CN102998122A - 一种基于多因素的汽轮机组最佳初压全局寻优方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多因素的汽轮机组最佳初压全局寻优方法，所述方法通过建立汽轮机变压运行耗差定量计算模型，依据全局变压优化试验得出汽轮机组在不同调峰工况下的可行滑压区间内的经济特性变化趋势，然后与机组一次调频特性、背压特性等其他目标参数相融合，得到基于多因素的汽轮机组最佳运行初压，以适应电站现场实际运行所需，达到电站经济性与电网安全性的兼顾实现。本发明，属汽轮发电机机组运行技术领域，适用于汽轮机组最佳初压全局寻优。

Description

一种基于多因素的汽轮机组最佳初压全局寻优方法

技术领域

本发明涉及一种多因素的汽轮机组最佳初压全局寻优方法，属汽轮发电机机组运行技术领域。

背景技术

由于电力需求峰谷差距，使得汽轮发电机组长期处于调峰运行状态。部分负荷下汽轮机运行方式的选择直接关系到机组的热经济性与安全性。国内外学者对汽轮机变压运行特性做了很多研究，普遍采用多工况点离散比较和耗差分析相结合的分析方法，得出机组最优运行方式。

常规汽轮机最优初压试验方法，通常采用在几个基准负荷下,对每个负荷点选定若干不同的主汽压力以及高压调门开度对应关系,通过比较不同工况下的机组热耗的差异,以机组热耗率最小为原则来选取机组最优变压运行曲线的方法。该方法有诸多缺陷，仍有进一步提高的空间：

（1）试验结果不确定度较大：

现行机组协调系统在投产时普遍内置了制造厂推荐的变压运行曲线，虽然制造厂的相关理论计算与机组实际运行特性存在一定程度的不匹配，但一部分负荷点的机组热耗和最优应达值仅相差10～50kJ/(kW.h)，数额相差非常小。GB8117--2008《电站汽轮机热力性能试验验收规程》给出的大型凝汽式汽轮机高准确度试验的不确定度为0.3%，美国机械工程师协会ASME PTC6-2004《汽轮机性能试验规程》给出的全面性汽轮机热力性能试验的不确定度为0.25%。倘若按现有汽轮机组平均热耗8000kJ/(kW.h)计，那么，即便是依据最严苛的ASME性能试验规程完成性能试验，试验的结果（两次平行工况测试的平均值）也有20 kJ/(kW.h)的不确定度，相当于供电煤耗0.8 g/(kW.h)。而实际上，现场汽轮机性能试验受限于热力系统边界条件的复杂多变性以及试验仪表精度的影响，往往不具备ASME性能试验规程所要求的试验条件，其试验结果的误差范围远超过20 kJ/(kW.h)。因此，在当前试验精度以及热力系统边界条件下，难以分辨小偏差压力下的热经济性差异，即实践中按常规汽轮机最优初压试验方法难以找到所谓的机组效率最优“压力点”。因此，为提高不同工况下机组热耗的差异，加大选定压力点之间的间隔成为除时间与成本因素之外的迫不得已的选择。

常规汽轮机最优初压试验方法普遍采用多工况点“绝对值”离散比较的形式，就试验本身而言，存在以下几方面的不足：①受时间和成本约束，“待比较”工况点通常3～5个，因此，不同工况间的机组初压数值跨度较大；同时，“待比较”工况点的选择缺乏充分的依据，人为因素影响较大，存在易漏失机组效率最优点的的缺陷；②仅依赖于多个样本工况的试验结果的“绝对值”的比较，受试验结果不确定度较大的影响，难以准确地说明机组效率的差异；③所提出的耗差分析方法理论依据不充分，忽视热力参数之间的耦合性，分析结果与实际存在一定偏差；④即便一部分试验根据汽轮机原理，基于可行滑压区间内的阀点红利，有针对性地开展寻优；但阀点取决于配汽机构的流量特性和重叠度的合理设置，所谓“阀点”处并非均有红利。

