CN103410575B - 一种提高汽电共生设备发电效率的系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于提高汽电共生设备发电效率的系统及其方法。系统包括锅炉、汽轮发电机、冷凝器、冷却水塔、除氧器、两个低压热交换器和集散控制系统，锅炉与汽轮发电机相连，汽轮发电机分别与除氧器、两个低压热交换器和冷凝器相连，冷凝器依次与两个低压热交换器和锅炉连接；冷却水塔与冷凝器构成一个循环回路，冷却水塔顶端设有冷却风扇；集散控制系统收集整个系统的运行参数，对其进行存储与分析。本发明在不改变企业原有的汽电共生系统设备的基础上，能够通过调节风扇的操作模式，提高汽轮发电机的发电效率，节约生产成本。

Description

一种提高汽电共生设备发电效率的系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种提高汽电共生系统发电效率的系统及其方法，尤其是涉及应用于包含有汽轮发电机、冷凝器与冷却水塔的汽电共生设备的新方法及其系统，属于电气工程领域。

背景技术

汽电共生系统，是一种将燃料(燃煤或燃油)热能转换为蒸汽与电力的电热产生装置，并将产生的电力供应至电气设备，将随着发电而产生的热能供应至热水供应器、暖气机等的供热设备，从而满足产业制程的生产需要。一般而言，它主要由：锅炉、汽轮发电机、冷凝器、热交换器、冷却水塔等设备构成。

汽电共生系统的能源使用效率的高低，直接关系到企业的运行成本，也间接影响了温室气体的排放。在实际使用中，人们往往只重视汽电共生系统中单一设备的使用效率，如：提高锅炉的燃烧效率、降低冷凝器的真空度、更换冷却水塔的填充物材质等，而忽略了对包含汽轮发电机、冷凝器与冷却水塔的整体性能优化。

专利CN200780008985.0揭示一种“汽电共生系统”，提出由预设的“预测运转模式”与“非预测运转模式”来控制电热产生装置的启停，从而提高能源的利用效率。该方法尽管可以提高汽电共生系统的使用效率，但它是一种全新的汽电共生系统，对原有的汽电共生设备不具备通用性，即使能够改造，实施成本也很高。另外，它由市场的电力需求量确定运转模式，系统依赖性较强。

诚然，改造现有的汽电共生系统是可以提高能源的使用效率，但却需要企业付出额外的维修与改造经费，很难在现有的企业中实施。而实际上，汽电共生系统各个设备之间相互关联，冷却水的温度越低，冷凝器的真空度就越高、锅炉出来的蒸汽使用就越完全、导致汽轮发电机的发电效率就越高，但冷却水的温度是由安装在冷却水塔上冷却风扇的控制，较低的水温就需要较高的风量，从而消耗较多的电能。现场工程师往往只根据操作经验和实际的发电需求，盲目的开关冷却风扇，表面上提高了汽轮发电机的发电效率，实际上却消耗了更多的电能。因此，如何在电力产生(汽轮发电机)与电力消耗(冷却风扇)之间找到平衡，是提高汽电共生系统发电效率的关键。

发明内容

本发明之目的在于提供一种用于提高汽电共生设备发电效率的方法与其系统，在不改变现有汽电共生系统设备的前提下，提高汽电共生系统汽轮发电机的发电效率。

根据本发明之目的，本发明系统采用的技术方案如下：

一种提高汽电共生系统发电效率的系统，包括锅炉、汽轮发电机、冷凝器、冷却水塔、除氧器、两个低压热交换器和集散控制系统，锅炉与汽轮发电机相连，汽轮发电机分别与除氧器、两个低压热交换器和冷凝器相连，冷凝器依次与所述两个低压热交换器和锅炉连接；冷却水塔与所述冷凝器构成一个循环回路，所述冷却水塔顶端设有冷却风扇；所述锅炉、汽轮发电机、冷凝器、冷却水塔、除氧器和两个低压热交换器均连接到集散控制系统。

其中，锅炉加热出来的高温、高压蒸汽通过管道进入汽轮发电机，汽轮发电机利用蒸汽发电，发电后的一部分低压蒸汽通过除氧器供应给企业的供热设备，一部分低压蒸汽直接经过两个低压热交换器后，再次送到锅炉中循环使用；而剩下来的另一部分低压末段蒸汽则被引入冷凝器中，蒸汽经冷凝器冷凝成为锅炉饲水，也进入锅炉中，冷凝器利用压差增加发电量。

其中，冷却水塔流出的冷却水，进入冷凝器，控制冷凝器的真空度，进而控制汽轮发电机的发电效率。冷却水从冷凝器出来后，经过冷却水塔顶部的冷却风扇冷却后再次进入冷却水塔，循环往复。

