（热能工程专业论文）多台火电供热机组间的负荷优化分配研究.pdf

摘要 本论文的工作是首先对现有的研究热电负荷经济分配的方法进 行了分析和讨论， 确定对热电联产机组的负荷进行优化分配的方法， 建立对负荷进行优化分配的数学模型，针对供热和发电机组为了实 现供热和发电的双重任务，应用计算机编制优化软件，通过优化计 算，然后与现有机组实际运行可能工况的能量消耗量进行比较、分 析，并得出结论，使机组在满足热、电两种负荷需求的前提下实现 节约能源的目的，进而达到了节能降耗，提高经济效益的目的。 关键词:多台机组，负荷，优化分配 abs t ract t h i s p a p e r f ir s t l y a n a l y s i s e s a n d d i s c u s s e s m e t h o d s o f l o a d d i s t r i b u t i o n , t h e n c o n f i r m s t h e m e t h o d f o r t h e l o a d d i s t r i b u t i o n o f c o g e n e r a t i o n u n i t s , b u i l d s u p t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l o f o p t i m i z e d d i s t r i b u t i o n o f h e a t a n d e l e c t r i c l o a d . a i m i n g a t t h e d o u b l e t a s k s o f h e a t s u p p l e m e n t a n d g e n e r a t i n g e l e c t r i c i t y t o a u n i t , 1 w o r k o u t o p t i m i z a t i o n s o f t w a r e b y u s i n g c o m p u t e r , b y u s i n g t h i s s o f t w a r e y o u c a n w o r k o u t a s e t o f d a t a . c o m p a r e d w i t h t h e p r a c t i c a l e n e r g y c o n s u m p t i o n i n o p e r a t i o n , t h e n m a k e s a c o n c l u s i o n , y o u c a n r e a l i z e t h e a i m o f e n e r g y s a v i n g a n d a t t h e s a m e t i m e s a t i s f y t h e t w o k i n d s o f l o a d r e q u i r e m e n t s , s i n c e y o u a c h i e v e t h e p u r p o s e o f e n e r g y s a v i n g , r e d u c i n g c o n s u m p t i o n a n d p r o m o t i n g e c o n o m i c p r o f i t s . g u o f e n g l o n g ( t h e r m a l e n g in e e r i n g ) d i r e c t e d 勿p r o f . z h a n g g u a n g k e y wo r d s : m u l t i p l e u n i t , l o a d , o p t i m i z a t i o n o f d i s t r i b u t i o n 主要符号表 t o : 室外空气温度，; n : 室外空气温度持续时间，h ; n : 城市采暖期天数，天; t o , : 室外计算温度，; n ; , n 2 : 某一负荷在一天中出现的时间， h ; n : 电功率，k w ; 4 : 热负荷或热量，g j ; x : 房屋特性系数，g j / ( m h ) ; v : 房屋外围体积， m 3 ; t o : 室内温度，; t p : 室外设计温度，; p : 压力，m p a ; t s u : 送水温度，; t a : 回水温度，; d : 蒸汽量，t / h ; h : 烩值; a 、b : 常数: k : 热化作功系数，k w h / k g ; 几: 效率; a 。 : 第i 级的抽汽份额; 9 : 单位热耗，k j / k g ; 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 月 u青 随着国民经济的发展，能源问题己经成为束缚和制约国民经济发展的一个主要 因素，也逐渐成为人们越来越关注的话题， 如何实现节约能源、降低消耗是党和政 府、企业一于 分关心的问题， 也是国内专家、学者、科研人员不断深入讨论、研究的 课题 能源是发展国民经济的重要物资基础， 对国民经济的发展起着关键性作用. 建 国以来我国在能源工业上有了迅速的发展， 但在经济发展的映衬下， 我国在能源方 面仍然存在问题， 原因如下: i ,经济的发展对能源在质童和数量上不断提出新的更高的要求， 部分地区 出现电力供应不足现象，例如最近全国范围内出现的电荒、煤荒现象; 2 、人民生活水平和生活质量的提高， 对能源的需求量也在逐渐加大， 例如空 调、电扇等家用电器的使用: 3 、由于技术、设备等因素制约下的对能源可开采量的限制; 4 、能源使用上的效率不高， 有些用能领域不能实现 “ 按质用能、能级匹配” 的原则， 造成了能源使用过程中的浪费; 6 ,国民经济的可持续发展和战略上的考虑. 基子对以上因素的分析和考虑， 我国在能源应用上实行 “ 开发与节约并重”的 原则 考察我国的能源状况， 可以知道; 我国的能源结构以煤炭为主， 并且分布不均 匀，并辅以石油、天然气等， 同时考虑能源的分布情况和能源的最大利用，这就决 定了我国的电力能源消费是以 煤炭为主的， 同时在我国可开采的煤炭当中， 烟煤、无 烟煤等高质量煤在整个可开采量中所占的比例很小， 而有一部分低劣质煤， 如褐煤 等， 占全部可开采量的大部分. 由于褐煤具有在常态下不易燃烧、而在粉碎到一定程 度、辅以适当的条件燃烧充分、能量释放完全的特点:同时考虑到交通运输的能力 和应用煤炭生产其他产品的成本， 我国在煤炭的应用上， 尤其是对低劣质煤的应用 上， 主要是以建设坑日电站为主， 然后通过电网输送电力的方法实现能量的转移和 异地使用， 实现了煤炭按质、 按特点的应用， 减轻了交通运输压力， 降低了用能成本， 实现了能源的有效利用 从电厂来讲， 降低了发电和供热成本、运输费用， 提高了经 济效益， 根据能量转换后的主要输出形式， 我们大致可以将能量视为电能和热能 这样 热电厂就是同时生产电能和热能的生产单位. 由于电能和热能的即时不可储存特性 和电、热两种能量消费均与时间有关， 受到用户需求的限制，这样就要求热电厂必 须根据用户的需要调节热负荷和电负荷以适应用户的需要， 满足用户的要求. 如果我们将电厂视为生产者， 其所需要的原材料包括煤炭、设各， 水资源等， 其 共 4 6 页第 i 页 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 产品就是热能和电能. 由于消费者的消费意愿不是以生产者意愿为转移的， 即生产 者所生产的产品受消费者的消费制约， 而且是随时间变化的 所以， 热电厂如何在满 足消费者对能量( 电能和热能) 质量和数量要求的前提下， 尽可能地减少投入， 降低 消耗， 进而实现最大的经济利益， 该问题已经成为电厂迫切需要解决的问题. 电厂的经济运行除了与先进的设备、管理、高素质的员工有关外， 在很大程度 上是与电厂的运行方式和负荷的合理分配是分不开的. 在电厂保证安全运行的前提 下， 研究不同类型机组的特性、运行方式成为研究电厂经济运行的首选课题 近年来， 人们在热电分摊、大电网的负荷调度、凝汽式发电厂的最优负荷分配方面做了很多 研究， 相比之下对于带有工业热负荷、采暖热负荷或二者同时存在又兼有承担发电 任务的热电厂， 在热、电负荷的合理优化分配和经济运行方式上却研究很少， 很少在 整体上有一个系统、全面的研究. 由于热电厂同时生产两种形式不同、质量不等的 两种产品- - - 一 热能和电能， 有时还可能存在两种不同的生产方式- - - 一 热电联产 和热电分产; 还有若热电厂存在多种不同类型的机组、 多种需求热负荷参数等级时， 负荷的合理优化分配和经济运行方式的研究比凝汽式电厂就更加复杂了， 这时不仅 需要考虑设备动力特性和热力系统运行参数对热经济性的影响， 还要充分考虑不同 类型机组的运行特性， 以达到在满足用户对供热量、发电量要求的前提下能耗最小 ( 或煤耗最小) . 共 4 6 页 第 2页 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 第一章负荷曲线的绘制和分析 第一节 热负荷a线的绘制和分析 我国南北幅员辽m, 季节性温度变化大， 尤其是在北方地区， 在短暂的夏季过后 是漫长的冬季， 夏季和冬季在温度方渊又有很大变化， 如何在冬季免受严寒之苦成 为人 ? 生活所必须考虑的问题。 由于nr经济的发展和人民生活的需要， 热负荷成为影响二者的重要因素。热 负荷若按季节来分可以 分为季节性热负荷和非季节性热负荷 中季节性热负荷与 室外温度、湿度、风a.