（动力机械及工程专业论文）火电厂负荷经济调度算法研究及锅炉热经济性诊断.pdf

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e c o n o m i c sd i a g n o s i sa r ee f f e c t i v e m e a s u r e so fs a v i n ge n e r g ya n dr e d u c i n gc o s t t h e ya r ea l s oi m p o r t a n tw a y so f i m p r o v i n gm a n a g e m e n ta n do p t i m i z i n gs y s t e mo p e r a t i o n 1 1 l ew h o l ec o a lc o n s u m p t i o no fp o w e rp l a n ti st a k e na so p t i m i z a t i o ni n d i c a t o r b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h ee c o n o m i ci n d i c a t o r s q u a d r a t i cf u n c t i o n i sp r o p o s e dt os i m u l a t et h eu n i t se n e r g yc o n s u m p t i o nm o d e l ，w h i c hp r o v i d e sa r e l i a b l eb a s i sf o re c o n o m i cl o a dd i s p a t c h ；b ym e a n so fc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h e o p t i m i z a t i o nm e t h o d s ，g e n e t i ca l g o r i t h mi sp u tf o r w a r dt os o l v ee c o n o m i cl o a d d i s p a t c h i na d d i t i o n , t h et h e s i sd e s c r i b e st h eb a s i cp r i n c i p l e sa n ds t e p so fg e n e t i c a l g o r i t h mi nd e t a i l ，a n di t a l s or a i s e sa ni m p r o v e da l g o r i t h mb yd e s i g n i n ga n d i m p r o v i n gt h eh e r e d i t yo p e r a t o r st oo v e r c o m et h el i m i t a t i o n so f t h eo r i g i n a la l g o r i t h m t h eu s eo ft h ei m p r o v e da l g o r i t h mi ne c o n o m i cl o a dd i s p a t c ho fc o n d e n s i n gu n i t si s r e s e a r c h e di nt h ef o l l o w i n g n l es i m u l a t i o ns h o w st h a tt h e i m p r o v e dg e n e t i c a l g o r i t h mh a sh i g h e rs e a r c he f f i c i e n c ya n dg l o b a ls e a r c hc a p a b i l i t y i tc a nm e e tt h e a c c u r a c y a n dr e a l t i m er e q u i r e m e n t s s oi th a sg o o dp r o s p e c t si n e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s a p o l y n o m i a lf i t