CN103646162B - 一种汽轮机主蒸汽压力运行曲线及其优化方法 - Google Patents

Abstract

一种汽轮机主蒸汽压力运行曲线及其优化方法，涉及电站汽轮机的变工况优化运行技术。该发明提出一个形状近似S型主蒸汽压力运行曲线，替代原有的定‐滑‐定主蒸汽压力运行方式。根据汽轮通流特性和喷嘴组物理结构，在主蒸汽压力定‐滑‐定运行曲线的基础上提出更加接近于理想最优压力运行曲线的平滑“类S型”曲线，该曲线主要包括高负荷和低负荷的定压水平直线段，中间负荷滑压倾斜直线段，以及滑压倾斜直线段与高负荷水平直线断和低负荷水平直线段之间相切的弧线段组成。通过对历史运行数据进行数据挖掘确定此主蒸汽压力类S型运行曲线，代替原有的定‐滑‐定主蒸汽压力运行曲线，指导机组压力控制。

Description

一种汽轮机主蒸汽压力运行曲线及其优化方法

技术领域

本发明涉及热能机械的一种压力运行方式，特别涉及电站汽轮机的主蒸汽压力变工况运行方式。

背景技术

节能减排已逐渐成为全球最为关注的热点话题，提高能源利用率，降低能源消耗，俨然已成为各行各业研究人员所肩负的历史重任。而电力作为工业发展和社会经济不断进步的支撑行业，其中火力发电所消耗的煤炭资源约占煤炭总消耗量的一半，在能源结构上处于非常重要的位置。

由于工业生产用电、民用电等不同季节、不同时刻差异非常明显。为了满足用户最大需求的需要，电力装机总容量往往处于严重超容量状态，从而导致我国发电机组长期、频繁处于低负荷工况运行。全球经济的不稳定因素越来越多，国际经济对国内电力需求的影响越来越来越明显，造成电力需求的不稳定波动越来越频繁，从而对我国火电机组中、低负荷高效运行提出了更高的要求。

全面考虑发电机组的经济性、安全稳定性、指令响应特性等多项指标，目前我国汽轮发电机组普遍采用定‐滑‐定综合滑压运行方式。所采用的定‐滑‐定主蒸汽压力运行曲线大都根据设备制造方提供的较为粗糙的压力‐负荷曲线，其运行经济性受汽轮机喷嘴组通流特性、喷嘴组运行组合方式以及整个机组通流特性影响较大。近几十年来国内外各电力研究单位相继采用主蒸汽温度修正、背压修正、主蒸汽流量修正或汽耗率修正等办法对原来的压力‐负荷运行曲线进行修正，取得了不错的效果。甚至也有研究单位提出采用机器学习进行数学建模的办法，建立热耗与主蒸汽压力、主蒸汽温度、机组负荷、环境温度等参数之间的数学模型，并采用遗传算法等进行求解，从而进行实时优化。

目前大部分研究单位都在原有“定‐滑‐定”压力运行曲线基础上进行修修补补，其研究都没用突破“定‐滑‐定”压力运行方式的限制。而根据汽轮机组通流结构及其运行方式，其最佳压力曲线不可能是目前普遍采用的定‐滑‐定曲线那样的折线段，因为连续性的负荷调整对应的最佳压力运行曲线一定是一条连续性的曲线。

发明内容

本发明为突破国内汽轮机在优化运行领域的局限，从汽轮通流特性和喷嘴组物理结构等本原角度分析，提出一种汽轮机主蒸汽压力运行曲线及其优化方法。

本发明的技术方案如下：

一种汽轮机主蒸汽压力运行曲线及其优化方法，该压力运行曲线包括低负荷定压运行直线段AB、中间负荷滑压运行直线段B′C和高负荷定压运行直线段C′D，其特征在于：在低负荷定压运行直线段AB和中间负荷滑压运行直线段B′C之间增加中低负荷平滑过渡弧线段BB′，在中间负荷滑压运行直线段B′C和高负荷定压运行直线段C′D之间增加中高负荷平滑过渡弧线段CC′,所述的压力运行曲线整体呈类S型，其优化方法如下

步骤1：在高、中、低三个负荷区间分别选取一个高负荷小区间、中负荷小区间和低负荷小区间，以及剩下的中低负荷小区间和中高负荷小区间，分别设定主蒸汽压力目标函数为P_低＝c₁，P_高＝c₂，P_中＝a*N+b，a，b，c₁和c₂为常数，N为负荷，采用最小二乘法根据区间数据选取整体热耗最低的函数，然后设定中高负荷区间和中低负荷区间的圆弧线目标函数和式中e₁，f₁，g₁，e₂，f₂，g₂为常数，以与两边直线段延长直线相切为限定条件，采用最小二乘法根据区间数据选取热耗最低的函数；

