火电厂机组间实时负荷分配优化算法研究.pdf

第 3 0卷 第 6期 2 0 0 8年 6月 华 电技 术 Hua d i a n Te c h no l o g y Vo 1 ． 3 0 No ． 6 J u n ． 2 0 0 8 基 础 r ot 究 火 电厂 机组 间实时负荷分配优 化算法研 究 A s t u d y o n o p t i ma l a l g o r i t h m o f r e a l t i me l o a d d i s p a t c h a mo n g t h e r ma l p o we r u n i t s 周云山， 李国栋 ， 张淼 ， 石祥彬 Z HOU Yu n s h a n，E l Gu o d o n g，ZHANG Mi a o，S HI Xi a n g b i n 中国华 电工程 集团 有限公 司， 北京1 0 0 0 4 4 C h i n a H u a d i a n E n g i n e e ri n g C o r p o r a t i o n L i mi t e d ，B e i j i n g 1 0 0 0 4 4 ， C h i n a 摘要 建立电力市场的目的是在电力J - 业引入竞争机制， 通过竞争提高发 电厂商的生产效率， 降低发电成 本。以单元机组为研 究对 象， 基于运行数据计算获取的单元机组 能耗特性 曲线 ， 建立 了负荷优化 的 目标 函数 及对应的约束方程。以某厂 6台机组运行数据为基础 ， 通过优化算法实现电厂 内机组间负荷的最优化分配， 并对基于等微增率法、 复合形法2种不同优化算法计算结果对比分析。 关键词 单元机组； 能耗特性； 负荷经济分配； 等微增率法； 复合型法 中图分类号 T K 2 1 2 T M 6 2 1 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 41 9 5 1 2 0 0 8 0 6 0 0 2 2 0 5 Ab s t r a c t T o b u i l d t h e p o we r ma r k e t i s f o r i n t r o d u c i n g c o mp e t i t i o n me c h a n i s m i n p o we r i n d u s t r y ，i mp r o v i n g t h e p r o d u e t i o n e ff i c i e n c y a n d l o we r i n g t h e p o w e r g e n e r a t i o n c o s t ． Ac c o r d i n g t o t h e e n e r g y c o n s u mp t i o n c h a r a c t e r i s t i c s c u r v e s g o t t e n f r o m o p e r a t i o n d a t a ， t h e l o a d o p t i m a l o b j e c t i v e f u n c t i o n a n d t h e r e s t r a i n e d e q u a t i o n w e r e c o n s t r u c t e d for t h e r ma l p o w e r u n i t ．