（动力机械及工程专业论文）燃煤电厂生产过程综合评价指标分析与优化运行研究.pdf

摘要 随着我国电力建设的快速发展以及电力系统“厂网分开，竞价上网 措施的逐步 实施，研究电厂机组运行综合评价指标，以及在此基础上对机组间的负荷进行优化分配， 具有重要的现实意义。 本文从系统的整体入手，首先根据火电机组的运行状况，全面考虑技术、经济、 环境等多种因素，在计算机组的能量费用、非能量费用和环境污染费用后，构建燃煤电 厂运行经济性综合评价指标的数学模型；接着在计算运行综合评价指标的基础上，建立 燃煤电厂机组负荷优化分配模型：然后介绍了机组负荷优化分配的计算方法；文中最后 以国产某燃煤电厂为例，对燃煤电厂运行经济性综合评价指标进行分析和计算，并在此 基础上利用非线性规划法对机组负荷进行优化分配，同时利用m a t l a b 仿真以及l a b v i e w 高度可视化界面编制电厂机组负荷优化分配的系统软件。 本文紧密结合电力生产实际进行研究。研究成果的应用，可有效地促进燃煤电厂自 觉地将经济运行、治理污染、减少污染物的排放、节约用水等几方面紧密地结合起来， 同时可实现燃煤电厂机组间负荷优化分配，进一步提高电厂运行的综合经济性。 关键词：燃煤电厂；综合评价指标：费用计算；负荷优化分配 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i c i t y 觞w e l l 舔t h eg r a d u a li m p l e m e n t a t i o no f m e a s u r e so ft h ep o w e rs y s t e m ”p o w e ra n dg a ds e p a r a t e d ，b i d d i n go n t o - g a d ”，t h er e s e a r c h f o rt h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ni n d e xi np o w e rp l a n ta n do nt h eb a s i so fw h i c ht od i s t r i b u t e t h eu n i tl o a di sa ni m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , t h es y s t e mi sc o n s i d e r e d 硒aw h o l e ，f r o mw h i c ha c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i o n c o n d i t i o n so ft h ep o w e rp l a n tf i r s t l ya n dm a n yf a c t o r si nt e c h n o l o g y e c o n o m y e n v i r o n m e n t a l ec o n s i d e r e d ，a f t e rt h ee n e r g yc o s t ，n o n - e n e r g yc o s ta n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nc o s ta r e c a l c u l a t e d ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ni n d e xo ft h ee c o n o m i c a l o p e r a t i o no f t h ec o a l - f i r e dp o w e rp l a n ti sb u i l t ；a n dt h e no nt h eb a s i so ft h ec o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o ni n d e xo ft h ee c o n o m i c a lo p e r a t i o n ，t h em o d e lf o ro p t i m a ld i s t r i b u t i o nl o a do ft h e u n i ti so b t a i n e d ；t h e ns o m em e t h o d so ft h eo p t i m a ll o a dd i s t r i b u t i o no ft h eu n i ta r e i n t r o d u c e d ；f i n a l l yt a k i n gt h ed o m e s t i cc o a l f i r e dp o w e rp l a n t a sa l l e x a m p l e ，t h e c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ni n d e xo fe c o n