基于蒸汽传递过程的火电厂多级汽轮机组优化

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(内蒙古工业大学，内蒙古 呼和浩特 010051)

基于蒸汽传递过程的火电厂多级汽轮机组优化

焦进垒，郭建民，卢静思

(内蒙古工业大学，内蒙古 呼和浩特 010051)

减少火电厂高压蒸汽的使用量可以显著地降低火电厂的发电成本。为了减少火电厂高压蒸汽的使用量，本文通过对汽轮机组中蒸汽传递过程进行研究，建立了基于蒸汽传递过程的火电厂多级汽轮机组运行模型。该模型以实际工况下高压蒸汽的传递方向、转变形式为主要依据，并引入了质量守恒定律、能源利用率公式。本文结合火力发电厂实际的运营情况，以火电厂发电成本最低为目标函数，对于该模型进行了完善。得到了完整的汽轮机组优化运行模型。通过该方法对于某自备电厂建立模型，并利用单纯形算法对模型进行求解。得到的优化计算结果表明：高压蒸汽的使用量减少了5.93%。该优化方法可以有效地减少汽轮机组高压蒸汽的使用量，进而降低火电厂总的运行成本。

火力发电厂；多级汽轮机组；蒸汽传递；优化模型；单纯形算法；高压蒸汽

0 引言

火力发电厂的节能与优化，具有重要的意义[1]，它存在于火电厂运行的各个环节，其中为减少高温高压水蒸气使用量而进行的汽轮机组的优化是火电厂优化的重要组成部分[2]。一般来说汽轮机组的优化有两种方法[3]：一种是以汽轮机组总的运行效率最高为目标对系统进行优化，使用该方法建立的运行模型由于需要引入大量的理论效率的计算公式，因而其计算结果存在一定的误差，并且在电厂实际的运行过程中不容易实现。另一种则是直接以汽轮机组消耗的高温高压水蒸气最少为目标建立模型，得到的结果是各个状态的水蒸气的数值，这对于指导汽轮机组进气量的调节是有益的[4]。

汽轮机组的设计、制造、安装和运行各个环节都关乎汽轮机组的经济性能。在这里我们仅仅对于汽轮机组运行过程进行研究。汽轮机组运行过程中一个很重要的参数就是汽轮机组各个状态蒸汽的进气量，当汽轮机组在其额定工况下运行时，各个状态水蒸气的量需在一定的范围内进行选定，当我们选取不同的蒸汽参数时，汽轮机组的经济性能也是不同的[5]。所以，找到能使得汽轮机组经济性能最好的蒸汽数值是我们进行优化计算的目的。

1 采用回热循环火力发电厂蒸汽的产生和传递

火力发电厂蒸汽产生于汽水系统[6]中，火电厂汽水系统由锅炉、汽轮机、凝汽器、高低压加热器、凝结水泵和给水泵等组成，水在锅炉中被加热成蒸汽，经过热器进一步加热后变成过热的蒸汽，再通过主蒸汽管道进入汽轮机(此时的蒸汽为高压蒸汽，压力范围为2.0～4.0 MPa)。火电厂的回热循环[7]，即将一部分做过功的蒸汽从汽轮机的汽缸中抽出，送到回热加热器中加热，加热后再引入汽轮机的中压缸(中压蒸汽1.0～2.0 MPa)继续膨胀做功，从中压缸送出的蒸汽，再送入低压缸(低压蒸汽<1.0 MPa)做功。在蒸汽不断做功的过程中，蒸汽压力和温度不断降低，最后排入凝汽器凝结成水。

2 多级汽轮机组系统建模

通过对汽轮机组运行过程中蒸汽的传递方向建立系统在实际工况下的运行模型[8]：假设汽轮机组中汽轮机的台数为i,第i台汽轮机进气量为Ii，做功后变为中压蒸汽的量为HEi，低压蒸汽量(包括由中压蒸汽做功后转化的和由低压蒸汽做功后转换的)记为LEi，汽轮机运行过程中由于凝结作用而损失的蒸汽量为C，则对于单个汽轮机来说，因蒸汽凝结作用而损失的蒸汽量为

C≤k

(1)

Ii-HEi≤m

(2)

由蒸汽进出汽轮机的质量守恒

Ii=LEi+HEi+C

(3)

根据汽轮机中对于水蒸气热力学能的利用率守恒[9]

1359.8Ii=1267.8HEi+1251.4LEi+192C+3413Pi

(4)

其中，Pi第i个汽轮机组的发电量，k、m均为常数。

我们以两个汽轮机组为研究对象[10]，按照上述方法对汽轮机组进行建模，P1、P2分别为汽轮机组1和汽轮机组2的发电量。I1、I2为汽轮机1和2的高压蒸汽使用量。则对于1#、2#汽轮机有

I1-HE1=m1

(5)

I1=LE1+HE1+C

(6)

1359.8I1=1267.8HE1+1251.4LE1+192C+3413P1

(7)

对于2#汽轮机有

1359.8I2=1267.8HE2+1251.4LE2+3413P2

(8)

对于1#、2#汽轮机，由高压蒸汽进口处总量为

HPS=I1+I2

(9)

蒸汽进出汽轮机时有物料平衡

HPS=C+MPS+LPS

(10)

HPS为高压蒸汽总量，C为凝结作用及由于泄露所损失的高压蒸汽量，MPS、LPS分别为中压蒸汽总量和低压蒸汽总量。

系统产生的低压蒸汽总量为

LPS=LE1+LE2+BF2

(11)

其中，BF2为用于回热系统的低压蒸汽的抽气量，随后与系统所产生的低压蒸汽参加回热循环。

系统产生的中压蒸汽总量为

MPS=HE1+HE2+BF1

(12)