B a s e d o n t h e o p e r a t i o n i t ff o r ma t i o n o f s i x u n i t s i n o n e p o w e r p l a n t ，t h e o p t i mu m d i s p a t c h w a s r e a l i z e d a mo n g t h o s e u n i t s b y u s i n g o p t i ma l a l g o r i t h m ，a n d t h e r e s u l t s ，wh i c h we r e c a l c u l a t e d b y e q u a l mi c r o i n c r e a s r a t e me t h o d a n d c o mp l e x me t h o d，w e r e c o mp a r e d a n d a n a l y z e d ． Ke y wo r d s u n i t ；e n e r g y c o n s u mp t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ；l o a d e c o n o mi c d i s p a t c h；e q u a l mi c r o i n c r e a s e r a t e me t h o d c o mp l e x me t h o d 0 引言 发电侧电力市场主要考虑的是电网的频率稳定 性和安全性 ， 而对发 电侧 ， 主要是由各个发电厂商根 据系统负荷需求和中短期负荷预测结果等数据来决 定次日报价。相对发电厂商而言， 其报价要考虑的 决定性因素是决定机组实时运行状况的发电成本。 电力系统中的主力火电机组均为单元式结构的 大型机组 。汽机 、 锅炉 、 发 电机三位一体 ， 共 同构成 发 电侧 的最小环节 ， 因此 ， 对参于电力负荷分配的机 组而言， 必须从机组单元的角度 、 从整体上考虑单元 机组 的能耗 特性 ， 从 而为实现分配 负荷奠定基础 。 据国内外统计资料表明， 实现经济负荷分配可节约 0 ． 1 ％ ～1 ． 5 ％的燃料 。 此研究基于机组 间性能优劣而进行负荷分配以 收稿 日期 2 0 0 80 2一 叭 提高全厂经济性 ， 采用单元机组标 准煤耗量作为分 析 的目标函数。 1 单元机组能耗特性 曲线 机组在稳定运行状态下 ， 输入 的燃料 F与输 出 电功率 P间的对应关系即为单元机组的能耗特性， 可表示为 F _厂 P 。 单元机组整 体能耗性能计算分 为锅炉能耗特 性 、 汽轮机能耗特性及单元机组能耗特性计算。机 组的热力计算采用常规热平衡方法 ， 关于流量基准 ， 有多种选择 主蒸汽 流量 、 凝结水流 量、 给水流量。 本文根据现场实 际情况 ， 以主给水流量为基准 未 计及过热减温水流量 。 1 ． 1 锅炉能耗特性计算 锅炉运行的基本参数是锅炉的额定蒸发量及在 此蒸发量下过热器出口处 的蒸汽压力和温度。对应 维普资讯 第 6期 周云山， 等 火电厂机组间实时负荷分配优化算法研 究 2 3 于锅炉最高效率点 的负荷称为锅炉的经济负荷 。锅 炉最低负荷是指锅炉燃烧情况相 当稳定且不致破坏 锅炉正常运行 的最小负荷 ， 从 负荷分配角度考虑的 负荷下限一般是由锅炉燃烧稳定性即最低稳燃负荷 所限制 ， 本文根据某 电厂低负荷下稳定燃烧实际考 虑 ， 将机组出力下限定为额定功率 7 0 ％。 锅炉能耗 特性包 括锅炉效率 、 煤 耗 量 、 煤耗 损 失、 煤耗微增率、 单位煤耗等， 其均为锅炉负荷 锅 炉蒸发量 的函数 。 1 ． 1 ． 1 锅炉效率 ri及煤耗量计算 计算锅炉效率的 目的是为了获得机组的煤耗 ， 而煤耗特性是用于作优化调度 的基准 ， 相 当于机组 问相互性能的平衡 比较 ， 并非纯粹考核单 台机组经 济性 ， 故其绝对值的准确性对最终结果的影响较小。 反平衡方法是通过测取锅炉 中各项损失而得到 锅炉效率 ri r q “1 、5 J X l 0 0 1 0 0ri U U I U U g l g 1 一 q 2q 3q 4q 5q 6 ， 式中 Q 为有效利用热量 ； Q 为输入总热量。 计算得到热耗量 Q 。 ， 同时从实时数据采集 系统 得到发电机功率 P ， 则可 以得 到热耗 率 ， 在此基础 上可 以得到煤耗率 、 煤耗量。 