CN111652418A - 一种火电机组动态精细化复合参数滑压曲线生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火电机组动态精细化复合参数滑压曲线生成方法，本发明考虑了机组滑压压力随多物理参数运行边界变化下的动态同步调整，可使目标机组始终于最佳效率区，能够动态响应寻优，机组负荷、主再蒸汽温度、凝汽器真空、回热系统抽汽量、供热机组供热量、过热蒸汽减温水量及再热蒸汽减温水量等多物理参数运行边界变化时，汽轮机滑压运行模式下的最优主蒸汽压力，对促进提升火电机组部分负荷工况下的运行经济性具有重大意义。

Description

一种火电机组动态精细化复合参数滑压曲线生成方法

技术领域

本发明属于汽轮机发电领域，具体涉及一种火电机组动态精细化复合参数滑压曲线生成方法。

背景技术

目前受电力调峰等因素的影响，火电利用小时数逐年降低，部分负荷运行时间普遍增长，机组效率大大降低。提升机组在部分负荷阶段的运行经济性已成为一个亟待解决的问题。目前，常规火电机组实际生产过程中根据负荷率的不同将通常采用定-滑-定的运行模式，当机组负荷率高于90％以上时额定压力运行，当机组负荷率处于30％-90％区间时滑压运行，当机组负荷率低于30％时继续转为定压力运行。火电机组通过滑压运行的方式可提升部分负荷区间的运行经济性。

而现有机组采用的滑压过程曲线多来源于汽轮机制造厂家提供的初始设计线及优化衍生线，该过程曲线仅是通过负荷指令来控制滑压运行时的主蒸汽压力值。即分布式控制系统基于电功率-压力的单一变量关系来设定线性函数来控制机组滑压运行的模式。当电功率确定时，机组滑压运行压力也是唯一确定的。但已有的研究表明，相同的电功率工况下，主再蒸汽温度、凝汽器真空、回热系统抽汽量、供热机组供热量、过热蒸汽减温水量及再热蒸汽减温水量等热力循环及热机本体运行边界因素变化时，汽轮机循环效率与相对内效率均会随之发生改变。为保障机组的运行经济性，此时滑压运行压力需重新调整，平衡热循环效率与本体相对内效率的耦合关系，以满足机组绝对效率最优的技术要求。考虑到原有滑压控制方式下，滑压压力不能随机组多物理参数运行边界的变化动态同步调整，这将造成机组滑压运行点偏离最佳效率位置，最终导致机组运行经济性受到不利影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种火电机组动态精细化复合参数滑压曲线生成方法，能够达到多物理参数运行边界变化时动态响应寻优滑压压力的技术目标，对促进提升火电机组部分负荷工况下的运行经济性具有重大意义。

为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：

步骤一，根据目标机组实际运行要求，确立滑压优化用基本热力循环及热机本体耦合边界设计参数；

步骤二，结合设计参数对目标机组进行现场优化试验，并进行热力系统动-静态热力平衡仿真计算，获取宽域多边界条件下汽轮机组不同主蒸汽压力与热耗率的凹函数关系；

步骤三，根据不同主蒸汽压力与热耗率的凹函数关系，对热耗率进行寻优，根据热耗率寻优结果，确立基于复合参数边界下的滑压运行主蒸汽压力多维数值矩阵的计算模型；

步骤四，通过变量代换及逻辑回归模型，采用梯度下降法或牛顿迭代方法，对多维数值矩阵的计算模型进行多元非线迭代性拟合计算，获取多物理参数非线性映射关系的动态精细化滑压管理函数，转化为曲线后完成生成。

步骤一的具体步骤如下：

采集纯凝机组的机组电功率、主再蒸汽温度、凝汽器真空、回热系统抽汽量、过热蒸汽减温水量及再热蒸汽减温水量；

采集供热机组的机组电功率、主再蒸汽温度、凝汽器真空、回热系统抽汽量、过热蒸汽减温水量、再热蒸汽减温水量及供热机组供热抽汽量；

根据采集的数据的重要度，分别赋予对应的权重系数，根据权重系数构建滑压优化重要度特征函数，确定滑压优化用基本热力循环及热机本体耦合边界设计参数。

步骤二中，现场优化试验参照美国机械工程师协会《汽轮机性能试验规程(ASMEPTC6-2004)》其中水和水蒸气性质表选用国际公式化委员会工业用水蒸气性质IFC1997公式进行试验，试验采用最后一级低加出口至除氧器进口凝结水流量作为流量基准依据，试验进行系统的外部隔离与内部隔离，保证进、出汽轮机循环的流量稳定，机组流量流程复合原始设计。