o m i c a lo p e r a t i o ni nc o a l f i r e dp o w e rp l a n ti sa n a l y z e d a n dc a l c u l a t e di nt h i sp a p e r , a n dm e a n w h i l et h eo p t i m a ll o a dd i s t r i b u t i o no ft h eu n i ti sc a r r i e d o u tb yu s i n gt h en o n - l i n e a rt h e o r y a n dt h es y s t e ms o f t w a r ef o ro p t i m a ll o a dd i s t r i b u t i o n o ft h eu n i ti so b t a i n e du s i n gm a t l a bs i m u l a t i na n dv i s u a l i z a t i o ni n t e r f a c eo fl a b v i e w t h i sp a p e rg i v e sr e s e a r c hc o m b i n e dw i t ha c t u a ls i t u a t i o ni np o w e rp l a n t t h ea p p l i c a t i o n o fr e s e a r c hr e s u l t sc a nc o n n e c tt h es e v e r a lf a c t o r sw i t he c o n o m i co p e r a t i o n ，p o l l u t i o nc o n t r o l a n dr e d u c i n gt h ee m i s s i o no fp o l l u t a n t sa n dw a t e r - s a v e di nc o a l f i r e dp o w e rp l a n t a u t o m a t i c a l l y , m e a n w h i l et h eo p t i m a ld i s t r i b u t i o n o ft h el o a di s a c h i e v e d , a n dt h e c o m p r e h e n s i v ee c o n o m i co p e r a t i o no ft h ep o w e rp l a n ti sf u r t h e r l yi m p r o v e d k e yw o r d s ：c o a l f i r e dp o w e rp l a n t ；c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ni n d e x ；c a l c u l a t i o no ft h e c o s t ；o p t i m a ll o a dd i s t r i b u t i o n 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 巷秀套 醐：1 吩引卵 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长 沙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，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 苔篆煎 翌如幻 醐2 1 钆刖日 醐。q 年，肘占日 第一章绪论弟一早三百t 匕 1 1 本课题研究的背景及意义 燃煤电厂是电能生产的重要基地，也是造成环境污染的主要污染源，同时还 是消耗水资源的大户。目前，衡量燃煤电厂运行经济性的最终指标常以供电煤耗 率为标准，供电煤耗率低就说该电厂运行的经济性高，供电煤耗率高就说该电厂 运行的经济性低。但供电煤耗率这个指标仅能反映燃煤电厂本身能量转换程度的 高低，没有考虑燃煤电厂生产过程中所产生的废气、废水和废渣等对外部环境所 造成的污染，没有考虑水资源的使用价值问题，也没有考虑电厂在设备折旧费、 维修费、管理费及人员的工资、奖金、福利等方面的费用。燃煤电厂其他的热经 济性指标，如热耗率、汽耗率等也同样存在这一问题。随着我国电力建设的快速 发展以及电力系统“厂网分开，竞价上网措施的逐步实施，若仍以传统的供 电煤耗率等作为考核指标，或将其作为电厂上网电价的报价依据，不但不符合实 际，而且也不利于环境的改善和污染物的治理，所以寻求一系列科学替代现有热 经济性指标的综合评价指标势在必行。 国民经济的发展和人民生活水平的提高，不仅导致电力负荷的需求增长迅 速，而且用电结构也发生了很大的变化，其结果是各大电网的负荷峰谷差值约为 电网总容量的3 0 ，个别的地区高达5 0 ，预计今后缺电局面缓解后，其值还会 更高。峰谷值的增加直接导致机组增减负荷、调停次数的增加。