热耗量 由下式计算得到 O o D o h oDf W h 一D d h d [ D h h hh D d h h h d ] ， 式 中 D 为过热减温 水流量 ， t ／ h； h 为过热减温水 焓值 ， k J ／ k g ； D 为再热减温水流量 ， t ／ h ； ／ 7 为再热减 温水焓值 ， k J ／ k g ； D 为再热汽流量 ， t ／ ／ h ； h h r h 为 再热器热侧 、 冷侧蒸汽焓值 ， k J ／ k g 。 热耗率 q 。 计算 Q 。 q o P 。 在此基础上 ， 逐项 计算煤耗率 、 燃煤消耗量 ， 为 便于不 同电厂问比较 ， 根据公式计算 出热耗率后 ， 再 转换为标准煤耗率 ， 式中 Q 为标 准煤 低位发热量 ， 通 常取值 为 2 9 3 1 0 ld ／ k g ； ri b 为锅炉效率 ； ri 。 为管道效率， 通常取0 ． 9 8 5 ～ 0 ． 9 9 ， 文 中取 0 ． 9 9 。 此时 ， 标准煤耗量为 r 。P 。 1 ． 1 ． 2 煤耗损失计算 煤耗损失量 由下式计算 J z I F 0． 0 9l 4 二 ． 叼 式中， D为锅炉蒸发量 ， t ／ h 。 由以上数据即可得到煤耗损失 ～锅炉蒸发量负 荷即 △ F D关系 曲线。为保证曲线 为单调凸函数 形式 ， 数据处理过程 中采用加权最小二乘法多次迭 代处理 ； 同时， 为取得拟合 曲线多项式尽可能精确 ， 对多项式最佳拟合次数进行 了计算分析。得到二次 多项式 z I F a [ 0 ]0 『 1 ] Da [ 2 ] D ， 式中 ， a [ 0 ] ， a [ 1 ] ， a [ 2 ] 分别 为采用最小二乘法拟 合得到的多项式系数。 在此基础上得到煤耗损失微增率 △ 6 l 1 _0 [ 1 ]2 a D 。 煤耗微增率 6 b 0 ． 0 91 4 △6 b 。 锅炉的煤耗量 F 0． 0 91 4 D △F 。 对应各个负荷的锅炉蒸发量 、 煤耗损失量 、 煤耗 微增率 、 煤耗量可由以上计算得到， 同时可以得到对 应的关 系曲线 。在处理曲线过程 中， 采用最小二乘 法拟合不易保证微增率曲线为单调递增。对于离线 计算， 可对试验得到的原始效率曲线点进行预先平 滑处理 ； 而对于实时计算 ， 采用加权最小二乘方法可 保证曲线为单调上凸特性 ] 。 1 ． 2 汽轮机能耗特性计算 汽轮机运行的基本参数是额定负荷下新汽压力 和温度 、 额定负荷、 经济负荷 、 最低负荷。汽轮机最 低负荷主要取决于叶片冷却条件所必需的最小蒸汽 流量。汽轮机能耗特性主要是指耗汽量与对应负荷 关系特性。 汽轮机的耗汽量与负荷关系曲线为上凸曲线 ， 且与排汽压力P 和进汽压力P 。的比值 O L P 2 ／ p 。 有 关 ， 比值越大 ， 曲线 凸起程度越 明显。此外 ， 还 同调 速系统的类型有关。 对凝汽式汽轮机 ， 耗 汽量和负荷关系曲线可用 下式表示 D D0 P ， 式 中 为无负荷时汽轮机的耗汽量 ， t ／ h ； d为微增 汽耗率 ， t ／ ／ k w h ； P为汽轮机负荷 ， MW。 上述汽轮机特性 曲线可以通过试验得出。为了 维普资讯 2 4 华电技术 第 3 0卷 便 于将 不 同 品 质 的蒸 汽 进 行 比较 ， 将 含热 量 为 2 6 7 9 ． 5 5 2 k J ／ k g的蒸汽定义为标准蒸汽。换算前蒸 汽即称为原蒸汽 。 将由原蒸汽表示的耗汽量特性 曲线换算成 由标 准蒸汽表示的耗汽量特性曲线。 根据汽轮机 的效率试验和给水温度 曲线 ， 就可 以按照下述方法计算得到汽轮机最终耗汽量和微增 耗汽率特性 曲线 。 1 由试验结果绘 制得到原蒸汽的耗汽量特性 曲线和给水温度曲线。 2 在原蒸汽 耗汽量 特性 曲线上取 3个 负荷 点 ， 即最低负荷 P⋯、 经济负荷 P 、 最高负荷 P ⋯ ， 分 别得到与之对应 的原蒸汽耗量 D ， D ， D 。 3 由给水温度特性 曲线得 到对应于负荷 的给 水温度点数值。 4 按照下式得到标准蒸汽耗量特性曲线 h 一 h D Do 2 6 -7 9 ．