火电机组运行参数能耗敏感性分析.doc

火电机组运行参数能耗敏感性分析 第28卷第29期中国电机工程学报V ol.28No.29Oct.15,xx6xx年10月15日Proceedings of the CSEE?xxChin.Soc.for Elec.Eng. (xx)29-0006-05TM611文献标志码A学科分类号470?200258-8013火电机组运行参数能耗敏感性分析王惠杰，张春发，宋之平(电站设备状态监测与控制教育部重点实验室(华北电力大学)，河北省保定市071003)Sensitive Analysisof EnergyConsumption ofOperating Parametersfor Coal-fired UnitWANG Hui-jie,ZHANG Chun-fa,SONG Zhi-ping(Key Laboratoryof ConditionMonitoring andControl forPower PlantEquipment(North ChinaElectric PowerUniversity),Ministry ofEducation,Baoding071003,Hebei Province,China)ABSTRACT:Due to the plexityof thermodynamic system andvariability ofboundary condition,the strikingnon-linear relationshipexits betweenthe operating parameters and the energy consumption.At present,the researchof quantitativelyanalyzing theproblem undersystematic variable work conditionsis lackof effectivemethod.Based ondeep researchon theproblem,the conceptof sensitive factors of the energy consumption ofoperating parameterswas putforward.Furthermore,by theapplication ofanalytic modelsto thewhole thermal system undervariableworkconditions andadoption ofthe state space theory,the topologicalrelation betweenthe parametersofthemeasuring pointsandtheenergy consumption was established.Then thenon-liner analysisproblem onthe plexthermodynamicsystemunder multi-boundary conditionscan beavailably solved.With analysistothepossible workconditions of different units,curves ofthe sensitive factors of energyconsumptionof allparameters areobtained.Through utilizingthe probability density functionsof loaddistribution,the totalsensitivefactorof energyconsumptionwasdefined.And thesequences ofall operatingparameterssensitive factorsof differentunits areobtained throughcalculation.KEY WORDS:redundant technology;statespace;energyconsumption;sensitive analysis;probability density摘要由于实际热力系统的复杂性和边界条件的多变性，使得测点参数与能耗特性之间存在鲜明的非线性关系，目前对测点参数在系统变工况条件下对能耗特性的定量影响尚缺乏充分的研究。 该文就此问题进行深入分析，提出运行参基金项目国家自然基金项目 (50776030)；国家863高技术基金项目(xxAA041105)。 Project Supportedby NationalNatural ScienceFoundation ofChina (50776030);The NationalHigh TechnologyResearch andDevelopment ofChina863Program(xxAA041105).