聯(lián)合循環(huán)機(jī)組停機(jī)過(guò)程的負(fù)荷分配優(yōu)化

萬(wàn)安平 ，陳堅(jiān)紅 ，盛德仁 ，顧新建 ，紀(jì)楊建 ，金炯民

（1.浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 浙江省先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)研究實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027；2.浙江大學(xué) 熱工與動(dòng)力系統(tǒng)研究所，浙江 杭州 310027）

0 引言

電力系統(tǒng)機(jī)組啟停優(yōu)化是在一定的研究周期內(nèi)，根據(jù)負(fù)荷預(yù)報(bào)，在滿(mǎn)足負(fù)荷需求和機(jī)組安全、啟停限制等約束的條件下，優(yōu)化選定各時(shí)段參加運(yùn)行的機(jī)組，決定機(jī)組開(kāi)停時(shí)間，使該周期內(nèi)的系統(tǒng)燃料總耗量最小。隨著電網(wǎng)峰谷差日益增大，“十二五”規(guī)劃提出要推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)，提高電網(wǎng)優(yōu)化配置電力能力和供電可靠性，這對(duì)機(jī)組的調(diào)峰能力提出了更高要求。燃?xì)廨啓C(jī)是重要的軍民兩用動(dòng)力裝備，以其效率高、污染低、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、啟動(dòng)快、可靠性高、用水少、投資低、占地面積少等一系列優(yōu)點(diǎn)，迅速發(fā)展成為熱機(jī)中的一支勁旅，在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用［1-3］。隨著我國(guó)“西氣東輸”工程的實(shí)施，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組逐漸成為我國(guó)電力工業(yè)的一個(gè)重要組成部分［4］。合理的機(jī)組啟停方案能節(jié)約大量的燃料費(fèi)用，延長(zhǎng)機(jī)組的使用壽命，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。很多學(xué)者針對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)組啟停優(yōu)化進(jìn)行了大量的研究，提出了遺傳算法［5］、蟻群算法［6-7］、混沌粒子群優(yōu)化算法［8］、雙重粒子群優(yōu)化算法［9-12］、遺傳禁忌混合算法［13-14］等先進(jìn)的優(yōu)化算法，并取得了一定的成果。由于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的運(yùn)行特性不同于普通火電機(jī)組，傳統(tǒng)機(jī)組啟停優(yōu)化問(wèn)題的求解已相當(dāng)困難，而聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的多狀態(tài)運(yùn)行特性，尤其是各模式間的轉(zhuǎn)移會(huì)使其求解變得更復(fù)雜，更難以求得最優(yōu)解。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的機(jī)組啟停優(yōu)化也進(jìn)行了較深入研究。文獻(xiàn)［15］通過(guò)試驗(yàn)來(lái)核對(duì)模型，計(jì)算聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的變工況性能，并研究了某電廠的300 MW聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在變工況下運(yùn)行的最佳匹配方式及其機(jī)組開(kāi)停機(jī)時(shí)間的最優(yōu)化分配。文獻(xiàn)［16］利用機(jī)組氣耗量特性曲線及修正曲線擬合公式，分析計(jì)算不同機(jī)組的性能，在天然氣量約束條件下保證機(jī)組安全停機(jī)，以發(fā)電量最大為目標(biāo)，分別制定各臺(tái)機(jī)組的停機(jī)計(jì)劃。文獻(xiàn)［17］考慮到擬合的二次氣耗量特性曲線很難滿(mǎn)足聯(lián)合循環(huán)機(jī)組精度的要求，利用機(jī)組的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)建立基于前饋型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)組變工況模型代替機(jī)組耗量特性曲線熱耗率的映射，并將該變工況模型應(yīng)用到機(jī)組組合優(yōu)化及負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配問(wèn)題數(shù)學(xué)模型的求解過(guò)程中。文獻(xiàn)［18］提出一種隨機(jī)機(jī)組組合（SUC）模型，涉及多種靈活運(yùn)行機(jī)組。雖然引入了多種運(yùn)行模式，并實(shí)現(xiàn)了模式之間的轉(zhuǎn)換，但對(duì)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的處理稍顯簡(jiǎn)單，未考慮各模式出力范圍的重疊現(xiàn)象。文獻(xiàn)［4］通過(guò)引入模式轉(zhuǎn)移矩陣，結(jié)合混合整數(shù)規(guī)劃建模方法，提出一種綜合考慮模式轉(zhuǎn)移關(guān)系及由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移成本的模型，解決聯(lián)合循環(huán)機(jī)組模式轉(zhuǎn)移及出力分配問(wèn)題。文獻(xiàn)［19］建立了聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的一種簡(jiǎn)化模型，利用非連續(xù)曲線的建模方法［20］，將聯(lián)合循環(huán)機(jī)組當(dāng)作一臺(tái)具有不連續(xù)成本曲線的普通機(jī)組處理，回避了聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的模式轉(zhuǎn)移這一最困難的問(wèn)題。文獻(xiàn)［21］分別定義了聯(lián)合循環(huán)機(jī)組每種模式的可轉(zhuǎn)移模式集合和不可轉(zhuǎn)移模式集合，借此表達(dá)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組各模式的轉(zhuǎn)移關(guān)系，但其借由集合進(jìn)行模型描述，并未給出解析表達(dá)式。文獻(xiàn)［22］利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方法，通過(guò)聯(lián)系聯(lián)合循環(huán)機(jī)組各組件間的熱力耦合關(guān)系，提出了另外一種組件模型。但該模型需要各機(jī)組組件的詳細(xì)參數(shù)，而在實(shí)際條件下某些關(guān)鍵參數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量得到，使得組件模型的應(yīng)用受到限制。文獻(xiàn)［23］通過(guò)數(shù)值模擬研究啟動(dòng)過(guò)程中各暖機(jī)操作對(duì)轉(zhuǎn)子應(yīng)力的影響，并結(jié)合試驗(yàn)機(jī)組結(jié)構(gòu)、運(yùn)行特點(diǎn)，制定了優(yōu)化后的啟動(dòng)過(guò)程，使得汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子啟動(dòng)時(shí)間和最大應(yīng)力都大幅減小。

