最新版火力发电厂负荷优化分配和循环水系统优化运行的研究毕业论文Word文档格式.docx

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答辩委员会主席：

赵占西论文评阅人：

赵占西

2009年03月日中国南京

分类号（中图法）TH3UDC（DDC）621密级无.

论文作者姓名XXXX学号单位河海大学.

论文中文题名：

火力发电厂负荷优化分配和循环水系统优化运行的研究

论文中文副题名：

论文英文题名：

ResearchonTheCoal-firedPowerPlantLoadAllocationandCirculatingSystemOptimizationOperation

论文英文副题名无

论文语种汉语论文摘要语种汉、英论文页数44论文字数3.5（万）

论文主题词负荷分配、数据开采、优化运行

申请学位级别工程硕士学科领域质量工程

研究方向动力工程及工程热物理

指导教师姓名赵占西

单位导师潘学强高级工程师

论文答辩日期2009年03月日

学位论文独创说明:

本人所呈交的学位论文是我个人在导师知道下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，出了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。

与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均在论文中作了明确的说明并表示谢意。

如不实，本人负全部责任。

论文作者签名：

张翔年月日

学位论文使用授权说明：

和海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。

本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。

除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。

论文全部或部分内容的公布（包括刊登）授权和海大学研究生院办理。

摘要

课题以电厂负荷优化分配和循环水系统优化运行数学模型的建立、优化算法的选择、基于运行数据分析设备性能特性的研究、开发具有分析运行数据能力的优化运行决策支持软件为主线展开。

首先研究了电厂根据调度负荷曲线优化分配数学模型和实时负荷分配的数学模型，采用动态规划法求解；

以及循环水系统优化运行的数学模型，采用直接枚举法求解。

根据数学模型，对一台1００ＭＷ级机组循环水系统进行了优化计算，得出的操作建议与原来操作进行了比较，能产生较好的经济效益。

对一1００ＭＷ机组的优化计算结果与实际运行数据比较，发现由于设备性能的改变使得原先的优化结果变得并非最优，得出基于设计曲线和试验方式等获得设备性能的优化计算结果会随着设备性能变化而出现与实际最优不符的情况。

因此研究了采用机组实际运行数据分析获得的方法，采用加权平均方法从数据库大量记录中提取性能数据。

　特别在循环水系统性能数据获得方面，将凝汽器、管路、循环泵综合在一起考虑，这种类似试验的方法，考察它们整体的输入输出特性，简化了问题。

关键词：

负荷分配；

数据开采；

优化运行

ABSTRACT

Thesubjectinordertooptimizethepowerplantloaddistributionandoptimaloperationofcirculatingwatersystemsetupthemathematicalmodel,optimizationselectionalgorithm,runningthroughtheanalysisofdata,researchequipmentperformancecharacteristics.Thedevelopmentofanalyticalrunningdatacapacitytooptimizedecisionsupportsoftwaretorunthemainlinetostart.

InitiallyontheplantinaccordancewithschedulingloadcurveOptimizedistributionmathematicalmodelsandreal-timemathematicalmodelofloaddistribution,usingdynamicprogrammingmethodtofindtheresults;

andoptimaloperationofcirculatingwatersystemmathematicalmodel,usingthedirectenumerationmethodtofindtheresults.

Accordingtomathematicalmodelofa300MWgeneratingunitscirculatingwatersystemisoptimizedcalculation,theoperationoftheproposedoperationtocomparewiththeoriginal,canproducebettereconomicbenefits.

Optimizationofa300MWunitcalculationresultswiththeactualoperationdatacomparedbecauseofchangesinequipmentperformance,theoriginaloptimizationresultsarenotoptimal.Drawaconclusion,usingthedesigncurveandexperimentalmethodstoobtaintheoptimaldeviceperformanceresults,alongwithchangesinequipmentperformancedoesnotconformtotheactualoptimalsituation.Therefore,thestudyusinganalysisofactualoperatingdatatoobtainconclusionsmethods,usingtheweightedaveragemethod,alargenumberofperformancedatarecordsfromthedatabasetoextract.Particularlyinthecirculatingwatersystemperformancedataaccess,GeneralconsiderCondenser,piping,circulationpump.Thisanalysismethodissimilartotest,inspectionoftheiroverallinput-outputcharacteristics,simplifiestheproblem.

