Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Постановки задач и методы их решения
1.1. Задачи оптимизации режимов работы ТЭЦ
1.2. Задача разработки быстродействующих математических моделей турбин
1.3. Методические подходы к разработке идентификационных математических моделей турбин
1.4. Методика распределения нагрузки между параллельно работающими котлами, с использованием методов динамического программирования .
1.5. Методика оценивания эффективности снижения температуры обратной сетевой воды ТЭЦ.
Глава 2. Программно-вычислительный комплекс 47
2.1. Согласованная методика оптимизации режимов работы крупных промышленно-отопительных ТЭЦ
2.2. Структура ПВК 49
2.3. Характеристика ПВК 51
Глава 3. Примеры расчетов производимых программно-вычислительным комплексом .
3.1. Пример расчетов турбоагрегата Т-100/120-130 с использованием быстродействующей математической модели.
3.2. Примеры идентификации математических моделей основного энергетического оборудования
3.2.1. Идентификация математической модели теплофикационной турбины ПТ-60/75-130/13 64
3.2.2. Идентификация математической модели парового котлоагрегата ТГМ-84-140
3.3. Примеры расчетов режимов работы крупной промышленно-отопительной ТЭЦ
3.4. Оценка эффективности снижения температуры обратной сетевой
воды с использованием математической модели сложной 91
отопительной ТЭЦ.
Заключение 93
Литература
- Задача разработки быстродействующих математических моделей турбин
- Методика распределения нагрузки между параллельно работающими котлами, с использованием методов динамического программирования
- Структура ПВК
- Примеры идентификации математических моделей основного энергетического оборудования
Введение к работе
Актуальность работы
Электрическими станциями России в 2005 г. было произведено 952 миллиарда кВт-ч электрической энергии, в том числе тепловыми электрическими станциями (ТЭС) - 657 млрд. кВт-ч. Суммарная мощность электростанций России составила 216 млн. кВт, при этом мощность ТЭС -148 млн. кВт, из них ТЭЦ - около 50%. Среднегодовая экономия топлива за счет комбинированного производства тепла и электроэнергии составляет около 25 млн. т.у.т. Приведенные данные позволяют сделать вывод, что проблема повышения экономической эффективности ТЭЦ весьма актуальна. В свою очередь, эффективность, как отдельных агрегатов, так и всей ТЭЦ, существенно зависит от режимов их эксплуатации. Обоснованный выбор последних не может быть осуществлен без использования методов и программных средств математического моделирования и оптимизации.
Вопрос оптимизации параметров как ТЭС в целом, так и отдельных агрегатов станции особенно актуален в связи с изношенностью существующего установленного оборудования и переходом энергосистем к рыночным отношениям.
Проблема математического моделирования и оптимизации энергетических установок возникла достаточно давно, однако поиск наиболее эффективных путей ее решения продолжается до настоящего времени. Оригинальные способы решения задач математического моделирования и оптимизации, с использованием электронно-вычислительных машин, были предложены коллективом авторов Сибирского энергетического института (СЭИ) СО РАН, Л.А. Мелентьевым, Г.Б. Левенталем, Л.С. Попыриным, Ю.В. Наумовым, A.M. Клером и др. [2,16,30,32,42,48,49,54-58,71-80]. В работах этих авторов рассматриваются вопросы автоматизации математического моделирования энергетических установок, задачи оптимизации параметров теплоэнергетических установок (ТЭУ) различных типов и технологических схем; а также подходы к оптимизации ТЭУ в условиях неоднозначности информации.
Необходимо отметить, что работы по математическому моделированию и оптимизации ТЭУ рассматриваются в двух направлениях: математические модели проектируемых установок, с использованием конструкторских расчетов, и математические модели существующего оборудования с определенными конструктивными характеристиками, с применением поверочных расчетов. Основные методики и подходы к решению задач описанных направлений рассмотрены в работах многих авторов. К первому направлению можно отнести работы с использованием аналитических подходов коллектива авторов во главе с А.И. Андрющенко разработанные в СГТУ[7] и В.В. Кафарова, В.П. Мешалкина [37]. Также интересные подходы в этом вопросе были предложены сотрудниками института проблем машиностроения АН Украины Шубенко-Шубина Л.А., Палагина А.А. и др[4,67-69]. В работе [20], выполненной коллективом авторов из МЭИ предлагается один из подходов к проектированию ТЭЦ и выбору состава оборудования с использованием ЭВМ.
В настоящей работе рассматриваются вопросы, связанные с математическим моделированием действующего оборудования ТЭС и оптимизацией параметров этого оборудования для обеспечения эффективного функционирования станции в целом. Основная задача эффективного функционирования ТЭС заключается в распределении тепловых и электрических нагрузок между агрегатами станции, такими как котельные агрегаты, турбоагрегаты, редукционно-охладительные установки (РОУ) и прочими. Наиболее сложной является задача оптимального распределения нагрузок на тепловых электроцентралях (ТЭЦ) ввиду сложности структуры и наличия разнотипного оборудования.