其中，BF1为用于参与回热系统所抽取的高压蒸汽量，该蒸汽用于与汽轮机所产生的中压蒸汽一起参加回热循环。

以上即为考虑基于蒸汽传递过程的两组汽轮机组的运行模型，其中主要涉及了蒸汽的总量平衡和供求的平衡，从运行模型中可以看出，所建立的涉及各种蒸汽总量的模型计算简单，意义明确。为进行经济性模型的建立和求解打下基础。

3 考虑经济性因素[11]在内的电厂运行模型

汽轮机中使用的高压蒸汽来自于化石燃料燃烧时对于锅炉中水的加热，在这里将产生高压蒸汽所消耗折合成价格，单位为:元/kg,每台汽轮机的发电量单位为kW·h，汽轮机组用于维持正常运行所消耗的电量为PP,购买电量的结余记为EP，则应该有

P1+P2+pp≥l

(13)

EP+PP≥j

(14)

其中，l、j均为常数。

对于电厂运行过程模型的成功建立，为电厂优化的先决条件，而衡量一个电厂经营和运行状态的最终目的是使得整个系统的经济性为最优。在这里我们仅考虑汽轮机组的经济性，总费用计算式为：X=X1S+X2P+X3P，其中X1为高压蒸汽的价格，此价格可由每吨高压蒸汽的煤耗量加以计算。X2、X3为购买电能的价格和多余电量的价格。要使得汽轮机组经济性为最优，即使得X值最小即可。

4 算例

4.1 以某矿用自备电厂为例进行优化计算

已知北方某地区的煤矿自备电厂有两个汽轮机组，各项参数如下：1#、2#汽轮机组输出电能范围(单位：kW·h)分别为：2 500≤P1≤6 250；3 000≤P2≤9 000。两个汽轮机组最大入口流量分别为：87 090 kg；110 677 kg。则结合上述关于汽轮机组建模方法的讨论，可得如表1的运行模型。

表1 优化模型汇总

以上即为考虑蒸汽传递所得到的多级汽轮机组的数学模型，根据我国实际的用电价格，与计算所得的高压蒸汽价格可得目标函数为X=0.016HPS+0.15PP+0.6EP，即为多级汽轮机组运行的最优化模型。

4.2 用单纯形算法求最优解

单纯形优化算法[12]是美国数学家G.B.丹齐克于1947年首先提出来，是解决线性规划问题的通用方法。它的理论根据是：线性规划问题的可行域是n维向量空间Rn中的多面凸集，其最优值如果存在，则必在该凸集的某顶点处达到，顶点所对应的可行解称为基本可行解。单纯形法的基本思想是：先找出一个基本可行解，对它进行鉴别，看是否为最优解；若不是则按照一定法则转换到另一改进的基本可行解，再鉴别；若仍不是，则再转换，按此重复进行。因基本可行解的个数有限，故经有限次转换必能得出问题的最优解。

以水蒸气传递过程所得到的多级汽轮机组优化模型中各个量之间呈线性关系变化，物理意义明确，所以我们采用单纯形算法求解该优化问题，编制了单纯形算法的matlab[13-15]实现程序，可得优化结果如表2所示。

表2 优化结果

所以，由高压蒸汽总量的计算公式⑼我们可以得到汽轮机组所消耗的高压蒸汽的总量，与优化前的高压蒸汽的实际消耗量对比如表3所示。

表3 优化结果对比

通过对于优化结果的对比分析我们可以得到：优化以后所需要的高压蒸汽总量较优化前减少了17 314.56 kg，约为优化前总量的5.93%，所以优化效果明显。

5 结论

本文通过对于火力发电厂多级汽轮机组蒸汽传递过程的研究，建立了基于蒸汽传递过程的机组优化模型，在考虑经济性的基础上，得到了电厂基于价格的目标函数。通过对于蒸汽传递过程的分析，在考虑物料平衡、质量平衡、能源利用率等问题的基础上，确立了模型的约束条件，通过对模型和目标函数线性关系的研究，选用单纯形算法对于该优化问题进行了求解。并利用matlab等工具软件完成了单纯形算法的程序实现，得到了很好的优化结果。

通过对于该优化问题及优化结果的分析我们发现：基于蒸汽传递过程所建立的汽轮机组的优化运行模型形式简洁，各项的物理意义明确，求解方便。从算例的求解过程我们可以看到基于蒸汽传递过程的建模方法简单，所得结果的优化效果明显。

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Multi-stageTurbine’sOptimizationBasedontheSteamTransferatthePowerPlant

JIAO Jin-lei,GUO Jian-min,LU Jing-si

(Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051,China)

Reducing the consumption of thermal power plants’ high-pressure steam can significantly reduce the cost of thermal power plants.In order to reduce the consumption of thermal power plants’ high-pressure steam, the study of steam transfer in the turbine units has been made,and the steam delivery process’ running model was established in this paper.The model was established by the direction of the high-pressure steam’s delivery, the changing of steam’s state, the law of conservation of mass, and energy utilization formula.In order to improve the model, this paper combines the actual operating conditions and the objective function of lowest cost of power plant,which obtains the complete optimal operation model of steam turbine unit. For a self-supply power plant, we adopt this method to build up its operational model, which is solved by the simplex method. The result shows that the consumption of high-pressure decreases 5.93%. The optimization method can reduce the consumption of high-pressure steam and further lower the total cost of thermal power plant.

thermal power plant;multistage steam turbine unit;steam transfer;optimization model;simplex method；high-pressure steam

2013-10-14修订稿日期2014-03-13

内蒙古工业大学校基金(ZD201216)

焦进垒(1988～)，男，硕士研究生，研究方向为火力发电厂节能优化。

TM621

A

1002-6339 (2014) 04-0362-04