Keywords:

load-appointment，dataming，operationoptimization

目录

绪论2

1课题的背景和意义2

2本文研究课题的主要目的3

3实现经济运行方法4

4设备性能特性的获取方法4

5论文的主要内容6

第一章负荷分配优化7

1.1优化分配负荷模型及考虑因素7

1.2优化分配数学模型的约束条件8

1.3条件比较10

1.4结论11

第二章考虑安全方面机组优化负荷分配12

2.1负荷响应速率约束12

2.2寻优算法分析和选择14

2.3等微增率分配负荷实例15

2.4电厂负荷优化优化分配算法15

2.5本章小结17

第三章循环水系统优化18

3.1.循环水系统优化问题的研究进展18

3.2.循环水系统优化数学模型20

3.3.各个设备性能特性的获得方法22

3.4.数学模型的求解方法28

3.5.循环水系统优化计算28

3.6.本章小结36

第四章结论37

参考文献39

致谢42

绪论

1课题的背景和意义

玛纳斯发电厂（以后文中出现“电厂”如无特别说明，均指火力发电厂）位于新疆玛纳斯县兰州湾的玛纳斯河旁，距石河子约15公里。

位于北疆煤炭资源丰富的中心。

电厂枢纽工程由锅炉房、汽轮机厂房、变电站等建筑物组成。

厂房布置在距玛纳斯河西两公里处，锅炉厂房和汽机厂房安装有武汉锅炉厂生产的（型号）WG4109.8-I二期WG4109.8-II和北京重型汽轮机厂生产的N100-8.83-535高压汽轮机共六台，单机容量100MW。

总装机容量为6x100MW。

整个电厂由新疆电力设计院测设计院设计，新疆电建公司施工安装。

电厂1975年开始筹建，1991年3月11日第一台机组（1#机组）并网发电，2号、3号、4号机组也分别于1991年9月、1992年8月、12月投入运行5号、6号机组作为电厂II期工程于1998年发电。

设计年发电量48亿千瓦时，机组保证出力600MW，是新疆电力系统的骨干电源，是新疆省第二大的火力发电厂，担负系统调峰、调频及事故备用电厂。

采用220KV及110KV两级电压分别向乌鲁木齐（145公里）等北疆大部分地区供电，并为新疆电网提供可靠的电源保证。

因此，新疆玛纳斯电厂的作用与地位极其重要。

电力是一种优质二次能源，可以方便地转化为其他能量形式，具有诸多优良特性，得到了极其广泛的应用，没有电力就没有现代社会。

新中国建立之后，国家大力投入电力建设，取得了很大的成就。

但是尽管如此，我国人口众多，用电水平还是相当的低，有资料表明，到2002年，我国人均装机容量为0.25kw，人均年用电1064kwh，低于世界平均水平的一半。

进入21世纪以来，随着我国物质文明和精神文明建设持续蓬勃发展，对电力供应的数量和品质提出了更高要求，用电量持续攀升，在2005年我国全社会用电量将达到2万亿千瓦时，发电装机容量将达4.3亿千瓦时；

电力供需矛盾加剧，特别是最近几年，夏季和冬季还出现了大面积的缺电现象，严重影响了国民经济的发展。

因此，我国电力发展还有很长路要走，发展潜力也非常的大。

除了努力增加装机容量的“开源”之外，还需要努力“节流”，一方面电力用户厉行节约，采用节能措施，我国的单位产品能耗比较高，在世界上处于非常落后的地位；

另外一方面是深入研究电力机组的安全高效运行，提高电能生产效率，在电力生产企业内部首先开始大力开展节能降耗工作，对社会整体可持续发展具有重要的意义。

我国的电力生产结构是以火电为主，水力和核电为辅，火电占装机容量的70%以上，这跟我国的能源消费结构是息息相关的：

我国煤炭资源非常丰富，一次能源消费结构以煤炭为主，石油和天然气为辅，这种状况在短期内不会发生大的变化，尤其是在世界石油将在百年内用完的预期下我国火力发电厂的发电煤耗相比世界先进国家，还是比较高的。

