CN104953592B - 多燃料混合燃烧发电机组的负荷优化分配方法 - Google Patents

多燃料混合燃烧发电机组的负荷优化分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及多燃料混合燃烧发电机组领域,尤其涉及一种多燃料混合燃烧发电机组的负荷优化分配方法。一种多燃料混合燃烧发电机组的负荷优化分配方法,是根据发电机组的煤耗特性参数拟合煤耗特性曲线,结合等微增率准则将总发电功率分配给各台机组,超限的取极限值,剩余的重新分配在剩余单元机组中,循环操作,直到所有机组负荷在约束条件内;最终得到各个单元机组最优的负荷分配结果。本发明基于多燃料混合燃烧发电机组的负荷优化分配方法,可以帮助运行人员在已知总发电功率和总BFG量的情况下,得出最优化的负荷分配结果,减少了火电机组的煤耗率,对推进国家节能减排具有积极向上的意义。

Description

多燃料混合燃烧发电机组的负荷优化分配方法
技术领域
本发明涉及多燃料混合燃烧发电机组领域,尤其涉及一种多燃料混合燃烧发电机组的负荷优化分配方法。
背景技术
火电厂以烧煤炭为主,而约70%的煤炭资源消耗于此,因此对煤炭资源的优化利用以及引进新能源的综合利用,将为我国整体能源综合优化利用及节能减排带来很大的影响。除此之外,钢铁企业利用副产品发电为能源综合利用提供了新的途径。高炉煤气BFG是钢铁工业生产过程中产生的一种低热值气体燃料,它的热值一般在3125-3542KJ/Nm3左右。相对目前的热机来说,是属于高品位能源。焦炉煤气COG是在炼焦炉过程中生产焦炭和焦油产品时所产生的一种可燃性气体,属于高热值煤气。转炉煤气LDG是转炉炼钢过程中,铁水中的碳在高温下和吹入的氧生成一氧化碳和少量二氧化碳的混合气体,是中等热值的气体燃料。还有天然气NG和轻油等燃料,从经济效益看,它们的上网电价较低,具有较强的竞争力。因此,有效利用钢铁企业炼钢所产生的废气发电,能提高能源的利用效率和减少废气排放。
和常规的火力发电机组相比,采用高炉煤气发电复杂之处在于作为能源综合利用设备,它既要满足电网调度的需求以保障电网的安全,同时又要使用高炉休风等特殊工况的燃料调配和机组检修或故障时富余燃气的平衡。因此,必须从多目标决策的角度进行机组负荷的优化调度和燃料的经济配比以及环保的达标,以确保电厂机组能源综合化利用。这主要的研究工作体现在对于可掺烧高炉煤气的多燃料发电机组,如何分配负荷及高炉煤气,使得电厂发电机组最大程度上利用高炉煤气以降低燃煤的消耗量,且保证上网电量满足电网要求,从而达到综合利用及节能减排的功效。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多燃料混合燃烧发电机组的负荷优化分配方法,该方法先利用Kuhn-Tucker最优性条件处理得到各单元机组的负荷范围,然后将BFG优先分配给特定单元机组上限运行,剩余的负荷按等微增率准则分配,当某台机组检修时,仍能得到剩余发电机组最优的负荷分配结果,减少了火电机组的煤耗率,对推进国家节能减排具有积极向上的意义。
本发明是这样实现的:一种多燃料混合燃烧发电机组的负荷优化分配方法,该多燃料混合燃烧发电机组由若干燃气单元机组和若干气煤混合燃料单元机组并联运行构成,根据机组煤耗特性,通过热力学试验建立各个单元机组发电功率与标准煤消耗量的函数关系,并将各种燃料转换成为标准煤,根据总发电功率和燃料量进行各单元机组的负荷分配,包括以下步骤:
S1:分析各单元机组发电功率的历史数据,设置各单元机组的发电功率上限和发电功率下限;
S2:燃气单元机组在燃气供应量能满足的前提下始终以发电功率上限运行,在燃气量不足时,将燃气转换成标准煤后根据发电功率与标准煤消耗量的函数关系计算出实际发电功率;
S3:在总发电功率中扣除所有燃气单元机组的发电功率,得到剩余总发电功率;
S4:按等微增率准则,在气煤混合燃料单元机组中分配剩余总发电功率,得到各个气煤混合燃料单元机组的初始分配发电功率;
S5:将各个气煤混合燃料单元机组的初始分配发电功率与对应的发电功率上限和发电功率下限进行比较,并作如下选择,
