CN113191566B - 热泵梯级供热机组最佳运行方式的在线确定系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热泵梯级供热机组最佳运行方式的在线确定系统及方法，采用现场运行数据，以定供热负荷和供电负荷条件下的耗煤量最低为寻优目标函数，采用单变量对比法，依次调整机组运行背压和中排抽汽至热泵的蒸汽压力，将机组标煤消耗量与基准工况比较，若大于，则原基准工况仍作为基准工况；若小于，将该参数对应运行工况作为新的对比基准工况，继续调整机组运行背压和中排抽汽至热泵的蒸汽压力，进行下一次迭代寻优。本发明在满足电网和热网调度的前提下以标煤消耗最低为目标函数，在线获得热泵梯级供热机组在不同供热负荷、供电负荷、回水温度等边界条件下的运行背压和中排抽汽压力的最佳控制值，实现运行成本最低和盈利能力最大化。

Description

热泵梯级供热机组最佳运行方式的在线确定系统及方法
技术领域
本发明涉及一种热泵梯级供热机组最佳运行方式的在线确定系统及方法，适用于燃煤热泵梯级供热机组在电网和热网双调度条件下的运行节能挖潜，以取得盈利能力最大化。
背景技术
热泵机组是一种可以将低位热能提升至高品位并加以利用的设备，有效利用余热，在节能减排技术领域应用广泛。应用于热电联产机组集中供热领域的热泵技术主要为吸收式热泵，系统工质主选溴化锂溶液。以高温热源驱动，从低温热源取热，制取输出温度低于驱动热源但热量却明显高于驱动热源的热。
按照冷端系统形式不同，燃煤发电机组可分为湿冷机组、间接空冷机组和直接空冷三大类。相应的，热泵机组可分为循环水余热利用和乏汽利用两大类。图1给出了应用于湿冷机组和间接空冷机组的热泵梯级供热系统示意，图2给出了应用于直接空冷机组的热泵梯级供热系统示意。
高温热源称之为驱动蒸汽，取自于采暖蒸汽母管，汽源一般为汽轮机中压缸排汽处。低温热源为汽轮机部分排汽，对于湿冷机组或间接空冷机组，汽轮机部分排汽余热以凝汽器出口循环水为热载体，在凝汽器出口循环水母管打孔引部分循环水进入热泵，放热后进入冷却水塔；对于直接空冷机组，在汽轮机排汽至空冷凝汽器的蒸汽母管打孔，因部分蒸汽进入热泵，蒸汽凝结水回至机组排汽装置。热网回水经热网循环水泵加压后先进入热泵，经高温热源(中排抽汽)驱动吸收机组排汽余热，升温至一定温度(不高于83℃)后，再进入热网加热器组二次提温后对外供出，热网加热器组的热源取自采暖蒸汽母管。热泵和热网加热器组构成梯级加热系统。
关于应用于热电联产机组集中供热领域的热泵梯级供热系统运行优化，热电专业领域的学者、科研及技术管理人员已展开了相关研究，取得了一定成果，但存在建模边界与实际存在差异、可操作性弱、寻优结果偏离实际最佳工况、现实指导意义不强等缺点，简述如下。
文献1“寇相斌，杨涌文，李琦芬.火电厂耦合吸收式热泵的供热系统优化[J]，汽轮机技术”，采用利用等效焓降模型和吸收式热泵模型计算分析汽轮机供热抽汽压力和凝汽器循环水出口温度对汽轮机效率、发电量和热泵COP、供热量的影响，再结合供热量和发电量计算系统净利润，得出了在最高净利润下的抽汽压力和循环水温度。
文献2“曹兴，赵金峰，曹丽华，等.汽轮机与吸收式热泵联合供热整体性能的优化分析[J]，汽轮机技术”，以热泵供热机组发电机功率增加值为寻优目标，建立了供热系统热泵性能系数(COP)和发电功率增加值随工况变化的数学模型,研究结果认为建立了供热系统热泵性能系数(COP)和发电功率增加值随工况变化的数学模型。
文献3“靳松霖.热电厂中热泵优化运行的研究[D]，长春工程学院”，建立了包括汽轮机吸收式热泵及凝汽器的热力学分析模型，在供电负荷和供热负荷不变的情况下，研究了凝汽器出口循环水温度、进入热泵的供热抽汽流量以及供热抽汽压力对热泵梯级机组热耗的影响规律。以供热加供电的收益最大化为目标函数得到了凝汽器出水温度、供热抽汽压力的最佳值，并给出了整个供热期的热泵投运台数建议。
文献4“嵌入吸收式热泵的汽轮机冷端系统运行优化[D]，华北电力大学”，建立了吸收式热泵、汽轮机和凝汽器的变工况数学模型，提出了吸收式热泵供热系统的冷端参数优化求解程序，以某300MW抽凝式机组为例，同供热负荷下的凝汽器压力、机组发电功率及电厂收益的变化规律，并得出了最佳冷端参数。
