（动力机械及工程专业论文）电站负荷最佳运行分配的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 随着产业结构的调整，我国的用电结构和需求发生了较大的变化，导致电网负 荷峰谷差日益增大，大型火力机组参与调峰已成为各电厂所面临的一项十分迫切的 问题。在调峰过程中，必须合理的安排机组运行、科学分配各机组所承担的负荷量， 才能使全厂或整个电力系统取得最大经济效益。 为了满足电厂运行经济性的需求，本文针对单元制机组的生产特性、能耗特性、 大型电站机组调峰运行中存在的问题作了深入的分析和研究。阐明了能耗特性曲线 在负荷动态分配工作中的重要作用，讨论了影响机组能耗特性的众多因素，总结出 了一种切实可行的、可用于负荷动态分配的在线机组能耗特性曲线整定方案。 针对大型机组调峰运行中存在的问题，本文经过对常用的四种调峰方式即： 低负荷调峰运行、启停两班制调峰运行、少蒸汽无负荷调峰运行、低速旋转热备用 调峰运行的比较，提出了在机组负荷下降时，结合负荷变化时间和趋势来决定机组 调峰运行方式的具体解决方法， 在建立了杌组动态实时能耗特性数学模型后，通过对模型求解方法的反复对比 分析。选用了较其他算法更有优势的动态规划法来进行数学模型的解算。结合对机 组运行的特点和负荷变化特性分析，得出了燃煤火力发电厂现有机组间的最优组合 和最佳负荷分配方案。并能通过一次计算，相应得到参与调峰运行机组运行状态的 最优解。 结合上述研究成果和理论，本文开发出了一套可用于调峰运行负荷分配的辅助 决策软件。通过对比性、功能性实验结果表明，该系统具有解算精度高，计算速度 快，符合现场生产要求等特点，具有一定的实用性，能较大的提高电厂机组运行经 济性。并为进一步开发、完善通用火力电站变工况负荷分配计算机辅助分析、决 策系统打下了坚实的基础。 关键词：煤耗，数学模型，负荷经济分配，动态规划，经济调度 重壅奎堂堡主堂垡堡奎墨茎! 塑墨 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho b j e c ti st h el o a dd i s t r i b u t i o na n dw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i co fb i gp o w e r p l a n tt h a tw o r k i n g w i t hm u t a t i v el o a d t h er e s e a r c he f f o r to ft h i sp a p e rg i v eag r e a th e l p t ot h ef i n a ld e v e l o p m e n to fg e n e r a la s s i s t a n ta n a l y t i c a la n dd e c i s i o n m a k i n gs y s t e mo f c o a lb u mp o w e r - s t a t i o na b o u to p t i m u ml o a dd i s t r i b u t i o nd u n n gt h ep e r i o do f l o a d c h a n g i n g i no r d e rt oa n a l y z ea n dr e s e a r c hd e e p l yi nw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i ca n de n e r g ye x p e n d o fm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e do nw o r k i n gp a r a m e t e ra n dt h ep r o b l e m o fu n i tw o r k i n gw i t hv a r i a t i o n a ll o a dr e q u e s t a l g o r i t h mo fm m h e m a t i c a lm o d e li s d y n a m i cp r o g r a m m i n g w h i c hh a v eal o to fa d v a n t a g et os o l v et h i sk i n do fp r o b l e m - w i t h t h em e t h o do ft h i sp a p e r 。