Оптимизация нагрузки параллельно работающих турбоагрегатов по данным эксплуатации при неполных исходных данных Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 62-503.56

ОПТИМИЗАЦИЯ НАГРУЗКИ ПАРАЛЛЕЛЬНО РАБОТАЮЩИХ ТУРБОАГРЕГАТОВ ПО ДАННЫМ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРИ НЕПОЛНЫХ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

Л.С. Казаринов, Т.А. Игнатова, О.В. Колесникова

Рассматриваются проблемы оптимизации нагрузки параллельно работающих турбоагрегатов по данным эксплуатации при неполных исходных данных и пути ее решения. Приводятся математический алгоритм решения задачи оптимизации нагрузки, программа «ТГ-ПАР» и результаты оптимизации при помощи программы «ТГ-ПАР» нагрузки параллельно работающих турбоагрегатов ТЭС ОАО «ММК».

Ключевые слова: турбоагрегаты, оптимизация нагрузки турбоагрегатов.

Одно из главных направлений повышения эффективности топливоиспользования на ТЭС -внутристанционная оптимизация режимов паротурбинных установок и, в частности, оптимальное распределение нагрузок между агрегатами. Оптимизация режимов ТЭС весьма эффективна, так как в этом случае достигается экономия топлива практически без дополнительных капитальных вложений и эксплуатационных затрат [1].

Особенностью рассмотренной постановки задачи оптимизации нагрузки станций с общим коллектором является то, что по технологическим условиям технически сложно измерить количество тепла отбираемого от каждой турбины в отдельности. Это происходит потому, что пар из отдельных турбин поступает на общий коллектор, в котором трудно выделить индивидуальный вклад конкретной турбины. Измерению доступно только общее количество тепла по отдельным турбинам. С другой стороны, для рационального распределения нагрузки по турбинам необходимо знание индивидуальных энергетических характеристик каждой турбины. Таким образом, рассматриваемая задача решается при неполных исходных данных.

1. Постановка задачи оптимизации

Для эффективного управления режимами параллельно работающих турбоагрегатов необходимо знать их энергетические характеристики, которые представляют собой зависимости объемов потребления пара от объемов выработки электрической и тепловой энергии, а также режимных факторов.

Казаринов Лев Сергеевич - д.т.н., профессор, декан приборостроительного факультета ЮУрГУ, заведующий кафедрой автоматики и управления ЮУрГУ; [email protected].

Игнатова Татьяна Александровна - инженер кафедры автоматики и управления ЮУрГУ; [email protected]. Колесникова Ольга Валерьевна - к.т.н., доцент кафедры автоматики и управления ЮУрГУ; [email protected].

Постановку задачи оптимизации сформулируем для нормированных величин. Целью задачи оптимизации является минимизация потребления пара

тт</0 = (л-1)£)ср/-£>ср) + ХХР > (О

1=1

где £>ср, £)тах - соответственно средняя и максимальная величина пара, потребляемого турбинами; </0 - общее расчетное потребление пара блоком

турбин; df - расчетное значение потребление пара г-й турбиной, которое определяется на основе следующего соотношения

</? =%+а,Х, +а2^т/, (2)

где а,, - неизвестные коэффициенты зависимости; и'з, - текущее значение электрической энергии, вырабатываемое /-й турбиной; (Ц, - текущее значение расхода пара на теплофикацию для г-й турбины.

Для записи (1) использовалось правило суммирования нормированных величин. Если для абсо-

П

лютных величин у = ^хп то для нормированных <=1

X И

г| = (п -1)-------—— + ^ , где Т1 - нормированная

*тах — *ср (=1

величина у ; - нормированная величина х1.

2. Решение задачи оптимизации

Для указанной задачи существуют следующие ограничения.

1. На потребление пара турбиной, исходя из следующих областей границы нормативной паровой характеристики

• первая граница (режим с нулевым теплофикационным отбором)

+Ьц™э> (3)

• вторая граница (ограничение на максимальный расход в конденсатор)

4) ^ Яг, + > (4)

где кц, g2i, /*,, - коэффициенты, определяющие границы. С учетом (2) ограничения (3), (4) на потребление пара турбиной выражаются следующими соотношениями:

• первая граница

% +К -К К, +<%,<£ > яи,

• вторая граница

% +(«ь /)< + а2,<, > g2^.

