联合循环机组变工况优化运行的可行性研究模板.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。
300MW联合循环机组变工况优化运行的可行性研究
　　山阎保康1, 丁乙2, 徐育斌2, 陈坚红3, 李立军1
( 1．浙江省电力试验研究所, 浙江杭州310014; 2．温州燃机发电有限公司,
浙江温州325000; 3．浙江大学, 浙江杭州310007)

摘要: 针对300MW( 3×100MW) 燃气—蒸汽联合循环机组变工况运行的经济性问题, 提出了对其进行优化运行的可行性研究思路、 策略、 步骤、 内容及其有关的技术要求。经过试验、 分析、 研究得出机组负荷的最优化组合, 提出先进的控制策略并开发一套优化运行软件, 对机组AGC的投入提供更全面的软、 硬件支持, 以实现灵活、 可靠、 高效地对机组变工况负荷进行最佳分配。
关键词: 300MW联合循环; 变工况; 优化运行; 可行性; 研究

　随着国家能源政策的调整和电网用电结构的变化, 燃气轮机及其联合循环机组在中国得到了长足的发展, 而且随着国家西气东输、 东海油气田的开发以及国外燃气轮机的引进, 中国将兴建大批大容量、 高水平的燃气－蒸汽联合循环机组, 这些机组在承担电网基本负荷的同时更具有参与电网调峰的优势。浙江省在20世纪末相继建成了镇海、 龙湾、 金华等一批燃气轮机联合循环电站。当前国内联合循环机组主要承担着电网调峰作用, 其变工况运行方式及其经济性急需研究掌握, 本文着重对300MW燃气－蒸汽联合循环机组变工况优化运行的可行性进行研究。

1问题的提出及研究思路
300MW燃气－蒸汽联合循环是由2台燃气轮发电机组和1台汽轮发电机组( 即2＋1配置) , 各机组的运行相互存在着密切的联系, 且燃气轮机和汽轮机有着各自的技术特性。作为电网调峰机组需经常启停和变工况运行, 由于当前整套联合循环机组的变工况运行方式和热力性能尚无成熟经验和技术依据, 因此在变工况运行时就得不到合理的运行方式, 其经济性就得不到保证。当前整套机组变工况运行时仅采用3台机组负荷平均分配的方式, 由人工对2台燃气轮机进行负荷预选, 未考虑机组运行经济性。
　　为充分发挥各机组的技术特长, 寻求以最小的燃料输入获得最佳的经济效益, 对整套机组的低负荷变工况运行方式进行优化, 经过试验、 分析、 研究得出负荷的最优化组合, 提出先进的控制策略并开发一套优化运行软件, 对机组AGC的投入提供更全面的软、 硬件支持, 以实现灵活、 可靠、 高效地对机组变工况负荷进行最佳分配。
2研究的现有工作基础和条件
( 1) 整套燃气－蒸汽联合循环机组各主设备( 包括燃气轮机、 余热锅炉、 汽轮机、 发电机等) 技术先进, 自动化程度高, 热力系统完善, 现有参数测量较为全面, 仪表精度等级高, 因此本课题对机组设备的改动及投资很少。
　　( 2) 具备了能满足机组热力性能试验要求的测试设备, 并已有规范的试验标准, 试验方法及计算方式。
　　( 3) 具有较详尽的机组设备运行和控制系统的技术资料, 经过几年的生产实践积累了一定的运行经验并掌握了机组在不同方式下的大量运行资料和数据。
　　( 4) 有一支长期从事汽轮机组、 燃气轮机组、 仪控等专业的技术人员, 她们具有较高的理论水平和较丰富的实践经验, 熟悉300MW燃气－蒸汽联合循环发电机组的设备性能和运行技术, 而且掌握机组单循环及联合循环运行的热力性能试验及计算方法, 并具有一定的控制技术和计算机编程知识水平。
3研究步骤及研究内容
3．1资料收集及调研
　　燃气轮机、 余热锅炉及汽轮机变工况运行特性资料; 燃气轮机、 余热锅炉及汽轮机组运行启停资料; 燃料特性, 包括燃料组成、 密度、 发热量等;
控制系统( 包括DCS和MARKV) 以及AGC资料, 主要为应用程序接口、 数据库接口等; 软件开发运行环境资料, 包括硬件和软件环境等。
