CN106202826B - 一种火电机组双背压冷端系统双速泵循环水流量优化方法 - Google Patents

一种火电机组双背压冷端系统双速泵循环水流量优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种火电机组双背压冷端系统双速泵循环水流量优化方法，包括：获取给定时刻的机组运行数据；计算低压缸排汽湿度，并在抽汽份额给定条件下，计算该给定时刻高压和低压冷凝器入口排汽质量流量、入口排汽比焓、凝结水比焓和饱和蒸汽温度；计算循环水实际质量流量、低压冷凝器循环水出口温度及高压冷凝器的当前端差；改变双速泵运行方式，计算与之对应的低压冷凝器循环水出口温度以及高压和低压冷凝器的饱和蒸汽温度、冷凝器入口排汽比焓；定义双速泵运行方式改变后机组的微增功率与循环水泵的功耗增量之差为效益函数，以双速泵运行方式为待寻优变量，优化效益函数，得到最优双速泵运行方式。本发明可为火电节能增效提供技术支撑。

Description

一种火电机组双背压冷端系统双速泵循环水流量优化方法
技术领域
本发明涉及火电优化控制技术领域，具体地，涉及一种用于双背压冷端系统循环水质量流量优化控制的方法，尤其是一种基于机组净增功率最大化的火电机组双背压冷端、装备双速泵(即循环水质量流量非连续可调)系统的循环水质量流量优化方法。
背景技术
冷端系统是火电机组重要组成部分。随着机组容量的扩大，汽轮机排汽量和排汽口数量增多，为提高机组效率，电站大多采用双背压或多背压冷端系统。冷端系统中各设备的工作状态不仅通过冷凝器压力影响机组的出力，而且因自身电力消耗影响供电煤耗，其中循环水泵尤为明显。当循环水量增大时，冷凝器压力降低，机组出力增加，然而循环水泵功耗也随之增大，反之亦然。
对现有技术的检索发现，公开号为CN102279565A、申请号为CN201110118579.8的中国发明专利，该专利中涉及一种火力发电机组冷端设备优化系统，根据冷凝器实际运行的压力值与压力应达值之间的偏差量获得机组的微增功率，并将其与循环水泵功耗相减得到冷端综合功率耗差，然后比较不同工况下的耗差，选取性能较优的冷端设备调整方式。
但上述发明计算冷凝器应达值过程中需用到总体换热系数，在计算微增功率时需用到机组功率修正曲线，然而总体换热系数很难精确确定，机组功率修正曲线也是通过专门试验得到的拟合曲线，在大部分机组只能一年做一次试验的条件下，它显然不能反映设备的性能动态变化，因此无法保证冷端系统中循环水流量实际最优。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于机组净增功率最大化的火电机组双背压冷端、装备双速泵系统的循环水质量流量优化方法。该方法不需计算冷凝器总体换热系数，同时机组微增功率通过计算而非根据修正曲线得到。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种火电机组双背压冷端系统变频泵循环水流量优化方法，具体步骤如下：
步骤1：从现场DCS(Distributed Control System，即分布式控制系统)实时数据库中获取给定时刻的机组运行数据，具体包括：低压冷凝器循环水入口温度、高压冷凝器循环水出口温度，主蒸汽质量流量，高压和低压冷凝器真空度及环境大气压力；
步骤2：根据步骤1参数，计算低压缸排汽湿度，并在抽汽份额给定的条件下，根据可覆盖全操作工况的工质物性参数数据库，分别计算该给定时刻高压和低压冷凝器入口排汽质量流量、入口排汽比焓、凝结水比焓和饱和蒸汽温度；
步骤3：根据步骤2的结果，根据低压冷凝器和高压冷凝器内换热过程能量衡算模型，计算循环水实际质量流量、低压冷凝器循环水出口温度及高压冷凝器的当前端差；
步骤4：根据步骤3的结果，保持步骤2的保持排汽湿度和抽汽份额不变，改变双速泵运行方式，计算与之对应的低压冷凝器循环水出口温度以及高压和低压冷凝器的饱和蒸汽温度，并计算与之对应的高压和低压冷凝器入口排汽比焓，用于步骤5的寻优；