全国电厂平均发电煤耗一般高于380gkwh。

提高电厂运行水平和运行效率，降低发电煤耗是有潜力可以挖掘的，因此提高火力发电厂的运行效率非常关键。

玛纳斯发电厂是八十年代末、九十年代初设计的。

由于受当时火力电厂设备设计与制造技术水平的限制和新疆电网自身的特点，没有采用高参数大容量的锅炉及汽轮机。

随着国民经济的发展，越来越多的机组投入运行，人民生活水平也不断提高，电网峰谷差日益增大，致使电厂的负荷需经常地，较大幅度地进行调整，即参与“调峰”。

从2005年9月20日的负荷曲线，负荷的最大变化达210Mw，且大多数时间均不在满负荷或接近满负荷下运行。

这样就给电厂运行带来两个问题:

其一是运行经济性的下降。

以100Mw机组为例，在设计工况下，当负荷从额定值降至70Mw工况下运行时，机组的发电煤耗率将增加约3.56gkw·

，则有:

P=P1+P2+…+Pi+…+Pn

设一n维向量，=[P1,P2,…Pi…Pip]r，表示某种负荷分配方案。

设第i台机组的供电煤耗为Bi，全厂总供电煤耗为B，则有:

B=B1+B2+…+Bi+…+Bn

当电厂负荷分配方式发生变化，即向量改变时，B会随之变化，因此有如下关系：

所以，在各机组稳定运行范围内的负荷分配问题即为:

在全厂总负荷P时候，在满足式

（2）的前提下改变向量，即改变负荷分配，使得B最小，此时的即为最优分配向量。

显然有，简单地解决负荷分配问题即求解。

1.1优化分配数学模型的约束条件

1.假设负荷分配台机组能稳定运行的前提下进行，没有发生停机或者需要重新开机的情况，则有：

Pimin≤Pi≤Pimax

其中Pimax、Pimin，分别为第i台机组能长期稳定运行的负荷的上下限。

2、对应负荷高峰而安排的机组组合用于负荷谷时，各机组出力下限总和有可能大于低谷的负荷，从技术的角度看，有变更运行机组组合的要求。

此时应该考虑机组启停损失尽Sj。

机组负荷降低到零的状态，一般有两种，一种两班制运行，还有一种是少蒸汽运行，这2种情况的启停损失的估算。

为了机组的安全健康运行，机组有一个最小运行时间和最小停机时间限制。

最小运行时间判断函数φ（Ui，ti，1）≥0，最小停机时间限制φ（Ui，ti，2）≥0，其中ti，1为最小运行时间、ti，2为最小停机时间、Ui认为该机组运行状态:

0为停机状态、1为运行状态。

热启动.热启动过程中的主要额外损失之一是在启动过程中，从冲转到满负荷约需3h，在此期间锅炉处于低负荷状态.为了维持锅炉燃烧的稳定性，必需向炉内喷射燃油以助燃，而燃油的价格大大高于化石燃料，按目前的比价约10:

1。

机组启动过程中的寿命损耗.影响机组寿命的主要原因是机组的冷态启停、热态启停以及较大幅度的负荷变动所造成的低周疲劳寿命损耗.仅以汽轮机来说，在启停时，机组热端部件受到较为剧烈的温度变化，而各部件中工作条件最恶劣的高压转子的寿命损耗也最大，使汽轮机的有效寿命缩短，因此一次启停也应折合成相应的费用.将以上费用作为约束条件。

以我厂有6台国产型100MW机组的电厂为例，由于是在一个电厂内，忽略网损的影响。

设调度周期为24h，并将它分为96个时段.考虑调度单元内机组的连续运行，对1周期的负荷重复一次构成192点，如图1-1所示，对机组在各个时段的负荷进行优化分配。

图1-1负荷与单位煤耗率关系曲线图

根据机组的设计、运行特点，机组热启动总耗油约折合200t标准煤一台汽轮机组1次标准的热启停的寿命损失折合1万元人民币，约30t标准煤，所造成的汽轮机转子的寿命损失约0.01%，一般允许启停6000次。

3、考虑启停费用：

在48h内4台汽轮机组共发电39.213Gw·

△t其中，Pi，t、Pi，分别t时刻和t-1时刻第i台机组的负荷，Ri，up和Ri，down分别为该机组组的最低负荷变化速率要求。

不能满足负荷响应速率要求的机组，分配的时候就不予以分配，对其负荷仅进行跟踪。

对于根据负荷曲线分配，如果把一个调度周期分为T个时段，假设机组台数为n，各时段上的负荷为Pt，第i台机组的煤耗特性是f（Pi，t），则机组优化分配的数学模型为求解下列目标函数：