（2）优化目标单一，缺乏实践指导意义：

通常的“最优初压”仅片面考虑机组效率的最大化，未兼顾机组调峰运行中的一次调频特性以及背压特性等其他因素和目标，因此，试验得出的最优初压运行曲线不能满足机组实际调峰运行的需要，甚至影响电网安全。进一步而言，常规汽轮机最优初压试验方法受热力系统边界条件的复杂性以及试验仪表精度的影响，难以通过多工况点下不确定度较大的试验结果得到不同初压下汽轮机组的热经济性变化趋势，因此，该方法也无法实现机组经济特性与一次调频特性等其他多因素的融合决策。

发明内容

本发明的目的是，为了解决常规汽轮机最优初压多工况点离散比较试验方法不确定度较大以及片面考虑电站经济性忽视电网安全性的不足，本发明提供一种基于多因素的汽轮机组最佳初压全局寻优方法。

本发明的技术方案是，通过建立汽轮机变压运行耗差定量计算模型，依据全局变压优化试验得出汽轮机组在不同调峰工况下的可行滑压区间内的经济特性变化趋势，然后与机组一次调频特性、背压特性等其他目标参数相融合，得到基于多因素的汽轮机组最佳运行初压，以适应电站现场实际运行所需，达到电站经济性与电网安全性的兼顾实现。

本发明方法依据汽轮机原理，根据汽轮机组在不同初压下的主要变量的变化趋势和相互耦合，建立起汽轮机变压运行耗差定量计算模型，通过小步幅连续变化主汽压力，在同一负荷可行滑压区间内直观地显示出机组热耗的变化趋势，该试验方法可精确地搜索到相应负荷下的机组效率最优工况点，且能呈现出不同初压下的机组效率的数值变化幅度及趋势，一定程度上克服了以往寻优试验准确度受仪表精度和边界条件制约的局限性；且通过一次调频特性等多因素的兼顾与融合，获得更具合理性的最佳运行初压，以保证电站经济性与电网安全性的实现。

本发明多因素的汽轮机组最佳初压全局寻优方法包括以下步骤：

步骤1：依据汽轮机组配汽结构及流量特性曲线，确定具体试验方案；需针对待试验汽轮机组的配汽结构类型及流量特性曲线，制定相应的控制策略；在有必要时应对该机组的配汽机构流量特性曲线进行修正。

对于喷嘴配汽机组，其经济性与调节阀的数目有关。现场大型喷嘴配汽汽轮机组，实际采用的是兼顾节流配汽与喷嘴配汽两者优点的“节流-喷嘴”混合配汽方式；其适宜采用喷嘴组对应阀门全开（阀点）的运行方式，如果负荷-参数-阀点不匹配，可采用滑参数+喷嘴组控制，使机组在调度负荷下，实现阀点-负荷-参数的匹配运行。

对于节流配汽机组，其在额定工况下调节阀全开，机组效率无疑可以达到最优值。但在调峰工况下，适当牺牲少量的机组热经济性，保留一定的高调门节流蓄势调频能力，采用滑压的参数-较小的节流调频裕度-负荷匹配运行方式似乎是该类型机组的必然选择。

旁通配汽以过载补汽的形式应用于当前大型节流配汽汽轮机组当中，其运行方式的选择取决于其配汽经济性与调频特性的综合考虑。

步骤2：为了贴合现场实际情况同时又不增加过多的工作量，本发明取系统“吸热量”、 汽轮机“有用功”、给泵“泵功”以及再热汽温作为主要变量，建立反映汽轮机组在不同初压下的热经济性的定量计算模型；

首先求解相同负荷下变工况前、后汽轮机装置效率的变化，然后再修正锅炉侧参数的变化。

设主汽压力p₀，主汽温度t₀，主蒸汽焓h₀，高排压力p₁，高排温度t₁，高排焓h₁，循环吸热量Q，整机有用功H，再热系数α，循环热效率η，给水泵焓升⊿τ，高压缸有效焓降Δh，机组热耗HR。

对于变工况前：

$\mathrm{\η}=\frac{H}{Q}---\left(1\right)$

对于变工况后：

${\mathrm{\η}}^{\′}=\frac{H^{\′}}{Q^{\′}}=\frac{(H+\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\Δh}\right)-\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\Δ\τ}\right))}{(Q+\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\Δq}\right))}---\left(2\right)$

$\mathrm{\Δ\η}=\frac{({\mathrm{\η}}^{\′}-\mathrm{\η})}{\mathrm{\η}}---\left(3\right)$

