熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)組運(yùn)行操作優(yōu)化系統(tǒng)應(yīng)用

黃海鵬

(中國(guó)石化集團(tuán)資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理有限公司茂名石化分公司熱電分部,廣東茂名 525000)

熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)組運(yùn)行操作優(yōu)化系統(tǒng)應(yīng)用

黃海鵬

(中國(guó)石化集團(tuán)資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理有限公司茂名石化分公司熱電分部,廣東茂名 525000)

在滿(mǎn)足外供蒸汽的條件下如何及時(shí)調(diào)整發(fā)電機(jī)組的進(jìn)汽量、抽汽量使機(jī)組發(fā)電總量最大,有利于汽輪機(jī)優(yōu)化運(yùn)行、降低發(fā)電成本。文章分析了熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)組運(yùn)行操作優(yōu)化系統(tǒng)應(yīng)用。

熱電聯(lián)產(chǎn) 汽輪機(jī) 運(yùn)行 最優(yōu)值求解

利用汽輪機(jī)操作管理優(yōu)化系統(tǒng)對(duì)熱電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，在滿(mǎn)足熱負(fù)荷需求和鍋爐產(chǎn)汽總量不變的條件下，確定出停、開(kāi)的機(jī)組和相應(yīng)的蒸汽負(fù)荷分配，保障蒸汽需求(蒸汽管網(wǎng))與供給匹配，減少能量浪費(fèi)，負(fù)荷(新蒸汽或供汽)變化時(shí)，能夠快速地進(jìn)行調(diào)節(jié)操作條件，使其達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

1 優(yōu)化操作系統(tǒng)模型的建立

茂名石化動(dòng)力廠(chǎng)化工區(qū)現(xiàn)有雙抽凝汽汽輪機(jī)3臺(tái)，其中1#和2#汽機(jī)最大進(jìn)汽量190噸/小時(shí)，高抽(I抽)最大量為100噸/小時(shí)，中抽(II抽)50噸/小時(shí)，發(fā)電量為2000-25000kw。3#汽輪機(jī)最大進(jìn)汽328噸/小時(shí)，最大高抽(I抽)50噸/小時(shí)，中抽(II抽)200噸/小時(shí)，發(fā)電量2000-50000kw。鍋爐最大產(chǎn)汽840噸/小時(shí)，供汽機(jī)的最大新蒸汽量為640噸/小時(shí)。

1.1 線(xiàn)性回歸獲得汽輪機(jī)的特性方程

汽輪機(jī)的特性方程表示汽輪機(jī)進(jìn)汽量、抽汽流量與發(fā)電量的關(guān)系。

抽凝式汽輪機(jī)特性方程：

p=a+bD1-cD2

式中：p為輸出功率kW，D1為新蒸汽量t/h，D2為抽汽量t/h， a、b和c為特性參數(shù)。上述特性參數(shù)由汽輪機(jī)熱力試驗(yàn)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸得到。經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得出，回歸的曲線(xiàn)與實(shí)際計(jì)算高度穩(wěn)合。

1.2 熱電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

熱電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型是把所有可能的汽輪機(jī)運(yùn)行組合方式和操作條件都包含在內(nèi)的一組物料、能量和汽輪機(jī)特性方程。這個(gè)模型一般可用下面的一組數(shù)學(xué)關(guān)系式描述：

式中，x=[x1，x2，…，xk]是連續(xù)變量向量，表示單元設(shè)備的處理能力和流體的流量和能量，而y=[y1，y2，y3，y4]是整數(shù)變量(二元變量)向量，表示流程結(jié)構(gòu)中汽輪機(jī)在操作過(guò)程中停、開(kāi)的狀態(tài)。當(dāng)yi=0時(shí)，表示第i臺(tái)汽輪機(jī)停止運(yùn)行，當(dāng)yi=1時(shí)，表示第i臺(tái)汽輪機(jī)運(yùn)行。熱電系統(tǒng)的操作狀況可由(x，y)表示，所以，(x，y)的集合構(gòu)成了熱電系統(tǒng)的操作空間，優(yōu)化的問(wèn)題是在此操作空間中搜索出最優(yōu)的操作條件，使系統(tǒng)的效益達(dá)到最大。