w ec a l lg e tt h eo p t i m u ml o a dd i s t r i b u t i o ni nw o r k i n gu n i t sa n d a l s oc a ng e tt h eb e s tc o m b i n a t i o no fa i lt h eu n i t si no n ep o w e rs t a t i o n w i t ha c c u r a t e c a l c u l a t i o n ，t h et o wr e s u l tc a l lb eg e ta tt h es a m et i m e t h ea s s i s t a n ts y s t e mb a s e d0 1 1t h em e t h o do ft h i sp a p e rh a v eb e a e ra c c u r a c ya n d v e l o c i t y , i ts u i tt h ew o r k i n gc h a r a c t e ra n dp r a c t i c a l i t yo fr e a ll o a dr e q u e s to fp o w e r s t m i o n i tc a nb ea p p l i e di nr e a lp o w e rs t a t i o nt or e d u c et h ec o n s u m p t i o no fe n e r g y t h i sp a p e ra l s og i v es o m ee x p e r i m e n to fc o n t r a s t i n gw i t ho t h e rs o l u t i o n w i t ht h e a c c u r a t ec a l c u l a t i o nw eh a v eg i v e ns o m ec o n c l u s i o na n ds o l u t i o na b o u tt h ef a c t o rt h a t w i l la f f e c tt h ew o r k i n ge f f i c i e n c yo fp o w e rs t a t i o na n du n i t k e y w o r d s ：c o a lc o n s u m p t i o n r ，m a t h e m a t i c a lm o d e l te c o n o m i cl o a dd i s t r i b u t i o n d y n a m i cp r o g r a m m i n g ，e c o n o m i cd i s p a t c h 重庆大学硕士学位论文 1 前言及文献综述 1 前言及文献综述 1 1 电厂负荷经济调度的意义及现状 1 1 1 电厂负荷经济调度的意义 随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，以及国家能源政策及产业结构的 改变，电网中负荷的峰谷差越来越大。为了维持电网发电量与电网用电量的平衡， 就必须要求电网随时根据用电负荷的变化调整其供电量。然而，电网供电量负荷的 调整是通过对电网中各发电厂的发电量的调整来实现的，电厂发电量的变化则最终 是依靠调整各机组的负荷量来完成的，所以电网负荷的变化必将导致电厂机组的负 荷变化。 在负荷越来越大的峰谷差影响下，让大型火力发电机组参与调峰已经成为各电 厂无法回避的选择。在机组调峰过程中，锅炉、汽机等主要设备的负荷必将随负荷 变化而变化，所以，在满足用电需求、保证电力系统运行安全、稳定和主要设备“健 康”的前提条件下，合理的安排机组的调峰运行方式、将电厂从电网中分得的总负 荷经济、合理的分配给厂内各台机组，以取得全厂和整个电力系统的最大经济效益 也己成为工程技术人员竞相追求的目标。特别是在当前，在国家电力公司即将出台 实行厂网分开、竞价上网的政策趋势下，各电厂的运行水平高低、发电能耗量的大 小均将成为电厂今后生存、发展的决定性因素。科学合理的分配负荷，提高运行 管理水平是众多电厂迫切需要实现的目标和努力的方向。 我国是资源丰富但人口众多的国家，人均资源相对不足。节约能源是我国的一 项基本国策。火电厂一直是消耗一次能源的大户，节能潜力巨大。就2 0 0 0 年来看， 电力工业一年耗煤约5 0 0 m t ，而且，依照“经济要发展，电力须先行”的方针，我 国还必须大力发展电力工业。预计到了2 0 5 0 年，总装机容量将达到1 0 0 万1 3 0 万 m w 左右。照此势头发展下去，电力工业对煤炭的需求在未来5 0 年内将大量增加。 到2 0 5 0 年，年煤耗将高达2 2 5 g t 。届时，煤炭要满足电力工业的发展将有相当的 难度，这就要求电力系统本身要进一步节约能源。在如此大的燃料消耗基数下，如 果每发一度电节约1 9 煤，全国每年将节约煤2 0 万吨以上。在火力发电厂内实现机 组负荷经济调度可望节煤约1 ，每年将节约燃煤近4 0 0 万吨以上。尤其是因近几 年燃料价格上涨，在燃料短缺时电厂往往要补充高价燃料，这更使得发电支出的燃 料费用上升、生产成本大幅提高。由此可见，在火电厂实现负荷合理分配、科学经 济调度的应用前景是非常可观的。 重庆大学硕士学位论文 1 前言及文献综述 在当前国家能源供应十分紧张的情况下，大力开展提高节能意识、加强能源管 理、降低电厂能源消耗的工作，一方面可以提高电厂经济性，另一方面还可减少 因燃用矿石燃料而带来的大气污染。这也对提高空气质量、改善生态环境、实施可 持续发展战略有着积极的贡献和不可忽视的作用。 1 ，1 2 电厂经济调度的现状 目前，由于电网负荷的峰谷差值越来越大，电网日负荷曲线图和周负荷曲线图 的不均匀性也日益加剧。