步骤5：定义双速泵运行方式改变后机组的微增功率与循环水泵的功耗增量之差(即净功率增量)为循环水质量流量增量优化效益函数，在给定的低压缸机械效率和发电机效率下，以双速泵运行方式为待寻优变量，优化效益函数，得到最优双速泵运行方式，其对应的循环水质量流量即为最优循环水质量流量；
在每一采样时刻，重复上述步骤1～5，即实现冷端系统循环水质量流量的滚动优化。
优选地，步骤3中，所述低压冷凝器和高压冷凝器内换热过程能量衡算模型为：
DLEB(hLEB-hcw1)＝Dwcpw(tw2-tw1)
DLEA(hLEA-hcw2)＝DLEB(hcw2-hcw1)+Dwcpw(tw3-tw2)
式中：
DLEB和DLEA分别为低压冷凝器和高压冷凝器的入口排汽质量流量,kg/s；
hLEB和hLEA分别为低压冷凝器和高压冷凝器的入口排汽比焓,J/kg；
hcw1和hcw2分别为低压冷凝器和高压冷凝器的凝结水比焓,J/kg；
Dw为循环水质量流量,kg/s；
tw1和tw3分别为低压冷凝器循环水入口温度和高压冷凝器循环水出口温度,K；
tw2为低压冷凝器循环水出口水温,K；
cpw为水的等压比热容，通常取为4.1868J/(kg*K)。
DLEB和DLEA的计算为：
DLE＝Dms(1-α)
DLEB＝0.5DLE
DLEA＝DLE-DLEB
式中：
DLE为低压缸总排汽质量流量,kg/s；
Dms为机组主蒸汽质量流量,kg/s；
α为主蒸汽抽汽份额,％。
步骤3中，所述高压冷凝器当前端差δtA计算方法为：
δtA＝tsA-tw3
tsA为高压冷凝器饱和蒸汽温度,K；
tw3为高压冷凝器循环水出口温度,K。
优选地，步骤4中，保持排汽湿度和抽汽份额不变，改变双速泵运行方式，计算与之对应的高压和低压冷凝器饱和蒸汽温度的方法为：
Figure BDA0001064935090000031
t′sB＝tsB+(t'w2-tw2)
Figure BDA0001064935090000032
Figure BDA0001064935090000033
以上式中：
Dw1为双速泵运行方式改变后循环水质量流量,kg/s；
tsB为双速泵运行方式改变前低压冷凝器饱和蒸汽温度,K；
t'w2为双速泵运行方式改变后低压冷凝器出口循环水温度,K；
t′sB为双速泵运行方式改变后低压冷凝器饱和蒸汽温度,K；
δ′tA为双速泵运行方式改变后高压冷凝器端差,K；
t′sA为双速泵运行方式改变后高压冷凝器饱和蒸汽温度,K。
优选地，步骤5中，循环水质量流量增量优化效益函数为：
Figure BDA0001064935090000041
ΔP＝[DLEA(hLEA-h'LEA)+DLEB(hLEB-h'LEB)]ηmηg
ΔPp＝P2-P1
cs＝1,2,…,ncs
式中：
ΔP为双速泵运行方式改变后机组的微增功率,W；
ΔPp为循环水泵的功耗增量,W；
h'LEA和h'LEB为双速泵运行方式改变后高压冷凝器和低压冷凝器的入口排汽比焓,J/kg；
P1为当前运行方式的双速泵功耗，kW；
P2为运行方式改变后的双速泵功耗，kW
ηm为低压缸机械效率,％；
ηg为发电机效率,％；
cs为双速泵运行方式变量；
ncs为双速泵运行方式个数。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明根据冷凝器内换热过程能量平衡关系，给出了一种火电机组冷端、装备双速泵系统的循环水质量流量优化方法。该方法能够实时计算冷凝器热力特性和机组微增功率，但避免了整体换热系数的计算，也无需应用机组功率修正曲线，提高了计算速度和机组冷端系统性能跟踪的实时性。另外，该方法所需的测点数据均来自现场DCS控制系统的实时数据库，不需要额外增加测点，仅需在已有的控制系统中增加相应的软件计算模块，实施成本低。最后，借助可覆盖全工况的工质物性参数数据库，该方法还可适用于不同工况和负荷条件，扩大其应用范围。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例双背压冷端系统示意图；