В настоящее время для задач распределения нагрузок между агрегатами ТЭС известны следующие подходы: использование приема энергетического эквивалентирования. Оптимизация агрегатов производится на основе характеристики относительных приростов (ХОП), которая рассчитывается и строится для каждого агрегата и станции в целом. Автором рассматриваемого подхода является В.М. Горнштейн [26]. Такой подход применим не только для оптимизации нагрузок между агрегатами станции, но и между станциями в энергосистеме, где для каждой электростанции строится ХОП, на основе которой определяются оптимальные нагрузки. Такой подход был удобен до появления быстродействующей вычислительной техники, применим для диспетчеров энергосистем, так как позволяет оперативно получить результат, однако отсутствие подробных расчетов агрегатов и станции в целом, ограничивает его дальнейшее применение; использование эксергетического метода. В процессе разраб разработка математических моделей с использованием нормативных методик определения параметров энергетических установок. Такой подход наиболее востребован, так как позволяет оперативно производить расчеты необходимых параметров, однозначно определяющих расчетный режим.
Разработке математических моделей энергетического оборудования с использованием последнего подхода посвящено множество работ. Так необходимо отметить работу Ф.А. Вульмана [17-19], в которой автором рассматриваются вопросы построения математических моделей ТЭУ на основе принципов модульного программирования. Предложен оригинальный подход по разработке программно-вычислительного комплекса для автоматизации математического моделирования ТЭУ.
При оптимизационном исследовании сложных энергетических установок типичным является использование метода сплошного перебора заранее заданного множества вариантов схем и параметров [92,94,95,98,107]. Оригинальные подходы использованы в работах [98,102,107], в которых для совершенствования сложных ТЭУ используются методы термодинамического анализа в сочетании с достаточно простыми моделями.
В ИСЭМ СО РАН накоплен богатейший опыт математического моделирования ТЭУ. Преимущественно с использованием материальных и энергетических балансовых уравнений. Для автоматизации разработки математических моделей ТЭУ был создан программно-вычислительный комплекс «Система машинного построения программ (СМПП)», первоначальное применение, которого было осуществлено на ЭВМ БЭСМ-6. Позже с появлением персональных компьютеров комплекс был модифицирован под новые платформы и получил название СМПП-ПК [35,36,44,53,101].
Система позволяет по информации об элементном составе технологической схемы и связях между этими элементами автоматически генерировать программу расчета сложной ТЭУ. Подробно вопросы математического моделирования установок рассмотрены в работах [41,43,45-47,51,58,104].
Задачи оптимизации параметров различных технологических процессов является актуальной. Для ее решения разработано множество методических подходов, описанию которых посвящено ряд работ [3,8,10-13,34,81,87,88].
Для решения задач оптимизации теплосиловых систем в ИСЭМ СО РАН разработан и реализован в рамках СМПП-ПК оригинальный метод первого порядка «с памятью». Повышение эффективности процесса поиска решения осуществляется за счет использования на очередном шаге оптимизационного процесса не только текущей, но и предшествующей информации о функциях и их производных, полученных на предыдущих шагах. Подробно метод представлен в работе [27-29].
Основой успеха в решении проблем оперативного управления ТЭС на базе автоматизированных систем является наличие достаточно быстродействующих и точно отражающих текущее состояние оборудования математических моделей ТЭС и эффективных методов математического программирования, реализующих использование этих моделей для целей управления режимами функционирования ТЭС. Весомый вклад в решение задач оптимизации параметров функционирования ТЭЦ составляют работы [1,5,6,59,60,83,84,93,103]. Однако недостаточно широкое внедрение такого рода работ при управлении режимами функционирования ТЭЦ обусловлено трудностями, возникающими как при моделировании сложных, нередко иерархически организованных теплоэнергетических объектов, каковыми являются ТЭС и ТЭЦ в том числе, так и при решении проблемы настройки математических моделей на изменяющееся фактическое состояние оборудования теплоэлектроцентрали, и, наконец, при постановке и решении оптимизационных задач.