这使得以前单纯依靠水电机组的调峰运行方式不再能满足 电网的实际需求，电网在越来越多的时候要求火力发电机组参与调峰工作。然而由 于火电机组设计工况一般都在满负荷附近，机组在低负荷运行、偏离设计值时，机 组效率将显著降低，因此在总负荷量一定的条件下，合理的分配各台机组应承担的 负荷，就显得格外重要。 在火电厂优化运行方面，前人己做过大量的研究工作，积累了许多宝贵经验。 如最初在循环水系统的管理中使用循环水泵台数的经济调度：在汽轮机并列运行时 按汽耗微增率曲线分配负荷等，这些研究成果均在一定程度上提高了火电厂的运行 水平积经济性。近年来，随着计算机技术的发展和数学规划理论在技术开发领域的 推广应用，火电厂优化运行的前景变得更为广阔。用数学规划理论对回热参数、机 组变压运行时的蒸汽初压及各机组的给水分配、循环水分配、电热负荷分配、补水 量分配等问题进行优化分析时，可以考虑在更多具体影响因素的条件下寻找最优方 案，借助计算机可使优化方法的实现变得既准确又方便。许多优化方法在工程实际 中的应用结果表明，优化后的经济收益显著。例如，在九台给水泵间进行经济调皮， 与未按经济调度时相比，全年节电约8 2 1 万度1 1 1 ；在大型火电厂机组间进行最佳电 负荷分配，每年也可节约标煤近万吨。 火电厂运行优化一般分为两大类：主机优化和辅机优化。它们各自又分为两个 方面：一方面是单机优化，即以单机热经济性指标或技术经济性指标达到最优为目 标的优化：另一方面是全厂优化，即不以单个机组的热经济性或技术经济性指标达 到最优为目标，而是以包括全厂所有机组在内的总的热经济性或技术经济指标最优 为目标进行优化。本文的工作属于第二大类即全厂优化范畴。 国内外全厂优化的研究工作，迄今大致可分为三类：主机负荷最佳分配； 给水系统优化：补水最佳分配。在这三类研究中补水、给水最佳分配主要是针对 母管制机组而言的，而对大型单元制机组来说，负荷的合理分配比给水系统优化带 来的收益往往更大，所以本文的工作重点集中在对单元制机组间负荷合理分配的研 究上。 对于大型单元制机组负荷分配问题的研究方法，目前大致也可分为三类： 2 重庆人学硕士学位论文 1 前言及文献综述 等微增率法 这是一种建立在古典变分原理基础上的经典方法。简单易懂，便于使用，是目 前电厂实际电负荷经济调度的主要方法之一，但该法存在不少缺点： a 从数学规划理论角度来看，其寻优方法比较陈旧、落后。 b 必须对煤耗特性曲线作线性的简化处理，因此会带来较大的误差。 c 对煤耗特性曲线有较苛刻的要求( 要求煤耗特性曲线为单调凸函数) 。按等微 增率实现的机组负荷分配并不一定能使总的能耗最小，这往往要根据各机组的煤耗 微增率曲线而定，只有在各机组煤耗微增率曲线都呈连续可微的单调凸函数前提条 件下，按等微增率分配的负荷才是最经济的。否则，结果很可能是不经济的。 d 对于并列运行的供热机组作热电负荷的分配时，若各机组的热、电负荷同 时变化，则很难用能耗微增率的形式来较为清晰地表达目标函数，从而使它的应用 遇到很大的困难。 因此，等微增率法已不再适用于做较为精确的负荷分配优化计算了。 非线性规划法 这种方法也常用来研究机组间的负荷优化调度问题。它是根据电厂提供的机组 热力试验数据，构造出一组描述系统实际过程的数学模型，并用菲线性规划方法求 得最优化方案的一种复杂解算方法。求解这种模型常用的方法是罚函数法1 2 1 。这种 方法虽然在大多数情况下可以计算出最优值，但其过程复杂，计算量大，且在变量 边界附近容易使寻优陷入死循环1 3 】所以在工程中的应用受到了很大的限制，还有 待研究。 线性规划法和动态规划法 建立在现代优化理论基础上的这两种方法，在负荷调整过程中，对机组的煤耗 特性曲线无任何使用条件限制，非常适合当前电厂生产的实际特点，在很少的机组 热力实验数据或运行数据的支持下能够很好的求解最优化问题，随着计算机技术的 发展和现代最优化理论的日趋完善，其优化思想正日益备受关注，在工程中的应用 也越来越广泛。 总之，当前国内外在火电厂运行优化方面的研究已越来越广泛深入。尤其是最 近十多年来，在研究电厂热力系统及设备最优化设计、最优化控制管理的理论方面 取得了长足的进步，在推广应用、仓造实际效益的方面也取得了很大的成就，但要 使最优化技术在实际应用中取得更大的效益，还必须解决一个不容忽视的问题，即 如何处理实际中存在的不确定因素，以使采用最优化方法得到的系统运行方案或各 种决策参数达到真j 下的最优。 当前的最优化技术多数情况下只适用于确定性的最优化问题，即建立最优化模 型的所有原始信息、数据为己知，都在研究期内不随时间的变化而变化，然而实际 重庆大学硕士学位论文 1 前言及文献综述 应用中存在许多不确定因素，对于负荷分配主要有燃料、能耗的变化，机组设备的 性能指标变化等。由于从对电厂热力系统的设计、安装和调试到系统正常运行需要 很长的周期，这期间很多因素都在发生变化，而且在以后更长的时间内还会不断地 变化，即使在当前，也有一些原始数据不能准确掌握。因此，采用确定性优化技术 得到的优化方案与实际情况将产生一定的偏差。另外，由于电厂内机组的主要辅助 设备在设计制造质量上存在较多的缺陷，如高加故障多。投运率低，凝汽器真空系 统泄漏，机组真空达不到设计要求等。