CN109325255A - 基于定功率的湿冷汽轮机最佳真空在线指导系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于定功率的湿冷汽轮机最佳真空在线指导系统。目前最佳真空试验方法采用的是定流量方法，该方法主要考虑循环水流量大小对机组真空的影响，相比试验难度小，但试验结果受运行参数和系统边界条件制约等不足之处，具有局限性。本发明把目标函数定义为供电煤耗率，通过求解目标函数的最小值，得到汽轮机最佳真空。具体做法是，汽轮机功率不变，通过改变冷端设备的循环水泵运行方式，寻找目标函数的最小值。该方法明确了性能指标的数据处理方法以及计算方法，解决了现有方法受边界条件制约的局限性，丰富了汽轮机冷端优化技术，反映了机组真实运行状态，用于机组性能监测，指导冷端设备运行方式，减少燃料消耗量。

Description

基于定功率的湿冷汽轮机最佳真空在线指导系统

技术领域

本发明涉及一种基于定功率的湿冷汽轮机最佳真空在线指导系统，用于机组性能监测，对冷端设备运行方式进行指导，获得机组最佳真空，减少锅炉燃料消耗量。

背景技术

汽轮机的凝汽设备是凝汽式汽轮机装置的重要组成部分，他的作用是将凝汽式汽轮机的排汽凝结成水，形成并保持所要求的真空，其工作性能直接影响到整个装置的热经济性和运行可靠性。湿冷汽轮机的凝汽设备冷却介质为水，用循环水泵进行输送，冷端系统由低压缸末几级、凝汽器、循环水泵、真空泵、冷却塔等设备与其相连的管道、阀门等共同构成。在机组所有热力参数中，真空是对机组热经济性影响较大之一，在各大环节能量损失中,冷端凝汽器的损失最大，约占54％，对于600MW机组，真空变化1kPa，供电煤耗变化约3g/(kW·h)左右，真空变化主要受冷端系统影响，最佳真空节能相对于其它环节而言，节能潜力最大，效果更为显著。

目前最佳真空试验方法采用的是定流量方法。把目标函数定义为汽轮机功率增量与冷端设备用电功率增量的差值，通过求解目标函数的最大值，得到冷端设备的最佳结构参数及最佳运行参数。具体做法是，保持进入凝汽器的蒸汽流量不变，通过改变冷端设备的循环水泵运行方式，寻找目标函数的最大值，如申请号为201710573854.2的中国专利。

该方法主要考虑循环水流量大小对机组真空的影响，相比试验难度小，但试验结果受运行参数和系统边界条件制约等不足之处，具有局限性。当边界条件与试验时不一致时，试验工况得出的结论就不能正确指导实际运行。①当凝汽器性能与试验不一致时，如真空严密性变差、水侧管壁结垢严重，使清洁系数、传热系数发生变化，凝汽器性能变化越大，偏差也会越大。②当循环水入口温度与试验工况偏离大时，一年四季环境温度是不断变化的，导致循环入口温度也在变化，试验工况不可能覆盖全年环境温度。③当辅机性能发生较大变化时，目前多数电厂的辅机拖动电机改为变频运行方式，当运行工况发生变化时，辅机耗功的也随之发生变化，但定流量方法未考虑到其影响因素，对试验结果的准确性有很大影响。④当运行参数与系统发生变化时，定流量方法进汽等参数需进行修正到规定值，实际上运行参数不可能全部在规定值，运行系统也不可能与试验时一致，只要这些参数或系统的变化对机组真空有影响，定流量得出的试验结果与实际不相符，就不能使冷端设备处于最佳运行方式。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种设计合理的基于定功率的湿冷汽轮机最佳真空在线指导系统，把目标函数定义为供电煤耗率，通过求解目标函数的最小值，得到汽轮机最佳真空。工作方法是，汽轮机功率不变，通过改变冷端设备的循环水泵或真空泵运行方式，寻找目标函数的最小值；该方法对边界条件没有限制，反映机组真实运行状态，用于机组性能监测，指导冷端设备运行方式，减少燃料消耗量。基于定功率的湿冷汽轮机最佳真空在线指导系统的主要功能包括计算数据采集、数据预处理、机组性能计算、模拟工况计算、仿真工况计算、数据及结果存储、计算结果数据回写、参数状态显示，冷端设备运行方式指导。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种基于定功率的湿冷汽轮机最佳真空在线指导系统，其特征在于，依托电厂的MIS、SIS或DCS信息系统与控制系统的技术条件，对发电生产过程数据进行采集、处理与计算，以获得湿冷汽轮机最佳真空；其中，监测设备及系统包括汽轮机本体，还包括回热系统、冷端系统以及辅助设备和系统；监测的数据包括发电机功率，厂用电量，主、再热蒸汽的压力和温度，排汽的压力和温度，抽汽的压力和温度，加热器进、出水以及疏水温度，主蒸汽、给水、凝结水、减温水以及对外供汽流量；数据的处理与计算是以热力学定律为基础计算经济指标，以机组供电煤耗率为目标函数。

