范 江
(太原 太原工业大学)
摘 要
该文在建立鞍山热电厂热力设备的多变量特性方程的基础上, 应用最优化理论, 建立了鞍山 热电厂采暖期负荷分配的优化数学模型, 得出了鞍山热电厂在采暖期负荷分配的优化方案。 图 1 表 2 参 6
主题词: 热电厂 负荷分配 数学模型 研究
k W 的抽汽凝汽机(3 号机) , 并在抽汽背压机
后叠置有 1 台 4000k W 的凝汽机, 示于图 1。 工业抽汽参数为 0. 78～ 1. 27M P a , 抽汽背压 机的排汽压力可在 0. 29～ 0. 588M P a 范围内 调节。 在采暖期后置机和抽汽凝汽机按低真 空循环水供热方式运行, 尖峰热网加热器由 背压机的排汽供给。 母管上装有 2 个减温减 压器, 以备各种热负荷调峰之用。全厂可同时 供应 3 种不同参数的热负荷。 且电热负荷之 间、不同参数热负荷之间, 相互制约。因此, 如 何进行热电负荷及不同参数热负荷间的合理
前言
热电厂的生产任务是向热用户和电用户 输送质量合格的电能和热能, 其输送量的大 小受控于热用户和电用户所需量的大小, 电 厂调度必须根据用户需求调整机组负荷。 不 同的调整方案将使电厂消耗的煤量不同。 但 在安全运行的基础上, 众多的可行方案中一 定存在着一个最好的负荷分配方案, 使热电 厂在满足热、电负荷要求的前提下, 全厂的总 煤耗量最小。 由于热电厂是同时生产形式不 同, 质量不等的 2 种产品—热能和电能, 有时 还存在有 2 种不同的生产方式——热电联产 和分产。因此, 热电厂的负荷分配优化较凝汽 式电厂有一定的复杂性。 本文就鞍山热电厂 采暖期的负荷分配方案进行了优化求解和分 析, 给出了鞍山热电厂在采暖期负荷分配的 合理方案。
0 1 鞍山热电厂概况
鞍山热电厂是 1 个装机容量仅有 4 万
k W 的小型热电厂, 装有
2 台 1. 2 万 k W 的 图 1 鞍山热电厂热力系统示意图
1、2、3、- 75 t /h 锅炉 130 t /h 锅炉
4- 5、6- 抽背式汽轮机 9、10- 冷水塔 7- 抽凝式汽轮机 8- 后置机
抽 汽背压机 ( 1 号机和 2 号机)、1 台 1. 2 万 11、12- 凝汽器 13- 热用户 14- 尖峰热网加热器 17- 热网水泵
15、16- 循环水泵
1996 08 19 收到来稿
第
1 期 动 力 工 程
·27·
分配, 是厂方迫切需要解决的问题之一。 F 2 (D t 2 , P t , Q H Z T , p c 2 ) + D T C Q D
[N c - 4000≥0 12000- N c ≥0 104. 875- D CB ≥0 141- D OB ≥0
D CB - 55≥0
S . T
建立负荷分配的优化数学模型
通常, 最优化是通过模型化进行的, 所以 系统分析中的重要一步是建立优化系统的数 学模型。 数学模型是由系统的目标函数和约 束条件构成的。 目标函数和约束条件确定的 不同, 优化结果也不同。因此建立正确的数学 模型, 首先要明确系统的目标和要求, 应用专 业理论知识分析实际生产过程中, 达到目标 所受到的有关约束和客观条件。 2. 1 确定目标函数
在优化问题的许多可行方案中, 哪个方 案好, 哪个方案不好, 需要有一个衡量的标 准。这个标准可以用一个函数来表示, 我们把 用于评选方案优劣的函数称目标函数。 对于 热电厂的生产出力, 无论生产方式是单纯的 热电联产还是包括热电分产在内都与燃料消 耗量有直接密切的关系。 热电厂在运行管理 与调度中所追求的目标就是在满足负荷要求 的前提下消耗的燃料量最小。因此, 本文选用 鞍山热电厂的小时标准煤耗量最小为目标函 数。 因为全厂的小时标准煤耗量不涉及人为 选定的热量分摊问题, 也不必区分生产方式, 是最能客观体现热电厂运行热经济性好坏的 指标。
2. 2 确定约束条件
约束条件是在保证机组运行安全的前提 下, 根据机组所能承担的最大负荷量, 以及允 许的最小负荷量确定的。 本文中的优化模型 考虑了以下约束: ①各机组的最大进汽量; ② 单机最大电功率; ③机组的最小冷却排汽量; ④背压机的最大排汽量; ⑤单机最小电功率; ⑥限制各变量大于等于零; ⑦满足工业抽汽 和采暖负荷的需求量; ⑧全厂发电量之和等 于电用户需求量; ⑨尖峰热网加热器的最大 供热量限制。 2. 3 数学模型
M i n B s = F 1 ( P t , D t 1 , Q C T , P C 1 ) +
2 4000≥0
N B - N B ≥0 12000- D 0 ≥0
