Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор опубликованных данных 12
1.1. Структура соединения энергетического оборудования ТЭС для производства тепловой и электрической энергии 12
1.2. Подходы к моделированию и методы расчета энергетических систем при разном уровне их декомпозиции 16
1.3. Представление моделей оборудования в виде энергетических характеристик, их преимущества и недостатки 24
1.4. Показатели эффективности работы энергетического оборудования и методы решения оптимизационных задач со сложной конфигурацией области поиска 30
1.5. Анализ программных вычислительных комплексов для расчета показателей работы и оптимизации энергетических объектов 38
1.6. Постановка задач исследования 42
2. Постановка и решение задач структурной и режимной оптимизации распределения нагрузки между агрегатами ТЭЦ 44
2.1. Разработка и компьютерное представление математических моделей энергетических объектов на основе энергетических характеристик 44
2.2. Разработка и модификация численных методов решения задачи оптимизации нагрузок оборудования ТЭЦ с учетом потокораспределения сетевой воды через подогреватели 59
2.3. Некоторые аналитические решения задачи оптимального выбора нагрузок оборудования ТЭЦ с учетом ТФУ 68
2.4. Выводы по главе 85
3. Программный комплекс «ТЭС-эксперт» 86
3.1. Назначение программного комплекса 86
3.2. Структура программного комплекса 89
3.3. Порядок использования программного комплекса 105
3.4. Системные требования программного комплекса 112
3.5. Адаптация программного комплекса к составу оборудования и условиям работы ТЭЦ 113
3.6. Сведения о государственной регистрации программного комплекса 113
3.6. Выводы по главе 115
4. Практическое использование результатов работы 116
4.1. Внедрение результатов работы на Владимирской ТЭЦ-2 ОАО«ТГК-6» 116
4.2. Повышение эффективности работы ТЭЦ при использовании байпасирования и рециркуляции сетевой воды в теплофикационных установках турбоагрегатов 120
4.3. Внедрение результатов работы на Омской ТЭЦ-5 ОАО «ТГК-11» 130
4.4. Выявление величины экономии топлива за счет учета потокораспределения сетевой воды при оптимизации загрузки турбоагрегатов 134
4.5. Внедрение результатов работы в научно-исследовательский и учебный процесс 141
Выводы по главе 147
Основные выводы и результаты работы 148
Список использованной литературы 150
Приложения 167
- Представление моделей оборудования в виде энергетических характеристик, их преимущества и недостатки
- Разработка и модификация численных методов решения задачи оптимизации нагрузок оборудования ТЭЦ с учетом потокораспределения сетевой воды через подогреватели
- Сведения о государственной регистрации программного комплекса
- Повышение эффективности работы ТЭЦ при использовании байпасирования и рециркуляции сетевой воды в теплофикационных установках турбоагрегатов
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из важнейших направлений исполнения федерального закона № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности...» является внедрение энергосберегающих технологий на тепловых электрических станциях (ТЭС). С момента принятия в 2005 году приказа № 268 Министерства промышленности и энергетики Российской Федерации интенсивно развиваются такие малозатратные энергосберегающие мероприятия, как разработка и внедрение прикладных программных комплексов по оптимизации распределения тепловых и электрических нагрузок между агрегатами электростанций. Широкому внедрению программных комплексов способствовали также сложившиеся принципиально новые условия работы электростанций, особенно теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), на Новом оптовом рынке электроэнергии и мощности (НОРЭМ).
Решение задачи оптимального распределения тепловых и электрических нагрузок между параллельно работающими агрегатами ТЭЦ традиционно базируется на раздельном расчете показателей работы сетевых подогревателей и собственно турбоагрегатов. Между тем, расчеты показывают, что режим работы сетевых подогревателей, установленных в тепловой схеме соответствующих турбоагрегатов, существенно влияет не только на регулировочный диапазон изменения тепловой и электрической нагрузок турбоагрегата, но и на показатели его тепловой экономичности. Так значения показателей экономичности турбоагрегата типа Т-100/120-12,8 ПО ТМЗ по выработке электроэнергии при одних и тех же нагрузках могут варьироваться в пределах 30 % при измерении давления пара в камере регулируемого теплофикационного отбора, то есть при изменении параметров работы сетевых подогревателей.