对电厂来说， 在满足电网调度的基础上，如何合理分配各机组间的负荷，使电厂保持在最经济 的状态下运行，成为当今急需解决的问题之一。 1 2 国内外研究现状 近年来，随着计算机技术的飞速发展以及大型火电机组的投入运行，我国越 来越多的科技工作者投入到火电厂经济性分析及优化运行研究的行列。这方面主 要代表性研究成果有：利用热平衡法、等效焓降理论、热偏差分析法等对火力发 电厂机组的经济性指标进行了计算心娟1 ；利用线性规划模型、二次规划模型、神 经网络以及遗传算法等对大型火电机组负荷进行优化分配；利用非线性规划对大 型火电机组优化运行技术进行研究等 q 1 。这些研究除模型建立和求解方法不同 外，其实质都是基于技术或技术经济方面的，没有考虑燃煤电厂电能生产中对环 境所造成的负面影响。当然，近年来国内外也有些学者对火电厂电能生产对环境 所造成的污染进行了研究，并提出了具体的改进措施；也有的学者结合热经济性 与环境保护进行了研究，并且提出了环保电价和生态效率的概念n 0 。1 引。但在环保 电价方面，只提出了建立环保电价机制的几个要点，并没有具体的环保电价计算 方法及可操作依据；在生态效率方面的研究中，虽然也考虑了发电厂效率和环保 指标，但对燃煤电厂而言，仅考虑了废气对环境造成的污染，却没有考虑燃煤电 厂排出的废水、废渣等对环境的影响，也没有考虑其他的非能量费用问题。总的 来看，还没有将技术、经济、环境等因素统一结合在一起考虑的实质性研究成果 出现，国内外在这方面的研究均处于起步阶段。 机组负荷优化分配是电厂经济运行的一项重要工作，目的是为了寻求各机组 之间怎样分配负荷才能使电厂能源消耗量最小，以减少发电综合成本，提高经济 效益。国外在优化理论方面的研究较早，提出了大量的算法，主要有等微增法、 线性规划法、非线性规划法、动态规划法等。 ( 1 ) 等微增率法 等微增率法( e q u a li n c r e m e n t a li ) is c h a r g ec r it e r i o n ) 是在计算过程中 以目标函数对各负荷变量的一阶偏导数相等为原则，直接求出各负荷值，然后检 验其是否满足约束条件，若不满足，再用迭代法进行修正，直到所有的解都满足 约束条件为止。该方法模型简单，计算速度快，但由于等微增率原则是建立在古 典变微分理论基础上的，为了使目标函数达到最小，要求机组的发电综合成本特 性为严格凸函数，实际的机组发电综合成本特性很难满足。 ( 2 ) 线性规划法 线性规划法( l i n e a rp r o g r a m m i n g ) 是求一个线性目标函数在一组线性约束 条件下的极值问题。该方法也是一种计算量小、简单快捷的方法，但需要将单元 机组的发电综合成本特性曲线以及约束条件进行线性化处理，这必然会引入误 差，使计算结果失真。 ( 3 ) 非线性规划 如果目标函数或约束条件中包含非线性函数，就称这种规划问题为非线性规 划问题。一般说来，解非线性规划要比解线性规划问题困难得多。而且，也不像 线性规划有单纯形法这一通用方法，非线性规划目前还没有适于各种问题的一般 算法，各个方法都有自己特定的适用范围。 2 ( 4 ) 拉格朗日松弛法 拉格朗日松弛法( l a n g u a g er e l a x a t io n ) 是解决复杂整数和组合优化问题的 一种非线性方法。它的思想是在目标函数中针对系统的耦合约束引入拉格朗日乘 子，构造一个增广目标函数形成对偶问题，通过解决对偶问题的极大或极小值来 求解目标函数的最优值。该方法的优点是当优化组合的系统较大时，计算量近似 线性增长，随着机组的增加，算法的效果越来越好。缺点是求得的对偶问题的解 对于原问题通常是不可行的，因此需要专门的算法，根据对偶解生成一个好的可 行解，并可以根据可行解与对偶解之间的对偶间隙来评价可行解的好坏。同时， 算法的迭代过程可能出现振荡或者奇异现象，因此，该方法适于求解大系统的优 化问题。 ( 5 ) 动态规划法 动态规划法( d y n a m i cp r o g r a m m in g ) 是研究多阶段决策过程最优解的一种 有效方法。它根据“最优决策的任何子阶段仍然是最优 的原理，将多阶段决策 过程根据贝尔曼( r b r li m a n ) 最优化理论转变成一系列单阶段最优决策问题， 依次求出每一阶段的最优解，最后获得整个过程的最优解。 动态规划法对机组的数学模型要求较低，一旦找到最优决策序列，就是全局 最优解，因而其结果稳定，在实际系统中得到了广泛的应用。该方法的缺点是对 机组较多的负荷优化问题计算量太大，即产生“维数灾问题，解决的办法是减 小迭代步长，则不可避免的会丢失最优解；要求求解的问题具有明显的阶段性， 难以考虑与时间有关的约束条件和机组功率变化速率等限制：对实时性要求高的 系统，该算法由于计算时间较长，难以满足要求。 ( 6 ) 遗传算法 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 是基于生物自然选择和遗传机理的一种高度 并行、随机和自适应的优化算法，它将问题的求解表示成“染色体 的适者生存 过程，通过“染色体 群的一代代不断进化，包括选择、交叉、变异等操作，最 终收敛到“最适应环境 的个体，从而求得问题的最优解或满意解。 