上述關(guān)于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的啟停優(yōu)化研究，大多集中在機(jī)組的啟動(dòng)優(yōu)化和負(fù)荷分配方面。然而針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)，關(guān)于天然氣量約束條件不用的運(yùn)行機(jī)組間的停機(jī)過(guò)程優(yōu)化的研究尚鮮有報(bào)道。基于此，本文從熱經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度出發(fā)，以安全運(yùn)行為前提、發(fā)電量最大為目標(biāo)，利用自主編制的計(jì)算程序，研究不同機(jī)組間的最佳停機(jī)過(guò)程方案，使電廠運(yùn)行的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組在最后剩余的天然氣量下，實(shí)現(xiàn)最佳的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 目標(biāo)函數(shù)

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在天然氣量約束條件下的停機(jī)過(guò)程優(yōu)化問(wèn)題可以描述為：由于天然氣的氣量不足，在最后用于停機(jī)的天然氣量為一常數(shù)的約束條件下，通過(guò)對(duì)問(wèn)題包含的所有機(jī)組性能的分析計(jì)算，分別制定各臺(tái)機(jī)組的停機(jī)計(jì)劃，在保證機(jī)組安全停機(jī)的前提下，以達(dá)到發(fā)電量最大的目的，產(chǎn)生最大的經(jīng)濟(jì)效益。

機(jī)組的停機(jī)優(yōu)化模型可以表示為：

其中，T0為停機(jī)過(guò)程所花時(shí)間（h）；E為停機(jī)過(guò)程中所有機(jī)組總的發(fā)電量（MW·h）；N為運(yùn)行機(jī)組臺(tái)數(shù)；Pi（t）為機(jī)組 i隨時(shí)間的變化功率（MW）。