Таким образом, разработка адекватных математических моделей систем и подсистем ТЭЦ для оценки влияния потокораспределения воды между сетевыми подогревателями на тепловую экономичность группы турбоагрегатов, разработка алгоритмов оптимизации загрузки оборудования с учетом этого влияния и программная реализация этих алгоритмов являются актуальными задачами, стоящими перед энергетикой.
Актуальность работы подтверждается также ее выполнением в рамках Федеральной целевой программы «Интеграция» (2.1-А118 Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий) и международных договоров о научно-техническом сотрудничестве с Ченстохов-ским политехническим университетом (Польша).
Целью работы является повышение эффективности выработки тепловой и электрической энергии на ТЭЦ путем учета потокораспределения воды между сетевыми подогревателями при оптимальном распределении нагрузок между турбоагрегатами.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
- выбор моделей энергетического оборудования, позволяющих адекватно определять технико-экономические показатели его работы в регулировочных диапазонах изменения режимных параметров;
разработка алгоритма компьютерного представления математических моделей энергетического оборудования, обеспечивающего возможность использования этих моделей в прикладных программных комплексах по оптимизации распределения нагрузок;
разработка математических моделей теплофикационных турбоагрегатов с учетом характеристик установленных в их тепловой схеме сетевых подогревателей, оценка влияния сетевых подогревателей на регулировочный диапазон изменения нагрузок и показатели тепловой экономичности турбоагрегата;
разработка методов, алгоритмов и программных модулей по оптимизации состава работающего турбинного оборудования и нагрузок агрегатов с учетом потокораспределения сетевой воды между подогревателями теплофикационных установок (ТФУ) по условию минимальных расходов топлива;
внедрение разработанных методов, алгоритмов и программных модулей в производство, выявление величины экономии топлива за счет учета потокораспределения сетевой воды при оптимизации загрузки турбоагрегатов.
Соответствие паспорту специальности. Работа соответствует паспорту специальности:
в части формулы специальности - «...поиск приемов и методов оптимизации расчета, выбора и оптимизации параметров рабочих режимов оборудования...»; в части области исследования - пункту 1: «Разработка научных основ методов, показателей качества и режимов работы агрегатов, систем и тепловых электростанций в целом»; пункту 2: «Исследование и математическое моделирование процессов, протекающих в агрегатах, системах и общем цикле тепловых электростанций»; пункту 3: «Разработка, исследование, совершенствование действующих и освоение новых технологий производства электрической энергии и тепла, использования топлива, водных и химических режимов, способов снижения влияния работы тепловых электростанций на окружающую среду».
Научная новизна работы состоит в следующем:
Сформулирована и решена задача структурной и режимной оптимизации турбоагрегатов ТЭЦ с учетом потокораспределения воды через сетевые подогреватели при заданных суточных графиках несения суммарных электрической и тепловой нагрузок.
Предложен синтезированный метод численного решения задачи оптимального распределения нагрузок между турбоагрегатами ТЭЦ, сочетающий два метода: метод направленного поиска в многомерных подпространствах параметров тепловых и электрических нагрузок и метод покоординатного поиска между этими подпространствами, учитывающий ограничения по суммарным нагрузкам и ограничения на область допустимых значений режимных параметров каждого агрегата. Разработан алгоритм компьютерной реализации синтезированного метода.
Разработан модифицированный метод множителей Лагранжа, учитывающий как ограничения на суммарные нагрузки группы турбоагрегатов, так и технологические ограничения на допустимые диапазоны изменения режимных параметров оборудования, на основании которого получено аналитическое решение задачи оптимального распределения нагрузок между турбоагрегатами.
4. Получены новые данные, доказывающие, что включение в параметры оптимизации расходов воды через сетевые подогреватели индивидуальных ТФУ при оптимизации режима работы турбоагрегатов ТЭЦ обеспечивает получение экономии топлива, сопоставимой с экономией топлива за счет оптимизации без учета режимных параметров работы ТФУ.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
Разработан программный комплекс «ТЭС-Эксперт», защищенный свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ, позволяющий производить выбор оптимального состава и режима работы агрегатов ТЭЦ при заданных графиках суммарных электрической и тепловой нагрузок и прогнозировать технико-экономические показатели работы оборудования в расчетных режимах.
Выполнен анализ методов компьютерного представления математических моделей оборудования тепловых электростанций в виде энергетических характеристик. Показано, что с точки зрения использования этих моделей в прикладных программных комплексах по оптимизации распределения нагрузок наиболее приемлемым вариантом является использование кубических сплайнов. Разработан автоматизированный программный модуль представления энергетических характеристик оборудования в электронном виде.
