閥門開度可調的母管制循環水優化系統的建模

裘潯雋 (南京工程學院能源與動力工程學院，江蘇 南京 211167)

閥門開度可調的母管制循環水優化系統的建模

裘潯雋 (南京工程學院能源與動力工程學院，江蘇 南京 211167)

以某電站閥門開度可調的母管制循環水系統為研究對象，對系統的運行進行了優化：首先建立該電站優化目標方程，確定優化目標，然后根據優化方程的求解條件，建立了汽輪機的發電量模型和凝汽器的壓力模型，最后實現了母管制循環水系統運行方式的最優解。實際運行表明，通過母管制循環水優化系統的運用，可以有效降低機組運行成本，減少循環水泵電耗。

循環水系統；母管；運行優化

循環水系統是電廠與熱電廠的重要輔機系統之一，母管制循環水系統可以通過循環水泵的合理配比，減少循環水泵電耗，降低運行成本，在熱電廠、化工廠、鋼廠中有很多的使用。常見的母管制循環水系統中，循環水側以電控閥為主，閥門全開或為全關。對于沒有加裝調節閥的母管制循環水系統的討論已經很多，其優化算法從上世紀90年代已經開始討論[1-4]，其優化系統也逐漸成熟，在很多電廠及熱電廠已有廣泛使用，但如何利用好凝汽器側進口的循環水流量調節閥卻鮮有討論。下面，筆者對循環水側閥門開度可調的母管制循環水系統進行了討論，并研究其優化策略與系統構成?。

1 閥門開度可調的母管制循環水系統

圖1 母管制循環水系統示意圖

閥門開度可調的母管制循環水系統是指在凝汽器側循環水入口管道上安裝了調節閥的母管制循環水系統，如圖1所示。安裝調節閥的目的是通過改變調節閥的開度來改變進入凝汽器的循環水流量，從而使各個凝汽器中循環水的流量比例可以大幅度變化。該系統的優點是可以根據各個凝汽器中待冷卻蒸汽的流量來改變循環水流量的配比，最終實現循環水系統的優化運行。

2 母管制循環水優化系統的建模

循環水系統是發電機組的重要組成部分，用于提供循環水來冷卻凝汽器中的蒸汽。當循環水量增加時，從凝汽器中帶走的蒸汽熱量增加，凝汽器的壓力降低，從而使汽輪機的功率增加，循環水量的增加使循環水泵的電耗也相應增加。為了使機組的收益最大化，優化目標方程應為：

(1)

對于循環水系統來說，母管中多臺機組的總收益的最大化是通過改變循環水流量的分配來實現的。但是，熱負荷是用戶需求決定的，循環水流量變化只能改變汽輪機的發電量和循環水泵的電耗。汽輪機發電量的變化主要集中于蒸汽從抽汽口到凝汽器的發電量的變化，所以優化方程可以化簡為：

(2)

式中，S′表示循環水流量分配變化時功率變化增量與水泵耗電增量的差值;ΔNg表示抽汽口到凝汽器段做功功率的變化；ΔPpj為循環水泵耗電的變化。

式(2)即為在當前抽汽工況下，循環水流量分配變化時功率變化增量與水泵耗電增量的差值，當此差值最大即循環水系統的運行成本最低。為了求解此優化目標方程，需要對汽輪機的發電量、循環水流量與電耗量進行建模。

2.1汽輪機的電功率變化

抽汽式汽輪機的功率與很多因素相關，由于抽汽量由熱負荷決定，當抽汽量隨之變化后，抽汽口壓力也會隨之而變化。但循環水流量所影響到的功率的變化主要集中于背壓的變化對汽輪機發電量的變化。這個變化在這里主要通過試驗，用汽機真空變化通用曲線來求取。由此可知：

ΔNg=f(Pex,Gep)

(3)