分析已有研究可知，现阶段按已有研究多侧重于大量的理论计算，而轻依托机组汽轮机、凝汽器、热泵等设备及系统的实际运行特性。在模型建立方面：1)文献1-4均采用HEI标准推荐的凝汽器总体传热系数和凝汽器传热端差计算公式，该公式的关键参数之一清洁系数(β3)的选取，现有研究均按照0.85进行取值，然而实际运行中，受凝汽器管束结构、循环水水质、水流速、热负荷等因素综合影响，不同的供热机组，运行清洁系数差异较大，若按照经验值进行凝汽器热力建模，热泵梯级供热系统寻优结果将偏离实际最佳工况；2)热泵变工况计算中，凝汽器出口循环水温度、驱动蒸汽压力对COP的影响规律，多采用设备设计资料而不是实际运行结果，热泵梯级供热系统寻优结果将偏离实际最佳工况；3)汽轮机变工况计算模型，采用简便的按抽汽口划分级组的近似热力计算方法：以额定工况设计参数作为变工况计算中各级抽汽压力、抽汽压损、回热系统端差、高中低三缸效率等的参数确定依据，冷端系统凝汽器变工况模型如上述1)所示，其结果与实际运行情况差异较大。再者，采用供热+供电的收益最大化作为寻优操作的目标函数，不符合当前燃煤供热机组的实际运行边界。燃煤供热机组对外供电、供热服务，上网电量受当地电网根据地区供需关系实时调度，供热负荷受热力用户根据需求实时调度，燃煤供热机组自身并无独立自主的电、热调节权限。总之，现有研究以大量的理论计算为主，并未紧密结合热泵梯级供热机组的实际运行特性、寻优目标函数未体现燃煤供热机组的实际运行边界，寻优结果偏离了偏离实际最佳工况，现实指导意义不强。
综上所述，从热泵梯级供热机组运行节能挖潜、降低运行成本提升盈利能力的角度出发，亟需一种可操作性强、准确性高的最佳运行方式确定方法。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中建模边界与实际存在差异、可操作性弱、寻优结果偏离实际最佳工况、现实指导意义不强等缺点，提供一种热泵梯级供热机组最佳运行方式的在线确定系统及方法，本发明采用现场运行数据，以定供热负荷和供电负荷条件下的耗煤量最低为寻优目标函数，采用单变量对比法，通过运行参数调整，获得热泵梯级供热机组在不同供热负荷、供电负荷、回水温度等边界条件下的运行背压和中排抽汽压力的最佳控制值。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
热泵梯级供热机组最佳运行方式的在线确定方法，包括以下步骤：
利用热泵梯级供热机组最佳运行方式的表征参数，建立热泵梯级供热机组盈利值计算模型；
根据边界参数总供热负荷、供电负荷和热网回水温度，划定寻优工况；
以热泵梯级供热机组标煤消耗量值最低值为导向，确定各寻优工况的最佳运行方式。
本发明进一步的改进在于：
所述热泵梯级供热机组最佳运行方式的表征参数为运行背压Pc和中排供热抽汽压力Pcq。
所述建立热泵梯级供热机组盈利值计算模型的具体方法如下：
热泵梯级供热机组盈利值M：
M＝E+Q-B (1)
式中，Q为供热收入，E为供电收入，B为标煤消耗；
供电收入E按照下式计算：
E＝(N-Ncy)×a＝Nnet×a (2)
式中，N为发电功率，Ncy为厂用电功率，Nnet为主变入口电功率，a为上网电价；
供热收入Q按照下式计算：
Q＝Qt×b (3)
式中，Qt为热泵梯级供热机组对外供热总负荷，b为热价；
对于热泵梯级供热机组，机组标煤消耗量B是运行背压Pc、供电负荷Nnet、对外供热总负荷Qt、中排供热抽汽压力Pcq的多元函数：
Figure BDA0003076435000000051
其中，hms、hrh、hrc、hgs、hzj和hgj分别为锅炉过热器出口主蒸汽焓值、锅炉再热器出口和进口蒸汽焓值、锅炉入口给水焓值、锅炉再热器和过热器减温水焓值，kJ/kg；
ηb为锅炉热效率：
ηb＝f2(Dms) (5)
ηp为管道效率，取值0.985；
Dms、Drh、Drc、Dgs、Dzj和Dgj分别为锅炉过热器出口主蒸汽流量、锅炉再热器出口和进口蒸汽流量、锅炉入口给水流量、锅炉再热器和过热器减温水流量，t/h；上述参数的关联性如下：
Figure BDA0003076435000000061