Программный комплекс «ТЭС-Эксперт» внедрен на Владимирской ТЭЦ-2 ОАО «ТГК-6» и Омской ТЭЦ-5 ОАО «ТГК-11». Реализованные технологические решения по повышению эффективности использования теплофикационных установок, оптимизации состава работающего оборудования и распределения тепловых и электрических нагрузок между агрегатами обеспечили получение годовой экономии тепловой энергии на Владимирской ТЭЦ-2 в количестве 14 000 Гкал (58 615,2 ГДж) и годовой экономии условного топлива на Омской ТЭЦ-5 в количестве 7000 тонн, что подтверждено документами.
Разработанные математические модели энергетического оборудования, методы расчета и их программная реализация внедрены в учебный и научно-исследовательский процессы Ченстоховского политехнического университета (Польша) и Ивановского государственного энергетического университета.
Достоверность полученных результатов обусловлена использованием апробированных методов математического моделирования энергетического оборудования и анализа показателей тепловой экономичности его работы, совпадением результатов расчета и фактических показателей работы оборудования в условиях промышленной эксплуатации на двух различных электростанциях, а также совпадением полученных результатов расчетов с опубликованными результатами исследований других авторов.
Автор защищает:
Постановку задачи структурной и режимной оптимизации турбоагрегатов ТЭЦ с учетом режима работы и схемы включения подогревателей индивидуальных и станционных теплофикационных установок при заданных графиках суммарных тепловой и электрической нагрузок.
Аналитические решения задач оптимизации распределения нагрузок между турбоагрегатами, полученные с использованием модифицированного
метода неопределенных множителей Лагранжа, позволяющего учитывать как ограничения на суммарную станционную нагрузку, так и технологические ограничения на допустимые режимы работы оборудования.
Синтезированный метод численного решения задачи оптимального распределения нагрузки между турбоагрегатами ТЭЦ, сочетающий два метода: метод направленного поиска в многомерных подпространствах параметров тепловых и электрических нагрузок и метод покоординатного поиска между этими подпространствами, учитывающий ограничения по суммарным нагрузкам и ограничения на область допустимых значений параметров работы каждого агрегата.
Алгоритм компьютерной реализации разработанного синтезированного метода численного решения задачи оптимального распределения нагрузки между турбоагрегатами ТЭЦ.
Результаты анализа методов компьютерного представления математических моделей оборудования тепловых электростанций с точки зрения возможности использования этих моделей в прикладных программных комплексах по оптимизации распределения нагрузок. Автоматизированный программный модуль для компьютерного представления математических моделей энергетического оборудования в виде энергетических характеристик.
6. Программный комплекс «ТЭС-Эксперт», позволяющий производить
выбор оптимального состава и режима работы агрегатов ТЭЦ при заданных
графиках суммарных электрической и тепловой нагрузок и прогнозировать
технико-экономические показатели работы оборудования в расчетных режи
мах.
Результаты внедрения программного комплекса «ТЭС-Эксперт» на Владимирской ТЭЦ-2 ОАО «ТГК-6» и Омской ТЭЦ-5 ОАО «ТГК-11» и достигнутую экономию тепловой энергии и топлива.
Новые данные, характеризующие экономию топлива за счет учета пото-кораспределения сетевой воды между подогревателями теплофикационных установок при оптимизации режима работы турбоагрегатов ТЭЦ.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены на Владимирской ТЭЦ-2 ОАО «ТГК-6» и Омской ТЭЦ-5 ОАО «ТГК-11», что подтверждено актами внедрения. Разработанные модели, методы и алгоритмы расчета, модули их программной реализации использованы в научно-исследовательском процессе Ченстоховского политехнического университета (Польша), а также внедрены в учебный процесс Ивановского государственного энергетического университета в рамках лабораторного практикума по курсу «Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях».
Личное участие автора в получении результатов работы состоит в разработке методики и программного модуля, обеспечивающих компьютерное представление моделей энергетического оборудования в виде энергетических характеристик, методики расчета и оптимизации распределения нагрузок между агрегатами ТЭЦ с учетом потокораспределения сетевой воды между подогревателями теплофикационных установок, алгоритмов и программных кодов программного комплекса «ТЭС-Эксперт», в адаптации и внедрении данного про-
граммного комплекса на электростанциях, проведении расчетного анализа эффективности оптимизации.
Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы и обсуждались на семи конференциях, в том числе четырех международных: Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития энерготехнологии» XV Бенардосовские чтения (Иваново, 2009 г); XII и XV Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2006 и 2009 гг.); XXII Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-22» (Псков, 2009 г.); V Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (Ульяновск, 2006 г.); V Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности энергетического оборудования» (Иваново, 2010 г.); Региональной научно-техническиой конференции студентов и аспирантов «Теплоэнергетика» (Иваново, 2009 г.).
Публикации. Материалы, изложенные в диссертации, нашли отражение в 23 опубликованных работах, в том числе в 8 ведущих рецензируемых журналах и изданиях (по списку ВАК), одной монографии, 6 свидетельствах о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, включающего 159 наименований, и приложений. Работа изложена на 166 страницах, не считая приложений, содержит 42 рисунка и 9 таблиц.
Представление моделей оборудования в виде энергетических характеристик, их преимущества и недостатки
Построение моделей энергетических объектов в виде энергетических характеристик представляется перспективным направлением исследований в силу ряда причин. Сложность процессов, протекающих в энергетическом оборудовании, обусловливает трудности их адекватного моделирования. Аналитическое описание в виде дифференциальных уравнений требует для проведения расчетов значительных вычислительных ресурсов, а экспериментальное описание объекта в виде интегральных зависимостей приемлемо только для исследованного диапазона значений параметров. Построение модели агрегата в виде энергетических характеристик представляется разумным-компромиссом-между теоретическим и экспериментальным подходами. Обоснованность такого компромисса подтверждается практикой успешного проектирования и эксплуатации на основе этих характеристик энергетических объектов [60, 126].
Значительный вклад в разработку методик построения и использования энергетических характеристик-внес А.Д. Качан [4,5!,75,76]. Энергетическая характеристика определяется им как соотношение между получаемой и отпускаемой энергиями. Для тепловых электростанций исходной считается энергия топлива, превращаемая в тепловую энергию, а затем в электроэнергию. Основным видом энергетической характеристики считается расходная характеристика -зависимость расхода теплоносителя от нагрузки. Расходная характеристика котла — зависимость расхода условного топлива от тепловой нагрузки. Расходная характеристика конденсагщонного энергоблока — зависимость расхода условного топлива от электрической нагрузки. Расходная характеристика турбоагрегата — зависимость потребляемой тепловой энергии от электрической нагрузки и тепловой нагрузки не регенеративных отборов пара.
Зависимость удельного расхода тепловой энергии на выработку электрической энергии от выработки электрической энергии составляет основу энергетических характеристик турбоагрегата. [4,74] и для конденсационного агрегата может быть представлена в виде где Qo - полный расход теплоты на турбоагрегат; N3 - электрическая мощность на клеммах генератора; Лі»Лоі Лм»Лг»Л3 соответственно термический коэффициент полезного действия (КПД) цикла, внутренний относительный и механический КПД турбины, КПД электрического генератора и абсолютный электрический КПД турбоустановки. Наиболее существенное влияние на удельный расход тепловой энергии при переменных режимах оказывает термический КПД и внутренний относительный КПД турбоагрегата. Коэффициенты полезного действия механический и генератора при переменных нагрузках обычно принимаются постоянными или мало изменяющимися.
Для расчета и построения энергетических характеристик, используются два подхода: теоретический и экспериментальный.
Теоретическое построение энергетических характеристик турбоагрегата согласно формуле (1.5) возможно при известных значениях величин, в нее входящих. Термический коэффициент полезного действия цикла (r)t) определяется с учетом структуры тепловой схемы по известным методикам [2,23,24,28]. Значение термического коэффициента полезного действия позволяет определить минимальную величину тепловой энергии, необходимую для отпуска требуемой энергии при заданных параметрах цикла. Реальное потребление тепловой энергии дополнительно увеличивается за счет потерь энергии с выходной скоростью пара, с протечками пара, на трение в подшипниках и в генераторе [2].
Внутренний относительный КПД при переменных режимах изменяется за счет потерь на выходе из решетки как рабочих, так и сопловых лопаток, определяемых углом атаки потока, потерями с выходной скоростью и некоторыми другими потерями [8]. Энергетическая характеристика паротурбинных установок [85,86] должна удовлетворять требованиям физической реальности, точности, простоты построения и удобства использования в оптимизационной модели ТЭС. Построение энергетических характеристик, отвечающих этим требованиям, расчетным путем без привлечения экспериментальных данных весьма проблематично.