t i n gm e t h o di sp r o p o s e dt od e t e r m i n et h es p e c i f i ch e a to ff l u e g a sa n df l ya s h i tc a na v o i dt h ed e f e c t so f m a n u a li n p u ta n di sm o r ea d v a n t a g e o u st o o n l i n ec a l c u l a t i o na n dm o n i t o r i n g m e a n w h i l e ，an e wb o i l e re f f i c i e n c yi n d e xi sr a i s e d b yt h es e p a r a t i o no fe n e r g yc o n v e r s i o np r o c e s si nb o i l e r t h eb o i l e re f f i c i e n c yi n d e x i sd i v i d e di n t ot h r e es e c t i o ni n c l u d i n gc o m b u s t i o n ，h e a ta b s o r b sa n dh e a ty i e l d i t c o u l dd i a g n o s et h et y p eo fm a l f u n c t i o no fb o i l e re f f i c i e n c ya c c u r a t e l y b yi n t r o d u c i n g t h ec o n c e p t i o no ft h ew h o l eh e a tu n i tt ot h ec y c l ef u n c t i o nm e t h o d ( c f m ) ，ag e n e r a l f o r m u l ao fi n l e ta n do u t l e tw a t e rc o e f f i c i e n to fh e a tu n i ta r ec o n d u c t e d a n dt h e na g e n e r a lf o r m u l ai sp r o p o s e dt oc a l c u l a t ew o r ko fa u x i l i a r yc y c l e s ，w h i c hs i m p l i f i e d c a l c u l a t i o no fd i s t r i b u t i o no fd i s c h a r g ei nt h ec f m f i n a l l y , t h i st h e s i sc o m p a r e s a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa m o n gt h em a t r i xm e t h o d ，t h ec f m a n dt h ee q u i v a l e n t m 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i l 绪论：1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2国内外研究现状3 1 2 1 负荷经济调度3 1 2 2 锅炉热经济性诊断8 1 3 本课题研究的主要内容9 2 火电厂单元机组煤耗特性模型1 1 2 1 经济性指标的选取1 1 2 2 单元机组煤耗特性的计算1 2 2 2 1 数据的获取1 2 2 2 2 热力过程计算1 3 2 3 单元机组煤耗特性模型的选取1 3 3改进遗传算法在负荷经济调度中的应用16 3 1 遗传算法概述；o oo oooooooooo ooo1 6 3 1 1 遗传算法的基本原理和特点1 6 1 2 遗传算法的运算流程及步骤17 30 1 3 遗传算法的运行参数2 1 3 2 改进遗传算子的设计2 2 3 2 1 约束条件的处理2 2 3 2 2 基于线性排序的选择算子2 3 3 2 3自适应交叉和变异概率2 4 3 2 4 优势群体主导策略2 4 3 3 改进遗传算法用于负荷经济调度2 5 3 3 1 负荷经济调度模型的建立2 5 i v 目录 3 - 