式中，Dex1、Dex2和Dleak分别为高压缸1段抽汽、2段抽汽和轴封外漏量，t/h；Dex1和Dex2根据1段抽汽和2段抽汽对应的高压加热器热平衡计算得出，Dleak是Dms的一元函数：
Dleak＝f3(Dms) (7)
根据(6)、(7)和(8)，锅炉过热器出口主蒸汽流量Dms是确定标煤消耗B的基准参数；
锅炉过热器出口主蒸汽流量Dms和汽轮机调节级后压力P的关系如下：
Dms＝c×P+d (8)
式中，c和d为常系数。
所述划定寻优工况的具体方法如下：
统计最近一个完整采暖季的机组运行数据，包括总对外供热负荷Qt：Qt、min、Qt、max，热网回水温度ti：ti、min、ti、max，供电负荷Nnet：Nnet、min、Nnet、max；引入参数环境气温ta：最低值ta、min、最高值ta、max；
按照环境气温ta的分布划分为三个时间段；取热网回水温度ti和总对外供热负荷Qt在这三个时间段的平均值，作为划分依据；工况1：ti、1和Qt、1，工况2：ti、2和Qt、2，工况3：ti、3和Qt、3；
时间段1：ta、min+(ta、max-ta、min)×0.67＜t≤ta、max
时间段2：ta、min+(ta、max-ta、min)×0.33＜t≤ta、min+(ta、max-ta、min)×0.67
时间段3：ta、min＜t≤ta、min+(ta、max-ta、min)×0.33
针对上述三个工况，按供电负荷Nnet的分布进行寻优子工况的划分：
Nnet、min
Nnet、min+(Nnet、max-Nnet、min)×0.33
Nnet、min+(Nnet、max-Nnet、min)×0.67
Nnet、max
根据上述划分方式，最佳方式在线确定工况共计12个。
所述确定寻优工况的最佳运行方式的具体方法如下：
热网回水温度ti、总供热负荷Qt和供电负荷Nnet固定，以热泵投运要求的入口循环水温度或乏汽温度最低值对应的机组运行背压Pc0、以及入口驱动蒸汽压力Pcq0，作为背压调整的寻优迭代的基准工况，测试调节级后压力P0，根据式(4)-(8)确定基准工况的机组标煤消耗B0。
所述背压调整的寻优迭代的具体方法如下：
热网回水温度ti固定，在此基础上以每次1kPa的幅度抬升热泵梯级供热机组运行背压Pc，此时需调整中排抽汽流量、锅炉蒸发量等参数，以维持总供热负荷Qt、供电负荷Nnet、热泵入口驱动蒸汽压力Pcq0固定不变，机组主要运行参数稳定后记录30min的运行数据，取其平均值，根据式(6)-(10)计算确定第一轮迭代工况的机组标煤消耗B1；
比较B1与B0，若B1≥B0，原基准工况仍作为基准工况；若B1＜B0，将该背压对应运行工况作为新的对比基准工况，继续以每次1kPa的幅度抬升热泵梯级供热机组运行背压，进行下一次寻优迭代；
运行背压抬升操作，直至机组安全运行最高限制值Pc,s和调整手段能够实现的运行背压最高值Pc,max之间的低值为止，通过背压调整的寻优迭代结束；该过程中的标煤消耗量B最低值对应的背压作为新的基准工况，此时运行背压值为Pcb，标煤消耗量为Bb；
热网回水温度ti、总供热负荷Qt和供电负荷Nnet固定，以背压调整的寻优迭代过程中的标煤消耗量B值最低值对应的背压Pcb固定，以背压调整的寻优迭代过程中的标煤消耗量B值最低值对应的背压作为新的基准工况，此时运行背压为Pcb，中排抽汽至热泵的入口蒸汽压力为Pcq0，标煤消耗量为Bb；
通过调整低压缸进汽调阀开度，以每次0.1MPa的幅度抬升中排抽汽至热泵的入口蒸汽压力Pcq，此时调整中排抽汽流量、锅炉蒸发量、循环水泵或空冷风机运行频率，以维持总供热负荷Qt、供电负荷Nnet、机组运行背压Pcb固定不变，记录30min的运行数据，取其平均值，根据式(6)-(10)计算确定第二轮迭代工况的机组标煤消耗B2；
比较B2与Bb，若B2≥Bb，原基准工况仍作为基准工况；若B2＜Bb，将该蒸汽压力对应运行工况作为新的对比基准工况，继续以每次0.1MPa的幅度抬升中排抽汽至热泵的入口蒸汽压力，进行下一次寻优迭代；
中排抽汽至热泵的入口蒸汽压力抬升，直至机组安全运行最高限制值Pcq,s和调整手段能够实现的入口蒸汽压力最高值Pcq,max之间的低值为止，通过蒸汽压力调整的寻优迭代结束；该过程中的标煤消耗量B最低值对应的最终的最佳运行工况，此时运行背压值为Pcb，中排抽汽至热泵的入口蒸汽压力为Pcqb，标煤消耗量为Bbest；