2. На выработку электрической энергии

= М>э0,

где и'зо - заданное значение электрической энергии, которое необходимо выработать блоком турбин; - общая выработка электрической энергии блоком турбин, которая определяется из следующего соотношения

=(«-!)

,ср

тах со __________

м>ъ -мг? ,=1

И',,

максимально возмож-

где где

ная выработка электроэнергии г-й турбиной, которая определяется по нормативной паровой характеристике.

3. На расход пара теплофикационного отбора

»гшп ^ ^ ліпах

«т, < йТ1 < с1т1 ,

соответственно максимально и

где С**,

минимально возможные расходы пара теплофикационного отбора.

4. На тепловую нагрузку

Ят ~ ЯтО ’

где <7т0 - общая тепловая нагрузка блока турбин,

которую необходимо выработать; - расчетная тепловая нагрузка блока турбин, которая определя-

П

ется ИЗ соотношения = с0 +£>л. 5 где с, - неиз-

/=1

вестные коэффициенты зависимости; и, - расчетная величина, определяемая по соотношению и, = а2,<,.

Данную задачу также можно решать с учетом поправок. В этом случае соотношения (2)—(4) соответственно будут иметь вид

= % + аим>1 + а2,< + Ъу Аро/ + М'о/ + +^Арт, + 64АрА,;

% +(«1/ “А/К, +*2,< + ^ АРо, +*2^о/ +

% +(«1/ -Л,К, +*1^Р0, +*2^0, +

+Ь3АрГ1 +Ь4Арк1 > я2п где Ар0, - нормированная величина отклонения давления свежего пара от его нормативного значения; А?0, - нормированная величина отклонения температуры свежего пара от его нормативного

значения; АрТ( - нормированная величина отклонения давления пара в теплофикационном отборе от его нормативного значения; Арк1 - нормированная величина отклонения давления пара в конденсационном отборе от его нормативного значения.

На вводимые поправки существуют следующие ограничения

Ар07п<ЛА),<А/С!,

где Ар^3* > АроТ - соответственно максимальная и минимальная нормированная величина отклонения давления свежего пара от его нормативного значения;

АСп<Лі0і<АіГ,

■‘о,

.шах л <тш

- соответственно максимальная и

где АС , АС минимальная нормированная величина отклонения температуры свежего пара от его нормативного значения;

АрГ <АрТ1 <Ар™, где Ар”3*, Ар”ш - соответственно максимальная и минимальная нормированная величина отклонения давления пара в теплофикационном отборе от его нормативного значения;

АрГ^Ар*,<АрГ\ где Ар”8* > Ар™п - соответственно максимальная и минимальная нормированная величина отклонения давления пара в конденсационном отборе от его нормативного значения.

На основе приведенных соотношений была разработана программа оптимальной нагрузки параллельно работающих турбоагрегатов по данным эксплуатации по критерию минимума потребления пара блоком турбин.

3. Программа «ТГ-ПАР»

Моделирование оптимизации нагрузки параллельно работающих турбоагрегатов по данным эксплуатации турбин осуществляется при помощи разработанной программы «ТГ-ПАР». Эта программа рассчитывает необходимые значения параметров для построения энергетических характеристик по заданным параметрам турбогенератора. При постоянной выработке электрической и тепловой мощности, изменяя давление в отборах и температуру свежего пара, можно рассчитать изменения расхода свежего пара и тепла на турбину. Использование программы упрощает расчет режимов турбины по нормативным энергетическим характеристикам.

Искомые параметры рассчитываются на основе нормативных диаграмм для каждой турбины. Так как турбины находятся в эксплуатации длительное время, реальные параметры турбин отличаются от номинальных. Для этого в программе введены расчеты поправок на условия эксплуатации.

