CN107015543A - 一种联合循环机组停机过程的剩余气量优化分配方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种联合循环机组停机过程的剩余气量优化分配方法及系统，所述系统包括：数据采集模块，通过传感器测量机组功率等参数数据，并实时的存入PI数据库中。单台机组停机负荷分配模块，按照先以最大的升负荷率运行，接着以最大负荷运行，最后以最大的降负荷率运行。多台机组停机剩余气量分配模块，对每台机组采用“升负荷‑维持最大负荷‑降负荷”方式进行停机，然后计算各自的发电量，使得发电量最大的机组采用“升负荷‑维持最大负荷‑降负荷”方式进行停机，其他机组安全稳定停机。本发明可使电厂运行的联合循环机组在最后剩余的天然气量下实现优化分配，达到最佳的经济运行。

Description

一种联合循环机组停机过程的剩余气量优化分配方法及系统

技术领域

本发明涉及联合循环机组运行过程中的停机优化，特别是燃气轮机在天然气气量不足情况下的停机过程气量的优化分配。

背景技术

电力系统机组启停优化就是在一定的研究周期内，根据负荷预报，在满足负荷需求和机组安全、启停限制等约束的条件下，优化选定各时段参加运行的机组，决定机组开停时间，使此周期内的系统燃料总耗量最小。随着电网峰谷差日益增大，“十二五”规划提出要推进智能电网建设，增加电网优化配置电力能力和供电可靠性，这对机组的调峰能力提出了更高要求。由于联合循环机组的运行特性不同于普通火电机组，传统机组启停优化问题的求解已相当困难，而联合循环机组的多状态运行特性，尤其是各模式间的转移会使其变得更复杂，更难以求得最优解。以往关于联合循环机组的启停优化研究，大多集中在机组的启动优化和负荷分配方面。近年来，国内外许多学者针对联合循环机组的机组启停优化也进行了较深入研究。陈坚红通过试验来核对模型，计算联合循环机组的变工况性能，并研究了某电厂的300MW联合循环机组在变工况下运行的最佳匹配方式及其机组开停机时间的最优化分配。姚利森利用机组气耗量特性曲线及修正曲线拟合公式，分析计算不同机组的性能，在天然气量约束条件下保证机组安全停机，以发电量最大为目标，分别制定各台机组的停机计划。葛荣彬考虑到拟合的二次气耗量特性曲线很难满足联合循环机组精度的要求，他利用机组的历史运行数据建立基于前馈型人工神经网络的机组变工况模型代替机组耗量特性曲线热耗率的映射，并将该变工况模型应用在机组组合优化及负荷经济分配问题数学模型的求解过程中。

在上述联合循环机组的机组启停优化的各种模型中，多数研究人员只使用的耗量特性曲线是蒸汽轮机的连续分布的耗量特性曲线(连续的二次函数)。实际上联合循环停机过程的气耗量特性曲线是分段函数。主要原因是联合循环机组负荷在130-240MW之间，汽轮机停机处于停机过程，燃气轮机的功率不变，所以这段时间的气耗量也是不变的。因此使用传统的蒸汽轮机的连续分布的耗量特性曲线，进行联合循环机组的停机优化会有比较大的误差。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明从热经济学的角度出发，以安全运行为前提，发电量最大为目标，提供一种联合循环机组停机过程的剩余气量优化分配方法及系统，制定不同机组间的最佳停机过程方案，使电厂运行的燃气轮机机组在最后剩余的天然气量下，实现最佳的经济运行。本发明的技术方案如下：