加之各机组运行管理人员的素质差异、检修 水平和维护水平的不同，机组运行状态存在着差异，各台机组的性能曲线也会有所 差别。在这种复杂多变的情况下，为了解决好这类问题，就必须使系统能动态修正 模型，使其符合或更加接近于实际生产状况，为求出更精确的最优化结果打下坚实 的基础。 目前，实际大多数电厂中采用的负荷分配方法还是效率法，这种方法是让效率 高的机组承受较高的负荷或是满负荷，即按效率的高低顺序承带负荷。事实和数学 推导证明，并列运行机组间的负荷分配并不像人们直观的认识那样取决于机组的效 率( 或机组耗量本身) ，而是取决于机组耗量的变化率。因此这种依靠效率大小决定 机组负荷量大小的方法并不科学。 火电厂的负荷经济调度，除了在并列运行的机组间优化分配负荷之外，还有单 元机组的优化组合和开停机计划的确定，而前者是针对给定电厂的运行机组组合为 前提的：后者则是在全厂可运行机组涮进行优化组合。众所周知，单元机组参与调 峰的途径有诱个：一是将单元机组的负荷减到技术所允许的最低限值：二是在低谷 期问将单元机组停机备用，即机组优化组合。但当减负荷过大时，其技术经济指标 将明显恶化，分析表明，电厂机组在负荷低谷期停机十几个小时或更长时间，可能 更经济，这时电厂其他单元制机组应尽可能维持在最大经济工况下运行。 机组优化组合涉及到发电机组可用状态等多方面因素，如机组启停所需要的时 间、启动煤耗、机组启停设备折旧和维护费用，以及机组最小允许停机时间等约束 条 牛。这使锝机组优化组合需通过精细的比较和计算才能得出结果，同时也使组合 过程变得非常复杂。单元杌组优化组合同时还对机组的机动性和启停工况提出了较 高的要求。由于目前电网容量的限制、机组启停技术的复杂化和很多不确定性因素， 加之启停时运行人员的组织工作可能会遇到一些问题，火电厂机组的优化启停基本 上还处于研究阶段，还没有达到在电厂中实际应用的程度。但随着现代电网备用机 组容量的增加、机组启停工况研究的进一步深入，电厂运行管理水平的进一步提高， 电厂机组优化组合也必将实现其应用。 综上所述，将最优化技术应用于火电厂优化运行，正在给电厂带来日益增长的 经济效益。深入研究、完菩并发展最优化技术的理论基础，并将其推广到实用领域 4 重庆大学硕士学位论文 1 前言及文献练述 是一个很有意义的重要课题。 1 2 最优化理论在电站经济调度中的应用简介 如前所述，目前对于电站经济调度问题的研究已比较多，从根本来看研究问题 的出发点都是相似的，问题解决步骤也颇为类似。主要的形式为：通过对电厂基本 能耗数据的采集，找出电厂机组煤耗量和机组负荷之间的关系( 即求出能耗和功率曲 线) ，再通过电厂机组煤耗量和机组负荷之间的关系建立相应的数学模型，该数学模 型即为一个总能耗和各机组功率的多元函数关系式，也称为寻优目标函数，同时相 应给出目标函数中各机组负荷的取值范围，也就是约束条件，最后选用相应的优化 求解办法来得出机组负荷的最优分配值。对优化模型的求解是经济调度工作中最重 要的步骤，不同的求解方式将对模型对象有不同的要求，求解得出的结果也会因此 而存在差异。所以选择合适的求解方法至关重要。随着计算机的广泛应用，基于现 代控制优化理论的动态规划法越来越多的受到人们的关注和应用。 最优化原理【4 】是由美国的贝尔曼( b e l l m a n ) 首先提出来的。b e l l m a n 提出的最优 化原理正是动态规划法的基础，此原理具体可描述如下：“作为整个过程的最优决策 应具有这样的性质：即无论过去和现在的状态和决策如何，对前面的决策所形成的 状态而言，余下的决策必须构成最优策略。”利用这个原理，我们可以把多阶段决策 问题的求解过程看成是一个连续的递推过程，由后向前逐步推算。在求解最优化问 题( 即目标函数最优化问题) 时，在各阶段以前的状态和决策，对其后面的子问题来 说，只不过相当于其初始条件而已，并不影响后面过程的最优策略。换句话说就是： 前一级末尾的状态变量就是后一级开头的状态交量，在整个系统达到最优时，不管 从哪一级( 或从哪一阶段) 断开来考察，在所选的控制决策下，后面的部分系统以前 面的状态变量为初始条件。对于这样的初始条件而言，后面的部分系统应该是最优 的，否则余下的各级( 或各阶段) 将会有更好的选择，即原来的决策不是最优选择了。 利用这个原理，可以把复杂的系统优化问题化解为多阶段，分步骡的决策问题， 将其求解过程看成是一个连续的递推过程，由后向前逐步推算。在求解时，在各阶 段以前的状态和决策，对其后面的子问题而言，不影响其后续过程的最优策略，因 此，可以很方便的将一个问题按阶段分解成许多相互联系的子问题，其中每个子 问题均是一个比原问题简单得多的优化问题。而且每一个子问题的求解仅仅利用它 的下一阶段子问题的优化结果，依次求解，最后即可求得原问题的最优解。 动态规划法简而言之，就是基于b e l l m a n 最优化原理的一种将复杂问题转换为 一系列比较简单问题的最优方法，简称d p 法。它的基本特征就是具有优化过程的 多阶段性。优化问题利用动态规划的方法来处理，常常有它独特的优越性。特别对 5 垂庆大学硕士学位论文 l 前言及文献综述 于离散性问题，用数学分析方法( 比如等微增率等方法) 难以处理时，用动态规划法 则往往成为解决它们的一个非常有用的工具。 