Рассмотрим пример расчета коэффициентов влияния режимных параметров турбины на объе-

мы потребления пара и тепла. В качестве расчетного объекта рассмотрим блок турбогенераторов ТЭЦ ОАО «ММК». На первом шаге расчетов задаем приращение отклонению давления пара на входе турбины, при неизменной электрической и тепловой нагрузке турбин приведенной в табл. 1.

Таблица 1

Значения электрической и тепловой нагрузок турбин

№ТГ Электрическая нагрузка Ж,, МВт Т еплофикационный отбор DT, т/ч

1 52,00 90,09

2 51,00 84,98

3 49,00 119,30

4 60,00 129,62

5 62,00 118,43

6 57,00 131,46

С помощью программы «ТГ-ПАР» рассчитываются значения расхода свежего пара , т/ч на турбину. Далее рассчитывается потребления тепла на турбину go41, Гкал/ч, по формуле

ГОшр-W.

где гпар - энтальпия пара, ккал/кг; /пв - энтальпия

питательной воды, ккал/кг.

После этого с помощью программы «Регрессия» надстройки «Пакет анализа» в Excel определяются зависимости

0ГР =Оо+кр0 (ро ~ /оНОМ). где Кр - коэффициент влияния по давлению свежего пара, Гкал/(ч-атм); Р0 - фактическое значение давления свежего пара, атм; /д10” - номинальное значение давления свежего пара, атм.

В расчетном примере значения КРд для каждой турбины приведено в табл. 2.

Таблица 2

Значения Кр для каждой турбины

ТГ1 ТГ2 ТГЗ ТГ4 ТГ5 ТГ6

-0,057 -0,056 -0,054 -0,166 -0,059 -0,054

Аналогично для нахождения коэффициента влияния по температуре свежего пара задаются различные значения отклонения температуры свежего пара от номинального значения. С использованием программы «ТГ-ПАР» определяются D™p

и 0опар . После этого с помощью программы «Регрессия» надстройки «Пакет анализа» в Excel определяются зависимости

ОТ =&+*,„ ('о-О-

где К,о - коэффициент влияния по температуре свежего пара, Гкал/(ч°С); t0 - фактическое значе-

ние температуры свежего пара, °С; $ом - номинальное значение температуры свежего пара, °С.

Повторяя указанную процедуру для всех параметров, в результате будет построена расчетная зависимость потребления тепла турбиной

-)пар(расч) _ ^-чпар(ном)

+

епарфасч; _

о

ЦКРоАР0+К,оМ0 +КРтАРг+КРкЩ). Значения Кро, К,о, КР , КРк для каждой турбины приведены в табл. 3.

Таблица 3

Значения коэффициентов влияния для каждой турбины

КР Ґо К, ‘0 Ч

ТГ1 -0,057 -0,18 3,56 -122,59

ТГ2 -0,056 -0,17 3,32 -121,21

ТГЗ -0,054 -0,16 4,66 -122,18

ТГ4 -0,166 -0,20 15,04 -72,83

ТГ5 -0,059 -0,13 5,44 -76,17

ТГ6 -0,054 -0,12 7,34 -66,23

Фактическую зависимость потребления тепла турбиной по данным эксплуатации представим как

£)пар(ф) _ ^пар(ф) +

ЦКроЩ+К,&0 +КрАРт +КркАРкХ

где неизвестная величина - фактическое

потребление тепла в номинальном режиме, Гкал/ч.

£>пар(ф) _ ^пар(ф) +

+(^0А^о,, + К>0А*о,* + КРт АР^ + КРк АРК8),

где і - номер наблюдения за турбиной. Отсюда следует, что в номинальном режиме фактическое наблюдение тепла определяется формулой

д^Ф) _ ^пар(ф) _ ^пар(ном)

далее значение отклонения усредняется

N

де0пар(ф)=1^дапар(ф)

™ з=1

В среднем величина Д0дар® - прочие резервы,

составила 21 тонну, что говорит о значительном отклонении параметров режимов работы турбин ТЭЦ от нормативных значений. В этой связи представляет интерес определить величину отклонений потребления тепла за счет отклонения режимных параметров 8 = Кро АР0х + К,о А/0 л. + Крт АРТХ + Крк АРк 5.