Подробные математические модели ТЭУ, разрабатываемые с помощью СМПП-ПК для задачи оптимизации имеют достаточную точность и позволяют разработчику иметь доступ ко всем параметрам потоков и оборудования входящих в эту модель, что несомненно является положительным моментом такой модели. Однако вычисление большого количества параметров требует соответствующих затрат машинного времени. Так, решение задачи оптимизации крупной промышленно-отопительной ТЭЦ может занимать значительное количество времени (более часа), что является недопустимым для задач оперативной оптимизации ТЭЦ. Следует отметить, что для однозначного определения нагрузки агрегата необходим ограниченный набор параметров, характеризующих его работу в комплексе с другими агрегатами. Таким образом, решение задачи можно получить, установив функциональную связь между информационно-входными и выходными параметрами математической модели установки из соответствующего набора требуемых параметров. В настоящей работе использован подход с использованием многопараметрической сетки.
Следует отметить, что фактическое состояние оборудования ТЭЦ меняется в ходе эксплуатации. Так, может происходить занос солями проточной части турбины, загрязнение теплообменных поверхностей конденсатора, регенеративных подогревателей и т.д. Для учета этого требуется корректировка (идентификация) коэффициентов математических моделей элементов турбоустановки по результатам текущих замеров ее параметров.
Одними из первых работ, где поднималась проблема оценивания состояния и идентификации в теплоэнергетике были работы Г.В. Ноздренко, Ю.В. Овчинникова [65,66], выполненные в НЭТИ. Для решения задачи оценивания в этих работах предлагалась методика согласования уравнений теплового и энергетического балансов. Однако предлагаемый авторами подход шел в контексте более широкой задачи оптимального распределения нагрузок между агрегатами и не решил полностью всех вопросов диагностики оборудования. К числу таких нерешенных вопросов можно отнести, например, отсутствие в постановке задачи оценивания определяющих состояние оборудования коэффициентов, неизмеряемых и постоянных во всех режимах эксплуатации. Также не была учтена взаимосвязь погрешности измерений параметров с погрешностью приборов.
В области исследования электроэнергетических систем вопросы оценивания состояния и идентификации при расчете режимов работы с учетом погрешности измерений изучались с начала 70-х годов, о чем дает хорошее представление цикл работ А.З. Гамма и его коллег [21-24], выполненных в ИСЭМ СО РАН. В работе тех же авторов [25] также рассмотрены возможные подходы к детекции «плохих» измерений. Указанные вопросы в системах диспетчерского управления ЭЭС решаются на основе идеологии контрольных уравнений. Идеология контрольных уравнений построена на первой форме задачи оценивания, т.е. система уравнений балансов разделяется на базисную, из которой вычисляются неизмеряемые параметры z и небазисную, называемую контрольной, по невязкам уравнений которой можно выявить наличие грубых ошибок в измерениях. Подход носит во многом эвристический характер и успех анализа достоверности измерений нередко зависит от удачного разделения исходной системы уравнений, отражающей законы электрических цепей на базисную и систему контрольных уравнений, а также от способа формирования линейных комбинаций контрольных уравнений и выбора тех или иных переменных для исключения из контрольных уравнений.
Другим примером решения проблем оценивания состояния и идентификации параметров являются задачи исследования трубопроводных систем. В [63] Н.Н. Новицким представлено комплексное рассмотрение широкого круга задач и методов оценивания, разработанных с учетом особенностей гидравлических цепей. В работе также достаточно большое внимание уделено вопросам выявления ошибочной информации в измерениях.
Применительно к теплоэнергетическим установкам задача оценивания состояния и идентификации представлена в работах A.M. Клера, А.В. Михеева и др. [38-40]. В этих работах рассматриваются подходы к идентификации энергетических паровых котлов и турбоустановок, описываются подходы задачи оценивания состояния этого оборудования в ходе эксплуатации.
Также необходимо отметить работу коллектива авторов МЭИ [52], где рассматриваются вопросы коррекции замеряемых параметров на ТЭЦ, введением поправок в их значения, для соблюдения материальных и энергетических балансов. Авторами рассматриваемой работы разработан специализированный программно-вычислительный комплекс, позволяющий производить расчеты в реальном времени.
Немаловажной проблемой в настоящее время является задача распределения паровых нагрузок между котлоагрегатами ТЭЦ, работающими на общий паропровод. Один из подходов решения поставленной проблемы приведен в работе Щербича и Шашкова [90], однако предложенный ими подход достаточно трудоемок. Для оптимизации распределения нагрузок между агрегатами ТЭЦ, необходимо учитывать лишь ограниченное количество параметров, т.к. котлоагрегат связан с другими элементами схемы ограниченным количеством связей. В настоящее время наиболее применяемым оказывается метод, основанный на использовании ХОПов, однако этот метод не обеспечивает универсальности и не позволяет использовать его применительно к другим агрегатам. В настоящей работе предлагается использовать метод динамического программирования для решения рассматриваемой задачи. Вопросы динамического программирования и решения с его помощью различных практических задач рассматриваются в работах [14,15,85,86].
