基于遗传算法的火电厂循环水泵优化运行

第55卷第5汽轮机技术Vol 55 No 52013年10月TURBINE TECHNOLOGYOct.2013基于遗传算法的火电厂循环水泵优化运行王洋∵,梁俊宇!,赵明2,陈鸿伟(1华北电力大学云南电网公司博士后、研究生工作站,昆明650217;2云南电力试验研究院(集团)有限公司电力研究院,昆明650217;3华北电力大学动力工程系,保定071003)摘要:循环水泵耗电对厂用电率、机组运行经济性影响很大。在试验数据的基础上,通过遗传算法寻优,找出特定运行工况下的最经济循环水流量,从而确定该流量下的凝汽器压力,使得机组在最经济背压下运行。计算结果表明,通过遗传算法获取的最佳循环水优化该工况下的运行值,且在不同的循环水进口水温和负荷条件下计算结果可以指导循环水泵的投运台数,从而提高机组的运行经济性关键词:循环水泵;循环水流量;遗传算法;运行优化分类号:TK262文献标识码:A文章编号:10015884(2013)054039144The Optimum Operation of Circulating Water Pumps in Power PlantBased on genetic algorithmsWANG Yang", LIANG Jun-yu, ZHAO Ming, ChEn Hong-wei(1 Postdoctoral and Graduate Workstation of North China Electric Power University and Yunnan Power GridCorporation, Kunming 650217, China; 2 Yunnan Electric Power Test Research GrouptdElectric Power Research Institute, Kunming 650217, China; 3 Department of Power EngineeringNorth China ElectricPower University, Baoding 071003, China)Abstract: The power consumption of circulating pumps has a great influence on the auxiliary power and the unit economyOn the basis of the experimental data, the most economical circulating water flow of the specific operating conditions wasidentified with genetic algorithms. Thus, the corresponding condenser pressure was got to make the unit run on the mosteconomical backpressure. The results show that the best circulating water flow calculated with the genetic algorithms canoptimize the operation conditions, and on different inlet temperatures of circulating water and load conditions, the results candetermine the number of pumps put into operation to improve the economy of the unitKey words: circulating water pumps circulating water flow; genetic algorithms; operation optimization最经济压力,此时循环水泵处于最优运行方式下30前言遗传算法是一种模拟生物进化和遗传的寻优方法,是智能优化算法中应用最为广泛也最为成功的算法。它基于凝汽器压力是火电机组运行的一个重要参数,运行机组群体在搜索空间进行搜索,从而实现全局或准全局最优。