步骤2：在一轮目标函数选取后，各相切的直线段和曲线段连成一条连续的曲线段作为基础曲线0；

步骤3：根据基础曲线0各直线段或曲线段的新区间，重复步骤1和步骤2的过程，形成新的曲线1；

步骤4：设定曲线允许误差限，将曲线1与曲线0对比，如果两条曲线在允许误差限内，结束迭代，否则，将曲线1赋值给曲线0，转到步骤3。

在上述技术方案中，根据机组特性的不同及机组运行优化过程，所述的主蒸汽压力运行曲线有以下几种情况：所述的高负荷定压运行直线段C′D长度退化为零，压力运行曲线只包括低负荷定压运行直线段AB、中低负荷平滑过渡弧线段BB′、中间负荷滑压运行直线段B′C和中高负荷平滑过渡弧线段CC′，各个线段之间平滑过渡。所述的中间负荷滑压运行直线段B′C退化为零，压力运行曲线只包括低负荷定压运行直线段AB、中低负荷平滑过渡弧线段BB′、中高负荷平滑过渡弧线段CC′和高负荷定压运行段C′D，各个线段之间平滑过渡。所述的低负荷定压运行直线段AB退化为零，压力运行曲线只包括中低负荷平滑过渡弧线段BB′、中间负荷滑压运行直线段B′C、中高负荷平滑过渡弧线段CC′和高负荷定压运行段C′D，各个线段之间平滑过渡。

本发明的技术特征还在于：中低负荷平滑过渡弧线段BB′和中高负荷平滑过渡弧线段CC′的函数表达式为圆弧椭圆弧或n次曲线式中e、f、g、h、k_i、n为常数，n大于等于2。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：

①本发明摒弃传统汽轮机主蒸汽压力“定—滑—定”运行曲线作为标准模型进行压力优化的办法，根据汽轮机组通流特性在升降负荷过程中最佳压力点的连续性，提出平滑类“S”型目标曲线模型，以更加逼近热耗最低理想曲线压力运行曲线。

②本发明通过在低负荷定压运行区与中间负荷滑压运行区之间增加弧线段的办法实现低负荷定压运行区段与中间负荷滑压运行区段的平滑过渡。

③本发明通过在中间负荷滑压运行区与高负荷定压运行区之间增加弧线段的办法实现中间负荷滑压运行区段与高负荷定压运行区段的平滑过渡

④本发明提出先在高、中、低负荷区间分别选取一个小区间，设定直线段目标函数，然后在三个直线段之间，设定弧线段目标函数，在相切的条件下进行曲线优化，在直线段端点移动后，通过迭代的办法寻找出最优类S型曲线的实现方法。

附图说明

图1为常规汽轮机主蒸汽压力定-滑-定运行曲线示意图。

图2为本发明汽轮机主蒸汽压力类S型运行曲线的示意图。

具体实施方式

本发明提供的一种汽轮机主蒸汽压力运行曲线及其优化方法，该压力运行曲线包括低负荷定压运行直线段AB、中间负荷滑压运行直线段B′C和高负荷定压运行直线段C′D，并在低负荷定压运行直线段AB和中间负荷滑压运行直线段B′C之间增加中低负荷平滑过渡弧线段BB′，在中间负荷滑压运行直线段B′C和高负荷定压运行直线段C′D之间增加中高负荷平滑过渡弧线段CC′,该压力运行曲线整体呈类S型(如图1所示)。

本发明的技术方案中，根据机组特性的不同及机组运行优化过程，所述的主蒸汽压力运行曲线有以下几种情况：所述的高负荷定压运行直线段C′D长度退化为零，压力运行曲线只包括低负荷定压运行直线段AB、中低负荷平滑过渡弧线段BB′、中间负荷滑压运行直线段B′C和中高负荷平滑过渡弧线段CC′，各个线段之间平滑过渡。所述的中间负荷滑压运行直线段B′C退化为零，压力运行曲线只包括低负荷定压运行直线段AB、中低负荷平滑过渡弧线段BB′、中高负荷平滑过渡弧线段CC′和高负荷定压运行段C′D，各个线段之间平滑过渡。所述的低负荷定压运行直线段AB退化为零，压力运行曲线只包括中低负荷平滑过渡弧线段BB′、中间负荷滑压运行直线段B′C、中高负荷平滑过渡弧线段CC′和高负荷定压运行段C′D，各个线段之间平滑过渡。中低负荷平滑过渡弧线段BB′和中高负荷平滑过渡弧线段CC′是函数表达式为圆弧椭圆弧或n次曲线式中e、f、g、h、k_i、n为常数，n大于等于2。

所述的主蒸汽压力运行曲线的优化方法如下：

(1)分别选定中低负荷平滑过渡弧线段BB′和中高负荷平滑过渡弧线段CC′的函数表达式，如圆弧椭圆弧或n次曲线e、f、g、h、k_i、n为常数，n大于等于2(下面以两段曲线函数都选定为圆弧函数为例)。