Отклонения представлены в табл. 4.

Таблица 4

Величина отклонения § потребления тепла за счет отклонения режимных параметров

ТГ1 ТГ2 ТГЗ ТГ4 ТГ5 ТГ6

-6,03 -3,04 -7,00 -4,28 6,02 8,59

Приведенный пример показывает, что с использованием разработанной программы «ТГ-ПАР»,

Расчет потребления свежего пара турбогенераторами, Бо т/ч

№ТГ Электрическая нагрузка \Уэ, МВт Теплофикационный отбор, От, т/ч Поправка электрической мощности на АРо, атм Поправка электрической мощности на Д1:о, °С Поправка электрической мощности на Рт, атм Поправка электрической мощности на Р2, атм Тепловая энергия, О Г кал Потребление свежего пара Оо, т/ч

Номинальное Ро Отклонение АРо Д\Кфо, МВт Номинальная К> Отклонение Мо Д\Мо, МВт Номинальное Рт Отклонение ДРт Д\¥Рт, МВт Номинальное Р2 Отклонение ДР2 ДWP2, МВт

1 52 83,17 90 0 0,00 500 14 -1,09 2,00 -0,84 -1,27 0,05 0,00 0,00 91,19 290,00

2 51 83,56 90 4 0,04 500 0 0,00 2,00 -0,78 -1,19 0,05 0,01 -0,24 275,00

3 49 126,66 90 -1 0,04 500 4 -0,29 2,00 -0,60 -1,38 0,05 0,02 -1,06 138,37 280,00

4 61 124,84 90 -1 0,07 500 3 -0,28 1,20 -0,15 -1,20 0,04 0,02 -0,58 304,00

5 62 123,54 127 -2 0,07 540 -10 0,57 0,50 1,00 4,45 0,05 0,02 -0,71 135,00 276,00

6 57 122,39 127 -1 0,03 540 -7 0,42 0,50 1,50 7,34 0,05 0,00 0,00 276,00

Пересчет

Данные

Очистить

Рис. 1. Интерфейс программы «ТГ-ПАР»

можно без особых сложностей выполнить расчеты необходимых значений для таблиц отчета по тепловой экономичности турбин электрических станций.

4. Пример работы программы

Программа расчета оптимального использования пара представлена на рис. 1. В этой программе могут использоваться как новые, так и архивные данные турбоагрегатов. При нажатии кнопки «Данные» всплывает окно (рис. 2).

Введите дату и «рема

ад мм.гпт

Дата 1

Ок

чч:мм-чч:мм

Время

Выход

Л

Рис. 2. Окно ввода даты и времени

В это окно вводим дату в формате «01.02.2005» и время, «01:00-02:00», если дата и время совпадают с уже введенными и сохраненными в базе данных то таблице «Расчет потребления свежего пара турбогенераторами, Д), т/ч» выводятся значения за этот промежуток времени. Если же такие данные не были введены, то нужно записать их вручную (рис. 3).

При этом данные записываются в ту же основную таблицу. Если необходимо исправить значение, это можно сделать в самой таблице и нажать кнопку «Пересчет». Расчетные значения исправит сама программа

: Данные

№ Турбогенератора Электрическая нагрузка У/э, МВт

Теплофикационный отбор И, т/ч

Номинальное значение давления свежего пара Р0, эти

Отклонение от номинального значения давления свежего пара РО,

Номинальное значение температуры свежего пара. 1о, X

Отклонение от номинального значения температуры свежего пара

Номинальное значение давления в камере нижнего регулируемого отбора значение Рт, эти

Отклонение от номинального значения давления пара Рт, «пи

Номинальное значение давления отработавшего пара Рк, ати

Отклонение от номинального значения давления отработавшего пара Рк, ати

0.02

Ок

Выход

Рис. 3. Окно ввода данных

Далее нужно записать ограничения на параметры режимов турбогенераторов, либо оставить значения в таблице такими, какие они были. Нажимаем кнопку «Оптимизация» (рис. 4).