119- D t 1 ≥0 D t 2 ≥0
47. 57×2244- Q C T ×1000≥0 32×2244- Q H Z T ×1000≥0 Q C T ×1000/2244- 12. 9≥0
Q H Z T ×1000/2244- 12≥0
44. 3- (Q 0 - Q C T - Q H Z T ) /
(2969- 636. 8≥0 D T O - D t 1 - D t 2 - D T C = 0 H Z T Q 0 - Q C T - Q - Q B T = 0 N 0 - N C - N B - N H Z = 0
N o ——外界所需的电功率, k W N c ——3 号机发电量, k W
N B ——抽背机发电量, k W D o ——3 号机进汽量, t /h D c ——3 号机排汽量, t /h
B s ——全厂煤耗量, t /h
Q o ——热用户所需采暖负荷, GJ /h
D CH Z ——后置机排汽量, t /h
Q H Z T ——后置机循环水供热量, GJ /h Q B T ——热网加热器供热量, GJ /h D T O ——外界所需的抽汽负荷, t /h N H Z ——后置机发电量, k W D OB ——抽背机进汽量, t /h D CB ——抽背机排汽量, t /h
Q C T ——3 号机循环水供热量, GJ /h
D t 1 ——3 号机抽汽量, t /h
D T 2 ——抽背机抽汽量, t /h P C 1 ——3 号机的排汽压力,M P a
式中
·28·
动 力 工 程 第 17 卷
P C 2 ——后置机的排汽压力,M P a D T C ——减温减压器供汽量, t /h
Q D ——1k g 减压减温汽的热量多耗系
数, kJ /k g
F 1 (P t , D t 1 , Q C T , P C 1 ) —— 3 号机组的
小时煤耗量特性方程
F 2 (D t 2 , P t , Q H Z T , P C 2 ) —— 背压机组
的小时煤耗量特性方程
在建立数学模型前, 已根据循环水供热
运行方式下的大量变工况计算结果, 应用逐 步回归分析, 拟合了有关热力设备参数的多 变量特性方程。
内点法构造惩罚项, 对于等式约束 h i ( x ) 用
外点法构造惩罚项。 其具体形式为:
m
1
r
∑
P (x , r ) =
f (x )
泰晤士报
+ +
g i (x )
i = 1
Θ
1
∑[ h i
陈布雷
(x ) ]
2
r
i = 1
式中 f ( x ) —— 原问题的极小化函数 g i
(x ) 和 h i (x ) ——原问题的约束条件 r ——惩
罚因子, 在求解过程中是一个无穷正数数列。
在计算程序中, 求罚函数 P (x , r ) 的无约 束极小化, 选用的是鲍威尔方法。此方法是目 前求解无约束问题的一个最有效的直接搜索 法。因为鲍威尔法本质上是一种共轭方向法, 但此方法在迭代过程中不需要求导数, 只是 沿着 n 个坐标方向依次求极小, 经过 n 次以 后所得到的 n 个新方向就是相互共轭的了。
3. 2 优化求解结果专题学习网站
对采暖期进行优化求解, 本文选用年平 均热负荷和此负荷下对应的室外温度, 分别
对网水最小流量和设计流量两种情况进行了 优化负荷分配求解。在求解中, 从两种热负荷 分配的基本原则着手进行了计算。第一种, 机 组先满足采暖负荷, 不足的工业负荷由新蒸 汽经减温减压器供给; 第二种, 机组先满足工 业负荷, 不足的采暖负荷由抽背机排汽经尖 峰热网加热器供给。 具体计算结果见表 1 和 表 2。
由表 1 的计算结果可见, 第一种分配原 则的小时煤耗量小于第二种分配原则的小时 煤耗量。通过具体的计算分析得知, 之所以有 这样的优化结果是因为, 3 号机在采用循环
3 数学模型求解
3. 1 优化求解方法
上面建立的优化数学模型属于约束的非 线性规划问题。 对于这类问题的求解方法很 多, 其中罚函数法适用范围较广, 对函数不要
求具有特别的性质, 如凸性等, 对于非线性不 等式与等式约束, 都能较好地处理; 同时此方 法是将一有
约束的非线性问题化为了一系列 的无约束非线性求解, 而对于各类无约束的 非线性问题, 都会到一种有效的成功的求 解方法, 因此使得罚函数的求解很方便。鉴于 上述这些优点, 本文选用了混合罚函数法调 用鲍威尔法编写了计算程序, 上机对数学模 型进行求解。
