,K；

δ_t'_A为循环水质量流量增加后高压冷凝器端差,K；

t_s'_A为循环水质量流量增加后高压冷凝器饱和蒸汽温度,K。

优选地，步骤5中，循环水质量流量增量优化效益函数J为

$J=\underset{{\mathrm{\ΔD}}_w}{max}\{\mathrm{\Δ}P-{\mathrm{\ΔP}}_p\}$

ΔP＝[D_LEA(h_LEA-h'_LEA)+D_LEB(h_LEB-h'_LEB)]η_mη_g

ΔP_p＝k·ΔD_w

式中：

ΔP为循环水质量流量增加后机组的微增功率,W；

ΔP_p为循环水泵的功耗增量,W；

h'_LEA和h'_LEB为循环水质量流量增加后高压冷凝器和低压冷凝器的入口排汽比焓,J/kg；

η_m为低压缸机械效率,％；

η_g为发电机效率,％；

k为循环水泵单位功耗,J/kg。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明根据冷凝器内换热过程能量平衡关系，给出了一种火电机组冷端、装备变频泵系统的循环水质量流量优化方法。该方法能够实时计算冷凝器热力特性和机组微增功率，但避免了整体换热系数的计算，也无需应用机组功率修正曲线，提高了计算速度和机组冷端系统性能跟踪的实时性。另外，该方法所需的测点数据均来自现场DCS控制系统的实时数据库，不需要额外增加测点，仅需在已有的控制系统中增加相应的软件计算模块，实施成本低。最后，借助可覆盖全工况的工质物性参数数据库，该方法还可适用于不同工况和负荷条件，扩大其应用范围。

本发明用于火电机组双背压冷端系统双速泵循环水流量优化方法，可为火电节能增效提供技术支撑。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例双背压冷端系统示意图；

图2为实施例冷端系统优化效果图；

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，以某300MW火电机组为例，该冷端系统主要包括低压冷凝器、高压冷凝器和循环水系统三个部分。其中，低压冷凝器的凝结水进入高压冷凝器再次换热后和高压冷凝器的凝结水一起排出。

本实施例提供一种火电机组双背压冷端系统循环水质量流量优化方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤1：从DCS控制系统的实时数据库中读取给定的某一时刻的机组运行实时数据，具体如下：

低压冷凝器循环水入口温度t_w1为302.65K；高压冷凝器循环水出口温度t_w3为314.25K；高压冷凝器真空度为-0.0903MPa；低压冷凝器真空度为-0.0927MPa；主蒸汽质量流量为811kg/s；环境大气压力为0.101MPa。

步骤2：计算低压缸排汽湿度为4％，并在抽汽份额给定为35％的条件下，根据可以覆盖全操作工况的工质物性参数数据库，计算该给定时刻低压冷凝器入口排汽质量流量D_LEB为263.59kg/s、入口排汽比焓h_LEB为2481.39kJ/kg、凝结水比焓h_cw1为176.62kJ/kg和饱和蒸汽温度t_sB为315.32K；高压冷凝器入口排汽质量流量D_LEA为263.59kg/s、入口排汽比焓h_LEA为2490.52kJ/kg、凝结水比焓h_cw2为196.99kJ/kg和饱和蒸汽温度t_sA为320.20K。

所述工质物性参数数据库，是指根据水和水蒸气热力性质工业公式(IAPWS-IF97)开发的具有可并行调用的、区域自动判别、批处理运算等特点的用于在线计算的工质物性参数数据库，采用现有技术实现，比如参考文献：王旭辉，于彤，惠兆宇，袁景淇，用于火电全范围仿真的工质物性参数数据库，控制工程，2011,18:131-133。

所述低压缸排汽湿度可以采用现有技术实现，比如按以下文献提供的方法计算：Liang Xu,Jingqi Yuan.Online application oriented calculation of the exhaust steam wetness fraction of the low pressure cylinder in thermal power plant.Applied Thermal Engineering,2015,76:357-366。

步骤3：根据低压冷凝器和高压冷凝器内换热过程能量衡算模型，计算循环水实际质量流量D_w、低压冷凝器循环水出口温度t_w2及高压冷凝器的当前端差δt_A。

本实施例中，步骤3所述低压冷凝器和高压冷凝器内换热过程能量衡算模型为：

D_LEB(h_LEB-h_cw1)＝D_wc_pw(t_w2-t_w1)

