Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общие положения оптимизации режимов работы теплоэнергетических установок и методы оптимизации 11
1.1. Графики потребления энергии 11
1.2. Общие положения оптимизации режимов работы теплоэнергетических установок 16
1.3. Комплексная оптимизация режимов работы теплоэнергетических установок 17
1.3.1. Иерархические свойства задачи оптимизации в энергетической системе 17
1.3.2. Оптимизация режимов работы ТЭС 20
1.4. Оптимальное распределение нагрузки между энергоблоками ТЭС 21
1.5. Характеристики исходной информации. Расходные топливные характеристики электростанции 24
1.6. Известные математические методы решения задачи оптимизации 26
1.6.1. Общая постановка 26
1.6.2. Метод решения задачи оптимизации 29
1.6.3. Метод поиска оптимума путем решения системы нелинейных уравнений 32
1.6.4. Метод множителей Лагранжа 33
1.6.5. Метод модифицированной функции Лагранжа 35
1.6.6. Метод динамического программирования 36
1.6.7. Метод направленного поиска 38
1.7. Овраперешаговый метод оптимизации 40
1.7.1. Принцип перешагивания поиска минимума 41
1.7.2. Общая схема овраперешагового метода 44
1.7.3. Овраперешаговый алгоритм аффинных проекций 46
1.8. Выводы 49
Глава 2. Исследование энергетических характеристик ТЭС Вьетнама и влияния их вредных выбросов на биосферу 51
2.1. Идентификация энергетических характеристик энергоблоков теплоэлектростанций 51
2.1.1. Аппроксимация линейной комбинацией функций 52
2.1.2. Аппроксимация кусочно-гладкой функцией 53
2.2. Исследование энергетических характеристик энергоблоков угольных ТЭС Вьетнама 57
2.2.1. Настоящее положение эксплуатации ТЭС Вьетнама 57
Определение энергетических и экологических характеристик энергоблоков ТЭС 59
2.2.2. Оценка ошибки моделей энергетических и экологических характеристик 63
2.3. Исследование влияния вредных выбросов угольных ТЭС Вьетнама на биосферу 68
2.3.1. Экологические особенности угольных ТЭС Вьетнама 68
2.3.2. Определение количества выбросов в атмосферу угольных ТЭС Вьетнама 70
2.4. Определение распределения вредных выбросов в атмосфере угольных ТЭС Вьетнама 75
2.4.1. Факторы, влияющие на распределение выбросов в атмосфере 75
2.4.2. Методы расчета распределения выбросов в атмосфере 76
2.4.3. Расчет распределения вредных веществ в атмосфере от угольных ТЭС в условиях климата Вьетнама 78
2.5. Выводы 88
Глава 3. Оптимизация распределения нагрузки между энергоблоками угольных ТЭС Вьетнама с учетом экологических факторов 89
3.1. Задача оптимизации распределения нагрузки между энергоблоками ТЭС с учетом экологических факторов 89
3.2. Общая методика решения многокритериальной задачи оптимизации. 91
3.3. Выбор целесообразного математического метода решения комплексной оптимизации 93
3.4. Метод решения задачи оптимального распределения нагрузки между энергоблоками ТЭС на основе применения алгоритма ОАП... 94
3.4.1. Нормализация критериев оптимальности 94
3.4.2. Формирование единого критерия оптимальности 96
3.4.3. Формирование эквивалентной безусловной целевой функции 97
3.5. Решение задачи оптимизации распределения нагрузки между энергоблоками ТЭС Вьетнама с учетом экологических факторов 99
3.5.1. Особенности графика нагрузки ТЭС Вьетнама 99
3.5.2. Алгоритм решениа задачи оптимизации распределения нагрузки между энергоблоками ТЭС Вьетнама с учетом факторов по выбросам 101
3.5.3. Решение задачи оптимизации распределения нагрузки между энергоблоками ТЭС Вьетнама при режиме распределения нагрузки по всем существующим работающим энергоблокам 104
3.5.4. Решение задачи оптимизации распределения нагрузки между энергоблоками ТЭС Вьетнама при отключении одного из блоков 118
3.6. Сравнительная количественная оценка технической эффективности метода оптимизации режимов работы ТЭС 120
3.7. Оценка значимости коэффициентов и адекватности полученных уравнений регрессии 127
3.8. Выводы 130
Заключение 132
Список литературы 136
Приложение 144
Комплексная программа оптимизации режима работы энергетических установок 144
- Иерархические свойства задачи оптимизации в энергетической системе
- Принцип перешагивания поиска минимума
- Определение количества выбросов в атмосферу угольных ТЭС Вьетнама
- Формирование эквивалентной безусловной целевой функции
Введение к работе
1 o IО
Актуальность работы:
Одной из актуальных задач оперативного управления в процессе эксплуатации тепловых электростанций является задача оптимального распределения нагрузок (ОРН) между параллельно работающими агрегатами.