其中，集散控制系统DCS收集整汽电共生系统的运行参数，对其进行存储与分析。集散控制系统的处理过程如下：

(1)集散控制系统收集所述锅炉、汽轮发电机、冷凝器、冷却水塔、除氧器和两个低压热交换器的所有运行数据，并使用逐次回归的方法挑选关键变量；

(2)利用满意模糊聚类算法划分系统的工况，再使用局部模型网络方法对汽轮发电机与冷却水塔分别进行统计建模；并将模型参数保留到集散控制系统中，从而完成系统的统计建模过程；

(3)集散控制系统收集新的运行数据，预测汽轮发电机的效率以及冷却水塔的出口水温，利用步骤(2)的统计建模计算汽轮发电机的发电效率与冷却水塔输出口的水温；

(4)根据冷却水塔顶端的冷却风扇的功率大小，即冷却风扇风量大小，判断如果调整风扇的功率，是否会带来获益；若调整风扇能够提高汽轮发电机的发电量，则执行调整风扇模式；否则保持原有冷却风扇的模式。

其中，除冷却水温度之外，还有其它影响汽轮发电机发电效率的物理参数，本发明使用逐次回归的方法挑选出影响汽轮发电机发电效率的关键参数，并满意模糊聚类方法划分汽轮发电机的工况，在此基础上使用局部模型网络对汽轮发电机进行统计建模。

其中，使用冷却水塔的热能和质能平衡方程，找到影响冷却水塔冷却水出口水温的物理参数，并满意模糊聚类方法划分冷却水塔的工况，在此基础上使用局部模型网络对冷却水塔进行统计建模。

其中，根据不同的气候条件，计算出汽轮发电机的发电效率以及冷却水塔的出口水温，并判断在改变风扇操作模式下，汽电共生系统的净发电量是否有变化，从而调节风扇操作模式，使净发电量最大。

承上所述，依本发明的一种用于提高汽电共生设备发电效率的方法与其系统，其可具有如下优点：

(1)在不改变企业原有的汽电共生系统设备的基础上，能够通过调节风扇的操作模式，提高汽轮发电机的发电效率，节约生产成本；

(2)减少现场工程师的工作量，直接由本发明系统控制冷却风扇的操作模式，并累积操作经验，使得现场工程师理解本发明算法的物理意义。

附图说明

图1为本发明的汽电共生系统结构图；110：锅炉；120：汽轮发电机；130：冷却水塔；131：风扇；140：冷凝器；150：低压热交换器；160：低压热交换器；170：除氧器；180：集散控制系统。

图2为本发明的流程图。

具体实施方式

请参阅第1图，其系为本发明用于发电的汽电共生系统结构图。如图所示，本发明的汽电共生系统，其包含一锅炉(boiler)110、一汽轮发电机(turbine generator，TG)120、一冷却水塔(cooling tower，CW)130、一组风扇(fan)131、一冷凝器(condenser，CD)140、一低压热交换器(low pressure exchanger，LP1)150、一低压热交换器(low pressure exchanger，LP2)160、一除氧器(deaerator)170、一集散控制系统(distributed control system，DCS)180。

其中，锅炉110加热出来的高温、高压蒸汽(其流量、压力与温度分别用m_m,P_m,T_m表示)通过管道进入汽轮发电机120，汽轮发电机120利用蒸汽发电，发电后的低压蒸汽一部分(其流量、压力与温度分别用m₁,P₁,T₁表示)通过除氧器170供应给企业的供热设备，一部分低压蒸汽直接经过低压热交换器LP1150(其入口的流量、压力与温度分别用m₂,P₂,T₂表示，出口温度用T_LP1,h表示)和LP2160(其入口流量、压力与温度分别用m₃,P₃,T₃表示，出口温度用T_LP2,h表示)后，再次送到锅炉110中循环使用；而剩下来的另一部分低压末段蒸汽(其流量、压力与温度分别用m_last,P_last,T_last表示)则被引入冷凝器140中，冷凝器140利用该压差增加发电量，蒸汽经冷凝器140冷凝成为锅炉饲水(其流量与温度用m_f,T_CD,f表示)，也经过低压热交换器LP1150(其温度T_LP1,f表示)和LP2160(其温度用T_LP2,f表示)进行热交换后，也进入锅炉110中。