5 5 2 ‘ 式 中 D 为标 准蒸 汽耗量 ， t ／ h ； D 为原蒸 汽耗量 ， t ／ h； h 为新蒸汽焓值 ， k J ／ k g ； 为给水焓值 ， k J ／ k g 。 5 采用分段方法得到微增汽耗率。 d ， P ≤ d 一， ， ，e ； e mi n d 等 ，P 6 由以上数据得到汽轮机的标准蒸汽耗量特 性曲线和微增耗汽率特性 曲线。 1 ． 3单元机组能耗特性计算 给定电厂的负荷值 P， 从汽轮机特性 曲线可 以 得到汽耗量 D 、 微增汽耗率 d； 由汽耗量根据锅炉 能耗特性曲线可 以得 到标准煤耗量 F 、 煤耗微增率 6 。很明显， 锅炉煤耗量、 煤耗微增率是同单元机组 给定负荷相对应的。 整个单元机组的微增煤 耗率 ， 即出力变化 引起 机组煤耗变化 综合考虑了锅炉部分 、 汽轮机部分 可 以由下式得到 6 db b 。 因此 ， 得到了在一定负荷下 的标准煤耗量和微 增煤耗率值 ， 即可得到机组的对应标准煤耗量特性 曲线 ， 如图 1所示 。 汽机、 锅炉的各种无法计算的热损失， 如蒸汽沿 程流动损失等 ， 在汽轮机能耗特性 中考虑运行系数 加以计入 。系数通常为 1 ． 0 1～1 ． 0 5 ， 本文取 1 ． 0 1 。 实时分析机组 的特性曲线是实现在线负荷优化 发 电机 功率／ M w 图 1 机组标准煤耗量特性曲线 分配的前提和基础 ， 要得到最优的负荷分配方案 ， 首 先需要得到各机组准确 的实时特性 曲线 ， 这可 以应 用数据采集系统的实 时数据 ， 通过 电厂的局域 网与 M I S 通信， 定期由 M I S 读取数据； 或直接由D C S 取 数 ， 然后 以 T C P ／ I P 、 U D P的形式实现数据通讯 ， 获取 实时数据。 计算锅炉效率和煤耗过程中， 飞灰的含碳量是 机组效率的主要影响因素 ， 含碳量通常与煤种 、 磨煤 细度 或磨煤机效率 、 煤粉一／ 二次风分布、 温度等 影响因素有关 ， 由于现场测量条件的限制 ， 以上参数 的最新数据均由每班运行人员以手工录入 。 此外， 以上关于机组热耗率的计算简化了相当 部分的影响因素， 如再热喷水减温的计及 、 高缸至中 缸流量 、 主汽门及调门流量等。根据现场测点状况 ， 在计算机组热耗量过程 中， 适当考虑了相关因素。 2 等微增率法分析 煤耗及其微增率曲线是连续可微的 ， 在实 际状 况下 ， 通过对运行数据 、 热力试验数据进行强制性拟 合可以得到单调连续可微函数表达式 。 单元机组 总煤耗量 FF F ⋯ F 最小 ， 作为函数寻优的 目标函数 。 求解条件是 d F】 一 d F2 ．．．．一 d F 一 d P 一 d P。一 一 d P 一 。 在等微增率方法原理基 础上 ， 应 用实际解析算 法进行阐述。 煤耗特性方程为 F n 0 [ i ]n l [ i ] P n [ i ] P ， 式中， n 。 [ i ] ， n [ i ] ， n [ i ]分别为第 i 台机组能耗特 性采用最小二乘法拟合得到的多项式系数。 则煤耗微增率特性方程为 b n [ 2 n [ 。 n 1 l J n 2 l J 。 A可按下式求得 维普资讯 第 6期 周云山， 等 火电厂机组间实时负荷分配优化算法研究 2 5 A P ∑ ∑ 面1 ∑ ∑ 丽1 0 1 L 2 0 [ i ] 。 由于单元机组有出力上下限制 P ≤ P ≤ P ⋯ ， 使得按照以上公式计算得出的负荷 P 不一 定满足机组 出力要求。此时 ， 将超限机组的承担负 荷值人为定在出力上 下 限上， 重新迭代计算 求解。 1．厂 一 n1 个顶点构成的图形 即为复合形。 复合形法是求解约束非线性最优化问题的一种 重要 的直接方法 ， 其迭代计算 只需要计算 目标 函数 值， 无需求其导数。复合形法的基本思想是 利用复 合形各个顶点处 目标 函数值的大小关 系， 判 断 目标 函数值的下降方向， 不 断丢掉 函数值 最大的所谓最 差点， 代之以既使目标函数值有所下降也能满足所 有约束条件的一个新点 ， 从而不断地构成新 的复合 形 。