CN113221274B - 基于对数平均温差及遗传算法的湿冷机组凝汽器经济背压计算方法 - Google Patents

Abstract

基于对数平均温差及遗传算法的湿冷机组凝汽器经济背压计算方法，涉及火电厂冷端系统经济性优化领域。本发明是为了计算湿冷机组凝汽器的最经济背压，以核算最经济背压的节能效果。本发明所述的基于对数平均温差及遗传算法的湿冷机组凝汽器经济背压计算方法，首先，建立循环冷却水变频泵功耗与凝汽器背压之间的函数；然后，基于该函数，计算机组供电功率变化量最大时所对应的背压，并将该背压作为凝汽器最经济背压。

Description

基于对数平均温差及遗传算法的湿冷机组凝汽器经济背压计 算方法

技术领域

本发明属于火电厂冷端系统经济性优化领域。

背景技术

湿冷机组凝汽器及冷却塔工作示意图如图1所示，循环冷却水泵驱动冷却水，在凝汽器内将低压缸排汽冷凝成水，形成真空，同时，循环冷却水在冷却塔内被空气冷却降温。当前湿冷机组的循环冷却水泵一般为工频泵，循环冷却水泵流量不变，凝汽器背压仅随着环境温度和低压缸排汽流量(机组负荷)变化：机组负荷降低则背压随之降低；环境温度降低则背压随之降低。因此，在环境温度低和机组负荷低时，背压远低于设计背压，此时循环冷却水过量，背压并不一定是最经济背压。

随着风电和太阳能等新能源大规模并网，火电机组发电份额逐年降低，单个火电机组的发电负荷越来越低，在低负荷运行时间大幅度增长，湿冷机组在低负荷下的背压经济性越来越受重视，开始将循环冷却水工频泵改造为变频泵，通过调节水泵流量来调整背压，以寻求更大的经济性。然而，现在对于湿冷机组凝汽器最经济背压的研究较少，无法获得湿冷机组凝汽器的最经济背压。

发明内容

本发明是为了计算湿冷机组凝汽器的最经济背压，以核算最经济背压的节能效果，现提供基于对数平均温差及遗传算法的湿冷机组凝汽器经济背压计算方法，能够针对凝汽器换热性能退化进行经济背压在线计算。

基于对数平均温差及遗传算法的湿冷机组凝汽器经济背压计算方法，包括以下步骤：

基于对数平均温差结合循环冷却水回水温度T1确定循环冷却水供水温度T2；

根据乏汽散热量Q、循环冷却水回水温度T1和循环冷却水供水温度T2，确定循环冷却水流量q₂；

利用循环冷却水流量q₂计算循环冷却水变频泵功耗W；

建立循环冷却水变频泵功耗W与凝汽器背压p_c之间的函数NQQJL：

W＝NQQJL(q,T1,p_c)，

其中，q为主蒸汽流量；

结合函数NQQJL，利用遗传算法寻找机组供电功率变化量ΔN最大时所对应的背压p_cn，并将该背压p_cn作为凝汽器最经济背压p_jj。

进一步的，由于湿冷机组凝汽器换热守恒，则有凝汽器冷热端换热量与乏汽散热量Q相等，因此，选定凝汽器冷热端换热面积A和换热系数α，基于对数平均温差能够确定循环冷却水供水温度T2：

