（热能工程专业论文）区域热电厂负荷优化分配与热网优化研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 能源工业是国民经济的基础产业，热电厂的优化运行是现阶段节能降耗的重要手 段。当系统负荷发生变化，如何在机组间进行负荷分配将对整个系统的经济性产生很大 的影响。 本文研究电厂锅炉系统负荷优化分配的模型及计算方法，并结合实例进行应用。对 电厂锅炉系统采用“等微增率原理”数学模型，利用现场试验取得的机组煤耗特性曲线， 对电厂锅炉系统进行负荷优化分配，使其更加科学化，降低全厂煤耗。 本文对区域热电厂的热电负荷优化分配模型及方法进行研究，采用了一种简单有效 的负荷分配方法，该方法根据热量法原则，将供热机组的发电分解为熟化发电和凝汽发 电，将热电厂的负荷分配简化成相当于几个背压机组进行热负荷分配和几个凝汽机组 进行电负荷分配来处理。经过理论推导得出了热电厂热、电负荷优化分配的数学模型。 将上述方法应用于区域熟电联产系统，分别对各热电厂和整个区域热电联产系统进行 热、电负荷优化分配研究，并对局部与全局分配的节能效果进行了分析比较。计算表明： 各热电厂分别进行优化分配的燃耗均有不同程度的下降，但整个区域热电联产系统统一 优化分配的节能降耗效果更明显。 本文采用图论法求最优树的理论，对热水供热管网进行优化布置。根据各热用户用 热的情况，求出连通图各管段的权值，再运用拆圈法得出此热网的最优树以及最差树并 加以比较。结果说明用图论学方法对热网进行优化布置简单准确，而且成效颇高，具有 很高的应用价值。 本文运用j a v a 语言编制电厂锅炉负荷优化分配的软件，该软件能够在友好的界面 下对电厂的锅炉系统进行负荷的优化分配，运行结果表明该软件具有较好的实用性和可 行性。 关键词：区域热电厂；热电负荷；优化分配；热网；最优树 区域热电厂负荷优化分配与熟网优化研究 l o a do p t i m i z e dd i s t r i b u t i o no f a r e ac o g e n e r a t i o np o w e rp l a n t a n db e s td e s i g no f h e a t - s u p p l yn e t w o r k a b s t r a c t t h ee n e r g yi n d u s t r yi st h en a t i o n a le c o n o m yf o u n d a t i o ni n d u s t r y ；t h eo p t i m i z a t i o no f p o w e rp l a n ti sa ni m p o r t a n tm e t h o do fe c o n o m i z i n gt h ef u e l w h e nt h et o t e ll o a dc h a n g e s ， h o wt oc a r r yo nt h el o a da s s i g n m e n tw i t h i nt h eu n i t sh a st r e m e n d o u si n f l u e n c et ot h eo v e r a l l s y s t e me f f i c i e n c y t h ep a p e rr e s e a r c h st h em o d e la n dm e t h o do fb o i l e rs y s t e ml o a do p t i m i z e dd i s t r i b u t i o n , a n da p p l yt oa ne x a m p l e t h em e t h o da c c o r d st ot h ee q u a l - r a t em i c r o i n c r e a s e dp r i n c i p l e ， c a n j e so nt h el o a do p t i m i z a t i o na s s i g n m e n tw i t ht h ec o a lc o n s u m p t i o nc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f e x p e r i m e n td a t e , m a k e s i tf u r t h e rs c i e n t i f i c ，r e d u c e sa n de n t k e sf a c t o r yc o a lc o n s u m p t i o n t h ep a p e rr e s e a r c h st h em o d e la n dm e t h o do f1 0 a do p t i m i z e dd i s t r i b u t i o no ft h ep o w e r p l a n t a c c o r d i n gf ot h ec o n v e n t i