进一步而言，机组在现有条件下，以发电机功率为基准，在不同循环水入口温度时，进行调整冷端循环水泵以及真空泵设备的运行方式，当机组目标函数供电煤耗率最小时，汽轮机的真空为最佳，对应的冷端设备运行方式为最优。

进一步而言，在发电机功率一定时，建立机组供电煤耗率与真空的变化关系数学模型、发电机功率与机组真空的变化关系数学模型、机组真空与循环水流量的变化关系数学模型、循环水泵耗功与循环水量的变化关系数学模型、真空泵耗功与抽空气量的变化关系数学模型、厂用电量与机组真空的变化关系数学模型、机组真空与循环水泵及真空泵运行方式模型。

进一步而言，计算方法参照GB/T8117.2-2008,DL/T904中的相关规定；以主凝结水流量为基准对主蒸汽流量和给水流量指示值计算进行修正，辅助流量采用近期热力试验数据或设计值进行折算；在同负荷或负荷变动不大时，冷端设备运行方式调整对锅炉效率影响不大，锅炉效率采用近期热力试验数据；参数或系统偏离设计工况在计算中不予修正；依据历史数据，按照数理统计方法，确定各测点数据在不同负荷下的变化范围。

上述基于定功率的湿冷汽轮机最佳真空在线指导系统具有如下优势：①考虑影响因素全面。②符合当前机组运行状态。③计算结果直观。④更适用于采用变频工作方式的辅机。

进一步而言，依据现有设备条件和参数，通过稳定工况计算，获得机组性能指标；通过模拟以及仿真工况，预测冷端设备最佳运行方式；通过目标函数最小化对所建模型进行修正，力求模型反映现有运行的真实状态。

进一步而言，定功率下供电煤耗率与机组真空数学模型如下：

寻求目标函数供电煤耗率b_gd作为机组真空的最优函数，当供电煤耗率最低时，一阶导数同时，二阶导数

考虑热耗率、厂用电率与机组真空之间的关系，将锅炉效率和管道效率看作定值：

求解此式，同时保证二阶导数大于0，即获得最佳机组运行真空P_k,op；

式中各数据对应的符号以及单位如下：

供电煤耗率：b_gd，g/(kW·h)； 热耗率：HR_t，kJ/(kW·h)；

锅炉效率：η_gl，％； 管道效率：η_gd，％；

厂用电率：％； 机组真空：P_k，kPa；

转换系数：k＝29.271。

进一步而言，对于采用变频工作的风机、水泵或风扇磨这些辅助设备，其耗功特性是耗功量与介质量成正比，当增加循环水泵流量获得机组真空降低时，机组功率一定，主、再热蒸汽流量减小，机组吸热量减小，与之匹配的辅助设备耗功减小；定功率法寻求的是整个机组煤耗的最小值，即：

F(b_gd)＝ΔN_P-ΔQ-∑ΔN_F-∑ΔN_S-ΔN_M＝f(t,Q,Q_F,Q_S,M) (3)