其中，T_S为凝汽器背压p_c的饱和蒸汽温度。

进一步的，上述获得乏汽散热量Q的具体方法为：

选定主蒸汽流量q和凝汽器背压p_c，

查寻水的物性函数表获得凝汽器背压p_c对应的汽化潜热r，

根据汽化潜热r和主蒸汽流量q计算乏汽散热量Q。

进一步的，根据下式计算乏汽散热量Q：

Q＝H(q)*r，

其中，H(q)为乏汽流量，是主蒸汽流量q的函数。

进一步的，根据下式确定循环冷却水流量q₂：

q₂＝Q/(T1-T2)/C_p，

其中，C_p为冷却水的平均定压比热容。

进一步的，根据下式计算循环冷却水变频泵功耗W：

W＝(q₂/q₀)³*W₀，

其中，q₀为循环冷却水泵设计流量，W₀为循环冷却水泵设计功率。

进一步的，上述利用遗传算法寻找机组供电功率变化量ΔN最大时所对应的背压p_cn的具体方法为：

设背压p_cn变化范围为[p_cmin,p_cbj]，其中p_cmin为凝汽器最低背压，p_cbj为凝汽器警戒背压，

在背压p_cn变化范围[p_cmin，p_cbj]内，以0.1kPa为间隔，利用遗传算法寻找机组供电功率变化量ΔN的最大值ΔN_max所对应的背压p_cn。

进一步的，上述机组供电功率变化量ΔN表达式如下：

ΔN＝ΔP-[NQQJL(q,T1,p_cn)-W₀]，

其中，W₀为循环冷却水泵设计功率，ΔP为汽轮机微增功。

进一步的，根据下式计算汽轮机微增功ΔP：

其中，P_e为机组额定功率。

进一步的，上述遗传算法的调用格式为：

[-ΔN_max,p_jj]＝ga(-MAXΔN,5,[],[],[],[],[p_cmin],[p_cbj],[],options)

其中，MAXΔN为ΔN的取值函数，options为遗传算法的属性设置函数。

本发明所述的基于对数平均温差及遗传算法的湿冷机组凝汽器经济背压计算方法，建立了函数NQQJL用于计算不同主蒸汽流量q和循环冷却水回水温度T1的情况下，凝汽器背压p_c与循环冷却水变频泵功耗W之间的对应函数关系。利用遗传算法的全局寻优能力，寻找机组供电功率变化量ΔN最大值对应的最经济背压。本发明所述的基于对数平均温差及的湿冷机组凝汽器经济背压计算方法，能够针对凝汽器换热性能退化计算湿冷机组凝汽器的最经济背压，进而便于核算最经济背压的节能效果。

附图说明

图1为湿冷机组凝汽器及冷却塔工作示意图；

图2为本发明所述的基于对数平均温差及遗传算法的湿冷机组凝汽器经济背压计算方法的流程图。

具体实施方式

在电厂中，供电功率N是发电机功率P与循环冷却水变频泵耗功W、其他设备耗功M之差，即：

N＝P-W-M。

在分析经济背压时，通常认为其他设备的功耗不受背压变化的影响，即假设机组运行在一定负荷下，循环冷却水变频泵运行在设计功率，此时机组运行背压为p_c0，机组发电机端发电功率为P₀，循环冷却水变频泵耗功为W₀，机组供电功率为N₀。以此状态为基准，通过调节循环冷却水变频泵转速来调整机组背压至p_c，在这过程中循环冷却水变频泵耗功的变化量为ΔW，发电机端发电功率变化量为ΔP，如果：

ΔN＝ΔP-ΔW＝(P-P₀)-(W-W₀)≥0，

那么调整背压对整机的供电功率是有提升的，因此，称这样的过程为背压调整收益过程，而在这个过程中，当调整到某一背压p_c′时，使得：

ΔN_max＝|ΔP-ΔW|_max，

称这个背压值p_c′为该工况下的经济背压，产生的经济效益为ΔN_max。

基于此，本实施方式首先建立了函数NQQJL，用于计算不同主蒸汽流量q(机组负荷)、循环冷却水回水温度T1的情况下，凝汽器背压p_c与循环冷却水变频泵功耗W之间的对应函数关系。并再次基础上采用遗传算法的方式，寻找机组供电功率变化量ΔN最大值以及对应的凝汽器最经济背压p_jj。具体步骤如下：

具体实施方式一：结合图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于对数平均温差及遗传算法的湿冷机组凝汽器经济背压计算方法，具体为：