其中，Pex、Gep分別為凝汽器的真空和主蒸汽的流量。

2.2凝汽器的壓力模型

凝汽器的壓力模型是指在循環水流量及進入凝汽器的蒸汽流量發生變化時凝汽器壓力的變化，是引入循環水流量的一個重要環節。凝汽器的物理結構相對簡單，可以采用機理建模的方法建立凝汽器的靜態模型。凝汽器的壓力與汽機的排汽流量、循環水流量及循環水的溫度相關。從凝汽器的物理原理可知，凝汽器中蒸汽的放熱量等于循環水的吸熱量，還等于凝汽器的傳熱量。由于是靜態模型，不需要考慮凝汽器儲熱和儲質的變化，則有以下模型：

循環水的吸熱量：

Q吸=Cs·G·(Tout-Tin)

(4)

凝汽器中蒸汽的放熱量：

Q放=D·Hq

(5)

凝汽器中的傳熱量：

(6)

循環水側平均溫度：

(7)

式中，D、G分別為蒸汽流量、循環水流量；Hq、Tbh分別為蒸汽的汽化潛熱、蒸汽的飽和溫度，都與凝汽器的壓力有關；Tout、Tin分別為循環水的出口和入口溫度，通過測量獲得；Cs、α、F分別為循環水的比熱、換熱系數、換熱面積。

2.3循環水流量模型

對于閥門開度可調的循環水系統，循環水流量模型由2個部分組成：泵并聯工作產生循環水和循環水在管道中的分配。為了簡化循環水總量的計算，認為調節閥開度的變化對管道阻力影響小，近似認為管道流動阻力不變，這樣管道的阻力方程恒定，就可以通過泵并聯后工作點與阻力方程的交點來確定循環水的總流量。這樣對于有限的泵來說，循環水流量的組合有限。同時，由于凝汽器側閥門開度都可調，所以認為總循環水流量可以按照任何比例在各管道間進行分配,這樣就建立循環水流量的模型。故循環水流量：

G=F(K1,K2,…,Kn)

(8)

式中，K1,K2,…,Kn為第1，2，…，n臺循環水泵的開閉狀態。

3 閥門開度可調的循環水系統目標方程的求解

圖2 閥門開度可調的母管制循環水系統優化框圖

對于閥門開度可調的循環水系統，優化目標值不但與循環水泵的組合相關，還與循環水總流量在各管路的分配比例相關。需要求出對于循環水泵的不同組合下，各凝汽器循環水流量的最佳分配，并比較各最佳分配下機組的最大產出，從而實現此優化目標方程的求解。

對于循環水流量在各凝汽器中的分配可以采用等微增原理。等微增原理常常用于電力負荷的分配問題中，是指汽輪機組具有能耗微增率隨其負荷增加而增加的特性時，其并列運行最經濟負荷分配應按能量消耗微增率相等原則來達到，即按照等微增原理進行負荷經濟分配。實際上這是一個用拉格朗日法求解有約束的非線性規則的最優化問題。對于循環水流量的分配，如果各循環水系統的目標方程微增率相等時的解即為循環水流量的最佳分配點。對目標方程的求解步驟如圖2所示。

對于閥門開度可調的母管制循環水系統，首先，輸入主蒸汽的溫度、壓力與流量、循環水溫度的實際值、抽汽的流量與壓力的給定值等數值；其次，依序選擇泵的組合，計算出總循環水流量和泵電耗，按比例計算分配到各凝汽器的循環水流量并設置各凝汽器中循環水流量的初值；再次，計算出各汽機優化目標值與循環水流量的微增值，若各微增值不等，則根據微增值來重新調整循環水的分配，直至最后微增值相等或循環到一定次數；最后，計算總目標值。則目標值中數值最大時泵的組合就是最佳泵組，此時的循環水分配為最佳循環水分配方案。

[1]朱鵬. 汽輪機凝汽器最佳運行工況實時分析技術的研究[D].南京：東南大學，2003.

[2]程懋華，陳亞平.母管制循環水系統數學模型及其求解方法的研究[J].熱力發電，2003，32(5)：13-15.

[3]程懋華，高斖，石江陵.母管制循環水系統經濟運行研究[J].汽輪機技術，2001，43(3)：156-159.

[4]馮亮.循環水母管制運行的經濟性分析[J].華電技術，2008，30(7)：46-48.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409.2012.01.043

TM621

A

1673-1409(2012)01-N134-03