Многочисленные исследования, направленные на решение задачи ОРН базируются на поиске минимальных затрат расхода топлива. Вместе с тем в последнее время широко обсуждаются учет других немаловажных факторов, таких как надёжность работы оборудования, экологические ограничения и учет реального технического состояния оборудования и т.д.
Современные условия работы ТЭС отличаются ужесточением требований к предельно допустимым выбросам в атмосферу, введением платы за выбросы. Учет экологических факторов особенно важен при неблагоприятных метеорологических условиях. Все эти факторы делают актуальной задачу регулирования вредных выбросов в темпе с изменением режимов по нагрузке и топливу.
Учет факторов экологии усложняет эту задачу в связи с большим числом переменных. При этом необходимо решить многокритериальную задачу оптимизации, т.е. критериями оптимизации являются минимум расхода топлива и минимум выбрасываемых вредных веществ в окружающую среду.
Во Вьетнаме до сих пор при эксплуатации электростанций не уделялось внимания оптимальному распределению нагрузки между энергоблоками. ТЭС Вьетнама работают с равным распределением нагрузки между энергоблоками, что приводит к низкой экономичности при эксплуатации электростанций. Кроме того, для ТЭС Вьетнама экологический фактор остается острой проблемой. Все угольные ТЭС Вьетнама расположены в регионах с высокой плотностью населения,
заведомо напряженной экологической обстановкой.НАІІИонллм*АЯ
. і ' 'библиотека
3 l '"-IS^y/j
Указанное обстоятельство вызывает необходимость решения задачи оптимального распределения нагрузки между энергоблоками ТЭС Вьетнама с учетом экологических факторов.
Цель работы:
Целью диссертационной работы является разработка методических положений оперативного управления режимами работы ТЭС с учетом экологических факторов, и их реализация применительно к ТЭС Вьетнама.
Методы исследования:
При решении поставленных задач использованы основные положения теории вероятности, статистических методов построения функциональных зависимостей, методы вьлислительной математики и обработки экспериментальных данных, современные математические методы оптимизации для решения многокритериальной задачи оптимизации, вычислительные программы на ЭВМ.
Научная новизна:
разработана методика определения энергетических и экологических характеристик энергоблоков на основе аппроксимации моделей кусочно-полиномиальными функциями;
разработана методика решения многокритериальной задачи оптимизации по разным методам: главного фактора, весовых коэффициентов и минимаксного подхода;
разработан метод решения многокритериальной задачи оптимального распределения нагрузки ТЭС на основе применения оврагоперешагового алгоритма аффинных проекций;
разработана комплексная программа для идентификации энергетических характеристик энергоблоков и решения многокритериальной задачи оптимизации распределения нагрузки между энергоблоками станции;
впервые проведена полная оценка влияния вредных выбросов ТЭС Вьетнама на биосферу и определены энергетические и экологические характеристики ТЭС Вьетнама на основе статистических фактических
данных и особенностей эксплуатации энергоблоков. На их основе реализовано решение многокритериальной задачи оптимизации распределения нагрузки между энергоблоками ТЭС Вьетнама с учетом экологических факторов.
Степень достоверности:
Предложенные методики и полученные результаты обоснованы теорией оптимизации и практической эксплуатацией энергоустановок.
Практическая ценность работы:
Предложенные методики позволяют решить задачу идентификации энергетических характеристик энергоблоков и многокритериальную задачу оптимизации режимов работы теплоэлектростанции.
