（动力机械及工程专业论文）循环水系统运行优化的研究与应用.pdf

摘要 题名 姓名 导师 学校 正文： 摘要 循环水系统运行优化的研究与应用 王秋东 徐治皋( 教授) 东南大学 循环水系统运行优化对机组的安全、经济运行具有重要意义。循环水系统为机组提供了大量冷 却水，同时也消耗很大一部分厂用电。因此循环水系统的运行优化引起了厂家和有关部门的重视。 由于循环水系统运行优化涉及凝汽器、汽轮机等复杂的热力系统及其热力特性，同时还与优化的评 价模型相关，所以目前循环水系统大多处于粗调或不调的状态。 随着信息化技术的不断发展，电基本都配置了数据采集系统，积累了大量系统运行的历史数 据。本文以数据为基础，结合相关系统的热力特性，建立了比较实用的循环水系统运行优化方法。 对凝汽器的真空特性、汽轮机的功率微增特性以及循环水系统的优化模型及优化方法等方面的内容 进行了深入的研究，提出了可行的解决方案。 研究了基于软测量技术的凝汽器真宅特性模型。介绍了凝汽器系统的变工况计算方法：讨论了 软测量建模的基本原理、典型流程以及主要方法等内容；分别建立了基于c r f n n 和回归分析的凝 汽器真空特性软测量模型；在此基础上，结合数据融合技术的优点，提出了基于数据融合的凝汽器 真空特性软测量模型。 研究了汽轮机功率微增特性的软试验方法。介绍了汽轮机热力系统变工况计算方法，并对计算 结果进行了分析和讨论，得到了汽轮机背压变化与功率微增变化之间的一般关系：讨论了汽轮机运 行稳定工况的特征、判断方法及稳定工况数据的提取流程；提出了基于软测量模型的数据检验方法， 并给出了应用实例：研究了汽轮机运行相似工况的特征、判断方法以及相似工况数据的提取流程； 讨论了汽轮机功率微增特性软试验的步骤，结合现场数据，给出了某厂汽轮机功率微增特性软试验 的应用实例。 结合现场应用，分析了循环水系统的优化内容、影响因素以及评价模型，在此基础上提出了简 化经济模型：在凝汽器真空特性软测量模型及汽轮机功率特性数据的基础上，借助简化经济模型， 讨论了循环水系统的实时优化和区域优化方法。以某电厂3 0 0 m w 机组循环水系统运行优化为例， 分析了实时优化方法在某次循环水系统运行方式切换中的应用，并对系统优化的效果进行了讨论。 关键词：电站，循环水系统，运行优化，汽轮机系统，凝汽器系统，软测量，数据挖掘 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eo p e r a t i n go p t i m i z a t i o no f t h ec o o l i n gw a t e rs y s t e m ( c w s ) o c c u p i e sas i g n i f i c a n tp l a c ei nt h es a f e a n de c o n o m i co p e r a t i o no ft h ep o w e rp l a n t t h ec w s p r o v i d e sa d e q u a c yc o o l i n gw a t e rf o rt h eu n i ta n da t t h em e a n w h i l e ，c o n s u m i n gal o to fe l e c t r i c i t y , s ot h ea p p l i c a t i o no ft h ec w s o p e r a t i n go p t i m i z a t i o nh a s a r o u s e df u l la t t e n t i o no fb o t hp o w e rp l a n t sa n d o p e r a t i n gc r e w s n o w a d a y st h ec w so p e r a t i n g o p t i m i z a t i o ni so n l yb a s e do nr o u g ht u n i n go re v e nl e a v e si ta l o n e ，b e c a u s eo ft h ec o m p l e xr e l a t i o na m o n g t h ec w s o p t i m i z a t i o n ，t h e r m a ls y s t e m sa n dc h a r a c t e r so fc o n d e n s e r , t u r b i n ea n de t c a sw e l la st h em o d e l s f o rs y s t e mo p t i m i z a t i o ne v a l u a t i n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a li n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , m o s to ft h e p o w e rp l a n t sp