3 2 计算示例和结果分析2 7 4 锅炉热经济性诊断模型31 4 1锅炉热经济性简化模型的研究3 2 4 1 1 简化计算的对象及内容3 2 4 1 2 锅炉效率简化计算模型3 3 4 1 3计算示例与结果分析3 6 4 2 锅炉效率计算的串联模型3 7 4 2 1 现有计算模型存在的问题3 7 4 2 2 锅炉内能量转化和传递过程分析3 8 4 2 3 锅炉效率串联计算模型3 9 4 2 4 计算示例与结论4 1 4 3 锅炉热经济性诊断和能耗分析4 2 4 3 1基于热偏差的锅炉热经济性诊断4 3 4 3 2 局部定量诊断方法的改进与拓展4 6 5 电厂热力系统优化系统的初步开发5 2 5 1 程序设计及系统功能5 2 5 1 1 应用系统的功能特点5 2 5 1 2 系统功能介绍5 3 5 2 负荷经济调度优化系统的编制、调试和运行5 3 5 2 1 程序结构与流程。5 3 5 2 2 用户界面层的设计步骤5 5 5 2 3 数据层、业务逻辑层的设计5 9 5 2 4 实例运行和结果输出6 1 5 3 锅炉热经济性诊断系统的设计、调试和运行6 l 5 3 1 主程序流程6 1 5 3 2 界面设计与运行6 2 6 结论与展望6 6 参考文献6 8 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果7 0 致谢71 v 1 绪论 1绪论 1 1课题研究的背景和意义 能源是人类生存和社会发展的重要物质基础。我国资源丰富、人口众多， 人均资源相对不足，节约能源成为我国的一项基本国策。火电厂是将一次能源 转化为二次能源的工厂，其发展需要充足的一次能源作支撑，对不可再生的煤 炭资源消耗巨大。据统计，我国目前的燃煤机组占全国总装机容量的7 4 ，每年 消耗的煤炭占全国煤炭年消耗量的一半以上【l 】。因此，在保证电厂安全生产的条 件下，深入研究火电机组的节能降耗方法，对提高电力系统的经济效益、落实 国民经济的可持续发展具有重要意义。 。电力体制改革的深入和厂网分开与竞价上网的实施，使我国电力供需矛盾 从供方市场转向需方市场，拉开了发电厂侧竞争的序幕。发电企业要在激烈的 市场竞争中求得生存与发展，就必须最大限度地降低能耗，增加产出，实现资 源的优化配置。目前电力企业普遍现状为成本较高、利润偏低，因此充分挖掘 其内部潜力，降低单位产值的成本，以增强企业在市场竞争中的优势，就变得 迫切而重要。 节能改造往往需要较大的投资。对燃煤电厂而言，仅燃料费用就占发电成 本的7 0 以上，如果只考虑变动成本，燃料费用所占的比例则高达9 0 以上， 因而，仅通过设备改造和电价改革的措施来提高经济效益的空间非常有限。而 实际运行中的发电厂，在运行方式的调整及运行参数的控制方面往往存在着很 多不经济的因素，因此对火电厂实施运行优化和燃烧调整，实现机组间的负荷 经济调度和经济运行，无疑是减少能耗，降低成本、增强企业竞争力的有效途 径之一，是火电厂节能工作的重要发展方向。 随着我国国民经济的迅猛发展，电力系统规模越来越大，装机容量从1 9 9 5 年的1 6 亿千瓦，迅速发展到现在的4 4 亿千瓦。在“经济要发展，电力须先行 的指导方针下，我国仍将大力发展电力工业。预计n 2 0 5 0 年，我国总装机容量 将达n l o 亿千瓦 - 1 3 亿千瓦左右，届时，年煤耗将高达2 - - 2 5 g t 2 1 ，火电耗煤量 将是一个让人触目惊心的数字，煤炭要满足电力工业的发展将有相当的难度。 这就迫使发电企业必须从自身出发，从根本上来解决这一突出问题，因此，优 化火力发电机组的运行，最大限度地增加投入产出，对缓解我国能源紧张的局 1 绪论 面，实施可持续发展具有十分重要的战略意义。 大容量机组的增多以及产业结构的调整，使得电网负荷峰谷差日益增大。 目前我国几大电网的负荷峰谷差值达到电网总容量的3 0 ，个别地区高达5 0 ， 预计今后还会更高。电网峰谷差的增大，就需要机组频繁地、大幅度地参与调 整，致使大多数时间均不在最佳负荷工况下运行，这就使火电厂直接面临两大 难题：一是当电厂总负荷偏离额定总负荷时，如何分配各台机组所带的负荷， 才能使全厂总煤耗最小；二是机组的运行经济性下降。因此，火电厂迫切需要 一种依据，在系统负荷要求发生变化的情况下，合理分配各台机组应承担的负 荷，尽可能的提高机组的效率，降低能耗；同时采用计算机对各机组进行在线 经济性诊断，帮助锅炉运行人员查找机组各种能量损失的大小和分布情况，及 时进行运行调整，提高机组经济性，确保机组始终在最佳工况下运行是热力系 统优化运行发展的必然趋势。 