混合罚函数法是内点罚函数法和外点罚 函数法的组合方法。 这种混合罚函数法克服 了内点法不能处理等式约束、外点法只能近 似地满足约束的缺点。 对于不等式 g 1 (x ) 用
表 1 第一种分配原则的计算结果
N 0 = 24
. 5 (M W ) D TO = 90 ( t /h ) Q 0 = 119 (GJ /h ) T g s T hs G c G H D t 1
D t 2
N c
N B
N H Z Q C T
Q H Z T
Q B T D T C B s 64 52 1200 1200 40. 2 40. 4 11. 9 10. 1 2. 5 72. 0 47. 0 0 9. 4 24. 03 64 52 2200 1433 27. 4 49. 1 11. 2 10. 8 2. 5 72. 0 47. 0 0 13. 5 23. 94 57 45 1200 1200 34. 0 40. 9 12. 0 9. 95 2. 55 72. 0 47. 0
0 15. 1 23. 91 57
45
2200
1433
33. 4 40. 3 11. 8 10. 1
2. 6
72. 0 47. 0
16. 3
23. 90
第
1 期 动 力 工 程
·29·
表 2 第二种分配原则的计算结果
注: T g s , T hs ——室外设计温度下的热网供回水温度, °C 。
G c , G H ——3 号机和后置机的凝汽器循环水量( 热网水流量) , t /h 。
水供热时, 低压部分
( 即工业抽汽口以后) 的 焓降较抽汽背压机的焓降大。例如, 在室外温 度为- 6. 2°C 、工业抽汽压力为 1. 02M P a 时, 经变工况计算得, 3 号机低压部分进汽焓为 3054. 8 kJ /k g 、排汽焓为2459. 4 kJ /k g 、焓降 为 595. 4kJ /k g ; 抽汽背压机进汽焓为3365. 4
kJ /k g 、排汽焓为 2964. 1kJ /k g 、焓降为401. 3 kJ /k g 。
见表 1 和表 2 中第 2 栏的分配结果: 第一种分配原则的热网加热器负荷为 0, 减 温减压器负荷为 13. 5 t /h ; 第二种分配原则 的热网加热器负荷为 26. 62GJ /h , 折合背压 机的排气量为 11. 44 t /h , 减温减压器负荷为 0。在发电量、采暖热负荷、工业抽汽量相同的
条件下, 两种方案进行比较, 不同之处是它们
的 外 部 热 化 发 电 量 不 同, 第 一 种 方 案 为 21438. 9k W , 第二种方案为 20923. 3k W , 故 第一种方案的外部热化发电量比第二种方案 的外部热化发电量多515.
6k W 。
通常, 供热机组的热化发电量是由外部 热化发电量和内部热化发电量组成。 由于鞍
山热电厂在采暖期使用循环水供热, 所以其 机组的发电量均为热化发电量, 如表 1 和表
2 中全厂的热化发电量为 24500k W 。 通过前
面的计算分析可知, 第一种方案的内部热化
发电量比第二种方案的内部热化发电量小。 即 D o 1 = D p 1 [ (h p 1 - t p 1 ) + ( t f w - t h ’m )
( t f w - t h ’m ) ]/ (2) 同理, D o 2 = D p 2 [ (h p 2 - t p 2 ) + ( t f w - t h ’m ) ]/( t f w - t h ’m )
(3)
式中 D p 1、D p 2 ——分别为方案一和方案二 的假想回热抽汽量
h p 1、h p 2 ——分别为方案一和方案二的
假想回热抽汽焓
t p 1、t p 2 ——分别为方案一和方案二的
假想回热抽汽压力下的饱和水焓 h o 1、h o 2 ——分别为方案一和方案二的
新汽焓
(h o 1 = h o 2 D o 1、D o 2 ——
分别为方案一和方案二 的机组新汽耗量
t f w - t h ·m ——分别为锅炉给水焓和供
热返回水与补充水的混合焓
D h ·t = D o 1 - D p 1 是方案一的对外供热蒸汽 量; D o 2 - D p 2 是方案二的对外供热蒸汽量。已 知: h o 1 = h o 2 , 若忽略 h p 1 和 h p 2 间的微小变
化, 由式 ( 1) 得 D p 1 < D p 2; 再忽略 t p 1 和 t p 2 间 的 微小变化, 由式 ( 2 ) 和式 ( 3 ) 可得: D o 1 <
D o 2。
这一结果表明, 在热化发电率相同的条 件下, 外部热化发电量小意味着机组单位进