按照上述方法完成剩余11个工况的最佳运行方式确定，得出热泵梯级供热机组在不同供电负荷Nnet、回水温度ti、总供热负荷Qt下的最佳运行背压和中排抽汽至热泵入口压力值。
对于湿冷机组或间接空冷机组，采用下调循环水泵运行频率以降低总循环水流量的方式抬升机组运行背压；对于直接空冷机组，采用下调空冷风机运行频率或改变运行台数的方式抬升机组运行背压。
热泵梯级供热机组最佳运行方式的在线确定系统，包括：
模型建立模块，上述模型建立模块利用热泵梯级供热机组最佳运行方式的表征参数，建立热泵梯级供热机组盈利值计算模型；
工况划定模块，所述工况划定模块根据边界参数总供热负荷、供电负荷和热网回水温度，划定寻优工况；
运行方式确定模块，所述运行方式确定模块以热泵梯级供热机组标煤消耗量值最低值为导向，确定寻优工况的最佳运行方式。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用现场运行数据，以定供热负荷和供电负荷条件下的耗煤量最低为寻优目标函数，采用单变量对比法，依次调整机组运行背压和中排抽汽至热泵的蒸汽压力，将机组标煤消耗量与基准工况比较，若大于，则原基准工况仍作为基准工况；若小于，将该参数对应运行工况作为新的对比基准工况，继续调整机组运行背压和中排抽汽至热泵的蒸汽压力，进行下一次迭代寻优。本发明在满足电网和热网调度的前提下以标煤消耗最低为目标函数，在线获得热泵梯级供热机组在不同供热负荷、供电负荷、回水温度等边界条件下的运行背压和中排抽汽压力的最佳控制值，实现运行成本最低和盈利能力最大化。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为湿冷机组、间接空冷机组的热泵梯级供热系统示意图。
图2为直接空冷机组的热泵梯级供热系统示意图。
图3为本发明方法的流程图。
其中：1-高中压缸，2-低压缸，3-凝汽器，4-循环水泵，5冷却水塔，6-热泵，7-热网循环水泵，8-热网加热器组，9-排汽装置，10-空冷凝汽器，11-空冷风机组。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
热泵的变工况性能指标主要为性能系数COP，定义为热网循环水在热泵的吸热量与驱动蒸汽在热泵的放热量的比值：
Figure BDA0003076435000000111
式中，Qcq为驱动蒸汽在热泵的放热负荷，MW；Qfq为机组排汽余热经热泵回收的热负荷，MW。mcw、mcq为进入热泵的热网循环水流量和进入热泵的驱动蒸汽流量，t/h；Cp为热网循环水定压比热容，kJ/kg·K；hcq、hss为进入热泵的驱动蒸汽焓值、出热泵的蒸汽疏水焓值，kJ/kg；ti、t01为进入和流出热泵的热网循环水温度，℃。热网回水温度等于进入热泵的热网循环水温度。
对于应用于热电联产机组集中供热领域的热泵梯级供热系统，总对外供热负荷按下式(2)计算：
Figure BDA0003076435000000121
式中，Qt、Q1和Q2分别为热泵梯级供热机组对外供热总负荷、热网循环水在热网加热器组的吸热负荷、热网循环水在热泵的吸热负荷，MW。mcq1为进入热网加热器组的供热蒸汽流量，t/h。hcq、hss1为进入热网加热器的蒸汽焓值、出热网加热器的蒸汽疏水焓值，kJ/kg。
热泵和抽汽热网加热器组成的梯级供热系统，在对外供热负荷和供电负荷给定的条件下，影响机组运行特性的参数主要有：运行背压Pc(进入热泵的循环水温度或乏汽温度)、驱动蒸汽压力(中排抽汽压力)Pcq、热网回水温度ti(进入热泵的热网循环水温度)。
抬升运行背压Pc，从供热角度考虑，进入热泵的循环水温度或乏汽温度升高，可提高热泵的COP，减少高品质蒸汽即中排抽汽量，降低机组总耗煤量；但从发电角度来讲，抬升运行背压Pc，将降低热力循环效率，增加机组总耗煤量，因此存在一个最佳运行背压Pc，兼顾供热和发电，以取得机组耗煤量最低值。
抬升中排抽汽压力Pcq，从供热角度考虑，可提高热泵的COP，减少高品质蒸汽即中排抽汽量，降低机组总耗煤量；但从发电角度来讲，抬升中排抽汽压力Pcq，引起较大的节流损失，将降低热力循环效率，增加机组总耗煤量，因此存在一个最佳中排抽汽压力Pcq，兼顾供热和发电，以取得机组耗煤量最低值。