而通常通过调节循环水流量来调节凝汽器压力"。通过增加且优化求解过程与梯度信息无关,对优化问题没有太多的数循环水流量可降低凝汽器压力使汽轮机的理想比焓降增学约束,可以处理任意形式的目标函数和约束条)的数大,从而增大汽轮机功率,但同时,增大循环水流量也会增加利用遗传算法对不同运行工况下的循环水流量进行寻循环水泵功耗,所以凝汽器压力存在一个最佳值,即最经济优计算,获取各工况下的最佳循环水量,从而得到相应的最压力。由于海拔和气候存在差异,凝汽器最经济压力一般会经济凝汽器压力,对运行机组的经济性、火电厂的经济效益偏离设计值以及节能降耗工作都具有重要的意义。循环水泵是厂用电的大户之一,其消耗的电能约占电总发电量的1.0%-1.5%。过分增大循环水量,可能使凝1优化计算模型汽器压力降低而多发的电反而小于循环水泵多消耗的电,得不偿失。因此,根据热经济性最佳的原则,当汽机功率的增基于试验数据的循环水泵优化计算模型是通过机组微量与循环水泵耗功增量的差值最大时,对应的凝汽器压力为增出力和循环水泵耗功综合优化得到的,具体模型如下392汽轮机技术第55卷(1)通过机组微增出力试验,得出机组在不同运行负荷(4)最经济凝汽器压力是以机组功率、循环水进口温度下,微增出力与背压的关系和循环水流量为变量的目标函数,在量值上为汽轮机净功△N,=f(N,P)(机组功率的增量与循环水泵耗功增量之差)最大时的凝汽式中,ΔN为机组微增出力,kW;N为机组负荷,kW;p为机器压力,即组背压,kPaf(P)=F(N,l,Q)=△N-△P(2)试验得岀当前循环水温度条件下,凝汽器压力与循式中,ΔP为循环水泵耗功增量,kW;AN,-AP为汽轮机净环水流量的关系,当循环水温度改变时,由凝汽器变工况特功,kW。性予以修正p4=f2(N,t,Q。)2试验数据处理与计算方法式中,a为循环水温度,℃;Q。为循环水流量,th。(3)通过试验得出循环水泵流量与其耗功的关系2.1机组概况P=f3(Q.)试验机组为国内某发电厂的国产300MW机组,汽轮机式中,P为循环水泵耗功kW。和凝汽器的技术规范如表1和表2所示表1汽轮机技术规范额定额定额定额定额定额定设计设计机组型号机组型式功率主汽压力主汽温度再热压力再热温度主汽流量冷却水温背压W℃℃N300-16.5/535/535单轴、四缸、四排汽、3003.5535985次再热、冲动凝汽式表2凝汽器主要技术参数凝汽器型号冷却面积凝汽器压力P冷却水流量,h冷却管材料冷却管根数钛机组配置两台循环水泵,系某厂生产的1800HWQ-162.2试验数据分析型混流泵,运行中叶片角度可在-6°至+4°之间任意调整,(1)选取循环水泵运行试验数据,对数据做最小二乘法工作性能设计参数如表3所示拟合处理,得到相应条件下循环泵耗功与循环水流量的关系表31800HLWQ-16型混流泵设计参数线。单泵运行和双泵运行的拟合图分别如图1和图2所叶片安装角流量Q扬程配用功率mH,O2829621.0016.25220010.702638829952360723000032000340003600038000循环水流量/h)2613615.25图1单泵运行时循环水流量与耗功的关系30780单泵运行拟合得到的曲线方程为2023116.9623112双泵运行拟合得到的曲线方程为:26610l1.00P=3.31324×10°Q2-0.2467Q.+6639.785(2)选取机组微增出力试验数据,对数据做线性拟合处理,得到相应条件下机组实际功率与背压的关系曲线,以300MW为例,如图3所示。21210第5期王洋等:基于遗传算法的火电厂循环水泵优化运行393冷却水进口温度修正系数,=1-0.42(35-1m)2;甲10003600为冷却水流程数Z的修正系数,2=1+1035为D凝汽器单位负荷d修正系数,设计负荷且≥1时,q=1(4)凝汽器端差计算48000500005200054000560005800060000式中,F为冷却水管外表总冷却面积,m2;K为由蒸汽到冷却循环水流量/h)水的平均总传热系数,kJ/(m2·h·K)。图2双泵运行时总循环水流量与总耗功的关系(5)凝汽器压力计算凝汽器正常运行时,其压力可由其对应的饱和蒸汽温度确定。由经验公式”可得凝汽器压力p=4+00240.009857.66式中,、为凝汽器内的饱和蒸汽温度,,=tn+M+&。