同时，在火电厂内部，由于运行过程中环境因素、设计水平、操作方式、 设备状态以及煤种等各方面的原因，使得同一电厂内各机组的煤耗特性区别较 大。为保证全厂在不同的负荷时段内都获得较高的经济性，最大限度的增加单 位能耗的产出，就应在全厂一定的机组组合方式下，全盘考虑所有运行机组的 煤耗特性，从而合理给出各台机组应带的负荷，使全厂总煤耗最小。从国内外 经验可知机组优化的相对效率可达l 2 5 ，在如此大的燃料消耗基数下，以 在火力发电厂内实现机组负荷经济调度可望节煤约l 来估算，每年将节约燃煤 量近4 0 0 万吨以上【3 】。由此可见，在火电厂实现负荷经济调度的应用前景是非 常可观的，已成为大势所趋。 此外，对热力系统进行计算与分析，优化运行参数是实现火电厂节能技术 改造的项基本工作，也是在维持设备目前状况下实施节能减耗的一个有效途 径。锅炉热力系统是火电机组的重要组成部分，其运行经济性在很大程度上决 定了整个火电厂的经济性。因此，对锅炉热力系统进行经济性诊断和分析，优 化其可控因素，对于提高锅炉机组的经济性和运行水平具有重要意义。 火电厂将燃料的化学能转变为蒸汽热能并进一步转化为电能，而锅炉作为 火电厂的三大主机设备之一，承担着主要的能量转换与传递任务，同时也是重 要的耗能设备，其运行经济性是衡量锅炉和发电机组运行经济性的重要指标。 对锅炉机组进行性能计算，一方面可以诊断锅炉运行的经济性，以挖掘节能潜 力、提出改进措施堵塞能耗漏洞，为节能减耗、优化电厂运行和管理提供科学 2 1 绪论 依据；另一方面，有助于锅炉工作者了解并掌握锅炉的各项热损失、热效率和 煤耗等参数，以便及时进行燃烧调整，使锅炉保持在最佳工况下运行。因此， 对锅炉热力系统进行计算和诊断成为锅炉技术人员和锅炉工作者迫切关注的一 项研究课题。 目前我国的电站锅炉普遍存在设备本身陈旧、技术条件较差，操作管理水 平落后的现状，致使煤耗较高，经济性指标远远落后于发达国家。一方面，由 于能源制约问题的逐步凸显和加剧，为了降低发电成本，获得更大的经济效益， 火电厂常燃用品位较低的煤。另一方面，由于煤炭供应紧张，使得电厂的燃料 来源日趋多样化。特别是，电网负荷峰谷差的加剧，需要机组进行频繁的大幅 度变工况运行，更加重了锅炉燃烧的不稳定和热经济性的下降，致使事故率增 加、效益降低，影响了火电厂整体运行的安全性和经济性。所以，对锅炉运行 的经济性进行计算和分析，指导运行人员及时进行正确的调整，以降低各项热 损失，节约煤耗，是提高我国整体能源利用水平、实现社会可持续发展的关键， 也是电力科技工作者的攻关课题。 锅炉效率是表征其运行经济性的一项重要指标，是锅炉进行性能鉴定、运 行评价以及考核新机组的重要参考。当燃烧煤种和锅炉结构一定时，锅炉效率 就主要决定于锅炉的运行工况。资料表b f j 4 1 ：在现代火电机组中，锅炉效率提高 1 ，整个发电机组的效率可提高o 3 0 4 左右。因此，很有必要建立一套锅炉 热经济性在线分析系统，对锅炉热经济性进行计算和诊断，探究锅炉的节能潜 力、分析影响其运行经济性的制约因素，实时监视并调整机组，使其尽可能在 最佳状态下运行。这对于发电企业降低发电成本，提高市场竞争力、改进操作 管理水平有着重要意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 负荷经济调度 负荷经济调度是电力系统经济调度的重要环节，是节能降耗的一项重要举 措，其目的是在满足设备运行安全、用电需求和机组处出力限制的前提下，寻 求各机组之间怎样分配负荷才能使整个电厂的能源消耗量最小。负荷经济调度 是国内外研究的一个热点，至今己有近6 0 年的历史。鉴于其对优化系统运行、 提高发电企业的经济效益有很大的贡献，许多学者在这方面进行了理论研究并 3 了混沌算法、遗传算法、人工神经网络算法【9 - l o 】等。在实际系统的开发方面，也 有着成功的应用经验，如德国s i e m e n s 公司的负荷优化系统在德国m a n n h e i 电 厂、韩国h a d o n g 电厂已有相对成熟的运行经验【1 1 1 。 与国外经济调度理论的长期研究和发展相比，我国在这方面的研究并不深 入。但随着近年来国内电力市场的发展与饱和，经济调度问题越来越引起电力 系统部门以及电力工作者的重视。 浙江大学生产工程研究所王剑峰、顾新型1 2 】和浙江省电力局中心调度所高 国宁、那志强等人在研究中，采用分层处理方法编制调度计划，将涉及编制电 网调度计划的诸多因素建成因素库，以预测负荷曲线为准绳，以因素库确定的 内容为条件，以最大可调出力为基础，逐步递减，拟合调度计划，从而提出一 种基于递减编制法的电网调度方法。