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,王慶圓,顏文俊浙江大學(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(duì)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(hào):TM621.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1002-1639(2008)05-0030-03Modeling 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, China)Abstract: 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, whichpicts the difference between the generating capacity and power consumption, and obtain its optimal solution based on the method of constrained 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 consumption.Key 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(yàn),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(shí)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%~15%。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(duì)于節(jié)約用電、提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性具有重要意義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:88LKXA-235型循環(huán)水泵2臺(tái),YKSL2500-162150-1收稿日期:200807-23:修回日期:200808-04型循泵電機(jī)2臺(tái)和DX7pk4X-6Q型液控蝶閥?；痦?xiàng)目:浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)月資助(2007C2180)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,碩士研究生,工程師,主要研究兩泵的運(yùn)行工況),即:方向?yàn)楣I(yè)過程建模和控制、集散系統(tǒng)控制;王慶國(1984-),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)楣ぱh(huán)水的密度p=1000kgm業(yè)過程建模和控制、優(yōu)化算法;重力加速度g=98Nkg顏文俊(1965),男,教授、博士研究生導(dǎo)師,主要研傳動(dòng)效率拋m=1究方向?yàn)榭刂评碚?、?yōu)化控制、離散事件系統(tǒng)和復(fù)雜系原動(dòng)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(jì)算了溫度均勻性,計(jì)算結(jié)果顯示:當(dāng)質(zhì)量[J中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2004,35(5):763-768加熱爐所用燃料的熱值在一定范圍內(nèi)減小時(shí),爐內(nèi)溫度2]程強(qiáng)周懷春,婁春,等.工業(yè)爐三維溫度場(chǎng)可視化試驗(yàn)均勻性降低;當(dāng)燃料熱值減小較多時(shí),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(duì)鋼坯后續(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(duì)于燃料成分不穩(wěn)定的加熱爐,應(yīng)當(dāng)200530(3):35-38安裝在線熱值監(jiān)測(cè)或相應(yīng)成分監(jiān)測(cè)儀表,以便及時(shí)調(diào)整[4]范維澄,萬躍鵬.流動(dòng)及燃燒的模型與計(jì)算[M合肥:中國科技大學(xué)出版社,1992:3335燃燒工況,使鋼坯溫度均勻性達(dá)到后序工藝的要求。[5]趙堅(jiān)行燃燒的數(shù)值模擬[M]北京:科學(xué)出版社,2002:51-52[6]穆勇.等離子點(diǎn)火器三維燃燒流場(chǎng)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,2004:4649加熱沒備《工業(yè)加熱》第37卷2008年第5期因?yàn)殡姀S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(shí)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(xiàng)式回歸法,即用最小二乘法擬定經(jīng)驗(yàn)公式,其優(yōu)點(diǎn)在于擬合得到的曲線方程可以和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有最好的一致性。-3011汽輪機(jī)輸出功率建模蒸汽在凝汽器壓力下的飽和溫度用式(1)計(jì)算書-60t=l+△+bt(1)式中:l為冷卻水進(jìn)口溫度;△為冷卻水溫升;b為凝汽8.0器傳熱端差。789101l1213141516凝汽器熱平衡方程式為背壓/kPa中=100m(h-h2)=1000qm(hw2-h)=圖1汽輪機(jī)功率變化率和背壓關(guān)系曲線4187q擬合為4次多項(xiàng)式,擬合的方程式為式中:中為凝汽器的傳熱量,kJh;qm,qmw分別為進(jìn)人P=-28p+1595p3-2960872+凝汽器的蒸汽量和冷卻水量,th;h,h分別為凝汽器中14273.0p+587413.3kW的蒸汽比焓和凝結(jié)水比焙,k/kg;kw2,hu分別為流出和式中:P為凝汽器壓力;P為對(duì)應(yīng)的汽輪機(jī)功率。流人凝汽器冷卻水的比焓,kJ/kg。12循環(huán)水泵的耗功計(jì)算由式(2)得循環(huán)泵的壓力-流量特性方程式為H=0049-229q+44.21(根據(jù)曲線擬合)(9)4. 