1)如果某一单元机组的初始分配发电功率大于其发电功率上限,则将该单元机组的发电功率上限作为其分配的发电功率,并在剩余总发电功率中扣除该上限值,然后余下的发电功率在没有超限的其余单元机组间重新按照等微增率准则进行分配;
2)如果某一单元机组的初始分配发电功率小于其发电功率下限,则将该单元机组的发电功率下限作为其分配的发电功率,并在剩余总发电功率中扣除该下限值,然后余下的发电功率在没有超限的其余单元机组间重新按照等微增率准则进行分配;
重复该操作,直到所有的气煤混合燃料单元机组分配到的发电功率都在其发电功率上限和发电功率下限范围内,最终的结果作为各个气煤混合燃料单元机组优化分配的发电功率,完成所有单元机组的负荷分配。
所述的燃料为燃煤、BFG、COG、LDG、NG。
所述燃料中的燃气为BFG、COG、LDG、NG。
若干所述的燃气单元机组中设置一台为纯燃气单元机组,燃气中的BFG优先分配给纯燃气单元机组,BFG量多余的部分再分配给其他燃气单元机组,再有剩余的BFG则分配给气煤混合燃料单元机组。
当BFG有多余需要分配给气煤混合燃料单元机组时,分配的BFG量需要保证该单元机组的下限值,即点火值,如果剩余的BFG量不能满足下限值,则直接排放。
本发明基于多燃料混合燃烧发电机组的负荷优化分配方法,可以帮助运行人员在已知总发电功率和总BFG量的情况下,得出最优化的负荷分配结果。首先通过热力试验参数获得机组的煤耗特性曲线,以煤耗量为目标函数。在等微增率法算法之上,根据每台机组的约束条件优化分配各台机组的负荷。当某台机组检修时,仍能得到剩余发电机组的负荷最优分配结果。若优化结果不满足机组上下限的约束条件,则对越限的机组进行处理,并且在没有越限的机组之间重新进行分配,并通过实际的算例分析证明了这一算法的可行性,减少了火电机组的煤耗率,对推进国家节能减排具有积极向上的意义。
本发明的目的是针对多燃料混合燃烧发电机组的负荷优化分配技术的现状,通过热力学试验建立各个单元机组负荷与标准煤消耗量的函数关系,在电厂机组运行各类约束条件、不同燃料和不同运行限制条件影响的基础上,结合等微增率算法,来最优的分配每台发电机组的负荷。当某台机组检修时,仍能得到剩余发电机组最优的负荷分配结果;在不对电厂硬件设施进行改造的前提下,仅需对各个单元机组的负荷指令重新分配,就能有效提高电厂运行的经济性,并确保能源综合化利用及节能减排。
附图说明
图1为本发明多燃料混合燃烧发电机组的负荷优化分配方法的流程框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明表述的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
如图1所示,一种多燃料混合燃烧发电机组的负荷优化分配方法,该多燃料混合燃烧发电机组由若干燃气单元机组和若干气煤混合燃料单元机组并联运行构成,根据机组煤耗特性,通过热力学试验建立各个单元机组发电功率P与标准煤消耗量F的函数关系F(P),通过电厂现有分散控制系统DCS和厂级监控信息系统SIS,采集发电机组优化分配所需测点参数,
F=F(P) (1)
式中,P为发电功率,单位为MW;
F为标准煤消耗量,单位为t/h。
通过热力试验得到标准煤消耗量F和发电有功功率P的离散数据点,对于这些离散的数据点,用一条近似的平滑曲线来代替实际的耗量特性曲线;采用多项式拟合,并采用二次曲线来近似表示,这时煤耗量特性表示为:
(2)
式中,ai,bi,ci为第i台单元机组的能耗特性系数,该系数为经验参数,通过实验取得;
Fi为第i台单元机组的标准煤消耗量;
Pi为第i台单元机组的发电功率。
根据总发电功率和燃料量进行各单元机组的负荷优化分配。
本发明中所述的燃料为燃煤、BFG、COG、LDG、NG,其中燃气为BFG、COG、LDG、NG;将各种燃料转换成为标准煤,以便于统一计算。
包括以下步骤:
S1:分析各单元机组发电功率的历史数据,按照Kuhn-Tucker最优性条件进行,设置各单元机组的发电功率上限和发电功率下限;