该方法主要用于短期调度问题，简单、经 济实用，已在浙江省电力局得到应用，并取得了较好的经济效益。西安交通大 学系统工程研究所赖菲、管晓宏1 1 3 在解决电力系统经济调度问题上，引入拉格 朗日乘子将系统负载和备用约束松弛，将求解问题转化为一个二级结构优化问 题。低层是针对各单元机组较易解决的优化问题，高层则利用次梯度法对拉格 朗日乘子进行迭代，直到问题收敛。然后利用启发式方法由对偶问题得到原问 题的一个近似最优解。对于过程中出现的解振荡现象，提出利用对目标函数进 行微小扰动的方法，不仅解决了机组组合问题中的振荡，而且保证了解的稳定 性。浙江大学的李蔚【1 4 】等人在研究中，提出运用免疫算法解决负荷调度问题， 该方法将负荷经济调度问题的目标函数对应于入侵生物体的抗原，最优问题的 解对应于免疫系统产生的抗体，通过抗原和抗体的结合力来描述可行解与最优 解的逼近程度。通过引入一种依赖每台机组的运行状态持续时间的编码规则， 提高了搜索效率和运行速度，从而为机组负荷优化分配的求解提供新的有效算 法。国电电力科学研究院的王平洋，王广生【l5 】等人对遗传算法在电力系统经济 调度中的应用进行了广泛研究。认为遗传算法以其随机搜索、灵活高效、多目 标处理和复杂因素处理等优点成为解决电力系统问题全局最优解的强有力的工 具，并针对遗传算法收敛比较慢、耗时过多的问题提出一种模糊控制遗传算法， 4 1绪论 能在寻优过程中自动修改遗传参数，与传统遗传算法相比，收敛速度更快。哈 尔滨工程大学的唐巍、李殿璞【l6 】将混沌优化理论引入电力系统负荷经济调度， 以发电费用信息为目标函数，将优化变量各机组有功功率转变成混沌变量，利 用混沌运动的遍历性、随机性和规律性直接对目标函数寻优，为解决负荷经济 调度问题提供了又一有效手段。该方法可以有效解决传统方法中不能计及的网 损和阀点效应，从而能更有效地保证解的精度。具体到实际的电厂，要根据机 组的具体情况决定采用哪种方法。 国内在实际负荷经济调度系统开发方面也有着相对成功的经验。北京华电 天仁电力控制技术有限公司开发的负荷经济调度系统模块已在中电神头第二发 电厂有着较为成功的应用。清华同方电子有限公司，西安热工研究院等在这方 面也有相对成功的项目开发应用经验。 负荷经济调度在国内外经过了长期的研究和广泛的应用，目前已形成了很 多有价值的方法。对各种算法进行归类，主要可以分为三种情况，一是传统的 优化方法【1 7 - 1 8 】【5 羽，包括效率法，等微增法；二是基于数学规划的优化方法【1 9 砌， 包括线性规划，动态规划，整数规划等；三是现代优化算法 2 1 - 2 3 】，包括遗传算 法，禁忌算法，混沌算法，人工神经网络法。下面对各种算法进行简要的分析 和说明。 1 2 1 1 传统优化方法 ( 1 ) 效率法 该方法是最早提出的一种负荷调度方法，又称为优先次序法或排队法。其 基本思路为：将可调度的机组按某种经济特性指标由高到低事先排出顺序，然 后依据这种顺序依次分配负荷。其思想来源于实际调试经验，实现相对简单， 但由于没有经过证明有很大近似成分在内，常找不到最优解。效率法可以单独 使用，也可与动态规划等方法结合使用以克服自身缺陷。 ( 2 ) 等微增率法 这是一种以数学极值理论为基础的连续变量的拉各朗日乘子法，至今已有 7 0 多年历史，是目前电厂负荷经济调度的主要方法之一。其基本思路是：首先 假定n 台机组的能耗模型和微增率曲线连续可微，然后借助拉各朗日乘子建立 负荷经济调度的增广函数，以目标函数对各负荷变量的一阶偏导数相等，直接 求出各负荷值，代入约束条件，若不满足再用迭代法修正，直到所有解都满足 审i 巍撼i j 。| 弧t ：弦疆：强螽嚣强i 鼍t 舞墨菇，0 麓譬扎，饕l 。二 ，p ：、琶潞i 霜喝茹j 臻。：o 氟冀誊：0 、碱：巍：多& 。弱荽翟臻蠡驶靶妇密妊瓷 t l i a t ? 挽j ：罩毽城j j 繇i 灞黪急勰强麓。嚣旺 并 一 。 ?j“7一 rj 一。一- 、 -一 一+ j 一， 一j 一一 + 一_ u 一，：。一：二 1 绪论 约束条件为止。 该方法简单明了，经验丰富；但因其建立在古典变分学基础上，为使系统 标准煤耗最小，要求目标函数为严格凸函数，同时该方法对机组的微增率曲线 有严格的精度要求，在简化处理的过程中有可能出现失真，某种程度上限制了 它的应用。 1 2 1 2 基于数学规划的优化算法 ( 1 ) 线性规划法 线性规划是目前比较实用的方法之一。