加熱設(shè)備《工業(yè)加熱》第37卷2008年第5期電廠循環(huán)水系統(tǒng)的建模與優(yōu)化毛曉宇,王慶,顏文俊(漸江大學(xué)電氣工程學(xué)院,浙江杭州310027)摘要:循環(huán)水系統(tǒng)作為火電廠的重要組成部分,其優(yōu)化問題已引起人們的高度重視。針對火電廠循環(huán)水系統(tǒng)高能耗問題,根據(jù)某火電廠提供的數(shù)據(jù),建立了其循環(huán)水系統(tǒng)發(fā)電量與耗電量差額的數(shù)學(xué)模型,用有約束非線性規(guī)劃的方法解出其最優(yōu)解。仿真結(jié)果表明,該優(yōu)化模型和求解算法能夠找到最優(yōu)循環(huán)水量和最佳真空,使水泵高效運(yùn)行,以節(jié)約電廠耗電。關(guān)鍵詞:循環(huán)水系統(tǒng);循環(huán)水泵;汽輪機(jī);序列二次規(guī)劃法中圖分類號:TM6219文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:1002-1639(200805-003003Modeling and Solution for the Cycle Water System in Power PlantMAO Xiao-yu, WANG Qing-guo, YAN Wen-junCollege of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, ChinaAbstract: Optimal control of circulating water system is an important item in energy saving of power plant. As to the high power consumptionof circulating water system, we establish a mathematical model of circulating water system, according to the data of a power plant, whichdepicts the difference between the generating capacity and power consumption, and obtain its optimal solution based on the method of con-strained nonlinear programming. The simulation result shows that the method of constrained nonlinear programming can effectually get theoptimal solution. It makes pumps more effectual and saves the power consumptionKey words: circulating water system; circulating pump; steam turbine: Sequential Quadratic Programming循環(huán)水系統(tǒng)是發(fā)電廠獨(dú)立且重要的子系統(tǒng),循環(huán)電廠循環(huán)水系統(tǒng)的日常運(yùn)行,往往是靠操作人員的經(jīng)驗水泵作為熱電廠的重要輔機(jī),其供水量一般是汽輪機(jī)排并不十分可靠。建立起優(yōu)化模型,并用適當(dāng)?shù)乃惴ㄇ蟪銎康?0~70倍,同時它消耗的電能約占總發(fā)電量的其最優(yōu)解是當(dāng)務(wù)之急。1%~1.5%。因此,研究開發(fā)循環(huán)水系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行方本文根據(jù)某火電廠提供的數(shù)據(jù),在夏季工況下,建式,對于節(jié)約用電、提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性具有重要意義口2。近立了其優(yōu)化問題的控制模型,并用約束變尺度法求解該些年,我國火電廠在推廣應(yīng)用變頻調(diào)速方面取得了長足有約束非線性規(guī)劃問題,求解出其最優(yōu)解進(jìn)展。但在應(yīng)用高壓變頻器方面,很多電廠很謹(jǐn)慎,其1循環(huán)水系統(tǒng)的建模主要原因是高壓變頻器初投資過高,恰恰循環(huán)水泵的連續(xù)調(diào)節(jié)需要使用高壓變頻器。沒有使用高壓變頻技術(shù)的該電廠循環(huán)水系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備為:88IKXA-235型循環(huán)水泵2臺,YKSL2500-162150-1收稿日期:200807-23;修回日期:20080804型循泵電機(jī)2臺和DX7pk4X-6Q型液控蝶閥?；痦椖?