o s s e s st h ed a t ac o l l e c t i o ns y s t e m sa n dc o l l e c t e dp l e n t ys y s t e mo p e r a t i o nh i s t o r i c a ld a t a 1 1 1 i s d i s s e r t a t i o ni sb a s e do nd a t aw i t hr e l a t e ds y s t e m sc h a r a c t e r s ，a n df o r m sa p r a c t i c a lc w so p e r a t i n g o p t i m i z a t i o na p p r o a c hc o m p a r a t i v e l y t h ec o m p o s i n go ft h ec w s ，t h er e l i a b i l i t i e so fr e a lo p e r a t i o nd a t a , t h ep o w e rc h a r a c t e r so ft u r b i n e s ，t h ev a c u u mc h a r a c t e r sa sw e l la st h eo p t i m i z a t i o nm o d e l sf o rt h ec w s a n de t ca r ed e e p l yd i s c u s s e dw i t hap r a c t i c a ls o l u t i o np r o m o t i o n a saf o l l o w i n g ，ac o n d e n s e rv a c u u mc h a r a c t e r ( c v c ) m o d e lb a s e do nd a t af u s i o ni sp r o p o s e d t h e d a t af u s i o ni sa b l et oa c q u k em o r ea c c u r a t em e a s u r er e s u l t st h a nt h ea r i t h m e t i ca v e r a g e sb a s e do nl i m i t e d s e r l s o r s t h e na f t e rt h ea n a l y s i sf o ri m p a c tf a c t o r so fc v c ，ab l a c k b o xm o d e lf o rc o n d e n s e rv a c u u m c h a r a c t e r sb a s e do nc r f n nn e tw o r ki sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ep a r a m e t e rr e l a t i o n sa sw e l la s t h ec o n d e n s e rv a c u u mc h a r a c t e rm o d e la r eb r o u g h tf o r w a r dw i t hab a s i so fs t a t i s t i c a la n a l y s i s a sa c o n s e q u e n c e ，am o r ea c c u r a t ec o n d e n s e rv a c u u mc h a r a c t e rm o d e li sp r o p o s e d ，w h i c hi sb a s e do nt h et w o t y p e sm o d e l sa b o v ew i t hd a t af u s i o n i ns u c c e s s i o n ，as o f t - t r a i la p p r o a c hb a s e do nr e a lo p e r a t i o nt r i a l sc o m b i n gt h ea d v a n t a g e so fd a t a m i n i n gi sp r o p o s e df o rt h ec o n v e n i e n c eo ft u r b i n ep o w e rp e r f o r m a n c e so b t a i n i n g t h ep r o p o s e dw a y e x t r a c t si n f o r m a t i o no fs t a b l es y s t e mc o n d i t i o n sb a s e do ns y s t e mh i s t o r i c a ld a t a ，a n do b t a i n sa p p r o x i m a t e s