需要滿(mǎn)足的約束條件為：

其中，F(xiàn)s為總的剩余天然氣量（萬(wàn)m3）；Fm為機(jī)組解列所需天然氣量，即保證最后安全停機(jī)的天然氣量（萬(wàn)m3）；F為整個(gè)停機(jī)過(guò)程中多臺(tái)機(jī)組的總氣耗量（萬(wàn) m3）；Simaxdown和Simaxup分別為機(jī)組 i的最大降負(fù)荷率和最大升負(fù)荷率（MW/h）；f（Pi（t））為負(fù)荷為Pi（t）時(shí)機(jī)組i在時(shí)段t的氣耗量函數(shù)（萬(wàn)m3），常被描述為二次方程，如式（3）所示。

其中，ai、bi、ci為機(jī)組 i的耗量特性參數(shù)。

考慮天然氣量約束的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組停機(jī)過(guò)程優(yōu)化，是根據(jù)給定的剩余天然氣量，在保留一定天然氣量安全裕度的情況下，得到實(shí)際可用于停機(jī)優(yōu)化的天然氣量，然后判斷該天然氣量是否在停機(jī)優(yōu)化處理的范圍內(nèi)。當(dāng)剩余天然氣量比較大時(shí)，采用停機(jī)優(yōu)化安排機(jī)組按照電網(wǎng)要求發(fā)電是不利的。那么就需要判斷剩余天然氣量達(dá)到何值時(shí)，可以視為滿(mǎn)足停機(jī)優(yōu)化處理的要求，機(jī)組開(kāi)始進(jìn)入停機(jī)過(guò)程優(yōu)化。本文將這個(gè)值定義為所有開(kāi)機(jī)機(jī)組從當(dāng)前運(yùn)行負(fù)荷升到基本負(fù)荷，然后一起安全停機(jī)共需消耗的天然氣量，記為停機(jī)優(yōu)化計(jì)算的上限天然氣量Fmax，即圖1所示的升負(fù)荷和降負(fù)荷過(guò)程中所有開(kāi)機(jī)機(jī)組消耗的天然氣量（a-b-c-e-a所包圍的面積）。將全體開(kāi)機(jī)機(jī)組從當(dāng)前負(fù)荷馬上安全停機(jī)共需消耗的天然氣量（a-d-e-a所包圍的面積），記為停機(jī)優(yōu)化計(jì)算的下限天然氣量Fmin。圖1中的基本負(fù)荷PB是根據(jù)當(dāng)前負(fù)荷的溫度、壓力等環(huán)境影響因素和運(yùn)行小時(shí)數(shù)，將設(shè)計(jì)工況下的基本負(fù)荷修正到當(dāng)前工況下的負(fù)荷；機(jī)組運(yùn)行的最大負(fù)荷Pmax定義為，在保證安全停機(jī)情況下，機(jī)組根據(jù)剩余的天然氣量升負(fù)荷過(guò)程中能夠升到的最高負(fù)荷，如果天然氣量充足，則最大負(fù)荷可以升高到基本負(fù)荷，即Pmax=PB。

圖1 停機(jī)過(guò)程相關(guān)變量說(shuō)明示意圖Fig.1 Schematic diagram of variables correlated with unit shutdown

1.2 機(jī)組停機(jī)運(yùn)行特性分析

機(jī)組正常停機(jī)過(guò)程指的是機(jī)組在帶負(fù)荷運(yùn)行工況下，由降負(fù)荷、發(fā)電機(jī)解列、燃機(jī)熄火降速到機(jī)組投連續(xù)盤(pán)車(chē)運(yùn)行的過(guò)程。燃機(jī)和余熱鍋爐之間設(shè)有煙氣擋板，機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，擋板處于打開(kāi)的狀態(tài)，燃機(jī)排煙經(jīng)余熱鍋爐排至主煙囪，余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)主蒸汽管道送至汽輪機(jī)，形成聯(lián)合循環(huán)，同時(shí)每臺(tái)余熱鍋爐配有100%額定蒸發(fā)量的旁路系統(tǒng)。當(dāng)接到中調(diào)指令發(fā)出停機(jī)命令后，天然氣流量開(kāi)始減小，燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷降低，蒸汽輪機(jī)負(fù)荷基本保持不變。當(dāng)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組負(fù)荷下降至240 MW左右時(shí)，高中壓蒸汽調(diào)節(jié)閥開(kāi)始逐步關(guān)閉，高中壓蒸汽旁路閥開(kāi)始逐步打開(kāi)，汽輪機(jī)功率開(kāi)始下降到零，此過(guò)程天然氣流量不變，燃?xì)廨啓C(jī)的功率也維持不變。

