基于遺傳算法的垃圾焚燒發電熱力系統優化

季 輝，王 婕，劉 浩

（中國城市建設研究院有限公司，北京 100120）

基于遺傳算法的垃圾焚燒發電熱力系統優化

季 輝，王 婕，劉 浩

（中國城市建設研究院有限公司，北京 100120）

隨著分布式發電、太陽能及垃圾焚燒電廠的推廣，小機組有了更大的發展空間，因此對小機組的優化有著重大的意義。本文以給水焓升和給水溫度為變量，以循環熱效率為目標函數，采用遺傳算法對某垃圾焚燒發電廠進行優化，提高了系統的循環熱效率。該方法不需要對系統進行簡化，優化結果更加符合實際情況，不僅適用于小型機組，對于大型機組同樣適用。

垃圾焚燒；熱力系統優化；給水焓升分配；遺傳算法

1 引言

城市生活垃圾焚燒發電，可以使垃圾資源化、減量化和無害化，將會是城市生活垃圾處理發展的大趨勢[1]。垃圾焚燒發電更多的意義在于處理垃圾，因此該類電廠的汽機大多是5～30MW的小機組。小機組在燃煤電廠早已經無立足之地，但是其在余熱發電和垃圾焚燒發電中應用廣泛，未來隨著太陽能發電和分布式發電的推廣，小汽機仍有十分大的發展空間。因此對小機組熱力系統的優化有著重大的意義。

回熱系統是電廠熱力系統的重要組成部分之一，對機組和電廠的熱經濟性起著決定性的作用[2]。給水焓升分配和給水溫度是影響回熱系統的兩個重要參數，本文將對這兩個參數進行優化以提高垃圾焚燒發電廠熱力系統的效率。

常用的給水焓升分配方法有等效焓降法，循環函數分配法等[3]，但這些方法計算過程繁雜，實際計算中很難取得滿意的結果。隨著計算機技術的發展，借助計算機編制程序對系統進行優化成為了一種有效且實用的方法[4]。

2 垃圾焚燒發電熱力系統

圖1所示為某20MW垃圾焚燒廠熱力系統，汽機回熱系統比較簡單，只有三級抽汽：一級抽汽去空氣預熱器；二級抽汽去除氧器；三級抽汽去低壓加熱器。凝結水經過軸封加熱器、低壓加熱器和除氧器后直接進入鍋爐。

圖1 垃圾焚燒發電廠熱力系統圖

THA工況時汽機參數：蒸汽初參數p0=3.8MPa，t0= 435℃；排汽壓力pc= 6.8kPa；鍋爐給水量91.5t/h；THA工況功率為20.12MW。THA工況時汽機抽氣參數如表1。

表1 THA工況時汽機抽氣參數

鍋爐給水溫度是130℃，二級抽汽壓力是0.74MPa，因此二級抽汽管道上裝有調節閥，保證除氧器的壓力為0.27MPa，由于節流會造成一定的做工能力損失。電廠的循環熱效率為：

式中：0D= 新蒸汽流量；iD= i級抽汽量；cD= 排汽量；sgD= 漏氣量；0h= 新蒸汽焓值；ih=i級抽汽焓值；ch= 排汽焓值；sgh= 漏氣焓值；fwh= 給水焓值；Tη= 汽輪機效率；Gη= 發電機效率；Bη= 鍋爐效率。

循環熱效率越高，電廠的效益越好，因此本文以低壓加熱器焓升τ和給水溫度fwt為變量對整個熱力系統進行優化，以尋求效率最大化。

3 目標函數

低加給水焓升τ和給水溫度fwt與各參數的關系如圖2所示。

圖2 低加給水焓升和給水溫度與系統參數的關系圖

國產動力用中壓鍋爐給水溫度大部分是150℃～170℃[5]，因此本文中將給水溫度設定為小于200℃。200℃飽和水的焓，軸封加熱器出口水的焓。因此低壓加熱器焓升τ的取值范圍為 0 < τ< 694，低加出口水的焓，壓力，據此可以算出低加出口水溫tfw1。另外假定設備效率不變，則ηTηGηB為常數，因此目標函數表達式為：

從圖 2中可以看到目標函數與變量之間是非線性關系，傳統的求極限優化方法并不適用，所以本文采用遺傳算法借助計算機編程對系統進行優化。

4 遺傳算法

遺傳算法不需要目標函數有明確的數學表達式，特別是一些常規數學方法不能求解的問題更適合采用遺傳算法。這種算法采用概率化的尋優方法，不存在求導和函數連續性的限定，能自動獲取和指導優化的搜索空間，自適應地調整搜索方向，不需要確定的規則[6]。

算法以循環熱效率（不考慮ηTηGηB）為目標值，以質能平衡為基礎的程序段計算目標值；變量采用二進制編碼；選擇過程采用賭論法。經過一定次數的計算后，可求出最后的優化結果，程序界面如圖3所示。

圖3 程序界面

5 優化結果

遺傳算法的交叉概率設置為0.9，變異概率為0.01，經過500次迭代后計算結果為：低加最佳給水焓升為最佳給水溫度為，汽機功率19.60MW，此時的汽機參數如表2所示。

表2 THA工況時汽機抽氣參數

f(194.2,154.27)=0.292，優化后的循環熱效率（不考慮）為29.2%，優化前的循環熱效率（不考慮）為28.3%，優化后全廠熱效率提高了0.9%。與THA工況相比，由于提高了給水溫度，二級抽汽壓力和溫度降低但是抽氣量增加，導致汽機功率比THA工況時降低0.56MW。但是對電廠熱力系統的優化應該從整體考慮，不能單純地以汽機的功率作為目標函數，本文中雖然汽機的功率降低，但循環熱效率提高，電廠的總體效益提高。

6 結論

本文介紹了以給水焓升和給水溫度為變量，以循環熱效率為目標函數對電廠熱力系統進行優化的一種方法，并以某垃圾焚燒發電廠為例對其進行優化，提高了系統的循環熱效率。這種方法不僅適用于小型機組，對于三高四低一除氧的大型機組同樣適用。借助計算機編程和遺傳算法，不需要對系統進行簡化，優化結果更加符合實際情況。

[1]羅海中.城市生活垃圾焚燒發電清潔發展機制（CDM）項目開發研究[D].昆明理工大學，2008.

[2]鄭體寬.熱力發電廠[M].北京：中國電力出版社，2002.

[3]馬芳禮.電廠熱力系統節能分析原理-電廠蒸汽循環的函數與方程[M].北京：水力電力出版社，1992.

[4]郭民臣，劉強.火電機組熱力系統給水焓升最佳分配方法[J].汽輪機技術， 2009，50（6）：422-424.

[5]范從振.鍋爐原理[M].北京：中國電力出版社，2009.

[6]季輝.電廠熱力系統的熱經濟學分析與優化[D].華北電力大學，2013.

Optimization of Thermal Power System of Refuse Incineration and Generating Electricity Based on Inheritance Algorithm

JI Hui, WANG Jie, LIU Hao
(China Urban Construction Design&Research Institute Co., Ltd, Beijing 100120, China)

By taking water supply rising distribution and water supply temperature as variable and taking recycling heat efficiency as goal function, the paper adopts inheritance algorithm to optimize a certain refuse incineration power plant and to increase the recycling heat efficiency of the system. The method is applicable to both small-sized and big-sized generating sets.

refuse incineration; optimization of thermal power system; water supply rising distribution; inheritance algorithm

X705

A

1006-5377（2016）04-0043-03