首先建立凝汽器机理模型，用于计算不同主蒸汽流量q(机组负荷)、循环冷却水回水温度T1的情况下，凝汽器背压p_c与循环冷却水变频泵功耗W之间的对应函数关系：

1)确认工况环境，选定主蒸汽流量q、凝汽器背压p_c、凝汽器冷热端换热面积A、循环冷却水回水温度T1和换热系数α。

2)根据凝汽器背压p_c，查询水的物性函数表获得对应的汽化潜热r。

3)根据蒸汽冷凝时释放的汽化潜热r和主蒸汽流量q计算乏汽散热量Q：

Q＝H(q)*r，

其中，H(q)为乏汽流量、是主蒸汽流量q的函数，且该函数为单调递增函数，由机组运行特性决定。乏汽散热量Q中忽略了乏汽的含湿量和冷凝水的过冷度。

4)确定循环冷却水供水温度T2。

由于凝汽器换热守恒，则凝汽器冷热端换热量与乏汽散热量Q相等，因此，凝汽器冷热端换热量的计算公式为：

根据上述就能够计算出循环冷却水供水温度T2。上式中，T_S为凝汽器背压P的饱和蒸汽温度，由水的物性决定。

基于此，凝汽器工作状态稳定时有：

由于凝汽器运行时，凝汽器背压与冷却水流量一直处于动态变化中，并不是一直在稳定状态，不能直接用于计算系数。随着机组运行，凝汽器的换热性能逐渐退化，凝汽器冷热端换热面积A与换热系数α的乘积αA逐渐减小，经济背压会随之改变。本实施方式能够在线实时估计αA，并同步计算经济背压，保证凝汽器换热性能退化时，经济背压能及时跟进变化。因此，使用最小二乘法在线计算得到αA，来消除凝汽器工作状态动态变化对换凝汽器换热性能计算的影响。同时，为了避免数据饱和现象，保证αA能够及时跟踪凝汽器换热性能退化，采用渐消记忆递推最小二乘法，渐消对旧数据的记忆。

5)确定循环冷却水流量q₂。

根据乏汽散热量Q、循环冷却水回水温度T1和循环冷却水供水温度T2，确定循环冷却水流量q₂：

q₂＝Q/(T1-T2)/C_p，

其中，C_p为冷却水的平均定压比热容。

6)确定循环冷却水变频泵功耗W。

循环冷却水变频泵功耗W与循环冷却水流量q₂的三次方成正比，则循环冷却水变频泵功耗W＝(q₂/q₀)³*W₀，其中，q₀为循环冷却水泵设计流量，W₀为循环冷却水泵设计功率。

基于上述步骤，从而建立循环冷却水变频泵功耗W与凝汽器背压p_c之间的函数NQQJL：

W＝NQQJL(q,T1,p_c)。

在凝汽器最低背压p_cmin的基础上，当背压增加到p_cn时，此时循环冷却水变频泵功耗从W₀降低到W_2n＝NQQJL(q,T1,p_cn)，循环冷却水变频泵功耗的增加量为ΔW＝W_2n-W₀。

在背压变化时对汽轮机微增功估算，一般认为背压下降1kPa，汽轮机发电功率升高0.8％。因此，在凝汽器最低背压p_cmin的基础上，增加背压达到p_cn，汽轮机微增功其中P_e为机组的额定功率。

因此，在不同主蒸汽流量q、循环冷却水回水温度T1的情况下，背压从凝汽器最低背压p_cmin升高到p_cn，机组供电功率变化量ΔN与背压p_cn的关系如下：

则设背压p_cn变化范围为[p_cmin，p_cbj]，p_cbj为凝汽器警戒背压。在背压p_cn变化范围[p_cmin,p_cbj]内，以0.1kPa为间隔，利用遗传算法的全局寻优能力，寻找机组供电功率变化量ΔN的最大值ΔN_max所对应的背压p_cn，该背压p_cn即为凝汽器最经济背压p_jj。