o n a lh e a tl o a dd i s t r i b u t i o nm c t h o 文t h et o t e lh e a tl o a ds h a r e s i ns e v e r a lb a c k p r e s s u r et u r b i n e s a n dt h et o t a le l e c t r i cl o a ds h a r e si ns e v e r a lc o n d e n s i n g t u r b i n e s w ec a nd e d u o p t i m i z ea l l o c a t e dm a t h e m a t i cm o d e la p p l ya b o v e - m e n t i o n e d m e t h o dt oa 鼢p o w e rp l a n ts y s t e m c a r r yo u tt h eo p t i m i z a t i o nr e s p e c t i v e l yo i le v e r yp o w e r p l a n ta n dt h ee n t i r ea r e ap o w e rp l a n ts y s t e m ，a n dc o m p a r et h er e s u l e s a c c o r d i n gt ot h er e s u l t o fc a l c u l a t i o na n dc o m p a r a t i o n , t h ef u e lu s i n go fe a c hp o w e rp l a n td e c r e a s e s ，a n de f f e c to f u n i f i c a t i o nd i s t r i b u t i o ni sb e t t e r t h ep a p e rs e l e c t sam e t h o dt oo p t i m i s t i cd e s i g nh e a t - s u p p l yn e t w o r ku s i n go p t i m a l d e n d r i t i cn e t w o r ko f 伊a p m ct h e o r y c a l c u l a t et h ew e i g h to fe v e r yc o n d u i ta c c o r d i n gt h eh e a t u s i n go fe v e r yc o n s u m e r a p p l yd i s m a n t l i n gc i r c l el a wt o o b t a i nt h eo p t i m a ld e n d r i t i c n e t w o r ka n dt h ew o r s td e n d r i t i cn e t w o r k , a n dc o m p a r et h e m t h er e s u l ts h o w st h em e t h o di s e a s ya n da c c u r a t e ，a n dh a sv e r yh i g ha p p l i c a t i o nv a l u e w i t ht h ej a v a , t h ep a p e rw o r k so u tt h es o f t w a r et oo p t i m i z et h eb o i l e rl o a da s s i g n m e n t t h i ss o f t w a r e 锄c a r r yo nt h e1 0 a da s s i g n m e n tu n d e ra m i c a b l ei n t e r f a c e t h er e s u l ti n d i c a t 髓 t h i ss o f t w a r eh a st h ef a i r l yg o o du s a b i l i t ya n df e a s i b i l i t y k e yw o r d s ：a r e ac o g e n e r a t i o np o w e rp l a n t ；t h e r m o - e c o n o m i c s ；o p t i m i z e dd i s t r i b u t i o n ； h e a t s u p p l yn e t w o r k ；o p t i m a ld e n d r i t i cn e t w o r k i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：垒臣拯日期：盟! ! i z 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名鱼巨盘 导师签名：堑笤、 4 年此月4 日 。 ? 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题研究的目的和意义 能源工业是国民经济的基础产业，是实现现代化的物质基础。我国虽然是世界上能 源蕴藏和能源生产大国，但同时我国的人口基数大，能源利用率较低，与发达国家存在 着较大差距，因此我国要走可持续发展的道路，就迫切需要节约资源，提高能源综合利 用效率，加强能源管理，扩展设备效能和提高设备利用率，从而更加有效地利用能源。 “十一五”规划明确要求，到2 0 1 0 年我国单位g d p 的能耗要比“十五”末期下降2 0 。 电能是国民经济发展的重要支柱，为经济社会的发展提供有利支持，热能广泛的应用于 动力用热、工艺用熟和生活用热三个方面，因而热能和电能在能源利用和消耗中占有主 导地位，随着电力体制改革的发展，“厂网分开、竞价上网”的形势要求各电厂提高运 行水平，降低全厂燃耗，要节约发电和供热的成本，提高企业效益。 热电厂的优化运行是现阶段节能降耗的重要手段当系统负荷发生变化，如何在机 组间进行负荷分配将对整个系统的经济性产生很大的影响“。这时对热电厂的机组负荷 进行优化分配是主要途径。它不需要对现有设备进行改造就可以完成，利用软件对各机 组的负荷分配加以优化，这是降低热电燃耗的有效而又简便的方法 随着总能量系统新概念的提出和热力系统、复杂化趋势发展，系统设计和分析优化 倍受关注。因而能量系统的节能提高到一个新的高度。总能系统是在可持续发展的背景 下形成的一门能源科学的新分支，它的目的是总的安排多种能量之间的配合关系与转换 利用以取得最佳的总效果，即全面考虑热力、动态、控制、经济、环保等多因素多目标 【2 】 基于总能系统的设计和分析优化主要体现在三个部分：把能量转换利用提高到系统 来认识，不局限于单一设备或循环的性能优劣；注重不同循环和用能系统的有机结合与 一体化匹配的系统构成；应用先进技术、数学手段和热力学分析方法，从整体上把握参 数、流程以及系统的优化。根据以上理论，对于一般的用能系统可以划分为3 个部分： 能量转换部分、能量传输部分和能量利用部分。 能量转换部分主要是指将煤、天然气等一次能源转换为蒸汽或电等二次能源的部 分，即锅炉房。在我国无论是电站锅炉还是工业锅炉，都存在着煤耗高或者热效率低的 现象。2 0 0 3 年，我国供电的平均标准煤耗为3 8 1 9 k w h ，与发达国家相比，多耗6 0 9 k w h ，热效率低1 0 个百分点。对于锅炉的经济运行，除了提高锅炉的热效率之外， 对并联运行的锅炉怎样进行科学的分配负荷，才能实现最大的节约能源，这个是时下的 区域热电厂负荷优化分配与热网优化研究 研究重点。在机组阃进行优化分配就是在保证正常运行的前提下，合理分配各机组所承 担的负荷，使系统发电供热所消耗的燃料或者所消耗的生产费用( 主要是燃料费用) 最 小。对锅炉房负荷分配的最优化，是进一步提高锅炉房实际效率和经济性的最有效运行 优化方式。这一方式正日益显示出其重要性脚。而且在工业锅炉中，大多采用热电联产 方式，热电联产是指在锅炉产生的蒸汽驱动汽轮发电机组发电的过程中或者之后，将臭 气或者排气的热能加以利用，既发电又供热的生产方式。热电厂联产电和热两种产品。 由于实现热电联产能提高能源利用率远比热电分产节约能源。热电厂的供热标准煤耗率 一般均小于4 4 k g g j ，对于有稳定热负荷，供热机组选配合理的热电厂，供电标准煤耗 率可在3 6 0 9 k w h 时以下。这就涉及到热电负荷分配的问题。运用先进的研究理论和 计算机技术，可以按照新的方法来进行热电分配，通过建立数学模型并确立相应的约束 条件，运用现代数学理论中优化算法求解，这样得到方案的更合理，更具有实用性和经 济性。 能量传输部分即运送能量介质的通道与管网。各种能源在很大程度上是以热能的形 态被利用的。或者经过热能这一形态转变成其他形式的可用能量。鉴于热能输送是能量 输送中的普遍和典型情况，本文主要讨论热能输送系统的热经济优化方法。大型企业的 余热利用与城市供热都广泛地运用到供热管网，供热管网作为连接所有用户的热源的桥 梁，担负着输送和分配热量的任务，是能量转换与利用过程中的一个重要环节。随着城 市规模的发展和各国环保意识的提高，供热管网的建设投资越来越大，一般占到整个供 热工程总投资的5 0 以上，由于许多热网辐射半径很大，其动力消耗也占有很大的比重， 因此，对它的研究具有重要意义。如何降低能量传输系统的能量损失( 火用损失) 是现 在研究的主要目标。能量损失主要体现在散热损失和阻力损失。目前解决此问题的主要 突破口包括：首先选择最佳管道铺设方案；其次加强热管道的保温工作；最后提高检修、 装配质量，定期进行运行维护，保持密封良好，减少泄露损失。设计合理的管网布置有 助于节约资金并提高企业经济效益。 综上所述，对热电厂的机组负荷进行优化分配以及对能量运输系统进行优化研究， 在一次能源供求日益严重的今天，对缓和能源供求于交通运输的紧张状况，改善自然生 态环境，节约有限的矿物资源等方面，都有十分重要的意义。尤其是这几年因为燃料价 格上涨，使得热电厂指出的燃料费用上省、生产成本大幅提高。