CN110288135B - 一种高压加热系统疏水水位节能优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于火电机组节能优化技术领域的一种高压加热系统疏水水位节能优化方法。首先根据质量守恒及能量守恒建立高压加热器的机理模型，利用电厂实际历史数据，采用遗传算法对模型中的未知参数进行辨识，进而根据高压加热系统各级加热器的级联特性，建立高压加热系统的串联模型，并再次根据历史数据对模型中的参数进行修正。最后，基于高压加热系统机理模型，以机组热效率作为目标函数，采用遗传算法对各级高压加热系统水位进行综合优化，寻优机组热效率最高时对应的各级高压加热系统水位分布，并以此作为各级疏水水位设定值，改变高压加热系统整体的换热效率，达到提升机组整体运行经济性。

Description

一种高压加热系统疏水水位节能优化方法

技术领域

本发明属火电机组节能优化领域，特别涉及一种高压加热系统疏水水位节能优化方法。

背景技术

回热循环是提高火电厂效率的重要措施之一，在电厂中广泛应用。回热循环是由回热加热器、回热抽汽管道、水管道、疏水管道等组成的一个加热系统，采用回热系统，能显著提高循环热效率，使锅炉热负荷下降，减少换热面积，达到节省燃料的目的。回热系统中通过汽轮机抽汽对锅炉给水进行加热，因其抽取的蒸汽用来加热给水，不再排入凝汽器中，所以释放的热量得到了充分的利用，不被冷却水带走；此外，采用给水回热系统后有效提高了锅炉给水温度，减少了锅炉受热面因为温差过大而产生的热应力，减少了锅炉换热的不可逆损失，提高了设备运行的可靠性和经济性。

高压加热器是回热循环系统中重要的组成部分，在高压加热器正常运行维护之中，合理的水位是加热器安全经济运行的重点，水位对高加内部换热结构也有重大影响。高加水位高，汽侧换热面积较小，蒸汽凝结放热量较少，机组换热效率较低，水位过高还可能导致疏水倒流至汽轮机，对机组安全产生重大影响；高加水位过低会导致疏水管内出现汽水混流，增大加热器端差，热经济性变差。因此，在加热器日常运行的过程中，需要合理调节加热器水位。

本发明专利正是基于这种关系建立起高压加热器内水位与加热器换热效率之间关系的机理模型，分析水位与换热效率之间的关系，通过调节疏水水位从而改变高加系统的整体换热效率，为保证机组的安全经济运行奠定基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高压加热系统疏水水位节能优化方法，本发明的设计包括：建立高压加热器机理模型，并利用遗传算法辨识模型；根据各级高压加热器级联特性，建立高压加热系统机理模型；并通过高压加热系统级联模型，寻优机组热效率最高时对应的各级高压加热水位分布。该高压加热系统疏水水位节能优化方法的步骤如下：

步骤一：建立高压加热器机理模型

1)根据汽侧能量平衡建立汽侧换热模型如下：

式中，c_p表示水的比热容，M_L表示高压加热器内存水量，t_sat表示高压加热器工作压力下的饱和温度，W_s表示抽汽流量，i_s表示抽汽焓值，i_sat表示工作压力下对应的饱和水焓，Q_SM表示蒸汽对管道加热量；

2)通过质量平衡方程建立疏水侧换热模型如下：

式中，W_c表示蒸汽凝结流量，W_din表示上级疏水流量，W_d表示本级疏水流量；。

3)通过管侧能量平衡建立管道温度方程如下：

通过给水侧能量平衡建立高压加热器给水出口温度方程如下：

通过高压加热器内总能量平衡建立疏水焓值方程如下：

式中，M_m表示管道质量，c_m表示金属管道比热，t_m表示管道温度，Q_WM表示疏水对管道的加热量，Q_MF表示管道对给水的加热量，M_F表示管内存水量，W_F表示给水流量，t₁、t₂分别表示给水入口、出口温度，c_p(c_p1、c_p2)表示水的比热，i_din表示上级疏水焓，i_d表示本级疏水焓；

步骤二：利用电厂实际数据，采用遗传算法辨识高压加热器模型的参数。设定模型初始参数，将模型输出与实际数据带入适应度函数进行迭代计算，适应度函数设置为模型输出与实际数据间的误差；当适应度函数结果小于设置的精度，或是迭代次数大于设计迭代次数时，停止计算，得到辨识后的模型参数；反之，通过遗传算法设置新的参数，带入高压加热器模型重复上述步骤；