图2为实施例冷端系统优化效果图；
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，以下提供一种基于机组净增功率最大化的火电机组双背压冷端、装备双速泵(即循环水质量流量非连续可调)系统的循环水质量流量优化方法的实施例说明。
以某300MW火电机组为例，该冷端系统主要包括低压冷凝器、高压冷凝器和循环水系统三个部分。其中，低压冷凝器的凝结水进入高压冷凝器再次换热后和高压冷凝器的凝结水一起排出，循环水系统由三台相同的双速循环泵供水，常用的运行方式对应的流量和功耗数据如下表1所示，其中“高”和“低”分别表示双速泵处于高速和低速状态，cs为双速泵运行方式变量。
表1
cs 运行方式 流量(kg/s) 功耗(kW)
1 二低 15129 3432
2 一高一低 20221 3948
3 二高 21825 4558
4 三低 21425 5388
5 一高二低 23672 6074
6 二高一低 23952 6221
上述方法具体包括以下步骤：
步骤1：从DCS控制系统的实时数据库中读取给定的某一时刻的机组运行实时数据，具体如下：
低压冷凝器循环水入口温度tw1为296.31K；高压冷凝器循环水出口温度tw3为307.52K；高压冷凝器真空度为-0.0937MPa；低压冷凝器真空度为-0.0951MPa；主蒸汽质量流量为587.94kg/s；环境大气压力为0.101MPa。
步骤2：利用现有技术计算低压缸排汽湿度为4％，并在抽汽份额给定为35％的条件下，根据可以覆盖全操作工况的工质物性参数数据库，计算该给定时刻低压冷凝器入口排汽质量流量DLEB为191.08kg/s、入口排汽比焓hLEB为2469.27kJ/kg、凝结水比焓hcw1为149.75kJ/kg和饱和蒸汽温度tsB为308.89K；高压冷凝器入口排汽质量流量DLEA为191.08kg/s、入口排汽比焓hLEA为2476.95kJ/kg、凝结水比焓hcw2为166.77kJ/kg和饱和蒸汽温度tsA为312.96K。
本实施例中，所述工质物性参数数据库，是指根据水和水蒸气热力性质工业公式(IAPWS-IF97)开发的具有可并行调用的、区域自动判别、批处理运算等特点的用于在线计算的工质物性参数数据库，具体可以采用现有技术实现，比如文献：王旭辉，于彤，惠兆宇，袁景淇，用于火电全范围仿真的工质物性参数数据库，控制工程，2011,18:131-133。
所述低压缸排汽湿度可以采用现有方法计算，比如按以下文献提供的方法计算：Liang Xu,Jingqi Yuan.Online application oriented calculation of the exhauststeam wetness fraction of the low pressure cylinder in thermal powerplant.Applied Thermal Engineering,2015,76:357-366。
步骤3：根据低压冷凝器和高压冷凝器内换热过程能量衡算模型，计算循环水实际质量流量Dw、低压冷凝器循环水出口温度tw2及高压冷凝器的当前端差δtA。
本实施例中，步骤3所述低压冷凝器和高压冷凝器内换热过程能量衡算模型为：
DLEB(hLEB-hcw1)＝Dwcpw(tw2-tw1)
DLEA(hLEA-hcw2)＝DLEB(hcw2-hcw1)+Dwcpw(tw3-tw2)
式中，
DLEB和DLEA分别为低压冷凝器和高压冷凝器的入口排汽质量流量,kg/s；
hLEB和hLEA分别为低压冷凝器和高压冷凝器的入口排汽比焓,J/kg；
hcw1和hcw2分别为低压冷凝器和高压冷凝器的凝结水比焓,J/kg；
tw1和tw3分别为低压冷凝器循环水入口温度和高压冷凝器循环水出口温度,K；
tw2为低压冷凝器循环水出口温度，也即高压冷凝器的循环水入口温度,K；