3基于遗传算法的最佳循环水流量确定由于上网电量由调度分配,电厂不能随意改变,在汽轮机净功最大的时候,机组运行于最经济背压下,这时电厂可10111213以适当地根据上网电量的要求减少部分汽轮机的输出功率背压/kPa相当于减少了耗煤量,从而可以提高电厂自身的经济效益。图3机组实际出力与背压的关系(300MW)3.1算法实现P=-1.9264p4+313.54选取汽轮机净功为优化目标函数,在一定的运行工况、使用同样的方法,得到不同负荷下的机组实际出力与背下,建立循环水流量的初始种群,通过不断的寻优计算,得出使得净功最大时的循环水流量。在 Matlab环境中运用英国 Sheffield大学遗传算法工具250MW:P=-2.1728pk+262.93箱进行代码开发,该工具箱出现较早、影响较大且较为完备220MW:P=-1.6354p+229.842.3计算方法单个染色体采用20位二进制数编码表示,初始种群总量N=100,交叉率p=0.7,变异率pm=0.01,最大迭代次数为(1)冷却水温升P计算过程中,首先通过给定的当前机组运行参数及其修(Q正参数计算得到循泵耗功等指标的基准值。通过函数 crbp式中,Q为凝汽器热负荷,3MW时额定值为389300k;B创建循环水流量的初始种群,函数生成的随机数可以很好地为凝汽器负荷修正系数,取为1.032;P、P为试验时的机组功率和计算时的机组功率,考虑到凝汽器负荷随机组功率的保证初始种群的普遍性。直接以待求解的目标函数作为变动,所以用P/P来修正适应度函数,计算个体的适应度,在最大迭代次数内,反复迭代计算。迭代过程中使用sele函数从父代中选择个体时,(2)管内换热系数以 ranking函数返回的适应度值作为预期选择概率,考虑子对于管内强制对流换热,采取下面关联式计算代与父代的代沟,设置部分选择参数为0.9,并将选择的子代Nu =0.023 Re/ Pr/用 reIns函数插入当前种群中进行计算。通过观察循环水流冷却水被加热,所以n取0.4,则a=d·Nuy量的图形显示,算法的收敛效果较好。3.2实例计算(3)总传热系数以该机组的某运行工况为例,其中负荷P=300MW,循由蒸汽到冷却水的平均总传热系数采用全苏热工研究环水进口水温ta=10℃,循环水流量Qo=4100h,使用所(BTHD的经验公式单台循环水泵运行,计算优化结果如图4所示。K=14654.5q49:q由图4可知,在迭代计算20次左右算法收敛,优化得到式中,φ为冷却面积清洁修正系数循环供水时,取0.75-08;。的最经济循环水流量为40064U/h,相应的汽机净功为7007394汽轮机技术第55卷4.025表5300MW时不同循环水进口水温对应的最佳运行参数循环水进口水温最佳循环水流量凝汽器压力汽轮机净功4.0154.027648证40040123454.277194--1---1---4484746951489554921961483.98005101520253035404550迭代次数图4某工况下循环水流量的遗传算法寻优结果52000泵耗功,提高电厂的经济效益。s50000由于循环水进水温度受季节等外部因素影响较大,水温460001的升高必将使用更多的循环水流量来维持机组运行的最佳真空。然而由于循环水泵设计参数等因素的限制,在循环水练4200量达到一定数值时,就要使用双泵运行才能满足流量需求仍以满负荷为例,改变循环水进口水温tn,分别使用38000单、双泵运行,可以得到不同的t对应的最佳运行参数,计220MW34000算中循环水流量初值采用设计值Q.。=4000h。不同进口水温下单、双泵运行的汽轮机净功如表4所示循环水进口水温rC表4300MW时不同进口水温下单、双泵运行的汽轮机净功图5不同负荷下各循环水入口水温对应的最经济循环水流量盾环水进口水温汽机净功AP,kW由图5可知,在负荷一定的情况下,最经济循环水流量单泵运行双泵运行都是随着循环水人口水温的升高而增大。在循环水入口水温相同时,负荷越高,所需的循环水流量越大。300Mw、7431250MW和220MW负荷条件下所对应的单、双泵的切换温度分别是12℃、17℃和28℃,随着负荷的降低而升高。即在较71947183低负荷下,单泵运行可以在较高的循环水进口水温下维持机6938组在最经济背压下运行。计算获取的数据和图线与实际运66636701行情况相符,对该机组的经济运行具有较好的指导作用。