主要用于求解线性目标函数、线性 约束条件的优化问题。基本思路为：首先把机组特性曲线分段线性化，建立各 段的目标函数和约束条件，再使小区间内等微增耗为常数，然后用线性规划的 数值方法进行求解。 该方法实用简便，计算工作量少，适用于机组耗量特性为线性或接近线性 的情况。但由于负荷调度是非线性问题，使用该方法就要对目标函数和约束条 件线性化处理，往往会造成计算精度降低，使分配结果偏离实际最优方案。 ( 2 ) 动态规划法 动态规划是基于多阶段决策和最优化原理的一种方法。其实质是将n 个多变 量函数的最优分配问题转化为n 步递推函数的优化问题。基本思路为：首先把待 求解问题分为几个子问题，取较大的格点间隔求出较粗糙的最优解，在最优轨 线附近缩小格点间隔，再求最优解，如此循环直到求出满意的最优解。 该方法对煤耗特性没有严格的限制条件，可以求得全局最优解，求解精度 高，计算速度快。但对于机组较多的大电力系统，计算量较大，需要进行近似 简化处理，常常丢失最优解；另外，该方法要求的求解问题具有明显的阶段性， 当系统中考虑与时间有关的约束条件和机组爬坡速率的限制时，使用起来就显 得不够灵活简明。 ( 3 ) 混合整数规划法 混合整数规划法是变量中既有整数又有非整数的数学规划问题。其思想是 根据电厂热力试验提供的数据，建立系统实际过程的数学模型，然后运用非线 性规划求出最优解。常用的有分支定界法、b e n d e r s 分解法、广义b e n d e r s 分解 法等。 该方法可以直接对优化问题的数学模型求得全局最优解，而无需加入过多 6 l 绪论 的限制和假设。但算法不直观，使用过程复杂，为减少计算工作量和提高效率， 必须对问题进行精心分解，实际应用成果不多。 1 2 1 3 现代优化算法 ( 1 ) 禁忌搜索算法 2 0 世纪6 0 年代末提出的一种模拟智力过程而扩展邻域的启发式搜索方法。 所谓禁忌就是禁止重复前面达到的局部最优状态【9 】，在计算过程中对已得到的局 部最优解进行标记，并在进一步的迭代中避开这些值，为了避免陷入局部最优 解和失去全局最优解，算法采用了t a b u 表技术及“特赦规则 。搜索过程中，解 的状态主要沿着简单的解变化、解向量的分量变化和目标值的变化三种形式进 行。应用时应根据实际情况来确定具体的禁忌对象。 禁忌算法搜索速度快，以较高的求解质量和效率在许多优化问题中显示出 强大的寻优能力；但它过度依赖初始解，搜索只是单对单操作，而且只有一个 初始解，每次移动仅能移动一个解。 ( 2 ) 变尺度混沌算法 混沌算法是具有随机性、遍历性和规律性的智能优化方法。其应用于负荷 经济调度的思想【1 0 】为：将系统的约束条件以罚函数的形式表示，将目标值和罚 函数设为寻优对象，依据线性法则将混沌变量映射到优化变量的搜索区间，然 后利用混沌变量不断缩小优化变量的搜索空间，改变“二次搜索”的调节系数， 直到得出负荷调度的最优结果。 变尺度混沌法直接利用混沌变量按混沌运动自身规律和特性进行搜索，因 而全局寻优能力更强。搜索过程貌似随机，却隐含着精致的内在规律，能在一 定范围内不重复地达到所有状态。这是一种新型的算法，其混沌机制仍需要深 入研究。 ( 3 ) 人工神经网络法 该方法是基于计算机仿真而实现的对人类大脑的一种物理结构上的抽象、 简化和模拟。其中，多层前馈神经网络是目前应用最为广泛的模型。其应用于 负荷经济调度中的思路为：首先把单台机组的历史运行数据作为训练样本，用 神经网络进行训练建立机组的运行特性模型。待所有机组的特性模型建立之后， 在满足机组约束的条件下，进行遍历搜索，找到若干个局部较优解，然后分散 和缩小搜索区间，在若干个较优解的邻域内进行小范围的遍历搜索，每个较优 7 含层数目和节点数目确定较困难。 ( 4 ) 遗传算法 遗传算法是一种模拟自然界生物进化机制的随机化全局优化搜索算法，可 以有效地解决混合非线性优化和多目标函数优化的问题。基本思路为：首先将 解的搜索空间映射为遗传空间，用一定的编码规则表示出每一个可能的解，然 后随机产生一定数目的种群，并根据适应度值的大小，对群体中的个体施加遗 传操作使群体内的个体一代代不断进化并逐渐逼近全局最优解【瑚。 该算法对目标函数没有特殊要求，搜索效率高，具有鲁棒性和高度并行性， 比较适合解决具有高维、不连续性的电厂负荷调度问题。但采用传统编码方法 时，由于编码过长、编码不规范及编码表示不准确，使遗传算法可能失去求解 问题的全局最优解。目前出现的改进二进制或浮点数编码、实数编码法简化了 遗传操作过程，有效地提高了遗传算法求解的效率和质量。 