对于可行域为 凸规划集 的情况 ， 只要保证所有 复合形顶点都在可行域内， 那么其形心点、 反射点、 扩张点 自然也都在可行域 内。 复合形法大致解算方法是在决策变量的可行域 内选定 n1个顶点构成初始复合形 ， 求出 个 顶点对应的 目标函数值 ， 比较其大小 ， 找出函数值最 大的最坏点 、 次坏点 及函数值最小的最好点 。找出除 外余下各顶点的形心点 ， 再求 的反射点 。若 不在可行域 ， 则收缩至可行 ， 并 使 目标 函数 x 。以点 取代 瓦 ， 构 成 新 的 复 合 形 ，重 复 以 上 迭 代 过 程 ，直 至 负荷优化系统 的数据获取可以采用 2种方式 一 种是将现场实时采集 的数据在送入 电厂数据库的 同时 ， 直接将其 中的相关部分发送给负荷优化系统 如 图2中空心箭头所示 ； 另一种是从 电厂数据库 中读取所有的输入数据。 在 2种方式 中， 计算所需 的非现场实时采集数 据均由数据库获得 。在对输入数据进行处理 、 计算、 分析后 ， 负荷优化系统的计算结果送 电厂数据库存 贮 、 管理 。计算结果的发布 、 显示 以及报表生成完全 基于电厂数据库统一进行 ， 以维持规范和格式 的统 一 性 。显然 ， 这种“ 外挂式” 结构不影响 电厂原有系 统的安全运行 ， 而且简便易行 。 图 2负荷优化 系统在 监控 系统 中的位 置 以某厂 6台 2 0 0 MW 机组 的电厂为算例 ， 对全 厂负荷优化调度指导进行模拟计算， 其总发电容量 为 l 2 0 0 MW。随着发电侧 电力市场 的建立 ， 电力市 场中客户端软件可以为 电厂提供 比较完善的电网侧 数据。为提高电厂运行经营的经济性 ， 电厂能够随 时跟踪电网负荷潮流状况、 市场周边电厂生产状况、 厂内各机组实时生产性能状况等来及时调整电厂的 生产运行。 在得到以上机组能耗特性的基础上 ， 应用前文 所述的等微增率分配方法、 复合形法 的原理进行计 算 ， 并与平均分配厂级负荷为对 比条件 ， 不 同调度方 式对比结果见表 l 。 维普资讯 2 6 华它技术 第 3 0卷 表 1 不 同调度 方式对 比表 2 2 0 MW 全厂负荷／ MW 分 配 方 案 机 出 力 机 出 力 3 机 出 力 机 出 力 5 机 出 力 6 机 出 力 优 化 分 配 后 全 _厂 煤 对 比 平 均 分 配 负 M W M W M W M W M W M W 耗量／ t h ] 节约煤耗／ t h 8 7 0 9 6 0 1 0 5 0 1 1 4 0 1 2 3 0 1 5 4． 5 6 1 5 7． 2 3 1 6 6． 1 O 1 6 5． 81 1 7 5． 8 7 1 7 8． 81 ] 8 9． 2 O 1 8 8． 1 5 2 0 7． 2 6 2 1 O 2 6 1 4 2． 2 3 1 4 0． 1 9 1 8 8． 2 2 1 9 0 3 7 2 2 0 0 0 21 8． 4 2 2 2 0， 0 0 2 2 0． 0 0 2 2 0． O O 2 2 0． 0 O 1 4 0． 0 0 1 4 0． O 0 1 4 0 0 0 1 4 0． 0 0 1 4 0． 0 0 1 4 0． 0 0 1 5 O ． 5 8 1 5 2 ． 6 7 1 71 1 6 1 71 3 1 1 4 0． O O 1 4 0． 0 0 1 4 3 2 7 1 4 2 8 5 1 6 6． 9 9 1 6 5． 8 2 1 9 9 ． 3 6 1 9 8 ． 6 7 2 2 0 ． OO 21 9． 9 2 1 4 7 ． O 8 1 4 6 ． 1 3 1 4 6 ． 2 1 1 4 7 ． 4 7 1 6 2 2 2 1 6 O 1 8 1 61 ． 4 6 1 6 1 6 8 1 7 5 ． 0 4 1 7 2 ． O 8 1 7 3 ． 4 9 1 7 6 ．1 1 1 9 2 ． 5 3 ] 8 8 ． 