1463676434605261484结论表4的计算结果可知,汽机净功都随着循环水温的升(1)本文采用基于试验数据的循环水泵优化计算模型高而减小。在300NW下,当循环水进口水温低于12℃时,单在试验数据的基础上,使用遗传算法对循环水流量进行了优泵运行的汽机净功较大;当水温超过12℃后,单泵运行的循化。结果显示,计算得到的最经济循环水流量比实际运行值环水流量已不满足最佳流量的需要,汽机净功小于双泵运行小2.28%左右;300MW、250MW和220MW负荷条件下所对时的值,此时双泵运行的经济性更佳应的单、双泵切换温度分别是12℃、17℃和28℃,随着负荷在300MW的负荷条件下,以12℃作为单、双泵切换的温的降低而升高。计算结果对该机组循环水泵的投运和调节度点,分别计算各个循环水进口水温下的最经济运行参数,具有较好的指导作用。表5给出了部分的计算结果(2)运用英国 Sheffield大学遗传算法工具箱在 Matlab环由表5数据可知,采用双泵运行计算的流量有了一个明境中开发的代码迭代20次左右就能收敛,耗时在2s以内,显的突变,这与双泵并联运行后的特性改变有直接的联系。计算结果与电厂实际运行值相符。可见代码开发过程中各参照循环泵的设计参数,为了获得更好的经济效益,可以调参数选用合理,算法可靠且稳定性较好。同时,程序化的计节双泵的叶角均在0°以下运行。算方法可对不同工况进行优化,具有较强的实用性。机组负荷受调度和调峰的影响而变化,在不同的负荷条(3)通过计算得到的最佳循环水流量指导循环水泵的优件下,都可以采用类似的处理手段得到不同循环水进口水温化运行,使得机组运行于最经济背压下,对电厂的节能降耗汽轮机技术第55卷2.2516.1=16.21.751h=8理论流量计算流量嘀嘴号510.012,515.0图167个钻孔喷嘴流量不均匀性图18计算流量和理论流量比较值模拟,可以得出以下结论:(1)高压进汽部分具有明显的减温减压能力,锅炉来的新蒸汽538℃,24.1MPa经过调节阀、钻孔喷嘴后,出口温度在247℃~321℃,速度948m/s~1095m/s;(2)调节阀和钻孔喷嘴都是超音速流动,根据阀杆行程,调节阀出口段存在多个激波系(3)高压进汽总压损失明显,至少达到58%,调节阀门开度越小,总压损失越大;(4)7个钻孔喷嘴流量相当,与离汽源远近没有关系。5.07参考文献[1]沙曾炘.锅炉给水泵汽轮机汽源匹配与切换方式的探讨[J]图17总压损失系数汽轮机技术,1996,38(5):314-319对不同闵杆行程计算理想流量和本次数值模拟流量进21张岚,仇前峰。辅助蒸汽切换给水泵汽轮机[.热力透平行了比较,如图18所示,数值计算的结果要比理想临界流量2012,41(1):66-68小,最大达到5%的差距,同时,也说明本次模拟与理论计算[3]王富美,何崇杰给水泵汽轮机汽源切换方式的比较[].电比较吻合。站系统工程,1997,13(51):29-32[4]陶文铨.计算传热学的近代进展[M].北京:科学出版社4结论[5]沈维道,童钧耕,工程热力学[M].北京:高等教育出版社本文对1000MW给水泵汽轮机高压进汽流道进行了数(上接第394页)[6]刘定平,肖蔚然.基于神经网络和混合遗传算法的凝汽器真空参考文献优化控制[J.汽轮机技术,2006,48(1):52-54[1]沈士一,等.汽轮机原理[M].北京:中国电力出版社,1992[7]蔡杰进,马晓茜.基于遗传算法的火电机组运行优化[J.华[2]黄新元,赵丽,安越里,等.火电厂单元制循环水系统离散优南理工大学化模型及其应用[刀.热能动力工程,2004,19(3):02-306.[8]傅程燕,郭栋等.循环水泵优化运行计算模型的优化及应用实[3]王玮,曾德良,等.基于凝汽器压力估计算法的循环水泵最例[门].制冷空调与电力机械,2011,32(1):82-84,81优运行[J],中国电机工程学报,2010,30(14):7-12[9]齐复东,贾树本,马义伟.电站凝汽设备和冷却系统[M].北4]黄萍力,徐君诏.基于最佳真空算法的汽轮机循环水泵优化运京:水利电力出版社,199行研究[J].热力透平,2010,39(3):166-167[10]雷英杰,张善文,等, MATLAB遗传算法工具箱及应用[M[5]汪定伟,王俊伟,等,智能优化算法[M].北京:高等教育出版西安:西安电子科技大学出版社,200