值得注意的是，动态规划法解决最优化问题的顺序可以不是由前向后，可以由 末级开始逐步向前，从末级小系统开始，分析局部系统在不同入端状态变量下，控 制变量应该如何才能达到最优。一级一级的扩充，所分析的系统一次比一次大，每 一个局部系统都包括末级或扩充后要利用扩充前的分析结果，最后扩充到整个系统， 再根据全系统的输入量，以及局部系统的分析结果，最终作出各级或各阶段控制变 量序列的最优决策。 由小系统或过程逐步扩充到整个大系统或全过程，这种做法将一个大问题分解 为若干个分问题，可以简化计算或试差的工作量，这对于复杂大系统的最优化求解 是十分有利的。下面推导其求解的基本原理： 用v ( x ，“) 表示k 级或k 阶段入1 ：3 端开始到系统或过程终点为止的，出任意 决策序列所导致的目标函数部分值，此目标函数部分值也称为代价函数。 因此我们可将最优代价函数定义为： v ( x k ) ) ；v ( x ( k ) ，“( 正忧1 ) ( 1 1 ) v ( x ( 。) ) 是以x 为入端状态变量的第k 级( 或第k 段) 之后的局部系统或过程的 最优控制或最优决策序列的代价函数。 最优代价函数y ( x ) 在分析局部系统或过程时，要表述为状态变量j 的函 数，当然也可以运用表格来表示，采用何种形式可以视具体形式而定。 设l ( x ( ”“) 是以x ( k ) 为入端状态的第k 级( 或第k 段) 中采用“( 】) 所形成的 代价，第k 级( 或第k 段) 为首的局部系统或过程的最优代价函数可以用第k + 1 级( 或 第k + l 段) 为首的局部系统或过程的最优代价函数和第k 级( 段) 中采取的决策量“ 所形成的代价来表达： 矿( z ) = m j n 仁( z ( r u 江) ) + v ( x x + i ，) j ( 1 2 ) 式( 1 2 1 充分体现了系统或过程扩充后的计算要利用扩展前的系统和过程分析成 果的特点。 式( 1 2 ) 中h 是第k 缎( 段) 可能的决策集中的一个，它被优选以求k 级( 段) 为首 的系统代价函数最优。第k 级( 段) 入端状态变量x 和第k 级( 段) 的“将影响下一 级( k + 1 ) 级入端状态变量z m ， ( m ) - ，( x ) ，“) ( 1 3 ) 将式子( 1 3 ) 代入( 1 2 ) ，有 v ( x ( * ，) tm i a _ f l ( x ( k ) ，口“) ) + v ( ( x ( j ，( x ) ) ) f ( 1 4 ) 从上面的推导可看出，在每一个局部系统或过程的分析中，重要的内容是按( 1 4 ) 重庆大学硕- ：学位论文1 前言及文献综述 式优选“( ) 。 综上所述，将动态规划法用于电厂机组问负荷优化分配问题的求解，其原理是 清楚的，求解步骤的物理意义是明确的，得到的计算结果也将是正确的。 1 3 有关动态优化调度的研究探讨 结合前面的叙述可知，在安全可靠的前提条件下实现电力系统的经济运行具有 重大的意义。因此，有关电厂的经济负荷的分配，系统的安全经济调度、最优潮流 等静态优化调度方法得到了较为多的注视和研究【5 司。然而，电厂生产系统运行要考 虑动态调度问题。应该考虑时间间隔上各个运行状态之间的约束，即时间带来的约 束，如燃料的限制，环境污染的限制，发电站机组及其相应辅助设备调整速度的限 制个别特殊机组的特殊要求等。这些约束成为动态约束。面对一个复杂动态变化 的电厂系统，静态优化调度方法具有明显的局限性，静态优化只对动态电站系统的 某一对问段面( 或时阁点、负荷量) 求取目标最优化，忽略了各时间断面之间的内在 联系，这就是这一类方法本身有其固有的弱点的原因。尤其是随着国民经济的迅速 发展。电力生产规模的不断扩大，现代工业生产结构的调整，使得电力系统的负荷 特征发生了明显的改变，最突出的是峰谷值差越来越大，负荷率越来越低，这些新 问题的出现无疑对静态优化调度方法提出了新的挑战，这种挑战主要表现在以下几 个方面： 在机组组合给定的条件下，静态优化只考虑一个时段的负荷要求，寻求该时 段固定负荷水平下的最优调度方案，不考虑负荷未来的变化趋势，和不同区域负荷 变化的差异对当前调度方案的要求和影响。特别是在负荷急剧上升或急剧下降期间， 不能很好的协调当前负荷调度与负荷未来变化的要求。致使这种要求得不到满足， 在系统峰谷起落中，丧失调节能力，失去可靠性及安全性和经济性的良好协调，矛 盾失锐时甚至引起锅炉燃烧不稳定，甚至熄火，汽轮机各部件受热不均匀，有损热 力设备的寿命。并且给运行人员带来极其紧张的工作局面， 在电站系统中机组最优化组合是目调度计划制定的基础，两者相辅相成，互 相联系，与电力系统运行的可靠性密切相关，基于一定的投运风险度指标来确定系 统的旋转备用是机组最优组合的重要方面，基于一定的响应风险度指标来确定旋转 备用的合理分配是日调度计划制定中不可忽视的内容。机组最优组合与日调度计划 互相动态协调，属动态调度过程。 在电站生产系统运行状态、方式的改变中，任何一个发电机组的功率变化都 将引起一系列辅助系统的调整或启停，这些辅助系统和设备的调整、启停需要一定 的对阃，并且辅助设备所处的状态有时应保持定的最小时闯，因此在动态优化调 7 重庆人学硕士学位论文 l 前言及文献综述 度中考虑辅助设备所处的状态是必要的，从电厂运行操作人员的角度看，具有一个 调度目标移动窗口可能会更有好处，以便在控制之前事先做好准备减少运行事故。 