式中：ΔN_P为循环水泵或真空泵功耗增加值，ΔQ为机组吸热量减小值，ΔN_F为锅炉风机类功耗减小值，ΔN_S为水泵类功耗减小值，t为循环水入口温度，Q为机组耗热量，Q_F为风机类风量，Q_S为泵类水量，M为锅炉燃料量。

进一步而言，其工作方法具体步骤如下：①数据采集与传输：数据采集原则上由SIS系统上获取实时过程数据，从其他系统获得数据时，需遵守GB/T17859的相关规定，数据采集具备传输故障恢复功能，数据采集周期要满足实时计算要求；数据传输采用带有检查和校验机制的协议；②数据检验与处理：依据数据检验模型，判断机组是否处于稳定工况，对于异常数据进行剔除，给出合适的替代值；对数据进行预处理，满足计算的需要；③数据储存：数据存储周期为一个机组大修周期，具有数据存储与备份；④稳定工况计算：依据稳定工况数据，通过数学模型包括供电煤耗率进行性能指标计算；⑤模拟工况计算：以当前工况数据为基础，建立有关模型，进行模拟计算；⑥仿真工况计算：人工输入参数，包括功率和循环水入口温度，调用有关模型进行计算，根据其结果来预测工况变化后的机组运行状态，了解机组运行特性，预测冷端设备运行方式，指导运行人员操作。

本发明的主要数学模型如下：

机组在不同负荷下，改变凝汽器真空，得出机组供电煤耗率与真空的变化关系，见式(4)：

式中：N为发电机功率。

机组在不同的负荷下，发电机功率与机组真空的变化关系，见式(5)：

N＝f(p_k) (5)

机组在不同负荷下，不同循环水入口温度，不同的真空泵运行方式下，改变循环水流量，得出机组真空与循环水流量的变化关系，见式(6)：

p_k＝f(N、t、G_a、G_W) (6)

式中：G_a为抽空气量，G_W为循环水流量。

在循环水泵不同的运行方式下，得出循环水泵耗功与循环水量的变化关系，见式(7)：

N₁＝f(p_k、H、G_W) (7)

式中：N₁为循环水泵耗功，H为泵压头。

在真空泵不同的运行方式下，得出真空泵耗功与抽空气量的变化关系，见式(8)：

N₂＝f(p_k、H、G_a) (8)

式中：N₂为真空泵耗功。

机组在不同负荷下，得出厂用电量与机组真空的变化关系，见式(9)：

N₃＝f(N、p_k) (9)

式中：N₃为厂用电量。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、本发明中的基于定功率的湿冷汽轮机最佳真空在线指导系统，提出了基于定功率方法，建立了以机组供电煤耗率为最小值的有关数学模型，明确了性能指标的数据处理方法以及计算方法，解决了现有方法受边界条件制约的局限性，丰富了汽轮机冷端优化技术，该在线指导系统便于操作、具有良好的经济、社会效益和推广应用前景。

2、本发明为机组冷端优化运行提供了必要的性能指标，对国家发改委倡导的节能减排，具有一定的实际意义。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例。

一种基于定功率的湿冷汽轮机最佳真空在线指导系统，依托电厂的MIS、SIS或DCS信息系统与控制系统的技术条件，对发电生产过程数据进行采集、处理与计算，以获得湿冷汽轮机最佳真空；其中，监测设备及系统包括汽轮机本体，还包括回热系统、冷端系统以及辅助设备和系统；监测的数据包括发电机功率，厂用电量，主、再热蒸汽的压力和温度，排汽的压力和温度，抽汽的压力和温度，加热器进、出水以及疏水温度，主蒸汽、给水、凝结水、减温水以及对外供汽流量；数据的处理与计算是以热力学定律为基础计算经济指标，以机组供电煤耗率为目标函数。

机组在现有条件下，以发电机功率为基准，在不同循环水入口温度时，进行调整冷端循环水泵以及真空泵设备的运行方式，当机组目标函数供电煤耗率最小时，汽轮机的真空为最佳，对应的冷端设备运行方式为最优。