y s t e mc o n d i t i o n s ，t h e r e b ya c q u i r e st u r b i n ep o w e rp e r f o r m a n c e s h e n c e ，at e s tm e t h o df o rs t a b l ec o n d i t i o n s a n dt h e i rp e r f o r m a n c e si sb r o u g h tf o r w a r d f i n a l l yas i m p l i f i e de c o n o m i c a lm o d e lf o rt h ep r a c t i c a lo p e r a t i n go p t i m i z a t i o no fc w si sp r o p o s e d a f t e rt h ea n a l y s i so ft h eo p t i m i z a t i o ni s s u eo v e rt h ec w s ，t h ei m p a c tf a c t o r sa n de v a l u a t i o nm e t h o d s a r e a l - t i m ea n dr e g i o n a lo p t i m i z a t i o na p p r o a c hf o rt h ec w si sb r o u g h tf o r w a r db a s e do nt h ec v cm o d e la n d t u r b i n ep o w e rp e r f o r m a n c e sw i t ht h es i m p l i f i e de c o n o m i c a lm o d e l t a k eo n e3 0 0 m wu n i tc w so fap o w e r p l a n ta sa ne x a m p l e ，t h ea p p l i c a t i o no fr e a l t i m eo p t i m i z a t i o nm e t h o dt ot h eo p e r a t i o np r o c e s ss w i t c ho ft h e c w si sa n a l y z e dw i t hi l l u s t r a t i o n so f t h es y s t e mo p t i m i z a t i o nr e s u l t s k e y w o r d s ：p o w e rp l a n t ，c o o l i n gw a t e rs y s t e m ，o p e r a t i n go p t i m i z a t i o n ，t u r b i n es y s t e m ，c o n d e n s e r s y s t e m ，s o rm e a s u r e ，d a t am i n i n g 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：主丛垒日期：噬y 伽 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名感师签名：日期醴墨：! ：妒 第一章绪论 第一章绪论 1 1 循环水系统运行优化的背景和意义 电力是现代社会使用最广泛的二次能源，电力t 业则是关系国计民生的重要基础产业和公用事 业。随着我国国民经济的迅速发展，市场对电力的直接和潜在需求呈迅速上升的趋势，现代电力工 业成为我国规模巨大、发展迅速的先行行业。火力发电在我国电力工业中占绝对主导地位，因此火 电机组的安全、经济运行对国民经济和人民生活有很大的影响儿引。 从全国电力市场的整体情况来看，最近几年电力供需矛盾十分明显，严重影响了国民经济的发 展。因此，我国的电力工业，一方面要努力“开源”，增加装机容量：另一方面还要努力“节流”。 “节流”从电力用户方面考虑就是要厉行节约，采用各种节能措施：从电力生产企业考虑就是要深 入研究发电机组的安全高效运行，在保证牛产安全的前提下，降低能耗，提高电能牛产效率。我国 的电力生产结构以火电为主，占装机容量的7 5 以上；火力发电厂的发电煤耗相比世界先进国家， 还是比较高的，2 0 0 5 年供电标准煤耗率达至u 3 7 4 9 k w h ，比世界先进水平高出约6 0 9 k w h ，节能潜力 巨大p j 。国家发展改革委员会在节能中长期专项规划中提出至l j 2 0 l o 年将供电标准煤耗率降到 3 6 0 9 k w h ，到2 0 2 0 年降到3 2 0 9 l ( 、1 1 1 4 j ，显然现在距离这一目标还有比较大的差距。 从电力企业自身考虑，随着电力工业的进一步发展和改革，电网中大容量的火电机组数量迅猛 增加，以电厂为单位的电力食业逐步从单一的计划经济向竞争激烈的市场经济转变，“厂网分离，竞 价上网”的逐步实施，使得电力企业管理人员的主要课题己从过去保证机组安全运行，转化为要求 机组安全和经济运行。