步骤三：高压加热系统由多级高压加热器串级组成，根据步骤一中建立的高压加热器模型，根据各级高压加热系统的级联特性，建立高压加热系统级联模型，并对模型参数进行修正；

步骤四：以机组循环热效率作为目标函数，对各级高压加热系统水位进行综合优化调度，通过遗传算法寻优最大机组热效率，得到高压加热系统最优水位分布值。采用遗传算法进行寻优时，优化目标为各级高压加热系统疏水水位，适应度函数选用组循环热效率η，若迭代次数大于设定迭代次数或优化结果收敛，则停止算法运算；否则，由遗传算法重新初始化水位值，进行循环迭代计算。从N次迭代中寻找最大机组循环热效率η_max，则η_max对应的各级高压加热系统水位即为最终优化指导值；其中机组循环热效率计算如下：

1)具有回热、再热的主循环吸热量方程如下：

2)汽轮机输出内部功如下：

式中，D₀表示主蒸汽流量；c表示再热冷段抽汽段数；h₀表示汽轮机主蒸汽焓；h_w表示第一级高加出水焓，即锅炉给水焓；D_i表示各级高压加热器抽汽量；σ表示再热器吸热量；h_c表示汽轮机排汽焓；h_i、h_j表示第i、j级抽汽焓，m表示高压加热器级数。

所以，机组循环热效率为：

本发明的优点是：

1)精确度高，根据质量平衡和能量平衡建立高压加热器模型，该模型能够反映出给水温度、工作压力、疏水温度、水位等相关参数的变化规律，指导高压加热系统优化寻优；

2)便于工程应用，建模过程采用机理分析和数据驱动相结合的建模方法，根据实际高压加热器的历史运行数据进行模型辨识，辨识得到的高压加热器模型能够反映实际对象的真实运行状态，有一定的工程应用和推广价值。

附图说明

图1是汽液两相流表面式高压加热器结构示意图，图中标号：1-汽侧，2-水侧，3-给水管道，4-抽汽管道，5＝上级输水管道，6-本级输水管道；

图2是模型辨识流程图

图3是1#-3#三个高压加热器级联得到的高压加热系统示意图。

图4是寻优最大换热效率流程图

具体实施方式

本发明提供一种高压加热系统疏水水位节能优化方法，该方法包括：建立高压加热器机理模型，并利用遗传算法辨识模型；根据各级高压加热器级联特性，建立高压加热系统机理模型；并通过高压加热系统级联模型，寻优机组热效率最高时对应的各级高压加热水位分布；下面将结合实施例和附图，对本发明进行更加详细的描述。

图1所示是汽液两相流表面式高压加热器结构示意图。图中，W_s,i_s分别表示抽汽流量及抽汽焓值，W_F表示给水流量，t₁,t₂分别表示给水入口、出口温度，W_din,i_din分别表示上级疏水流量及焓值，W_d,i_d分别表示本级疏水流量及焓值。图中标号为：1-汽侧，2-水侧，3-给水管道，4-抽汽管道，5＝上级输水管道，6-本级输水管道；

图1所示，汽液两相流表面式高压加热器内存在汽液间的转换，因此，建模时采用集总参数法建模，视管内给水为不可压缩流体，忽略设备向环境的散热，加热器内所有并联管路用一根等效管子代替。在此假设条件下，本发明方法包括如下步骤：

步骤一：建立高压加热器机理模型

1)根据汽侧能量平衡建立汽侧换热模型如下：

式中，c_p表示水的比热容，M_L表示高压加热器内存水量，t_sat表示高压加热器工作压力下的饱和温度，W_s表示抽汽流量，i_s表示抽汽焓值，i_sat表示工作压力下对应的饱和水焓，Q_SM表示蒸汽对管道加热量。

2)通过质量平衡方程建立疏水侧换热模型如下：

式中，W_c表示蒸汽凝结流量，W_din表示上级疏水流量，W_d表示本级疏水流量。

3)通过管侧能量平衡建立管道温度方程如下：

通过给水侧能量平衡建立高压加热器给水出口温度方程如下：

通过高压加热器内总能量平衡建立疏水焓值方程如下：

式中，M_m表示管道质量，c_m表示金属管道比热，t_m表示管道温度，Q_WM表示疏水对管道的加热量，Q_MF表示管道对给水的加热量，M_F表示管内存水量，W_F表示给水流量，t₁、t₂分别表示给水入口、出口温度，c_p(c_p1、c_p2)表示水的比热，i_din表示上级疏水焓，i_d表示本级疏水焓。

步骤二：利用电厂实际数据，采用遗传算法辨识高压加热器模型的参数(如图2所示的模型辨识流程图)；设定模型初始参数，将模型输出与实际数据带入适应度函数进行迭代计算，适应度函数设置为模型输出与实际数据间的误差。当适应度函数结果小于设置的精度，或是迭代次数大于设计迭代次数时，停止计算，得到辨识后的模型参数；反之，通过遗传算法设置新的参数，带入高压加热器模型重复上述步骤。