其中，冷却水塔130流出的冷却水(其流量与温度分别用m_cw,out,T_cw,out表示)，进入冷凝器140，控制冷凝器140的真空度，进而控制汽轮发电机120的发电效率。冷却水从冷凝器140出来后(其流量与温度分别用m_CD,T_CD,out表示)，经过冷却水塔130顶部的冷却风扇131冷却后(其流量与温度分别用m_cw,in,T_cw,in表示)再次进入冷却水塔130，循环往复。

其中，冷却水塔130使用的冷却介质为水。

其中，冷却水塔130中冷却水温度越低，可提高冷凝器140真空度，也就是绝对压力越低，能使得蒸汽使用越完全，汽轮发电机120产生的电能也就越多。

其中，冷却水在冷凝器140中经过热交换之后，吸收热量，温度变高，然后被回收至冷却水塔130中，与空气接触进行强制冷却，释放热量，供再次循环使用。

其中，冷却水的温度是由冷却水塔130顶端的风扇131控制的。冷却水塔130通过塔顶端的风扇131将空气吸入到塔中(入口空气的流量、干球温度，相对湿度分别用m_air,T^D _air，in，H_air,in表示；出口空气的流量、干球温度，相对湿度分别用m_air,T^D _air,out,H_air,out表示)，与冷却水进行热交换。当风量增加的时候，冷却水的出口温度也就随之降低。

其中，DCS系统180采集整个汽电共生系统中锅炉110、汽轮发电机120、冷却水塔130、风扇131、冷凝器140、二个低压蒸汽加热器LP1 150与LP2 160的数据，如图1虚线部分所示。

如图2所示，本发明籍由DCS系统180收集汽电共生系统的所有运行数据，并使用逐次回归的方法挑选关键变量，在此基础上，利用满意模糊聚类算法(satisfaction fuzzy c-mean，SFCM)划分系统的工况，再使用局部模型网络(local model network，LMN)方法对汽轮发电机TG 120与冷却水塔CW 130分别进行统计建模；并将模型参数保留到DCS系统180中，从而完成汽电共生系统的统计建模过程。DCS系统收集新的运行数据，并利用此前LMN所辨识的统计模型，计算发电量与耗电量，进而得到净发电量，并依据该净发电量的大小，选择冷却风扇131的“高、低、停”模式，获取最大的发电效率。

上述的提高汽电共生系统发电效率的方法具体是按以下步骤进行：

第1步：收集数据并进行预处理，此过程由DCS系统180采集整个汽电共生系统的变量x_i(如：冷却水流量、温度、蒸汽流量等)，详细见图1中所示所有的变量。

预处理是将各个变量的所有样本值(x₁,x₂,…,x_n)进行z-分数，即：减去平均数(μ_x)，除以标准差(σ_x)。

${\hat{x}}_i=\frac{x_i-{\mathrm{\μ}}_x}{{\mathrm{\σ}}_x}---\left(1\right)$

第2步：利用逐次回归挑选关键变量。汽电共生系统中，并非所有变量都与发电效率有关，为此，需依据解释能力的大小，逐步的检视每一个变量的影响，将对发电效率有贡献的变量挑选出来，作为统计建模使用的变量。每一步选进或剔除变量的依据是partial F值(偏F值)。假定当某变量的partial F值大于某定值F_in时，则将该变量选进模型，而当变量的partial F值小于某设定值F_out时则将该变量剔除出模型。通常，有下面的关系存在：

F_in≥F_out     (2)

此过程是由特征提取模块与标准化模块完成，将数据接收引擎模块140接收到得数据进行相应的处理。

第3步：利用SFCM技术对汽轮发电机120与冷却水塔130进行LMN建模。汽轮发电机130的LMN模型为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{TG}}=\underset{i=1}{\overset{n_{\mathrm{TG}}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{TG},i}\left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{TG}}\right)X_{\mathrm{TG}}^T{\mathrm{\β}}_{\mathrm{TG},i}---\left(3\right)$

式中，n_TG为局部模型个数，LMN模型的调度变量为φ_TG＝[T_CD,in,W_TG,m_1,TG,T_LP1,f,P_m,TG]，输入变量为X_TG＝[1,T_CD,in,W_TG,m_1,TG,T_LP1,f,P_m,TG]^T，η_TG汽轮发电机的发电效率，T_CD,in表示冷凝器输入口冷却水的温度(℃)，W_TG是汽轮发电机的输出电能(kW)，m_1,TG为第一阶段导出蒸汽的流率，T_LP2,f表示LP2出口处蒸汽温度(℃)，P_m,TG表示主蒸汽的压力。

冷却水塔130的LMN模型为：

$T_{\mathrm{CW},\mathrm{out}}=\underset{i=1}{\overset{n_{\mathrm{CT}}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{CT},i}\left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{CT}}\right)X_{\mathrm{CT}}^T{\mathrm{\β}}_{\mathrm{CT},i}---\left(4\right)$