由此可见，在热电厂实 现负荷合理优化分配、科学经济调度的应用前景是非常可观的。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究发展与现状 国内外热能工程领域的专家学者对于热电厂锅炉系统负荷的优化分配、热电厂热电 负荷优化分配，以及输能系统的优化已经进行了大量的研究，积累了很多经验。电站机 组负荷优化分配的核心是建立数学模型，各种数学模型有各自的特点和适用条件。 1 2 1锅炉系统负荷优化分配的研究 国内外研究人员对于电厂的锅炉机组负荷优化运行进行了大量的研究，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，火电厂机组负荷分配的 方法主要分为一下4 种： 1 、单纯的按照锅炉的热效率分配负荷，或者单纯的按照锅炉的经济负荷分配。该 方法考虑的因素过于简略，将热效率高的带满负荷，热效率低的带低负荷。故此模型不 是很精确，所以在实际应用中不经常采用。 2 、非线性规划法阳。此方法适用当于煤耗特性曲线为二次曲线时，机组负荷优化 问题为非线性规划问题。根据机组的热力实验数据构造出数学模型，并用非线性规划方 法求得最优化方案。此方法虽然求解速度较快，而且大多数时候能够算出最优值，但是 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的缺点。 3 、线性规划法鳓当煤耗特性曲线是线性的，在求解过程中采用线性规划。线性规 划就是由目标函数为决策变量的线性函数和约束条件为线性等式或线性不等式组成的 数学规划。单纯形法于1 9 4 7 年由g b d a n t z i g 首先提出，4 0 多年的计算实践说明，它 不仅是求解线性规划的基本方法，而且是整数规划和非线性规划某些算法的基础。而该 方法的局限性体现在要求煤耗特性曲线不为线性时将会造成较大误差。还有考虑各锅炉 对最经济工矿点的最小偏移向量，从而试图在不需要锅炉的燃料消耗曲线的情况下进行 最优化埘 4 、等微增率法。1 9 3 4 年以数学极值理论为基础的等微增率负荷分配方法被提出来， 该方法建立在古典交分原理上，简单易懂，便于使用，是耳前电厂实际负荷经济分配的 主要方法m 。但这种方法的缺点是对煤耗特性曲线有较苛刻的要求。按等微增率分配机 组负荷并不一定能使能耗最小，只有当各机组问的煤耗微增率曲线都是连续可微的单调 增凸函数时，进行的分配才是最经济，否则结果可能不理想。 此外国内这方面典型代表有： l 、重庆大学动力工程学院的何大鹏，彭岚和李友荣，提出利用静态锅炉模型辨识 方法得到了锅炉的最佳负荷率，确立了分配模型的目标函数和约束条件，采用单位产汽 量最低煤耗所对应的负荷率为最佳负荷率”。 一3 一 区域热电厂负荷优化分配与热网优化研究 2 、北京理工大学自动控制系的高岩和梁太龙，借助拉格朗日乘数法建立增广的目标 函数，提出等耗量微增率准则及静态锅炉模型辨识方法，对耗量函数的性质给出了凸性 要求，只要得到各锅炉明确的燃耗量特性函数，就可以通过这种线性规划的方法得到并 列运行锅炉负荷优化分配的结果啪。 3 、福建省电力试验研究院的王宏捷和胡旦明，利用基于拉格朗日乘数法的“等微增 率”数学模型，利用现场试验取得的机组在不同冷却水温下的煤耗特性曲线，采用可视 化编程语言m i c r o s o f tv i s u a lc 抖6 0 编制在线计算的负荷分配计算软件，降低全厂煤 耗，使电厂的负荷分配更加科学化n ”。 4 、上海新华控制技术有限公司研发中心的张卫伟，针对s i s 系统中火电厂多机组 负荷经济分配的要求，假设在整个负荷分配区间，单元机组煤耗量一负荷特性曲线为向 下凹的曲线且接近线性；锅炉的燃烧效率和循环热效率变化不大；锅炉的各项损失与锅 炉效率相比都是小量，解决了机组负荷特性曲线的实时修正问题n ”。 5 、北京理工大学信息科学技术学院自动控制系的高岩，针对母管制并列锅炉群的负 荷分配优化问题，提出了遗传神经网络辨识给煤量一产汽量的模型，并用改进的遗传算 法进行负荷优化分配。给出了改进遗传算法和遗传神经网络的辨识原理u ”。 6 、华北电力大学自动化系的李学明，窦文龙，李志军和刘吉臻，采用全厂负荷优化 分配的专家系统用最小二乘法拟和出各台机组的实际煤耗特性曲线，采用供电煤耗等微 增率的方法进行负荷分配。根据某电厂4 台3 0 0 m w 机组的负荷分配经验和煤耗特性，开 发了负荷优化分配的专家系统“”。 1 2 2 热电负荷分配 对热电联产的各个机组间的热、电负荷进行最佳分配，使全厂燃耗最小，是进行单 机经济性诊断的前提。我国当前的供热机组热耗分配原则，热电联产的好处全部归电， 热化发电的热力循环效率为1 。根据这个原则热化发电率越高，生产相同热负荷发电量 就越多，因此进行热负荷分配就是要保证在热负荷一定的条件下使全厂热化发电量最 大。对于供热机组蒸汽动力系统的研究，国内外也提出了很多方法，如混合整数线性规划 “、混合整数非线性规划“”等数学规划算法，但这些方法在模型复杂、变量数较多的 情况下容易产生组合爆炸现象。最近，研究人员又提出了几种近代优化算法，如模拟退火 算法“”、进化规划法“删、遗传算法乜1 】。