考慮多影響因素的全廠(chǎng)機(jī)組間熱電負(fù)荷動(dòng)態(tài)優(yōu)化分配方法研究

葉 青,萬(wàn) 杰,居國(guó)騰,趙佳駿,沈偉軍,姚 坤

(1.浙江浙能紹興濱海熱電有限責(zé)任公司，浙江 紹興 312073; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程博士后流動(dòng)站，黑龍江 哈爾濱 150001;3.香港大學(xué) 電機(jī)與電子工程系,香港 999077; 4.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州 310052)

當(dāng)前，由于城市集中供熱系統(tǒng)的迅速發(fā)展和熱電聯(lián)產(chǎn)較高的能源轉(zhuǎn)換效率，抽汽機(jī)組得到了大力的發(fā)展。然而，大規(guī)模風(fēng)電和光伏等新能源的并網(wǎng)發(fā)電導(dǎo)致大電網(wǎng)的安全高效運(yùn)行面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)；因此，越來(lái)越多的大功率抽汽機(jī)組也不得不進(jìn)行快速深度變負(fù)荷運(yùn)行[1-2]。所以，整個(gè)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性存在一定的優(yōu)化空間。對(duì)于確定的熱電負(fù)荷，如何根據(jù)機(jī)組的類(lèi)型以及機(jī)組效率的差異，在各機(jī)組間進(jìn)行熱電負(fù)荷的分配，使整體熱耗率最低、經(jīng)濟(jì)效益最好，是電廠(chǎng)生產(chǎn)運(yùn)行中面臨的問(wèn)題[3-4]?，F(xiàn)已公開(kāi)的熱電負(fù)荷分配優(yōu)化手段有多種。文獻(xiàn)[5]以標(biāo)準(zhǔn)煤耗量最小為目標(biāo)函數(shù)，采用窮舉法和粒子群優(yōu)化算法，分別實(shí)現(xiàn)了區(qū)域內(nèi)總電負(fù)荷分配給不同熱電廠(chǎng)和熱電廠(chǎng)內(nèi)的雙層熱電負(fù)荷優(yōu)化分配。文獻(xiàn)[6]建立了基于供熱量平衡的負(fù)荷優(yōu)化分配模型和基于不同燃料價(jià)、電價(jià)的負(fù)荷優(yōu)化分配模型，并在廠(chǎng)內(nèi)SIS系統(tǒng)上進(jìn)行在線(xiàn)系統(tǒng)建設(shè)實(shí)施。文獻(xiàn)[7]建立了由熱電、風(fēng)電、光伏發(fā)電組成虛擬電廠(chǎng)的熱電負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度模型，對(duì)比了不同的虛擬電廠(chǎng)運(yùn)行策略，并采用自適應(yīng)免疫遺傳算法進(jìn)行熱電負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度求解。文獻(xiàn)[8]指出考慮儲(chǔ)熱的風(fēng)電-熱電機(jī)組聯(lián)合優(yōu)化所獲得的收益高于風(fēng)電場(chǎng)和熱電機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行獲得的總收益，并且可在現(xiàn)行“以熱定電”運(yùn)行機(jī)制下提高風(fēng)電的消納能力。文獻(xiàn)[9]提出了熱電廠(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益系數(shù)的概念，這種以單位燃料消耗量產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值來(lái)考核熱電廠(chǎng)能量利用效率的計(jì)算模型，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法以能量數(shù)量和品質(zhì)分析熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組成本分?jǐn)偡椒ǖ牟蛔恪４送?，許多研究人員在優(yōu)化算法層面也做了大量探索研究，包括粒子群法、改進(jìn)遺傳算法以及M5算法等[10-12]。國(guó)外很早就進(jìn)行過(guò)此方面研究，然而由于國(guó)外能源結(jié)構(gòu)的特殊性，對(duì)于火電機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行優(yōu)化的研究較少；尤其是涉及工業(yè)抽汽的優(yōu)化分配方法，目前的研究成果主要都集中在國(guó)內(nèi)電力行業(yè)[13-15]。然而，對(duì)于配置4臺(tái)50 MW背壓機(jī)組和2臺(tái)330 MW亞臨界純凝機(jī)組的熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電企業(yè)，并且存在母管制和單元制等不同運(yùn)行方式的機(jī)組間熱電負(fù)荷分配優(yōu)化相關(guān)案例，還未見(jiàn)相關(guān)權(quán)威文獻(xiàn)詳細(xì)介紹。因此，本文的研究成果具有一定的實(shí)際工程意義。