Процедура разработки энергетических характеристик регламентирована нормативной методикой [60]. Под энергетической характеристикой оборудования в данной методике понимается комплекс зависимостей технико-экономических показателей его работы в абсолютном или относительном исчислении от нагрузки при оптимальных режимах работы, принятой тепловой схеме, фиксированных значениях внешних факторов, а также состоянии оборудования и уровне его эксплуатации, обеспечивающих выполнение требований Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей [129] с учетом неустранимых дефектов проектирования, изготовления, монтажа и старения оборудования.
Основные технико-экономические показатели — показатели работы оборудования, обобщенно характеризующие экономичность агрегата, установки или механизма. Для котла основным показателем является КПД брутто, для турбоагрегата - удельный расход тепловой энергии брутто на производство электроэнергии, для механизмов собственных нужд — затраты мощности, абсолютный или удельный расход электроэнергии, для установок и аппаратов, тепловых собственных нужд — абсолютный, часовой или удельный расход тепловой энергии [60].
При этом принято разделять понятия исходно-номинальных и номинальных показателей. Исходно-номинальное значение технико-экономических показателей - значение этих показателей, определенное по энергетическим характеристикам при фиксированных значениях внешних факторов и заданном значении нагрузки, часовой производительности, расхода энергоносителя (или транспортируемого вещества) или другого нормообразующего показателя. Номинальное значение технико-экономических показателей — значение этих пока зателей, определенное путем введения к их исходно-номинальному значению поправок на отклонение фактических значений внешних факторов от фиксированных.
Нормирование технико-экономических показателей работы оборудования есть установление исходно-номинальных и номинальных значений этих показателей на какой-либо период. Нормируемый объект - единичный агрегат или комплекс оборудования (энергоблок, подгруппа оборудования, электростанция), для которого производится нормирование технико-экономических показателей его работы.
Пример энергетической характеристики турбоагрегата ПТ-65/75-130/13 показан на рис. 1.2. Приведенные зависимости позволяет определить потребность турбоагрегата в тепловой энергии, необходимой для выработки заданной электрической мощности (N3) при заданном отпуске тепловой энергии с паром производственного отбора (Q„) и заданном отпуске тепловой энергии с паром теплофикационного отбора (QT). Приведенные на рисунке зависимости построены для значения Qn = 0. Альбом аналогичных характеристик при других значениях Qn позволяет определить экономичность работы агрегата во всем допустимом диапазоне его нагрузок.
Разработка и модификация численных методов решения задачи оптимизации нагрузок оборудования ТЭЦ с учетом потокораспределения сетевой воды через подогреватели
Проведенный литературный анализ показал перспективность построения моделей энергетических объектов с использованием энергетических характеристик и решение на их базе задач оптимального выбора режима и состава работающего оборудования.
Энергетические характеристики традиционно представляются в графическом виде, который сложно использовать для компьютерного моделирования. и решения оптимизационных задач. Для компьютерного представления энергетических характеристик рассматриваются следующие подходы: модельное описание объекта и определение на его основании энергетических характеристик; обработка результатов экспериментальных исследований для корректировки нормативных характеристик; замена традиционных графических характеристик аппроксимирующими зависимостями. При отсутствии достоверной экспериментальной информации и типовых энергетических характеристик турбоагрегата возможно построение их на основе расчетов тепловых схем, выполненных с различными допущениями. Число и характер допущения определяют, в конечном счете, достоверность полученных энергетических характеристик и диапазон их применимости. Для оценки эффективности работы турбоагрегата в первом приближении расчет может быть построен на следующих допущениях. Давление (р0), температура (t0) и энтальпия (ho) острого пара считаются известными. Пар расширяется в турбине до за данного конечного давления в конденсаторе (р ). При известной тепловой (Qn, QT) и электрической (N) нагрузках удельные затраты теплоты на выработку электрической энергии оцениваются следующим образом. По известным параметрам пара в промышленном отборе (рр), в теплофикационном отборе (pt) и отборе пара на регенеративный подогреватель (рг) определяются энтальпии соответствующих потоков (hp, hb hr). Нагрев воды в смешивающем регенеративном подогревателе осуществляется до температуры насыщения, соответствующей давлению пара в отборе. Балансы энергии и массы для смешивающего подогревателя в рамках матричной формализации [145] позволяют определить долю пара, необходимую для регенерации воды. По известной тепловой нагрузке находится доля пара от общего расхода на турбину для покрытия промышленной и теплофикационной нагрузок. Тепловая энергия (QT), затраченная на выработку электрической энергии, определяется как разность полного расхода тепла на турбину и заданных производственных и теплофикационных нагрузок. Электрическая мощность вычисляется как сумма произведений удельных тепловых перепадов, срабатываемых в турбоагрегате, и соответствующих им расходов пара. Удельный расход тепла на выработку электрической энергии (Цч) определяется через отношение тепла, затраченного на выработку электрической энергии, к выработанной электрической энергии.