风速和太阳辐射等气候条件有关;而非季节性热负荷, 如 热水供应和生产工艺用热( 制药、印染等行业所需要的工业用热) ， 这种热负荷的特 点与季节性热负荷刚好相反， 一天中的变化随季节变化不大， 而是由生产单位的生 产任务决定， 且全年变化较小。 热负荷的类型若按热量洲用过程可以分为; 1 、供暖热负荷: 其目的是补偿房屋向外界的散热损失， 以保持寨内温度一定， 其热负 荷的大小取决于房屋内外的温度差、房屋外围散热面积等因素; 2 、通风热负荷: 只有在装有强迫送风的通风系统房屋内才有， 其主要任务是保持室 内空气温度以达到规定的标准; s 、热水供应负荷: 其热嫩消耗用于加热水， 这种热水又将用子各种生产和生活目 的; 4 、工艺热负荷: 这种热负荷是以各种生产为日的的热消费， 主要用于加热各种生产 设备: 5 、动力用热负荷: 也是生产用热的一种， 主要用子动力设备的驱动， 如: 汽锤.汽动 阀门。4 j 热负荷曲线的绘制方法有两种: 1 、必须首先对该城市多年的气象温度资料进行大量的统计，然后用最小二乘法拟 合室外空气a度t o 与持续时间x 夭 ( 或小时)的数学表达式，再进一步得出热负 荷与持续时间n 天 ( 或小时)的关系式，其前提是:必须有该城市多年采暖期的室 外气温分布资料: 2 、利用无因次综合公式绘制采暖热负荷延时曲线。 其特点是无需详尽的气温资料， 只要己知该城市的采暖期天数n ， 采暖室外计算a度t o , 及采暖室外平均温度t w ，就能绘制采暖热负荷持续时间曲线。 绘制全年热负荷曲线的0的如下: ( 功显示金采暖期的总的热负荷: 2 ) 计算在不同室外溢度间隔内的总供热量; ( 孙 体现14室外温度等于或低于某一温度时总的供热量， 负荷持续时间图是从负荷时间图派生来的， 其特点是: 横坐标表示持续小时数， 共 4 6 页第 3 页 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 纵坐标表示负荷。 某负荷在一天内出现的时间为ii i 和n 2 ， 由n 1 十 n 2 可以找到右半负荷持续时间图上 的点a ， 依次可以画出全天的负荷持续时间图。如下图1 - 1 所示 4 . 图1 - 1根据日负荷时间图绘制日负荷持续时间图 一、热负荷持续时间图的绘制 在某一室外温度 t 。 下， 热负荷的计算公式为: q = x v ( t n t o ) ( 1 ) 最大热负荷公式为: q . = x v ( t n - t ) 式中:x - - - 一房屋供暖特性系数; t o i - - - 一设计时的室外设计温度( ) ( 2 ) v - - - 一房屋外围体积( m ) ; 。t n - - 一室内温度， 常取 i 8 c 则 q = q . ( t n - t o ) / ( t n - t o l )在q , y t n 由各地的气象资料， 可得 t o = g ( n ) t o己知时q = f ( t o ) 其中 n为持续时间 应用t o = g ( n ) 、q = f ( t o ) 可 求得q 和n 。 如下图1 - 2 箭头方向 ， 依法绘制热负荷 持续时间图1 4 1 共 4 6 页 第 4 页 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 图1 - 2热负荷持续时间图的绘制 二、热负荷分配图的绘制和分析 1 、绘制热负荷分配图，所需要的原始资料有: ( 1 ) 水网加热器设备及其系统图和有关的汽水资料， 以基载热网加热器用采暖调节 抽汽的调压范围为0 . 1 1 80 , 2 4 5 m p a 、 尖峰加热器的加热蒸汽是由锅炉蒸汽减温减压 后所得到为例; ( 2 ) 水网 总热负 荷q e 与室 外温度t o 的关系曲 线q e = 4 1 0 ) ; ( 3 ) 水网总热负荷q : 的持续时间曲线q 二 二 f ( t ) i ( 4 ) 水热网温度调节: 送、回水温度与室外温度的关系曲线 t . = f ( t o ) t , . 二 t o ) ( 5 ) 水网调节方式: 包括中央质调节( 不改变流量而改变温度) 、中央量调节( 不改变 温度而改变流量) 和混合调节( 兼顾以上二者的特点) 。 2 、分析: 由上述原始条件， 绘出的基载热网加热器受三条水平线的限制， 即受最大热 化 供热 量q h ,t(m ) 、 调 压低限t b ( m ) 和调 压高限t b (m ) ” 的限 制。 ( 劝最大热化供热量的计算公式为( t i t 1 q h ,t( m )= b h ， t(m )( h h h b ) 式中: q h ,t( m ) - - 一 最 大 热化供 热量;h h _ _ - 一抽汽 烩; h h - - 一 抽汽供热后 焙值。 若q k ,t( m a不能满足 供热要求， 则需 要投入尖峰加 热器。 ( 2 ) 若以 基 载热网 加 热器的 端差为1 0 进行计算 ， 其出口 水 温限 制 在t b (m ) = 9 4 0c , t b (m ) = 1 1 7 之间。 