在这3 种方法中，模拟退火法的计算时间较长： 进化规划法的应用和理论研究在国内还相对较少，有待深入探讨；遗传算法虽能很快地 接近最优解，但是要达到真正的最优解，则要花很长时间，而且这种算法在蒸汽动力系统 的应用中还处于理论研究阶段。 大连理工大学硕士学位论文 在热电联产的前提下求解最佳分配方案，可以采用比较成熟的是等微增率法和数学 优化方法。前者简单易懂，使用方便，但为了达到整个系统的标准煤耗最小，要求总的 煤耗目标函数为凸函数。另外该法对电厂的汽轮机、锅炉及其不同组合的微增率曲线有 严格的精度要求，而供热机组的总热耗与功率关系线性度较差，受热电厂所带热负荷影 响较大，因此用该发来同时分配热、电负荷的可行性较差。后者是通过建立数学模型并 确立相应的约束条件，运用现代数学理论中优化算法求解，精确度、可信度都很高，但 是供热机组数学模型复杂，约束条件也错综复杂，在实际运行中计算时间很长，很难及 时指导不断变化的实际状况。 国内这方面研究的典型代表有 1 、西安交通大学的李崇祥，文尚曦，刘振和武学素，通过将供热机组发电功率分解 为凝汽发电和热化发电两部分，从而得出了一种简单易行的热电厂负荷分配的新方法。 本文基于热、电分离，以热定电的方法，既简化了繁杂的热力计算又达到较高的精确度， 其基本思想是将热电厂热、电负荷简化成几个背压机进行热负荷分配和几个凝汽轮机进 行电负荷分配来处理嘲。 2 、清华大学建筑技术科学系的秦冰，江亿和付林，认为热电联产电力调峰是解决供 电峰谷差的重要途径，利用集中供热系统的热惯性是实旋热电联产电力调峰的有效途+ 径。在热电联产电力调峰运行模式下。热源供热量随电力负荷的变化而变化，供热系统内 各点的供热介质温度及供暖室内温度也随之变化。为不影响供热质量，须控制供暖室内 温度的波动幅度，此时热电联产电力调峰的幅度受热源的调节能力、集中供热系统的热 惯性的影响。1 。 3 、西安交通大学化学工程系的李俊涛和冯霄，根据供热机组的基本特性，将复杂的 供热机组按照供热循环和凝汽循环划分为一定数目的简单等效机组，为了能更准确的描 述机组的热力特性，采用考虑辅助汽水系统的单元进水系数法来确定机组的特性方程， 然后建立相应的机组热电负荷分配的混合整数线性规划优化模型踟。 4 、清华大学的王彦佳和宝钢股份公司的朱凡，运用线性规划数学模型和计算机技术， 解决宝钢热力系统热电联产能源利用率和经济效益的矛盾，提高系统运行的科学性、经 济性。该项研究为冶金行业热电联产热力系统解决同类矛盾、优化系统的运行方式，提 供了思路和方案m 。 ，5 、贵州工业大学研究生部的李环和龚德鸿，采用火用平衡分析法，对小型热电联产 进行火用分析，对热电联产系统内各环节中火用损失进行计算，得出各热力设备的火用 效率，找出系统用能不合理的主要薄弱环节，为今后设备节能的改进提出了方向嘲。 区域热电厂负荷优化分配与热网优化研究 6 、武汉石油化工厂的胡坤后，介绍了热电联产和火用的概念，应用火用分析方法对 武汉石化热力系统进行评价，通过具体的数据真实的反映出系统及热力设备的热能利用 水平，并指出热能利用和热电联产的原则，以及系统经济运行方式，真正实现热电经济 运行脚。 1 2 3 输能系统的优化布置 由于供热管网投资大，形成的格局难以改变，因此对供热管网进行优化布置十分重 要。供热管网分为枝状管网和环状观望，根据实际需求而应用于不同方面。对二者的研 究很多。我国热网优化布置的有关专家在这方面作了很多研究，主要的代表有： 1 、长春工程学院的韦节廷，金洪文，姜洁介绍了一种采用图论法求最优树的理论 确定热网优化方案的方法。用此方法能够简单、快速、准确地确定管网布置的最优方案， 从而减少投资嘲。 2 、牡丹江热电总公司的王魁吉，孙玉庆在多热源环网的实际运行基础上总结经验 介绍了系统的组成、多热源联合运行时的规律、管网的水力工况和运行调节方法。实例 证明这种系统可以满足城市热网不断扩大的供热需求既可提高整个系统的运行可靠性 又可使供热量灵活调节节能效果好嘲。 3 、重庆大学的肖益民，付祥钊明确了环状干线、输送干线和枝状支线的概念与水力 计算次序，提出了拟定环状干线流向的原则和进行流量初始分配的方法，建立了环状干 线水力平差的数学模型，定义了节点参考压力的概念，并推导出计算节点参考压力的方 程组及其矩阵表达式。在此基础上，开发了环状干线水力平差计算程序，给出了计算枝 状支线资用动力的方法b 盯。 4 、哈尔滨工业大学的李祥立，王晓霞，周志刚，邹平华应用图论理论建立了单热 源枝状管网水力工况模拟分析的数学模型，在此基础上编制了水力工况计算程序，并将 此程序应用在实际事例中，结果证明采用图论方法建立的枝状热网水力工况分析数学模 型，比管路串，并联方法更适合于计算机求解。”。 5 、哈尔滨工业大学的刘孟军，李祥立，邹平华以某小区为例提出了多种热网的布 置方案并进行水力计算和经济计算得出最优管网布置方案。研究了改变热源位置对管网 布置的影响提出了管网布置原则嘲。 6 、河北建筑工程学院的师涌江和刘丽莉，给出节电与弧的关联矩阵以及相关定理， 并用这一定理解决供热管网的优化布置问题。