式中，n_CT为局部模型个数，调度变量输入变量T_CW,in和T_CW,out分别表示冷却水塔输入口处冷却水温度和冷却水塔输出口处冷却水温度(℃)，表示冷却水塔输入干空气的温度，H_in表示冷却水塔输入空气湿度(％)，W_F为冷却风扇131的耗电功率。

第4步：实际采样数据。前三步完成汽电共生系统的离线建模之后，DCS系统180在线收集实时运行数据。

第5步：预测局部模型TG的效率以及CT的出口水温，用式(3)与式(4)计算汽轮发电机120的发电效率与冷却水塔输出口的水温。

第6步：计算净发电量W_TG-W_F是否为最大。根据冷却风扇的功率大小(即冷却风扇风量大小)，计算如果调整风扇的功率，是否会带来获益，用下式计算：

max J＝max{W_TG-W_F}

η_TG＝f(W_TG,P_m,TG,T_LP1,TG,m_1,TG,T_CD,in)

$T_{\mathrm{CW},\mathrm{out}}=g(T_{\mathrm{CW},\mathrm{in}},T_{\mathrm{air},\mathrm{in}}^D,H_{R,\mathrm{in}},W_F)---\left(5\right)$

T_CD,in＝T_CW,out

W_F,1≤W_F≤W_F,7

式中f(·)为公式(3)所表示的模型，g(·)为公式(4)所表示的模型。

第7步：若调整风扇能够提高汽轮发电机120的发电量，则执行调整风扇模式；否则保持原有冷却风扇131的模式。

此项发明可以运用于汽电共生系统，在不改变系统装置的前提下，通过调整风扇的操作模式，提高整个系统的发电效率。该方法计算量小，可以直接嵌入集散控制系统，其物理意义也容易被现场操作人员理解，具有广泛的实际推广性。

以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明之精神与范畴，而对其进行等效修改或变更，均应包含于后附的申请专利范围中。

Claims (3)

1.一种提高汽电共生系统发电效率的系统，其特征在于，包括锅炉、汽轮发电机、冷凝器、冷却水塔、除氧器、两个低压热交换器和集散控制系统，锅炉与汽轮发电机相连，汽轮发电机分别与除氧器、两个低压热交换器和冷凝器相连，冷凝器依次与所述两个低压热交换器和锅炉连接；冷却水塔与所述冷凝器构成一个循环回路，所述冷却水塔顶端设有冷却风扇；所述锅炉、汽轮发电机、冷凝器、冷却水塔、除氧器和两个低压热交换器均连接到集散控制系统。

2.利用如权利要求1所述一种提高汽电共生系统发电效率的系统的方法，其特征在于，具体工作过程如下：

所述锅炉加热出来的高温和高压蒸汽通过管道进入汽轮发电机，汽轮发电机利用蒸汽发电，发电后的一部分低压蒸汽通过除氧器供应给企业的供热设备，一部分低压蒸汽直接经过两个低压热交换器后，再次送到锅炉中循环使用；而剩下来的另一部分低压末段蒸汽则被引入冷凝器中，蒸汽经冷凝器冷凝成为锅炉饲水，也进入锅炉中，冷凝器利用压差增加发电量；所述冷却水塔流出的冷却水，进入冷凝器，控制冷凝器的真空度，进而控制汽轮发电机的发电效率，冷却水从冷凝器出来后，经过冷却水塔顶部的冷却风扇冷却后再次进入冷却水塔，循环往复；所述集散控制系统收集整个系统的运行参数，对其进行存储与分析。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述集散控制系统的处理过程如下：

(1)集散控制系统收集所述锅炉、汽轮发电机、冷凝器、冷却水塔、除氧器和两个低压热交换器的所有运行数据，并使用逐次回归的方法挑选关键变量；

(2)利用满意模糊聚类算法划分系统的工况，再使用局部模型网络方法对汽轮发电机与冷却水塔分别进行统计建模；并将模型参数保留到集散控制系统中，从而完成系统的统计建模过程；

(3)集散控制系统收集新的运行数据，预测汽轮发电机的效率以及冷却水塔的出口水温，利用步骤(2)的统计建模计算汽轮发电机的发电效率与冷却水塔输出口的水温；

(4)根据冷却水塔顶端的冷却风扇的功率大小，即冷却风扇风量大小，判断如果调整风扇的功率，是否会带来获益；若调整风扇能够提高汽轮发电机的发电量，则执行调整风扇模式；否则保持原有冷却风扇的模式。