其中0 . 1 1 8 m p a 对应的 饱和水 温度为1 0 4 0c , 0 . 2 4 5 m p a 对应的 饱和水温度为1 2 7 c . 故三 组曲 线q r = f ( t o ) , t . = f ( t o ) , t , = f ( t o ) 限制供 热 设备工况图的原始资料。川 (4 ) 认 2 i 3 州 民 “ 份 招盈 图1 - 3 热网加热器的热负荷分配图 共 4 6 页第 5 页 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 第二节 电负荷曲线的绘制和分析 随着社会的进步和国民经济的发展， 电力作为推动国民经济的动力己经得到了 广泛的应用。从电能的消费者来讲， 需要得到在质量和数量上都能满足要求的电能， 而电用户又分为民用电用户和动力电用户。人民生活水平的提高， 对家用电器的广 泛应用， 冬夏季节明显的地区等因素都将在不同程度上影响一天或全年的电能消费 而从动力用电的角度来讲， 与季节相关的生产和一天内生产班制的制定、实施都将 影响对电能总的消费量。由于电能的 “ 即时不可储存性”， 加之上述因素的影响， 从 消费者的角度来看， 随着时间的推移， 我国将呈现出电力负荷峰谷差逐渐加大的趋 势， 这就要求电能生产者- - - - 一电厂必须时刻调整发电负荷， 以满足电用户的需要。 从上述分析可以看到， 应用不同电力负荷的持续时间， 可以绘制出电负荷的曲线。 1 、电负荷曲线的绘制 根据在各时间的电负荷的大小， 按照时间的顺序依次记点、连线可以绘出电负 荷的时间图， 其时间期限可以是一天， 也可以是一年。根据同一负荷在一年内出现的 天数n ， 相加， 即可得该电负荷在全年内的持续时间( 8 7 6 0 h ) ， 依次描点、连线可得电 负荷的年负荷曲线3 j ni 冬乖协 : 夭 ml 及季州 . 夭 n龙 ” . 目 . 人 l j吸 0 0， 0 6 7 6 0 ( h ) ”二m. (n. + n = ) +- 2 0 e , +几 图1 - 4根据冬季和夏季典型日负荷绘制年负荷持续时间图 亦可分为冬夏两季， 冬季s , 天， 夏季s 2 天( s l + s z = 3 6 5 ) o 2 、电负荷曲线的分析电负荷曲线受到下列条件的限制: ( i ) 机组最大发电量n m a x : 由于机组在设计时都需要考虑有一定的备用容量， 在所有 并列 运行的 用电设备的总容量姚应该为n m a : 大， 同 时还需要考 虑锅炉的 最大蒸发 量、汽轮机的最大进汽量、发电机的最大发电量等方面的限制， 这就决定了单台机 组的最大发电量， 超过此限制机组运行的安全性将不能得到很好的保证。 ( 2 ) 机组安全、 稳定状态的最小发电量n m in : 为了保证用电设备在最低电负荷情况下 仍能保证稳定工作， 至少有一台机组的技术最低电负荷小于用电设备总的最小电负 荷 n m in o ( 3 ) 经济生产目标的限制: 在满足用户需求负荷( 质量和数量双方面) 前提下， 如何实 现合理调度、分配生产任务， 进而实现投入最小。从经济学角度讲就是实现最大的 投入产出比。实现节约能源、降低消耗、提高利润的目的。 共 4 6 页第 6 页 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 第二章 负荷优化分配的方法和理论 第一节 效率法 一、效率法 1 、介绍:该方法是以机组的运行效率为依据，先计算出各个机组在独立运行时的 最大效率，然后按照运行效率从高到低的顺序进行排列，在此基础上各台机组依次 带负荷。 2 、具体的实现方法有两种: 功 让效率最高的机组带负荷至效率最高点，然后让效率次高的机组带负荷至效 率最高点，依此类推，直到机组带完用户所需要的负荷。下面以两台机组为例进行 详细说明: 今n ，今 几 : 图2 - - 1 1 # 机组的效率功率曲线图图2 -2 2 # 机组的效率功率曲线图 在图 2 一1中机组的效率最高点为 a ;在图 2 -2中机组的效率最高点为 b ，在 假定n ; 几 。 的前提下， 这时全厂的运行方案为: 先让1 # 机组带负荷到n a , 然后在剩 余的负荷中让2 #机组带负荷直到带完所需要的负荷或达到n o . ( 2 )让效率最高的机组带负荷直至满负荷，然后让效率次高的机组带余下的负荷 直至满负荷，依此类推，直至机组带完用户所需负荷。( 2 1 1 1 6 1 1 2 2 1 ; 1 i 奉nan 2 奉2 1 13 几产j十 喇 一一一丁产洲八 ， 二 洲八 几b 汤 产, i ). 廿 n a nv n n b n b , n 图2 -3 1 # 机组功率一效率曲线图2 - - 4 2 0 a 组功率一效率曲线 在图 2 -3中机组的最高效率点为a ;在图 2 -4 中机组的效率最高点为b ，在 假定r l a 1l b 的前提下，这时全厂的运行方案为:先让 1 #机组带负荷到 呱 ， 然后 让2 # 机组带负荷直到带完所需要的负荷或达到n b i . 