在发电机功率一定时，建立机组供电煤耗率与真空的变化关系数学模型、发电机功率与机组真空的变化关系数学模型、机组真空与循环水流量的变化关系数学模型、循环水泵耗功与循环水量的变化关系数学模型、真空泵耗功与抽空气量的变化关系数学模型、厂用电量与机组真空的变化关系数学模型、机组真空与循环水泵及真空泵运行方式模型。

计算方法参照GB/T8117.2-2008,DL/T904中的相关规定；以主凝结水流量为基准对主蒸汽流量和给水流量指示值计算进行修正，辅助流量采用近期热力试验数据或设计值进行折算；在同负荷或负荷变动不大时，冷端设备运行方式调整对锅炉效率影响不大，锅炉效率采用近期热力试验数据；参数或系统偏离设计工况在计算中不予修正；依据历史数据，按照数理统计方法，确定各测点数据在不同负荷下的变化范围。

依据现有设备条件和参数，通过稳定工况计算，获得机组性能指标；通过模拟以及仿真工况，预测冷端设备最佳运行方式；通过目标函数最小化对所建模型进行修正，力求模型反映现有运行的真实状态。

定功率下供电煤耗率与机组真空数学模型如下：

寻求目标函数供电煤耗率b_gd作为机组真空的最优函数，当供电煤耗率最低时，一阶导数同时，二阶导数

考虑热耗率、厂用电率与机组真空之间的关系，将锅炉效率和管道效率看作定值：

求解此式，同时保证二阶导数大于0，即获得最佳机组运行真空P_k,op；

式中各数据对应的符号以及单位如下：

供电煤耗率：b_gd，g/(kW·h)； 热耗率：HR_t，kJ/(kW·h)；

锅炉效率：η_gl，％； 管道效率：η_gd，％；

厂用电率：％； 机组真空：P_k，kPa；

转换系数：k＝29.271。

对于采用变频工作的风机、水泵或风扇磨这些辅助设备，其耗功特性是耗功量与介质量成正比，当增加循环水泵流量获得机组真空降低时，机组功率一定，主、再热蒸汽流量减小，机组吸热量减小，与之匹配的辅助设备耗功减小；定功率法寻求的是整个机组煤耗的最小值，即：

F(b_gd)＝ΔN_P-ΔQ-∑ΔN_F-∑ΔN_S-ΔN_M＝f(t,Q,Q_F,Q_S,M) (3)

式中：ΔN_P为循环水泵或真空泵功耗增加值，ΔQ为机组吸热量减小值，ΔN_F为锅炉风机类功耗减小值，ΔN_S为水泵类功耗减小值，t为循环水入口温度，Q为机组耗热量，Q_F为风机类风量，Q_S为泵类水量，M为锅炉燃料量。

基于定功率的湿冷汽轮机最佳真空在线指导系统的工作方法具体步骤如下：①数据采集与传输：数据采集原则上由SIS系统上获取实时过程数据，从其他系统获得数据时，需遵守GB/T17859的相关规定，数据采集具备传输故障恢复功能，数据采集周期要满足实时计算要求；数据传输采用带有检查和校验机制的协议；②数据检验与处理：依据数据检验模型，判断机组是否处于稳定工况，对于异常数据进行剔除，给出合适的替代值；依据标准对数据进行预处理，满足计算的需要；③数据储存：数据存储周期为一个机组大修周期，具有数据存储与备份；④稳定工况计算：依据稳定工况数据，通过数学模型包括供电煤耗率进行性能指标计算；⑤模拟工况计算：以当前工况数据为基础，建立有关模型，进行模拟计算；⑥仿真工况计算：人工输入参数，包括功率和循环水入口温度，调用有关模型进行计算，根据其结果来预测工况变化后的机组运行状态，了解机组运行特性，预测冷端设备运行方式，指导运行人员操作。

主要数学模型如下：

机组在不同负荷下，改变凝汽器真空，得出机组供电煤耗率与真空的变化关系，见式(4)：

式中：N为发电机功率。

机组在不同的负荷下，发电机功率与机组真空的变化关系，见式(5)：

N＝f(p_k) (5)