参见图3，本发明实施例公开了一种热泵梯级供热机组最佳运行方式的在线确定方法，包括以下步骤：
步骤1，明确热泵梯级供热机组最佳运行方式的表征参数，建立热泵梯级供热机组盈利值计算模型。
热泵梯级供热机组最佳运行方式的表征参数为运行背压Pc和中排供热抽汽压力Pcq。
热泵梯级供热机组盈利值M：
M＝E+Q-B (3)
其中，Q为供热收入，E为供电收入，B为标煤消耗。
供电收入E按照下式计算：
E＝(N-Ncy)×a＝Nnet×a (4)
其中，N为发电功率，Ncy为厂用电功率，Nnet为主变入口电功率(即为供电负荷)，a为上网电价。
供热收入Q按照下式计算：
Q＝Qt×b (5)
其中，Qt为热泵梯级供热机组对外供热总负荷，b为热价。
燃煤供热机组对外供电、供热服务，上网电量受当地电网根据地区供需关系实时调度，供热负荷受热力用户根据需求实时调度，燃煤供热机组自身并无独立自主的电、热调节权限。
综上，寻优操作过程的盈利值M的变量仅为标煤消耗B，可认为标煤消耗B最低值对应的工况为最佳工况。
对于热泵梯级供热机组，锅炉主蒸汽压力按照已有的定-滑-定曲线调节，主汽温度、再热蒸汽温度按照额定参数调整，此时的机组标煤消耗量B是运行背压Pc、供电负荷Nnet、对外供热总负荷Qt、中排供热抽汽压力Pcq的多元函数：
Figure BDA0003076435000000131
其中，hms、hrh、hrc、hgs、hzj和hgj分别为锅炉过热器出口主蒸汽焓值、锅炉再热器出口和进口蒸汽焓值、锅炉入口给水焓值、锅炉再热器和过热器减温水焓值，kJ/kg。可通过现场压力和温度测量值计算得出。ηb为锅炉热效率，不同机组各不相同，需根据现场专项试验得出：
ηb＝f2(Dms) (7)
ηp为管道效率，取值0.985。
Dms、Drh、Drc、Dgs、Dzj和Dgj分别为锅炉过热器出口主蒸汽流量、锅炉再热器出口和进口蒸汽流量、锅炉入口给水流量、锅炉再热器和过热器减温水流量，t/h。上述参数并不是各自独立，其关联性如下：
Figure BDA0003076435000000141
式中，Dex1、Dex2和Dleak分别为高压缸1段抽汽、2段抽汽和轴封外漏量，t/h。其中Dex1和Dex2可根据1段抽汽和2段抽汽对应的高压加热器热平衡计算得出，Dleak是Dms的一元函数：
Dleak＝f3(Dms) (9)
综合式(6)、(7)和(8)，可知锅炉过热器出口主蒸汽流量Dms是确定标煤消耗B的基准参数。然而目前未有满足工程应用精度要求的蒸汽流量测量技术，故DCS系统的主蒸汽流量不能作为本实施例的指征参数。
锅炉过热器出口主蒸汽流量Dms和汽轮机调节级后压力P的关系如下：
Dms＝c×P+d (10)
式中，c和d为常系数，不同机组各不相同，通过现场专项试验得出。
汽轮机调节级后压力P的测量技术成熟，精度极高，完全满足工程要求。
综上，给定总供热负荷Qt、供电负荷Nnet和热网回水温度ti条件下的寻优操作，燃煤热电联产机组标煤消耗量B值最低值即为最优工况，对应的运行背压Pc和中排供热抽汽压力Pcq即为最佳运行方式。
步骤2，根据边界参数总供热负荷Qt、供电负荷Nnet和热网回水温度ti，进行测试工况划定。
统计最近一个完整采暖季的机组运行数据，包括总对外供热负荷Qt：Qt、min、Qt、max，热网回水温度ti：ti、min、ti、max，供电负荷Nnet：Nnet、min、Nnet、max。引入参数环境气温ta：最低值ta、min、最高值ta、max。
按照环境气温t的分布划分为三个时间段，具体如下。取热网回水温度ti和总对外供热负荷Qt在这三个时间段的平均值，作为本实施例寻优工况的划分依据。工况1：ti、1和Qt、1，工况2：ti、2和Qt、2，工况3：ti、3和Qt、3。
时间段1：ta、min+(ta、max-ta、min)×0.67＜t≤ta、max
时间段2：ta、min+(ta、max-ta、min)×0.33＜t≤ta、min+(ta、max-ta、min)×0.67
时间段3：ta、min＜t≤ta、min+(ta、max-ta、min)×0.33
针对上述三个工况，按供电负荷Nnet的分布进行寻优子工况的划分，方式如下：