В окно на рис. 5 нужно внести необходимые значения электрической мощности, тепловой энергии отданной на правый берег и на левый, а также значение перетока. После нажатия «Ок» появляется окно приведенное на рис. 6.

Ограничения на параметры режимов турбогенераторов

№ ТГ Максимальный теплофикационный отбор Е>т_тах, т/ч Минимальный теплофикационный отбор Е)т_тт, т/ч Максимальная электрическая нагрузка \Уэ_тах, МВт Минимальная электрическая нагрузка \Уэ_тт, МВт Максимально возможное потребление свежего пара, Ботах, т/ч

1 175,00 0,00 58,00 0,00 270,00

2 175,00 0,00 58,00 0,00 270,00

3 175,00 0,00 58,00 0,00 270,00

4 160,00 0,00 62,00 0,00 300,00

5 165,00 0,00 57,40 0,00 215,00

6 165,00 0,00 57,40 0,00 215,00

Решение задачи оптимизации

ТГ \Уэ От Ро То Рт Рк Бо

1 58 26,8 90 505 1,10 0,04 246,07

2 58 83,7 93 500 1,21 0,04 270,00

3 58 80,8 89 500 1,40 0,07 263,41

4 62 160,0 88,5 504 1,02 0,04 297,55

5 47,7 165,0 125 530 1,58 0,06 215,00

6 46 134,6 126 534 2,02 0,06 215,00

Заданная Оптимизированная

\Уэ 330,00 335,00

<2п/б 225,00 224,10

Ол/б 133,00 135,44

<212 10,00

Расчет потребления пара

Бо исходное Бо оптимальное

1701,00 ?

Оптимизация

Расчет потребления пара

Бо исходное Оо оптимальное

1701,00 ?

Рис. 4. Интерфейс ограничения на параметры режимов турбогенераторов

01 |МНН'№НИЯ

Введите электрическую

| мощность УУэ. МВт , которую | нужна выработать турбинам

| Введите ограничение по і выработке тепловой энергии I на правый берег Оп/6, Г кал

' Введите ограничение по выработке тепловой энергии на левый берег Ол/6. Гкал - Введите значение перетока с . левого на правый берег 012, Гкал

330

рае”

Выход

Рис. 5. Окно ввода ограничений по выработке тепловой и электрической энергии

В выводимой таблице «Решение задачи оптимизации» (рис. 7) выдаются оптимальные параметры турбоагрегата. А в таблице «Расчет потребления пара» показываются исходное и оптимальное суммарные значения потребления свежего пара.

Р« >ул»т«ты поиска ре т имя И|

Решение найдено, все ограничения и условия оптимальности выполнены.

Хил отчета

ЙіСохраикть. найденное решение! О Восстановить исходные значения

Результаты

Устойчивость

Пределы

ОК

Отмена

Сохранить сценарий...

Справка

Рис. 6. Окно подтверждения нахождения решения

Рис. 7. Интерфейс решения задачи оптимизации

Заключение

1. Особенность приведенного алгоритма решения задачи оптимизации заключается в том, что на его основе можно решить задачу оптимизации нагрузки параллельно работающих турбоагрегатов при неполных исходных данных эксплуатации с учетом нормативных энергетических характеристик турбин.

2. Практическое применение разработанной программы оптимизации нагрузки параллельно работающих турбоагрегатов «ТГ-ПАР» показало на конкретном примере, что с ее помощью можно снизить потребление свежего пара до 11 %.

Литература

1. Качан, А. Д. Оптимизация режимов и повышение эффективности работы паротурбинных установок ТЭС / А. Д. Качан. - Минск.: Высшая школа, 1985. -176 с.

2.Равич, М. Б. Топливо и эффективность его использования / М. Б. Равич. - М.: Наука, 1971. -358 с.

3.РД 34.08.552-95. Методические указания по составлению отчета электростанции и акционерного общества энергетики и электрификации о тепловой экономичности оборудования. -1995.

4. Соловьев, Ю. П. Тепловые расчеты промышленных паротурбинных электрических станций / Ю. П. Соловьев. — М.: Государственное энергетическое издание, 1962. —190 с.

Поступила в редакцию 28 апреля 2008 г.