3．2建立数学模型
3．2．1建模的必要性
　　随着科技的迅速发展, 特别是计算机技术的迅速发展, 应用计算机对实际系统进行模拟分析、 优化设计, 已成为人们解决实际问题的一个重要手段。它包括分析研究对象、 建立数学模型、 编制和校验计算机程序、 输入原始数据计算以及用计算结果对研究对象进行评估与综合优化等内容。其中数学模型的建立及其程序实现是课题的基础和关键所在。
　　由于联合循环机组部件较多, 牵涉的关系错综复杂, 因而对其进行负荷优化分配时, 必须建立详尽的数学模型。
3．2．2联合循环机组运行特性的数学模型　　GTCC电站的静特性是燃气轮机、 余热锅炉和汽轮机这三大部分的综合特性, 是指机组并网发电并在稳定工况下运行, 也就是3个部件相互关联平衡运行时的装置总体性能。为了获得稳定工况下机组的性能, 必须分别提供燃气轮机、 余热锅炉和汽轮机的变工况的曲线。3．2．2．1主设备模型
　　( 1) 燃气轮机模型: 燃气轮机工况由大气温度T＊a, 大气压力p＊a和燃气轮机输出的电功率Neg决定。
燃油耗量Gf＝f( Neg, T＊a, p＊a) ;
排烟温度T＊4＝f( Neg, T＊a, p＊a) ;
排烟流量Gg＝f( Neg, T＊a, p＊a) 。
　　由于燃气轮机在实际运行中是按照温控线来增减负荷的, 压气机进口可调导叶( IGV) 的安装角变化规律由控制系统控制, 故在变工况计算中无需顾及IGV安装角的变化, 从而简化了计算过程。
　　( 2) 余热锅炉模型: 余热锅炉工况主要取决于燃气轮机排烟温度T＊4, 排烟流量Gg和过热蒸汽的压力ps( 考虑滑压运行) 。
蒸汽量Ds＝f( Gg, T＊4, ps) ;
主汽温度ts＝f( Gg, T＊4, ps) ;
　　( 3) 蒸汽轮机模型: 汽轮机工况主要由余热锅炉蒸汽出口参数( Ds, ts, Ps) 决定。
　　蒸汽轮机电功率Nes＝f( Ds, ts, Ps) 。
3．2．2．2建模方法
建立机组模型有两种方法:
　　( 1) 基于部件特性建模。基于机组部件特性的热力模型能够在相当程度上反映机组的实际运行状况。能够有两种方法获得部件特性, 即经过试验或计算的方法。前者虽然具有准确度高的优点, 但完整试验的耗费很高; 应用计算方法求得各部件特性, 必须知道较详细的机组的几何参数, 而这又是制造厂家不提供的。如果在某些假设条件下得出各个部件参数间的一些经验关系式, 虽也能进行机组变工况计算, 但计算误差较大。尽管如此, 上述两种方法的分析思路可用于建模或运行分析时的指导。
　　( 2) 基于制造厂提供的特性曲线及修正曲线建模。由于制造厂家提供了燃气轮机、 余热锅炉和蒸汽轮机的变工况特性曲线, 能够利用这些特性曲线建立变工况模型。根据特性曲线拟合出曲线的数学表示式, 然后就能够利用这些公式来计算联合循环变工况性能。这样建立起来的模型仅仅是同型号机组的平均特性, 故而不能反映每台特定机组在制造、 安装、 调试和维护中所产生的差异, 而这类差异对总体性能的影响是不可忽略的, 因此需要进行一系列的试验来校核模型的精确性。
3．2．2．3工质建模
　　为了方便计算, 建立燃气、 蒸汽的热物性数学模型, 编制了热力性质计算程序。
　　对于由2台燃气轮机、 2台余热锅炉和1台蒸汽轮机所组成的联合循环电站, 即所谓的2＋1多轴布置的联合循环电站来说, 一般有各种不同的组合运行方式, 根据联合循环三大部件变工况计算模型, 就能够计算联合循环电站在不同运行方式下的经济性能。
3．3优化方法的确定
　　计算出机组各种组合方式下的性能以后, 就能够对整台机组进行负荷优化分配了。在传统的负荷经济分配中, 主要采用拉格朗日函数法进行运算, 而拉格朗日函数法要求目标函数单调递增。实际的机组耗量特性函数往往不具有单调递增的特性, 而是一条具有波动形式的曲线如图1。

