大型火电机组运行优化目标值的研究和确定

1、大型火电机组运行优化目标值的研究和确定发表时间:2004-9-23作者：胡洪华，黄廷辉，艾卫国，吴涛摘要：0  前 言   随着火电机组性能监测和运行优化技术的发展，如何确定运行优化目标值变得越来越重要。目标值的合理确定是机组实施性能诊断和优化运行的前提和基础。火电机组的运行优化目标值的研究在方法上可分为3种：(1)建立以机组经济性为目标函数，采用机组变工况理论优化计算得到；(2)通过机组的最大量优化试验得到；(3)在机组实时运行过程中动态优化确定。而目前国内大量采用的方法为第(1)、(2)种，对第(3)种方法，国内尚未有真正的研究成查报道。国外，在机组优化运行方

2、面做了大量的研究，可动态地给运行人员提供实时的控制目标值。由于影响机组经济性的指标和参数较多，且各种运行优化目标值之间相互关联和耦合，并有固定的层次，代表机组经济性的供电煤耗率是锅炉效率、汽轮机热耗率、厂用电率、管道效率和机械效率的函数，而锅炉效率又是燃料特性、排烟氧量、飞灰含碳量、排烟温度等的函数，并且排烟氧量、飞灰含碳量之间是互相耦合的。因此，研究和正确确定机组运行优化目标值，对提高火电机组的运行水平和经济性具有重要意义。现对火电机组运行优化目标值进行了系统研究，提出各主要参数目标值的确定方法，该方法在多台大型火电机组上的应用实践表明，按该方法确定的优化值，经实践运行证明，可相对提高机组的

3、经济性1.0%1.5%。一、火电机组运行经济性指标1.1 机组标准供电煤耗率目标函数    我国一般采用供电煤耗率作为机组经济性评价准则，它可全面反映机组的经济性。              式中，b为机组供电煤耗率，g/(kW.h)；HR为汽轮机热耗率，kJ/(kW.h)；b为锅炉效率，%；p为管道效率，%；为厂用电率，%。    设机组在优化运行方式及参数下能达到的煤耗率为b。；机组在实际运行方式及运行参数下的煤

4、耗率为ba。火电机组的运行优化就是在机组实际运行条件下，最大限度地降低b=ba-bo，达到机组运行在最优工况的目的。    因此，机组运行优化的关键是机组运行热力参数中影响经济性的目标值的确定。    式(1)表示机组运行经济性的指标，火电机组的经济性优化问题为在任何工况、满足机组安全性前提下，机组的供电煤耗率为最小。火电厂是一个大型的复杂系统，供电煤耗率是众多参数的函数，且有些关系无法用确定的关系式描述，如果直接对供电煤耗率进行优化，将使优化问题变得非常复杂，而且会带来“维数灾”和增加计算机优化难度。为此将该优化问题简单化，将式(1

5、)取自然对数得：              1nb=1nHR-1n29.308-1nb-1np-1n(1-)          (2)    将机组的优化工况看作是实际运行工况通过优化调整可得到的工况。在优化工况的基础上，将式(2)转化为：          

6、    式中，bo为供电煤耗率目标值；HRo为汽轮机热耗率目标值；bo为锅炉效率目标值；po为管道效率目标值；o为厂用电率目标值。    b、HR、b、p、分别为机组的实际工况下供电煤耗率、汽轮机热耗率、锅炉效率、管道效率和厂用电率相对其目标值的变化数值。由于管道效率变化较小，可忽略其对供电煤耗率的影响。1.2 相对独立系统的经济性目标函数1.2.1 汽轮机热耗率    对于投运的汽轮机，其通流部分结构已确定，在一定负荷下，汽轮机实际运行热耗率仅仅与汽轮机的进口和排出参数有关，可用下式表示： &

7、#160;                            式中，N为机组负荷；Ci为高压缸、中压缸进口参数；Pk为汽轮机背压。1.2.2 锅炉效率    同样，锅炉实际运行效率也仅仅与煤种和经过燃烧后的排出参数(排烟温度、氧气量、飞灰含碳量)有关，可用下式表示：   &#

8、160;             式中，N为机组负荷；Jcoal为燃烧煤种的特性；Ce为锅炉燃烧后的排出参数。1.2.3 厂用电率    厂用电率主要与辅机的运行台数和其运行方式有关：                 式中，Ki为辅机的运行台数和其运行方式。2 火电机组运行优化参数目标值及确定方法 

9、   由上述分析可知，影响机组经济性的参数很多，但并不是每一个参数均有其优化值。因此，运行优化参数可分为2类。2.1 第1类运行参数    第1类运行参数的目标值与机组的负荷无关，如主蒸汽温度、再热蒸汽温度，只有其数值为设计值时，机组的运行经济性最好，因此，可认为这些参数的基准值为制造厂提供的设计值。然而，机组在低负荷时，再热器出口温度较难控制在其设计值，原因是再热器内部对流传热量不足或由于设计引起的热量分布不均引起，因此，锅炉再热蒸汽温度在低负荷时的目标值应通过试验得到。2.2 第2类运行参数    该类运行参数