汽量的作功能力小, 使得发电总汽耗量增加, 导致煤耗量增加。 通过上面的分析计算可
以得出, 鞍山热
电厂在采暖期的合理负荷分配方案是: 先满 足采暖负荷, 不足的工业用汽由新蒸汽减温 减压供给。 此种分配原则比先满足工业负荷 的分配方案全年可节约标准煤 1009 t 。集成供应链管理系统
D P 1 (h o 1 - h p 1 ) < D p 2 (h o 2 - h p 2 ) 由假想回热加热器的热平衡式: D p 1 (h p 1 - t p 1 ) = D h ·t ( t f w - t h ·m ) 可得:
(1)
D p 1 (h p 1 - t p 1 ) = (D o 1 - D p 1 ) ( t f w - t h ’m )
N 0 = 24
. 5 (M W ) D TO = 90 ( t /h ) Q 0 = 119 (GJ /h ) T g s T hs G c G H D t 1
D t 2
N c
N B
N H Z Q C T
Q H Z T
Q B T
D T C B s 64 52 1200 1200 60. 2 29. 8 11. 8 10. 2 2. 5
ppva
49. 1 47. 0 22. 9 0 24. 35 64 52 2200 1433 57. 8 32. 2 11. 3 10. 7 2. 5 45. 4 47. 0 26. 6 0 24. 37 57 45 1200 1200 59. 3 30. 7 11. 3 10. 6 2. 6 43. 7 47. 0 28. 3 0 34. 38 57
45
2200
1433
62. 2 27. 7 11. 4 10. 5
2. 6
40. 4 47. 0 31. 6
24. 41
·30·
动 力 工 程 第 17 卷
结论
江汉大学实验师范学院
鞍山热电厂采暖期负荷分配的优化结果
提示我们: 在热电厂的负荷分配方案中, 全部 是热化供热的方案并不一定优于有部分分产 供热的方案, 方案的好坏要取决于外部热化 发电量的大小。例如, 表 1 和表 2 中第 2 栏的 分配结果, 方案一的供热存在部分分产供热
4 参 考 文 献
1 2 武学素. 热电联产. 西安交通大学出版社, 1988
马芳礼. 电厂热力系统节能分析原理. 水力电力出版 社, 1992
席少霖, 赵风治. 最优化计算方法. 上海科学技术出版 社, 1983 郭炳然. 最优化技术在电厂热力工程中的应用. 水力电 力出版社, 1986 供热工程. 冶金工业出版社. 1988 郑体宽. 热力发电厂. 水力电力出版社, 1986
3 4 5 6
(减温减压器供汽 13. 5t /h ) , 而方案二的供
热全部是热化供热, 但小时煤耗量却是方案 一小于方案二。通过上面的分析已知, 其原因
是方案一的外部热化发电量大于方案二, 使 得机组单位进汽耗量的作功能力大, 发电总 汽量减少, 煤耗量降低。
作者简介 范 江, 女, 生于 1959 年, 1981 年 12 月毕 业于太原工学院( 现改名为太原工业大学) 电厂热能动力专 业, 获学士学位。1982 年 1 月至今, 在太原工业大学热能工 程系任教, 并于 1992 年 9 月～ 1995 年 7 月在西安交通大学 攻读在职研究生, 获硕士学位。
(上接第 4 页)
已超过 6500h , 商业运行实绩证明该型锅炉 安全可靠。
质试验报告
5 朱才广, 陈必伟等. <63. 5mm ×7. 5mm , <60m m ×7m m
圆弧槽和矩型槽内螺纹管传热特性试验研究
6 王全震等. 铁岭电厂 H G
21021/18. 22YM 4 锅炉超压 5◊ 汽水品质试验研究
参 考 文 献
1 美国
C E 公司 R E G A N J W 等. 亚临界压力汽包锅炉 的循环系统. 1983 第一作者简介 朱才广, 男, 1965 年毕业于西安交通 大学, 研究生。现为上海发电设备成套设计研究所锅炉室教 授级高工, 中国双相流体协会理事。曾负责国家重点科技攻 关项目“恶化传热试验台”、“超临界水动力试验台”、“超压
5◊ 自然循环锅炉研制”的试验研究。
2 张才根等. 超压 5% 自然循环锅炉锅筒内部轴流式分
离器分离过程冷态试验报告
3 张富祥等. 华中华能阳逻电厂 1 号炉水循环试验报告
4 钱鸿根等. 超压 5% 亚临界压力自然循环锅炉汽水品
豫公网安备41160202000603
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