一种联合循环机组停机过程的剩余气量优化分配方法，包括如下步骤：

1)从SIS系统中的PI数据库中调取联合循环机组在设计工况下的负荷和气耗量的停机过程数据，拟合设计工况下的停机耗量特性曲线；

2)获取PI数据库中实时实际条件下的大气温度、大气压力和运行小时数的数据，把设计工况下的停机耗量特性曲线，修正到实际工况的停机耗量特性曲线；

3)计算所有机组开始停机优化时的剩余天然气量的上限值和下限值，并计算机组运行的最大负荷；

4)单台联合循环机组按照先以最大的升负荷率升负荷运行，接着以最大负荷运行，最后以最大的降负荷率降负荷运行；

5)建立多台机组的停机过程发电量最大的目标函数，对每台运行的机组均采用步骤4)中的方式进行停机；然后计算它们各自的发电量，使得发电量最大的机组采用“升负荷-维持最大负荷-降负荷”方式进行停机，其他机组安全稳定停机；最终，基于目标函数实现多台机组停机过程剩余气量的优化分配。

所述的联合循环机组的安全稳定停机过程，是机组在带负荷运行工况下，由降负荷、发电机解列、燃机熄火降速到机组连续盘车运行的4个过程组成，具体过程如下：

1)燃机和余热锅炉之间设有烟气挡板，机组满负荷运行时，挡板处于打开的状态，燃机排烟经余热锅炉排至主烟囱，余热锅炉产生的蒸汽通过主蒸汽管道送至汽轮机，形成联合循环，同时每台余热锅炉配有100％额定蒸发量的旁路系统；

2)当接到中调指令发出停机命令后，天然气流量开始减小，燃气轮机负荷降低，蒸汽轮机负荷基本保持不变；

3)当联合循环机组负荷下降至240MW左右时，高中压蒸汽调节阀开始逐步关闭，高中压蒸汽旁路阀开始逐步打开，汽轮机功率开始下降到零，此过程天然气流量不变，燃气轮机的功率也维持不变；

4)约30min后，高中压蒸汽调节阀完全关闭，高中压蒸汽旁路阀全打开，烟气挡板关闭，燃机排汽从旁路烟道排掉，汽轮机完成停机；此过程天然气流量再次开始减小，燃气轮机的功率也减小，此时为简单朗肯循环；

5)在负荷约30MW时，发电机自动与系统解列，机组全速空载运行，之后冷却燃机，5min后燃机开始熄火，转速下降。当转速下降到零时，自动投入运行盘车。

所述的联合循环机组设计工况为以下参数的工况：大气温度为17.4℃，大气压力为101.1kPa，湿度设定为78.89％，转速为3000r/m，天然气加热器进口温度为15℃，基本负荷389060kW。

所述的联合循环机组在设计工况下的停机耗量特性曲线为下式的分段函数：

式中，a_1i、b_1i、c_1i、a_2i、b_2i、c_2i、C_i为机组i所拟合的耗量特性曲线的参数；f(P_i(t))为机组i在时段t负荷为P_i(t)时刻的气耗量函数；P₃为联合循环机组的解列负荷；P_SteamStop为汽轮机停机结束时，联合循环机组的负荷；P_SteamStart为汽轮机停机开始时，联合循环机组的负荷；P_B为联合循环机组的基本负荷。

所述的联合循环机组在实际工况下修正的停机耗量特性曲线为下式的分段函数：

式中，j＝1,2，HC为热耗量，F为气耗量，LHV为实际工况下的天然气低位发热量，LHV_B为设计工况下的天然气低位发热量，f_HC为热耗量修正系数，f_P为功率修正系数，P为实际工况下的功率。

所述的剩余天然气量的上限值为所有开机机组从当前运行负荷升到基本负荷，然后一起安全停机共需消耗的天然气量；所述的下限值为将全体开机机组从当前负荷马上安全停机共需消耗的天然气量。所述的机组运行的最大负荷为，保证安全停机情况下，机组根据剩余的天然气量升负荷过程中能够升到的最高负荷，如果天然气量充足的话，最大负荷可以升高到基本负荷。