数能耗敏感因子的概念，通过建立全系统的变工况理论分析模型，引入状态空间的理念，准确地建立了测点参数与能耗特性之间的拓扑关系，有效地解决了多边界条件下的复杂热力系统的非线性分析问题。 应用敏感性分析方法，针对不同类型机组，确定其可能运行工况下的各测点参数的能耗敏感因子曲线。 通过引入负荷分布的概率密度函数，给出了参数总体能耗敏感因子的计算方法，并结合计算实例得到了各运行参数对能耗影响权重排序。 关键词冗余技术；状态空间；能耗；敏感性分析；概率密度0引言目前我国大力提倡的创建“节约型社会”的发展目标，对火力发电企业的节能降耗工作提出了更高的要求。 热经济性在线监测及分析系统在大型火电机组上的广泛应用，为节能优化控制和负荷优化分配等关键技术实施提供了前提条件1。 机组热经济性在线监测系统所需的大量实时然而由于仪表故障、数据现场数据采集系统2。 变送器飘移和传感器故障等原因，造成从DCS系统中采集的实时数据中存在部分不良数据。 这些原始数据不能反映热力系统的真实运行状态，将使能耗在线监测系统的计算结果失真，从而直接影响到其他后继高级应用模块的应用3。 采用多测点冗余技术进行数据重构，是提高数据精度的有效手段。 对于一些重要的参数，可以采用冗余测量技术，用平均值偏差检测、偏差积分检测、数据信息融合等方法进行判别，可靠性较高，但要增加相应的硬件投入，所以测点冗余技术不可能应用于全部参数的测量4。 因此，从众多的参数中确定对机组能耗影响较大的重要参数，是冗余技术得以有效应用的先决条件。 第29期王惠杰等火电机组运行参数能耗敏感性分析7目前，关于参数偏离对能耗的影响多采用试验法、偏导数法和热力学方法5。 由于实际机组运行工况的多变性、运行边界条件的复杂性和热力系统鲜明的非线性，使以上方法的应用受到不同程度的限制。 笔者在就此问题进行深入分析的基础上，提出了运行参数能耗敏感因子的概念，通过建立全系统的变工况理论分析模型，引入了状态空间的理念，准确地建立了测点参数与能耗特性之间的拓扑关系，有效地解决了多边界条件下的复杂热力系统的非线性分析问题。 应用敏感性分析方法，针对不同类型机组，确定了其可能运行工况下的各测点参数的能耗敏感因子曲线。 通过引入负荷分布概率密度函数，给出了参数总体能耗敏感因子的计算方法，并结合计算实例得出了各运行参数对能耗影响权重排序。 本文的研究工作为多测点冗余技术和数据重构的应用提供了重要的理论依据。 1机组能耗特性的状态空间描述机组的能耗特性由热力系统的拓扑结构(系统子设备之间相互联接方式)、运行条件(包括负荷指令、煤质特性、大气环境等边界条件和设备性能)以及运行方式(包括煤粉细度、二次风量、主蒸汽压力等可调整的独立变量)决定，以上条件可称为机组运行的边界条件。 当上述条件给定，则热力系统各部位的状态参数(如压力、温度、流量等)，乃至机组的能耗特性必然确定。 因此，机组在某一时刻的状态可描述为n维状态空间中的某一确定的状态点。 “状态空间”是对所求问题进行描述的一种形式。 它指的是一个三元组(S,F,G)，其中，S代表问题的所有原始状态的集合；F代表适用的算法集合；G代表问题的目标状态的集合。 对于机组能耗特性的求解问题，其中S为用于能耗计算的某时刻所有运行状态参数的集合(x1,x i,x n)。 其中x i代表第i个变量，包括各压力类变量p i、温度类变量T i、流量类变量D i、发电负荷、煤质特性、烟气及灰渣分析结果等运行参数，n为能耗计算所需变量的数量。 G为能耗特性指标。 火电机组的最根本的能耗特性指标，通常以供电煤耗率b sn表示6b123sn= (1)b imgp(1?i)式中b、i、m、g、p和i分别为锅炉效率、循环热效率、机械效率、发电机效率、管道效率和各辅机电耗率。 对于作用于能耗特性与各运行参数之间的算法集合F，包括描述测点参数与工质热物性状态参数(如焓、熵等)之间关系的特性方程7、反映机组具体拓扑结构的汽水分布矩阵方程8、机组功率方程和吸热量方程9以及各效率的计算模型10，如式 (2)所示F=h(p i,T i),i,i,b,m,p,g (2)以给定压力和温度计算过热蒸汽焓值为例，运行参数与工质热物性参数之间的算法模型为9h(,)=RT(n0J0J i0?143i i+i=1n iI iJ i(?0.5)J i?1) (3)i=1式中=p/p*；=T*/T；p*、T*分别为特征压力和温度；n i、I i和Ji为常数系数。 电厂热力系统汽水分布矩阵方程，基本形式为A?i+A f?fi+A?i+q=i (4)式中A、A f和A分别为与具体热力系统的回热系统、辅助蒸汽系统和辅助水流系统结构有关的结构矩阵；i、fi和i分别为回热抽汽系数、辅助蒸汽系数和由主给水管路或凝结水管路进出系统的小水流系数矩阵；q为辅助热量矩阵；i为给水焓升矩阵。 