所述遗传算法的计算程序在MATLAB中的调用格式为：

[-ΔN_max,p_jj]＝ga(-MAXΔN，5，[]，[]，[],[],[p_cmin],[p_cbj],[],options)，

其中，MAXΔN为ΔN的取值函数，options为遗传算法的属性设置函数。

[-ΔN_max，p_jj]中，ΔN_max为当前设备特性和机组工况下，机组供电功率变化量ΔN的最大值，p_jj为对应的最经济背压。

Claims (5)

1.基于对数平均温差及遗传算法的湿冷机组凝汽器经济背压计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于对数平均温差结合循环冷却水回水温度T1确定循环冷却水供水温度T2；

根据乏汽散热量Q、循环冷却水回水温度T1和循环冷却水供水温度T2，确定循环冷却水流量q₂；

利用循环冷却水流量q₂计算循环冷却水变频泵功耗W；

建立循环冷却水变频泵功耗W与凝汽器背压p_c之间的函数NQQJL：

W＝NQQJL(q,T1,p_c)，

其中，q为主蒸汽流量；

结合函数NQQJL，利用遗传算法寻找机组供电功率变化量ΔN最大时所对应的背压p_cn，并将该背压p_cn作为凝汽器最经济背压p_jj；

由于湿冷机组凝汽器换热守恒，则有凝汽器冷热端换热量与乏汽散热量Q相等，因此，选定凝汽器冷热端换热面积A和换热系数α，基于对数平均温差能够确定循环冷却水供水温度T2：

其中，T_S为凝汽器背压p_c的饱和蒸汽温度；

利用遗传算法寻找机组供电功率变化量ΔN最大时所对应的背压p_cn的具体方法为：

设背压p_cn变化范围为[p_cmin,p_cbj]，其中p_cmin为凝汽器最低背压，p_cbj为凝汽器警戒背压，

在背压p_cn变化范围[p_cmin,p_cbj]内，以0.1kPa为间隔，利用遗传算法寻找机组供电功率变化量ΔN的最大值ΔN_max所对应的背压p_cn；

机组供电功率变化量ΔN表达式如下：

ΔN＝ΔP-[NQQJL(q,T1,p_cn)-W₀]，

其中，W₀为循环冷却水泵设计功率，ΔP为汽轮机微增功；

根据下式计算汽轮机微增功ΔP：

其中，P_e为机组额定功率；

遗传算法的调用格式为：

[-ΔN_max,p_jj]＝ga(-MAXΔN,5,[],[],[],[],[p_cmin],[p_cbj],[],options)

其中，MAXΔN为ΔN的取值函数，options为遗传算法的属性设置函数。

2.根据权利要求1所述的基于对数平均温差及遗传算法的湿冷机组凝汽器经济背压计算方法，其特征在于，获得乏汽散热量Q的具体方法为：

选定主蒸汽流量q和凝汽器背压p_c，

查寻水的物性函数表获得凝汽器背压p_c对应的汽化潜热r，

根据汽化潜热r和主蒸汽流量q计算乏汽散热量Q。

3.根据权利要求2所述的基于对数平均温差及遗传算法的湿冷机组凝汽器经济背压计算方法，其特征在于，根据下式计算乏汽散热量Q：

Q＝H(q)*r，

其中，H(q)为乏汽流量，是主蒸汽流量q的函数。

4.根据权利要求1所述的基于对数平均温差及遗传算法的湿冷机组凝汽器经济背压计算方法，其特征在于，根据下式确定循环冷却水流量q₂：

q₂＝Q/(T1-T2)/C_p，

其中，C_p为冷却水的平均定压比热容。

5.根据权利要求1所述的基于对数平均温差及遗传算法的湿冷机组凝汽器经济背压计算方法，其特征在于，根据下式计算循环冷却水变频泵功耗W：

W＝(q₂/q₀)³*W₀，

其中，q₀为循环冷却水泵设计流量，W₀为循环冷却水泵设计功率。