遗传算法是一种通用的优化算法，其编码技术和遗传操作比较简单，对求解 问题的限制性约束较少，鲁棒性强，同时它可以在整个解空间内搜索，收敛性能 良好，能够以较大的概率收敛到全局最优解。算法本身不要求对优化问题的性质 作深入的数学分析，为不太熟悉数学分析的科研人员带来了很大方便。 华东电力试验研究院的沈丛奇、归一数、方炯等人在全厂负荷经济分配的基 3 础上，引入变负荷成本的概念，提出了解决a g c 频繁变负荷情况下全厂负荷优化 分配及控制的策略，并提出了一些具体的实施方案n 引。华北电力大学的王治国 等人在指出基于经济性的厂级负荷优化分配数学模型不能有助于电厂快速完成 电网负荷需求调节的不足后，通过对机组完成负荷过程的分析，得出了理想状态 下电厂完成电网分配负荷的最短时间，并进行了数学证明。在此基础上，建立了 以快速完成电网负荷需求为目的的厂级负荷优化分配数学模型，从而为电厂快速 完成电网负荷需求找到了科学的数学理论依据1 6 - 17 1 。华中科技大学的杨俊杰、 周建中等人提出了一种求解电力系统负荷经济分配问题的改进粒子群优化算法。 该算法考虑了机组的爬坡约束、出力限制区约束、非光滑费用函数曲线等非线性 特性，用保留可行解的方法处理负荷平衡约束条件，用自适应罚函数法处理爬坡 和出力限制区约束条件，加快了算法的收敛速度，对不活动粒子的处理使算法避 免了“早熟 现象n 引。国电电力科学研究院的王平洋，王广生等人对遗传算法 在电力系统经济调度中的应用进行了广泛研究。认为对于寻求电力系统问题全局 最优解而言，遗传算法是强有力的工具，具有随机搜索、灵活高效、稳定、多目 标处理和对复杂因素进行处理等优点。对于遗传算法收敛比较慢耗时过多的问 题，提出了一种模糊控制遗传算法。这种算法主要是设置了交叉控制器和突变控 制器，能在最优化过程中自动修改遗传参数。模糊控制遗传算法已用电力系统经 济调度问题测试过。与传统遗传算法相比，收敛速度更快n 引。 此外，东南大学、上海交通大学、华南理工大学、重庆大学等研究单位在负 荷优化分配等方面也都有自己的建树。 近年来，随着计算机技术和优化理论的发展，国内外一些学者又提出了将人 工神经网络算法他们、模拟退火算法1 、粒子群优化算法啪3 、蚁群算法阳3 q 4 1 等智 能优化算法应用到电厂负荷优化调度。在实际系统开发方面，美国等国家有着相 对成熟的负荷经济优化系统软件。 1 3 本文所做的主要工作 本课题是对燃煤电厂生产过程综合评价指标体系及优化运行的有关问题进 行研究的，根据火电机组设备的运行状况，全面考虑技术、经济、环境等多种因 素的基础上构建燃煤电厂综合评价指标的数学模型，提出燃煤电厂生产过程综合 评价指标体系和火电机组负荷优化分配理论，以指导电厂的运行实践，提高电厂 运行的综合经济性。 4 课程研究中还以大型火电机组( 3 0 0 m w 及以上机组) 为对象，以最大限度的降 低电厂的发电综合成本为目标，对厂级负荷优化分配进行了探讨。 概括起来讲，本课题所做的工作主要有以下内容： ( 1 ) 综合评价指标数学模型的建立与求解。机组运行的原始数据经整理、热 力计算，将电厂中机、电、炉看作一个整体，利用系统分析的“黑箱法 ，建 立燃煤电厂运行中综合评价指标的数学模型，列出相关的平衡方程式，通过求解 即可得出燃煤电厂运行中一系列综合评价指标。 ( 2 ) 负荷优化分配数学模型的建立。首先找出各台机组负荷与其综合评价指 标间的关系，然后建立燃煤电厂各台机组运行时的负荷优化分配模型。优化分配 模型的目标函数取自某一综合评价指标，约束条件可取为各机组的负荷上、下限 定值、电厂总负荷、污染物排放的限定值等。通过对模型求解，即可得出各台机 组的最优负荷分配方案。 ( 3 ) 介绍了动态规划法、非线性规划法的基本原理、特点和基本实现步骤， 通过比较选取适当的方法应用于机组负荷优化分配。 ( 4 ) 负荷优化分配系统的软件实现。本文通过使用m a t l a b 自动化服务器功 能，可以在其他应用程序中执行m a t l a b 命令，并与m a t l a b 的工作空间进行数据 交换。借助这一特性，把l a b v i e w 与m a t l a b 结合，充分利用m a t l a b 提供的大量 高效可靠的算法和l a b v i e w 的图形化编程能力混合开发出负荷优化分配系统软 件。 5 第二章燃煤电厂生产过程中综合评价指标分析 我国火力发电厂采用热量法定量评价其热经济性，常用的热经济性指标主要 有能耗量( 如汽耗量、热耗量、煤耗量) 、能耗率( 如汽耗率、热耗率、煤耗率) 、 效率。这些方法习惯的把热力学分析与经济性分析( 社会成本) 截然分割开来， 没有考虑电厂生产过程中对环境所造成的影响及水资源的消耗等因素，孤立的在 各自的领域里研究问题。所以对燃煤电厂生产过程中综合评价指标的研究是很有 必要的。 2 1 燃煤电厂综合评价指标分析 综合评价指标应包括直接的能量消耗，非能量的消耗，以及对环境造成的危 害。为此本文把电厂生产电能的各种费用划分为能量费用、非能量费用和环境费 用三部分。