机组在不同负荷下，不同循环水入口温度，不同的真空泵运行方式下，改变循环水流量，得出机组真空与循环水流量的变化关系，见式(6)：

p_k＝f(N、t、G_a、G_W) (6)

式中：G_a为抽空气量，G_W为循环水流量。

在循环水泵不同的运行方式下，得出循环水泵耗功与循环水量的变化关系，见式(7)：

N₁＝f(p_k、H、G_W) (7)

式中：N₁为循环水泵耗功，H为泵压头。

在真空泵不同的运行方式下，得出真空泵耗功与抽空气量的变化关系，见式(8)：

N₂＝f(p_k、H、G_a) (8)

式中：N₂为真空泵耗功。

机组在不同负荷下，得出厂用电量与机组真空的变化关系，见式(9)：

N₃＝f(N、p_k) (9)

式中：N₃为厂用电量。

实施过程如下：

参见图1。

步骤1：通过SIS、MIS和DCS数据采集与传输系统2，对汽轮机、锅炉、发电机以及辅机设备1的发电机功率、厂用电量、流量、压力、温度等参数进行采集与传输。

步骤2：数据传输到数据处理模块3，根据数据处理原则对各个测点参数进行有效判断，剔除无效数据，有效数据传送到实时计算模块4、模拟计算模块5和仿真计算模块6。

步骤3：通过实时计算模块4，计算机组耗热量、热耗率、发电煤耗率、供电煤耗率、凝汽器端差、温升、清洁系数、传热系数等性能指标。

步骤4：通过实时计算模块4，在不同负荷、不同循环水入口温度等边界条件下，建立供电煤耗率与真空的变化关系等数学模型7。

步骤5：通过模拟计算模块5，在现有的运行工况下，改变循环水泵或真空泵的运行方式和参数进行模拟计算，同时对数学模型7进行校验和完善。

步骤6：由人工设置各项参数，通过仿真计算模块6以及数学模型7进行仿真计算，其结果有助于运行人员了解机组特性，预测工况变化前后的机组性能，指导运行人员进行冷端设备的最优调整，获得最佳真空，使机组煤耗率在最低方式下运行。

步骤7：计算结果和数据在数据库8中存储，结果数据回写。

步骤8：通过显示系统9对主要参数、计算结果以及运行方式预测进行显示。

虽然本发明以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于定功率的湿冷汽轮机最佳真空在线指导系统，其特征在于，依托电厂的MIS、SIS或DCS信息系统与控制系统的技术条件，对发电生产过程数据进行采集、处理与计算，以获得湿冷汽轮机最佳真空；其中，监测设备及系统包括汽轮机本体，还包括回热系统、冷端系统以及辅助设备和系统；监测的数据包括发电机功率，厂用电量，主、再热蒸汽的压力和温度，排汽的压力和温度，抽汽的压力和温度，加热器进、出水以及疏水温度，主蒸汽、给水、凝结水、减温水以及对外供汽流量；数据的处理与计算是以热力学定律为基础计算经济指标，以机组供电煤耗率为目标函数。

2.根据权利要求1所述的基于定功率的湿冷汽轮机最佳真空在线指导系统，其特征在于，机组在现有条件下，以发电机功率为基准，在不同循环水入口温度时，进行调整冷端循环水泵以及真空泵设备的运行方式，当机组目标函数供电煤耗率最小时，汽轮机的真空为最佳，对应的冷端设备运行方式为最优。

3.根据权利要求1所述的基于定功率的湿冷汽轮机最佳真空在线指导系统，其特征在于，在发电机功率一定时，建立机组供电煤耗率与真空的变化关系数学模型、发电机功率与机组真空的变化关系数学模型、机组真空与循环水流量的变化关系数学模型、循环水泵耗功与循环水量的变化关系数学模型、真空泵耗功与抽空气量的变化关系数学模型、厂用电量与机组真空的变化关系数学模型、机组真空与循环水泵及真空泵运行方式模型。