Nnet、min
Nnet、min+(Nnet、max-Nnet、min)×0.33
Nnet、min+(Nnet、max-Nnet、min)×0.67
Nnet、max
综上，按照本发明的寻优工况划定方法，最佳方式在线确定工况共计12个。
步骤3，以热泵梯级供热机组标煤消耗量B值最低值为导向，进行测试工况的最佳运行方式确定。
热网回水温度ti、总供热负荷Qt和供电负荷Nnet固定，以热泵投运要求的入口循环水温度或乏汽温度最低值对应的机组运行背压Pc0、以及入口驱动蒸汽(汽源为中排抽汽处)压力Pcq0，作为寻优的基准工况，测试调节级后压力P0，根据式(6)-(10)计算确定机组标煤消耗B0。
背压调整的寻优迭代过程。对于湿冷机组或间接空冷机组，采用下调循环水泵运行频率以降低总循环水流量的方式抬升机组运行背压；对于直接空冷机组，采用下调空冷风机运行频率或改变运行台数的方式抬升机组运行背压。热网回水温度ti固定，在此基础上以每次1kPa的幅度抬升热泵梯级供热机组运行背压Pc，此时需调整中排抽汽流量、锅炉蒸发量等参数，以维持总供热负荷Qt、供电负荷Nnet、热泵入口驱动蒸汽压力Pcq0固定不变，机组主要运行参数稳定后记录30min的运行数据，取其平均值，根据式(6)-(10)计算确定机组标煤消耗B1。
将B1与B0比较，若B1≥B0，原基准工况仍作为基准工况；若B1＜B0，将该背压对应运行工况作为新的对比基准工况，继续以每次1kPa的幅度抬升热泵梯级供热机组运行背压，进行下一次寻优迭代。
运行背压抬升操作，直至机组安全运行最高限制值Pc,s(由汽轮机厂家给出)和调整手段可实现的运行背压最高值Pc,max之间的低值为止，通过背压调整的寻优迭代结束。该过程中的标煤消耗量B最低值对应的背压作为新的基准工况，此时运行背压值为Pcb，标煤消耗量为Bb。
热网回水温度ti、总供热负荷Qt和供电负荷Nnet固定，以背压调整的寻优迭代过程中的标煤消耗量B值最低值对应的背压Pcb固定，以背压调整的寻优迭代过程中的标煤消耗量B值最低值对应的背压作为新的基准工况，此时运行背压为Pcb，中排抽汽至热泵的入口蒸汽压力为Pcq0，标煤消耗量为Bb。
通过调整低压缸进汽调阀开度，以每次0.1MPa的幅度抬升中排抽汽至热泵的入口蒸汽压力Pcq，此时需调整中排抽汽流量、锅炉蒸发量、循环水泵或空冷风机运行频率等参数，以维持总供热负荷Qt、供电负荷Nnet、机组运行背压Pcb固定不变，机组主要运行参数稳定后记录30min的运行数据，取其平均值，根据式(6)-(10)计算确定机组标煤消耗B2。
将B2与Bb比较，若B2≥Bb，原基准工况仍作为基准工况；若B2＜Bb，将该蒸汽压力对应运行工况作为新的对比基准工况，继续以每次0.1MPa的幅度抬升中排抽汽至热泵的入口蒸汽压力，进行下一次寻优迭代。
中排抽汽至热泵的入口蒸汽压力抬升，直至机组安全运行最高限制值Pcq,s(由汽轮机厂家给出)和调整手段可实现的入口蒸汽压力最高值Pcq,max之间的低值为止，通过蒸汽压力调整的寻优迭代结束。该过程中的标煤消耗量B最低值对应的最终的最佳运行工况，此时运行背压值为Pcb，中排抽汽至热泵的入口蒸汽压力为Pcqb，标煤消耗量为Bbest。
完成剩余11个工况的最佳运行方式确定，得出热泵梯级供热机组在不同供电负荷Nnet、回水温度ti、总供热负荷Qt下的最佳运行背压和中排抽汽至热泵入口压力值。
步骤4，寻优结果应用于生产节能挖潜指导。
根据热网回水温度ti或总供热负荷Qt不同，将上述12个工况下的最佳运行方式，以供电负荷Nnet为变量，分别绘制最佳运行背压、中排抽汽至热泵入口压力随供电负荷Nnet的变化曲线。
生产运行中，技术人员根据热网回水温度ti或总供热负荷Qt、供电负荷Nnet等参数，根据线性内插或外推法，得出热泵梯级供热机组在热网回水温度ti或总供热负荷Qt、供电负荷Nnet下的最佳运行背压、中排抽汽压力值，以取得运行成本最低，盈利能力最大化的目的。
若汽轮机、锅炉、凝汽器、热泵等相关设备经过技改导致性能发生变化，需重新进行上述操作，以确定热泵梯级供热机组在不同供电负荷Nnet、回水温度ti、总供热负荷Qt下的最佳运行背压和中排抽汽至热泵入口压力值。
本发明实施例还公开了一种热泵梯级供热机组最佳运行方式的在线确定系统，包括：