187qmw'gme由凝汽器的傳熱方程可知蒸汽凝結(jié)時(shí)傳給冷卻水的式中:q為循環(huán)水泵的體積流量,m3s;H為泵的揚(yáng)程,m熱量中為循環(huán)泵的效率-流量特性方程式為中=KA△m0.52-7.23q+101.2(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);△m為式中:q為循環(huán)水泵的體積流量,m/s;m為泵的效率蒸汽和冷卻水之間的對(duì)數(shù)平均傳熱溫差循環(huán)水泵電動(dòng)機(jī)功率可以用式(11)計(jì)算5b由式(5)求得yhPb所以,循環(huán)水泵耗電功率和循環(huán)水量的關(guān)系式為凝汽器壓力與飽和溫度t有關(guān),按式(6)計(jì)算P=9.1x10-3x/+10024=(04k-2.29+4.21)w(12)2q-7.23q+101257.662系統(tǒng)模型建立根據(jù)電廠實(shí)際情況,取進(jìn)汽量(即凝汽器的蒸汽負(fù)荷)qm=03,M=13℃(q為循環(huán)水泵的體積流選取目標(biāo)函數(shù)為汽輪機(jī)輸出的凈功率,決策變量為汽輪機(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4=38000m2,凝汽器的總體傳熱系積流量q(因?yàn)檠h(huán)水量在其他因素一定的情況下決定著數(shù)K=35332W/(m2·K),所以凝汽器真空),有t=l+△+br=23+℃△P=max(△Pr-2△Pb)(13)≥3.進(jìn)一步得出0≤q≤12p=981×10-3+100146n=981×103×(12134301+o(981×10-3211.3.01kPa(14)上面兩個(gè)約束的意義分別為:凝汽器壓力(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m3s)低于定功率為600MW)的變化曲線。泵的容量,P和P的單位為kW加燕沒備《工業(yè)加熱》第37卷2008年第5期式中:H+l-H+-HZZTH+nL(18)P=-28p+1595-2960.8z2+14273.0p+5874133kW其中P=0(0-2294+421)kw:=V,L(r**)-V(x')3模型的求解=+(1-)20世紀(jì)80年代,對(duì)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(duì)一般約束問題最為有效。4仿真實(shí)驗(yàn)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,cM),它的主要思路是可以實(shí)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(duì)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=120000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(shí),把p,q代人,得出設(shè)非線性規(guī)劃問題為=8932%(>88.25%)(系統(tǒng)要求夏季工況時(shí)ηnf(X>8825%),Pb=59256945kW,耗電量占發(fā)電量的1.064%,g(X≤0,i=1,…,m(15)可見,耗電量維持在較低水平h(X)=0,j=1,…,n結(jié)語求解時(shí),每一步迭代應(yīng)確定下降方向p和決定該方向上的步長a。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(duì)實(shí)時(shí)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/(r)*+PHP*但是,在實(shí)時(shí)性要求很高的情況下如何優(yōu)化呢?如S8x)+Vg()≤0,1=1,…,m(16)何建立其在線優(yōu)化控制模型呢?有沒有同時(shí)滿足魯棒性小(x)+Vh(X)p=0,j=1,…,n和實(shí)時(shí)性的智能優(yōu)化算法呢?隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)其中:釅為 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,p)=f(X+∑g(X+∑(X模方法及智能優(yōu)化算法。下一步的研究方向有兩個(gè)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HESE矩陣。當(dāng)二次規(guī)劃子問題的最優(yōu)解=0時(shí),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(duì)應(yīng)的X即為原問題的最優(yōu)解X,同時(shí)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=X+agp,其中X,p已知。散優(yōu)化模型及其應(yīng)用U熱能動(dòng)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min(a)=f(x*+q)+∑咖max0,g(x*+qp4)}+傳算法求解[山東大學(xué)學(xué)報(bào):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∑對(duì)吶(>0;d>0;i=1,…,m;j=1,+,n北京:水利電力出版社,1990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=咄的研究[]華東電力,2004,32(4):1922.5]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)川=max,號(hào)時(shí)+(17)的節(jié)能分析U吉林電力,2006,34(3):3941.[6郭丙然.最優(yōu)化技術(shù)在電廠熱力工程中的應(yīng)用[M,杭州=max水利電力出版社,19967張慧生,王黨生.約束變尺度法應(yīng)用探討新疆工學(xué)院下一個(gè)迭代點(diǎn)x1上,由修正的變尺度法BFGS形成學(xué)報(bào),1994,15(4):249-253.H,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(bào):信息與管理工程版,2007,29(6):73-76