cpw为水的等压比热容，通常取为4.1868J/(kg*K)。
本实施例中，步骤3所述高压冷凝器当前端差δtA计算方法为
δtA＝tsA-tw3
结合步骤2中的计算结果，可得该给定时刻的Dw、tw2和δtA分别为1881.85kg/s、301.94K和5.47K。
步骤4：保持排汽湿度和抽汽份额不变，改变双速泵运行方式，令循环水质量流量从Dw增加为Dw1，计算与之对应的低压冷凝器循环水出口温度t'w2以及高压和低压冷凝器的饱和蒸汽温度t′sA和t′sB，并计算与之对应的高压和低压冷凝器入口排汽比焓h'LEA和h'LEB。
本实例中，步骤4所述双速泵运行方式改变后的低压冷凝器出口水温t'w2为
Figure BDA0001064935090000071
双速泵运行方式改变后的低压冷凝器饱和蒸汽温度为
ts'B＝tsB+(t'w2-tw2)
双速泵运行方式改变后的高压冷凝器的端差为
Figure BDA0001064935090000072
双速泵运行方式改变后的高压冷凝器饱和蒸汽温度为
Figure BDA0001064935090000073
步骤5：定义效益函数为
Figure BDA0001064935090000074
即净功率增量，在给定的低压缸机械效率和发电机效率条件下，以双速泵运行方式为待寻优变量，优化效益函数，得到最优双速泵运行方式，其对应的循环水质量流量即为最优循环水质量流量。在每一采样时刻，重复上述计算步骤，即可实现冷端系统循环水质量流量的滚动优化。
本实例中，步骤5所述的循环水质量流量增量优化的效益函数为
Figure BDA0001064935090000075
ΔP＝[DLEA(hLEA-h'LEA)+DLEB(hLEB-h'LEB)]ηmηg
ΔPp＝P2-P1
cs＝1,2,…,6
式中，
ΔP为双速泵运行方式改变后机组的微增功率,W；
ΔPp为循环水泵的功耗增量,W；
h'LEA和h'LEB为双速泵运行方式改变后高压冷凝器和低压冷凝器的入口排汽比焓,J/kg；
P1为当前运行方式的双速泵功耗，kW；
P2为运行方式改变后的双速泵功耗，kW
ηm为低压缸机械效率,99％；
ηg为发电机效率,98.5％；
cs为双速泵运行方式变量。
求解以上效益函数，得到该给定时刻双速泵最优运行方式为3，即“二高”形式，因此最优循环水质量流量为21825kg/s。此时净功率增量为178.99kW。
本实施例中，对某一天的循环水质量流量进行了优化，结果见图2。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种火电机组双背压冷端系统双速泵循环水流量优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：从现场DCS实时数据库中获取给定时刻的机组运行数据，包括：低压冷凝器循环水入口温度、高压冷凝器循环水出口温度，主蒸汽质量流量，高压和低压冷凝器真空度及环境大气压力；
步骤2：根据步骤1参数，计算低压缸排汽湿度，并在抽汽份额给定的条件下，根据可覆盖全操作工况的工质物性参数数据库，分别计算该给定时刻高压和低压冷凝器入口排汽质量流量、入口排汽比焓、凝结水比焓和饱和蒸汽温度；
步骤3：根据步骤2的结果，根据低压冷凝器和高压冷凝器内换热过程能量衡算模型，计算循环水实际质量流量、低压冷凝器循环水出口温度及高压冷凝器的当前端差；
步骤4：根据步骤3的结果，保持步骤2的保持排汽湿度和抽汽份额不变，改变双速泵运行方式，计算与之对应的低压冷凝器循环水出口温度以及高压和低压冷凝器的饱和蒸汽温度，并计算与之对应的高压和低压冷凝器入口排汽比焓，用于步骤5的寻优；
步骤5：定义双速泵运行方式改变后机组的微增功率与循环水泵的功耗增量之差为循环水质量流量增量优化效益函数，在给定的低压缸机械效率和发电机效率下，以双速泵运行方式为待寻优变量，优化效益函数，得到最优双速泵运行方式，其对应的循环水质量流量即为最优循环水质量流量；