10、随着机组运行工况的变化而变化，与机组负荷、环境温度和热力系统结构特征有关。如主蒸汽压力、排烟温度、烟气含氧量、飞灰含碳量、厂用电率、排汽压力、最终给水温度、各加热器端差、过热器减温水流量、再热器减温水流量。这些参数可通过设备和参数的调整而达到最佳值，用下式表示：                Xoi为第2类运行参数基准值；N为机组负荷；th为环境温度；Ji为热力系统结构特征。对于某台已经投运的机组，其热力系统和配置的设备已固定，影响系数为1；而当热力系统中

11、由于某台加热器停运，热力系统发生变化时，结构影响系数为Ji；Ki为影响第2类运行参数的设备运行方式，主蒸汽压力与高压调门的开度有关；厂用电率与磨煤机、水泵、风机等辅助设备的运行方式有关；排汽压力与循环水泵运行方式有关等。2.3 目标值确定方法    现仅对汽轮机系统和厂用电系统运行优化目标值的确定方法进行研究。2.3.1 主蒸汽压力     根据文献1的研究，对于主蒸汽压力高于12.5MPa的汽轮机组，采用滑压运行既可提高机组的热经济性，又可降低机组在不同负荷下高压缸排汽温度的变化率，提高汽轮机运行安全性。文献2给出了主蒸汽压力目标值

12、的计算公式，但没有给出相应的主蒸汽调节阀位置和开启顺序，因此，确定机组在实际运行负荷范围内，主蒸汽压力的目标值应该结合阀位位置和开启顺序，通过机组的定滑压试验确定；否则获得的主蒸汽压力的目标值较难在DEH控制系统中实施。2.3.2 加热器的端差    根据传热学方程，加热器出口端差可用下列关系式表示：                      式中，t为给水温升；Dw为加热器进

13、水流量；Cp为给水平均比热；A为加热器传热面积；K为传热系数。    加热器制造厂提供的出口端差为额定工况下的设计值，出口端差可根据变工况计算得到；文献2给出了加热器的出口端差目标值的经验计算公式，这是在加热器水位正常、管束无沾污及无堵管的条件下计算得到的值，然而，端差受水位、管束沾污程度和传热面积的影响较大，尤其水位的影响。因此，式(8)计算得到的出口端差目标数值往往小于实际运行工况下能达到的值。为此，加热器出口端差目标数值的确定也应通过现场精心的调整试验得到。2.3.3 凝汽器最佳背压    文献3、4给出了通过试验的方法确定凝汽

14、器的最佳背压，机组运行最佳背压是通过机组微增出力试验、凝汽器特性试验和机组循环水泵耗功试验优化得到，具体计算是以机组功率、循环水温度和循环水流量为变量的目标函数，即：                 在数学意义上，当时的循环水量对应的机组背压即为最佳值，即：                

15、     式中，NT为对应循环水量变化引起的背压变化后机组功率变化量；Np为循环水量变化引起的循环水泵功率变化量；f1(N,Pk)为汽轮机微增出力与机组负荷和背压关系；f2(N,t,W)为凝汽器热力试验特性；f3(W)为循环水泵运行方式改变时循环水量与耗功关系。    文献5、6中通过制造厂提供的汽轮机组微增功率曲线、循环水泵特性曲线、凝汽器特性曲线计算得到，该方法使用的前提是上述关系应该与实际吻合较好。然而，对于投运的汽轮机组，循环水泵、凝汽器实际运行特性与设计有较大差异，因此，得到的最佳背压结果与实际差别较大。2.3.4 减温水量

16、     减温水分为过热减温水和再热减温水。因此，在锅炉过热器和再热器不发生超温的前提下，理论上过热减温水量和再热减温水量的最佳值应为零。但由于锅炉受热面设计的缺陷或燃烧器摆角无法进行调温，过热减温水量和再热减温水量的最佳值应通过试验确定。2.4 厂用电率    在辅机性能一定的前提下，由于厂用电率主要与辅机的运行台数和方式有关，因此，厂用电率目标值的确定一般是在机组通过调整获得的最佳工况，对辅机的耗功进行实测。通过机组整体优化试验，可得到厂用电率的目标曲线：      &#

17、160;                   =f(N)            (11)3  应用实例3.1 主要目标值    现介绍某厂300MW机组的运行优化目标值及其确定方法。3.1.1 主蒸汽压力    在确定主蒸汽压力的目标值时，

18、应明确汽轮机的调节是由4个高压阀还是6个高压阀控制，对典型300MW机组有4个高压调阀和6个高压调阀，而该300MW机组有6个高压调阀。图1为主蒸汽压力定滑压目标曲线。图中主蒸汽压力目标曲线有2个定压过程平台，分别为5阀向4阀和4阀向3阀的定压过程。因此，在确定主蒸汽压力目标曲线时还应考虑调节阀的数量和阀的开启顺序。                       

19、60;              3.1.2 凝汽器最佳背压    由汽轮机微增压力、循环水泵和凝汽器特性试验结果，根据式(10)可计算得到该厂300MW机组在不同负荷和不同循环水温下的最佳背压(见表1)。                   在确定凝汽器最佳背压时应该

20、考虑汽轮机极限背压的约束；否则，机组在低负荷和较低温度下的结果往往会失实。3.2 应用效果    采用本文提出的优化运行目标值的确定方法，表2列出了热工研究院开发的火电机组运行优化管理系统7在300MW机组上的运行和应用结果。                                从表中可看出：在负荷296MW、背压为9kPa时，该机组的供电煤耗率为334.84g/(kW.h)