浙江省科技計劃項月資助(2007C21180)汽輪機(jī)的額定功率為600MW,取夏季工況(即一機(jī)作者簡介:毛曉宇(1975),男,碩七研究生,工程師,主要研究兩泵的運(yùn)行工況),即方向為工業(yè)過程建模和控制、集散系統(tǒng)控制王慶國(1984-),男,碩上研究生,主要研究方向為工循環(huán)水的密度p=1000kg業(yè)過程建模和控制、優(yōu)化算法;重力加速度g=98N/kg顏文俊(1965-),男,教授、博土研究生導(dǎo)師,主要研傳動效率m=1究方向為控制理論、優(yōu)化控制、離散事件系統(tǒng)和復(fù)雜系原動機(jī)效率7g=1統(tǒng)等方面的理論和應(yīng)用研究溫度均勻數(shù),定量計算了溫度均勻性,計算結(jié)果顯示:當(dāng)質(zhì)量[J中南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2004,35(5)加熱爐所用燃料的熱值在一定范圍內(nèi)減小時,爐內(nèi)溫度2程強(qiáng)周懷春婁春等工業(yè)爐三維溫度場可視化試驗均勻性降低;當(dāng)燃料熱值減小較多時,爐內(nèi)溫度均勻性研究[.工業(yè)加熱,2005,34(1):19-23.雖略有改善,但爐溫明顯降低,這對鋼壞后續(xù)軋制過程3]賀新華高、焦?fàn)t煤氣直接混合燃燒技術(shù)燒結(jié)球團(tuán),極為不利。因此,對于燃料成分不穩(wěn)定的加熱爐,應(yīng)當(dāng)200530(3):35-38[4]安裝在線熱值監(jiān)測或相應(yīng)成分監(jiān)測儀表,以便及時調(diào)整中國煤化工與計算M合肥中燃燒工況,使鋼坯溫度均勻性達(dá)到后序工藝的要求[5]趙HCNMHG科學(xué)出版社,200:5152[6]穆勇.等離子點(diǎn)火器三維燃燒流場數(shù)值模擬[D]哈爾濱參考文獻(xiàn)哈爾濱工業(yè)大學(xué),2005:31-32]劉光穆鄭柏平,陳建新,等薄板坯連鑄連軋工藝與產(chǎn)品[刀韓昭滄燃料與燃燒M北京:冶金工業(yè)出版社200:46493方數(shù)據(jù)辛熱沒番《工業(yè)加熱》第37卷2008年第5期因為電廠提供的是汽輪機(jī)和循環(huán)水泵的工作特性曲線,在建模的時候需要把這些曲線轉(zhuǎn)化為特性方程式,因此需要用到模型化方法。本文采用的是多項式回歸法,即用最小二乘法擬定經(jīng)驗公式,其優(yōu)點(diǎn)在于擬合得到的曲線方程可以和實驗數(shù)據(jù)有最好的一致性-3.011汽輪機(jī)輸出功率建模蒸汽在凝汽器壓力下的飽和溫度t用式(1)計算-60fe=fwI+Ar+St(1)式中:為冷卻水進(jìn)口溫度;△為冷卻水溫升;b為凝汽器傳熱端差789101l1213141516凝汽器熱平衡方程式為背壓/kPa中=1000m(h-h)=1000qmw(hn-h)=圖1汽輪機(jī)功率變化率和背壓關(guān)系曲線4187qmw△擬合為4次多項式,擬合的方程式為式中:中為凝汽器的傳熱量,kJ/h;qms,qmw分別為進(jìn)入Pr=-28p4+159.5-2960.82+凝汽器的蒸汽量和冷卻水量,th;h,h分別為凝汽器中14273.0e+587413.3kW(8)的蒸汽比焓和凝結(jié)水比焓,k/kg;kw2,hu分別為流出和式中:p為凝汽器壓力;P為對應(yīng)的汽輪機(jī)功率流人凝汽器冷卻水的比焓,kJkg12循環(huán)水泵的耗功計算由式(2)得循環(huán)泵的壓力一流量特性方程式為4=,,-k4.187 qmw'9m4.187H=0.049-229+4421(根據(jù)曲線擬合)(9)由凝汽器的傳熱程可知蒸汽凝結(jié)時傳給冷卻水的式中:為循環(huán)水系的體積流量,m/s;B為泵的揚(yáng)程m熱量φ為循環(huán)泵的效率一流量特性方程式為中=KAm0524-724+10.2(根據(jù)曲線擬合)(10)式中:K為凝汽器的總體傳熱系數(shù),W/(m2K);Δm為式中:q為循環(huán)水泵的體積流量,m3/;n為泵的效率蒸汽和冷卻水之間的對數(shù)平均傳熱溫差循環(huán)水泵電動機(jī)功率可以用式(1)計算5b由式(5)求得Pb(11)所以,循環(huán)水泵耗電功率和循環(huán)水量的關(guān)系式為凝汽器壓力P與飽和溫度t有關(guān),按式(6)計算=0(043-229+4421)w(12)P=9.81×103x/4+1001742系統(tǒng)模型建立根據(jù)電廠實際情況,取進(jìn)汽量(即凝汽器的蒸汽負(fù))m=033,△=1773選取目標(biāo)函數(shù)為汽輪機(jī)輸出的凈功率,決策變量為℃(q為循環(huán)水泵的體積流汽輪機(jī)背壓(即凝汽器壓力p),狀態(tài)變量為循環(huán)水的體量),總冷卻面積A=38000mn,.凝汽器的總體傳熱系積流量q(因為循環(huán)水量在其他因素一定的情況下決定著數(shù)K=3532W/(m2·K),所以凝汽器真空),有4=w+△+bt=23113x1713c△P=max(△Pr-2APb)(13)p>3.7進(jìn)一步得出0≤qs12P=981×103x/+100146P=981×10-3×23+3.079.81X10-3(2,3+3.07kPa4"q(e2-1)中國煤化工CNMH(14)器壓力P(單位為圖1是凝汽器壓力變化引起汽輪機(jī)功率(汽輪機(jī)額kPa)應(yīng)高于極限真空,循環(huán)水量q、(單位為m3/s)低定功率為600MW)的變化曲線。