步骤5中，循环水质量流量增量优化效益函数为：
Figure FDA0002392782030000011
ΔP＝[DLEA(hLEA-h'LEA)+DLEB(hLEB-h'LEB)]ηmηg
ΔPp＝P2-P1
cs＝1,2,…,ncs
式中：
ΔP为双速泵运行方式改变后机组的微增功率,W；
ΔPp为循环水泵的功耗增量,W；
h'LEA和h'LEB为双速泵运行方式改变后高压冷凝器和低压冷凝器的入口排汽比焓,J/kg；
DLEB和DLEA分别为低压冷凝器和高压冷凝器的入口排汽质量流量，kg/s；
hLEB和hLEA分别为双速泵运行方式改变前低压冷凝器和高压冷凝器的入口排汽比焓,J/kg；
P1为当前运行方式的双速泵功耗，kW；
P2为运行方式改变后的双速泵功耗，kW
ηm为低压缸机械效率,％；
ηg为发电机效率,％；
cs为双速泵运行方式变量；
ncs为双速泵运行方式个数；
在每一采样时刻，重复上述步骤1～5，即实现冷端系统循环水质量流量的滚动优化。
2.根据权利要求1所述的一种火电机组双背压冷端系统双速泵循环水流量优化方法，其特征在于步骤4中，双速泵运行方式改变后，与之对应的高压和低压冷凝器的饱和蒸汽温度的计算公式分别为：
Figure FDA0002392782030000021
t’sB＝tsB+(t’w2-tw2)
Figure FDA0002392782030000022
Figure FDA0002392782030000023
以上式中：
t'sA为双速泵运行方式改变后高压冷凝器饱和蒸汽温度，K；
tsB和t'sB分别为双速泵运行方式改变前后低压冷凝器饱和蒸汽温度，K；
δtA和δ'tA分别为双速泵运行方式改变前后高压冷凝器端差，K；
tw2和t'w2分别为双速泵运行方式改变前后低压冷凝器出口循环水温度，K；
DLEB和DLEA分别为低压冷凝器和高压冷凝器的入口排汽质量流量，kg/s；
hLEB和hLEA分别为双速泵运行方式改变前低压冷凝器和高压冷凝器的入口排汽比焓,J/kg；
hcw1和hcw2分别为低压冷凝器和高压冷凝器的凝结水比焓,J/kg；
tw1为低压冷凝器循环水入口温度,K；
Dw1为双速泵运行方式改变后循环水质量流量,kg/s；
cpw为水的等压比热容。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种火电机组双背压冷端系统双速泵循环水流量优化方法，其特征在于，步骤3中，所述低压冷凝器和高压冷凝器内换热过程能量衡算模型为：
DLEB(hLEB-hcw1)＝Dwcpw(tw2-tw1)
DLEA(hLEA-hcw2)＝DLEB(hcw2-hcw1)+Dwcpw(tw3-tw2)
式中：
DLEB和DLEA分别为低压冷凝器和高压冷凝器的入口排汽质量流量,kg/s；
hLEB和hLEA分别为低压冷凝器和高压冷凝器的入口排汽比焓,J/kg；
hcw1和hcw2分别为低压冷凝器和高压冷凝器的凝结水比焓,J/kg；
Dw为循环水质量流量,kg/s；
tw1和tw3分别为低压冷凝器循环水入口温度和高压冷凝器循环水出口温度,K；
tw2为低压冷凝器循环水出口水温,K；
cpw为水的等压比热容，J/(kg*K)。
4.根据权利要求3所述的一种火电机组双背压冷端系统双速泵循环水流量优化方法，其特征在于，DLEB和DLEA的计算为：
DLE＝Dms(1-α)
DLEB＝0.5DLE
DLEA＝DLE-DLEB
式中：
DLE为低压缸总排汽质量流量,kg/s；
Dms为机组主蒸汽质量流量,kg/s；
α为主蒸汽抽汽份额,％。
5.根据权利要求3所述的一种火电机组双背压冷端系统双速泵循环水流量优化方法，其特征在于，步骤3中，所述高压冷凝器当前端差δtA计算方法为：
δtA＝tsA-tw3
tsA为高压冷凝器饱和蒸汽温度,K；
tw3为高压冷凝器循环水出口温度,K。
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