(2)根据运行经验，在高、中、低三个负荷区间分别选取一个高负荷小区间、中负荷小区间和低负荷小区间。

(3)分别设定低负荷和高负荷小区间定压运行方式的目标函数，即主蒸汽压力P_低＝c₁，P_高＝c₂，c₁和c₂为常数。

(4)根据小区间的运行数据，采用最小二乘法对区间数据进行整体热耗分析，确定热耗最低的函数表达式。

(5)设定中间负荷小区间滑压运行方式的目标函数，即主蒸汽压力为负荷的一次函数，即主蒸汽压力P_中＝a*N+b，a和b为常数，N为负荷。根据小区间的运行数据，采用最小二乘法进行等效热耗分析，选取区间综合热耗最低的函数表达方式。

(6)设定中低负荷区间和中高负荷区间的圆弧线目标函数和e₁，f₁，g₁，e₂，f₂，g₂为常数，以与两边直线段连接点相切或者直线段延长线或收缩线连接点相切为限定条件，根据区间的运行数据，采用最小二乘法进行热耗分析，选取在允许范围内热耗最低的函数表达方式。

(7)在一轮目标函数选取后，各相切的直线段和曲线段连成一条连续的曲线段作为基础曲线0。

(8)根据基础曲线0各直线段和曲线段的新区间，重复(3)～(6)的过程，形成新的曲线1。

(9)设定曲线允许误差限，将曲线1与曲线0对比，如果两条曲线在允许误差限内，结束迭代，否则，将曲线1赋值给曲线0，转到步骤(8)。

(10)根据机组的流量特性和运行区间，最终优化好的曲线可能出现低负荷定压运行直线段AB、中间负荷滑压运行直线段B′C和高负荷定压运行直线段C′D的长度为零的情况，但最终压力运行曲线都呈现出平滑的类“S”形状。

Claims (5)

1.一种汽轮机主蒸汽压力运行曲线及其优化方法，该压力运行曲线包括低负荷定压运行直线段AB、中间负荷滑压运行直线段B′C和高负荷定压运行直线段C′D，其特征在于：在低负荷定压运行直线段AB和中间负荷滑压运行直线段B′C之间增加中低负荷平滑过渡弧线段BB′，在中间负荷滑压运行直线段B′C和高负荷定压运行直线段C′D之间增加中高负荷平滑过渡弧线段CC′,所述的压力运行曲线整体呈类S型，其优化方法如下：

步骤1：在高、中、低三个负荷区间分别选取一个高负荷小区间、中负荷小区间和低负荷小区间，以及剩下的中低负荷小区间和中高负荷小区间，分别设定主蒸汽压力目标函数为P_低＝c₁，P_高＝c₂，P_中＝a*N+b，a，b，c₁和c₂为常数，N为负荷，采用最小二乘法根据区间数据选取整体热耗最低的函数，然后设定中高负荷区间和中低负荷区间的圆弧线目标函数和e₁，f₁，g₁，e₂，f₂，g₂为常数，以与两边直线段延长直线相切为限定条件，采用最小二乘法根据区间数据选取热耗最低的函数；

步骤2：在一轮目标函数选取后，各相切的直线段和曲线段连成一条连续的曲线段作为基础曲线0；

步骤3：根据基础曲线0各直线段或曲线段的新区间，重复步骤1和步骤2的过程，形成新的曲线1；

步骤4：设定曲线允许误差限，将曲线1与曲线0对比，如果两条曲线在允许误差限内，结束迭代，否则，将曲线1赋值给曲线0，转到步骤3。

2.按照权利要求1所述的一种汽轮机主蒸汽压力运行曲线及其优化方法，其特征在于:高负荷定压运行直线段C′D长度退化为零，曲线只包括低负荷定压运行直线段AB、中低负荷平滑过渡弧线段BB′、中间负荷滑压运行直线段B′C和中高负荷平滑过渡弧线段CC′，各个线段之间平滑过渡。

3.按照权利要求1所述的一种汽轮机主蒸汽压力运行曲线及其优化方法，其特征在于:中间负荷滑压运行直线段B′C退化为零，曲线只包括低负荷定压运行直线段AB、中低负荷平滑过渡弧线段BB′、中高负荷平滑过渡弧线段CC′和高负荷定压运行段C′D，各个线段之间平滑过渡。

4.按照权利要求1所述的一种汽轮机主蒸汽压力运行曲线及其优化方法，其特征在于:低负荷定压运行直线段AB退化为零，曲线只包括中低负荷平滑过渡弧线段BB′、中间负荷滑压运行直线段B′C、中高负荷平滑过渡弧线段CC′和高负荷定压运行段C′D，各个线段之间平滑过渡。

5.按照权利要求1、2、3或4所述的一种汽轮机主蒸汽压力运行曲线及其优化方法，其特征在于：中低负荷平滑过渡弧线段BB′和中高负荷平滑过渡弧线段CC′的函数表达式为圆弧椭圆弧或n次曲线式中e、f、g、h、k_i、n为常数，n大于等于2。