在改进了现有的优化方法之后，计算速度 有了大幅度的增加，占用的空间有所减少，并在某供热工程中得到应用，收到良好效果 】 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 1 3 论文主要研究内容 虽然国内外许多研究机构在热电厂负荷优化分配以及供热管网的铺设研究中作了 大量的工作，但是实际的系统却是千变万化，必须要根据不同的研究对象对建立的基本 模型进行休整，以得出最优的方案。本文针对具有三个热电厂下属的某市热电集团进行 研究，并根据实际案例进行供热管网的优化布置。 文章的主要内容包括以下几个方面 l 、利用燃耗等微增方法对热电厂的锅炉系统进行负荷优化分配，提出节能效果好 的分配方案。 2 、通过将供热机组的发电分解为热化发电和凝汽发电，对热电厂热电负荷优化分 配进行研究，针对不同电厂提出切实可行的分配方案。将某市整个热电集团作为整体进 行统一的热电负荷分配，根据季节的不同提出具体的分配方案，并与分别优化进行比较。 4 、研究图论学原理中最小树原理，对供热管网进行优化布置进行研究，以求得到 最优路径。 5 、编制锅炉系统优化分配软件并进行测试。 区域热电厂负荷优化分配与热网优化研究 2 电厂锅炉系统负荷优化分配研究 电厂锅炉系统负荷分配的最优化，是提高锅炉实际效率和经济性的最有效措施，也 是其达到优化运行的最主要途径之一。锅炉系统负荷优化的主要目的是在保证正常运行 的基础上，节约其供应蒸汽所消耗的燃料。本章介绍如何运用燃耗等微增率法对锅炉系 统进行负荷优化分配，并以某市热电厂作为研究对象进行优化。 锅炉负荷的分配方法有很多，但各有其缺欠。例如按比例调节锅炉分配，由于没 有考虑到锅炉的效率，只适用于各锅炉的性能、参数基本相同的情况。单纯的按照锅 炉的热效率分配负荷，或者单纯的按照锅炉的经济负荷分配哪! ，在实际中不一定能实现 降低燃耗的目的，可能在很不经济的负荷范围内波动，结果将可能使设备的总经济性降 低。非线性规划法，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 环的缺点。线性规划法，其局限性体现在要求煤耗特性曲线不为线性时将会造成较大 误差。等微增率法，这种方法对煤耗特性曲线有较苛刻的要求。但是这个方法建立在 古典变分原理基础上，简单易懂，便于使用，而且最经济。是目前电厂实际负荷经济分 配的主要方法。本文正是采用燃耗等微增率方法对锅炉系统进行优化分配。 2 1 燃耗等微增率方法 燃料耗量等微增率原理是负荷优化分配领域的经典方法。它具体是指当锅炉系统的 总负荷在各台锅炉间优化分配后，各台锅炉都在其自己特定的负荷下运行，尽管各台锅 炉的负荷可能有很大差别，但它们都应有相同的燃料耗量的微增率x ，同时各台锅炉所 分配的负荷之和应等于锅炉房的总负荷。这时所有运行锅炉的燃料耗量总和为在该总负 荷下的最小值。 以2 台锅炉为例直观地说明一下燃料耗量等微增率原理。设给定负荷为p ，若2 台 机组的燃耗特性b 1 = f 口1 ) ，b 2 = f ( p 2 ) 已知，目标是使全厂煤耗为最小b r a i n ，即； p = p 1 + p 2 ，b i + b 2 = b r a i n( 2 1 ) 图2 1 是该两台锅炉的燃耗特性曲线，1 号机的b i = f ( p 1 ) ，在上部，横坐标p 1 值自 左向右，即o a = p i2 号机的b 2 = f ( p 2 ) 在下部；横坐标p 2 值自右向左，即0 a = p 2 ， 0 0 = o a + o a = p i + p 2 = p 。对应于a 点的纵坐标a b = f ( p 1 ) ，a b = f ( p 2 ) ，b b 即两台锅炉 的燃耗b = b i + b 2 。燃耗最小的点是两燃耗特性曲线间所夹竖直线长度为最短的一点， 也是优化分配负荷的方案。 大连理工大学硕士学位论文 o 图2 12 台锅炉等徽增燃耗率原理的图示 f i g 2 1 t h ep i c t u r eo fe q u a l - r a t em i c r o - i n c r e a s e dp r i n c i p l eo f2b o i l e r s 图2 1 中的a 即所求全厂燃耗最小的负荷分配方案。对应于l 、2 号锅炉燃耗特性 上的点为c 、c ，过点c 、c 作两燃耗特性曲线的切线，可以看出两切线是平行的，两 平行切线之间所夹竖直线的长度c c 为最短，它满足下面的关系 ， d b l d p l = d b 2 d p 2( 2 2 ) 式( i 2 ) 为等微增燃耗率方程，即按微增率相等的原则在热力设备间分配负荷才是 最优的 一般地，假定电厂内锅炉的组合方式是给定的( 由n 台机组共同承担总负荷) ，某一 时刻总负荷为p ，目标是满足约束条件下使优化分配后总燃耗b 为最小，其优化分配数 学模型为“1 m m b = 妻b i - b l + b 2 + + b 百l s t p ：主p i = p + p l + 。