${\mathrm{HR}}^{\′}=\frac{\mathrm{HR}}{(1+\mathrm{\Δ\η})}---\left(4\right)$

变工况后相对工况前的高压缸有用功的变化：

$\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\Δh}\right)=(h_0^{\′}-h_1^{\′})-(h_0-h_1)=\mathrm{\Δ}{h}_0-\mathrm{\Δ}{h}_1---\left(5\right)$

变工况后相对工况前的循环吸热量的变化：

$\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\Δq}\right)=(h_0^{\′}-h_0)-\mathrm{\α}\·(h_1^{\′}-h_1)=\mathrm{\Δ}{h}_1-\mathrm{\α}\·\mathrm{\Δ}{h}_1---\left(6\right)$

变工况后相对工况前的给水泵功的变化：

δ(Δτ)=Δτ′-Δτ                  式(7)

根据试验数据，将式(5)、(6)、(7)代入式(2)、(3)、(4)，便可分别计算出变工况后的装置效率，效率变化相对值和机组热耗。

上述计算完成后，可对计算结果进行锅炉减温水和再热汽温的修正。

步骤3：在相同负荷可行滑压区间内连续以0.1～0.2MPa间隔的小步幅变化主汽压力，每个变压点稳定3～5分钟，记录相关试验数据；各负荷点下的机前压力升、降往返一循环仅需2～3小时；试验过程中要求负荷稳定，不受电网周波干扰的影响，有条件的机组可切除一次调频功能；主汽温度和再热汽温度的调整与运行人员事先沟通好，尽量维持额定值，且少投入过、再热器减温水；

步骤4：依据全局动态变压试验数据代入步骤2中的定量计算模型绘制主汽压力、高压缸内效率、高压缸有效焓降、汽泵焓升以及机组热耗随总阀位指令的变化趋势图，可直观便捷地从中遴选出3～5个待选初压，然后结合一次调频特性等多目标因素，进行多点验证试验比较，从中得到最佳运行初压。

本发明提出的“汽轮机组最佳初压全局寻优方法”增设了机组效率“相对值”的比较，以弥补常规汽轮机最优初压试验结果“绝对值”的不确定度过大的缺陷。由于试验仅进行2～3小时，热力系统的边界条件变化幅度非常小，且提出的“在不同初压下的热经济性的定量计算模型” 涉及的参数少，精度易保证，故得出汽轮机组在不同调峰工况下的可行滑压区间内的经济特性变化趋势的可信度较高，实践指导意义突出。

本发明与现有技术比较的有益效果是，本发明弥补常规汽轮机最优初压试验结果“绝对值”的不确定度过大的缺陷，本发明提出的“汽轮机组最佳初压全局寻优方法”增设了机组效率“相对值”的比较。由于试验仅进行2～3小时，热力系统的边界条件变化幅度非常小，且提出的“在不同初压下的热经济性的定量计算模型” 涉及的参数少，精度易保证，故得出汽轮机组在不同调峰工况下的可行滑压区间内的经济特性变化趋势的可信度较高，实践指导意义突出。

另外，常规汽轮机最优初压试验仅片面追求机组效率的最大化，而忽视机组实际调峰运行的其他责任，如电网调频等。实际运行当中，相当一部分机组因一次调频动作不合格受到调度的严厉考核。本发明提出的“最佳初压”基于通过汽轮机组最佳初压全局寻优试验得到的机组运行经济特性与一次调频特性、背压特性等多因素相融合，达到电站经济性与电网安全性的兼顾实现。