二、优缺点;该方法具有在实际负荷调度上简单易行的特点，但同时由于没有经过 理论证明，具有很大的近似成分在内。根据系统理论的分析观点，若将全部带负荷 共 4 6 t第 7 页 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 机组视为一个系统，每台机组视为系统的一个部分或局部，局部最优的组合未必就 会得出系统或全局最优的结论。 第二节 等微增率法 一、介绍:该方法是以数学极值理论为基础、在 1 9 3 4 年提出来的。首先假定 n台 机组的能源曲线和微增率fm线是连续可微的，这也是使用该方法的前提条件，在此 基础上以负荷需求为约束条件，以煤耗或标准煤耗为目 标函数，用 h e s s e n m a t r i x ( 海赛矩阵)来判断是否存在最优解，若h e s s e n m a t r i x 正定，则有最优解。当各 台机组的煤耗微增率均随负荷的上升而单调递增时，这种分配方法就能保证分配方 案是最优的。电负荷的分配是在热负荷分配完毕之后即热化发电量确定之后的剩余 电负荷的分配。从其实质上看就是凝汽发电量的分配。凝汽发电量分配的目 的是要 达到最小的凝汽发电热耗 ( 亦可转化成为标准煤耗) 。因此，首先要确定各个凝汽 发电热耗与其功率之间的函数关系。在这个基础上采用一定的方法进行负荷分配。 依据变工况所得到的数据可以拟合出各个机组的凝汽发电热耗与凝汽发电功率关 系的特性方程: q = a n d c + b 上式中:q = 凝汽发电热耗:n a ) 0 j = m + l , m + 2 . . . . . . . . n x )0 ( 3 ) 动态规划: 在该方法中， 约束条件可以是线性的也可以是非线性的， 主要是 在预先给定某条件和允许误差下采用循环计算，然后判断是u满足其他的约束条件 和计算误差，其中必须根据实际情说判断，然后选择适当的步一长，按照一定的计算 原则和计算方法进行优化计算，其中有罚a数法等方法;这种方法会随着允许误差 的减小而更加接近最优值，但允许计算误差的减小需要更多次的循环计算步骤和计 算时间，对计算机的计算速度有一定的依赖性。 二、优缺点，由于该方法需要循环计算，在不断逞近的条件下才能寻得最优，故必 须有计算机辅助，依赖子计算机的发展水平和运算速度;同时当辅助条件满足时具 有计算速度快、数据存储量大等特点，为解决单元机组间的负荷优化问题提供了新 的途径。 第四节 热化作功系数法 一、介绍:该方法是应用机组的基本数据，在具有抽汽供热 ( 工业抽汽、采暖抽汽 或二者同时存在，其中包括同时具有两段采暖抽汽的情况)的情况下，由于背压机 组具有以热定电的特性，在此基础上进行负荷分配。若认为初参数保持恒定，供热 抽汽压力也保持不变 ( 必要时要考虑工业抽汽对采暖抽汽的影响) ，则在不考虑汽 轮机相对内效率变化的纂础上，各机姐发电功率是供热量的单值函数: n d n = k * d a 式中:n d n 热化发电功率， k w ; d:供热抽汽量， k g / h ; 共 4 6 员 第 1 0 页 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 k ;热化作功系数，k w h / k g ， 是各机组的参数经过计算得出的常数。 发电机 热用户 号加热器 图2 -5 背压机组的原则性热力系统图 计算公式如下: k = r1 jdho-hn+一 ho-h i)/(一 客 aj)/3 60 0 kw h /k g 式中:h o _ _ _ 汽轮机进汽焙， k j / k g , h 。 一 供热抽汽烩， k j / k g ; h ;- - 一第 i 级加热器抽汽焙， k j / k g * a i - 一第 i 级抽汽份额; 二 一第一级到供汽的抽汽级数; ti i d 一机电 效 率( 等 于 机 械 效 率t i j二 和电 机 效 率。 d 的 乘 积) 。 13 4 13 5 13 7 1 根据以上分析可以推出供热机组间热负荷分配的方法是按照热化作功系数k的 大小顺序决定各机组带负荷的顺序，由k值最大的供热机组带热负荷， 直到满热负 荷， 然后由k值次大的机组带热负荷，直至带满热负荷，依此类推，直至带完用户 所需要的热负荷。若所有机组均带满热负荷仍不能满足热用户的需求，则必须投入 尖峰加热器带不足的热负荷。 