方程中A、A f、A、q和i中的各项元素都为相应汽水的焓值的函数，结合实际运行参数(压力p、温度T)与工质热物性参数之间的算法模型，回热抽汽系数矩阵i可表示为i=f(p i,T i) (5)热力系统热效率计算模型可表示为=(h0+?h n)?hT1i?ii?N Zi(hT?1?1 (6)0?h fw)+R(iRR+fzRR)式中N Z为轴封漏汽等在汽轮机中的作功量；h 0、h n和h fw分别为主蒸汽焓、单位质量的再热蒸汽吸热量、排汽焓和给水焓值；R为再热前抽汽级数；对于再热前的抽汽hi=h i+?h n；对于再热后的抽汽hi=h i?h n。 b为锅炉效率，根据ASME计算标准可表示为b=f(T py,O2L,O2py,C fh,R gas,C coal) (7)式中的T py、O2L、O2py、C fh、R gas与C coal分别为排烟温度、炉膛出口氧量、排烟氧量、烟气分析结果和媒质特性。 由于以上算法模型多为非线性模型，因此，求解机组能耗率的状态空间呈现出鲜明高维非线性特性，机组在某一状态下的煤耗率可由诸运行参数的高维非线性方程描述。 b sn=g(x1,.,x i,.x n) (8)8中国电机工程学报第28卷2运行参数能耗敏感性分析2.1能耗敏感因子的定义敏感性分析是一种不确定性分析方法11-12。 由式 (8)可知，当所有因素都发生变化，分别由x1,x i,x n变为x1,x i,x n，变化量分别为x1,x i,x n，则在状态空间中机组的状态点必然改变，供电煤耗率b sn也发生相应变化，由b sn变为bsn，则可用b sn=bsn?b sn表示所有因素变化共同造成的b sn变化量。 利用多元函数的泰勒展开式为b?b?b?bsnsn?xx1+?+snxx i+?+snx n (9)1?i?x n对于测点错误对煤耗影响程度问题的分析，由于某一参数的偏离并非是发生了客观的变化，故其他参数不会由此而引起变化。 因此，只有参数x i由于测点错误发生偏离，其它参数未变化，即x i0，x j=0，ij，则b sn变化量为b sn,xi，是x i对b sn的影响值，表示为b?bsn,xi=sn?xx i (10)in则，b sn=b sn,xi。 i=1定义b sn的变化率与因素x i的变化率之比为b sn对x i的敏感因子S i，则有(?b sn/x i)/b sn,xiS=b sn,xi/b sn?x i?b xix=sn?i (11)i/x ix i/x i?x ib snS i代表了煤耗b sn对某运行参数x i偏离的敏感程度。 S i为正，则b sn与x i的变化方向相同；反之，则b sn与x i的变化方向相反。 由式 (11)可知，参数的煤耗敏感因子S i为煤耗率b sn对运行参数x i的偏导数?b sn/x i、当前工况下的运行参数x i和b sn的函数。 由于实际机组的容量、结构、设备特性和发电负荷等边界条件不尽相同，即便同一运行参数的敏感因子S i也必然随着边界条件的不同而变化。 能耗敏感因子的提出，为确定不同测量参数对煤耗计算结果的影响的重要程度提供有效的研究方法。 2.2能耗敏感因子的确定在给定机组运行的边界条件(如发电负荷，煤质特性，环境压力和温度，主蒸汽压力和温度等)的情况下，热力系统的状态参数x i可由计算变工况下基准值的动力学方程得出13，供电煤耗率bsn由变工况计算得出的状态参数x i根据算法集合F得出。 而偏导数?b sn/x i则归结为求解参数偏离对煤耗影响的问题。 目前常用来确定参数偏离的对煤耗的影响系数有如下3种方法1）试验法。 理论上用试验法来确定各参数的变动对经济性的影响是可靠的方法，结果最符合实际。 但事实上，由于在实验时很难做到其他参数一直维持稳定不变，而只有一个参数在控制下变化，因而其他参数变化的影响靠其他方法来修正解决，所以试验法现在真正采用的较少。 2）偏导数法14。 在状态空间中作用于运行参数与能耗率之间的算法模型为高维、非线性模型，且由于机组的运行条件的多变性，采用此方法计算不同工况下参数对能耗率的影响将导致“维数灾难”15。 3）热力学方法。 此种方法存在理论不严格，有赖于其他详细计算等缺点，同样不适用于本问题的分析。 本文引用状态空间方法，机组在某工况下的状态可由运行参数集合(x1,x i,x n)描述为状态空间中的某一确定的状态点，其能耗特性bxsni可以根据算法集合F确定。 当某一运行参数x i由于测点错误偏无穷小离量x i，即参数集合变为(x1,x i+x i,x n)，则在状态空间中系统状态发生偏离，其供电煤耗bxsni+x i亦可由F直接计算得出。 其偏离量b sn可表示为bxsn=b sni+x i?bxsni (12)因此，当某一参数x i偏离量为x i，引起机组的运行状态点在状态空间中也相应发生偏离，在此变化过程中算法集合F并未有变化，则机组的煤耗率变化量的为b sn可由状态空间方法直接求取。 由?b snb sn?x=ilim xx (13)i0i可方便的计算出偏导数?b sn/x i，回避了复杂的对多维非线性方程求偏导数问题，不失为有效的求解方法。 为不失一般性，本文仅以发电负荷为边界条件，则通过变工况基准值计算9可得机组在当前负荷下的运行参数集合(x1,x i,x n)，继而通过能耗率的计算可得机组在当前负荷下的供电煤耗率b sn。 