机组运行的经济性要求降低运行成本，以最少的投入，获得最大的利益。大 容量机组运行的经济性不仅与机组设备( 包括主机和辅机) 的性能有关，而且还与机组设备的运行 方式是否合理密切相关，其中主要辅机的运行方式对机组的经济性影响较大l ，j 。 循环水系统是火电厂的一个重要辅助系统，循环水泵作为主要的辅机，消耗很大一部分厂用电。 有统计数字表明：3 0 0 m w 的单元机组，循环水系统耗电量占总发电量的1 5 2 【6 j 。优化循环水系 统的运行方式，可以使机组的经济性相对提高，从而产生可观的经济效益。因此在循环水系统中合 理的采用新技术，改善设备状态，优化设备运行方式，从而降低循环水系统的整体能耗宵很重要的 意义。通过技术改造或创新，降低机组运行成本，提高机组运行的经济性，既符合电力企业自身发 展需要，也符合国家侣导的“提高能源利用效率，建立集约型增长模式”的要求p j 。 长期以来，循环水系统的运行优化一直是电厂管理人员十分关注的问题。由于种种原因，目前 各电厂循环水系统的运行方式缺乏操作依据，对循环水流最的调节相当粗略，并带有一定的随意性， 循环水系统远未达到经济运行，造成了能源的极大浪费。通常，在机组达到最佳真空之前，对于超 临界机组背压每变动l k p a ，将影响汽机出力- t - ( 1 一2 ) ，而改变循环水流鼍是改变汽轮机背压的 主要手段【7 1 。因此，在运行中对循环水系统的运行方式进行优化，提高机组运行的经济性，具有较 大的空间。由此可见，深入地研究循环水系统运行优化的内容和方法具有很好的现实意义。 1 2 循环水系统运行优化的研究现状 循环水系统的优化包括设备优化和运行优化两个方面，设备优化为运行优化提供了可能性，也 为管理节能创造了空间。对于已投用的循环水系统，运行优化是循环水系统优化的主体。循环水系 统运行优化的主要内容是，调整循环水泵组的运行方式，改变凝汽器的运行工况，从而改变汽轮机 的微增出力，综合考虑各种因素的影响，使系统具有更好的热效率或经济性。因此，循环水系统的 运行优化涉及凝汽器真空特性、汽轮机功率微增特性、循环水系统功率流最特性以及循环水管路等 诸多系统的多个方面。本节主要介绍了凝汽器系统真空特性、汽轮机功率微增特性以及循环水系统 运行优化的研究现状和存在的问题。 东南大学硕士学位论 1 2 1 凝汽器系统真空特性的研究现状 凝汽器真空反映了凝汽器在运行中的性能状态，凝汽器真空特性则综合反映了凝汽器在变工况 条件下循环水流量、循环水入口温度、凝汽器热负荷以及凝汽器自身状况等因素之间的关系。 很多学者对凝汽器真空进行了广泛和深入地研究。文献【9 】通过对某机组凝汽器真空低的各种外 在现象进行分析和讨论，提出了解决实际问题的方法。文献【1 0 系统的分析某3 0 0 m w 机组凝汽器真 空低的各种原因，并针对上述原因提出的具体的改进措施，改进效果良好。文献f 1 1 】为了使凝汽器真 空降低得到显著的治理效果，分析了影响凝汽器真空的各种凶素及计算公式，得出了不同因素影响 率间的相对关系。在此基础上提出以f 盘作为凝汽器真空偏低治理方案的依据，根据某6 0 0 m w 机 组真空降低时的运行数据，利用上述判据确定了解决该机组真空偏低的方案，并给出了相应的措施， 实践证明利用该判据确定的治理方案可使凝汽器真空得到显著提高。文献 1 2 】为使在设计与运行中能 更好地理解和掌握调节真空的手段，对真空主要影响因素的机理进行分析，提出真空变化的计算公 式，并通过具体机组数据( 引进型3 0 0 m w 机组) 说明各主要影响因素单独作小量改变时真空的变 化程度。文献【1 3 1 在确定凝汽器最佳真空时考虑了循环水的费用、汽轮机排汽阻力、锅炉补充水、抽 气器( 或真空泵) 耗功、凝结水的溶氧量、凝汽器水侧管壁的清洁系数、循环水最低流速和凝结水 过冷度等冈素，使得计算结果更接近最优值。文献 1 4 1 通过对扬子石化热电厂型号相同、在同一循环 水管路卜的拌5 、 f 6 机组进行对比试验，计算出相关因素对机组真空的影响程度，分析h 凝汽器铜管 结垢严重是 5 机组真卒低的主要原因，提出了改进撑5 机组真空低的有关措施与建议。文献【】5 】针对 某机组凝汽器真空低的各种因素对汽轮机经济性的影响进行了分析和讨论，并提出了相席的解决措 施。文献f 1 6 】阐述了电力市场环境下，基于热经济件最佳的凝汽器最佳真窄传统定义在实际应用中存 在的局限性，提出了基于最大赢利的凝汽器最佳真窄新定义，分析了两种最佳真空定义的相互关系， 以某公司两台3 0 0 m w 汽轮发电机组为例，说明了新定义在发电运营实践中的具体应用方法。文献 1 7 】 首先对汽轮机排汽阻力等因素对凝汽器最件真空的影响进行了分析，给出了凝汽器真空变化后凝结 水过冷度及凝结水含氧量的计算方法，然后提出了一种新的凝汽器最佳真空的确定方法，该方法将 上述因素考虑进去，得到真正意义上的综合最佳真空及循环水优化分配方法，使优化的准确度得到 进一步提高。