Поиск качественных решений автоматизированного управления ТЭЦ -это комплексная проблема, требующая решения ряда взаимосвязанных задач. Среди них можно выделить последовательную цепочку основных: оценивание и анализ текущего состояния основного оборудования ТЭЦ, определяемого набором измерений параметров режимов функционирования; поиск оптимальных, с точки зрения некоторого критерия, текущих и будущих режимов работы; формирование управляющих воздействий, обеспечивающих реализацию оптимальных режимов.
При этом для каждой отдельно взятой ТЭЦ она достаточно специализирована, ввиду различных технологических схем и установленного оборудования. Также необходимо учитывать фактическое состояние оборудования. Кроме того, все большему числу электрических станций становятся доступны системы автоматизированного сбора информации, как результат возникает потребность в системах способных обрабатывать и анализировать эту информацию. В свою очередь законы рынка требуют рационального использования потребляемых ресурсов (топливо, вода, мазут и другие). Поэтому возникает потребность в специализированных программно-вычислительных комплексах, дающих возможность по заданным тепловым, электрическим нагрузкам и составу оборудования получать оптимальное распределение этих нагрузок между агрегатами станции в зависимости от выбранного критерия оптимальности. Критерий оптимальности - величина, определяющая степень оптимальности режима. Критериями оптимальности могут выступать: расход топлива котлами ТЭЦ, максимальная суммарная мощность ТЭЦ и т.д. В настоящей работе представлен программно-вычислительный комплекс, в рамках которого реализованы вышеописанные возможности.
Проблемами создания ПВК, предназначенных для оптимального распределения нагрузок между агрегатами тепловых электрических станций занимается ряд ученых по всему миру. Так, необходимо отметить ПВК ESteam, разработанный компанией Veritech Inc.[96]. Этот программный продукт имеет блочную структуру и позволяет разрабатывать схемы паротурбинных, газотурбинных и парогазовых установок, на основании которых проводить различного рода исследования, внесение изменений в схему, вывод различным образом сгруппированных результатов, построение диаграмм и т.д. Также рассматриваемый ПВК позволяет производить оптимизационные расчеты разрабатываемой схемы, осуществлять передачу и хранение данных в различных форматах и получать данные со средств автоматики работающего оборудования. ESteam является эффективным программным продуктом для решения задач расчета паротурбинных, газотурбинных и комбинированных установок, а список пользователей этого продукта является тому доказательством. Однако наряду со своими достоинствами он имеет ряд недостатков - так, например, ограниченный набор элементов для разработки схем турбоустановок и тепловых электрических станций, не имеет привязанности к определенной тепловой станции, т.е. разработкой конкретных схем необходимо заниматься заказчику, что требует определенного уровня владения программой и соответственно дополнительных материальных вложений на обучение персонала.
Программно-вычислительный комплекс Thermoflow, разработанный коллективом авторов во главе с доктором Maher Elmasri, который является автором ряда работ по вопросам расчетов газовых и парогазовых установок с использованием ЭВМ [94,95], в настоящее время является признанным лидером европейского рынка. Количество пользователей этого программного продукта превышает сотню различных предприятий и учреждений по всему миру [108].
ПВК Thermoflow состоит из нескольких модулей, которые в совокупности позволяют решать широкий круг задач, возникающих в теплоэнергетике. Так, например, конструкторские и поверочные расчеты тепловых схем газовых, паровых и комбинированных турбоустановок. Кроме того, на основе получаемых схем реализована возможность расчетов и компоновки ТЭЦ. Подобно ПВК ESteam позволяет осуществлять передачу и хранение данных в различных форматах и получать данные со средств автоматики работающего оборудования.
Однако ПВК Thermoflow свойственны те же недостатки, что и ESteam.
Необходимо отметить работу [31], выполненную в ИСЭМ СО РАН, где рассматриваются информационные технологии, используемые в системных исследованиях энергетики, и предлагается оригинальный подход к интеграции этих технологий в рамках единого программного комплекса.
Цель работы
Разработка методики и реализующих ее программных средств оптимизации режимов работы крупных промышленно-отопительных ТЭЦ, основанных на использовании математических моделей оборудования, настраиваемых на его фактическое состояние по результатам замеров параметров в нескольких режимах.
Научная новизна
Впервые получены, составляют предмет научной новизны и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты:
1. Разработана методика оптимизации режимов работы крупных промышленно-отопительных ТЭЦ, позволяющая учитывать реальное состояние оборудования, на основании идентификации математических моделей по результатам замеров параметров этого оборудования в процессе технологических испытаний и нормальной эксплуатации;
2. Разработана методика построения быстродействующих математических моделей теплофикационных паровых турбин, позволяющих существенно сократить время решения задач оптимизации режимов работы крупных промышленно-отопительных ТЭЦ;
3. Разработана методика оптимального распределения нагрузок между котлоагрегатами ТЭЦ на основе динамического программирования;
4. Разработан программно-вычислительный комплекс (ПВК) математического моделирования оборудования и оптимизации режимов работы ТЭЦ, реализующий методические результаты диссертации в виде программных средств и объединяющий их в едином пользовательском интерфейсе.