然而，这些都是静态优化调度方法无法处理或是无能为力的。 综上所述，用静态优化调度方法制定电厂的调度计划所带来的问题是严峻的， 应该在优化过程中认真对待和考虑这些问题。找出具体的解决办法，以完善和加强 经济优化调度系统的功能和作用。 电力工作者已经认识到静态优化调度方法不能考虑系统的动态约束，以及负荷 的未来变化对当前优化调度要求的缺点，认为这种缺点影响其优化结果的可行性。 由此部分学者开始对动态优化调度开展了相应的研究工作，如；s t a d l i n w 在研究优 化调度方法时i ，注意到当前优化调度时应该顾及未来负荷的变化，认识到发电机 组的输出功率变化速率及容量调整的有限性，往往使静态优化调度不可行，在他所 建立的经济负荷分配模型中，为保证负荷未来变化的要求，除考虑发电机组输出功 率的上下限约束外，还给出了一个调整裕度的限制要求其做法是不允许各发电机 组满发而预留3 或某一比例的调整裕度。这样虽然在一定程度上可以满足负荷变 化的要求，但比较粗略。各类发电机组预留相同比例也并不能充分协调经济性与调 整能力。又如：文【9 】的作者研究了考虑投运风险度约束下机组最优组合的水火电系 统优化调度问题( 水电与火电类似) ，用分段法计算发电机组的期望耗量和投运风险 度，基于线性规划求鳃机组最优组合问题，在水火协调上基于微增线性规划和梯度 法进行迭代求解，对考虑可靠性约束的电力系统优化调度作出了积极的贡献。 但目前从已发表的文献来看。动态优化调度有以下几个比较集中的问题有待解 决： 从动态优化调度算法方面来看，目前所有的动态优化调度算法都没有摆脱在 给定时间范围内，用求出每一发电机组输出功率变化调度轨迹来达到向前的目的， 这本身需要巨大的计算代价和计算机内存占用量，因此用于，实际系统应用相当困 难。寻找在计算速度和内存占用量小的优化算法十分必要，只有这样，动态优化才 有实用前景。 从日调度方面看，考虑火电机组输出功率变化限制及机组起停动态过程的系 统动态优化调度目前还几乎是个空白，考虑火电机组功率输出变化限制及机组起停 动态过程的最优化组合问题还刚刚起步，从动态优化的角度来讲，如何协调机组组 合与机组运行还有待进一步研究。 从电力生产系统运行可靠性方面看，如何真正地将电力生产系统的可靠性指 标和电力系统优化调度恰到好处地结合在一起，还需要进一步探讨。 面临生产中动态变化的负荷，动态优化调度还涉及多方面的关系，诸如优化调 度与参与调节的机组调节能力有限性、参调机组功率变化速率有限性及在限定时问 重庆大学硕士学位论文1 前言及文献综述 内参调机组旋转备用响应能力有限性的关系：优化调度与系统运行可靠性及安全性 的关系；优化调度与火电计划起停之间的关系等。还有许多矛盾需要解决。 本文的工作重点则是研究如何在安全，可靠的前提条件下，对变化中的电力生 产负荷进行合理分配，以协调机组经济性和安全性这一对既矛盾又统一的问题。 1 4 论文的背景与主要工作 “通用火力电站变工况负荷分配计算机辅助分析、决策系统”是重庆市电力公 司的科研项目，本文作者是该项目的第一主研人员，独立负责该项目的数学模型建 立、方案整体设计和软件最终开发等工作。本文的工作也正是该项目的核心内容。 该项目针对目前电厂大型火力发电机组参与调峰后的负荷合理分配需求，拟开发出 一套适应生产现场需要的辅助决策软件，已达到指导运行、节约能源的目的。 本文基于课题要求。以单元制机组运行参数为依据，对单元制机组的生产特性、 燃煤火力发电厂生产系统的能耗特性、机组调峰运行中存在的问题作了深入的分析 和研究。阐明了能耗特性曲线在负荷动态分配工作中的重要作用，讨论了影响机组 能耗特性的众多因素，提出了一种切实可行的、可用于负荷动态分配的在线机组能 耗特性曲线整定方案。 同时本文还对大机组调峰运行中存在的问题进行了研究，经过对常用的低负荷 调峰、启停两班制调峰、少蒸汽无负荷调峰、低速旋转热备用调峰等四种调峰方式 的对比，提出了在机组负荷下降时，结合负荷变化时间和趋势来决定机组调峰运行 方式的具体解决方法。 在建立了机组动态的实时能耗特性数学模型后，通过对求解方法的对比分析， 采用了较其他算法更有优势的动态规划法来进行能耗特性数学模型的解算。结合对 机组运行特点和机组负荷的变化特性的分析，得出了燃煤火力发电厂现有机组间的 最优组合和实时负荷最佳分配方案，并能同时相应得到参与调峰运行机组的运行状 态的最优解。 结合上述研究成果和理论，本文开发出了套调峰运行负荷分配辅助决策软件。 并通过对比性、功能性试验证明该软件系统运行结果正确、合理，具有解算精度高、 计算速度快，符合现场生产要求等特点，有一定的实用性，能较大的提高电厂机组 运行经济性。 9 重庆大学硕士学位论文 2 机组运行能耗曲线 2 机组运行能耗曲线 2 1 机组运1 ”t “p j 匕耗曲线介绍 2 1 1 机组运行能耗曲线的作用 在讨论发电厂或电力系统负荷经济调度分配时，各机组的能耗特性是进行负荷 分配的最基本的原始条件，机组能耗特性反映了机组在各种负荷情况下耗用一次能 源量的大小。从某种意义上说，机组能耗特性反映了机组经济性的高低。对于燃煤 火力发电机组而言，其能耗特性表现为发电( 或供电) 煤耗量与发电( 或供电) 负荷量的 函数关系。