步骤三：高压加热系统由多级高压加热器串级组成(如图3所示的1#-3#三个高压加热器级联得到的高压加热系统示意图)，根据步骤一中建立的高压加热器模型，根据各级高压加热系统的级联特性，建立高压加热系统级联模型，并对模型参数进行修正。

步骤四：以机组循环热效率作为目标函数，对各级高压加热系统水位进行综合优化调度，通过遗传算法寻优最大机组热效率，得到高压加热系统最优水位分布值，寻优流程图如图4所示。采用遗传算法进行寻优时，优化目标为各级高压加热器疏水水位，适应度函数选用组循环热效率η，若迭代次数大于设定迭代次数或优化结果收敛，则停止算法运算；否则，由遗传算法重新初始化水位值，进行循环迭代计算。从N次迭代中寻找最大机组循环热效率η_max，则η_max对应的各级高压加热水位即为最终优化指导值，其中机组循环热效率计算如下：

1)简单再热的主循环吸热量方程如下：

2)汽轮机输出内部功如下：

式中，D₀表示主蒸汽流量；c表示再热冷段抽汽段数，取c＝2，本发明以2为例；h₀表示汽轮机主蒸汽焓；h_w表示第一级高压加热器出水焓，即锅炉给水焓；D_i表示各级高压加热器抽汽量；σ表示再热器吸热量；h_c表示汽轮机排汽焓；h_i、h_j表示第i、j级抽汽焓，m表示高加级数，本发明中m＝3。

所以，总换热效率为：

Claims (1)

1.一种高压加热系统疏水水位节能优化方法，该方法包括：建立高压加热器机理模型，并利用遗传算法辨识模型；根据各级高压加热器级联特性，建立高压加热系统机理模型；并通过高压加热系统级联模型，寻优机组热效率最高时对应的各级高压加热水位分布，该高压加热系统疏水水位节能优化的步骤如下：

步骤一：建立高压加热器机理模型

1)根据汽侧能量平衡建立汽侧换热模型如下：

式中，c_p表示水的比热容，M_L表示高压加热器内存水量，t_sat表示高压加热器工作压力下的饱和温度，W_s表示抽汽流量，i_s表示抽汽焓值，i_sat表示工作压力下对应的饱和水焓，Q_SM表示蒸汽对管道加热量；

2)通过质量平衡方程建立疏水侧换热模型如下：

式中，W_c表示蒸汽凝结流量，W_din表示上级疏水流量，W_d表示本级疏水流量；

3)通过管侧能量平衡建立管道温度方程如下：

通过给水侧能量平衡建立高压加热器给水出口温度方程如下：

通过高压加热器内总能量平衡建立疏水焓值方程如下：

式中，M_m表示管道质量，c_m表示金属管道比热，t_m表示管道温度，Q_WM表示疏水对管道的加热量，Q_MF表示管道对给水的加热量，M_F表示管内存水量，W_F表示给水流量，t₁、t₂分别表示给水入口、出口温度，c_p(c_p1、c_p2)表示水的比热，i_din表示上级疏水焓，i_d表示本级疏水焓；

步骤二：利用电厂实际数据，采用遗传算法辨识高压加热器模型的参数，设定模型初始参数，将模型输出与实际数据带入适应度函数进行迭代计算，适应度函数设置为模型输出与实际数据间的误差；当适应度函数结果小于设置的精度，或是迭代次数大于设计迭代次数时，停止计算，得到辨识后的模型参数；反之，通过遗传算法设置新的参数，带入高压加热器模型重复上述步骤；

步骤三：高压加热系统由多级高压加热器串级组成，根据步骤一中建立的高压加热器模型，根据各级高压加热系统的级联特性，建立高压加热系统级联模型，并对模型参数进行修正；

步骤四：以机组循环热效率作为目标函数，对各级高压加热系统水位进行综合优化调度，通过遗传算法寻优最大机组热效率，得到高压加热系统最优水位分布值，采用遗传算法进行寻优时，优化目标为各级高压加热系统疏水水位，适应度函数选用机 组循环热效率η，若迭代次数大于设定迭代次数或优化结果收敛，则停止算法运算；否则，由遗传算法重新初始化水位值，进行循环迭代计算，从N次迭代中寻找最大机组循环热效率η_max，则η_max对应的各级高压加热系统水位即为最终优化指导值；其中机组循环热效率计算如下：

1)具有回热、再热的主循环吸热量方程如下：

2)汽轮机输出内部功如下：

式中，D₀表示主蒸汽流量；c表示再热冷段抽汽段数；h₀表示汽轮机主蒸汽焓；h_w表示第一级高加出水焓，即锅炉给水焓；D_i表示各级高压加热器抽汽量；σ表示再热器吸热量；h_c表示汽轮机排汽焓；h_i、h_j表示第i、j级抽汽焓，m表示高压加热器级数，

所以，机组循环热效率为：

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