Практическая ценность работы
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные методические подходы и их реализация в рамках программно-вычислительного комплекса, позволяют производить оптимизационные расчеты режимов работы реально действующих ТЭЦ. Результаты проведенных расчетов, позволяют строить эквивалентные энергетические характеристики ТЭЦ.
Реализация работы
С использованием разработанного программно-вычислительного комплекса были выполнены: идентификация параметров моделей действующих агрегатов паровых котлов ТГМ-84-140 и ТГМЕ-464-140, турбоустановок ПТ-60/75-130/13, Т-100/120-130, Т-100/120-130-3, ПТ-135/165-130/13; разработка быстродействующих математических моделей турбоустановок ПТ-60/75-130/13, Т-100/120-130, Т-100/120-130-3, ПТ-135/165-130/13; расчеты по распределению нагрузок между агрегатами действующей крупной промышленно-отопительной ТЭЦ и построены ее эквивалентные энергетические характеристики.
Апробация работы
Методические результаты диссертационной работы получили практическую реализацию в работах ИСЭМ СО РАН, ОАО «Иркутскэнерго» ТЭЦ-10 и «Самараэнерго» ТЭЦ ВАЗа по оптимальному распределению нагрузок между агрегатами. Основные положения и результаты работы докладывались на Всероссийской конференции «Энергетика России в XXI веке: развитие, функционирование, управление» (Иркутск, 2005 г.), XXXIV-XXXVI конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН (г. Иркутск 2004 -2006 г.г.)
Публикации
Основное содержание работы отражено в 5 печатных работах Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, библиографического списка, содержащего 108 наименований. Объем работы -106 страниц.
В первой главе приведены методика построения быстродействующих математических моделей турбоустановок, представлены основные этапы их разработки. Приводится математическая постановка задач идентификации параметров математических моделей на основании замеров. Также представлена методика распределения нагрузок между паровыми и водогрейными котельными агрегатами ТЭЦ с поперечными связями с использованием методов динамического программирования.
Во второй главе подробно представлено описание программно-вычислительного комплекса «Комплекс программ оптимизации режимов работы ТЭЦ». Описаны основные вопросы его реализации, использования и требования, предъявляемые к системе.
В третьей главе рассмотрены примеры применения ПВК для решения конкретных задач, так, представлены примеры идентификации паровой теплофикационной турбоустановки ПТ-60/75-130/13 и парового энергетического котла ТГМ-84. Приведены результаты по сравнению работы быстродействующих и подробных математических моделей паровой теплофикационной турбоустановки Т-100/110-130. Представлен пример построения энергетической характеристики крупной промышленно-отопительной ТЭЦ и приведены параметры, характеризующие полученные режимы. Рассмотрен пример распределения паровых нагрузок между энергетическими котлами рассматриваемой ТЭЦ.
В заключении отражены основные результаты работы.
Задача разработки быстродействующих математических моделей турбин
Назовем эту задачу задачей VI. Обозначим 5ТЭЦ в точке решения этой задачи через В . Режим, полученный в результате решения последовательности IV -VI задач, и будет режимом с максимальной выработкой электроэнергии на тепловом потреблении при минимальной конденсационной выработке.
Следует отметить, что дополнительный (сверх Л ) рост электрической мощности ТЭЦ будет обеспечиваться только за счет конденсационной выработки.
Построение эквивалентных энергетических характеристик ТЭЦ. Для оптимизации режимов работы ЭЭС нужны эквивалентные энергетические характеристики ТЭЦ, т.е. зависимости, связывающие суммарный расход топлива по станции (или стоимость этого расхода) с полезной электрической мощностью ТЭЦ. Для каждого уровня тепловых нагрузок строится своя эквивалентная энергетическая характеристика.
Построение таких характеристик сводится к следующим этапам: а) решаются задачи II,III,IV,V,VI; б) найденный в результате этапа «а)» возможный диапазон изменения мощности ТЭЦ N" -N разбивается на два «больших» интервала N -N , N"-NT . max
На первом интервале рост мощности ТЭЦ происходит за счет увеличения выработки электроэнергии на тепловом потреблении, а на втором за счет конденсационной выработки. Каждый из указанных больших интервалов разбивается на некоторое число У, несоответственно «малых» интервалов. -22 Определяются мощности ТЭЦ, лежащие на границах этих «малых» интервалов. Nn = N +(N m-(1,-1), /, = 1,...,./, + 1 (1.13), (N" NT ) , Na=NL+ -(/2-1), =1,... +1(1.14). Для определенных таким образом мощностей ТЭЦ решаются задачи I.