电厂生产电能要消耗燃料及水资源，这就是电能生产中的能量费用部 分；为了使电厂正常运行，必须有厂房及设备的折旧、维修、管理及人员的工资、 奖金、福利等，这就是所谓的非能量费用部分；电能生产中还有废水、废气和废 渣排出，从而对环境造成污染，为了减少对环境的污染，电厂采取了一定的脱硫、 脱硝、除尘装置，从而构成了环境费用。 2 1 1 综合评价指标数学模型的建立 将整个电厂看作一个整体，利用系统分析的“黑箱法 ，可建立燃煤电厂运 行经济性综合评价指标的数学模型( 如图2 1 ) 引。图2 1 中，各输入量、输出 量均转化为输入费用、输出费用，其中燃煤电厂的煤耗量通过热力系统计算可得 到。 电能 环境成本 图2 1 燃煤电厂系统平衡原理图 由综合评价指标的数学模型可列出相关的平衡方程式，通过求解即可得出燃 煤电厂运行经济性的发电综合成本。应该说明的是，排污收费增加了电厂的支出， 6 所以列方程式计算时，排污费应以负值代入计算。 同理，将汽轮发电机组看作一个整体，利用系统分析的“黑箱法”，可分别 建立汽耗综合成本的数学模型( 如图2 2 ) 和热耗综合成本的数学模型( 如图2 3 ) 。 其中进入汽轮发电机组的蒸汽量可由已知数据得到；热耗量由热力系统计算可求 得。 蒸汽 图2 2 汽耗评价指标的原理图图2 3 热耗评价指标的原理图 2 1 2 综合评价指标的求解 ( 1 ) 发电综合成本 由发电平衡方程式 得： 式中一汽轮发电机组功率，k w h a ； c 。一发电综合成本，元k w h ； e 一总非能量费用，万元a ； e 一总环境成本，万元a ； g 一总的能量费用，万元a 。 ( 2 ) 热耗综合成本 由热耗平衡方程式 得： 式中q 一热耗量，k j a ； c f 一热耗综合成本，元k j 。 ( 3 ) 汽耗综合成本 7 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 由汽耗平衡方程式 得： 式中 d o 一汽轮机进汽量，k g a ； 勺一汽耗综合成本，元k g 。 2 2 发电综合成本的计算方法 ( 2 3 ) 发电综合成本作为综合评价指标包括了能量消耗，非能量消耗，以及对环境 造成的危害。下面我们从三个方面分别进行计算。 2 2 1 燃煤电厂运行中能量费用计算 根据热经济性指标计算方法，对煤耗量进行计算心6 1 。 ( 1 ) 汽轮机内功率 彤2 荟d j h j + d e a h c ( 2 4 ) 式中彬一汽轮机内功率，k j h ； d ；、d 。一各级回热抽汽流量、排入凝汽器的凝汽流量，k g h ； h i 、h 。一各级抽汽流、凝汽流在汽轮机中的实际焓降，k j k g ： z 一回热抽汽级数。 ( 2 ) 汽轮机的绝对内效率 形 绝2 蔷 5 式中 一汽轮机的绝对内效率； q 。一汽轮机的热耗量，k j h 。 ( 3 ) 全厂热效率 叼。p = 刀b 叩p 叼i 叩m 叼g ( 2 6 ) 式中 ，7 。一全厂热效率； ，7 。、仉一分别为锅炉热效率、管道效率； 8 巳 生o吐巩一砒 口。 畜 咯 = d c r 。、r , 一分别为汽轮机机械效率、发电机效率a ( 4 ) 全厂煤耗量 ；爰 ( 2 - 7 ) 式中 一全厂煤耗量，k g a ； q 毗。，一厂用煤的低位发热量，k j k g 。 厂用煤耗量计算后，即可根据厂用煤价进一步求出燃料费用。至于水资源的 使用费用，目前当地政府仅收取冷却水取水费用，这项费用按照相关规定也可计 算出来。 能量费用即为燃料费用与冷却水取水费用两项之和。 2 2 2 燃煤电厂运行中非能量费用计算 非能量费用由以下几部分组成： ( 1 ) 大修费用：是指每月预提的为了恢复固定资产使用价值、保持固定资产 的正常运转和使用、充分发挥其效能而对设备进行的定期大修的费用，它包括主 机大修、辅机大修和非生产设备大修等各项费用。 ( 2 ) 小修及维护费用：为生产管理而耗费的备用配件、油耗、修理以及设备 更换而构成固定资产的备用配件采购及加工等所支出的费用。 ( 3 ) 折旧费用：指企业的固定资产按规定的折旧率计算的折旧费。 ( 4 ) 人工费用：指按规定列入产品成本的职工工资、奖金、津贴、补贴等以 及按企业职工工资总额与规定比例提取的职工福利费。 这些费用的构成各电厂有所不同，可通过实际调研、查找财务账目等来确定 所研究电厂的各项非能量费用。 2 2 3 燃煤电厂运行中环境成本计算 燃煤电厂环境成本可以从两个方面来考虑：一是为了避免或控制污染物对环 境造成的影响或为了减少污染物排放而投入的技术、设备及管理成本等，如电厂 的脱硫、脱硝和除尘成本等；二是电厂因为排放的污染物向有关部门缴纳的排污 费，即环境损失成本心引。因此可建立环境成本的数学模型： c ；q + c ， ( 2 8 ) 式中 c 。一电厂环境成本，万元a ； 9 c 。一电厂环境对策成本，万元a ； c ，一电厂环境损失成本，万元a 。 环境对策成本，是指电厂从事环境保护活动而支付的成本，由减排设备投资 和运行、维护费用组成。 ( 1 ) 减排设备投资 减排设备总投资主要由四种费用组成：即工程建设费、不可预见费、工程设 计费和其他杂项费用。在工程建设费中，又分为：设备费，包括工艺设备、供配 电、暖通、给排水、控制检测仪表等；工程安装费；建设周期利息。