約30 min后，高中壓蒸汽調(diào)節(jié)閥完全關(guān)閉，高中壓蒸汽旁路閥完全打開(kāi)，煙氣擋板關(guān)閉，燃機(jī)排汽從旁路煙道排掉，汽輪機(jī)完成停機(jī)；此過(guò)程中天然氣流量再次開(kāi)始減小，燃?xì)廨啓C(jī)的功率也減小，此時(shí)為簡(jiǎn)單朗肯循環(huán)；當(dāng)負(fù)荷大約為30 MW時(shí)，發(fā)電機(jī)自動(dòng)與系統(tǒng)解列，機(jī)組全速空載運(yùn)行，之后冷卻燃機(jī)，5 min后燃機(jī)開(kāi)始熄火，轉(zhuǎn)速下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降至零時(shí)，自動(dòng)投入運(yùn)行盤(pán)車(chē)。惰走時(shí)間約為30 min。從SIS系統(tǒng)的PI數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取聯(lián)合循環(huán)機(jī)組停機(jī)過(guò)程，如圖2所示。

圖2 機(jī)組停機(jī)曲線Fig.2 Unit shutdown curves

由圖2的停機(jī)曲線可以擬合出氣耗量特性曲線，如圖3所示。由圖3可知，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的氣耗量特性曲線與傳統(tǒng)汽輪機(jī)氣耗量特性曲線（連續(xù)的二次函數(shù)）有所不同。主要原因是聯(lián)合循環(huán)機(jī)組負(fù)荷在130～240 MW之間時(shí)，汽輪機(jī)處于停機(jī)過(guò)程，燃?xì)廨啓C(jī)的功率不變，所以這段時(shí)間的氣耗量也是不變的。因此，需要對(duì)氣耗量特性曲線進(jìn)行分段處理。

其中，P3為聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的解列負(fù)荷；Psteamstop為汽輪機(jī)停機(jī)結(jié)束時(shí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的負(fù)荷；Psteamstart為汽輪機(jī)停機(jī)開(kāi)始時(shí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的負(fù)荷；PB為聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的基本負(fù)荷。

圖3 氣耗量特性曲線Fig.3 Characteristic curve of gas consumption

1.3 機(jī)組氣耗量特性曲線修正

式（4）為基本設(shè)計(jì)負(fù)荷下的氣耗量特性曲線，需要將其修正到實(shí)際運(yùn)行的工況中。

由文獻(xiàn)［24］可知，設(shè)計(jì)工況下的熱耗量與實(shí)際工況下的熱耗量關(guān)系如式（5）所示，設(shè)計(jì)工況和實(shí)際工況下熱耗量與氣耗量之間的關(guān)系分別如式（6）、（7）所示。

其中，HC、HCB分別為實(shí)際工況、設(shè)計(jì)工況下的熱耗量；F、FB分別為實(shí)際工況、設(shè)計(jì)工況下的總氣耗量；LHV、LHVB分別為實(shí)際工況、設(shè)計(jì)工況下的天然氣低位發(fā)熱量；fHC為熱耗量修正系數(shù)。由式（5）—（7）可以得到設(shè)計(jì)工況與實(shí)際工況下總氣耗量之間的關(guān)系：