所述的发电量最大的目标函数为下式所示：

式中，T₀为停机过程所花时间，h；E为停机过程中所有机组总的发电量，MW.h；N为运行的机组台数；P_i(t)为第i台机组随时间的变化功率，MW。

所述的目标函数的约束条件如下式所示：

式中，F_s为总的剩余天然气量，10⁴m³；F_m为机组解列所需天然气量，10⁴m³，即保证最后安全停机的天然气量；F为整个停机过程中多台机组的总气耗量，10⁴m³；S_iMaxdown和S_iMaxup分别为最大降负荷率和最大升负荷率，MW/h；f(P_i(t))为机组i在时段t负荷为P_i(t)时刻的气耗量函数；P_i,max为机组运行过程中所允许的最大负荷，P_i,min为机组运行过程中所允许的最小负荷。

一种联合循环机组停机过程的剩余气量优化分配系统，包括：

数据采集模块，通过传感器测量联合循环发电机组大气温度、大气压力、天然气流量、运行小时数、燃气轮机功率、蒸汽轮机功率和总的联合循环机组功率的参数数据，并实时的存入PI数据库中。

单台机组停机负荷分配模块，按照先以最大的升负荷率升负荷运行，接着以最大负荷运行，最后以最大的降负荷率降负荷运行。

多台机组停机剩余气量分配模块，对每台运行的机组均采用“升负荷-维持最大负荷-降负荷”方式进行停机，然后计算它们各自的发电量，使得发电量最大的机组采用“升负荷-维持最大负荷-降负荷”方式进行停机，其他机组安全稳定停机。

所述的单台机组停机负荷分配模块，根据燃气轮机的性能特点分析，机组运行的功率越大，其发电的效率越高，气耗量越低，当机组以基本负荷运行时，其发电效率最高。所以为了利用剩余的天然气发出最多的电量，应该按照先以最大的升负荷率升负荷运行，接着以最大的负荷运行，最后再以最大的降负荷率降负荷运行。证明如下：

假设剩余天然气量足够的多，且能够完成机组“升负荷-维持基本负荷-降负荷”运行过程。分别可以求出机组升负荷运行、基本负荷运行和降负荷运行的气耗量和发电量。

机组在升负荷运行过程1的气耗量为：

式中：P₁为机组开始进入停机优化时的功率，P_B为机组运行的基本负荷，S_up为机组升负荷时的升负荷率。

机组升负荷过程中，机组的起始负荷，已超过了汽轮机停机开始时联合循环机组的负荷。由式(2)分段函数的高负荷段的气耗曲线代入式(5)可推导出升负荷过程的气耗量为：

令可得到机组升负荷运行过程的气耗量为：

F₁＝K₁/S_up (7)

式中，K₁≥0且与S_up无关。

机组在升负荷运行过程中的发电量：

联合循环机组的耗量特性曲线是分段函数，与传统汽轮机耗量特性曲线不同。因此，机组在降负荷运行过程3的气耗量F₃为：

式中，P₃为机组停机解列时的功率；P_B为机组运行的基本负荷；S_down为机组降负荷时的降负荷率；P_SteamStop为汽轮机停机结束时，联合循环机组的负荷；P_SteamStart为汽轮机停机开始时，联合循环机组的负荷。

将式(2)耗量特性曲线代入式(9)得：

令可得到机组降负荷运行过程的气耗量为：

F₃＝K₃/S_down (11)

式中，K₃≥0且与S_down无关。

机组在降负荷运行过程的发电量：

机组在基本负荷运行过程中的发电量为：

E₂＝P_B·(F_S-F_m-F₁-F₃)/f(P_B) (13)