В результате получается «/, + J2 +1 значений мощностей ТЭЦ и столько же соответствующих или оптимальных суммарных расходов топлива по ТЭЦ. На основе этих точек (каким либо методом интерполяции) может быть построена эквивалентная энергетическая характеристика ТЭЦ.
Следует отметить, что для различных задач управления функционированием ЭЭС требуются энергетические характеристики ТЭЦ, имеющие различную точность. Очевидно, чем более длительный период функционирования ЭЭС подлежит рассмотрению, тем больше будет неопределенность используемой информации и тем ниже требования к точности характеристик ТЭЦ. Одним из возможных способов влияния на точность таких характеристик является выбор чисел малых интервалов Jx и J2, на которые разбиваются большие интервалы изменения мощности.
Если принять эти числа равными 1, то энергетическая характеристика ТЭЦ может быть представлена в виде двух линейных отрезков, один для интервала, на котором рост мощности ТЭЦ идет за счет выработки электроэнергии на тепловом потреблении, а второй для интервала, на котором рост мощности идет за счет конденсационной выработки. Зависимость между iVT3q и Втэц в этом случае имеет вид -23 т max если тэц Л . в тэц_ в, У max В ) \ ) есди ТЭЦ к N"1 -N ) (В"-ВТ )-(NT3n-NT ) Вх + max т \ max / \ max/ (N"-NT ) \ max у (1.15)
Такими зависимостями можно пользоваться при оптимизации долгосрочных режимов работы ЭЭС. При оптимизации краткосрочных режимов и оперативной оптимизации числа интервалов «/, и J2 следует подбирать так, чтобы обеспечить достаточную точность энергетической характеристики ТЭЦ.
Методика распределения нагрузки между параллельно работающими котлами, с использованием методов динамического программирования
В настоящее время задача распределения нагрузки между параллельно работающими котлами на ТЭЦ достаточно актуальна, так как даже однотипные котельные агрегаты ввиду конструктивных особенностей, а также в связи с изношенностью существующего оборудования и различной продолжительностью эксплуатации с момента последнего капитального ремонта имеют разный к.и.д.
Задачу оптимизации распределения паровой (тепловой) нагрузки между параллельно-работающими котлами в математической форме имеет следующий вид:
При формировании множеств Q on значения DJyM и к изменяются с некоторым шагом Д. Обозначим D оптимальное решение, соответствующее значению D . D = A-(DJMJ, ставящее в соответствие каждому оптимальное значение D,
В рассматриваемых математических моделях тепловых электростанций, модель котельного агрегата имеет две информационно-выходных связи по давлению, энтальпии и расходу с другими элементами, в случае барабанного котла рис. 1.1 (а), и одну связь, в случае водогрейного котла рис. 1.1 (б). Оба типа котла имеют одну информационно-входную связь, по тем же параметрам.
В математических моделях паровых и водогрейных котельных агрегатов целью расчета является определение к.п.д. котла, на основе которого производится расчет расхода топлива (нагрузка котла считается заранее известной).
Зависимость к.п.д. котла от его производительности может быть получена экспериментально, в результате технологических испытаний, или в результате расчетов с использованием идентификационных математических моделей. Расход топлива котлом однозначно зависит от производительности этого котла и не зависит от производитель!юстей других котлов. Это и позволяет использовать для оптимизации метод динамического программирования.
Для оптимизации распределения нагрузок между котлами с использованием методов динамического программирования в настоящей работе диапазон изменения нагрузки каждого котла от нулевого значения до значения максимальной производительности разбивается на М равных частей с определенным шагом А. В каждой из точек рассчитывается расход топлива данного котла в зависимости от его производительности. Если точка находится ниже технического минимума котла, то значение расхода топлива в этой точке присваивается равным со (на практике достаточно большой величине), чтобы исключить ее из дальнейшего рассмотрения. При проведении исследований оптимального распределения нагрузки котлов необходимо контролировать возможности отключения каждого из агрегатов. Для этой цели вводится специальный параметр W для каждого котла, который может принимать следующие значения: номер текущей рассчитываемой точки для /-го котла; Dj - значение паровой нагрузки /-го котла ву-ой точке; В\ - значение расхода топлива /-го котла ву-ой точке; п - минимально-допустимая паропроизводительность /-го котла; Bf - значение расхода топлива /-го котла в точкеу = 0. Далее производится поиск условно-оптимальных решений в соответствии с выражениями (1.38) - (1.40), на основании которых производится поиск оптимальной точки (1.30) распределения нагрузок между работающими котлами станции.