Пример оценочного расчета энергетической характеристики выполнен согласно описанной методики для паровой турбины ПТ-65/75,-130/13: h0 = 3471 кДж/кг, hk = 2013 кДж/кг, hks = 138,187 кДж/кг, hp = 2838 кДж/кг, hps = 814,9 кДж/кг, ht = 2503 кДж/кг. Результаты расчета приведены на рис.2.5 в виде зависимости удельного расхода тепла от электрической мощности. На этом же рисунке точками приведена нормативная энергетическая характеристика для этой турбины. Следует отметить, что упрощенная модель позволяет получить качественное описание нормативных результатов. Следует отметить также, что математическая модель дает приемлемые результаты не при всех тепловых нагрузках. Это расхождение обусловлено, в первую очередь, зависимостью коэффициента полезного действия турбины от расхода пара, что не учи тывается в модели. Указанное замечание накладывает ограничения на использование результатов математического моделирования для анализа работы турбины во всем диапазоне нагрузок.
Основное внимание в работе уделяется аппроксимации нормативных энергетических характеристик с учетом имеющихся экспериментальных данных. Энергетические характеристики турбин типа Т и ПТ имеют наиболее сложный вид. Пример таких характеристик для турбины ПТ-65/75-130/13 (Qp 0 Гкал/ч) показан на рис. 1.2. Для каждого значения промышленной тепловой нагрузки (Qp) характеристики имеют аналогичный вид, а комплект таких характеристик представляется обычно в виде альбома зависимостей. Штриховой линией на рисунке показаны ограничения области допустимых значений параметров, которые нужно учитывать при моделировании. Для аппроксимации энергетических характеристик исследованы следующие виды зависимостей: линейные; квадратичные; кубические; кусочно-линейные, кусочно-квадратичные и кусочно-кубические; кусочно-кубические сплайны. С целью определения наиболее приемлемого вида зависимости и допустимых областей их использования проведены численные эксперименты, результаты которых рассмотрим более подробно.
Сведения о государственной регистрации программного комплекса
Исследование функции (2.24) показывает, что найденное решение является минимумом целевой функции.
В следующей задаче оптимизируется распределение тепловой нагрузки между аппаратами более сложной ТФУ из четырех подогревателей, схема включения которых приведена на рис. 2.9, г. В первую нитку, через которую прокачивается расход сетевой воды W1, включаются последовательно первый и второй подогреватели. Вторую нитку образуют третий и четвертый подогреватели с расходом сетевой воды W11 через каждый подогреватель. Римская цифра верхнего индекса здесь и далее соответствует номеру рассматриваемой нитки. Арабские цифры нижнего индекса показывают номер подогревателя, согласно рис. 2.9, г. Первая и вторая нитки подогревателей включаются параллельно по сетевой воде. Общий расход сетевой воды через установку определяется суммой расходов по ниткам W=WI+W". Установка при заданной суммарной тепловой нагрузке характеризуется пятью независимыми параметрами оптимизации: W, Qi, Q2, Cb, Q-4- Анализ схемы рис. 2.9, г показывает, что она может быть сведена к однопараметрической задаче относительно расхода сетевой воды по первой ннтке х = G1 следующим образом. Зная расход сетевой воды по первой нитке, определяется теплофикационная нагрузка на первую нитку Q = G с (t -10) = Q, + Q2 .В этом случае оптимальное распределение нагрузки между первым и вторым подогревателями по аналогии с задачей 2 определяется согласно (2.21), (2.22). Зная тепловую нагрузку и расход сетевой воды по второй нитке, аналогично определяются оптимальные тепловые нагрузки на третий и четвертый подогреватели. Решения оптимизационной задачи 2 для каждой нитки записываются через один параметр х. Целевая функция оптимизации для всей установки представляется как функция от одной переменной -от расхода сетевой воды по первой нитке (х = W ) — в виде
Решение сформулированной оптимизационной задачи, полученное графическим методом, проиллюстрировано на рис.2.10 зависимостями температуры насыщения в четырех подогревателях (кривые 1-4) и целевой функции (кривая 5) от параметра оптимизации.