設(shè)計(jì)工況與實(shí)際工況下的功率關(guān)系如式（9）所示，式（10）為設(shè)計(jì)工況下的氣耗量特性曲線。

其中，fP為功率修正系數(shù)；P為實(shí)際工況下的功率。

由式（8）—（10）可得到實(shí)際工況下修正的氣耗量與功率之間的耗量特性曲線：

則實(shí)際條件下的氣耗量特性曲線為：

2 機(jī)組停機(jī)過(guò)程優(yōu)化

2.1 單臺(tái)機(jī)組停機(jī)過(guò)程優(yōu)化

根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)的性能特點(diǎn)可知，機(jī)組運(yùn)行的功率越大，其發(fā)電的效率越高，氣耗量越低，當(dāng)機(jī)組以基本負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，其發(fā)電效率最高。所以，為了利用剩余的天然氣發(fā)出最多的電量，應(yīng)該按照先以最大的升負(fù)荷率升負(fù)荷運(yùn)行，接著以最大的負(fù)荷運(yùn)行，最后再以最大的降負(fù)荷率降負(fù)荷運(yùn)行，證明如下。

假設(shè)剩余天然氣量足夠的多，且能夠完成如圖4所示的機(jī)組“升負(fù)荷-維持基本負(fù)荷-降負(fù)荷”運(yùn)行過(guò)程，為便于后面的描述，將升負(fù)荷記為運(yùn)行過(guò)程1，維持基本負(fù)荷記為運(yùn)行過(guò)程2，降負(fù)荷記為運(yùn)行過(guò)程3。

由圖4可分別求出機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程1、2、3中的氣耗量和發(fā)電量。

機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程1的氣耗量為：

其中，P1為機(jī)組開(kāi)始進(jìn)入停機(jī)優(yōu)化時(shí)的功率；Sup為機(jī)組升負(fù)荷時(shí)的升負(fù)荷率。

機(jī)組運(yùn)行過(guò)程1中，機(jī)組的起始負(fù)荷已超過(guò)了汽輪機(jī)停機(jī)開(kāi)始時(shí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的負(fù)荷。將式（13）所示分段函數(shù)的高負(fù)荷段的氣耗量特性曲線代入式（14）可推導(dǎo)出過(guò)程1的氣耗量為：

令，可得到機(jī)組運(yùn)行過(guò)程1的氣耗量為：

其中，K1≥0且與Sup無(wú)關(guān)。

機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程1中的發(fā)電量E1等于圖4中梯形S1的面積，即：

聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的氣耗量特性曲線是分段函數(shù)，與傳統(tǒng)汽輪機(jī)耗量特性曲線不同。因此，機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程3的氣耗量為：

其中，Sdown為機(jī)組降負(fù)荷時(shí)的降負(fù)荷率。

將式（13）耗量特性曲線代入式（18）得：

其中，K3≥0且與Sdown無(wú)關(guān)。

機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程3中的發(fā)電量E3等于圖4中梯形S3的面積，即：

機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程2中的發(fā)電量為：

由式（17）、（22）可求得機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程 1和運(yùn)行過(guò)程2的總發(fā)電量為：

將式（16）代入式（23）得：

則進(jìn)一步計(jì)算出機(jī)組運(yùn)行過(guò)程1和運(yùn)行過(guò)程2的總發(fā)電量為：

由運(yùn)行過(guò)程2的發(fā)電量式（22）可知，式（25）中的為機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程1和運(yùn)行過(guò)程2中均以基本負(fù)荷運(yùn)行的總發(fā)電量。但是在實(shí)際情況下，由式（23）中的 E1，2可知，運(yùn)行過(guò)程 1 是升負(fù)荷過(guò)程，功率是小于基本負(fù)荷的，則可推導(dǎo)出發(fā)電量E1，2是小于發(fā)電量的，進(jìn)而可計(jì)算出式（27）中的E′1，2＜0。

由式（21）、（22）可求得機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程 2和運(yùn)行過(guò)程3的總發(fā)電量為：

將式（20）代入式（28）得：

則機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程2和運(yùn)行過(guò)程3的總發(fā)電量為：