式中，F_s为总的剩余天然气量，F_m为机组解列所需天然气量，即安全停机所需天然气量。

由式(8)、式(12)可求得机组在升负荷运行过程和基本负荷运行过程的总发电量为：

将式(7)代人式(14)得：

令

令

则进一步计算出机组升负荷运行过程和基本负荷运行过程的总发电量为：

由基本负荷运行过程的发电量式(13)，可知式(16)中的为机组在升负荷运行过程和基本负荷运行过程中，都一直是以基本负荷运行的总发电量。但是实际情况下，由式(14)中的E_1,2可知，运行过程1是升负荷过程，功率是小于基本负荷的，那么可推导出发电量E_1,2是小于发电量的，进而可计算出式(18)中的E'_1,2<0。

由式(12)、式(13)可求得机组在基本负荷运行过程和降负荷运行过程的总发电量为：

由式(2)、式(9)得：

令

令

则机组在基本负荷运行过程和降负荷运行过程的总发电量为：

由基本负荷运行过程的发电量式(13)，可知式(21)中的为机组在基本负荷运行过程和降负荷运行过程中，都一直是以基本负荷运行的总发电量。但是由式(19)中的E_2,3可知，在实际情况下，降负荷运行过程功率是小于基本负荷的，那么可推导出发电量E_2，3是小于发电量的，进而可计算出式(23)中的E'_2,3<0。

由式(8)、式(12)和式(13)可求得机组整个运行过程的发电量为：

将式(7)、式(11)代入式(14)可得：

将式(17)、式(22)进一步代入式(25)可得：

前文已计算出E'_1,2和E'_2,3都是小于零的参数，由式(26)可知，总的发电量E_1,2,3是关于变量S_up和S_down的增函数，如果要使E_1,2,3值最大，则需要令变量S_up和S_down同时取最大值。所以要使得一台机组在整个剩余天然气量下的发电量最多，则机组在保证能够安全停机的条件下，一开始时就必须要升负荷运行，而且同时要以最大的升负荷率升负荷；在降负荷过程中，则必须以最大的降负荷率来降负荷运行。

所述的多台机组停机剩余气量分配模块，令其中的两台参与“升负荷-维持基本负荷-降负荷”这一过程，由于环境及其他因素的影响，机组的性能不同，所以会有一台机组的单位电量气耗量更小，把性能较差机组由于参与“升负荷-维持最大负荷-降负荷”这一过程，而多耗的天然气量都投入到较好机组的运行中，以提高总的发电量。在N多台机组运行时，对每台运行的机组都采用“升负荷-维持最大负荷-降负荷”方式进行停机，然后计算它们各自的发电量，通过比较发电量最大的机组采用“升负荷-维持最大负荷-降负荷”方式进行停机，其他机组安全稳定停机。这样，如果有N台机组运行的时候，进行排列组合有许多种运行方案，通过比较其发电量，来获得最优的结果。

本发明的有益效果是：利用本发明方法，从热经济学的角度出发，以安全运行为前提，发电量最大为目标，提供一种联合循环机组停机过程的剩余气量优化分配方法及系统，制定不同机组间的最佳停机过程方案，建立单台和多台联合循环机组的停机过程优化模型，使电厂运行的燃气轮机机组在最后剩余的天然气量下，实现最佳的经济运行。在剩余气量为10万方时，优化后停机方案的总发电量，比正常停机情况下多了28.409MW.h，一年可增加478.692万元收益。

附图说明

图1为联合循环机组停机过程剩余气量优化分配系统结构示意图。

图2为联合循环机组停机过程功率与气耗量原始数据曲线图。

图3为联合循环机组停机过程拟合的气耗量特性曲线图。

图4为发电量随降负荷率的变化图。

图5为为联合循环机组停机过程剩余天然气优化分配结果的Flash显示图。

具体实施方式

参考附图能更加全面地描述本发明，图上显示本发明的某些实施例，但是并非所有的实施例。实际上，本发明可以以很多不同的形式被体现，不应该把它看作仅限于这里所阐述的实施例，而应该把本发明的实施例看作是为了使本发明公开的内容满足可应用的合法要求而提供的。下面结合说明书附图和具体实现方式对本发明内容作详细说明说明。