+ 计算中采用了年均化投资的概念，即将总投资在电厂使用寿命期内均摊，则 年均化投资的计算公式为： 瓦哳【器】 ( 2 9 ) 式中磊一年均化投资，万元a ； 昂一减排设备总投资，万元； f 一减排设备投资利率，； n 一减排设备使用年限，a 。 ( 2 ) 减排设备年运行、维护费用( y ) 减排设备年运行、维护费用包括：原材料的费用，如：烟气脱硫中的吸收剂( 石 灰、石灰石、氨等) 、动力，蒸汽，燃料等；减排设备运行时耗电费用；劳动力 费用，包括生产人员和管理人员的工资；维护费用，即每年检修或大修费用。 综上所述，该减排设备的环境对策成本为： f = f o + y ( 2 10 ) ( 3 ) 环境对策成本 一般燃煤电厂为保护环境安装的主要减排设备有：脱硫、脱硝、除尘等设备， 所以电厂环境对策成本等于各减排设备带给环境的对策成本之和，即： 巳= e ( 2 11 ) ( 4 ) 环境损失成本 燃煤电厂环境损失成本是电厂因造成环境污染而支付的费用，即电厂向政府 部门交纳的排污费。这部分费用根据国家制定的排污收费标准和对应污染物的排 1 0 放量计算得出，其数学模型为： c , - 妻w ；是 ( 2 1 2 ) 式中九一地区收费调整系数，不发达地区0 8 ，一般地区1 ； 九一环境功能区收费调整系数，三类0 9 ，二类1 0 ，一类1 1 ； s 一第i 种污染物的收费标准，元每当量数； g ：一第i 种污染物的排放量，k g a ； i 一第i 种污染物的污染当量值，k g 。 目前，电厂废气污染主要征收二氧化硫( s o ：) 、氮氧化物( n o 。) 和烟尘三 项排污费，冲灰水污染主要征收悬浮物( s s ) 、化学需氧量( c o d ) 和总砷三 项排污费。排污费用按照排放污染物的种类、数量以污染当量计算征收，根据中 华人民共和国财政部和国家环境保护总局制定的排污费征收标准及计算方法 ( 2 0 0 3 年7 月1 日起施行) ，进行有关污染物费用的计算心8 q 钔。 某污染物的污染费用一该污染物的污染当量数每当量数收费标准 烟尘排放量 g 。：! 燮堡塑!( 2 1 3 ) 饥= o 一 。 1 式中 g 一烟尘排放量，k g a ； 4 一收到基灰分，； 域一烟气中烟尘占灰分量的百分数，； c | m 一烟尘中可燃物的百分含量，； 7 7 一除尘系统的除尘效率，。 二氧化硫排放量 g 岛2 = i s o o b q , s 。( 1 - 仇) ( 2 1 4 ) 式中g 岛2 一二氧化硫的排放量，k g a ； & 一煤中的全硫分，； 坯一氧化硫脱除效率，；若没有脱硫装置，r h 一0 。 氮氧化物排放量 = 1 螂( 肌+ 1 0 r 6 v y ) ( 2 1 5 ) 式中g 麟一氮氧化物的排放量，k g a ： 卢一燃料氮向燃料型n 0 的转变率，与虬有关，一般燃烧条 件下，可2 0 一2 5 ； 虬一收到基氮的含量，； c 麟一燃烧时生成的温度型n o 的浓度( 通常可取9 3 8 m g n m 3 ) ； k 一1 千克燃料生成的烟气量，n m 3 k g ； 其中 哆= + + 暖+ y o 印+ 1 0 1 6 1 ( a 一1 ) v 。 式中口一空气过量系数，一般取口= 1 1 5 1 2 5 。 y o 一理论空气量，n m 3 k g ； 可由下式计算： v o 一0 0 8 ：8 9 眩m3 7 5 s ) + 0 2 6 5 h - 0 3 3 3 0 v s o ，；0 0 0 7 s 。， = 0 0 1 8 6 6 c 盯 嚷= 0 0 0 8 n o ，+ 0 7 9 v o k 曼d = 0 0 1 2 4 m 盯+ o 1 l l h 。+ o 0 1 6 1 v o 式中 ，暖，吃。一理论s o z ，c 0 2 ，n 2 ，h z 0 的容积，m 3 k g 。 污水中污染物的排放量 燃煤电厂在生产过程中排放的污水主要是冲狄水。冲灰水中含有多种污染 物，其中主要有悬浮物( s s ) 、化学需氧量( c o d ) 和总砷等。冲灰水排放量可根 据灰量的多少来确定。用灰渣泵输送灰水时，每吨灰的耗水量约为l5 2 0 m 3 ，而 煤燃烧后的灰量是可以计算出来的。单位冲灰水中，悬浮物的排放量可以用碘量 法进行测定，化学需氧量用重铬酸钾法进行测定，总砷的含量则可以用分光光度 法来进行测定，这样可计算出污水中各污染物的排放量阳引。 某污染物的当量数= 毳蓁雾鬟篆篾萋黼该、行梁韧嗣当重值l 十兄) 综上所述，根据式( 2 1 ) 即可得出燃煤电厂机组发电综合成本： c e ：半 1 2 同理，热耗综合成本和汽耗综合成本可根据发电综合成本，再利用式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 计算出来。 1 3 第三章燃煤电厂优化运行数学模型 这里所研究的燃煤电厂优化运行是指在电网给定的总负荷下，如何分配各台 机组间的负荷，使电厂的运行综合经济性最高。研究过程中，在建立机组负荷分 配优化的数学模型时，有多种方案可供选择，它们的依据也不同。 