Для расчетного примера выбраны следующие исходные данные: W=10 кг/с; с=4000 Дж/(кг К); F,=10, F2=20, F3=5, F4=4 м2; k,=2000, k2=1000, k3=2000, k4=2000 Вт/(м2 К); t=95 С; t0=40 С. Минимальное значение целевой функции соответствующее значение параметра оптимизации является решением оптимизационной задачи. Графики 1-4 позволяют найти оптимальные значения температур насыщения и оптимальное распределение нагрева сетевой воды по подогревателям. Найденные аналитические решения, задач оптимизации ТФУ предполагают их использование при анализе распределения нагрузки между турбоагрегатами ТЭС Построение оптимальных энергетических характеристик ТЭЦ с индивидуальными теплофикационными установками
Решение задачи оптимального распределения нагрузки на ТЭЦ может быть представлено в виде оптимальных энергетических характеристик всей станции, которые затем можно использовать для оперативного выбора оптимального режима без привлечения вычислительной системы. Случай подключения сетевых подогревателей непосредственной к отборам турбины, наиболее характерен для теплофикационных турбин типов «Т». Давление пара в этом случае может индивидуально регулироваться диафрагмой в зависимости от тепловой нагрузки. Для случай индивидуального подключения сетевых подогревателей к отбору турбины возможно получение решения сформулированной задачи методами динамического программирования.
Целью исследования является определение оптимальных технологических режимов работы ТЭЦ, которые обеспечивают минимальный расход тепловой энергии на выработку заданного количества, электрической и тепловой энергии. Таким образом, в качестве целевой функции оптимизации выбирается суммарный расход тепловой энергии на ТЭЦ, в качестве искомых параметров оптимизации рассматриваются тепловые и электрические нагрузки турбоагрегатов и сетевых подогревателей при заданных общих станционных нагрузках.
Задача исследования может быть сформулирована следующим образом. Оптимально распределить заданную тепловую (Q) и электрическую (N) нагрузки между турбоагрегатами с учетом влияния режима работы теплофикационных установок. Задача формулируется в терминах динамического программирования для возможности ее решения с использованием алгоритма Беллмана.
Математическая формулировка задачи оптимального распределения нагрузки между п турбоагрегатами с учетом ТФУ записывается в виде где Q - суммарный расход тепловой энергии на выработку электрической энергии, N — электрическая мощность турбогенератора; qT — удельный расход тепла брутто на выработку электроэнергии; Qt — тепловая нагрузка теплофикационного отбора пара; W - водяной эквивалент равный произведению расхода (G) на теплоемкость (с) сетевой воды, п - количество турбоагрегатов, участвующих в распределении нагрузки, индекс і - номер турбоагрегата или номер подогревателя. Следует дополнительно отметить, что область допустимых нагрузок оборудования определяется технологическими ограничениями и имеет достаточно сложную форму, что необходимо учитывать при решении оптимизационной задачи. Напомним, что в рассматриваемой задаче в соответствии с рис. 2.6,а число турбоагрегатов равно числу сетевых подогревателей.
Традиционно в задачах динамического программирования [103,104] оптимальным образом распределяется какой-то ресурс (аддитивный параметр), в качестве которого в данном случае рассматриваются общая электрическая, общая тепловая нагрузки и общий расход сетевой воды. Суммарные значения тепловой и электрической нагрузок и расхода сетевой воды, которые необходимо распределить по агрегатам, считаются заданными и записываются в виде ограничений
Повышение эффективности работы ТЭЦ при использовании байпасирования и рециркуляции сетевой воды в теплофикационных установках турбоагрегатов
Решение задачи перспективного планирования обычно выполняется при разработке бизнес-планов работы электростанщга на предстоящий период, на-пример, на год. При этом, как правило, в рамках генерирующей компании, к которой относится электростанция, уже определены объемы выработки электроэнергии и уровни планируемых тепловых нагрузок внешних потребителей с паром и горячей водой. Оптимизация сводится к выбору состава находящихся в работе агрегатов, расчету оптимального распределения тепловых и электрических нагрузок между ними и прогнозированию ТЭП работы электростанции.