而?b sn/x i可由状态空间法得出，同样也是负荷(或负荷率)的函数。 因此，参数的能耗敏感因子S i可表示为负荷率的函数S i=S i() (14)第29期王惠杰等火电机组运行参数能耗敏感性分析9以某600MW超临界机组为例，根据以上方法计算得出不同发电负荷率(40%110%)下相应的敏感因子，图1给出了部分参数的能耗敏感因子曲线。 可见，由于运行参数与能耗特性之间存在的非线性关系，则运行参数的敏感因子随发电负荷而变化，甚至不同负荷下参数的敏感性排序也会发生改变。 0.2p T TTT00rh py3种不同类型机组的2年的负荷数据，给出了相应的负荷率概率密度分布函数，基本符合Bata函数分布f()=p?1(1?)q?101p?1(1?)q?1d (15)0.00.40.60.81.0?0.2?0.4?0.6其中135MW机组的p=4，q=3.04；300MW机组的p=5.3，q=2.9；600MW机组的p=6.1，q=3.1。 2.3.2总体能耗敏感因子的计算考虑到敏感因子随负荷变化的特点，为统一描述某一参数的敏感性，本文又定义了总体能耗敏感因子概念。 所谓总体能耗敏感因子是敏感因子在稳定运行的可能负荷率区间内与负荷率概率率密度分布函数的积分值。 S iT=S i()f()d (16)01Si/%负荷率/%图1不同负荷下运行参数能耗敏感因子曲线Fig.1Curves ofoperatingparameterssensitive factorsofenergycost indifferent load2.3总体能耗敏感因子的确定2.3.1发电负荷率的概率密度分布函数如图2所示，本文统计某 600、300和135MW运行参数的总体能耗敏感因子是结合特定机组发电负荷率的分布情况，给出的全负荷区间内运行参数敏感性的统一指标。 3实例分析为进一步对上述方法进行说明，本文分别以浙能兰溪电厂N600-24.2/566/566型汽轮发电机组、国电云南宣威电厂N300-16.67/537/537型汽轮发电机组和温州电厂N135-13.24/535/535型汽轮发电机组为例进行实例分析。 针对具体的研究对象，建立算法集合F和变工况参数基准值计算模型，应用本文给出的总体能耗敏感因子的计算方法，给出了3种类型机组部分参数总体能耗敏感因子排序(前15位)，见表1。 概率密度/%0.100.080.060.040.02135MW300MW600MW0.000.40.60.81.0负荷率/%图2不同机组发电负荷率概率密度分布曲线Fig.2Curves ofload distributingprobabilitydensityofdifferentunits表13种类型机组的总体能耗敏感因子排序表Tab.1Sequences ofparameters totalsensitivefactorsfor energycost tothree differenttypes ofunits排序12345678910111213141350MW机组300MW机组600MW机组参数主蒸汽温度再热蒸汽温度高压缸排汽温度给水泵出口水温除氧器出口水温排烟温度六抽压力排汽压力厂用电率给水温度主蒸汽压力再热器减温水量一抽压力S iT/%0.5522572390.4004029980.2874222090.1568628970.1228530330.0707924190.0646887730.0565291650.052665xx.0498282440.0441960760.0261335680.0192617140.018140317参数S iT/%参数S iT/%主蒸汽温度0.596359主蒸汽温度0.581196再热蒸汽温度0.408915再热蒸汽温度0.339879高压缸排汽温度0.289097高压缸排汽温度0.262553六抽温度0.148866给水泵出口水温0.189897除氧器出口水温0.148681除氧器出口水温0.166495七抽压力0.073607主蒸汽压力0.078701排烟温度0.071512给水温度0.074971主蒸汽压力0.065419六抽压力0.062531厂用电率0.052259厂用电率0.05596给水温度0.051162排汽压力0.054588八抽压力0.04221中压缸排汽温度0.042484高压缸排汽压力0.027907高压缸排汽压力0.029313一抽温度0.027013小汽机进汽量0.02868#2加热器出口水温0.025464六抽温度0.095468615六抽压力0.073607六抽温度0.1181415#6加热器出口水温一抽温度0.0270710中国电机工程学报第28卷表1反映出机组能耗特性对运行参数敏感程度的一定规律性即诸如主、再热蒸汽、高压缸排汽、低压缸排汽和主给水等组成循环的热力过程线的拐点状态，对能耗的影响较大；同时，由于过热蒸汽焓值相比于压力变化，对温度变化更为敏感。 因此，不同类型机组的总体能耗敏感因子排名前3位的同为主蒸汽温度、再热蒸汽温度海外高压缸排汽温度。 