本文正是基于遗传算法的优点来解决火电厂多台机组间的负荷经济调度问 题。 1 2 2 锅炉热经济性诊断 关于锅炉效率的计算，以往由于计算机技术不够普及，一直采用手工计算， 工作量大，过程比较繁琐：性能计算采用离线处理，具有明显的“滞后性，无 法满足锅炉热经济性实时诊断和监控以及考查锅炉的日常运行工况热量的产生 和散失的需要，在一定程度上挫伤了挖掘设备节能潜力的积极性。近年来，随 着计算机和网络通讯技术的发展，热工控制、实时数据处理系统得到不断完善， 采用计算机对锅炉机组进行在线性能计算倍受学者的关注。 。在计算模型方面具有代表性的有：张小桃【2 4 】等人参照欧美现行的计算方法， 提出了一种新的锅炉效率计算方法，只需测定燃煤的低位发热量和灰分含量， 采集排烟温度、氧量信号、飞灰含碳量和参考温度等运行参数，就可以进行锅 炉效率的计算，大大简化了计算过程；闫水保【2 5 】等人通过合理选择参照基准提 出一种锅炉热经济性诊断模型，它能有效地分离锅炉的热经济性故障，更适合 8 1 绪论 于在线监测，同时可对火电厂的煤质进行实时监督，有利于提高火电厂能源管 。理水平。 在系统方面，国外有许多公司和研究机构，在电厂经济性监测与诊断方面 作了大量研究，开发出一些功能强大的经济性监测系统，如德国s i e m e n s 公司的 s i e n e r g y 系统、美国e l a g h b a i l e y 公司的p e r f o r m e r 系统、瑞士a b b 公司的o p t i m a x 系统等，美国的电力研究院( e p r i ) ，r a d i a l 公司、西屋公司、日本的东芝电气、 欧洲的法国电力部( e d f ) 、德国的西门子公司、丹麦的b & k 公司也相继开发出 较完善的系统；九十年代以后，我国在电厂热力系统性能在线计算和监测方面 的研究逐渐增多，许多高校学者在这方面作了深入的研究工作，开发了相应的 在线监测系统。国内已投入的主要有西安交通大学研制的微机在线运行能损分 析装置，华北电力大学研制的机组经济性在线监测诊断指导系统( m d g ) ，以及 东南大学研制的监测诊断系统等。 1 3 本课题研究的主要内容 本文以火电厂机组为研究对象，本着优化机组运行、降低成本、节约能耗 的目的研究了机组间负荷经济调度和锅炉热经济性诊断两方面的内容。主要工 作如下： l 、机组能耗模型确定：在探讨现有经济指标优缺点的基础上，选定供电煤 耗作为优化指标，介绍了机组原始数据筛选方法，根据原始数据进行相关的热 力计算，编制最小二乘法程序拟合出单元机组的煤耗模型，最后建立整个优化 系统的负荷经济调度数学模型。 2 、改进遗传算法用于负荷经济调度：深入分析遗传算法的基本原理和运算 过程，并针对基本遗传算法的缺陷，结合问题特征，设计专门的遗传算子、引 入精英替代制，提出一种优势主导型遗传算法，最后根据建立的负荷经济调度 数学模型，通过具体实例进行仿真验证该方法的可行性和有效性。 3 、锅炉热经济性诊断：基于对g b l 0 1 8 4 - 8 8 的简化建立锅炉热效率在线计 算模型，并根据热偏差分析法对其热经济性指标进行诊断和分析，以指导锅炉 设备的高效经济运行。同时，对锅炉内部能量转化过程进行分离，提出一种锅 炉热效率串联计算模型，可以有效地实现对锅炉热经济性故障的分离和定位。 并在此基础上，研究了热力系统诊断中局部定量分析方法的新思路。 9 黟雅弱筇蠡譬：簪；瓣群巅蕊黝c 器激乒拖未越2 瞥躐，菇；器t 曼凇善涨冬k 匕二= 告啦：缓袋花茹嚣季巍嚣耢缀掣器。瓢：；五璐囊：飞磐善黪强z 强。嚣辅o 铂捌。强驯。j 。三为二锄”! 獬? 笺 | 一* 一一m = 一i +”? ，、；t 二、一二1”，i 一：二+ 1 “： i 。一：一_ “ ：uf j 一?。? 一j，一。 。二， ，。 证系统的稳定性和可靠性。 5 、总结和展望：对文中所做的主要工作和取得的结果进行总结，并提出后 续工作的开展思路。 l o 机组能耗模型是进行电厂或电力系统负荷经济调度的前提和基础，反映了 机组在各种负荷情况下耗用一次能源量的大小，从某种意义上说，反映了机组 经济性的高低。它是负荷调度中关键的一步，其数据的精确性对计算结果有着 直接的影响。因此要得到最优的负荷调度方案首先需要得到各机组准确的能耗 特性模型。 负荷经济调度是指在满足全厂总负荷要求的前提下，合理分配各机组所带 负荷使得全厂总能耗量最小。由于能耗是电能生产成本中最大的一项，能耗的 高低反映了电厂最终生产成本的大小，因此机组负荷能耗模型成为负荷经济调 度最根本的研究对象。