与现有汽轮机组最优初压寻优方法相比，本发明提出的方法更具合理性。

附图说明

图1是汽轮机变压运行耗差定量计算模型；

图2是基于多因素的汽轮机组最佳初压全局寻优方法流程。

具体实施方式

本发明具体实施方式如图2所示。

本发明实施例多因素的汽轮机组最佳初压全局寻优方法包括以下步骤：

步骤1：依据汽轮机组配汽结构及流量特性曲线，确定具体试验方案；

汽轮机的配汽机构一般由多个可控制的调节阀组成。配汽机构的结构型式和控制方式的差异影响着汽轮机的热力过程和变工况特性。现场广泛采用的配汽机构从配汽方式上分为三种，即节流配汽、喷嘴配汽和旁通配汽；从运行方式上又分为定压运行、滑压运行和复合变压运行。不同配汽方式的汽轮机的运行方式的选择直接关系到机组的热经济性与安全性，因此，在确定其具体试验方案时，需针对待试验汽轮机组的配汽结构类型及流量特性曲线，制定相应的控制策略；而且，在有必要时应对该机组的配汽机构流量特性曲线进行修正。通常而言，对于喷嘴配汽机组，其经济性与调节阀的数目有关。理论上，喷嘴数目越多，调节阀的节流损失越小，经济性越高。现场大型喷嘴配汽汽轮机组，实际采用的是兼顾节流配汽与喷嘴配汽两者优点的“节流-喷嘴”混合配汽方式；其适宜采用喷嘴组对应阀门全开（阀点）的运行方式，如果负荷-参数-阀点不匹配，可采用滑参数+喷嘴组控制，使机组在调度负荷下，实现阀点-负荷-参数的匹配运行。

而对于节流配汽机组，其在额定工况下调节阀全开，机组效率无疑可以达到最优值。但在调峰工况下，适当牺牲少量的机组热经济性，保留一定的高调门节流蓄势调频能力，采用滑压的参数-较小的节流调频裕度-负荷匹配运行方式似乎是该类型机组的必然选择。

旁通配汽以过载补汽的形式应用于当前大型节流配汽汽轮机组当中，其运行方式的选择取决于其配汽经济性与调频特性的综合考虑。

步骤2：为了贴合现场实际情况同时又不增加过多的工作量，本文取系统“吸热量”、 汽轮机“有用功”、给泵“泵功”以及再热汽温作为主要变量，建立反映汽轮机组在不同初压下的热经济性的定量计算模型；

运行方式的差异在引起汽轮机装置效率的变化的同时，势必影响锅炉工况的运行调整，比如再热汽温和减温水投入量的变化。

为简化计算，首先求解相同负荷下变工况前、后汽轮机装置效率的变化，然后再修正锅炉侧参数的变化。

设主汽压力p₀，主汽温度t₀，主蒸汽焓h₀，高排压力p₁，高排温度t₁，高排焓h₁，循环吸热量Q，整机有用功H，再热系数α，循环热效率η，给水泵焓升⊿τ，高压缸有效焓降Δh，机组热耗HR。

变工况前、后各参数标定如图3所示。

那么，对于变工况前：

$\mathrm{\η}=\frac{H}{Q}---\left(1\right)$

则，对于变工况后：

${\mathrm{\η}}^{\′}=\frac{H^{\′}}{Q^{\′}}=\frac{(H+\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\Δh}\right)-\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\Δ\τ}\right))}{(Q+\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\Δq}\right))}---\left(2\right)$

$\mathrm{\Δ\η}=\frac{({\mathrm{\η}}^{\′}-\mathrm{\η})}{\mathrm{\η}}---\left(3\right)$

${\mathrm{HR}}^{\′}=\frac{\mathrm{HR}}{(1+\mathrm{\Δ\η})}---\left(4\right)$

以变工况前参数为基准，做如下假定：令循环热效率η为45%（可取以往试验值），则机组热耗HR为8000kJ/(kW.h)；令循环吸热量Q为2800kJ/kg，则整机有用功H为1260kJ/kg；同时，认为再热器温度（热再焓）和高加出水温度（给水焓）不变。

变工况后相对工况前的高压缸有用功的变化：

δ(Δh)=(h′₀-h′₁)-(h₀-h₁)=Δh₀-Δh₁(5)

变工况后相对工况前的循环吸热量的变化：

δ(Δq)=(h′₀-h₀)-α·(h′₁-h₁)=Δh₀-α·Δh₁(6)

变工况后相对工况前的给水泵功的变化：

δ(Δτ)=Δτ′-Δτ(7)

根据试验数据，将式(5)、(6)、(7)代入式(2)、(3)、(4)，便可分别计算出变工况后的装置效率，效率变化相对值和机组热耗。

上述计算完成后，可对计算结果进行锅炉减温水和再热汽温的修正。

步骤3：在相同负荷可行滑压区间内连续以0.1～0.2MPa间隔的小步幅变化主汽压力，每个变压点稳定3～5分钟，记录相关试验数据；各负荷点下的机前压力升、降往返一循环仅需2～3小时；试验过程中要求负荷稳定，不受电网周波干扰的影响，有条件的机组可切除一次调频功能；主汽温度和再热汽温度的调整与运行人员事先沟通好，尽量维持额定值，且少投入过、再热器减温水；