泵的容量,P和P的單位為kW加搞沒備《工業(yè)加熱》第37卷2008年第5期式中:Pr=-28+1595-2960.8z2+H1=BH-212z+14273.0p+5874133kW其中-80(04923+4212xwyY=VxL(X++)-V(r)3模型的求解7=6+(1-0)Hzk20世紀(jì)80年代,對約束非線性問題規(guī)劃算法的研ZY >0.2ZHZ究,取得了很大成果,其中 Lagrange函數(shù)乘子法、投影0(2%2nzx<02Zz梯度法及序列二次規(guī)劃法(SQP)已成為該領(lǐng)域的主導(dǎo)算法,尤以SQP方法對一般約束問題最為有效。4仿真實驗序列二次規(guī)劃法(SQP)又叫約束變尺度法(con利用 MATLAB最優(yōu)化工具箱( Optimization Toolbox)strained variable metric method,cwM,它的主要思路是可以實現(xiàn)此算法,用來解決此最優(yōu)化問題,求解得出在初始的變尺度法的基礎(chǔ)上,對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行線性搜索,P=10.3518HESSE矩陣修正,差分求梯度和二次規(guī)劃,將優(yōu)化數(shù)學(xué)g=12.0000模型形成基于拉格朗日函數(shù)二次近似的二次規(guī)劃子問題目標(biāo)函數(shù)值為55674×105kW即通過有約束問題線性化來獲得二次規(guī)劃子問題此時,把P,q代人,得出設(shè)非線性規(guī)劃問題為η=8932%(>8825%)(系統(tǒng)要求夏季工況時η>8825%),P6=59256945kW耗電量占發(fā)電量的1.0649S/8(X)<0,i=1,…,m(15)可見,耗電量維持在較低水平。h(X)=0,j=1,5結(jié)語求解時,每一步迭代應(yīng)確定下降方向p和決定該方向上的步長d仿真結(jié)果顯示,序列二次規(guī)劃法(SQP)能夠求出最優(yōu)解,它能跳出局部最優(yōu)并找到全局最優(yōu)解。在對實時p可以通過求解下列二次規(guī)劃子問題求得,該二次規(guī)性要求不高的情況下,它基本上能滿足工程上的要求,使劃子問題可以表示為耗電量維持在較低水平。minV∫(X)F+pH但是,在實時性要求很高的情況下如何優(yōu)化呢?如St8(x)+Vg()p≤0,i=,…m(16)何建立其在線優(yōu)化控制模型呢?有沒有同時滿足魯棒性小(x)+Vh(x)p=0,j=1,…,n和實時性的智能優(yōu)化算法呢?隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對其中:H為 Lagrange函數(shù)于循環(huán)水系統(tǒng)的要求必將提高,必然要求運(yùn)用先進(jìn)的建L(X,λ,川)=f(X+∑8(X+∑(x模方法及智能優(yōu)化算法。下一步的研究方向有兩個是建立其最佳真空和最小軸功率的多目標(biāo)優(yōu)化控制模型;的 HESSE矩陣。當(dāng)二次規(guī)劃子問題的最優(yōu)解廣=0時,可二是運(yùn)用合適的智能優(yōu)化算法求解該模型以證明,對應(yīng)的X即為原問題的最優(yōu)解X,同時存在最優(yōu)乘子x;,p參考文獻(xiàn)d可以通過一維搜索確定[黃新元,趙麗,安越里,等.火電廠單元制循環(huán)水系統(tǒng)離令燈=+ap,其中X,p已知散優(yōu)化模型及其應(yīng)用[J熱能動力工程,2004,19(3):302-3052]夏東偉,張承慧,石慶升電廠循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化控制及其遺mino(a)=f(x+ap)+> p'max(0, g,(r*+ap))+傳算法求解[山東大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2005,35(2):50-55[3]齊復(fù)東,賈樹本,馬義偉.電站凝氣設(shè)備和冷卻系統(tǒng)M∑x*+吶(川>0;寸>0;i=1,…,m;j=1,+北京:水利電力出版社,199其中,川刂的迭代規(guī)則是[4]徐海東,劉建華,崔欣,等.火力發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化p=,可=吲的研究[.華東電力,2004,32(4):19-225]王強(qiáng),樊睿源,陳立軍,等.電廠循環(huán)水泵應(yīng)用變頻技術(shù)時=max,(1)+川1(17)吉林電力,2006,34(3):39-41[6]乳中國煤化工程中的應(yīng)用M!杭州寸=my(時+寸元.不文八用探討新疆工學(xué)院下一個迭代點(diǎn)x種上,由修正的變尺度法BFGS形成學(xué)報,1994,15(4):249253H,有[8]方建斌,王展青,王雨春,等一般約束條件下的變尺度法武漢理工大學(xué)學(xué)報:信息與管理工程版,2007,29(6):3763方數(shù)據(jù)