31 1 9 3 ． 3 7 1 8 9． 3 9 2 0 8 5 3 2 0 7． 0 9 2 0 5 6 6 2 08 ． 2 O 3 1 5 ． 4 0 3 1 4． 6 3 3 4 2． O 2 3 41 ． 5 4 3 69 ． 9 8 3 7 0． 1 5 39 9 ． 5 7 4 0 0． 5 3 4 2 9． 8 6 4 3 0． 71 O． 3 8 1 ． 1 4 0． 9 3 1 ． 4 1 1 40 1 2 3 1 5 O 0． 5 4 2． 1 5 1 ． 7 6 表 1中分别表示对应 于 5种 系统负荷需求下 ， 运用 2种负荷优化调度计算程序对全部 6台机组投 入时计算所得到的各 自承担负荷。 5 结论 通过对不同优化算法计算 过程 的对 比， 可以得 到如下结论 。 1 不同系统负荷需求下 ， 不同调度方式节约能 耗量有较大差距 。在单机负荷限制分别为 2 0 0 M W、 2 2 0 MW 2种边界条件下 ， 在 8 4 0～1 2 0 0 MW 负荷需 求区域 ， 对比可知等微增率法能保持较好的稳定性 ， 如图 3、 图4所示 。 ◆ 一复 合 形 对 比 曲线 r ● ＼ ≈ 皿 { 三 至 三 囊 釜 负荷／ M W 图3 各种算法优化效果对比图 2 0 0 MW 图4 各种算法优化效果对比图 2 2 0 M W 2 对全负荷需求大 于 1 2 0 0 MW 时 ， 等微增率 法节约能耗 曲线 出现偏差 。作者分析认为 ， 它是 由 于等微增率法对性能曲线精确度有较高要求 等微 增率法对煤耗 、 煤耗微增率曲线要求为递增 、 可微 。 对于未改造机组 ， 2 0 0 M W 以上数据采用线性外推算 法实现 ， 有可能造成微增率曲线失真。 3 复合形法为直接搜索逼近寻优， 其优弧节约 能耗曲线呈现非规律性。作者分析认为 ， 它是 由于 其求解优化过程中 ， 为求得时间与优化效果 的平衡 ， 搜索逼近未能实现全局最优 ； 同时， 初始数据点随机 生成带有非确定性 。 对于优化算法 的选取 ， 见仁见智。通过对大量 数据 、 图表对 比分析 ， 作者认为 ， 等微增率法具有高 可靠性； 复合形法作为一种搜索寻优方法， 可以作为 离线分析数据处理。 参考文献 l 1 J J H P a r k ， Y S K i m Y L e e ． E c o n o m i c L o a d D i s p a t c h f o r P i e c e w i s e Q u a d r a t i c C o s t F u n c t i o n U s i n g H o p fi e l d N e u r a l N e t Wo r k s [ J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n P o w e r S y s t e m， 1 9 9 3 3 1 0 3 01 0 3 8． [ 2 ] 郑体宽． 热力发电厂[ M] ． 北京 水利电力出版社， 1 9 9 5 ． [ 3 ] 李朝安． 发电厂及电力系统经济运行[ M] ． 乌鲁木齐 新 疆人民出版社 ， 1 9 8 5 ． [ 4 ] 范明玉， 张莹． 最优化技术基础[ M] ． 北京 清华大学出版 社 。 1 9 9 2 ． 编辑 刘芳 作者简 介 周云 山 1 9 7 5 一 ， 男 ， 湖北宜 昌人 ， 中国华 电工程 集 团 有 限公 司工程师 ， 从事 电力工程设计方面的工作。 李国栋 1 9 7 2 一 ， 男， 甘肃兰州人， 中国华电工程 集团 有限公 司高级工程师 ， 从事电力工程设计方面 的工作 。 张淼 1 9 7 7 一 ， 男 ， 河北唐 山人 ， 中国华 电工程 集团 有 限公司 工程师 ， 从 事电力工程设计方面 的工作 。 石祥彬 1 9 7 O 一 ， 男 ， 四川 自贡人 ， 中国华 电工程 集团 有 限公 司工程师 ， 从事 电力工程设计方面的工作。 ＼ ＼ ＼ ＼ 负 维普资讯