机组流量按下述流量公式计算：

式中：q_c为工质质量流量，单位为kg/s；C为差压装置的流出系数；ε为流体的膨胀系数；d为试验状态下的差压装置喉部直径，单位为m；Δp为试验测量的差压装置前后的差压，单位为Pa；ρ_f1为实测介质的密度，单位为kg/m3；β为试验状态下差压装置喉部直径与管道内径之比。

步骤二中，热力系统动-静态热力平衡仿真计算的方法如下：

首先根据过程热力系统汽、水介质及流程分类热力系统为若干个子区域，进行模块化建模并精确至部件；

通过所构建模块库，链接搭建整体系统的模型；

依据热平衡设计参数对仿真模型进行校核，验证模型准确性；

利用所建立的仿真模型，基于质量守恒、能量守恒、动量守恒定律，分析目标机组各部件多物理量相互间的动-静态特征关系；

对边界设计参数变化过程进行分析，获取系统滑压优化的动态响应特性。

步骤四中，变量代换是将非线性目标函数回归转化为线性函数。

步骤四中，逻辑回归模型是引入引入Sigmoid函数进行转化，函数表达式为

其中，x为变量。

步骤四中，动态精细化滑压管理函数如下：

P＝f(x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆,x₇,x₈)

式中，P为滑压运行主蒸汽压力，x₁为机组电功率，x₂为主蒸汽温度、x₃为再热蒸汽温度、x₄凝汽器真空、x₅回热系统抽汽量、x₆过热蒸汽减温水量、x₇再热蒸汽减温水量、x₈供热机组供热抽汽量。

与现有技术相比，本发明考虑了机组滑压压力随多物理参数运行边界变化下的动态同步调整，可使目标机组始终于最佳效率区，能够动态响应寻优，机组负荷、主再蒸汽温度、凝汽器真空、回热系统抽汽量、供热机组供热量、过热蒸汽减温水量及再热蒸汽减温水量等多物理参数运行边界变化时，汽轮机滑压运行模式下的最优主蒸汽压力，对促进提升火电机组部分负荷工况下的运行经济性具有重大意义。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明实施例得到的复合参数边界下现场优化试验及计算结果；其中，(a)为机组滑压主蒸汽压力随负荷和凝汽器真空度的变化关系图，(b)为机组滑压主蒸汽压力随负荷和主蒸汽温度的变化关系图，(c)为机组滑压主蒸汽压力随负荷和再热蒸汽温度的变化关系图，(d)为为机组滑压主蒸汽压力随负荷和供热流量的变化关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1，本发明包括以下步骤：

步骤一，根据目标机组实际运行要求，确立滑压优化用基本热力循环及热机本体耦合边界设计参数，具体方法如下：

采集纯凝机组的机组电功率、主再蒸汽温度、凝汽器真空、回热系统抽汽量、过热蒸汽减温水量及再热蒸汽减温水量；

采集供热机组的机组电功率、主再蒸汽温度、凝汽器真空、回热系统抽汽量、过热蒸汽减温水量、再热蒸汽减温水量及供热机组供热抽汽量；

根据采集的数据的重要度，分别赋予对应的权重系数，根据权重系数构建滑压优化重要度特征函数，确定滑压优化用基本热力循环及热机本体耦合边界设计参数。

步骤二，结合设计参数对目标机组进行现场优化试验，并进行热力系统动-静态热力平衡仿真计算，获取宽域多边界条件下汽轮机组不同主蒸汽压力与热耗率的凹函数关系；具体方法如下：

现场优化试验参照美国机械工程师协会《汽轮机性能试验规程(ASME PTC6-2004)》其中水和水蒸气性质表选用国际公式化委员会工业用水蒸气性质IFC1997公式进行试验，试验采用最后一级低加出口至除氧器进口凝结水流量作为流量基准依据，试验进行系统的外部隔离与内部隔离，保证进、出汽轮机循环的流量稳定，机组流量流程复合原始设计。