文献1 8 】针对现有凝汽器最佳真空的确定方法只适用于凝汽器水侧管壁清洁、汽轮机真 空系统严密性或抽气设备运行性能i f 常的工况，提出了一种新的凝汽器最佳真空的确定方法，该方 法利用凝汽器综合清洁系数来体现凝汽器水侧管壁赃污程度、汽轮机真空系统严密性及抽气设备运 行性能对最佳真空的影响，从而提高了最佳真空的确定精度。文献【2 0 】通过凝汽器变工况计算方法， 确定凝汽器真空的应达值。文献【1 9 】在分析凝汽器真空各个影响因素的基础上，利用支持向量机回归 建立了凝汽器真空应达值的确定方法。 目前对凝汽器真空的研究主要集中在凝汽器最佳真空的定义、凝汽器真卒的应达值以及凝汽器 真空低的原因分析等方面，对凝汽器在变j 二况运行中凝汽器真空的估计值研究较少，目前主要的方 法是凝汽器变- 亡况计算，离实际应用还有一定的距离。 1 2 2 汽轮机功率微增特性的研究现状 汽轮机系统的功率微增特性，是循环水系统运行优化的基础。汽轮机功率微增特性可以表述为 汽轮机在某一新蒸汽参数和流量时，汽轮机组输出的功率和汽轮机排汽压力之间的关系j 。 汽轮机系统的功率特性一般可参考汽轮机厂家的热力特性曲线、现场热力试验结果、变工况计 算和末级核算结果等。很多学者对汽轮机系统功率特性的相关内容进行了深入的研究和探讨。李勇 睇叫等分析了背压变化对汽轮机热经济性的影响，比较了热力学方法和详细热力计算方法之间的区别： 付昶【2 7 】等比较了变工况计算结果、汽轮机厂家的热力特性资料以及末级核算结果之间的区别，并提 出了一种简化算法：李秀云【2 8 】等以汽轮机变工况为基础，应用等效焓降理论确定排汽压力变化对经 济性的定量影响；林湖【2 9 】等把机组变工况和热力系统变工况理论结合起来，对系统进行分析计算， 对现有的通用曲线进行修正，提高了计算的实用性和精确度，扩大了计算的适应范围；曹丽华p w 等 分析了采用热力学方法、汽轮机原理方法、回热系统热平衡法和等效焓降法计算背压变化对汽轮发 电机组电功率的影响，并对结果进行了比较，指出等效焓降法是一种既便捷又准确的计算方法；董 丽娟【3 l 】【3 2 3 3 1 等以汽轮机功率方程为基础，根据汽轮机变工况原理以及各参数之间的内在关系，将背 压变化的全过程分为亚临界工况和超临界工况，对末级进行分析计算，推导了功率增量的计算公式， 第一章绪论 确定了汽轮机功率微增特性的修正曲线；杨海生【3 4 l 等提出了种校核汽轮机低压缸排汽压力修正曲 线的简化计算方法；朱鹏【3 5 1 对汽轮机功率微增特性的理论计算、试验方法以及试验内容进行了归纳 和总结，并介绍了汽轮机功率微增特性曲线的绘制方法。 总的来说，工程上确定汽轮机背压变化对汽轮机功率微增影响的主要方法有：热力试验法、热 力学方法、回热系统热平衡法、汽轮机原理方法和等效焓降法。从理论上来讲，通过热力试验的方 法来确定汽轮机排汽压力变化对汽轮机功率微增的影响是最可靠的方法，结果也最符合实际。但事 实上，由于试验过程中终参数的允许变化范围不大，并且很难保持其它运行参数始终不变，而只有 背压在控制下变化，因而也将引起误差【27 。汽轮机变工况计算通常都是逐级进行的详细计算，其准 确性和可靠性较高，但计算繁杂，所需的原始资料繁多。虽然使用计算机将使这种计算变的方便， 但与热力系统计算的任务相比仍然繁重，有时会因原始资料不足而无法完成计彭2 8 1 。汽轮机厂家提 供的热力特性资料具有一定的参考价值，由于机组在安装、调试及运行过程中，已不能保持原有的 系统状况，随着运行时间的久远，可参考性也在降低。 1 2 3 循环水系统运行优化的研究现状 目前已见国外的相关文献报道前苏联、德国等应用计算机确定循环水系统运行方式的研究，并 在一些电厂付诸实施。8 0 年代初，国内开始涉足电厂循环水系统的运行优化领域。9 0 年代末，国内 有关火电厂水循环系统运行优化的研究活跃起来，文献、报道数量大增，这与电力工业加快改革步 伐，实现电力重组、竞价上网机制有关。 文献 3 6 1 以某厂2 2 0 m w 机组为例，结合凝汽器和汽轮机变工况计算，给出了机组在不同主汽流 量和循环水进水温度下操作性较强的循环水泵最佳运行方式以及与此方式对应的最佳真窄。文献 3 7 】 针对3 0 0 m w 机组讨论了一种简单的由循环水进水温度决定循环水泵运行方式的方法。文献 3 8 1 建立 了一个3 0 0 m w 机组的可视化循环水系统运行优化软件并投入现场应用。文献 3 9 1 建立了开式循环水 系统的能耗优化模型，并比较了固定叶片循环水泵与可调叶片循环水泵的优化效果对比。文献 4 0 】 基于等效增益点原理提出了一种单元制循环水系统的离散化能耗模型。文献【4 1 1 结合宁夏行嘴山发电 有限公司4 台3 3 0 m w 机组，进行了由单元制到母管制的循环水系统优化尝试，经由现场试验，收到 预期的效果。文献 4 2 1 结合华能南通电厂3 5 0 m w 机组的运行实际，对机组的各个生命周期采用渐进 式循泵经济调度，结合能量法和经济法的各自优点，获得了实效，具有一定的推广意义。文献 4 3 】 结合华能大连电厂根据当地冬夏气温的差异，对冬季运行一台循环水泵的可能性及效果进行了研究。 文献f 4 4 1 对华能石洞v i 第二电厂动叶不可调的开式循环水系统进行能耗优化。