S2:燃气单元机组在燃气供应量能满足的前提下始终以发电功率上限运行,在燃气量不足时,将燃气转换成标准煤后根据发电功率与标准煤消耗量的函数关系计算出实际发电功率;这样做是因为BFG来自炼钢的循环废气,如不及时用于发电需要烧掉排放,这样就浪费了其中的热力。
在本实施例中,若干所述的燃气单元机组中设置一台为纯燃气单元机组,燃气中的BFG优先分配给纯燃气单元机组,BFG量多余的部分再分配给其他燃气单元机组,再有剩余的BGF则分配给气煤混合燃料单元机组;当BFG有多余需要分配给气煤混合燃料单元机组时,分配的BFG量需要保证该单元机组的下限值,即点火值,如果剩余的BFG量不能满足下限值,则直接排放。
S3:在总发电功率中扣除所有燃气单元机组的发电功率,得到剩余总发电功率;
S4:按等微增率准则,在气煤混合燃料单元机组分配剩余总发电功率,得到各个气煤混合燃料单元机组的初始分配发电功率;
以一座火力发电厂中有 n 台单元机组投入并联运行,该发电厂所担负的总发电功率为D,机组负荷优化分配的目的是把此总发电功率 D合理地分配在n台并联运行的发电机组之间,使全厂的总燃料消耗量最小。
以各机组的负荷Pi(i=1,2,…,n)作为决策变量,全厂总煤耗量F,作为目标函数,得到:
(3)
其中,Fi为第i台单元机组的标准煤消耗量,
Pi为第i台单元机组的发电功率
该目标函数中主要考虑以下约束。
系统的负荷平衡约束:即所有机组的发电功率之和应满足负荷D的要求。
(4)
建立该优化问题的构造拉格朗日增广目标函数L:
(5)
其中,λ为拉格朗日乘子。
,则:
(6)
根据拉格朗日定理,存在极小值的条件为二阶偏导数大于零,一阶偏导数为零时取得极小值。
于是问题就变成以为多变量求L的无条件极值,即
(7)
因为每一台机组的煤耗只与自身的特性相关,所以
(8)
当n为定值时
(9)
由此可得L取得极值的条件是
(10)
即为第i台机组的煤耗微增率 ,也就是说n台机组都以相同的煤耗微增率运行时,系统的煤耗量将达到最小值,最优化运行,这就是等微增率法。
根据式(7)、(9)求得
(11)
根据式(10)得
(12)
S5:将各个单元机组的初始分配发电功率与对应的发电功率上限和发电功率下限进行比较,要求,
(13)
式中, Pimin为第 i 台单元机组的发电功率下限,
Pimax为第 i 台单元机组的发电功率上限。
并根据式(13)的比较结果,作如下选择,
1)如果某一单元机组的初始分配发电功率大于其发电功率上限,则将该单元机组的发电功率上限作为其分配的发电功率,并在剩余总发电功率中扣除该上限值,然后余下的发电功率在没有超限的其余单元机组间重新按照S3中的等微增率准则进行分配;
2)如果某一单元机组的初始分配发电功率小于其发电功率下限,则将该单元机组的发电功率下限作为其分配的发电功率,并在剩余总发电功率中扣除该下限值,然后余下的发电功率在没有超限的其余单元机组间重新按照S3中的等微增率准则进行分配;
重复该操作,直到所有的气煤混合燃料单元机组分配到的发电功率都在其发电功率上限和发电功率下限范围内,最终的结果作为各个气煤混合燃料单元机组优化分配的发电功率,完成所有单元机组的负荷分配。
本发明以某电厂为例加以说明。该电厂共5台机组,分别为0号、1号、2号、3号、4号机组。针对多燃料混合燃烧机组的负荷优化分配,由机组的燃烧类型来具体分配机组负荷。其中,0号机组U0燃料为燃气单元机组中的纯燃气单元机组使用高炉煤气BFG发电,U4为燃气单元机组,其余机组为气煤混合燃料单元机组;1号机组U1、2号机组U2和3号机组U3的燃料为煤和BFG;4号机组U4的燃料为BFG、COG、LDG、NG。在0号机组的负荷限制内,根据0号机组的煤耗特性参数优先分配BFG的量直到0号机组的发电功率上限。分配4号机组时,由于不同的混合燃料,先根据各工况的燃煤热值统一换算为标准煤量,再反求4号机组产生的发电功率;剩余总发电功率由1号、2号和3号单元机组则按照等微增率算法,先求出各机组的负荷,再判断机组是否在负荷限制条件内,超出负荷限制条件的机组则重新再分配,反之则是优化分配的负荷。当5台机组中有某台机组检修时,剩余发电机组也能得到最优的负荷分配结果。BFG在分配完4号单元机组后仍有剩余,则由运行人员根据1、2、3号机组实际运行情况设置优先顺序,按各机组BFG用量高限顺序分配,当BFG量低于1、2、3号机组的BFG用量下限时,剩余BFG量不进行分配,直接排放。