+ p i = c o b $ t ( 2 3 ) 1 - l 式中p _ 一电厂的总负荷 一b 一电厂的总燃耗 p j 第j 台锅炉所承担的负荷，j = 1 ，2 ，n b j 第j 台锅炉的燃耗，j - - 1 ，2 ，n 一9 一 区域热电厂负荷优化分配与热网优化研究 负荷优化分配问题，即数学上的等式约束条件求多变量函数的极值，式( 2 3 ) 中 第一式为优化目标函数，其第二式是等式约束条件，即在满足第二式的条件下，使第一 式为最小值。 应用拉格朗日不定乘数法，对w - p i + p 2 + + p n p 引入不定乘数九。附加目 标函数为s = b + 九w 。只有当附加目标函数s 的一阶偏导数为零，s 的二阶偏导数大于零， 此时式( 2 3 ) 才会有解。 笪旦+ a 里。0 旦旦+ a 里0( 2 4 ) 一十 一- q ， 笪旦+ a 翌。0 显然，每一熟力设备的燃耗仅仅与它自身生产的能量有关，故 翌。塑。笪。丝，旦竺( 2 5 ) 。一。一。- 。一 j 当p 为定值时，得 一0 w l 里1 里1 ( 2 6 ) 一_ l ，一- 1 一- 工 l 二o ， 将式( 2 5 ) ，式( 2 6 ) 代入式( 2 4 ) 中得 0 b 1 。0 , 8 2 0 b n 。一a( 2 7 ) 就是燃料耗量曲线的斜率，即各台锅炉燃料耗量的微增率，式( 2 7 ) 即等微增燃 耗率方程。 由于锅炉的燃耗微增率一般都是随负荷上升而单调增大，故可以推出 堡，0( 2 8 ) 一， ( ) a 只。 鱼0 ( i j ) ( 2 9 ) _ 土- ( i j )( ) a p , a p , 这样等微增率负荷优化分配就能保证方案的最优。 假设每台锅炉根据实际运行数据拟合出其煤耗特性曲线是二次曲线，即 b i - a i d i 2 + b i d i + c i ，则各台锅炉燃料耗量的微增率的表达式为 大连理工大学硕士学位论文 a - ( 2 p + 6 l q ) 1 弛 ( 2 1 0 ) 趸口 优化分配后各锅炉的负荷量为 只- ( a b , ) 2 a , ( 2 1 1 ) 等微增率方法直接应用到实际场合还有许多实际问题需要解决。 在实际情况中，每台锅炉都有一个适宜的负荷范围，那么对于上述数学规划而 言，还必须满足下面的约束条件： p - s 只墨p j = 1 ，2 ，1 1 j n u n jj m a x 。 。 p j m i n 、p j m a 【分别为锅炉负荷的上下限。 一般电厂中都有多台锅炉，那么运行锅炉的组合问题也需要考虑。这必须根据热 电厂的实时负荷量来确定运行几台锅炉，以及运行哪些锅炉。 只有当锅炉的燃耗微增率曲线具有连续、向上凹的特性时，并列运行的负荷经济 分配才能按微增能耗率相等的原则进行，如图2 2 所示：前两条曲线是两台锅炉各自的 燃微增率特性曲线，最后一条是总的燃耗微增率特性曲线。这就需要在拟合锅炉煤耗特 性曲线的时候注意数据点的选择。 静 罄 藉 蠡 嗒 ：， _ 。_ 7 i 锅炉负荷( t l h ) 图2 2 ，图解等微增率方法 f i g 2 2 p i c t u r eo f t l mm e t h o do f e q u a l - r a t em i c r o i n c a s c dp r i n c i p l e 2 2 等微增率方法的计算步骤 1 输入各锅炉负荷量、耗煤量，锅炉负荷的上限p m a x 和下限p m i n 以及负荷总量p 等已知参数 区域热电厂负荷优化分配与热网优化研究 2 。根据锅炉负荷量和耗煤量，做出锅炉的燃耗特性图。 3 根据公式 - ( 2 p + 岛a 。) 1 2 q 计算乘子 筒了= i 4 根据公式只一 一6 f ) 2 a i 计算优化分配后各锅炉所带负荷 5 判断是否越上限p m a x ( 锅炉额定负荷) 。如果没有越限，进入下一步。如果越限， 将越限锅炉的负荷改为p m a x ，将总负荷p 减去p m a x 。再对其他锅炉进行第4 步。 6 判断是否越下限p m i n ( 锅炉额定负荷的7 0 ) 。如果没有越限，进入下一步。 如果越限，将越限锅炉的负荷改为p m i n ，将总负荷d 减去p m i n , 再对其他锅炉进行第4 步。 7 输出优化分配后各锅炉所带负荷量p i 计算流程图为图2 3 i 输入各锅炉负荷量、耗煤量，锅炉负荷上、下限及负荷总量 上 根据锅炉负荷量和耗煤量，做出其燃耗特性图 工 根据公式计算x j 裉据公式计算p i 。 i 。 l 对越上限锅炉做记录， 亟薹多一僦觚 l 否一南剖抛一下嗍删p m 碌i n , ， ，f 辫夤击荔p 滴毒p m n 输出最终各锅炉分配的负荷量 图2 3 等微增率方法进行负荷分配程序图 f i g 2 3f l o w c h a r t f o rc o m p u t a t i o n o f e f f i c i e n ta s s i g n m e n t o f l o a db a s e d e q u a lr a t e o f m i c r o i n c r e a s e 大连理工大学硕士学位论文 2 3 算例与分析 本章是以某市a 、b 、c 三个热电厂的锅炉系统为例进行负荷优化分配问题的研究。 