文献【4 5 分析了华能玉 环电厂1 0 0 0 m w 机组循环水系统选型问题。文献 4 6 1 分析了变频技术在电厂中的应用和节能前景。文 献 4 7 1 研究了考虑补充水泵因素的循环水系统运行优化。文献 4 8 1 讨论了大型循环水象进水水利条件 的优化设计。文献 4 9 1 利用遗传算法研究了基于变频技术的循环水系统优化问题。文献 5 0 1 针对山东 华能威海电厂1 号机组变频循环水泵，采用闭式控制策略，根据最佳真空对循环水流量进行实时的调 整，现场应用效果显著。文献 5 1 】针对调峰机组运行优化中循环水系统的优化问题进行了研究。文献 5 2 1 以黄台电厂7 号3 0 0 m w 机组为蓝本，以等效增益点原理建立了离散模型的单元制循环水系统的运 行优化策略。文献 5 3 1 对国电吉林热电厂供热汽轮机开式、母管制循环水系统运行优化提出了实施方 案，取得了实际效果。文献 5 4 】对某电厂的各主要用水系统及用水指标进行了研究。文献 5 5 1 对某机 组循环水系统单元制与母管制混合运行优化进行了研究。文献【5 6 】对三河电厂l 号机组循环水控制逻 辑进行优化，获得良好的效果。文献 5 7 1 对某厂母管制循环水系统进行了优化。文献【5 8 】对动叶可调 式循环水泵采用动态规划法对循环水系统进行优化。文献 5 9 1 对循环水水质的优化处理进行了探讨。 循环水系统运行优化的方法丰要有试验法和计算法。试验方法是通过现场机组试验得到机组在 不同负荷、循环水进水温度、循环水流量下的各项指标，建立循环水系统的运行优化策略。计算方 法则通过变工况计算方法建立循环水流量、循环水进水温度和凝汽器真空之间的关系，借助汽轮机 功率微增特性，建立循环水系统的运行优化策略。试验方法和变工况计算方法之间的主要区别在于 优化过程中对凝汽器真空、汽轮机功率微增等特性的处理方式，即：试验方法通过机组现场试验获 得，而计算方法则通过变工况计算获得。 循环水系统的优化模型主要有能耗模型和经济模型。能耗模型建立在传统的能量分析方法基础 上，将优化过程中系统功耗的变化作为循环水系统优化的评价指标。经济模型建立在能量经济分析 法的基础上，将优化过程中系统经济性变化作为评价循环水系统优化效果的指标。相比能耗模型， 东南大学硕士学位论 经济性模型更适合目前市场体系下的发电企业运行模式。 很多学者对循环水系统的运行优化进行了深入和广泛的研究，但大多处于理论分析和数学模型 阶段，与现场循环水系统运行实际还存在较大的差距，真正将其转化为电厂实用技术、参与循环水 系统优化运行管理的实例较少。究其原因，主要是确定与实际参数准确吻合的诸热力设备性能特性 方面存在困难，而这需要持续相当长时间的试验工作。 1 3 论文的主要内容 论文在对国内外研究情况做深入调查和全面总结的基础上，对循环水系统运行优化研究与应用 中的若干问题进行了深入探讨。除本章外，论文主要由凝汽器系统真空特性的研究、汽轮机功率微 增特性的研究、循环水系统运行优化的研究与应用以及结论与展望等四个部分组成，各章内容的逻 辑安排如图1 1 所示。 第二章第三章 i 凝汽器真空特汽轮机功率微 性研究增特性研究 ， 第四章 基于现场数据的循环水系统运行优化 上 第九章 总结与展望 图1 1 各章节内容安排 第二章研究了凝汽器真空特性的软测量建模。凝汽器真空特性对循环水系统运行优化具有重要 意义，本章分析和研究了凝汽器的真空特性，建立了多个凝汽真空特性的软测量模型。首先对凝汽 器系统变丁况计算的内容进行了详细的介绍：讨论了软测量技术的基本原理、典型流程以及主要方 法等内容；利用c r f n n 网络及回归分析分别建立了凝汽器真窄特性的软测量模型；介绍了c r f n n 网络的基本组成、凝汽器真空特性c r f n n 软测量模型的辅助变量选择以及输入变量预处理，详细 分析了c r f n n 网络各种参数的选择和比较，最后给出了现场应用实例；介绍了相关分析及最小二 乘同归的相关内容，对凝汽器真空特性同归分析软测量模型的辅助变量选择、输入变量预处理等内 容进行了论述，最后给出了应用实例：在此基础上，结合数据融合技术的优点，建立了更加准确可 靠的基于数据融合的凝汽器真窄特性软测量模型。仿真验证，基于数据融合的凝汽器真空特性软测 量模型能够较好的反映实际凝汽器的真窄特性。 第三章研究了汽轮机功率微增特性的软试验方法。汽轮机功率微增特性是循环水系统运行优化 的基础，本章分析和研究了汽轮机功率微增特性的相关内容，提出了汽轮机功率微增特性的软试验 方法。首先对汽轮机热力系统变工况计算进行了简单的介绍，讨论和分析了变工况计算的结果，得 到了汽轮机背压变化与功率微增变化之间的一般规律：对汽轮机运行稳定工况的稳定性特征进行了 分析，研究了稳态数据的判断方法，并对稳定工况数据的提取流程进行了介绍；介绍了汽轮机功率 微增特性软试验的试验步骤，并讨论和研究了汽轮机运行相似工况的特征及判定方法，最后结合某 电厂实际，给出了汽轮机功率微增特性软试验的应用。 第四章研究了循环水系统的优化模型及实用方法。循环水系统运行优化是一个典型的优化问题， 本章介绍了循环水系统运行优化的内容、影响因素、优化模型以及优化方法等。