Предложенные методы расчетов, разработанные программы и полученные результаты могут быть внедрены в практической эксплуатации ТЭС Вьетнама.
Апробация работы:
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседании кафедры АСУ ТП МЭИ, на Международной научной конференции «Control - 2000» (Москва, 2000 г.), Международном конгрессе «Энергетика - 3000» (Обнинск, 2000 г.), Международном 6-ом научном симпозиуме Вьетнамской научно-технической ассоциации в РФ (Москва, 2002 г.)
Публикация:
По теме диссертации опубликованы 6 работ, в том числе статьи в журнале «Вестник» МЭИ.
Структура и обьем работы:
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, состоящего из 92 наименований, и приложения.
Общий объем 156 страниц включает 126 страниц текста, 28 рисунков и 36 таблиц.
Иерархические свойства задачи оптимизации в энергетической системе
Управление энергосистемой производится за счет изменения ее состояния или параметров режима работы. Состояние энергосистемы определяется схемой системы, генераторным оборудованием, устройствами регулирования, автоматики и др. Главным параметром управления является активная мощность электроэнергетической системы (ЭЭС), которая может изменяться за счет состава включенного генераторного оборудования на станциях и за счет его загрузки. При определенных состояниях энергосистемы, задача данного управления сводится к задаче комплексной оптимизации режимов работы энергосистемы в целом и ее отдельных элементов (электростанций, энергоблоков, агрегатов ...) в частности.
В общем случае задача комплексной оптимизации сложна тем, что она определяется большими масштабами энергетики, большим различием технических, экономических и режимных характеристик отдельных элементов ЭЭС, влиянием энергетики на другие отрасли народного хозяйства. В связи с этим при создании практических алгоритмов и программ расчетов оптимизационной задачи производится декомпозиция общей задачи на ряд более простых и взаимосвязанных подзадач. Однако общая задача оптимизации в энергосистеме может состоять из двух больших основных задач: оптимизация режимов работы, т.е. оптимальное распределение нагрузки в энергосистеме между ее отдельными элементами (станциями, агрегатами и др.) и оптимизация режимных параметров работы отдельных элементов.
Элементы энергосистемы и связанные с ними задачи оптимизации имеют иерархический характер. Иерархия может отличаться в пространстве, времени и ситуации [20, 40]. Первый уровень: наивыгоднейшее распределение нагрузок между объединениями единой энергосистемы, определение режима межсистемных графиков нагрузок отдельных энергосистем. В этом уровне энергосистемы и группы электростанций эквивалентируются и представляются эквивалентными характеристиками. Второй уровень: наивыгоднейшее распределение нагрузки между энергосистемами объединения и крупными электростанциями с определением графиков нагрузки районных энергосистем (РЭС). Третий уровень: наивыгоднейшее распределение нагрузки между станциями РЭС с определением графиков нагрузки отдельных электростанций. - На четвертом уровне решаются задача наивыгоднейшего распределения нагрузки между блоками станции и задача оптимизации режимных параметров работающих энергоблоков. 2. Во времени иерархия имеют три уровня и соответственно различаются три основной задачи: составление долгосрочных планов (от месяца до года вперед) с определением прогнозируемых характерных графиков нагрузок энергосистемы и ее отдельных элементов. Цель расчетов на этом уровне -определить те режимы, которые необходимы для планирования технических и хозяйственных мероприятий в энергосистеме; составление краткосрочных планов (от суток до месяца вперед) с определением графиков нагрузок энергосистемы и ее отдельных элементов. На этом уровне в полной мере учитываются все свойства и характеристики системы. Ввиду вероятного характера нагрузок потребителей, режим работы отдельных элементов может корректироваться. При коррекции роль экологического фактора и фактора надежности может быть более значимым фактора экономичности; - регулирование мощностей электростанций в темпе протекающих в энергетике процессов. При этом применяется автоматическое регулирование частоты и активной мощности, напряжения, реактивной мощности и т.д. Целью расчетов на этом уровне следовательно является коррекция плановых режимов. 3. Ситуативная иерархия заключается в том, что рассматриваются задачи оптимизации в нормальных, аварийных и послеаварийных условиях работы системы. Естественно, что в аварийных и послеаварийных условиях главным является обеспечение наивысшего уровня надежности и получения энергии нормируемого качества. Все описанные уровни взаимосвязаны. Очевидно, что для любого нижнего уровня оптимальные нагрузки и другие параметры определяются исходя из условий, формируемых на более высоком уровне. В то же время при формировании условий на более высоком уровне необходимо учесть все изменения, технические параметры отдельных элементов на низких уровнях.