三个热电厂锅炉系统的概况为：a 电厂有2 台型号均h 0 - - - 2 2 0 9 8 - 函毋的锅炉；b 电 厂有4 台型号为w g z - 2 2 0 9 8 1 3 的锅炉：c 电厂有6 台锅炉，其中1 # 一4 # 型号为 c g 7 5 5 3 0 m x ，5 # 和6 # 型号为s g - 1 3 0 5 2 9 m 2 4 9 。 考虑到冬季与夏季的蒸汽需求量不同，故对两个季节分别进行分配。数据来源取自 三个熟电厂0 5 年冬季与0 6 年夏季的运行记录数据 热电厂锅炉系统的负荷优化分配计算 根据热电厂中每台锅炉的实际运行数据分别拟合出其煤耗特性的二次曲线 b i - a i d j 2 + b i d i + q ，具体见表2 1 ： 表2 1 各电厂锅炉的煤耗特性曲线 1 i a b l e 2 1 t h e c o 璐u m c c h a r a c t e rc t l t v e o f t h e b o i l e r s 电厂 季节 锅炉煤耗特性曲线 锅炉煤耗特性曲线 a冬1 #b = o 0 0 0 1 1 ) 2 - 9 0 9 5 7 1 + 7 9 2 2 3 2 # b = o 0 0 0 0 2 0 2 + 0 1 4 3 3 d + 1 4 5 3 9 夏1 #b = o 0 2 7 5 d 2 + 0 1 0 3 4 d + 4 5 8 9 9 2 #b = o 0 0 2 8 矿- 0 7 3 3 9 d + 7 9 4 4 6 b l #b = o 0 0 0 1 d 2 + o 1 0 4 1 d + 5 5 0 7 7 2 #b = o 0 0 1 8 d 2 0 6 0 7 8 d + 9 0 8 8 冬 3 #b = o 0 0 2 8 d - i 0 2 6 1 d + 1 2 5 4 14 抖b = o 0 0 1 d 2 3 8 8 d + 3 8 3 7 3 夏 3 #b = o 0 0 4 4 d 2 - o 3 7 5 4 0 + 1 8 9 0 66 葬b - - o 0 0 7 3 d 乙i 5 2 5 8 d + 1 0 1 5 8 c l #b = o 0 0 1 4 d z + 0 0 1 6 5 d + 6 2 9 7 3 2 # b = o 0 0 0 1 d 2 + o 1 8 5 6 d + 0 9 8 0 1 冬 5 #b = o 0 0 8 8 0 2 - 1 6 2 7 2 d + 9 3 3 7 7 6 # b = o 0 0 0 2 d 2 + 0 1 5 4 d + 0 8 8 5 9 在对各锅炉进行优化分配时，设定锅炉的最低负荷为其额定负荷的7 0 9 6 ，最高负荷 为其额定负荷。因为对于一般的锅炉，当其负荷率在这个范围之间运行时状态最佳。 各热电厂针对锅炉负荷优化分配的数学模型为 ( 1 ) 对于热电厂a ，由于夏季只运行一台锅炉，故不能进行优化研究。冬季优化 分配的数学模型表达式为 m i n b = x b l = b a + b 2 日 约束条件：d l + d 2 = d p m a x d i p m i n 热电厂a 锅炉的p m a x 为1 5 4 t h ，p m i n 为2 2 0 恤。 区域热电厂负荷优化分配与热网优化研究 图2 4 热电厂a 锅炉燃耗特性曲线以及煤耗微增率曲线 f i 萨4t h ec o n s u m e c h a r a c t e rc u r v ea n dt h ee q u a lr a t eo fm i 订o - i n c m a s ec ：l l l n e o f t h eb o i l e r o f t h e p o w e r p l a n t a ( 2 ) 对于热电厂b ，夏季优化分配的数学模型表达式为 m i n b = b i - b i + b 2 约束条件：d 1 + d 2 = d p m a x d i p m i n 冬季优化分配的数学模型表达式为 m i n b = b l = b l + b 2 + b 3 + b 4 约束条件：d 1 + d 2 + d 3 + d 4 = d p m a x d i p m i n 热电厂b 锅炉的p m a x 为1 5 4 “h ，p m i n 为2 2 0 t h 。 ( 3 ) 对于热电厂c ，夏季优化分配的数学模型表达式为 m i n b = b 3 + b 6 约束条件：d 3 + d 6 = d p m a x d i p m i n m i n b = b i = b 1 + b 2 + b 5 + b 6 约束条件：d l + d z + d s + d 6 = d p m a x d i p m i n 热电厂c i * * - 4 # 锅炉的p m a x 为5 2 5 t h ，p m i n 为7 5 椭。5 # - 6 # 锅炉的p m a x 为9 1 t h ， p m i n 为1 3 0 t l i 大连理工大学硕士学位论文 根据锅炉煤耗微增率曲线的表达公式九= 2 a i d i + b i 以及表1 可以看出，每条曲线都具 有连续、