而对锅炉效率影响较大的排烟温度、直接作用于供电煤耗率的厂用电率、直接影响锅炉吸热量的最终给水温度、以及主蒸汽压力和高压缸排汽压力等参数均排名在前列。 在存在以上规律性的同时，由于不同类型机组的系统结构、设备性能、参数水平、机组运行方式以及负荷分布情况的不同，造成其运行参数的敏感性排序不尽相同。 因此，对于不同类型机组只有进行详细的参数能耗敏感性分析，才能有效地避免对参数重要性模糊的主观认识，从而准地筛选出对特定机组影响较大的运行参数，为测点冗余技术的应用和能耗的准确分析提供基础。 4结论1）本文引入状态空间分析方法，通过建立供电煤耗率与火电机组运行参数之间的理论分析模型，明确了运行参数与能耗特性之间的解析关系。 2）本文提出运行参数能耗敏感因子的概念，为火电机组运行参数的能耗敏感性分析提供了简便可靠的评价指标。 3）通过分析火电机组的负荷分布特点，给出了不同类型机组的负荷分布概率密度函数。 在此基础上定义并计算得出了各运行参数的总体能耗敏感因子，为能耗监测系统中的测点冗余技术的有效应用提供了理论依据。 参考文献1李蔚，任浩仁300MW火电机组在线能耗分析系统的研制J中国电机工程学报，xx，22 (11)153-155Wei Li，Haoren RenResearch ofon-line energyconsumption analysissystem of300MW coal-fired powerunitJProceedings ofthe CSEE，xx，22 (11)153-155(in Chinese)2张春发，张德成，张宝等火电大机组热力系统、设备及运行节能在线监测及指导系统J汽轮机技术，xx，43 (3)129-132Zhang Chunfa，Zhang Decheng，Zhang Bao，et alOn-line monitoringand instructingsystem for thermal system，equipments andoperation ofhigh capacityunit incoal-fired power plantJTurbine Technology，xx，43 (3)129-132(in Chinese)3陈丽丽，李蔚，盛德仁等火电厂实时监控系统测量数据预测的研究进展J电站系统工程，xx，3 (2)1-4Chen Lili，Li Wei，Sheng Dere alResearch progressabout measureddata forecastingof real-time monitoredcontrol systemin powerplantJPower systemEngineering，xx，3 (2)1-4(in Chinese)4陈坚红，李蔚，盛德仁，等一种火电机组在线性能计算中的数据融合方法J中国电机工程学报，xx，22 (5)152-156Chen Jianhong，Li Wei，Sheng Deren，et alA datafusing methodfor on-line performancecalculation ofpowerplantJProceedings ofthe CSEE，xx，22 (5)152-156(in Chinese)5曹祖庆汽轮机变工况特性M北京水利电力出版社，19916林万超火电厂热系统节能理论M西安；西安交通大学出版社，19947The InternationalAssociation for the Propertiesof Waterand SteamRelease onthe IAPWSindustrial formulation1997forthethermodynamic propertiesof waterand steamRThe InternationalAssociation forthe Propertiesof Waterand SteamErlangen，Germany，19978程懋华，王培红，高叠汽轮发电机组回热系统通用热平衡方程及其结构模型研究J中国电机工程学报，xx，22 (4)66-71Cheng Maohua，Wang Peihong，Gao WeiResearch ofsteam turbogenerator unitregenerative systemgeneral heat-balance equationand itsstructure modelJProceedings ofthe CSEE，xx，22 (4)66-71(in Chinese)9阎顺林，张春发，李永华，等火电机组热力系统汽水分布通用矩阵方程J中国电机工程学报，2000，20 (8)69-73Yan shunlin，Zhang chunfa，Li yonghua，et alThe steam-water distributiongeneral matrixequation ofthermalsystemforthecoal-fired poweruni