Принцип перешагивания поиска минимума
В точке х1 вычисляется антиградиент Vі и строится направление s1 как перпендикуляр треугольника с вершиной в точке х1 и основанием V -V0. По полученному направлению s1, с точки х1 выполняется перешагивание до точки х2. Запоминается еще антиградиент Vі для построения пирамиды.
В точке х, определяется антиградиент V , который вместе с V ,V образует пирамиду вершины х2. Строят перпендикуляр этой пирамиды, получая вектор s2 с началом в ее вершине и концом на ее основании. По направлению s2 опять осуществляется поиск с перешагиванием до получения х3. На этом шаге дополняется еще антиградиент V2 в память для построения пирамиды в следующих итерациях.
Процесс выполняется таким образом до к= и-й итерации. Дальше, при к п, на каждой итерации сохраняются только п последних антиградиентов, необходимых для построения пирамиды и ее перпендикуляра.
Итерационный процесс продолжается до тех пор, пока не будут удовлетворены критерии остановки.
В метод ОАП включаются две следующие важные возможности конечной сходимости. Для квадратичной функции (что характерно для гладких функций в окрестности их минимума) и кусочно-линейной функции (что характерно для негладких функций вблизи к минимуму) метод ОАП сходится к точному минимуму за конечное число шагов при предельных коэффициентах перешагивания: А,ь-»А,а=0. Это приводит к его высокой эффективности и универсальности.
По области применения метод ОАП не только годен для гладких функций, как любой градиентный метод, но и хорошо рекомендует себя для минимизации негладких функций.
Применение принципа перешагивания для регулировки шага в известных, особенно квази-ньютоновских методах и в методе обобщенных градиентов с растяжением пространства, приводит к повышению устойчивости поискового процесса и улучшает их сходимость на негладких функциях.
Оврагоперешаговый метод имеет следующие достоинства: Принцип поиска минимума функции по условию перешагивания через минимум в направлении поиска на каждой итерации позволяет (для всех семейств оврагоперешаговых алгоритмов минимизации) существенно улучшать сходимость процесса итерационной оптимизации в случаях овражных, особенно невыпуклых и/или негладких, функций общего вида. Наиболее эффективным из этого семейства является оврагоперешаговый алгоритм аффинных проекций (ОАП).
Однако для овладения оврагоперешаговым методом и применения его к решению задач оптимизации необходимы определенные знания по математике и программированию. В данной главе были рассмотрены следующие вопросы: 1. Проведен анализ особенностей графика потребления энергии. В качестве примера проведен анализ графика электрической нагрузки энергосистем Донбассэнерго (Украины) и графика нагрузки угольных ТЭС Фалай (Вьетнама). 2. Проведен анализ основных особенностей общей задачи оптимизации режимов работы теплоэнергетических установок в современных и реальных условиях, в том числе задачи комплексной оптимизации режимов работы ТЭС. 3. Сформулирована в наиболее общей форме многокритериальная задача оптимального распределения отпускной электрической и тепловой энергии нагрузки между параллельно работающими блоками теплоэлектростанции. В общем случае критериями оптимизации являются не только минимум расхода топлива, но и минимум выбросов вредных веществ в окружающую среду и минимум вероятности аварийного простоя энергоблоков при соблюдении других требований. 4. Проведен анализ статической характеристики энергетических объектов, в том числе энергетической характеристики энергоблоков электростанции. 5. Проведен анализ математических методов решения задачи оптимизации. Проведены анализ и сравнение достоинств и недостатков математических методов при решении задачи оптимизации АСУ ТП на практике. На основе анализа пригодности и эффективности существующих математических методов оптимизации предлагается применение «оврагоперешагового» алгоритма аффинных проекций (ОАП) как эффективного метода для решения многокритериальной задачи оптимизации режимов работы ТЭС.