约束为:

Pt=P1,t+P2,t+……+Pi,t………+Pn,t；

；

i=1,2,……,n；

t=1,2,………,t；

实时分配时的数学模型为:

φ（Ui，ti，1）≥0；

φ（Ui，ti，2）≥0

|Pi,t-Pi,t-1|≥Ri,up△t,|Pi,t-Pi,t-1|≥Ri,down△t

i=1，2，3…..n

注:

实时分配中的下标t并不代表划分的时段，而仅仅与t-l时刻相区别，代表t

时刻负荷一煤耗曲线的确定:

对于n=l的情况，即为该机组供电负荷一煤耗曲线。

对于n≥l的情况，蕴含在几台机组的供电负荷一煤耗曲线B1=f（P1），B2=f（P2），Bi=f（Pi），Bn=f（Pn）中曲线Bi=f（Pi）几乎跟整机组的所有设备性能特性都有关系，比如锅炉特性，汽轮机特性、发电机特性等等，一般采用运行或者机组综合热力试验数据，进行拟合得到一定的特性曲线，然后利用该曲线来进行寻优计算。

机组的性能特性曲线是进行负荷优化分配的前提基础，要得到最优的负荷分配方案，首先需要得名机组准确的特性曲线，机组处于不断地变化当中采用热力试验的数据，往往是一段时间以前机组的情况，因此不能很好地反应现在机组的运行情况，利用电厂系统的实时历史数据库记录，定期采用运行数据分析的结果相对能够更加接近现在的机组性能。

具体来说，首先确定汽轮机的热耗率，计算公式如下:

qi=QNeli=Qoihoi-Qfwihfwi+Qri（△t

用微机进行负荷分配，无论用哪种方法，计算速度都很快，因此负荷分配可作为电厂计算机监控的组成部分，为电厂节能起到积极的作用。

第三章循环水系统优化

3.1.循环水系统优化问题的研究进展

1）1989年，曾鸣、杜作敏研究了200MW单元制机组的循环水系统优化运行，采用转轴直接搜索法寻优，得出下面的结论:

循环进水温度在某个温度t以下，只需要开一台循环水泵就能满足机组正常运行需要，当循环水温度上升到t以上，需要开2台泵才能满足要求。

2）1994年，葛晓霞、廖国均等以淮南电厂3号机为例，依据最佳真空理论，研究了循环水泵叶角可调情况下的最佳叶角确定，以此对循泵进行优化运行，取得显著效果。

3）1997年，上海交通大学钱文华、林万超等人以某电厂7台机组的运行为实例，建立了火电机组循环水系统及补水系统运行优化问题的数学模型。

应用最优化理论确定求解方法，开发了相应的通用软件包，并运用该软件包得出上述优化问题的最优解。

4）1998年，韦红旗等人详细地讨论了母管制循环水系统优化模型，并且对循环水系统优化过程中涉及的主要问题进行了探讨，并且讨论了优化模型求解策略。

5）1999年，王秋颖以母管制循环水系统为例，建立系统的优化数学模型，提出了独立运行变量的概念，给出优化算法:

利用直接搜索法和复形调优法，得到最佳的泵组合及最佳循环水量。

6）1999年胡洪华、于新颖、赵毅等参与上海外高桥电厂的冷端优化试验。

由于上海地区电网负荷需求变化较大，外高桥电厂300MW机组白天最高负荷可达3OOMW，夜间又降低到12OMw。

为了进一步挖掘机组节能潜力，降低供电煤耗。

电厂委托电力工业部热工研究院对该厂2号机组进行了冷端试验，并且进行了优化计算，得出了在不同循环水温度和不同的机组负荷下的最佳机组运行背压，在此基础上得出相应的最佳泵组运行方式，包括泵组合和叶片角度。