В настоящее время основным способом регулирования отопительной нагрузки в системах централизованного теплоснабжения является качественное регулирование, состоящее в изменении температуры воды в подающей магистрали при неизменном ее расходе. Этот способ регулирования отопительной нагрузки является наиболее подходящим для систем, в которых потребители не оснащены индивидуальными или групповыми автоматическими регуляторами температуры воздуха внутри отапливаемых помещений. При этом поддержание требуемой температуры воздуха внутри помещений всех потребителей осуществляется одним параметром - температурой воды на выходе источника тепла. Эта температура меняется по определенной зависимости от температуры наружного воздуха. Очевидно, что при таком способе регулирования невозможно поддержать комфортные условия у всех потребителей одновременно. Другим существенным недостатком данного регулирования является практическое отсутствие оперативной обратной связи между потребителем и источником тепла, т.е. нет параметра, анализ значения которого позволил бы определить, поступает ли к потребителю необходимое количество тепла (для поддержания заданной температуры воздуха), либо это количество больше или меньше требуемого.
Структура ПВК
Программа оптимизационного расчета схемы ТЭС - представляет собой программу оптимизации, сформированную с помощью системы машинного построения программ для ПК (СМПП-ПК). Данная программа написана на языке программирования Fortran. В процессе оптимизации методом градиентного спуска I порядка производится поиск оптимальной точки. При этом расчеты частных производных целевой функции и функций-ограничений производятся конечно-разностным методом. Также конечно-разностным методом определяются производные, необходимые для одномерной минимизации целевой функции вдоль выбранного направления спуска. В связи с этим решение оптимизационной задачи сводится к значительному числу расчетов технологической схемы ТЭЦ. В качестве входных данных для этой задачи выступает ряд файлов, за формирование которых отвечает блок записи данных. В этих файлах содержатся базы данных с описанием параметров (наименования, единицы измерения и т.д.) и их значениями.
Программы идентификационных расчетов основного оборудования ТЭС - комплекс программ, предназначенных для идентификации математических моделей основного оборудования ТЭС (котлы, турбины) по результатам замеров их параметров в нескольких режимах. В результате идентификации математических моделей получаем набор коэффициентов модели, которые передаются в Программу оптимизационного расчета схемы ТЭС, что позволяет производить расчеты станции в целом, более точно в соответствии с фактическим состоянием оборудования.
Блок формирования и обработки таблиц - на основе параметров, полученных в результате работы предыдущего блока, блоком чтения данных формируются массивы. Описываемый блок производит выборку необходимых параметров массивов и распределение их по таблицам, сформированных этим же блоком по определенному признаку, например, таблицы параметров станции, блоков, турбин, котлов и т.д. Назначение параметров входящих в определенную таблицу, производит пользователь. Помимо этого блок определяет тип параметра (входной, выходной) и выделяет параметры одного типа определенным цветом, например входные параметры модели в таблице окрашиваются в черный цвет, а выходные - в синий. На основании этих таблиц, с помощью блока вывода параметров на схему, производится визуализация данных на схеме рассматриваемой части ТЭС, например, на схеме блока.
Интерфейс программно-вычислительного комплекса «Комплекс программ оптимизации режимов работы ТЭС» был реализован с помощью технологии HTML Applications (НТА), разработанной корпорацией Microsoft. Технология НТА представляет собой программный интерфейс для создания приложений с помощью языка HTML, более подробно эта технология описана в [99,100]. Такой подход позволяет реализовывать не только эффективные приложения для локальных систем, но также возможность переноса (если потребуется) комплекса на сетевые технологии, например, клиент-серверные. Основные функции комплекса реализованы с помощью скриптового языка программирования JavaScript [9,61,62]. Возможность расширения программно-вычислительного комплекса, простота установки, а также интуитивно понятный интерфейс, - вот основные задачи, которые предстояло решить при создании ПВК.
Для хранения информации о расчетных параметрах применялся расширяемый язык разметки XML. Язык XML позволяет разрабатывать документы без использования каких-либо специализированных программных инструментов, с помощью обычного текстового редактора [33,70]. По сравнению с другими форматами хранения информации XML выгодно отличают следующие возможности: возможность работы в различных средах; интернационализация (поддержка Unicode); широкая доступность для различных приложений; легкая модификация через стандартные API, например, DOM API. Помимо всего прочего XML позволяет создавать иерархически организованные структуры, что необходимо при реализации ПВК для ТЭЦ. В настоящее время на основе языка XML разрабатываются специальные приложения (форматы) для формирования и хранения структурированных параметров, так например:
Примеры идентификации математических моделей основного энергетического оборудования
Программа оптимизационного расчета схемы ТЭС - представляет собой программу оптимизации, сформированную с помощью системы машинного построения программ для ПК (СМПП-ПК). Данная программа написана на языке программирования Fortran. В процессе оптимизации методом градиентного спуска I порядка производится поиск оптимальной точки. При этом расчеты частных производных целевой функции и функций-ограничений производятся конечно-разностным методом. Также конечно-разностным методом определяются производные, необходимые для одномерной минимизации целевой функции вдоль выбранного направления спуска. В связи с этим решение оптимизационной задачи сводится к значительному числу расчетов технологической схемы ТЭЦ. В качестве входных данных для этой задачи выступает ряд файлов, за формирование которых отвечает блок записи данных. В этих файлах содержатся базы данных с описанием параметров (наименования, единицы измерения и т.д.) и их значениями.