如图1所示为联合循环机组停机过程剩余气量优化分配系统结构示意图。系统包括：

数据采集模块，通过传感器测量联合循环发电机组大气温度、大气压力、天然气流量、运行小时数、燃气轮机功率、蒸汽轮机功率和总的联合循环机组功率的参数数据，并实时的存入PI数据库中，得到如图2所示的联合循环机组停机过程功率与气耗量原始数据曲线图，从图2中可知，与传统汽轮机耗量特性曲线(连续的二次函数)还是不同。主要原因是联合循环机组负荷在130-240MW之间，汽轮机停机处于停机过程，燃气轮机的功率不变，所以这段时间的气耗量也是不变的。联合循环机组的耗量特性曲线与传统汽轮机耗量特性曲线有所不同，因此，需要对耗量特性曲线式进行分段处理。从SIS系统中的PI数据库中调取联合循环机组在设计工况下的负荷和气耗量的停机过程数据，拟合设计工况下的停机耗量特性曲线，如图3所示。

之后，再获取PI数据库中实时实际条件下的大气温度、大气压力和运行小时数的数据，把设计工况下的停机耗量特性曲线，修正到实际工况的停机耗量特性曲线，如公式(27)所示：

单台机组停机负荷分配模块，按照先以最大的升负荷率升负荷运行，接着以最大的负荷运行，最后以最大的降负荷率降负荷运行。

多台机组停机剩余气量分配模块，对每台运行的机组都采用“升负荷-维持最大负荷-降负荷”方式进行停机，然后计算它们各自的发电量，使得发电量最大的机组采用“升负荷-维持最大负荷-降负荷”方式进行停机，其他机组安全稳定停机。

停机过程优化方法应用到某电厂的3台联合循环机组的停机过程优化中。该厂各台机组最大升降负荷率分别为600MW/h和540MW/h，设计工况和实际工况下的天然气的低位发热量分别为48686.3kJ/kg和46500kJ/kg，从电厂PI实时数据库中读取大气温度和压力分别为20℃和101.01kPa，机组运行小时数为2000h，#1机组当前功率为270MW,#2机组为350MW,#3机组为300MW。

在上述基本运行参数下，按照机组停机过程优化的方法，计算总的剩余天然气量为10万方时，#2机组的发电量最大。因此，#2机组按照“升负荷-维持最大负荷-降负荷”过程运行，#1和#3号机组在当前的负荷下立刻停机。

从图4所示的各台机组发电量与负荷率变化的关系，可看出随着降负荷率的增加，#1和#3机组的发电量成直线趋势下降，而#2机组的发电量则成直线趋势增长，总的发电量也是处于直线增长的趋势中。在不同的降负荷率变化中，总发电量最大增长值为28.409MW.h。在停机过程中，机组处于最大的降负荷率停机要比最小降负荷率停机多发出28.409MW的电量。按每年停机250次来计算，每年可多发电7102.25MW.h电量，按674元/(MW.h)上网电价计算，每年增加478.692万元收益。

如图5所示为联合循环机组停机过程剩余天然气优化分配结果的Flash显示图，每台机组不同时间点的功率、发电量和气耗量都在Flash图中有详细的现实，随着鼠标的移动，不同曲线在不同时间点的值可以直观的显示。同时，用鼠标选择任意时间段的曲线，可以实现局部放大显示功能。

Claims (8)