針對(duì)上述現(xiàn)狀，本文基于先驗(yàn)知識(shí)及實(shí)際海量運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)組熱耗率進(jìn)行準(zhǔn)確修正，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)組熱耗率的精確計(jì)算；在此基礎(chǔ)上，利用改進(jìn)遺傳算法實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的熱電負(fù)荷動(dòng)態(tài)分配實(shí)時(shí)計(jì)算。最終，利用廠(chǎng)內(nèi)PI數(shù)據(jù)庫(kù)資源，建立了可用于全廠(chǎng)機(jī)組實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及決策支持系統(tǒng)。

1 實(shí)際需求分析及優(yōu)化策略設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)際需求分析

濱海熱電一期規(guī)模為2×300 MW燃煤抽汽供熱發(fā)電機(jī)組(鍋爐容量2×1 025 t/h)，額定設(shè)計(jì)供熱能力為360 t/h，單臺(tái)機(jī)組最大供熱能力為410 t/h。隨著印染企業(yè)、化工企業(yè)等用熱大戶(hù)集聚勢(shì)頭迅猛，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)蒸汽的需求越來(lái)越大。調(diào)整后的熱力規(guī)劃使濱海熱電廠(chǎng)供熱范圍內(nèi)的熱負(fù)荷急劇增加，預(yù)測(cè)濱海工業(yè)區(qū)三期區(qū)塊，規(guī)劃平均熱負(fù)荷將達(dá)到1 687 t/h，為了滿(mǎn)足用熱大戶(hù)的供熱需求，濱海熱電二期規(guī)模為4×50 MW背壓機(jī)組將于2017年投產(chǎn)運(yùn)行。

廠(chǎng)內(nèi)二期機(jī)組投產(chǎn)后需要首先保證背壓機(jī)組的供熱量，所以需要一期2×300 MW機(jī)組針對(duì)二期機(jī)組的復(fù)雜變工況運(yùn)行進(jìn)行調(diào)峰，在這種情況下廠(chǎng)級(jí)熱電負(fù)荷分配對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響較大，需研究設(shè)計(jì)合理的運(yùn)行模式，指導(dǎo)熱電負(fù)荷分配經(jīng)濟(jì)運(yùn)行意義重大。并且，電廠(chǎng)供熱抽汽機(jī)組間電負(fù)荷及熱負(fù)荷進(jìn)行分配優(yōu)化時(shí)，影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的是供熱抽汽量和用于發(fā)電用的蒸汽量，通過(guò)全廠(chǎng)機(jī)組熱電負(fù)荷分配及優(yōu)化運(yùn)行的控制研究，確保全廠(chǎng)機(jī)組都能夠在熱電負(fù)荷分配優(yōu)化指導(dǎo)系統(tǒng)上進(jìn)行長(zhǎng)期安全高效變負(fù)荷運(yùn)行。

1.2 優(yōu)化策略設(shè)計(jì)

基于上述實(shí)際需求，本文研究并開(kāi)發(fā)了多因素影響下的熱電負(fù)荷分配優(yōu)化決策支持系統(tǒng)：

(1)通過(guò)供熱抽汽機(jī)組的變工況理論計(jì)算，得到機(jī)組不同主蒸汽流量以及不同電負(fù)荷和熱負(fù)荷分配時(shí)的機(jī)組熱耗值關(guān)系曲線(xiàn)的結(jié)構(gòu)和形式。

(2)在對(duì)曲線(xiàn)結(jié)構(gòu)和形式一無(wú)所知的情況下，為了確定曲線(xiàn)，需要通過(guò)大量組合才能得到曲線(xiàn)。而基于先驗(yàn)知識(shí)可以減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)。最終，通過(guò)開(kāi)展合理的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，便可以得到機(jī)組熱耗率曲線(xiàn)。

(3)利用機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)根據(jù)曲線(xiàn)確定機(jī)組實(shí)際熱耗率，并根據(jù)相關(guān)對(duì)熱耗率影響較大的參數(shù)變化對(duì)熱耗率進(jìn)行準(zhǔn)確修正以獲取機(jī)組準(zhǔn)確熱耗率值。

(4)基于遺傳算法，根據(jù)給定的全廠(chǎng)熱電負(fù)荷總量和最大最小抽汽等約束，結(jié)合機(jī)組相關(guān)耗差曲線(xiàn)，通過(guò)使整個(gè)電廠(chǎng)的熱耗值最小，便可實(shí)現(xiàn)供熱抽汽機(jī)組間電負(fù)荷和熱負(fù)荷的分配優(yōu)化。

(5)利用廠(chǎng)內(nèi)PI數(shù)據(jù)庫(kù)資源，建立全廠(chǎng)熱電負(fù)荷分配優(yōu)化的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及決策支持系統(tǒng)。