只有对机组运行特性进行深入分析，准确测量，才能精 确得出机组负荷经济调度的能耗特性模型，从而科学合理的分配各机组所带负 荷，保证全厂经济性最优。对参与电力负荷调度的机组而言，应从单元机组的 角度出发，整体考虑机组的能耗特性，从而为实现负荷调度奠定基础。 2 1 经济性指标的选取 机组运行的经济指标是讨论负荷调度经济性的依据，选择的经济性指标应 满足既能在质量上又能在数量上衡量两种能量转换过程的技术完善程度，同时 又要计算简明。通常选用的经济指标有热耗率、供电成本和煤耗量。 热耗率是指机组承担某一负荷时，每单位负荷消耗的热量。机组运行时， 不仅仅消耗热量，还消耗热能。因此，热耗率不能全面衡量一台机组的性能。 供电成本能全面、准确的反映一个电厂的经济性，但包括的因素太多，加之其 中如工资、燃料价格等因素随市场的变化不断波动，使数学模型过于复杂，难 以求解，甚至导致模型的失真。以供电煤耗作为负荷经济调度的目标函数，就 2 火电厂单元机组煤耗特性模型 抓住了问题的主要方面，使研究对象更加稳定具体、具有可比性，而扣除了机 组在生产过程中对自身发出的电能的消耗( 厂用电量) ，避免了因其它费用估计 的误差而导致数学模型不能真实反映经济运行实质的弊端，因此评价机组经济 性更加客观、准确。与以供电成本为目标函数相比，虽不尽合理，但简化了数 学模型，使得求解过程简单，结果可靠，特别当其它费用比较固定，机组出力 变化不大时，煤耗量与机组出力的关系就十分近似于供电成本与出力的关系。 考虑到目前电力系统的实际情况和讨论的简单性，本文以煤耗量作为经济指标， 以全厂运行机组总煤耗模型为目标函数，来研究机组间负荷经济调度问题。 2 2 单元机组煤耗特性的计算 2 2 1 数据的获取 传统进行负荷调度所依据的煤耗特性模型，一般通过机组的常规热力试验 获得或直接由生产厂家提供。完整的机组热力试验在生产实际中耗费较大的人 力、物力和财力，需要生产和调度部门的大力协助，因此很少做。另外，由于 发电厂生产工艺的复杂性，机组的实际运行能耗特性不可避免的受到运行方式、 设备状态、操作水平及燃料种类等诸多因素的影响，加之长时间运行后，机组 的物理结构发生变化，进而影响机组的特性，致使厂家提供的数据失去代表性。 因此，只有采用实时运行数据拟合出的煤耗特性模型才能够真实反映机组的运 行性能。 随着计算机监测技术的发展，许多机组都装有在线监测系统。实际可先通 过厂级监控信息系统从数据库服务器中读取所需的实时运行数据，在线计算出 机组的实际煤耗量和供电量，得到相应的煤耗特性模型，并随着机组的使用， 根据数据的实时变化来更新能耗特性模型。另外，由于机组运行的限制，对采 集数据未涉及到的负荷点，结合历史运行数据和厂家提供的信息筛选出所需数 据作为样本参与拟合。这样得出的模型，综合考虑了机组运行方式、设备状态 以及运行环境等多方面的因素，因而比厂家提供的或由性能试验获得的特性模 型更能真实反映机组的实际运行性能。为了在规定的时间内完成论文，文中编 制机组煤耗特性模型的原始数据，均取自机组历年的运行记录报表。将原始数 据经过热力计算，得到与机组的供电功率相对应的煤耗量数值，再经过数据拟 合，即可获得机组的煤耗特性模型。 1 2 畦誊醪瓢簿弑谲簪滗嚣赫巍蔓：j 袁蹦暑。掌撼：驺身“：。：聪胁涔：瓢恐= 二蠛麓。霹嚣戮现一7 笔。事锄扳瑕缸璐：j x 。i 矿：二丢搿0 龟：掰糍嚣弧躞辅露蛭岛强：荔嚣嚣描缸* 瓣疆 ，一。一二。h，tl，。一? 一71 一一，t ， ： 。j ： ，”。 一、。 j t 。：+ ： - 。+ ：。? + “，| ，。：_ _ j 。 。 d r ，曩，向为再热蒸汽流量，再热蒸汽出口焓值，再热蒸汽入口焓值； 尸为发电机输出功率。 转化为标准煤耗f ： f = 上 t h ( 2 2 ) 7 7 b 鲸 式中：仉为锅炉效率； 鲰为标准煤低位发热量，规定每公斤标准煤发热量为2 9 2 7 0 k j 。 ( 2 ) 锅炉效率的反平衡计算 电厂锅炉效率的计算从原理上有“正平衡和“反平衡”两种计算方法。 但是正平衡需要准确测知汽水流量、蒸汽参数及燃料消耗量，给计算带来困难。 故一般采用反平衡法进行计算： 玎。：10 0 一望互垒2 塑立咝10 0 q d ， = 1 0 0 一( 曰2 + 9 3 + 9 4 + 9 5 + 9 6 ) ( 2 3 ) 式中：q 为燃料进入锅炉的低位发热量， q 为排烟热损失； q 为化学不完全燃烧热损失； q 4 为机械不完全燃烧热损失； q 为散热热损失； q 为其他热损失。 各种热损失的计算方法参考本文第四章或文献