　　图1中所示的耗量特性曲线用拉格朗日函数解是困难的, 一般将其简化成二次曲线的形式。然而这种简化会引起计算精度的降低。由此发展出了新的算法, 如遗传算法。将遗传算法应用于电力系统经济调度的计算问题, 从而避免了传统的拉格朗日函数法由于对目标函数的简化而引起的计算精度的降低。
遗传算法完全区别于传统的优化方法, 它是模拟自然界生物进化过程中的”优胜劣汰, 适者生存”的生物进化机制。并模拟人类的优生学原理, 利用随机信息交换思想, 使子代不断向着优化方向发展, 直到满足终止条件。由于遗传算子充分利用了上一代性能信息, 因此可使优化程度提高, 同时它算法简单, 收敛速度快, 计算时间仅与规模成正比。能够得到全局最优解或近似最优解。它是一种随机概率智能优化方法。遗传算法的另一大优点是它对优化对象无特殊要求, 它只要求目标函数是可求的, 对函数的连续性及可微性均无要求。当前国外已开始用遗传算法解决组合优化问题。因此, 本项目采用遗传算法作为优化算法。
　　以运行油耗最省为优化目标, 建立机组组合最基本的优化模型。即只以发电油耗作为目标函数, 而不考虑机组参与调峰运行时, 转子的疲劳寿命损耗、 启停过程的能量损失以及点火助燃用油量诸因素。也没有考虑其它约束条件, 如备用约束、 机组出力上下限约束、 发电机组功率响应约束及发电机组启停约束等。
　　以效益作为优化目标, 建立考虑实际运行条件的机组组合最优化模型。考虑机组运行经济性、 安全性、 外界环境的变化以及机组自身的技术约束条件等要求, 研究联合循环机组运行的最佳匹配方式和机组开停机时间的最优化分配, 建立适用于遗传算法的机组组合数学模型。而且根据启动过程带来的额外损耗, 建立加入电力市场预测负荷和其它约束条件的负荷优化模型。
3．4数据挖掘
　　联合循环的控制系统, 包括DCS、 MARKV和AGC等, 拥有较完善的处理联合循环电厂各种日常业务的数据库系统。在长期的运行过程中, 数据库系统积累了海量的涵盖联合循环机组能量转换过程的数据, 数据挖掘应用于本研究有两方面作用。　
　( 1) 根据运行的历史数据进行分析挖掘, 能够得出对象的运行特性及参数变化的规律。数据挖掘技术不受对象模型和复杂度的限制, 它更多地从数据角度来考察系统, 利用简约和特征提取技术生成对象的简洁描述。
　　( 2) 对上述模型进行验证或修正, 使模型更完备。
3．5现场试验及数据处理
在充分利用机组在不同方式下的大量技术资料和运行数据对项目建立数学模型, 为了能够具体反映机组的真实性, 还需要对机组进行一些必要的现场试验, 以校核和修正所建的数学模型。其试验目的如下。
　　( 1) 求取机组的运行特性及主要参数对经济性的影响。
　　( 2) 对燃气轮机、 余热锅炉、 蒸汽轮机的模型参数进行校核和修正。
( 3) 掌握机组主要设备的老化程度和规律。根据数学建模需要, 拟进行的试验内容为: 　
　( 1) 燃气轮机的简单循环试验: 试验负荷点可为100％、 75％、 40％额定负荷。
　　( 2) 联合循环试验: 试验负荷点可为100％、 75％、 40％额定负荷。
4软件的研究与开发
分析INFI－90和MARKV控制系统的特点, 根据所建立的数学模型, 提出软件开发的实施方案, 进行软件编写开发。在进行过程中凡涉及到INFI－90和MARKV控制系统的问题, 与系统供货商协调联系。
4．1软件运行环境
　　方案1使本软件系统嵌入到INFI－90DCS中, 与原控制系统进行无缝结合。方案2增加1台工业控制计算机及必要的设备与INFI－90、 RTU连接, 为了保证软件的可靠运行, 采用Windows Server为操作系统, 以Microsoftvisualstudio6．0为开发环境, 同时采用其它一些必要的支撑软件。如果条件许可, 宜采用方案1。
4．2软件开发的方法
　　采用面向对象的开发方法。面向对象的软件开发方法是一种以对象为中心的方法, 它提供了多种机制来模拟现实世界中客观事物间的联系, 一般认为, 抽象数据类型、 继承和多态是面向对象方法的基本特征。它的优势在于按照人而不是计算机的思维方式进行系统分析和程序设计, 提高软件的重用性和扩充能力。