如果热电厂需要对外供多种品质的热负荷，其热负荷分配的最佳方法是: i 、对每种品质的热负荷，将所能带该品质热负荷的机组按上面k的计算式计算该 种品质热负荷的热化作功系数; 2 、利用线性规划求极大值的方法对下式进行各机组各种热负荷的分配，每种热负 荷的分配方法均应按单一热负荷的方法进行分配: 共 4 6 页第 h 页 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 n 一 ; f:7 xj ” “ “ 式中:n d n :全厂总的热化发电功率，k w ; k ir 第i 号机组第i 种品 质热负 荷的 热化作功系数， x j x h / k g : i ) d ,i :第j 号机组第i 种品质热负 荷的蒸汽量， k 8 / h ; m: 总厂的共热机组台数; n :全厂对外供的热负荷种数; 二、优缺点:该方法具有很高的合理性，并且具有理论计算基础:但由于实际应用 中存在具体情况，如;开启供热机组以增加供热量需要一段延迟时间等，因此若结 合负荷预测后会使负荷分配更加实用。 根据对以上几种方法的分析，本论文将应用热化作功系数法对供热负荷在可供 热的机组间进行热负荷的优化分配，然后在多台机组之间以微增率为分配依据进行 发电负荷的优化分配。 共 4 6 第 1 2页 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 第三章对热、电负荷分配顺序的讨论 热电厂是同时生产热能和电能的生产单位，生产电能是为了满足电用户的需 求，生产热能是为了满足热用户的需求。对于热电厂来讲需蟹同时满足两种不同用 户的需求，在这个基础上达到经济效益最高。如何对两种负荷在多台机组之间进行 合理分配成为迫切需要解决的问题。在通常情况下，从电负荷的角度讲，电厂只是 完成电网调度中心要求的发电任务，即该单位需要发出多少电负荷。而这一数量也 不会超出电厂全部机组最大发电能力总和，通常都会完成电网调度中心下达的任 务:从热负荷来讲，在热电厂建设前期大多己经做了用户热负荷的预测，并备有尖 峰加热器以满足机组在不能满足用户热负荷时的需求。 一、分析: 1 .蒸汽作功流程分析:进入汽轮机的蒸汽可以理解为由两部分组成，一部分是经 过汽轮机全部级作功发电后排入凝汽器， 这部分蒸汽只参与发电， 并没有参与供热， 可以理解为以 “ 纯凝汽”的方式运行:另一部分蒸汽是在汽轮机内 经过一定级数作 功后，成为具备一定温度和压力的7汽，从抽汽口 抽出后，按照 “ 能级匹配”的原 则供给相应的热用户，这部分蒸汽先是在汽轮机内作功发电，然后再供热，而发电 量是随着蒸汽在汽轮机内经过的作功级数而增加的，而蒸汽温度和压力是随着作功 级数的增加而降低的，这样从该部分蒸汽来讲，对于一定进汽温度和压力的蒸汽来 讲，增加发电量和提高供热蒸汽参数是不相容的。 2 ，对于热、电负荷供应的分析;那么， 当热负荷需求和电负荷需求发生冲突或矛盾 时，首先满足电 用户还是热用户呢?首先从地域上来考虑，热负荷的输送依赖于热 力管网，只能在小范围内的地域上实现能量的输送，也就是说受地域限制较大，同 时还是与人民生活休戚相关的。电负荷是在大的电网内调度的，有的还可以实现跨 越网段调度，各电厂、机组间可以通过电网，即使距离很远，在电网相互连通的前 提下也能够实现电能的远距离输送。 从这点上来讲， 电负荷的输送受地域限制很小， 所以，在热负荷和电负荷需求对于机组来讲发生冲突或矛盾时，应该优先考虑满足 热负荷需求; 3 ，对于双抽机组不同负荷优先考虑顺序的分析:由于热负荷又分为多种，通常所 见的双抽机组，即工业抽汽和采暖抽汽同时存在，当二者发生矛盾时，由于工业抽 汽的位置在采暖抽汽的前面，且参数比采暖抽汽的参数高，在某种程度上讲，工业 抽汽的参数和数量将直接影响采暖抽汽的参数和数量，这时可先考虑工业抽汽的分 配，然后在分配采暖抽汽:然而当采暖抽汽量过大，需要投减温减压器时，由锅炉 出来的蒸汽进行减温减压，然后供给采暖抽汽。 二、结论:经过以上的分析，热电厂的生产过程可以看成是这样:让背压机组在发 电后满足热用户的需要，让凝汽机组发电来满足电用户的需要。这样热负荷的分配 共 4 6 页第 玲 页 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 可以看成是在多台背压机组间进行优化分配;电负荷的分配可以看成是在多台背压 机组和多台凝汽机组间进行优化分配。这种思想确立之后，在进行负荷分配时首先 根据热负荷的需求总是在多台背压机组间分配，并确定每台背压机组的热化发电 量，求出热化发电总和，然后根据电负荷的需求，将剩余的需求电负荷在多台凝汽 机组和抽汽机组之间按照微增率的原则进行优化分配，这样每台机组承担的任务是 满足分配后的热负荷的同时，发各自热化发电量和凝汽发电量总和数量的电。这样 就实现了多台、多类型机组之间热负荷和电负荷的同时优化分配。即在一定的热负 荷条件下，经过合理的分配使热化发电量最大，一方面由于热化发电的效率为 1 , 降低了损失;另一方面也减少了需要的凝汽发电量，降低了冷源或凝汽损失。对于 以纯凝汽方式部分的发电量，我们以微增率为该部分电负荷优化分配的依据，因为 经过上述理论方法的分析和下面不同机组类型的分析，该部分的发电可以认为是纯 凝汽方式的发电，应用微增率原则分配相对直接并易于接受。 