本部分给出以上发明内容的实施方案,对应分为四个步骤。
第1步,收集机组运行相关测点数据。
第2步,考虑机组的上下限,如表1所示。表2是计算时所用的热值。
表1 机组高低限设置
表2 机组调度优化参数热值设置
第3步,通过每台机组负荷和折算标煤,具体如表3、表4、表5、表6和表7所示,求出每台机组的煤耗特性曲线和表达式。由最小二乘法,求出煤耗特性曲线的参数a、b、c,如表8所示。
表3 0号机组煤耗特性表
表4 1号机组煤耗特性表
表5 2号机组煤耗特性表
表6 3号机组煤耗特性表
表7 4号机组煤耗特性表
表8 各单元机组的能耗特性系数
第4步,结合等微增率算法分配各台机组的发电负荷。把不同的工况和燃料分别考虑进去。优化分配流程如附图所示。
已知每台机组的特性参数,则结合等微增率算法和电厂限制条件,优化分配各机组负荷。
当电厂五台机组全部运行时的优化分配结果如表9所示。
表9 五台机组运行时优化前后的数据对比
当电厂3号机组停机时的优化分配如表10所示。
表10 U3停机时优化前后的数据对比
如表9和表10所示,经过优化的各机组负荷所耗的平均发电煤耗比优化前少,从而达到节能优化的效果。

Claims (5)

1.一种多燃料混合燃烧发电机组的负荷优化分配方法,该多燃料混合燃烧发电机组由若干燃气单元机组和若干气煤混合燃料单元机组并联运行构成,根据机组煤耗特性,通过热力学试验建立各个单元机组发电功率与标准煤消耗量的函数关系,并将各种燃料转换成为标准煤,其特征是,根据总发电功率和燃料量进行各单元机组的负荷分配,包括以下步骤:
S1:分析各单元机组发电功率的历史数据,设置各单元机组的发电功率上限和发电功率下限;
S2:燃气单元机组在燃气供应量能满足的前提下始终以发电功率上限运行,在燃气量不足时,将燃气转换成标准煤后根据发电功率与标准煤消耗量的函数关系计算出实际发电功率;
S3:在总发电功率中扣除所有燃气单元机组的发电功率,得到剩余总发电功率;
S4:按等微增率准则,在气煤混合燃料单元机组中分配剩余总发电功率,得到各个气煤混合燃料单元机组的初始分配发电功率;
S5:将各个气煤混合燃料单元机组的初始分配发电功率与对应的发电功率上限和发电功率下限进行比较,并作如下选择,
1)如果某一单元机组的初始分配发电功率大于其发电功率上限,则将该单元机组的发电功率上限作为其分配的发电功率,并在剩余总发电功率中扣除该上限值,然后余下的发电功率在没有超限的其余单元机组间重新按照等微增率准则进行分配;
2)如果某一单元机组的初始分配发电功率小于其发电功率下限,则将该单元机组的发电功率下限作为其分配的发电功率,并在剩余总发电功率中扣除该下限值,然后余下的发电功率在没有超限的其余单元机组间重新按照等微增率准则进行分配;
重复该操作,直到所有的气煤混合燃料单元机组分配到的发电功率都在其发电功率上限和发电功率下限范围内,最终的结果作为各个气煤混合燃料单元机组优化分配的发电功率,完成所有单元机组的负荷分配。
2.如权利要求1所述的多燃料混合燃烧发电机组的负荷优化分配方法,其特征是:所述的燃料为燃煤、BFG、COG、LDG、NG。
3.如权利要求1所述的多燃料混合燃烧发电机组的负荷优化分配方法,其特征是:所述燃料中的燃气为BFG、COG、LDG、NG。
4.如权利要求1所述的多燃料混合燃烧发电机组的负荷优化分配方法,其特征是:若干所述的燃气单元机组中设置一台为纯燃气单元机组,燃气中的BFG优先分配给纯燃气单元机组,BFG量多余的部分再分配给其他燃气单元机组,再有剩余的BFG则分配给气煤混合燃料单元机组。
5.如权利要求4所述的多燃料混合燃烧发电机组的负荷优化分配方法,其特征是:当BFG有多余需要分配给气煤混合燃料单元机组时,分配的BFG量需要保证该单元机组的下限值,即点火值,如果剩余的BFG量不能满足下限值,则直接排放。
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