由運(yùn)行過(guò)程2的發(fā)電量式（22）可知，式（30）中的為機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程2和運(yùn)行過(guò)程3中均以基本負(fù)荷運(yùn)行的總發(fā)電量。但是由式（28）中的E2，3可知，在實(shí)際情況下，運(yùn)行過(guò)程3是降負(fù)荷過(guò)程，功率是小于基本負(fù)荷的，則可推導(dǎo)出發(fā)電量E2，3是小于發(fā)電量的，進(jìn)而可計(jì)算出式（32）中的E′2，3＜0。

由式（17）、（21）和（22）可求得機(jī)組整個(gè)運(yùn)行過(guò)程的總發(fā)電量為：

將式（16）、（20）代入式（33）可得：

將式（26）、式（31）代入式（34）可得：

前文已計(jì)算出 E′1，2和 E′2，3都是小于零的參數(shù)，由式（35）可知，總的發(fā)電量 E1，2，3是關(guān)于變量 Sup和Sdown的一個(gè)遞增函數(shù)，如果要使 E1，2，3值最大，則需要令變量Sup和Sdown同時(shí)取最大值。所以要使得一臺(tái)機(jī)組在整個(gè)剩余天然氣量下的發(fā)電量最多，則機(jī)組在保證能夠安全停機(jī)的條件下，一開(kāi)始時(shí)就必須要升負(fù)荷運(yùn)行，而且要以最大的升負(fù)荷率升負(fù)荷；在降負(fù)荷過(guò)程中，則必須以最大的降負(fù)荷率來(lái)降負(fù)荷運(yùn)行。

2.2 多臺(tái)機(jī)組停機(jī)過(guò)程優(yōu)化

對(duì)多臺(tái)運(yùn)行中的機(jī)組，令其中的2臺(tái)參與“升負(fù)荷-維持基本負(fù)荷-降負(fù)荷”這一停機(jī)過(guò)程，由于環(huán)境及其他因素的影響，機(jī)組的性能不同，所以會(huì)有一臺(tái)機(jī)組的單位電量氣耗量更小，可將較差機(jī)組參與該停機(jī)過(guò)程而多耗的天然氣量都投入到較好機(jī)組的運(yùn)行中，以提高總的運(yùn)行效率。當(dāng)N臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，對(duì)每臺(tái)運(yùn)行的機(jī)組都采用“升負(fù)荷-維持基本負(fù)荷-降負(fù)荷”方式進(jìn)行停機(jī)，然后計(jì)算它們各自的發(fā)電量，通過(guò)比較，發(fā)電量最大的機(jī)組采用該方式進(jìn)行停機(jī)，其他機(jī)組則直接馬上停機(jī)。這樣，N臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，可排列組合出多種運(yùn)行方案，可通過(guò)比較其發(fā)電量來(lái)獲得最優(yōu)的結(jié)果。多臺(tái)機(jī)組停機(jī)過(guò)程優(yōu)化的具體流程如圖5所示。