三、具体的分配指导方案 1 、若只有热负荷变化时调节总进汽量 ( 或锅炉蒸发量)和调节抽汽量来满足热负 荷变化的需要;若需要供热总量超过某抽汽压力下的最大抽汽量则应该适当提高抽 汽压力或由锅炉蒸汽经减温减压器来满足需要: 2 、若只有电负荷变化时，调节进汽总量而不改变调节抽汽量来满足电负荷变化的 需要，以微增率为优化分配电负荷的依据; 3 、若热、电负荷同时发生变化时，改变总进汽量和调节抽汽量，必要时可以考虑 改变抽汽压力来满足热负荷的变化需要; 4 、若热负荷为零时，机组可按照纯凝汽方式运行，此时发电煤耗量比同容量凝汽 式汽轮机高出许多. 共 4 6 页 第 1 4 页 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 第四章 不同类型机组的特性分析 通常我们所接触到的汽轮机组，可以根据其实际特定分成纯凝汽机组、背压机 组和抽凝机组四类，每类机组都有自己的特性，下面做简要分析。 第一节 纯凝汽机组的特性分析 i ，纯凝汽式机组介绍:纯凝汽式机组是进入汽轮机的蒸汽全部作功后，进入凝汽 器冷凝的机组，该类型机组基本不具备供热功能，唯一可以作为供热的是温度很低 的排汽或者是冷凝后的凝结水。由于该类型机组系统结构比较简单，在发电方面受 到的约束也比较简单， 额定工况下经济性好， 但在偏离额定工况时经济性急剧恶化， 故 通 常 都 是 带 电 网 的 基 本 负 荷 ， 也 很 少 用 于 供 热 2 7,$ i9 1 2 1 3 l# $ 2 ，纯凝汽式机组示意图: 发电机 图4 -1纯凝汽式机组的示意图 3 ，纯凝汽式机组的动力特性:该类型机组的动力特性相对简单，只是能耗量和发 电功率的单值函数。应用此函数可以得到计算所需要的相关数据。 4 ，纯凝汽式机组的特性分析和负荷优化:由于纯凝汽式机组的运行特性决定了该 类型的机组不适合参与承担供热负荷，所以，对于该类型的机组只参与发电负荷的 优化分配， 在全部机组的各种供热负荷进行优化分配完毕后， 计算出热化发电功率， 然后再将发电负荷在多台机组间以微增率为分配依据进行发电负荷的优化分配。 第二节 背压机组的特性分析 一、工作原理: 背压机作为一个供热部件，其供给热用户的蒸汽是来自汽轮机的排 汽，其主要特点是设计工况下经济性好、节能效果显著、结构简单、投资省、运行 可靠:其缺点是:发电量取决于供热量，不能通过独立调节来同时满足热负荷和电 负荷的需要，因此它必须在与其他型式的汽轮机并列运行，电负荷的变化由其他汽 轮机来承担，其最佳的运行方式是与凝汽式汽轮机并列运行2 1s l9 7 z a3 1i s l 共 4 6 页 第 巧 页 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 二、背压式机组的示意图 高 . m 蒸 i 气 发 电 机 集中供热管网 f 舜+ 决 乏给 水 图4 - 2 背压机组示意图 三、特性曲线方程 背压机组的动力特性方程: q = q tcd + q ,n ,+ q t n t = n o ( p b ) q t- n i ( p b ) 式中:q : 机组总耗热量m w * q x j d : 机组的 机电 部分的 折算空 耗m w ; q t :热化工况发电部分的单位热耗m w / m w ; n , :供热负荷q t 基础上的电功率 m w ; q t :机组供热负荷m w ; p b :机组背压 p a ; n ( p b ) t p b 背压下， 折算单位热化发电功率， m w / m w ; n i 恤p 、 背 压 下， 折 算 热 耗 空 耗 少 发电 功 率m w . 12 , 1 12 2 1 三、背压式机组的优化负荷分配方法:对于该类型的机组，首先我们要确定热负荷 的需求量，由于背压机组具有以热定电的特性，根据需求热负荷的总量，我们可以 计算出该机组的热化发电量;这样为发电负荷在其他机组间进行优化分配提供了可 靠的数据，利于多台、多类型机组之间热、电负荷的优化分配实现准确和最优。 第三节 抽汽机组的特性分析 抽汽机组分为抽汽凝汽式和抽汽背压式，他们的特点是在一定范围内，电能和 热能均可分别进行调节或优化;对于抽汽凝汽式机组，还可按照纯凝汽工况运行， 但运行效率较差，能量耗费较高。 一、单抽机组的特性分析 z ，工作原理:该类型的机组是从汽轮机中间级抽出部分做过功的蒸汽供热用户使 用的冷凝式汽轮机，能同时满足电负荷和热负荷的要求，其中，抽汽可用于生产需 要，也可用于加热给水。通常蒸汽在作部分功后从抽汽口抽出后用于生产需要，剩 余的蒸汽则完全作功之后经凝汽器凝结后经过相r iz 的处理后返回锅炉，达到最大限 共 4 6 页第 1 6页 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 度的节约水资源。对干该类型的机组可以视为背压式和凝汽式的结合体，其主要特 点是:当用户所需要的热负荷突然降低时，多余的蒸汽可以经过抽汽点以后的级继 续膨胀作功发电， 灵活性较大， 能够在很大范围内同时满足热负荷和电负荷的需要。 