步骤4：依据全局动态变压试验数据代入步骤2中的定量计算模型绘制主汽压力、高压缸内效率、高压缸有效焓降、汽泵焓升以及机组热耗随总阀位指令的变化趋势图，可直观便捷地从中遴选出3～5个待选初压，然后结合一次调频特性等多目标因素，进行多点验证试验比较，从中得到最佳运行初压。

本发明先后应用于景德镇发电厂2*660MW超超临界机组以及贵溪1*640MW超临界机组。景德镇电厂1号机组经优化后，供电煤耗1.95g/(kW.h)，按机组年运行5000小时计算，可节约标煤6435吨，节省资金515万元；景德镇电厂2号机组经优化后，供电煤耗1.71g/(kW.h)，年节约标煤5643吨，节省资金451万元。

特别是在贵溪电厂我省首台带过载补汽节流配汽超临界机组的试验研究过程中，获取了该类型机组的变压运行特性，丰富了带过载补汽阀节流配汽机组的研究案例，特别是填补了北重ALSTOM公司的产品研究的空白；试验针对江西电网的实际调度需求，推荐该厂2号机组实施“主调门5%节流+补汽阀”联合调频的运行模式，以达到了电站经济性与电网安全性的兼顾实现。

Claims (2)

1.一种基于多因素的汽轮机组最佳初压全局寻优方法，其特征在于，所述方法通过建立汽轮机变压运行耗差定量计算模型，依据全局变压优化试验得出汽轮机组在不同调峰工况下的可行滑压区间内的经济特性变化趋势，然后与机组一次调频特性、背压特性等其他目标参数相融合，得到基于多因素的汽轮机组最佳运行初压，以适应电站现场实际运行所需，达到电站经济性与电网安全性的兼顾实现。

2.根据权利要求1所述的一种基于多因素的汽轮机组最佳初压全局寻优方法，其特征在于，所述包括以下步骤：

（1）依据汽轮机组配汽结构及流量特性曲线，确定具体试验方案；需针对待试验汽轮机组的配汽结构类型及流量特性曲线，制定相应的控制策略；在必要时应对该机组的配汽机构流量特性曲线进行修正；

（2）建立反映汽轮机组在不同初压下的热经济性的定量计算模型；

设主汽压力p ₀ ，主汽温度t ₀ ，主蒸汽焓h ₀ ，高排压力p ₁ ，高排温度t ₁ ，高排焓h ₁ ，循环吸热量Q，整机有用功H，再热系数α，循环热效率η，给水泵焓升⊿τ，高压缸有效焓降Δh，机组热耗HR；

对于变工况前：

                                        (1)

对于变工况后：

                        (2)

                                     (3)

                                    (4)

变工况后相对工况前的高压缸有用功的变化：

                        (5)

变工况后相对工况前的循环吸热量的变化：

                      (6)

变工况后相对工况前的给水泵功的变化：

                                   (7) 

根据试验数据，将式(5)、(6)、(7)代入式(2)、(3)、(4)，便可分别计算出变工况后的装置效率，效率变化相对值和机组热耗；

上述计算完成后，可对计算结果进行锅炉减温水和再热汽温的修正；

（3）在相同负荷可行滑压区间内连续以0.1～0.2MPa间隔的小步幅变化主汽压力，每个变压点稳定3～5分钟，记录相关试验数据；各负荷点下的机前压力升、降往返一循环仅需2～3小时；试验过程中要求负荷稳定，不受电网周波干扰的影响，有条件的机组可切除一次调频功能；主汽温度和再热汽温度的调整与运行人员事先沟通好，尽量维持额定值，且少投入过、再热器减温水；

（4）依据全局动态变压试验数据代入步骤2中的定量计算模型绘制主汽压力、高压缸内效率、高压缸有效焓降、汽泵焓升以及机组热耗随总阀位指令的变化趋势图，可直观便捷地从中遴选出3～5个待选初压，然后结合一次调频特性等多目标因素，进行多点验证试验比较，从中得到最佳运行初压。

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