结果表明，国产30OMW机组通过汽轮机冷端运行方式优化可以提高电厂经济性0.2～0.75%，这一结果值得电厂管理和运行人员的重视。

7）2002年闫桂焕、顾昌等，对30Omw机组循环水系统优化运行的进行了研究，以某电厂300MW机组循环水系统为例，通过建立优化运行的数学模型，先用枚举法逐步搜索出离散变量所有可能值的方法，将问题转变为只有阀门开度为连续变量的问题，利用非线形规划的混合罚函数SUMT算法，计算了系统的最优化运行方式，并分析比较了采用固定叶片角度循环水泵和采用可调叶片角度循环水泵2类循环水系统的优化结果，根据计算，在300Mw机组额定工况下运行5000小时，系统采用叶片可调、配套电机不变的循环水泵，比采用固定叶片角度的循环水泵净增加发电量为200万千瓦时。

比采用叶片可调、配套电机增容的循环水泵减少发电量为250万千瓦时。

8）2002年，闫桂焕、顾昌、郑李坤等，给出了计算机优化计算的程序结构框图，利用VisualBasic6.O可视化语言，基于Windows环境开发了循环水系统优化运行的可视化软件，介绍了优化运行的数学模型及其求解方法，并对该软件的功能特点进行了简要说明，并且还示例性地介绍了使用该软件优化计算一台300MW单元制机组的循环水系统的情况。

据称该软件的投入使用大大减少了运行人员操作的盲目性，改善循环水泵粗调或不调的现状，提高了电厂运行的经济性。

对上述研究进展的分析循环水系统优化，最初大多针对单元制机组，特别是2台泵对1台凝汽器的机组，考察了不同循环水问题和机组负荷下最优的运行方式，由于设备原因，运行方式非常有限，只有开或者关2台泵中的一台，这样的研究如上面的第1条。

由于设备的改进，不少电厂的循环水泵开始采用可调节叶片角度的泵，这增加了调节手段，使得利用循泵叶角变化细调成为可能，这样的研究如上面的第2条。

另外一个增加调节手段的努力方向是对循环水泵电机进行改造，使其具有多种速度可调，在低负荷或者低循环水温度时候，降低循泵转速，可以起到节能作用。

随着不少电厂规模的扩大，往往具有多台机组，设备采用多采用可调叶角的泵，并且采用母管制循环水供水方式，使得节能潜力进一步增加，第4条和第5条系统地阐述了母管制循环水系统地优化模型，介绍了优化方法。

第7条的外高桥厂，实际应用了这些方法，取得了很好的效果。

在计算方面，一般采用计算机运算，考虑到计算机的高性能，采用直接搜索法结合其他非线形规划方法成为可能。

总得来说，一个电厂循环水系统可能运行方式（泵叶片开度、台数组合、循环水系统阀门开度等）的增加，优化问题趋于复杂，因此也要求有全面而正确的优化数学模型和优化算法。

上面的研究在模型和算法上进行了深入的探讨。

在优化依赖的循环水泵性能特性、管路水力性能、凝汽器性能、微增功率性能方面，它们一般采用厂家设计曲线、变工况计算、水力计算和做试验确定等。

比如对循环水泵性能特性，把泵出厂特性曲线进行拟合成公式；

对管路水力性能特性，详细获得管路的结构、尺寸、材料、凝汽器阻力特性等数据，估算各个阻力系数，然后根据流体力学知识得到管路水阻计算公式，这样结合泵特性公式，就可以得出不同运行方式下的循环水流量，再根据凝汽器变工况计算获得各个运行方式下对应的真空。

试验确定是实际做试验，在一定负荷和循环水温度下，试验在各个运行方式下的凝汽器的实际真空。

这些性能确定方式，有些由于加入了拟合、管路阻力系数估算和变工况计算等因素，准确性不强。

还有由于循环水温度属于自然条件，人为不能控制，因此不便在各个温度下都做试验，因此往往试验数据量偏少。

最后，随着机组的运行，优化的基础一设备性能均可能已经有所改变，多大程度上反应现在的运行实际是个未知数。

对于这个问题，本文第三章专门进行了讨论。

3.2.循环水系统优化数学模型

电厂循环水系统按照供水方式一般可以分为单元制和母管制（扩大单元制）。

对于只有1一2台机组的电厂，往往采用单元制，控制简单，不同机组互相干扰。

对于有很多台同时开工建设的电厂，不少母管制对多台凝汽器供水，依靠改变运行方式适应负荷变化，其运行经济性和灵活性优于单元制。

过去，电厂运行人员主要是依据运行经验进行循环水泵的运行调节，虽然也能取得一定的经济性，但其效果取决于运行人员的操作水平。

母管制循环水系统，由于其系统复杂，各