模型建立模块，上述模型建立模块利用热泵梯级供热机组最佳运行方式的表征参数，建立热泵梯级供热机组盈利值计算模型；
工况划定模块，所述工况划定模块根据边界参数总供热负荷、供电负荷和热网回水温度，划定测试工况；
运行方式确定模块，所述运行方式确定模块以热泵梯级供热机组标煤消耗量值最低值为导向，确定测试工况的最佳运行方式；
寻优结果应用于生产节能挖潜指导模块，所述将各寻优工况的结果，绘制变化曲线，生产实际中根据热网回水温度ti或总供热负荷Qt、供电负荷Nnet等参数，采用线性内插或外推法，得出热泵梯级供热机组在热网回水温度ti或总供热负荷Qt、供电负荷Nnet下的最佳运行背压、中排抽汽压力值。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.热泵梯级供热机组最佳运行方式的在线确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用热泵梯级供热机组最佳运行方式的表征参数，建立热泵梯级供热机组盈利值计算模型；所述热泵梯级供热机组最佳运行方式的表征参数为运行背压Pc和中排供热抽汽压力Pcq；所述建立热泵梯级供热机组盈利值计算模型的具体方法如下：
热泵梯级供热机组盈利值M：
M＝E+Q-B (1)
式中，Q为供热收入，E为供电收入，B为标煤消耗；
供电收入E按照下式计算：
E＝(N-Ncy)×a＝Nnet×a (2)
式中，N为发电功率，Ncy为厂用电功率，Nnet为主变入口电功率，a为上网电价；
供热收入Q按照下式计算：
Q＝Qt×b (3)
式中，Qt为热泵梯级供热机组对外供热总负荷，b为热价；
对于热泵梯级供热机组，机组标煤消耗量B是运行背压Pc、供电负荷Nnet、对外供热总负荷Qt、中排供热抽汽压力Pcq的多元函数：
Figure FDA0004020007350000011
其中，hms、hrh、hrc、hgs、hzj和hgj分别为锅炉过热器出口主蒸汽焓值、锅炉再热器出口和进口蒸汽焓值、锅炉入口给水焓值、锅炉再热器和过热器减温水焓值，kJ/kg；
ηb为锅炉热效率：
ηb＝f2(Dms) (5)
ηp为管道效率，取值0.985；
Dms、Drh、Drc、Dgs、Dzj和Dgj分别为锅炉过热器出口主蒸汽流量、锅炉再热器出口和进口蒸汽流量、锅炉入口给水流量、锅炉再热器和过热器减温水流量，t/h；上述参数的关联性如下：
Figure FDA0004020007350000021
式中，Dex1、Dex2和Dleak分别为高压缸1段抽汽、2段抽汽和轴封外漏量，t/h；Dex1和Dex2根据1段抽汽和2段抽汽对应的高压加热器热平衡计算得出，Dleak是Dms的一元函数：
Dleak＝f3(Dms) (7)
根据(6)、(7)和(8)，锅炉过热器出口主蒸汽流量Dms是确定标煤消耗B的基准参数；
锅炉过热器出口主蒸汽流量Dms和汽轮机调节级后压力P的关系如下：
Dms＝c×P+d (8)
式中，c和d为常系数；
根据边界参数总供热负荷、供电负荷和热网回水温度，划定寻优工况；
以热泵梯级供热机组标煤消耗量值最低值为导向，确定各寻优工况的最佳运行方式。
2.根据权利要求1所述的热泵梯级供热机组最佳运行方式的在线确定方法，其特征在于，所述划定寻优工况的具体方法如下：
统计最近一个完整采暖季的机组运行数据，包括总对外供热负荷Qt：Qt、min、Qt、max，热网回水温度ti：ti、min、ti、max，供电负荷Nnet：Nnet、min、Nnet、max；引入参数环境气温ta：最低值ta、min、最高值ta、max；
按照环境气温ta的分布划分为三个时间段；取热网回水温度ti和总对外供热负荷Qt在这三个时间段的平均值，作为划分依据；工况1：ti、1和Qt、1，工况2：ti、2和Qt、2，工况3：ti、3和Qt、3；
时间段1：ta、min+(ta、max-ta、min)×0.67＜t≤ta、max
时间段2：ta、min+(ta、max-ta、min)×0.33＜t≤ta、min+(ta、max-ta、min)×0.67
时间段3：ta、min＜t≤ta、min+(ta、max-ta、min)×0.33