Расчет ТЭП работы оборудования является неотъемлемой частью всех оптимизационных расчетов, поскольку позволяет оценить конечный результат оптимизации в привычном для производственного персонала виде (абсолютные или удельные расходы топлива, тепловой и электрической энергии на собственные нужды и др.).
Одной из наиболее важных задач расчета ТЭП является количественная оценка эффективности работы отдельных единиц оборудования и электростанции в целом. Действующие нормативные документы в области топливоисполь-зования определяют необходимость выполнения следующих этапов расчета: - сведение пароводяного и теплового, электрического и топливного балансов; - расчет фактических показателей работы оборудования; - расчет номинальных показателей работы оборудования; - расчет составляющих резерва тепловой экономичности оборудования. Большой объем вычислительных операций, производимых при выполнении Л расчетов, необходимость использования энергетических характеристик оборудования в виде графических зависимостей в условиях отсутствия средств автоматизации делают задачу расчета ТЭП в указанном выше объеме сложно реализуемой. Поэтому программный комплекс «ТЭС-Эксперт» позволяет проводить такие расчеты не только для оптимальных режимов, но и вне зависимости от источника исходных данных (фактические показатели работы оборудования, задаваемые пользователем плановые показатели и др.). При необходимости, программный комплекс может быть адаптирован для решения ряда смежных задач, основанных на оптимизации загрузки оборудования электростанции и прогнозирования ТЭП его работы. К таким задачам следует отнести: разработку оптимальных графиков электрических нагрузок электростанции при перспективном долгосрочном планировании. Такие расчеты наиболее актуальны при наличии нескольких электростанций в одной генерирующей компании. При этом для каждой электростанции должны быть известны планируемые тепловые нагрузки с паром и горячей водой. По результатам оптимизационного расчета должна быть выбрана суммарная электрическая мощность каждой ТЭС, состав работающего оборудования, а также электрические и тепловые нагрузки отдельных агрегатов; оптимизацию минимальной (нормативной) мощности ТЭС. Это относительно новый тип расчетов, необходимость проведения которого возникла при изменении методики тарифного прогнозирования. Цель расчета состоит в определении оптимальных значений электрической мощности ТЭЦ при работе турбин с нормативной электрической мощностью (то есть по тепловому графи ку нагрузок - с закрытыми органами регулирования части низкого давления и минимальным пропуском пара в конденсатор). При этом по заданным тепловым нагрузкам электростанции с паром и горячей водой осуществляется выбор состава работающего оборудования, и вычисляются тепловые и электрические нагрузки каждого агрегата; - анализ эффективности строительства новых мощностей или технического перевооружения. Главной особенностью данного типа оптимизации является необходимость тщательного анализа режимов работы оборудования при планируемых тепловых и электрических нагрузках электростанции в целом (с учетом прогноза роста или уменьшения присоединенных нагрузок) при различных вариантах изменения состава работающего оборудования - строительства новых мощностей, реконструкции, модернизации или технического перевооружения существующих. Программный комплекс «ТЭС-Эксперт» имеет модульную структуру. Составные части программного комплекса с указанием информационных потоков между основными информационными и расчетными модулями приведены нарис. 3.1. Модуль «ТЭС-Эксперт. Схема». Содержит расчетные (балансовые) схемы электростанции, отражающие структуру связей между отдельными агрегатами, группами оборудования. Заданная в электронном виде топология этих связей является основой для построения систем балансовых уравнений, автоматизированное решение которых является обязательным этапом, предшествующим расчету фактических и номинальных технико-экономических показателей работы оборудования [126, 128]. Пример расчетной (балансовой) схемы представлен на рис. 3.2.
«ТЭС-Эксперт. Энергетические характеристики». Данный модуль содержит в электронном виде альбом энергетических характеристик оборудования, входящих в состав нормативно-технической документации электростан ции по топливоиспользованию [61, 126, 129]. Поскольку энергетические характеристики традиционно представляются в графическом виде, рассматриваемый модуль программного комплекса снабжен программойі обработки1 графических зависимостей, предназначенной для автоматизации процессов обработки энергетических характеристик оборудования: поиска оптимального способа интерполяции или видов регрессионных зависимостей, описывающих энергетические характеристики и автоматического построения программных блоков математических моделей оборудования. Достоинством программы является возможность визуального контроля (см. рис. 3.3) соответствия создаваемой математической модели исходному графическому изображению энергетической характеристики.