3 1 目标函数的确定 对实际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 量标准。这个标准如果可以用一个函数来表示，我们把这个评价方案优劣的函数 称为目标函数。如何将电网给予的总负荷在各台机组问合理分配，使全厂的经济 性能最好，就是机组间负荷最优分配的问题。过去的机组间负荷优化分配问题中， 常以热耗率、煤耗率或发电成本作为目标函数。而这些目标函数中评价指标并没 有考虑电厂生产过程中对环境所造成的影响及水资源的消耗等因素，因而本论文 以综合评价指标作为目标函数。 ( 1 ) 以汽耗综合成本和热耗综合成本作为目标函数。从理论上讲，使用该 项指标均能反映机组运行综合性能的优劣，由前面两章内容我们可看出，汽耗综 合成本和热耗综合成本是以发电综合成本为基础的，要计算它们，必须先计算出 发电综合成本。若选取其作为目标函数，必然使目标函数复杂化，所以本论文没 有采用。 ( 2 ) 以发电综合成本作为目标函数。发电综合成本中除了含有燃料费用的 因素外，同时还包括运行设备费用( 包括装机费、运行费、折旧费、维修费等) 和劳动力费用，另外还考虑了电厂生产过程中对环境所造成的污染费用以及水资 源的消耗费用等诸因素。 由于发电综合成本是包含着诸多因素影响的综合评价指标，所以用它作为研 究问题的目标函数能准确地反映整个电厂运行的经济效益和社会效益。 综上所述，本论文选取发电综合成本作为燃煤电厂负荷优化分配的目标函 数。 3 2 约束条件的确定 通常在负荷优化问题上要考虑机组运行的约束条件。例如，在保证机组运行 1 4 安全的前提下，依据机组所能承受的最大负荷量以及允许的最小负荷量的约束条 件等。对参与电网调峰的机组而言，约束条件主要有以下几种： ( 1 ) 系统的负荷平衡约束。在进行负荷分配时必须保证各机组的供电负荷 之和为全厂负荷指令，即： 只= 昂 ( 3 1 ) 符 式中，咒为机组台数，层为第f 台机组的供电负荷，昂为全厂总负荷。 ( 2 ) 机组输出功率的上下限约束。机组输出功率的上限可以超过机组的额 定负荷，为了研究方便，本文认为机组输出功率的上限为其最大连续功率，下限 受技术条件限制，一般取决于锅炉运行的稳定性，所以输出功率的下限取为对应 锅炉运行最低稳燃负荷下的汽轮机功率。因此机组负荷上下限可表示为： m i ns sr i m a x ( 3 2 ) ( 3 ) 设备的热备用状态。在整个电网运行中大型机组已经参与调峰，为保 证电网的安全稳定运行，要求发电企业具各一定的备用容量，以防止紧急事故的 出现或者负荷突变造成电网不稳定的状况。 ( 4 ) 机组的启停次数、启停速率、最小连续运行和停运时间约束。这些约 束是为了防止负荷的频繁波动给机组设备带来不必要的损害，以保证电厂的安全 稳定运行。此类约束在研究机组的启停组合问题时必须考虑。 优化启停、优化组合与负荷优化分配同样都着眼于电厂的经济性。在电力市 场经济格局逐步形成的今天，它们对于电厂的经济性研究都有重要意义。但对大 型电厂和大型机组而言，调峰时常采用滑负荷运行( 低负荷运行) 方式，故启停 与组合问题在此不作研究。所以本文研究只考虑约束条件( 1 ) 和( 2 ) ，其他两 项约束条件均无须考虑。 3 3 发电综合成本函数的曲线拟合 假设已知一组实验数据( 昂，岛) ，( 互，互) ，( 己，) ，要求f = f ( p ) 的 近似表达式( 又称经验公式) ，从几何上来讲，就是求f = f ( p ) 的一条近似曲线， 故称曲线拟合问题。 根据不同的拟合方法，可得到几种不同的曲线方程。由于不同的优化方法对 曲线的要求不同，故本文只对如下三种拟合方法进行简要说明。 1 5 3 3 1 二次型曲线拟合 经过一系列的计算结果，可以得出各台机组的若干组数据( p g ，) ，c ( i ，j ) ) ， 根据每组数据，利用最小二乘法，可拟合出电厂各机组的发电综合成本函数曲线， 设有n 台机组，拟合数据组数为m ，其方程为： c f = c i ( 只) 一a o o ) + 口l ( i ) p i + 口2 0 ) 只2 + + 口。“) 只厅 ( 3 3 ) 求多项式与数据c ( i ，j ) 的误差平方和r ： r 一罗( c ( f ，j ) 一c ( p ( i ，脚2 ( 3 4 ) _ 一 从各种参考文献分析知，为既保证拟合的精度，又力求拟合多项式的简单， 选取以= 2 很合适，所以上式可表示为： c i = c f ( 霉) 一a o o ) + 口l ( f ) 只+ 口2 g ) 霉2 ( 3 5 ) 3 3 2 双曲线型曲线拟合 若采用双曲线型函数来拟合机组负荷和发电综合成本的关系曲线，拟合函数 如下： q 2 卺+ 2 j i 6 ) 用双曲线拟合有两个优点： ( 1 ) 拟合算法简单。首先对上式进行线性变换，得到线性拟合式： y f = a i x i + b i ( 3 7 ) 1 其中y r2c r ，x z 2 百 与二次多项式拟合的算法相比，经过变换后，做线形拟合的算法，用最小二 乘法拟合时，只需对二阶矩阵求解，所以采用双曲线函数拟合的计算量相对较小。 ( 2 ) 函数的h e s s e n 矩阵正定，由分析可得到： 鲁寺 。 