针对上述三个工况，按供电负荷Nnet的分布进行寻优子工况的划分：
Nnet、min
Nnet、min+(Nnet、max-Nnet、min)×0.33
Nnet、min+(Nnet、max-Nnet、min)×0.67
Nnet、max
根据上述划分方式，最佳方式在线确定工况共计12个。
3.根据权利要求1所述的热泵梯级供热机组最佳运行方式的在线确定方法，其特征在于，确定寻优工况的最佳运行方式的具体方法如下：
热网回水温度ti、总供热负荷Qt和供电负荷Nnet固定，以热泵投运要求的入口循环水温度或乏汽温度最低值对应的机组运行背压Pc0、以及入口驱动蒸汽压力Pcq0，作为背压调整的寻优迭代的基准工况，测试调节级后压力P0，根据式(4)-(8)确定基准工况的机组标煤消耗B0。
4.根据权利要求3所述的热泵梯级供热机组最佳运行方式的在线确定方法，其特征在于，所述背压调整的寻优迭代的具体方法如下：
热网回水温度ti固定，在此基础上以每次1kPa的幅度抬升热泵梯级供热机组运行背压Pc，此时需调整中排抽汽流量、锅炉蒸发量等参数，以维持总供热负荷Qt、供电负荷Nnet、热泵入口驱动蒸汽压力Pcq0固定不变，机组主要运行参数稳定后记录30min的运行数据，取其平均值，根据式(4)-(8)计算确定第一轮迭代工况的机组标煤消耗B1；
比较B1与B0，若B1≥B0，原基准工况仍作为基准工况；若B1＜B0，将该背压对应运行工况作为新的对比基准工况，继续以每次1kPa的幅度抬升热泵梯级供热机组运行背压，进行下一次寻优迭代；
运行背压抬升操作，直至机组安全运行最高限制值Pc,s和调整手段能够实现的运行背压最高值Pc,max之间的低值为止，通过背压调整的寻优迭代结束；该过程中的标煤消耗量B最低值对应的背压作为新的基准工况，此时运行背压值为Pcb，标煤消耗量为Bb；
热网回水温度ti、总供热负荷Qt和供电负荷Nnet固定，以背压调整的寻优迭代过程中的标煤消耗量B值最低值对应的背压Pcb固定，以背压调整的寻优迭代过程中的标煤消耗量B值最低值对应的背压作为新的基准工况，此时运行背压为Pcb，中排抽汽至热泵的入口蒸汽压力为Pcq0，标煤消耗量为Bb；
通过调整低压缸进汽调阀开度，以每次0.1MPa的幅度抬升中排抽汽至热泵的入口蒸汽压力Pcq，此时调整中排抽汽流量、锅炉蒸发量、循环水泵或空冷风机运行频率，以维持总供热负荷Qt、供电负荷Nnet、机组运行背压Pcb固定不变，记录30min的运行数据，取其平均值，根据式(6)-(10)计算确定第二轮迭代工况的机组标煤消耗B2；
比较B2与Bb，若B2≥Bb，原基准工况仍作为基准工况；若B2＜Bb，将该蒸汽压力对应运行工况作为新的对比基准工况，继续以每次0.1MPa的幅度抬升中排抽汽至热泵的入口蒸汽压力，进行下一次寻优迭代；
中排抽汽至热泵的入口蒸汽压力抬升，直至机组安全运行最高限制值Pcq,s和调整手段能够实现的入口蒸汽压力最高值Pcq,max之间的低值为止，通过蒸汽压力调整的寻优迭代结束；该过程中的标煤消耗量B最低值对应的最终的最佳运行工况，此时运行背压值为Pcb，中排抽汽至热泵的入口蒸汽压力为Pcqb，标煤消耗量为Bbest；
按照上述方法完成剩余11个工况的最佳运行方式确定，得出热泵梯级供热机组在不同供电负荷Nnet、回水温度ti、总供热负荷Qt下的最佳运行背压和中排抽汽至热泵入口压力值。
5.根据权利要求4所述的热泵梯级供热机组最佳运行方式的在线确定方法，其特征在于，对于湿冷机组或间接空冷机组，采用下调循环水泵运行频率以降低总循环水流量的方式抬升机组运行背压；对于直接空冷机组，采用下调空冷风机运行频率或改变运行台数的方式抬升机组运行背压。
6.一种使用权利要求1-5任一项所述方法的热泵梯级供热机组最佳运行方式的在线确定系统，其特征在于，包括：
模型建立模块，上述模型建立模块利用热泵梯级供热机组最佳运行方式的表征参数，建立热泵梯级供热机组盈利值计算模型；
工况划定模块，所述工况划定模块根据边界参数总供热负荷、供电负荷和热网回水温度，划定寻优工况；
运行方式确定模块，所述运行方式确定模块以热泵梯级供热机组标煤消耗量值最低值为导向，确定寻优工况的最佳运行方式。
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