供电能耗和发电能耗量在评价电厂机组经济性的工作中起着不同的作用， 发电煤耗低于供电煤耗，这是因为在发电煤耗关系中没有考虑厂用电的消耗，而供 电煤耗是扣除了机组在生产过程中对自身发出电能的消耗量( 厂用电量) ，因此在评 价机组最终经济性的时候更为客观，也更为准确。电网在进行负荷分配时，也只关 心电厂或机组的供电煤耗量。在本文中所讨论的机组能耗特性指的是供电能耗( 煤 耗1 。 由于能耗特性曲线能反映机组在各种工况下的能量消耗量，而能耗是电能生产 成本中最大的项，能耗的高低反映了电厂最终的生产成本大小经济负荷分配工 作的目的也正是要求解算出在一定全厂总负荷要求下，全厂总能耗量的最小值。因 此在负荷分配中机组负荷曲线是最根本的研究对象。只有针对机组运行特性进行深 入分析，并对机组能耗进行准确测量，才能得出适应机组经济负荷分配的能耗特性 曲线，也才能科学合理的分配负荷，使全厂经济性最优。 2 1 2 机组运行能耗曲线特点及影响因素 机组能耗特性曲线表现为机组运行能耗与输入电网功率的函数关系式，该曲线 主要受锅炉和汽轮机能耗的影响是一条连续递增的曲线【l 。 根掘前面的叙述可知，对于单元机组而言每个机组的能耗特性曲线实际上就是 反应了电能生产成本和产量收益( 电量) 之间的关系，从这一点看，该曲线也反映了 电厂机组运行经济性的高低。由于影响电厂经济性的因素很多，而这些因素都不同 程度的将影响机组能耗特性曲线的变化。现将主要影响因素分析如下： 电厂工作人员运行水平的影响 运行人员的素质高低、运行经验的丰富与否都将宜接影响电厂经济性的变化。 因此，加强对运行入员的培训与规范运行操作工作，可以减少在运行过程中人为因 1 0 重庆人学硕士学位论文 2 机组运行能耗曲线 素对经济性的影响。也可以减少在不同班次运行人员运行机组时引起能耗曲线变化 的影响。 季节变化的影响 众所周知，火力发电厂的经济性将随季节的变化而产生不同的变化。夏季的经 济性略高于冬季的经济性，这主要是由循环水温的变化造成的，夏季循环水温高， 气温也高，在相同机组运行方式的情况下，机组经济性有所提高，而冬季循环水温、 气温较低，在相同机组运行方式下，机组经济性将降低，对于能耗特性曲线而言， 表现为，冬季整体上移，而夏季整体下移。因此在不同季节和气候情况下，机组的 特性曲线将发生不同的变化，对于基于能耗特性进行全厂负荷分配的工作而言，这 种影响是不能忽视和回避的。因此，对于南方电厂我们可针对夏季平均循环水温2 5 ，冬季平均循环水温1 0 c ，做出两条能耗特性曲线，分别供机组在不同季节分配 负荷时使用。当然这只是粗略解决问题的方法。如果能根据机组每月平均循环水温 求出当月的能耗特性曲线，对于提高经济分配负荷的准确性更为有利l l l 】。 机组运行方式的影响 机组运行时，采用不同的运行方式，其经济性也是不同的。比如在机组负荷变 化时，机组是采用定压运行还是滑压运行都将使机组经济性及能耗特性曲线受到不 同程度的影响。一般来说，滑压运行的经济性较定压运行高，所以该过程相应的能 耗曲线应位于定压运行方式的下方。在理论上应根据机组不同的运行方式分别通过 热力试验做出机组能耗特性曲线，供负荷分配时选用。但这必将使得电厂机组特性 曲线数量成倍增加，考虑到机组问的组合特性，一旦机组台数过多就将引起计算量 的几何级数倍增大，对于选择机组、选择特性啦线的工作都将带来不利的影响，甚 至直接导致经济分配的不可行。所以必须找出合理的解决这一问题的可行性措施。 目前，最为可行的办法就是根据各单元制机组本身的运行特性，通过技术经济 比较，找出在负荷变动时，以及在机组起停时采用何种方式可以在保证安全性的前 提条件下提高机组的经济性。并将这些运行方式与机组具体特性结合起来，写入机 组运行规程中以明确和指导机组运行。关于机组在调峰过程中的运行方式选择和 相关问题本文将在后面的章节加以讨论。 单元机组设备热力特性改变的影响 单元制机组的热力特性不是一成不变的，这种特性是随机组运行时间的增加、 机组检修次数的增多、设备技改工作的进行而不断变化的。随着环境因素的变化再 加上机组设各状态的不断变化，机组设备的热力特性也要发生相应的变化，比如在 机组投运到一定年限后，机组的热力设备工作状态变差，效率降低，这必将引起热 力特性变差，同时，能耗特性也会相应朝着不利于经济性的方向变化。反之，如果 我们通过采用合理的技术经济比较手段，对机组进行了相应的改造工作，机组设备 重庆大学硕士学位论文2 机组运行能耗曲线 的热力特性变得对提高经济性有利，那么，机组的能耗特性也将朝经济性提高的方 向变化，表现为能耗减少，特性曲线也将发生相应的变化。 所以机组的能耗特性曲线绝不是保持不变的，它必将随机组的热力特性变化而 变化。过去，部分与能耗特性或能耗微增率特性相关的负荷经济分配研究工作往往 忽视或回避了这重要因素的影响，大多采用依据由汽轮机制造厂家和锅炉制造厂 家提供的资料，或通过定期的热力试验来获得基本数据。这些基础数据在很长一段 时问内( 几个月、甚至是几年内) 都是一直不变的，所以得到的机组能耗或微增能耗 特性曲线用在实际的优化负荷经济分配工作中是不合理的。要得到能真实反映机组 能耗特性的曲线，满足负荷分配的需要，就必须采用相应的动态、实时数据采集和 处理系统，得到机组最新的能耗特性，并在此基础上建立各个机组单元的数学模型， 才能为负荷经济分配优化工作提供科学、合理、准确的依据，才能使优化分配结果 变得更为精确、可信。 