2 基于改進(jìn)遺傳算法的分配優(yōu)化

2.1 改進(jìn)遺傳算法

遺傳算法由于其可快速得到問(wèn)題的優(yōu)化解，是一種被廣泛應(yīng)用于各種優(yōu)化問(wèn)題求解的成熟方法。如圖1所示，為算法基本流程圖。

圖1 遺傳算法基本流程圖[11]

以?xún)?yōu)化后四臺(tái)機(jī)組的加權(quán)平均熱耗最小為目標(biāo)函數(shù)，最終所建立的熱電負(fù)荷分配的數(shù)學(xué)模型如式(1)

(1)

2.2 基于先驗(yàn)知識(shí)的耗差修正策略

在對(duì)機(jī)組的實(shí)際熱耗率進(jìn)行計(jì)算時(shí)，是利用機(jī)組制造商給出的耗差修正曲線(xiàn)進(jìn)行修正的，但是耗差修正曲線(xiàn)存在著明顯的局限性。首先,耗差修正曲線(xiàn)是基于額定工況進(jìn)行計(jì)算的，但是機(jī)組是處于不斷變負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中，不能僅僅用額定工況參數(shù)對(duì)其進(jìn)行修正；其次，耗差修正曲線(xiàn)是基于小偏差線(xiàn)性化的思想得到的；然而，由于汽輪機(jī)為強(qiáng)非線(xiàn)性系統(tǒng)，在小范圍內(nèi)進(jìn)行修正可以，但是一旦機(jī)組某些參數(shù)發(fā)生較大范圍的改變，該方法會(huì)存在較為明顯的誤差。

機(jī)組各典型工況下的熱力學(xué)數(shù)據(jù)(各典型工況包括50%、60%、70%、80%、90%、100%額定負(fù)荷下機(jī)組相關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù))，利用這些熱力學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)組進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型建立，在建立中充分考慮模型的非線(xiàn)性特性及動(dòng)態(tài)特性。采集機(jī)組相關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)，即各個(gè)溫度、壓力、流量測(cè)點(diǎn)的全部參數(shù)，基于汽輪機(jī)通流部分特性、表面式回?zé)崞魈匦?、除氧器特性、給水泵特性等理論知識(shí)，通過(guò)模型辨識(shí)方法辨識(shí)相關(guān)性能參數(shù)，建立上述設(shè)備精確數(shù)學(xué)模型；并將機(jī)組通流部分、回?zé)崞鳌⒔o水泵等模型，根據(jù)案例機(jī)組的基本熱力循環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拼接，組成完整模型。如圖2所示，為表面式回?zé)釗Q熱器的基本模型示意圖。通過(guò)迭代計(jì)算，可以求得滿(mǎn)足平衡式的兩個(gè)參數(shù)的解，從而求得回?zé)崞鬟M(jìn)口處水溫，具體操作流程參見(jiàn)圖3。

圖2 表面式回?zé)釗Q熱器的基本模型示意圖

其中，當(dāng)通流部分結(jié)構(gòu)尺寸都不變時(shí)，級(jí)組(任意的若干蒸汽流量近似相等的串聯(lián)級(jí))前、后的蒸汽參數(shù)與其流量有如下關(guān)系

(2)

此外，按照ASME PTC6-1996及ASME PTC6-1982的方法計(jì)算實(shí)際熱耗率。

圖3 回?zé)崞鬟M(jìn)口處水溫的計(jì)算方法流程圖

3 實(shí)際決策支持應(yīng)用平臺(tái)建設(shè)

3.1 數(shù)據(jù)通訊及傳輸設(shè)計(jì)

由于濱海電廠(chǎng)的PI數(shù)據(jù)庫(kù)提供了OPC Service，所以采取OPC的方式連接。如圖4所示，為本文的數(shù)據(jù)平臺(tái)通訊策略。

圖4 多元PI數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)通訊策略

計(jì)劃在現(xiàn)場(chǎng)放置一臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器，在數(shù)據(jù)服務(wù)器上發(fā)布OPC Client(OPC Client角色定位為master，只是向OPC Service服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求命令，執(zhí)行動(dòng)作為只發(fā)出命令，從不執(zhí)行命令)客戶(hù)端程序， OPC Client以5 s為一周期向OPC Service請(qǐng)求數(shù)據(jù)，OPC Service根據(jù)OPC Client的請(qǐng)求進(jìn)行回應(yīng)，最后OPC Client把回應(yīng)的數(shù)據(jù)保存到mongo非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中。