针对目前循环水系 统运行优化的现状，提出了基了二现场数据的循环水系统运行优化方法。结合某次循环水系统运行方 式的改变，将该方法应用于实际系统的优化评价。 第一章绪论 第五章结论与展望，总结全文，并指出今后的研究方向。 第二章凝汽器系统真空特性的软测量研究 2 1 引言 第二章凝汽器系统真空特性的软测量研究 凝汽器是凝汽式汽轮机组的重要辅助设备。从传热学观点看，凝汽器是一种热交换设各，它采 用水或空气作为冷却介质，将汽轮机排汽凝结成水并带走凝结时放出的热量；从热力学观点看，凝 汽器在蒸汽动力装置的热力循环中起着冷源的作用。凝汽器的基本任务是使汽轮机排汽凝结咸水， 回收洁净的凝结水作为锅炉的给水，并在汽轮机排汽口建立并保持定的真空。 火电厂凝汽器按照蒸汽的凝结方式可以分为混合式凝汽器和表面式凝汽器。在混合式凝汽器中， 蒸汽和冷却介质发生直接接触，混合式凝汽器具有结构简单、传热系数高、造价便宜等优点：表面 式凝汽器足一种蒸汽和冷却介质不直接接触的换热设备，蒸汽和冷却介质通过第三方介质实现热交 换。按照冷却介质的不同，凝汽器又可以分为空冷式凝汽器和水冷式凝汽器。顾名思义，空冷式凝 汽器的冷却介质是空气，而水冷式凝汽器的冷却介质是水。目前在火电厂得到广泛应用的是表面式 水冷凝汽器，本文主要讨论这种类型的凝汽器。 典型的凝汽器系统辛要r f l 凝汽器丰体、循环水泵、抽气设备、凝结水泵等组成。循环水泵为凝 汽器主体输送大最具有较低温度的冷却水。凝汽器主体是蒸汽和冷却水进行热交换的主要场所，蒸 汽和凝汽器中的冷却管束发生相变换热，冷却管束将这些热量传递给冷却水。凝结水泵不断的从热 井中抽取凝结水，作为锅炉给水输送给回热系统。抽气设备将凝汽器中少量不凝结气体抽出凝汽器， 使凝汽器主体具有较好的传热效果。 汽轮机末级排汽压力对汽轮机系统的热效率具有较大的影响，在相同的主汽流量和参数情况下， 汽轮机排汽压力变化i k p a ，将影响汽轮机出力1 一2 。在火电机组的运行过程中，可以将凝汽器真 空作为汽轮机的低压缸排汽压力。凝汽器真空是凝汽器运行状态的集中体现，是凝汽设备自身的结 构和状态、通过凝汽器的循环水流量及进水温度、排入凝汽器的各种热负荷等冈素综合影响的表现， 凝汽器真窄特性则综合反映了上述各因素之间的关系。因此，深入地研究凝汽器系统的真窄特性， 对于分析凝汽器的上作特性，优化凝汽器的工作状况，提高汽轮机系统的热效率具有重要意义。 凝汽器的真空特性一般可以参考制造厂家提供的特性曲线、现场热力试验结果、凝汽器变工况 计算结果等。凝汽器设备在安装、运行、检修等过程中存在的不确定因素，使得制造厂家提供的特 性曲线随着时间的推移可信度越来越低；凝汽器真空特性的热力试验一般只能完成在特定条件下的 凝汽器真空特性的确定，同时试验频率很低，不能够及时的反映凝汽器真空特性的变化：凝汽器变 工况计算作为一种相对灵活、有效的方法在凝汽器的实际件能分析和运行指导得到广泛应用。 很多学者对凝汽器系统进行了广泛的研究，内容丰要包括凝汽器的数值模拟【6 0 j 【7 副【76 。、数学模型 7 5 1 1 7 9 、故障诊断【6 2 】【叫【6 5 】【6 7 】【6 8 】【6 9 】【7 2 】【7 3 】【7 5 】、性能分析【6 3 】【6 6 】【7 7 】【8 们、运行指引6 1 】【7 0 】【7 l 】【7 4 1 等多个方面。总 的来看，凝汽器真空特性除现场试验研究外，大部分工作还处于理论阶段，与工程应用还存在较大 的差距。凝汽器变工况计算也存在一些不足，计算中一些主要参数很难获得，计算结果存在较大的 不确定性等，本章主要讨论和研究凝汽器的真空特性。 近年来，电厂s i s 得到广泛的应用。s i s 具有性能优良的实时历史数据库，可以满足电厂整个 系统实时生产数据的秒级刷新，实现系统运行数据的多年在线存储。软测馈技术和信息融合技术的 研究和应用十分活跃。模糊神经网络的研究和进展，给工业过程建模和控制提供了新的方法。回归 分析方法是一种较为传统的方法，在实际工程中仍然得到广泛的应用。本章依托s i s 系统的海量数 据，综合运用上述各种方法和技术，分析凝汽器系统各因素问的相互关系，建立了实用的凝汽器真 空特性软测量模型。 本章首先介绍了凝汽器变工况计算的内容：然后介绍了软测量技术的基本原理、典型建模流程 以及建模方法；在此基础上，引入补偿模糊递归神经网络，详细的讨论和分析了基于c r f n n 网络 的凝汽器真空特性软测量建模过程，并给出了应用实例：利用传统的相关分析及同归分析等方法， 讨论和分析了基于回归分析的凝汽器真空特性软测量建模的内容，给出了凝汽器真空特性回归分析 模型的应用实例。最后，基于数据融合技术，在凝汽器真空特性c r f n n 模型和回归分析模型的基 础上建立了更为准确、可靠的基于数据融合的凝汽器真空特性软测量模型。仿真实验证明：基于数 据融合的凝汽器真空特性软测量模型具有更好的稳定性和更小的整体预测误差。 东南大学硕士学位论文 2 2 凝汽器系统变工况计算 在非设计条件下工作称为凝汽器的变工况运行。由于机组负荷、环境条件的变化，凝汽器一般 都处在变t 况下运行。