热电联产汽轮机组运行操作优化系统应用

黄海鹏

(中国石化集团资产经营管理有限公司茂名石化分公司热电分部,广东茂名 525000)

热电联产汽轮机组运行操作优化系统应用

黄海鹏

(中国石化集团资产经营管理有限公司茂名石化分公司热电分部,广东茂名 525000)

在满足外供蒸汽的条件下如何及时调整发电机组的进汽量、抽汽量使机组发电总量最大,有利于汽轮机优化运行、降低发电成本。文章分析了热电联产汽轮机组运行操作优化系统应用。

热电联产 汽轮机 运行 最优值求解

利用汽轮机操作管理优化系统对热电系统进行优化，在满足热负荷需求和锅炉产汽总量不变的条件下，确定出停、开的机组和相应的蒸汽负荷分配，保障蒸汽需求(蒸汽管网)与供给匹配，减少能量浪费，负荷(新蒸汽或供汽)变化时，能够快速地进行调节操作条件，使其达到最优状态。

1 优化操作系统模型的建立

茂名石化动力厂化工区现有双抽凝汽汽轮机3台，其中1#和2#汽机最大进汽量190吨/小时，高抽(I抽)最大量为100吨/小时，中抽(II抽)50吨/小时，发电量为2000-25000kw。3#汽轮机最大进汽328吨/小时，最大高抽(I抽)50吨/小时，中抽(II抽)200吨/小时，发电量2000-50000kw。锅炉最大产汽840吨/小时，供汽机的最大新蒸汽量为640吨/小时。

1.1 线性回归获得汽轮机的特性方程

汽轮机的特性方程表示汽轮机进汽量、抽汽流量与发电量的关系。

抽凝式汽轮机特性方程：

p=a+bD1-cD2

式中：p为输出功率kW，D1为新蒸汽量t/h，D2为抽汽量t/h， a、b和c为特性参数。上述特性参数由汽轮机热力试验数据和统计数据进行回归得到。经过计算可以得出，回归的曲线与实际计算高度稳合。

1.2 热电系统结构模型

热电系统的结构模型是把所有可能的汽轮机运行组合方式和操作条件都包含在内的一组物料、能量和汽轮机特性方程。这个模型一般可用下面的一组数学关系式描述：

式中，x=[x1，x2，…，xk]是连续变量向量，表示单元设备的处理能力和流体的流量和能量，而y=[y1，y2，y3，y4]是整数变量(二元变量)向量，表示流程结构中汽轮机在操作过程中停、开的状态。当yi=0时，表示第i台汽轮机停止运行，当yi=1时，表示第i台汽轮机运行。热电系统的操作状况可由(x，y)表示，所以，(x，y)的集合构成了热电系统的操作空间，优化的问题是在此操作空间中搜索出最优的操作条件，使系统的效益达到最大。

1.3 热电系统优化调度模型

热电系统的优化是在满足向外供热的条件下，确定停、开的机组和相应的蒸汽负荷分配，在能量消耗一定的条件下，使发电量达到最大。其目标函数和约束条件如下：

目标函数为：发电量最大或成本最低

约束条件为：系统输出的供热量≥所需的供热量

每台汽轮机的进汽量＜最大允许进汽量

抽凝式汽轮机的抽汽量＜最大允许抽汽量

抽凝式汽轮机的抽汽量＞最小允许抽汽量

用数学式表达为：

目标函数：F=min f(x，y)

约束条件：gi(x，y)0，i=1，2，…，n

式中：F为新蒸汽用量t/h。由上述目标函数和约束条件构成了热电系统的优化调度模型，这是个混合整数非线性规划问题。通过最优化计算，在满足上述约束条件下，寻求出最优操作方案(x，y)，使热电系统的发电量达到最大。

1.4 优化操作计算方法

1.4.1 汽轮机系统操作优化目标

操作优化的目标可选下列两者之一：

(1)优化目标1：在新蒸汽量一定的条件下，优化汽轮机的操作条件，在满足各种等级蒸汽需求(供热)的条件下，以使发电量最大。

(2)优化目标2：在发电量一定的条件下，优化汽轮机的操作条件，在满足各种等级蒸汽需求(供热)的条件下，以使消耗的新蒸汽量最小。

1.4.2 汽轮机系统流程简图(图1)