數(shù)據(jù)采集接口程序主要應(yīng)用OPC數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)規(guī)范。OPC數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)規(guī)范主要解決服務(wù)器端和客戶(hù)端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存取問(wèn)題，OPC數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)規(guī)范中包含三類(lèi)對(duì)象，即服務(wù)器(Server)群組(Group)和數(shù)據(jù)項(xiàng)目(Item)，三類(lèi)對(duì)象的組織結(jié)構(gòu)像普通文件系統(tǒng)，其中服務(wù)器與分區(qū)、群組與文件夾、項(xiàng)目與文件一一對(duì)應(yīng)，各個(gè)部分都有自己的屬性，同時(shí)負(fù)責(zé)管理其底層分支。接口程序主要通過(guò)以下幾個(gè)主要環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)：搜索OPC服務(wù)器、連接OPC服務(wù)器、創(chuàng)建一個(gè)OPC的群組(Group)、設(shè)置OPC群組(group)的通訊方式、添加一個(gè)OPC項(xiàng)目(Item)、讀取數(shù)據(jù)。

3.2 實(shí)際系統(tǒng)及應(yīng)用效果分析

本系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)(Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器模式)，支持的瀏覽器為火狐、谷歌以及IE11以上。在瀏覽器上方輸入服務(wù)器地址。打開(kāi)系統(tǒng)登陸頁(yè)面，即可登入系統(tǒng)。如圖5所示，為系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行關(guān)鍵功能界面展示。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行關(guān)鍵功能界面展示

利用本系統(tǒng)指導(dǎo)機(jī)組運(yùn)行，相對(duì)機(jī)組原有運(yùn)行策略(背壓機(jī)的熱電負(fù)荷全部開(kāi)滿(mǎn)至最大，剩余熱電負(fù)荷兩臺(tái)300 MW機(jī)組平均分配)，可以進(jìn)一步改善全廠(chǎng)機(jī)組的安全高效環(huán)保變負(fù)荷運(yùn)行性能，最終，經(jīng)過(guò)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，優(yōu)化后的全廠(chǎng)平均可降低1 g/kWh的煤耗，按照機(jī)組年利用5 500 h、600元/t標(biāo)煤來(lái)計(jì)算，該項(xiàng)目可實(shí)現(xiàn)節(jié)省4 125 t，年節(jié)約250萬(wàn)元，二氧化碳排放年減少約1萬(wàn)t，氮氧化物年減少約30 t，二氧化硫年減少約35 t。因此，具有良好的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益。

未來(lái)，由于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的綜合優(yōu)勢(shì)明顯，許多電廠(chǎng)都會(huì)盡可能讓多臺(tái)機(jī)組進(jìn)行不同形式的熱電聯(lián)產(chǎn)[16-18]，機(jī)組間的熱電負(fù)荷分配優(yōu)化問(wèn)題將會(huì)更加凸出，后續(xù)還需要在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論及展望

本文針對(duì)多臺(tái)50 MW背壓機(jī)組和兩臺(tái)330 MW亞臨界機(jī)組的特有熱電聯(lián)產(chǎn)配置，在母管制和單元制多組合運(yùn)行方式的條件下，提出了一種考慮多影響因素的熱電負(fù)荷動(dòng)態(tài)優(yōu)化分配方法，得到的結(jié)論如下：

(1)基于出廠(chǎng)設(shè)計(jì)耗差修正曲線(xiàn)，利用實(shí)際運(yùn)行大數(shù)據(jù)及先驗(yàn)知識(shí)獲取了機(jī)組實(shí)際耗差曲線(xiàn)函數(shù)集；

(2)利用各工況下的耗差曲線(xiàn)和熱耗曲線(xiàn)，獲取機(jī)組全工況下的耗差曲線(xiàn)函數(shù)集；

(3)選取傳統(tǒng)熱耗率作為優(yōu)化指標(biāo)，通過(guò)改進(jìn)遺傳算法實(shí)現(xiàn)了熱電負(fù)荷分配的動(dòng)態(tài)優(yōu)化計(jì)算；

(4)利用廠(chǎng)內(nèi)PI數(shù)據(jù)庫(kù)，建立了可用于全廠(chǎng)機(jī)組實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及決策支持系統(tǒng)；

(5)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算分析顯示：優(yōu)化后全廠(chǎng)可降低發(fā)電煤耗1 g/kWh，二氧化碳排放年減少1.09億t，氮氧化物年減少30.525 t，二氧化硫年減少35.062 5 t，具有良好的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益。

因此，本文對(duì)提高熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組大范圍變工況運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性具有非常重要的意義。