4．3本系统在电厂运行中的地位
　　经过接收调度负荷命令, 根据已建立的最优化负荷分析模型, 完成对各机组的实际负荷分析和协调。
4．4软件达到的指标
　　自动发电控制( AGC) 是由自动装置或计算机程序对频率和有功功率经二次调整实现的。电网的各种信息( 如频率、 发电机组的实发功率、 联络线的交换功率等) 经过SCADA系统经过上行通道传送到调度中心, 然后根据AGC的计算机软件功能形成对各发电厂( 或发电机组) 的AGC指令, 经过下行通道传送到各调频发电厂( 或发电机组) 。因此在燃机联合循环电站可经过RTU接收到的AGC指令也是实时的调度指令。根据软件完成的功能, 特分别研制开发两个软件包:
　　( 1) 嵌入到INFI－90DCS中的软件包: 完成接收调度经过RTU下达的实时AGC指令, 根据数学模型进行最优负荷分配。
　　( 2) 运行于PC中的离线软件包: 完成根据给定的预测负荷( 由前一天给出) 和机组环境情况安排联合循环机组运行的最佳匹配方式和开停机时间的最优化安排, 并在CRT上显示。
5软件测试及现场调试
5．1实验室模拟测试
5．1．1测试目的
　　在软件开发完成以后, 要对软件进行测试。软件测试是保证软件质量的关键, 它是对数学建模、 程序设计编码的综合复审。在测试阶段, 测试人员应千方百计地寻找软件中的错误, 即进行软件”破坏性”的活动, 意在发现错误、 改正错误, 把更多的错误消灭在软件使用之前, 使软件具有更高的质量。
5．1．2测试方法
对本软件可进行两种测试:
　　( 1) 白盒测试, 根据数学模型、 软件的结构及运行方式设计各种测试路径, 测试它的内部活动是否达到设计要求, 即着眼于数学模型、 程序内部结构和处理过程。
　　( 2) 黑盒测试, 设计各种类型的输入模式和显影的输出结果, 看软件是否能正确接收输入, 满足功能要求, 输出正确的结果。即着眼于软件输入、 输出接口进行测试。
5．2现场调试
5．2．1模拟接入
系统接入方法: 方案1把设计好并经过实验室模拟测试的软件嵌入到INFI－90的DCS计算机中。方案2在RTU和DCS之间加装一台以Win－dows Server为操作系统的工业控制计算机, 分别与RTU和DCS连接, 在加装的计算机上运行软件, 进行负荷最优分配; 同时接收调度的AGC负荷, 向DCS输出分配负荷。
5．2．2现场测试
　　( 1) 在线开环测试。在系统闭环运行前, 进行在线开环测试。系统根据中调AGC负荷, 经过优化分配, 在屏幕上给出结果, 由操作人员手工进行负荷分配操作。待系统稳定可靠运行, 则进行在线闭环测试。
　　( 2) 在线闭环测试。系统接入进行在线闭环测试, 同时操作人员可根据需要随时切除系统, 改为手工分析, 以保证可靠性。待系统的确运行可靠无误时, 投入正常运行。建立数学模型和优化准则, 确定可控参数。实施变工况优化运行优化将充分发挥各机组的技术特长, 寻求以最小的燃料输入获得最佳的经济效益。项目的整个研究过程将以科学合理的方式进行, 有关程序将以标准的、 模块化的思想进行编制, 以使本项目具有很强的可移植性, 对其它联合循环发电机组仅需要经过一些必要的试验就可直接使用本项目的大部分研究成果, 具有很强的推广意义。同时, 电力调度部门要根据燃气－蒸汽联合循环机组的技术特性应对整套机组的负荷进行调度, 避免对其每一台机组都直接进行调度, 以实现整套联合循环机组的变工况运行的最佳经济性。
参考文献: ［1］阎保康．PG9171E型燃气轮机组运行特性的技术优化［J］．浙江电力, 1998, 17( 2) : 1－4．
［2］焦树建．论联合循环机组中单压余热锅炉特性与汽轮机特性的优化匹配［J］．燃气轮机发电技术, , ( 1) : 24-30.