1.3 熱電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型

熱電系統(tǒng)的優(yōu)化是在滿(mǎn)足向外供熱的條件下，確定停、開(kāi)的機(jī)組和相應(yīng)的蒸汽負(fù)荷分配，在能量消耗一定的條件下，使發(fā)電量達(dá)到最大。其目標(biāo)函數(shù)和約束條件如下：

目標(biāo)函數(shù)為：發(fā)電量最大或成本最低

約束條件為：系統(tǒng)輸出的供熱量≥所需的供熱量

每臺(tái)汽輪機(jī)的進(jìn)汽量＜最大允許進(jìn)汽量

抽凝式汽輪機(jī)的抽汽量＜最大允許抽汽量

抽凝式汽輪機(jī)的抽汽量＞最小允許抽汽量

用數(shù)學(xué)式表達(dá)為：

目標(biāo)函數(shù)：F=min f(x，y)

約束條件：gi(x，y)0，i=1，2，…，n

式中：F為新蒸汽用量t/h。由上述目標(biāo)函數(shù)和約束條件構(gòu)成了熱電系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度模型，這是個(gè)混合整數(shù)非線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題。通過(guò)最優(yōu)化計(jì)算，在滿(mǎn)足上述約束條件下，尋求出最優(yōu)操作方案(x，y)，使熱電系統(tǒng)的發(fā)電量達(dá)到最大。

1.4 優(yōu)化操作計(jì)算方法

1.4.1 汽輪機(jī)系統(tǒng)操作優(yōu)化目標(biāo)

操作優(yōu)化的目標(biāo)可選下列兩者之一：

(1)優(yōu)化目標(biāo)1：在新蒸汽量一定的條件下，優(yōu)化汽輪機(jī)的操作條件，在滿(mǎn)足各種等級(jí)蒸汽需求(供熱)的條件下，以使發(fā)電量最大。

(2)優(yōu)化目標(biāo)2：在發(fā)電量一定的條件下，優(yōu)化汽輪機(jī)的操作條件，在滿(mǎn)足各種等級(jí)蒸汽需求(供熱)的條件下，以使消耗的新蒸汽量最小。

1.4.2 汽輪機(jī)系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖(圖1)

1.4.3 汽輪機(jī)特性方程(發(fā)電量與進(jìn)汽量、抽汽量的關(guān)系)

E1=f(x1，x2，x3)

E2=f(x4，x5，x6)

E3=f(x7，x8，x9)

其中E1，E2和E3分別是第1臺(tái)、第2臺(tái)和第3臺(tái)汽輪機(jī)的發(fā)電量，上述方程通過(guò)對(duì)實(shí)際操作的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸得到。

1.4.4 供熱蒸汽需求

高抽蒸汽量(34kg/cm2)：X2+X5+X8+X10 G1中抽蒸汽量(17kg/cm2)：X3+X6+X9+X11 G2

其中G1，G2分別為34kg/cm2、17kg/cm2的蒸汽需求量t/h，X10和X11為減溫減壓器通過(guò)量。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況，汽機(jī)進(jìn)汽與抽汽量限制：

1號(hào)汽機(jī)： X1 208 (t/h) (進(jìn)汽量)

X2 115 (t/h) (高抽量)

X3 38 (t/h) (中抽量)

2號(hào)汽機(jī)： X4 208 (t/h) (進(jìn)汽量)

X5 115 (t/h) (高抽量)

X6 38 (t/h) (中抽量)

3號(hào)汽機(jī)： X7 328 (t/h) (進(jìn)汽量)

X8 80 (t/h) (高抽量)

X9 120 (t/h) (中抽量)

熱電系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度歸結(jié)為解一個(gè)混合整數(shù)非線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題，采用MATLAB軟件進(jìn)行求解。