首先從SIS系統(tǒng)的PI數(shù)據(jù)庫(kù)中，讀取機(jī)組運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)，遍歷計(jì)算所有機(jī)組的性能指標(biāo)，得到各臺(tái)機(jī)組的氣耗量特性曲線。然后遍歷計(jì)算每一臺(tái)機(jī)組完成運(yùn)行過(guò)程1的氣耗量F1和完成運(yùn)行過(guò)程3的氣耗量F3、其他機(jī)組從當(dāng)前負(fù)荷馬上停機(jī)的總氣耗量Fr及N臺(tái)機(jī)組解列所需天然氣量NFm，如果給定的總剩余天然氣量 Fs大于 F1、F3、Fr、NFm之和，則遍歷計(jì)算的這臺(tái)機(jī)組能夠按照?qǐng)D4中的“升負(fù)荷-維持基本負(fù)荷-降負(fù)荷”過(guò)程運(yùn)行，其中維持基本負(fù)荷運(yùn)行的天然氣量為Fs-F1-F3-Fr-NFm，同時(shí)分別計(jì)算這臺(tái)機(jī)組在“升負(fù)荷-維持基本負(fù)荷-降負(fù)荷”運(yùn)行過(guò)程中的發(fā)電量。如果 Fs小于 F1、F3、Fr、NFm之和，則說(shuō)明這臺(tái)機(jī)組無(wú)法升負(fù)荷到基本負(fù)荷，只能按照?qǐng)D4中的“升負(fù)荷-降負(fù)荷”過(guò)程運(yùn)行，具體能夠上升的最大負(fù)荷值用插值法來(lái)計(jì)算。同時(shí)也分別計(jì)算這臺(tái)機(jī)組在“升負(fù)荷-降負(fù)荷”運(yùn)行過(guò)程中的發(fā)電量。在遍歷計(jì)算所有機(jī)組進(jìn)行上述運(yùn)行過(guò)程后，比較所有機(jī)組的發(fā)電量，可以得知發(fā)電量最大的機(jī)組，其綜合性能指標(biāo)比較好，因此選擇發(fā)電量最大的機(jī)組進(jìn)行圖4中的“升負(fù)荷-維持基本負(fù)荷-降負(fù)荷”過(guò)程運(yùn)行，其他機(jī)組則在當(dāng)前的負(fù)荷下馬上進(jìn)入安全停機(jī)運(yùn)行。最后計(jì)算各臺(tái)機(jī)組在不同時(shí)刻的負(fù)荷值、發(fā)電量值和氣耗量值，并用Flash控件直觀地顯示出來(lái)，以指導(dǎo)運(yùn)行人員完成各臺(tái)機(jī)組的停機(jī)優(yōu)化。

圖5 多臺(tái)機(jī)組停機(jī)過(guò)程優(yōu)化流程圖Fig.5 Flowchart of shutdown optimization for multiple units

3 計(jì)算與討論

按照上述的停機(jī)優(yōu)化方法，本文以Visual C#為平臺(tái)，基于瀏覽器/服務(wù)器（B/S）模式開(kāi)發(fā)了計(jì)算程序。開(kāi)始計(jì)算前，用戶(hù)設(shè)置好需要進(jìn)行停機(jī)優(yōu)化計(jì)算的剩余天然氣量以及機(jī)組最大的升負(fù)荷率和最大的降負(fù)荷率，同時(shí)選擇機(jī)組的停機(jī)方式（優(yōu)化停機(jī)和正常停機(jī)）。程序首先從SIS系統(tǒng)的PI數(shù)據(jù)庫(kù)中，讀取每臺(tái)機(jī)組的性能指標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)（天然氣流量和低位發(fā)熱量、當(dāng)前功率、機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行小時(shí)數(shù)）和大氣環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)（大氣溫度、大氣壓力）。將本文停機(jī)過(guò)程優(yōu)化方法應(yīng)用到某電廠的3臺(tái)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的停機(jī)過(guò)程優(yōu)化中。該廠各臺(tái)機(jī)組最大升、降負(fù)荷率分別為600 MW/h和540 MW/h，設(shè)計(jì)工況和實(shí)際工況下的天然氣低位發(fā)熱量分別為48686.3 kJ/kg和46500 kJ/kg，程序從電廠PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取大氣溫度和壓力分別為20℃和101.01 kPa，機(jī)組運(yùn)行小時(shí)數(shù)為2000 h，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)機(jī)組的當(dāng)前功率分別為270 MW、350 MW、300 MW。根據(jù)文獻(xiàn)［24］中大氣溫度、壓力和機(jī)組運(yùn)行小時(shí)數(shù)等因素將機(jī)組設(shè)計(jì)工況下的基本負(fù)荷389 MW修正到實(shí)際工況的基本負(fù)荷為378 MW，同時(shí)得到修正后實(shí)際工況下的氣耗量特性曲線如式（36）所示。