8 ， 即h e s s e n 矩阵的顺序主子式均大于0 ，所以矩阵正定。与二次曲线相比， 采用双曲线拟合总能保证曲线是下凹的。 1 6 3 3 3 分段线性拟合 分段线性拟合就是将各数值点在图中表示出来，然后逐一用直线连结相邻两 点，分别求出每一段的直线方程，得出分段的直线方程。对各机组分段的每一段 直线应用线性规划，可算出负荷分配的结果，显而易见，该方法的误差比较大。 综上分析，采用二次曲线拟合能够满足精度的要求又不失一般性，不过计算 较繁琐。采用双曲线拟合，总能保证曲线是下凹的，可应用等微增原理求解。而 实际的负荷发电综合成本特性的趋势未必总是下凹的，所以双曲线拟合有局限 性。分段直线拟合，当分的线段较少时，误差又比较大。当分的直线段比较多时， 精度也能基本保障。 所以，本论文发电综合成本的曲线拟合采用分段的线性拟合方法对机组进行 分析与计算。 3 4 机组负荷最优分配的数学模型 综上所述，可得出如下的厂级负荷优化问题的数学模型。 目标函数： 约束条件： c = ( 善c f p ) 异一m i n 善= 昂 p m i i is 只s 最一 ( 3 9 ) ( 3 1o ) 式中，c 为咒台机组总的发电综合成本，q ( p i ) 为第f 台机组的发电综合成 本函数。 1 7 第四章电厂机组负荷优化分配常用算法 机组负荷优化分配是电厂经济运行的一项重要工作，目的是为了寻求各机组 之间怎样分配负荷才能使电厂甚至整个电网的能源消耗量最小，减少发电综合成 本，提高经济效益。电厂机组负荷优化分配常用算法主要有以下两种： 4 1 动态规划法求解机组负荷优化分配问题 动态规划( d y n a m i cp r o g r a m m i n g ) 是运筹学的一个分支，是求解决策过程最 优化的数学方法。 4 1 1 动态规划的一些基本概念 ( 1 ) 阶段 阶段是对整个过程的自然划分。通常根据时间顺序或空间特性来划分阶段， 以便按阶段的次序解优化问题。阶段变量一般用k = l ，2 ，l 表示。 ( 2 ) 状态 状态表示每个阶段开始时过程所处的自然状况。它应能描述过程的特征并且 具有无后效性。即当某阶段的状态给定时，这个阶段以后过程的演变与该阶段以 前各阶段的状态无关。通常一个阶段有若干个状态，一般第f 阶段的状态就是第 f 阶段所有起点的集合。 ( 3 ) 决策 当一个阶段的状态确定后，可以做出各种选择从而演变到下一阶段的某个状 态，这种选择手段称为决策。用u k ( 以) 表示第k 阶段处于状态k 时的决策变量， 决策变量可取值的全体称为允许决策集合，用色( ) 表示，显然u k ( 吒) 域( 屹) 。 ( 4 ) 策略 决策组成的序列称为策略。 ( 5 ) 状态转移方程 在确定性过程中，一旦某阶段的状态和决策已知，下一阶段的状态便完全确 定。用状态转移方程表示这种演变规律，写作x k + 。= 瓦 。，吒) 。 ( 6 ) 指标函数和最优值函数 指标函数是衡量过程优劣的数量指标，它是定义在全过程和所有后部子过程 1 8 上的数值函数，用e ，。表示，k = l ，2 ，n 。指标函数的最优值称为最优值函数， 记作l ( x p ，可根据具体情况取m a x 或m i n 。 ( 7 ) 最优策略 使指标函数疋，。达到最优值的策略是从k 部开始后的子过程的最优策略。 4 1 2 动态规划的一般步骤 为了用动态规划方法求解实际问题，首先必须对实际问题建立动态规划模 型。建立动态规划模型时，应注意以下几点： ( 1 ) 将原问题转化为有若干阶段的决策问题； ( 2 ) 正确选择状态变量瓦，使之既描述过程，又无后效性； ( 3 ) 正确确定决策变量u k ( 以) ，及允许决策集合q ( 鼍) ； ( 4 ) 正确写出状态转移方程：x k + 1 一t k ( u 七，x k ) ； ( 5 ) 确定指标函数q ，厅的形式； ( 6 ) 写出基本方程即最优值函数满足的递推方程，以及端点条件。 4 1 3 负荷优化分配的数学模型 ( 1 ) 动态规划模型 用动态规划法求解负荷优化分配问题，实质上是求解一个带有约束条件的多 阶段决策过程。 假设总的机组台数为n ，则负荷优化分配的动态规划模型可描述如下： 整个决策过程分为n 个阶段，第k 阶段的状态变量为故，代表前k 台机组承 担的负荷；决策变量为，代表第k 台机组所承担的负荷；q ( 丑) 为允许决策集 合，代表机组所能承担的负荷范围；指标函数为g ，。，代表前k 台机组总负荷为吒 时的发电综合成本总和，最优值函数无( ) 即为m i n c k ，。) 。 采用顺推算法，状态转移方程为： 最优值函数为： x k + l = x k + 咒+ 1 k = l ，2 ，刀( 4 1 ) 以) 刊n c k 一 = m i n 善c f 亿 ( 4 2 ) 式中，c ；表示第i 台机组的发电综合成本函数。 1 9 递推方程为： + 。( x k + 。) 2 m i n c , p , p 0 2 m i n c 最+ - + l ( x p p o ( 4 3 ) 边界条件为： ( 置) = c l ( 一) ( 4 4 ) 允许决策集合为： o k ( 丑) 一 ei 足嘶。s 丑s 互一