1.一种联合循环机组停机过程的剩余气量优化分配方法，其特征在于，包括步骤：

1)从SIS系统中的PI数据库中调取联合循环机组在设计工况下的负荷和气耗量的停机过程数据，拟合设计工况下的停机耗量特性曲线；

2)获取PI数据库中实时实际条件下的大气温度、大气压力和运行小时数的数据，把设计工况下的停机耗量特性曲线，修正到实际工况的停机耗量特性曲线；

3)计算所有机组开始停机优化时的剩余天然气量的上限值和下限值，并计算机组运行的最大负荷；

4)单台联合循环机组按照先以最大的升负荷率升负荷运行，接着以最大负荷运行，最后以最大的降负荷率降负荷运行；

5)建立多台机组的停机过程发电量最大的目标函数，对每台运行的机组均采用步骤4)中的方式进行停机；然后计算它们各自的发电量，使得发电量最大的机组采用“升负荷-维持最大负荷-降负荷”方式进行停机，其他机组安全稳定停机；最终，基于目标函数实现多台机组停机过程剩余气量的优化分配。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的联合循环机组的安全稳定停机过程，是机组在带负荷运行工况下，由降负荷、发电机解列、燃机熄火降速到机组连续盘车运行的过程。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的联合循环机组的设计工况为以下参数的工况：大气温度为17.4℃，大气压力为101.1kPa，湿度设定为78.89％，转速为3000r/m，天然气加热器进口温度为15℃，基本负荷389060kW。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的联合循环机组在设计工况下的停机耗量特性曲线为下式的分段函数：

式中，a_1i、b_1i、c_1i、a_2i、b_2i、c_2i、C_i为机组i所拟合的耗量特性曲线的参数；f(P_i(t))为机组i在时段t负荷为P_i(t)时刻的气耗量函数；P₃为联合循环机组的解列负荷；P_SteamStop为汽轮机停机结束时，联合循环机组的负荷；P_SteamStart为汽轮机停机开始时，联合循环机组的负荷；P_B为联合循环机组的基本负荷。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的联合循环机组在实际工况下修正的停机耗量特性曲线为下式的分段函数：

式中，j＝1,2，HC为热耗量，F为气耗量，LHV为实际工况下的天然气低位发热量，LHV_B为设计工况下的天然气低位发热量，f_HC为热耗量修正系数，f_P为功率修正系数，P为实际工况下的功率。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的剩余天然气量的上限值为所有开机机组从当前运行负荷升到基本负荷，然后一起安全停机共需消耗的天然气量；所述的下限值为将全体开机机组从当前负荷马上安全停机共需消耗的天然气量。所述的机组运行的最大负荷为，保证安全停机情况下，机组根据剩余的天然气量升负荷过程中能够升到的最高负荷，如果天然气量充足的话，最大负荷可以升高到基本负荷。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的发电量最大的目标函数为下式所示：

式中，T₀为停机过程所花时间，h；E为停机过程中所有机组总的发电量，MW.h；N为运行的机组台数；P_i(t)为第i台机组随时间的变化功率，MW。

约束条件如下式所示：

式中，F_s为总的剩余天然气量，10⁴m³；F_m为机组解列所需天然气量，10⁴m³，即保证最后安全停机的天然气量；F为整个停机过程中多台机组的总气耗量，10⁴m³；S_iMaxdown和S_iMaxup分别为最大降负荷率和最大升负荷率，MW/h；f(P_i(t))为机组i在时段t负荷为P_i(t)时刻的气耗量函数；P_i,max为机组运行过程中所允许的最大负荷，P_i,min为机组运行过程中所允许的最小负荷。

8.一种联合循环机组停机过程的剩余气量优化分配系统，其特征在于，包括：

数据采集模块，通过传感器测量联合循环发电机组大气温度、大气压力、天然气流量、运行小时数、燃气轮机功率、蒸汽轮机功率和总的联合循环机组功率的参数数据，并实时的存入PI数据库中。

单台机组停机负荷分配模块，按照先以最大的升负荷率升负荷运行，接着以最大负荷运行，最后以最大的降负荷率降负荷运行。

多台机组停机剩余气量分配模块，对每台运行的机组均采用“升负荷-维持最大负荷-降负荷”方式进行停机，然后计算它们各自的发电量，使得发电量最大的机组采用“升负荷-维持最大负荷-降负荷”方式进行停机，其他机组安全稳定停机。