1.4.5 軟件平臺(tái)

操作系統(tǒng)：選擇Windows 2000作為操作系統(tǒng)。

應(yīng)用軟件：選擇MATLAB軟件作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

數(shù)據(jù)處理與分析軟件：選擇Origin軟件，軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2、圖3所示。

2 汽輪發(fā)電機(jī)操作管理優(yōu)化系統(tǒng)的主要功能

(1)總蒸汽量一定，通過(guò)優(yōu)化計(jì)算，確定出運(yùn)行那幾臺(tái)汽輪機(jī)和相應(yīng)的蒸汽負(fù)荷分配，在滿(mǎn)足外界供熱量的條件下，使系統(tǒng)的發(fā)電量達(dá)到最大。

(2)總蒸汽量一定，指定運(yùn)行的汽輪機(jī)(有時(shí)設(shè)備需維修，只能由人來(lái)指定)，通過(guò)優(yōu)化計(jì)算，對(duì)指定的汽輪機(jī)確定出蒸汽負(fù)荷分配，在滿(mǎn)足外界供熱量的條件下，使系統(tǒng)的發(fā)電量達(dá)到最大。

(3)總蒸汽量和高中壓抽汽量、發(fā)電量一定，通過(guò)優(yōu)化汽機(jī)進(jìn)汽、抽汽的分配使運(yùn)行總費(fèi)用最低。

(4)即時(shí)核算發(fā)電最低成本，利用峰平谷電價(jià)政策指導(dǎo)生產(chǎn)運(yùn)行，使經(jīng)濟(jì)效益最大化。

(5)考慮汽輪機(jī)維修前后特性方程的差異性，軟件系統(tǒng)具有基于現(xiàn)行的汽輪機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)汽輪機(jī)特性方程進(jìn)行修正的功能。

3 茂名石化公司發(fā)電機(jī)組操作管理應(yīng)用測(cè)算情況

3.1 優(yōu)化目標(biāo)

發(fā)電量最大(新蒸汽量一定，在滿(mǎn)足供熱需求條件，發(fā)電量最大)。

3.2 優(yōu)化工況(圖4-圖7)

3.3 優(yōu)化結(jié)果

相同蒸汽總量(600t/h)和外供蒸汽量(200t/h高壓蒸汽、150t/h中壓蒸汽)三種方案的發(fā)電量比較：

優(yōu)化操作方案：總發(fā)電負(fù)荷90281kw

操作方案1：總發(fā)電負(fù)荷87720kw

操作方案2：總發(fā)電負(fù)荷86570kw

操作方案3：總發(fā)電負(fù)荷88340kw

對(duì)比操作方案1，優(yōu)化操作方案多發(fā)電2561kw，增加效益1613. 43元/h(電價(jià)按0.63元/kwh計(jì)算)，一年增加效益1613.43×24× 365=1413.36萬(wàn)元。

對(duì)比操作方案2，優(yōu)化操作方案多發(fā)電3711kw，增加效益2337.93元/h，一年增加效益2048.027萬(wàn)元。

對(duì)比操作方案3，優(yōu)化操作方案多發(fā)電1941kw，增加效益1223元/h，一年增加效益1071.2萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

汽輪發(fā)電機(jī)操作管理優(yōu)化系統(tǒng)是強(qiáng)化操作管理的量化標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)中汽輪機(jī)模型是利用實(shí)際操作數(shù)據(jù)歸納完成，具有很好的準(zhǔn)確性。此外，汽輪發(fā)電機(jī)操作管理優(yōu)化系統(tǒng)是節(jié)能有效手段。從上面的數(shù)據(jù)可以看到，通過(guò)優(yōu)化操作，節(jié)能達(dá)到2%，年節(jié)約標(biāo)煤5200噸。

[1]張燦勇,張洪明.火電廠(chǎng)熱力系統(tǒng)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2013: 9-19.

[2]蔣金山.最優(yōu)化計(jì)算方法與實(shí)現(xiàn)[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社, 2012:102-144.