煤种变化对特性曲线的影响 机组煤种变化也将对机组的经济性带来有利或不利的影响，煤种的变化影响主 要是针对机组的锅炉设备而言的。 当机组煤种变化时，锅炉的辅机工作状况首先发生变化，例如：当煤的可磨性 系数发生变化时，制粉系统的耗功量将发生相应的变化，煤种的可磨性系数越大， 则能耗越低；另外煤的各种成分组成也将馒经济性发生相应的变化，如：煤种的水 分增加将使得干燥、磨制能耗增大。同时也将使得炉膛燃烧火焰中心温度降低，多 余的水分还将吸收一部分热量，使炉内传热温差减小，同时排烟量增大，排烟损失 增大，锅炉设备的经济性降低。煤种中灰分含量的变化对锅炉也有类似的经济性影 响。总之煤种变化时为了保证机组负荷优化经济分配工作的准确性，也要想办法对 相应的机组特性曲线进行修正，以避免对分配结果带来不利的影响。 综上所述，除了加强对运行人员的运行操作能力、水平的提高培训外，我们还 必须对机组的实际可行运行方式进行讨论，并加以确定，同时还应该实时针对机组 设备的运行状态进行数据采集和数据分析工作，以最新的数据拟合出机组实时的能 耗特性，这样才能为机组负荷优化经济调度分配工作打下坚实的基础。 通过分析可知：能耗曲线反映的是供电能耗和供电量之间的关系，一般对于单 元制机组而言，供电能耗( 煤耗率) b 可表示为锅炉效率吣汽轮机循环积耗率h r 以 及厂用电率s 的函数。 b q r 一仉( 1 一s ) 其中，瑰为标煤低位发热量( 瑰= 2 9 3 1 0 k j k g ) 析影响上述函数关系式的因素： ( 2 1 ) r 。为管道效率。下面简要分 重庆大学硕士学位论文2 机组运行能耗曲线 1 1 锅炉蒸发量的影响 一般而言，锅炉效率随负荷变化影响较小( 小于2 ) 这意味着锅炉煤耗率随负荷 变化的灵敏度较低。 2 1 煤种对锅炉效率的影响 型号相同的机组，燃用不同的煤种，锅炉效率差别大。不同电厂，由于所处的 她理位置的差异，燃用煤种也不同。即使同一电厂，不同时期燃用的煤种也千差万 别。锅炉效率会随之变化。 3 ) 煤粉细度的影响 煤粉细度会影响锅炉的过剩空气系数、化学未完全燃烧损失、排烟温度等，因 而对锅炉效率也有一定的影响。不同煤种、不同磨煤机、不同结构的锅炉所需要的 煤粉经挤细度( 综合各神因素得到的最佳煤粉细度) 是不同的。 4 ) 过剩空气系数的影响 过剩空气系数过大，会增加排烟损失，造成锅炉效率下降；过剩空气系数过小， 又会使燃烧不充分，增加化学未完全燃烧损失，也会使锅炉效率下降。因此对一定 的煤种和煤粉细度，存在个最佳的过剩空气系数。 5 ) 排烟温度的影响 排烟温度增加，会使排烟损失增加，导致锅炉效率下降；但排烟温度也不能太 低，当排烟温度低于灰熔点时，会使尾部烟道受热面结渣，影响锅炉的安全运行。 6 ) 汽轮机负荷的影响 汽轮机循环热耗率随负荷变化较大。一般在设计功率时热耗率最低，偏离设计 功率时热耗率皆有所升高。 7 1 主汽温度的影响 主蒸汽温度与诸多因素有关，主汽温度的控制是通过调节减温喷水量来完成的。 由于控制技术及执行机构的限制，一般只能将主蒸汽温度控制在一定范围内。在该 范围内，随着主蒸汽温度的升高，汽轮机循环熟耗率有所下降。 8 、主汽压力的影响 随着负荷的变化，主蒸汽压力也相应改变。这时就要求及时调整送入锅炉的燃 料量，使主蒸汽压力维持在一定的水平。由于控制水平的限制和锅炉系统本身具有 的较大的热惯性。主汽压力也只能控制在一定范围内，在该范围内，随主蒸汽压力 的升高，汽轮机的热耗率降低。 9 1 再热汽温的影响 再热汽温的控制主要依靠调整喷燃器的倾角并辅之以喷水来完成的。在控制范 围内，随再热机组的汽温升高，汽机热耗率降低。 l o ) 凝汽器真空的影响 1 3 重庆大学硕士学位论文2 机组运行能耗曲线 凝汽器真空的影响因素很多，包括循环水温、凝汽器清洁程度、空气泄漏程度 等，因此凝汽器真空经常发生变化。真空下降，汽机循环热耗率升高。 1 1 ) 回热加热器系统的影响 回热加热器随着运行时间的增加，会发生结垢与泄漏现象，造成回热加热器换 热能力降低，端差提高，机组热耗率升高。另外，回热加热器解列会增加汽轮机循 环的热耗率，降低机组的经济性。 因此对机组经济性各种相关因素的影响必须加以考虑，并在构成能耗特性曲线 时加以修正。针对不同参数偏差给出相应的修正量。 1 2 ) 影响厂用电率的因素 机组的厂用电主要消耗在给水泵、循环水泵、送引风机、磨煤机等其他辅机上， 他们不仅随负荷变化，而且与其特性曲线，煤粉细度、运行组合方式有关。因此， 及时得到机组辅机的特性曲线与运行状态，是确定整个机组性能特性的前提。 2 2 机组运行能耗曲线的在线测定 根据式( 2 1 ) 分析可知，要测定机组能耗运行关系必须先测定锅炉效率仇及单元 机组的循环热耗率积，和厂用电率s 再由公式6 瓦志计算可得出相应 的煤耗率b ，煤耗率与煤耗量的关系为：b = d 尸 由此可以得到煤耗量与供电量之间的关系。经过对机组多个功率点的测定，可 以得出系列有关机组供电功率和煤耗量b 的对应数据关系，根据这一系列对应数 据就可虬求出机组相关的能耗特性。 2 2 1 锅炉效率仇的在线测定 锅炉效率的测定从原理上可分为两种，即“正平衡”