机组流量按下述流量公式计算：

式中：q_c为工质质量流量，单位为kg/s；C为差压装置的流出系数；ε为流体的膨胀系数；d为试验状态下的差压装置喉部直径，单位为m；Δp为试验测量的差压装置前后的差压，单位为Pa；ρ_f1为实测介质的密度，单位为kg/m3；β为试验状态下差压装置喉部直径与管道内径之比。

热力系统动-静态热力平衡仿真计算的方法如下：

首先根据过程热力系统汽、水介质及流程分类热力系统为若干个子区域，进行模块化建模并精确至部件；

通过所构建模块库，链接搭建整体系统的模型；

依据热平衡设计参数对仿真模型进行校核，验证模型准确性；

利用所建立的仿真模型，基于质量守恒、能量守恒、动量守恒定律，分析目标机组各部件多物理量相互间的动-静态特征关系；

对边界设计参数变化过程进行分析，获取系统滑压优化的动态响应特性。

热力循环及热机本体运行边界因素变化时，汽轮机循环效率与相对内效率均会随之发生改变，通过改变滑压主蒸汽压力并计算汽轮机热耗值，当滑压运行时汽轮机相对内效率增加对热耗率的影响大于循环热效率下降对热耗率的影响时，可获得该边界下最优滑压压力值。依次开展不同边界设计参数工况下的计算，获取主蒸汽压力与热耗率的凹函数关系。

步骤三，根据不同主蒸汽压力与热耗率的凹函数关系，对热耗率进行寻优，根据热耗率寻优结果，确立基于复合参数边界下的滑压运行主蒸汽压力多维数值矩阵的计算模型；

步骤四，通过变量代换及逻辑回归模型，采用梯度下降法或牛顿迭代方法，对多维数值矩阵的计算模型进行多元非线迭代性拟合计算，获取多物理参数非线性映射关系的动态精细化滑压管理函数，完成生成。

变量代换是将非线性目标函数回归转化为线性函数。

逻辑回归模型是引入引入Sigmoid函数进行转化，函数表达式为

其中，x为变量。

引入损失函数通常作为优化问题学习准则系，即通过最小化损失函数求解和评估模型，用以衡量真实值和预测值之间不一致的程度。所使用的损失函数表达式如下：

平方损失：L＝(y-f(x))²

绝对值损失：L＝|y-f(x)|

通过梯度下降法与牛顿迭代方法求解使得损失函数最小；

梯度下降法包括小批量样本梯度下降、随机梯度下降算法；

动态精细化滑压管理函数如下：

P＝f(x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆,x₇,x₈)

式中，P为滑压运行主蒸汽压力，x₁为机组电功率，x₂为主蒸汽温度、x₃为再热蒸汽温度、x₄凝汽器真空、x₅回热系统抽汽量、x₆过热蒸汽减温水量、x₇再热蒸汽减温水量、x₈供热机组供热抽汽量。

参见图2，本实施例对某机组进行现场优化试验及计算，获取了以机组电功率、主蒸汽温度、凝汽器真空、供热抽汽量为滑压优化边界设计参数的滑压优化试验结果。

结果表明，机组滑压主蒸汽压力与功率、主蒸汽温度、凝汽器真空、供热抽汽量等参数均存在耦合关系。优化后的滑压管理函数为多维面函数，以不同物理参数为坐标，投影至各坐标系的结果如图2(a)-(d)所示。可以看出机组负荷一定时，随着主蒸汽温度、凝汽器真空、供热抽汽量等参数变化时，机组滑压主蒸汽压力均发生明显变化。

通过本实施例的计算方法进行数据分析，某机组优化后的最终滑压管理函数为：

P＝C+A₁*x₁+A₂*x₁ ²+A₃*x₁ ³+B₁*Lnx₂+C₁*Lnx₃+C₂*(Lnx₃)²+D₁*x₄ ³+D₂*x₄ ⁴

式中，P为滑压运行主蒸汽压力，x₁为机组电功率，x₂为主蒸汽温度、x₃凝汽器真空、x₄供热机组供热抽汽量,其余为常数。

相比于传统的滑压曲线计算方法，本发明的方法可以根据边界条件的动态改变，实时调整机组滑压运行压力，可使目标机组始终于最佳效率区。

Claims (8)