冈此，研究凝汽器在变工况运行时的工作特性，对汽轮机组及其本身的安全 经济运行具有重要的意义。同时，凝汽器的变工况特性也可以作为检验凝汽器设备的设计、制造及 安装质量的参考。 凝汽器的压力主要决定于汽轮机的排汽量、冷却水量及冷却水进口温度的变化【1 0 1 1 ，即： 足= 厂( g ，f 巾) ( 2 1 ) 式中 只凝汽器压力( k p a ) ； g 。汽轮机排汽流量( t h ) ，。冷却水进u 温度( ) ； 渺冷却水流量( t h ) ： 这一关系称为凝汽器的变工况特性，通常以一组曲线来表示，称为凝汽器的特性曲线，即凝汽 器真空特性曲线。凝汽器特性曲线可以通过试验或计算获得，对汽轮机装置的变工况分析及机组运 行的经济性和可靠性、循环水系统运行优化以及凝汽器本身的沾污程度和真空严密性估计都具有参 考价值。 在式( 2 1 ) 三个自变最中，首先选定一个鼍( 一般选冷却水流量缈) 不变，计算在各种不同冷 却水进口温度f 。l 下凝汽器压力随汽轮机排汽量g ，( 或热负荷) 变化的曲线，得到如图2 1 所示 的特性曲线。不同的冷却水流量，可以得到一组与图2 1 相似的曲线图。 由图2 1 可知，在一定的冷却水流量下，凝汽器压力随进汽量( 热负荷) 的减少和冷却水进口 温度的降低而降低。在冷却水进口温度较高时，这种变化更为明显。 凝汽器变工况计算的步骤如下： ( 】) 取不同的冷却水流量，在每个冷却水流量下取不同的汽轮机排汽流量g 。，作为计算的 基础： ( 2 ) 计算各汽轮机排汽流量下的热负荷q ： q = g ，( 厅。一h 。) 式中 q 凝汽器热负荷( k j h ) ： g j - 汽轮机排汽流量( k g h ) ； 以汽轮机排汽焓( k j k g ) ； 阿。凝汽器凝结水焓( k j k g ) ： ( 3 ) 在一定的冷却水量和进汽量f 选定不同的冷却水进口温度t ，l ， 热系数k ： k = 1 4 6 5 4 5 9 妒w 9e 9 z 。妒d 式中 k 凝汽器总体传热系数( j ( 1 1 1 2 ) ) ； 够请洁度修正系数； 冷却水流速及管径修正系数； 仍冷却水温度修正系数； 矽，- 冷却水流程数z 的修正系数： 9 j 凝汽器单位面积蒸汽负荷的修正系数； ( 4 ) 计算对数平均温差岔。： 如= 等 式中 f ，凝汽器的对数平均温差( ) ； ( 2 2 ) 用别尔曼公式计算总体传 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 第二章凝汽器系统真空特性的软测量研究 a 凝汽器有效传热面积( m 2 ) ； 1 2 1 1 1 0 9 至8 蚤， r 幽 嚣6 爨5 4 3 2 l ， ， w l =：3 5 x 、 。 ， l ， 3 3 ， ， 3 0 ，一 ，一 ，一一 ， ：5 j ，一 一一 2 0 ，一 1 5 ， ， 0 ， ，一 一5 c ，一 ， ， ，一 ， ，一 _ 一 ，一 ， ， 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 排汽流量g s ( 讹) 图2 1 某3 0 0 m w 机组凝汽器的特性曲线 ( 5 ) 计算冷却水温升址： f ：旦 c 式中 血冷却水温升( ) ； 冷却水流晕( k g h h c 冷却水比热( 1 洲( k g ) ) ； ( 6 ) 计算冷却水的出口温度t 。2 ： t w 2 = t w l + a t 式中 f 。2 冷却水出口温度( ) ； t 训冷却水入口温度( ) ； ( 7 ) 计算蒸汽凝结温度t ，： ( 2 5 ) ( 2 6 ) 东南大学硕士学位论文 出 ：挚 p 瓴一1 式中 f j 蒸汽凝结温度( ) ； ( 9 ) 根据f ，查饱和蒸汽表，得凝汽器压力只，并作= 厂缸，t 巾w ) 曲线： 2 3 软测量技术概述 ( 2 7 ) 软测量技术在工业过程中主要应用于实时估计、故障冗余、智能校正和多路复用等方面。其发 展已有几十年的历史，在实际生产中已有一些应用【8 1 】【8 2 】【8 3 】【8 4 心】【8 6 】【8 7 1 。 2 3 1 软测量模型的基本原理 软测量模型依据对可测或易测的过程变量( 称为辅助变量，如压力、温度等) 与难以直接测量 的待测过程变量( 称为主导变量，如产品分布、物料成分) 之间数学关系的认识，采用各种计算方 法，用软件实现待测变量的测量或估计。目前，利用计算机系统，由过程实测变量计算出不町测变 量，是解决上述问题的主要途型8 引。 图2 - 2 软测量建模的原理图 软测量模型的基本结构如图2 2 所示，其中x ，v 分别为被研究过程的可测控制输入和可测干扰 输入；x ，y 为可测参数变量( 即辅助变量) 和被控过程的输出变量，r 为软测量模型的测量结果。 2 3 2 软测量建模的典型流程 利用软测量技术建立对象的软测量模型一般要经过四个步骤：辅助变量的选择、输入变量的预 处理、软测量模型的建立以及软测量模型的校正，如图2 - 3 所示。 辅助变量选择输入变量预处理 软测量模型建立 图2 - 3 软测量建模的典型流程图 软测量模型校正 辅助变量的选择分