Определение количества выбросов в атмосферу угольных ТЭС Вьетнама
Степень рассеяния примесей в атмосфере при различных погодных условиях различна и определяется в основном скоростью ветра и температурным градиентом в воздухе, которые зависят от свойств поверхности земли и теплового баланса на ее поверхности. Чем сильнее нагрета земля, тем интенсивнее вертикальное перемешивание воздуха [23, 36, 90]. Такие условия называются конвективными, неустойчивыми и характеризуются интенсивным вертикальным перемешиванием воздуха, что приводит к значительному разбавлению выбрасываемых веществ в атмосфере.
Если вертикальный градиент температуры близок к нулю или отрицателен, то объем воздуха у земли оказывается холоднее окружающей массы воздуха и его движение вверх почти не происходит. Такие условия называются устойчивыми, инверсионными. Они характеризуются очень слабым турбулентным обменом и очень слабым разбавлением примесей в атмосфере [23, 90].
Концентрация выбросов в атмосфере зависит от высоты трубы, скорости истечения струи из трубы и перегрева струи относительно окружающего воздуха, создающих дополнительный начальный подъем струи вследствие сил инерции и плавучести. Кроме того, концентрация выбросов зависит также от осаждения примеси на поверхность земли вследствие гравитационного и турбулентного оседания и вымывания атмосферными осадками. В результате этого возникает «истощение» струи и загрязнение поверхности земли. Независимо от применяемых формул расчета приземной концентрации требуется знать следующие параметры: - высоту выброса (высоту трубы); - активность и объем выбрасываемой из трубы газовоздушной смеси; - направление и скорость ветра; - частоту повторяемости направления и скорости ветра; - категорию устойчивости погодных условий; - температурный градиент нижних слоев атмосферы; - скорость гравитационного осаждения радиоактивных веществ; - скорость радиоактивного распада и др. В результате турбулентности, выброшенные в атмосферу клубы газа и аэрозолей, расширяются, а концентрация примеси убывает. 2.4.2. Методы расчета распределения выбросов в атмосфере Для описания процессов рассеивания примесей в атмосфере, определения поля ее концентрации, используют два альтернативных подхода. Первый основан на решении полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии, использующий градиентную теорию переноса (перенос вещества пропорционален градиенту его концентрации), называемую также «К - теорией». Второй подход базируется на статистической модели, предполагая наличие нормального закона распределения (распределения Гаусса) концентрации в газовом облаке [75, 83]. Наиболее известным моделями рассеивания, доведенными до расчетных методик, являются: - модель, разработанная в Главной Геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова (ГГО), является основным общероссийским нормативным документом ОНД - 86 [54]; - модель Института экспериментальной метрологии (ИЭМ) [18]; - модель Паскуилла - Гиффорда (основа методик МАГАТЭ) [33,90]. Две первые методики являются комбинированными и используют с разными подходами градиентную и гауссову теории. Особенностью модели ГГО является возможность определения поля концентраций лишь для «опасной скорости ветра» и для наиболее неблагоприятных условий рассеивания в атмосфере. Модель ИЭМ позволяет решать более широкий круг задач с учетом различных условий состояния атмосферы, используя надежные эмпирические зависимости, в основе которых лежат уникальные экспериментальные данные. Обе методики широко применяется в России. В нашей работе рассматривается статистическая гауссова модель Паскуилла — Гиффорда, которая широко применяется во многих странах. Распределения концентрации аэрозолей в направлениях, поперечных движению струи (клуба), как это установлено многочисленными экспериментами, близко к нормальному гауссову. В зависимости от метеоусловий струя может быть волнообразной (неустойчивые условия), конусообразной (нейтральные условия), веерообразной (устойчивые условия). Выражение для приземной (z = 0) концентрации от непрерывного кратковременно действующего источника, приподнятого над уровнем земли на высоту h, дается формулой [90]:
Формирование эквивалентной безусловной целевой функции
График нагрузки ТЭС имеет следующие особенности [29, 87]: распределение нагрузки между энергоблоками одинаково. Такая эксплуатация электростанций является неоптимальной, что приводит к большему расходу топлива и низкой экономичности при той же суммарной мощности электростанции; максимальная мощность Ртах каждого энергоблока составляет 91 — 100 % его установленной мощности, а минимальная Pmin— 54 %; Коэффициент Неравномерности СУТОЧНОГО Графика Р (Р = (Ртах — РтіпУ Ртах) составляет 18 - 24 % . На рис. З.1., 3.2. приведены графики нагрузки угольной ТЭС Фалай (Вьетнама) за 11 января 2001 г и за январь 2001 соответственно [29]. Из графиков видно, что в выходные дни и ночное время нагрузка уменьшается до минимального значения, которое составляет 55% - 65% от максимального. Максимум нагрузки достигает с 4ч — 20ч, снижение нагрузки от средней мощности до заданной диспетчерским управлением производится в 20ч — 24ч. Небольшой спад нагрузки отмечается в часы обеденного перерыва (10ч - 11ч) и во время ужина (15ч - 17ч). Коэффициент неравномерности равен 20,5 %, Ртах достигает 71 % установленной мощности, a Pmjn — 56 %. Статистические данные о расходе топлива и выбросах энергоблоков ТЭС Фалай (Вьетнама) за январь 2001 приведены в таблицах 2.3а — 2.3в (во второй главе). На основе построения регрессионных функций эколого-энергетических характеристик энергоблоков в зависимости от режимов их работы и вместе с заданными условиями формируются единый критерий, штрафные функции и эквивалентная целевая функция оптимизации. Штрафные функции определяются по условиям ограничений, таким образом, чтобы при нарушении заданных условий, их соответствующие значения резко увеличиваются. А штрафные коэффициенты выбираются следующим образом: на основе накопления информации из опытов, для каждого класса задач закрепляем верхние пределы достаточно большими значениями штрафных коэффициентов Cj. Начиная с заранее заданных значений, их увеличивают или в 10 раз, если какой-нибудь Cj недостаточно большой, или уменьшают в 10 раз, если с; слишком большой. Затем приводится минимизация целевой функции оврагоперешаговым алгоритмом ОАП. Общий алгоритм решения этой задачи приведен на рис. 3.3. а) В схеме алгоритма решения задачи оптимального распределения нагрузки, в данные и параметры системы входят следующие факторы: - количество энергоблоков, Nb; - обозначение j-ro блока, Bj; - пределы допустимых рабочих нагрузок энергоблоков: Pmin, Ртах — нижние и верхние пределы нагрузки; - требуемая суммарная нагрузка, Рг. б) Ввод энергетических и экологических характеристик: характеристик энергоблоков для параметров модели в) Затем в процессе оптимизации задают: - тип единого критерия (весовой, минимаксный или главный); - весовые коэффициенты соответствующих критериев-факторов; - верхние значения допустимого ухудшения критериев; код, определяющий рабочие энергоблоки из состава существующих энергоблоков; - штрафные коэффициенты; - начальные значения нагрузки энергоблоков. В данной задаче для ТЭС Фалай (Вьетнама) имеются следующие значения: - количество энергоблоков станции: n = 4; - суммарная мощность электростанции: Ps = 440 МВт; - установленная мощность каждого энергоблока: 110 МВт; - максимальная мощность каждого энергоблока: Pjmax =110 МВт; - минимальная мощность каждого энергоблока: P}mm = 60 МВт; - энергетические и экологические характеристики энергоблоков определяются в главе II и имеют следующий вид: + Расхода о-топливные характеристики: блокі: Bj(P)= 19,144 - 0,609Р + 22,624Р2; У блок 2: В2(Р)= 39,913- 46,367Р + 53/723Р2; (3.26) блок 3: В3(Р) = 8,412 + 20,082Р + 11,339Р2; блок 4: В4(Р) = 46,123 - 57,952Р + 59,830Р2 + Характеристики по выбрасываемой золе: блок 1: Gi(P) = 0,135 - 0,129Р + 0,104Р2; (3.27) блок 2: G2(P)= 0,094-0,010Р+ 0,087Р2; блок 3: G3(P) = 0,129 - 0,199Р + 0Д84Р2; блок 4: G4(P) = 0,071 + 0Д03Р + 0,055Р2 Решение задачи реализуется в двух вариантах: при режиме распределения нагрузки по всем существующим работающим энергоблокам и при отключении одного из блоков.