Программы идентификационных расчетов основного оборудования ТЭС - комплекс программ, предназначенных для идентификации математических моделей основного оборудования ТЭС (котлы, турбины) по результатам замеров их параметров в нескольких режимах. В результате идентификации математических моделей получаем набор коэффициентов модели, которые передаются в Программу оптимизационного расчета схемы ТЭС, что позволяет производить расчеты станции в целом, более точно в соответствии с фактическим состоянием оборудования.
Блок формирования и обработки таблиц - на основе параметров, полученных в результате работы предыдущего блока, блоком чтения данных формируются массивы. Описываемый блок производит выборку необходимых параметров массивов и распределение их по таблицам, сформированных этим же блоком по определенному признаку, например, таблицы параметров станции, блоков, турбин, котлов и т.д. Назначение параметров входящих в определенную таблицу, производит пользователь. Помимо этого блок определяет тип параметра (входной, выходной) и выделяет параметры одного типа определенным цветом, например входные параметры модели в таблице окрашиваются в черный цвет, а выходные - в синий. На основании этих таблиц, с помощью блока вывода параметров на схему, производится визуализация данных на схеме рассматриваемой части ТЭС, например, на схеме блока.
Интерфейс программно-вычислительного комплекса «Комплекс программ оптимизации режимов работы ТЭС» был реализован с помощью технологии HTML Applications (НТА), разработанной корпорацией Microsoft. Технология НТА представляет собой программный интерфейс для создания приложений с помощью языка HTML, более подробно эта технология описана в [99,100]. Такой подход позволяет реализовывать не только эффективные приложения для локальных систем, но также возможность переноса (если потребуется) комплекса на сетевые технологии, например, клиент-серверные. Основные функции комплекса реализованы с помощью скриптового языка программирования JavaScript [9,61,62]. Возможность расширения программно-вычислительного комплекса, простота установки, а также интуитивно понятный интерфейс, - вот основные задачи, которые предстояло решить при создании ПВК.
Для хранения информации о расчетных параметрах применялся расширяемый язык разметки XML. Язык XML позволяет разрабатывать документы без использования каких-либо специализированных программных инструментов, с помощью обычного текстового редактора [33,70]. По сравнению с другими форматами хранения информации XML выгодно отличают следующие возможности: возможность работы в различных средах; интернационализация (поддержка Unicode); широкая доступность для различных приложений; легкая модификация через стандартные API, например, DOM API. Помимо всего прочего XML позволяет создавать иерархически организованные структуры, что необходимо при реализации ПВК для ТЭЦ.
В настоящее время на основе языка XML разрабатываются специальные приложения (форматы) для формирования и хранения структурированных параметров, так например:
ТГМ-84-140 - газомазутный котел барабанного типа производительностью 420 т/ч, без промежуточного пароперегревателя на давление острого пара 140 кгс/см . Данная математическая модель построена с помощью системы машинного построения программ (СМПП).
В основе расчета математических моделей элементов лежат нормативные методы теплового, гидравлического и аэродинамического расчетов котельных агрегатов.
Математическая модель включает в себя: 583 параметров исходных данных, 16 параметров итерационно-уточняемых в процессе расчета и вычисляемых параметров.
В состав исходных данных входят: геометрические характеристики, коэффициенты загрязнения и тепловой эффективности всех поверхностей нагрева; характеристика и расход топлива; коэффициент избытка воздуха в топке; изменение энтальпии пара во впрыскивающих пароохладителях.
В составе вычисляемых параметров содержатся: температуры, энтальпии, расходы, скорости теплоносителей; коэффициенты теплопередачи поверхностей нагрева.
Топочная камера котлоагрегата разделена двухсветным экраном. Нижняя часть каждого бокового экрана переходит в слегка наклонный подовый экран, нижние коллекторы которого прикреплены к коллекторам двухсветного экрана и совместно перемещаются при тепловых деформациях во время растопок и остановок котла. Наличие двухсветного экрана обеспечивает более интенсивное охлаждение топочных газов.