在上述基本運(yùn)行參數(shù)下，自主編制計(jì)算程序，按照機(jī)組停機(jī)過(guò)程優(yōu)化的方法，計(jì)算總的剩余天然氣量為105m3時(shí)，2號(hào)機(jī)組的發(fā)電量最大。因此，2號(hào)機(jī)組按照?qǐng)D4中的“升負(fù)荷-維持基本負(fù)荷-降負(fù)荷”過(guò)程運(yùn)行，1號(hào)、3號(hào)機(jī)組在當(dāng)前的負(fù)荷下立刻停機(jī)。

各臺(tái)機(jī)組和所有機(jī)組總的發(fā)電量與不同機(jī)組升、降負(fù)荷率的關(guān)系分別如圖6和圖7所示。由圖6可知，隨著升負(fù)荷率的增加，2號(hào)機(jī)組的發(fā)電量和總的發(fā)電量略有增加，最大的增長(zhǎng)量為0.049 MW·h。由于1號(hào)和3號(hào)機(jī)組在當(dāng)前的負(fù)荷下立刻停機(jī)，因此，隨著升負(fù)荷率的增加，這2臺(tái)機(jī)組的發(fā)電量沒(méi)有變化。

圖6 發(fā)電量隨升負(fù)荷率的變化Fig.6 Curves of power generation vs.load-up rate

圖7 發(fā)電量隨降負(fù)荷率的變化Fig.7 Curves of power generation vs.load-down rate

從圖7所示的各臺(tái)機(jī)組發(fā)電量與降負(fù)荷率的關(guān)系可以看出，隨著降負(fù)荷率的增加，1號(hào)和3號(hào)機(jī)組的發(fā)電量呈直線趨勢(shì)下降，而2號(hào)機(jī)組的發(fā)電量呈直線趨勢(shì)增長(zhǎng)，總的發(fā)電量也是處于直線增長(zhǎng)的趨勢(shì)中。在不同的降負(fù)荷率變化中，總發(fā)電量最大增長(zhǎng)值為28.409 MW·h。在停機(jī)過(guò)程中，機(jī)組以最大降負(fù)荷率停機(jī)比以最小降負(fù)荷率停機(jī)多發(fā)出28.409 MW·h的電量。按每年停機(jī)250次來(lái)計(jì)算，每年可多發(fā)電7102.25 MW·h電量，按 674元/（MW·h）上網(wǎng)電價(jià)計(jì)算，每年可增加478.692萬(wàn)元的收益。

圖8為2013年4月27日該電廠3臺(tái)機(jī)組最優(yōu)停機(jī)過(guò)程中，每臺(tái)機(jī)組不同時(shí)間點(diǎn)的功率、發(fā)電量和氣耗量的Flash顯示圖。圖中，10:18時(shí)總理論發(fā)電量為359091MW·h，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)機(jī)組的理論發(fā)電量分別為6685 MW·h、209741 MW·h、825 MW·h；1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)機(jī)組的理論功率分別為0 MW、6622MW、0 MW；總理論氣耗量為1.414×106Nm3。

圖8 停機(jī)過(guò)程最優(yōu)結(jié)果Flash顯示Fig.8 Results of optimized shutdown shown in Flash

4 結(jié)論

基于發(fā)電量最大的原則，通過(guò)對(duì)所有機(jī)組進(jìn)行綜合性能分析計(jì)算，在保證機(jī)組安全停機(jī)的前提下，建立了單臺(tái)和多臺(tái)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的停機(jī)過(guò)程優(yōu)化模型，優(yōu)化分配各臺(tái)機(jī)組停機(jī)的氣耗量，以產(chǎn)生最大的經(jīng)濟(jì)效益。依據(jù)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的停機(jī)過(guò)程優(yōu)化模型，開(kāi)發(fā)了停機(jī)過(guò)程優(yōu)化實(shí)現(xiàn)程序。對(duì)某廠的3臺(tái)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在不同的升負(fù)荷率和降負(fù)荷率下的計(jì)算表明，總發(fā)電量受升負(fù)荷率的變化影響不大，但是受降負(fù)荷率的影響很大。在剩余天然氣量為105m3時(shí)，優(yōu)化后停機(jī)方案總發(fā)電量多了28.409 MW·h，年收益可增加478.692萬(wàn)元。

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