单抽机组的抽汽口是压力可调的抽汽口 ( 在一定范围内) 。其调整过程为:在低压 力下增加抽汽量来满足热用户的需要，当达到该抽汽口的最大抽汽量时，可提高抽 汽压力，来满足热用户的需求12 118 )9 11 1 l ta 11s 1h a 1。 c l ) 机组示意图 图4 - 3 单抽机组示意图 ( 2 ) 特性曲线方程 q = q rg k + q o n + g r q i 其中: q: 机组总耗热量 m w , q 价 机 组 热 化 工 况 折 算 空 耗m w ; q o : 凝汽工况单位发电 功率热耗 mw/mw; n :机组发电功率 m w ; q # :抽汽折算系数; q 1 : 机组 抽 汽 热 负 荷m w , q 矿 、 ， 、 q ， 见 相 关的 参考 文 献。 2 1 1 2 2 1 2 、单抽机组的负荷优化分配:对于该类型的机组，首先我们要进行负荷类型分析， 如果抽汽供给的是工业抽汽热负荷，我们要先计算工业抽汽的热化作功系数，然后 以此为依据进行工业抽汽热负荷的优化分配，并且计算出热化发电量;如果抽汽供 给的是采暖热负荷，我们可以应用同样的方法对采暖热负荷进行优化分配，这样就 完成了热负荷的优化分配，并且能够确定热化发电量:然后以 微增率为依据进行纯 凝汽方式发电负荷的优化分k,，这样就完成了该类型机组的负荷优化分配的目的。 二、双抽机组的特性分析 1 、工作原理:该类型机组是具有两个抽汽压力可调的抽汽0，一个为低压抽汽口， 共 4 6 页第 1 7 页 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 一个为高压抽汽口，该类型机组的灵活性大，能同时满足热负荷和电负荷的变化; 进入汽轮机的一部分蒸汽在作部分功之后，在高压抽汽口被抽出，用于生产需要， 余下的蒸汽中有一部分蒸汽继续做部分功之后，在低压抽汽fj被抽出，用于供热需 要，剩余的蒸汽作功完成后进入凝汽器。该类型的机组能同时满足电负荷的变化需 要和不同热用户的需要，但其发电量受到两种热负荷的限制。对于该类型的机组可 以视为背压式和一次调节抽汽式的结合体。 2 、机组示意图 采暖热用户 工业热用户 图4 - 4 双抽机组 ( 只有一段采暖抽汽机组)示意图 3 、 特性曲线方程 q = q r$ k + q o n + q t q ; + q 2 q u 其中:q : 机组总耗热量， m w ; q xg x : 机 组 热 化工 况 折 算 空 耗，m w -, q o :凝汽工况单位发电 功率热耗， m w / m w ; n :机组发电功率， m w ; q ; ，高压抽汽口 的 抽汽折算热耗系数; q r :高压抽汽口的热负荷， m w ; q 2 : 低压抽汽日 的 抽汽折算热耗系数: q u : 低 压 抽 汽n 的 热 负 荷 ， m w . q , , q o q j , q 2 见 相 关 的 参 考 文 献 。 2 1 i2 2 1 4 、双抽机组的负荷优化分配:对于该类型的机组，由于同时具有工业抽汽和采暖 抽汽，而且采暖抽汽未必只有一段，很可能是两段，所以，首先我们进行工业抽汽 热负荷的优化分配计算，要先计算工业抽汽热化作功系数，然后以此为依据进行工 业抽汽热负荷的优化分配，并且计算出工业抽汽的热化发电量;然后进行采暖热负 荷的优化分配计算，这时我们可以应用同样的方法对采暖热负荷进行优化分配，并 得到采暖抽汽的热化发电量，这样就完成了热负荷的优化分配，并且能够确定两种 共 4 6 页第 1 8 页 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 类型抽汽的总的热化发电量，并且为多台机组间进行发电负荷的优化分配计算提供 了可靠的数据;然后以微增率为依据进行纯凝汽方式发电负荷的优化分配，这样就 完成了该类型机组的负荷优化分配的目的。 共 4 6 页 第 1 9 页 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 第五章 负荷优化分配的约束条件和数学模型 一、 数学模型 在求解火电厂优化问题之前，我们必须建立求解该问题的数学模型，由于优化 的内容不同，各个火电厂的运行机组类型、容量、配置情况不同，优化问题的数学 模型有很大可变性。 1 ,数学模型复杂性原因:相对于只含有凝汽式汽轮机组的电厂来说，热电厂的负 荷优化分配的数学模型要更加复杂，原因如下: ( 1 )供热机组的特性与凝汽机组的特性相差很大。供热机组的负荷分配要同时考 虑热负荷和电负荷，故需要一个同时适应两种不同能量形式的算法; ( 2 )对于热负荷的分配，供热机组分为单抽机组、双抽机组和背压机组，且各类 机组的特性不同，在热、电负荷优化分配方面的依据也不尽相同，使热负荷的优化 分配算法更加复杂，故需要一个能同时适应三种类型供热机组的算法; ( 3 )供热机组的负荷优化分配模型是由三个相互关联的变量组成的，包括热负荷