4.根据权利要求3所述的基于定功率的湿冷汽轮机最佳真空在线指导系统，其特征在于，计算方法参照GB/T8117.2-2008,DL/T904中的相关规定；以主凝结水流量为基准对主蒸汽流量和给水流量指示值计算进行修正，辅助流量采用近期热力试验数据或设计值进行折算；在同负荷或负荷变动不大时，冷端设备运行方式调整对锅炉效率影响不大，锅炉效率采用近期热力试验数据；参数或系统偏离设计工况在计算中不予修正；依据历史数据，按照数理统计方法，确定各测点数据在不同负荷下的变化范围。

5.根据权利要求1所述的基于定功率的湿冷汽轮机最佳真空在线指导系统，其特征在于，依据现有设备条件和参数，通过稳定工况计算，获得机组性能指标；通过模拟以及仿真工况，预测冷端设备最佳运行方式；通过目标函数最小化对所建模型进行修正，力求模型反映现有运行的真实状态。

6.根据权利要求1所述的基于定功率的湿冷汽轮机最佳真空在线指导系统，其特征在于，定功率下供电煤耗率与机组真空数学模型如下：

寻求目标函数供电煤耗率b_gd作为机组真空的最优函数，当供电煤耗率最低时，一阶导数同时，二阶导数

考虑热耗率、厂用电率与机组真空之间的关系，将锅炉效率和管道效率看作定值：

求解此式，同时保证二阶导数大于0，即获得最佳机组运行真空P_k,op；

式中各数据对应的符号以及单位如下：

供电煤耗率：b_gd，g/(kW·h)；热耗率：HR_t，kJ/(kW·h)；

锅炉效率：η_gl，％；管道效率：η_gd，％；

厂用电率：％；机组真空：P_k，kPa；

转换系数：k＝29.271。

7.根据权利要求5所述的基于定功率的湿冷汽轮机最佳真空在线指导系统，其特征在于，对于采用变频工作的风机、水泵或风扇磨这些辅助设备，其耗功特性是耗功量与介质量成正比，当增加循环水泵流量获得机组真空降低时，机组功率一定，主、再热蒸汽流量减小，机组吸热量减小，与之匹配的辅助设备耗功减小；定功率法寻求的是整个机组煤耗的最小值，即：

F(b_gd)＝ΔN_P-ΔQ-∑ΔN_F-∑ΔN_S-ΔN_M＝f(t,Q,Q_F,Q_S,M) (3)

式中：ΔN_P为循环水泵或真空泵功耗增加值，ΔQ为机组吸热量减小值，ΔN_F为锅炉风机类功耗减小值，ΔN_S为水泵类功耗减小值，t为循环水入口温度，Q为机组耗热量，Q_F为风机类风量，Q_S为泵类水量，M为锅炉燃料量。

8.根据权利要求1-7中任一项权利要求所述的基于定功率的湿冷汽轮机最佳真空在线指导系统，其特征在于，其工作方法具体步骤如下：①数据采集与传输：数据采集原则上由SIS系统上获取实时过程数据，从其他系统获得数据时，需遵守GB/T17859的相关规定，数据采集具备传输故障恢复功能，数据采集周期要满足实时计算要求；数据传输采用带有检查和校验机制的协议；②数据检验与处理：依据数据检验模型，判断机组是否处于稳定工况，对于异常数据进行剔除，给出合适的替代值；依据权力要求4所述的标准对数据进行预处理，满足计算的需要；③数据储存：数据存储周期为一个机组大修周期，具有数据存储与备份；④稳定工况计算：依据稳定工况数据，通过数学模型包括供电煤耗率进行性能指标计算；⑤模拟工况计算：以当前工况数据为基础，建立权力要求3中所述的有关模型，进行模拟计算；⑥仿真工况计算：人工输入参数，包括功率和循环水入口温度，调用权力要求3所述的有关模型进行计算，根据其结果来预测工况变化后的机组运行状态，了解机组运行特性，预测冷端设备运行方式，指导运行人员操作。