1.一种火电机组动态精细化复合参数滑压曲线生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，根据目标机组实际运行要求，确立滑压优化用基本热力循环及热机本体耦合边界设计参数；

步骤二，结合设计参数对目标机组进行现场优化试验，并进行热力系统动-静态热力平衡仿真计算，获取宽域多边界条件下汽轮机组不同主蒸汽压力与热耗率的凹函数关系；

步骤三，根据不同主蒸汽压力与热耗率的凹函数关系，对热耗率进行寻优，根据热耗率寻优结果，确立基于复合参数边界下的滑压运行主蒸汽压力多维数值矩阵的计算模型；

步骤四，通过变量代换及逻辑回归模型，采用梯度下降法或牛顿迭代方法，对多维数值矩阵的计算模型进行多元非线迭代性拟合计算，获取多物理参数非线性映射关系的动态精细化滑压管理函数，转化为曲线后完成生成。

2.根据权利要求1所述的一种火电机组动态精细化复合参数滑压曲线生成方法，其特征在于，步骤一的具体步骤如下：

采集纯凝机组的机组电功率、主再蒸汽温度、凝汽器真空、回热系统抽汽量、过热蒸汽减温水量及再热蒸汽减温水量；

采集供热机组的机组电功率、主再蒸汽温度、凝汽器真空、回热系统抽汽量、过热蒸汽减温水量、再热蒸汽减温水量及供热机组供热抽汽量；

根据采集的数据的重要度，分别赋予对应的权重系数，根据权重系数构建滑压优化重要度特征函数，确定滑压优化用基本热力循环及热机本体耦合边界设计参数。

3.根据权利要求1所述的一种火电机组动态精细化复合参数滑压曲线生成方法，其特征在于，步骤二中，现场优化试验采用最后一级低加出口至除氧器进口凝结水流量作为流量基准依据，试验进行系统的外部隔离与内部隔离，保证进、出汽轮机循环的流量稳定，机组流量流程复合原始设计。

4.根据权利要求3所述的一种火电机组动态精细化复合参数滑压曲线生成方法，其特征在于，机组流量按下述流量公式计算：

式中：q_c为工质质量流量，单位为kg/s；C为差压装置的流出系数；ε为流体的膨胀系数；d为试验状态下的差压装置喉部直径，单位为m；Δp为试验测量的差压装置前后的差压，单位为Pa；ρ_f1为实测介质的密度，单位为kg/m3；β为试验状态下差压装置喉部直径与管道内径之比。

5.根据权利要求1所述的一种火电机组动态精细化复合参数滑压曲线生成方法，其特征在于，步骤二中，热力系统动-静态热力平衡仿真计算的方法如下：

首先根据过程热力系统汽、水介质及流程分类热力系统为若干个子区域，进行模块化建模并精确至部件；

通过所构建模块库，链接搭建整体系统的模型；

依据热平衡设计参数对仿真模型进行校核，验证模型准确性；

利用所建立的仿真模型，基于质量守恒、能量守恒、动量守恒定律，分析目标机组各部件多物理量相互间的动-静态特征关系；

对边界设计参数变化过程进行分析，获取系统滑压优化的动态响应特性。

6.根据权利要求1所述的一种火电机组动态精细化复合参数滑压曲线生成方法，其特征在于，步骤四中，变量代换是将非线性目标函数回归转化为线性函数。

7.根据权利要求1所述的一种火电机组动态精细化复合参数滑压曲线生成方法，其特征在于，步骤四中，逻辑回归模型是引入引入Sigmoid函数进行转化，函数表达式为

其中，x为变量。

8.根据权利要求1所述的一种火电机组动态精细化复合参数滑压曲线生成方法，其特征在于，步骤四中，动态精细化滑压管理函数如下：

P＝f(x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆,x₇,x₈)

式中，P为滑压运行主蒸汽压力，x₁为机组电功率，x₂为主蒸汽温度、x₃为再热蒸汽温度、x₄凝汽器真空、x₅回热系统抽汽量、x₆过热蒸汽减温水量、x₇再热蒸汽减温水量、x₈供热机组供热抽汽量。

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