1.4.3 汽轮机特性方程(发电量与进汽量、抽汽量的关系)

E1=f(x1，x2，x3)

E2=f(x4，x5，x6)

E3=f(x7，x8，x9)

其中E1，E2和E3分别是第1台、第2台和第3台汽轮机的发电量，上述方程通过对实际操作的数据进行统计回归得到。

1.4.4 供热蒸汽需求

高抽蒸汽量(34kg/cm2)：X2+X5+X8+X10 G1中抽蒸汽量(17kg/cm2)：X3+X6+X9+X11 G2

其中G1，G2分别为34kg/cm2、17kg/cm2的蒸汽需求量t/h，X10和X11为减温减压器通过量。根据实际运行工况，汽机进汽与抽汽量限制：

1号汽机： X1 208 (t/h) (进汽量)

X2 115 (t/h) (高抽量)

X3 38 (t/h) (中抽量)

2号汽机： X4 208 (t/h) (进汽量)

X5 115 (t/h) (高抽量)

X6 38 (t/h) (中抽量)

3号汽机： X7 328 (t/h) (进汽量)

X8 80 (t/h) (高抽量)

X9 120 (t/h) (中抽量)

热电系统的优化调度归结为解一个混合整数非线性规划问题，采用MATLAB软件进行求解。

1.4.5 软件平台

操作系统：选择Windows 2000作为操作系统。

应用软件：选择MATLAB软件作为开发平台。

数据处理与分析软件：选择Origin软件，软件系统结构图如图2、图3所示。

2 汽轮发电机操作管理优化系统的主要功能

(1)总蒸汽量一定，通过优化计算，确定出运行那几台汽轮机和相应的蒸汽负荷分配，在满足外界供热量的条件下，使系统的发电量达到最大。

(2)总蒸汽量一定，指定运行的汽轮机(有时设备需维修，只能由人来指定)，通过优化计算，对指定的汽轮机确定出蒸汽负荷分配，在满足外界供热量的条件下，使系统的发电量达到最大。

(3)总蒸汽量和高中压抽汽量、发电量一定，通过优化汽机进汽、抽汽的分配使运行总费用最低。

(4)即时核算发电最低成本，利用峰平谷电价政策指导生产运行，使经济效益最大化。

(5)考虑汽轮机维修前后特性方程的差异性，软件系统具有基于现行的汽轮机运行数据对汽轮机特性方程进行修正的功能。

3 茂名石化公司发电机组操作管理应用测算情况

3.1 优化目标

发电量最大(新蒸汽量一定，在满足供热需求条件，发电量最大)。

3.2 优化工况(图4-图7)

3.3 优化结果

相同蒸汽总量(600t/h)和外供蒸汽量(200t/h高压蒸汽、150t/h中压蒸汽)三种方案的发电量比较：

优化操作方案：总发电负荷90281kw

操作方案1：总发电负荷87720kw

操作方案2：总发电负荷86570kw

操作方案3：总发电负荷88340kw

对比操作方案1，优化操作方案多发电2561kw，增加效益1613. 43元/h(电价按0.63元/kwh计算)，一年增加效益1613.43×24× 365=1413.36万元。

对比操作方案2，优化操作方案多发电3711kw，增加效益2337.93元/h，一年增加效益2048.027万元。

对比操作方案3，优化操作方案多发电1941kw，增加效益1223元/h，一年增加效益1071.2万元。

4 结语

汽轮发电机操作管理优化系统是强化操作管理的量化标准。系统中汽轮机模型是利用实际操作数据归纳完成，具有很好的准确性。此外，汽轮发电机操作管理优化系统是节能有效手段。从上面的数据可以看到，通过优化操作，节能达到2%，年节约标煤5200吨。

[1]张灿勇,张洪明.火电厂热力系统[M].北京:中国电力出版社,2013: 9-19.

[2]蒋金山.最优化计算方法与实现[M].广州:华南理工大学出版社, 2012:102-144.