D_LEA(h_LEA-h_cw2)＝D_LEB(h_cw2-h_cw1)+D_wc_pw(t_w3-t_w2)

式中，

D_LEB和D_LEA分别为低压冷凝器和高压冷凝器的入口排汽质量流量,kg/s；

h_LEB和h_LEA分别为低压冷凝器和高压冷凝器的入口排汽比焓,J/kg；

h_cw1和h_cw2分别为低压冷凝器和高压冷凝器的凝结水比焓,J/kg；

t_w1和t_w3分别为低压冷凝器循环水入口温度和高压冷凝器循环水出口温度,K；

t_w2为低压冷凝器循环水出口温度，也即高压冷凝器的循环水入口温度,K；

c_pw为水的等压比热容，通常取为4.1868J/(kg*K)。

本实施例中，步骤3所述高压冷凝器当前端差δt_A计算方法为

δt_A＝t_sA-t_w3

结合步骤2中的计算结果，可得该给定时刻的D_w、t_w2和δt_A分别为24927.68kg/s、308.42K和5.98K。

步骤4：保持排汽湿度和抽汽份额不变，令循环水质量流量从D_w增加为(D_w+ΔD_w)，计算与之对应的低压冷凝器循环水出口温度t'_w2以及高压和低压冷凝器的饱和蒸汽温度t_s'_A和t_s'_B，并计算与之对应的高压和低压冷凝器入口排汽比焓h'_LEA和h'_LEB。

本实施例中，步骤4所述循环水质量流量增加后的低压冷凝器出口水温t'_w2为

$t_{w2}^{\′}=t_{w1}+\frac{D_{LEB}(h_{LEB}-h_{cw1})}{c_{pw}(D_w+{\mathrm{\ΔD}}_w)}$

循环水质量流量增加后的低压冷凝器饱和蒸汽温度为

t_s'_B＝t_sB+(t'_w2-t_w2)

循环水质量流量增加后的高压冷凝器的端差为

${\mathrm{\δ}}_{tA}^{\′}=\frac{{\mathrm{\δ}}_{tA}(31.5+t_{w2})}{31.5+t_{w2}^{\′}}$

循环水质量流量增加后的高压冷凝器饱和蒸汽温度为

$t_{sA}^{\′}=t_{w2}^{\′}+\frac{D_{LEA}(h_{LEA}-h_{cw2})+D_{LEB}(h_{cw1}-h_{cw2})}{c_{pw}(D_w+\mathrm{\Δ}Dw)}+{\mathrm{\δ}}_{tA}^{\′}$

步骤5：定义效益函数为即净功率增量，在给定的低压缸机械效率、发电机效率和循环水单位功耗条件下，以循环水质量流量增量为待寻优变量，优化效益函数，得到最优循环水质量流量增量。

在每一采样时刻，重复上述计算步骤，即可实现冷端系统循环水质量流量的滚动优化。

效益函数优化可采用现有的内点解算方法，比如见文献N.Karmarkar.A new polynomial-time algorithm for linear programming,Proceedings of the sixteenth annual ACM symposium on Theory of computing,1984,4:302-311。当然，也可采用其他方法获得ΔD_w。

本实施例中，步骤5所述的循环水质量流量增量优化的效益函数为

$J=\underset{{\mathrm{\ΔD}}_w}{max}\{\mathrm{\Δ}P-{\mathrm{\ΔP}}_p\}$

ΔP＝[D_LEA(h_LEA-h'_LEA)+D_LEB(h_LEB-h'_LEB)]η_mη_g

ΔP_p＝K·D_w·ΔD_w

式中，

ΔP为循环水质量流量增加后机组的微增功率,W；

ΔP_p为循环水泵的功耗增量,W；

h'_LEA和h'_LEB为循环水质量流量增加后高压和低压冷凝器的入口排汽比焓,J/kg；

η_m为低压缸机械效率,99％；

η_g为发电机效率,98.5％。

K为循环水单位功耗,210J/kg。

利用内点法求解以上循环水质量流量增量优化效益函数，得到该给定时刻最优循环水质量流量增量为7509.29kg/s，此时净功率增量为302.28kW。

本实施例中，对某一天的循环水质量流量进行了优化，结果见图2。

本实施例中，步骤5是以变频泵(即循环水质量流量连续可调)为例说明的。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。