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1、全厂蒸汽动力平衡以及系统优化节能 二者关系 全厂蒸汽动力平衡 系统优化节能 一 什么是全厂蒸汽动力系统 1 狭义2 广义 狭义 广义 二 为什么要研究全厂蒸汽动力系统 二 为什么要研究全厂蒸汽动力系统 蒸汽动力系统管理方式 粗放管理 表面 管理 差不多 管理 短暂 管理 蒸汽动力平衡的管理层次 满足用户的蒸汽品质要求经优化后的粗放管理在线无实时优化功能的数据管理利用管网优化软件的模型管理建立实时集管网 产汽 用汽 发电为一体的动态优化数学模型管理 蒸汽动力系统存在的主要问题 相当一部分蒸汽动力系统设备陈旧 效率低下 规模小 热电联产潜力没有挖掘出来 低压 低效的烧油凝汽发电 蒸汽管网在结构上形
2、成了多级 多环的复杂结构 蒸汽管网投入不足 管理力度不足 导致跑冒滴漏现象不少 凝结水回收率低 而且凝结水回收时热量回收率更低 三 蒸汽动力系统的平衡 1 什么时候需要开展蒸汽动力系统平衡工作2 蒸汽的特点3 蒸汽动力系统运行的要求4 蒸汽动力系统平衡需要考虑的问题 1 什么时候需要开展蒸汽动力系统平衡工作 2 蒸汽的特点 蒸汽的不可贮存性蒸汽存在状态变化的可能性 3 蒸汽动力系统平衡涉及哪些工作 产耗平衡 蒸汽管网运行的安全运行 蒸汽动力系统的能级匹配 蒸汽与电力的平衡 产耗平衡 目的 满足各用户的温度 压力需求 作用 A 使各级蒸汽生产量与消耗量及损耗量平衡 B 在平衡中努力消灭放空现象
3、减少损耗量 C 通过产耗平衡 减少用户不合理的用汽量和用汽方式 D 平衡各产汽单位的发汽量 利用足低价燃料的锅炉蒸发量 蒸汽管网运行的安全运行 蒸汽系统无缓冲裕量 必须时刻保持产耗的动态平衡 蒸汽动力系统运行必须有调节裕量 所有运行的蒸汽管路必须保持最低流通量 以保证蒸汽温度 未投用蒸汽管路或运行蒸汽管路的盲端必须疏水 防止水击的发生 蒸汽动力系统的能级匹配 前提 前面二个内容 A 用户使用的蒸汽品质 温度 压力要求应选取刚好能满足条件的蒸汽等级 B 最在限度减少无功减温减压量 蒸汽与电力的平衡 企业电力来源 自备发电及网供电锅炉总蒸发量 自备发电用汽量 供热总量 4 如何开展蒸汽动力平衡工作
4、 数学模型简易在线蒸汽动力平衡表蒸汽产耗平衡表 数学模型 A 理论基础 最优化理论B 优化调度的发展过程C 优化调度的应用D 优化调度存在的问题E 发展方向 在线自适应优化方法F 管网优化模型 A 最优化理论 定义 热力系统优化调度是随着数学规划理论的发展和计算机技术的推广和应用发展起来的 它采用数学规划的方法 通过对热力系统的分析 确定最佳的负荷分配方案 使整个热力系统处在最优的条件下运行 B 优化调度的发展过程 优化算法的发展过程 等微增率法b 传统的线性和非线性规划方法c 启发式算法计算方法的发展过程 离线计算在线计算研究对象的发展过程 单一循环方式纯供电的热力系统多种循环方式并存的热电
5、联供的复杂系统 等微增率法 基础 严格的数学极值理论诞生时间 1934年 原理 这一方法在理论上给出了并联运行的若干机组满足总能耗最小的最优条件 即当并联运行机组的耗量微增率不相等时 可以通过减小耗量微增率大的机组的负荷 增加耗量微增率小的机组的负荷来达到全厂的总消耗量最小 等微增率法 优点 该方法的物理意义明确 易于被调度人员所理解 不足 首先 该方法采用锅炉煤耗 发电功率曲线 因此只适用于机炉一体的单元机组 很难应用于母管制热力系统中 其次 即使在单元机组中 这种方法对煤耗特性曲线的要求也是比较严格的 只有当特性曲线为凸函数时才能得到严格的最优解 否则结果可能是失真的 最后 对于热电联供的
6、热力系统 热负荷的调度和电负荷的调度往往是耦合在一起的 这就限制了该方法的使用 b 传统的线性和非线性规划方法 1 线性规划法 最主要的求解方法是单纯形法 基于单纯形法又针对混合整数线性规划问题发展了分枝限界反向跟踪法 隐枚举法等 这些方法都可以准确地求解全局最优解 应用情况 RTCouch等对6台锅炉 25台汽轮机和1台备用汽轮机构成的供电系统进行了研究 采用线性混合整数规划的方法在技术上解决了较为复杂的能量系统的负荷分配问题 其中涉及到了部分机组启停的情况 b 传统的线性和非线性规划方法 2 非线性规划法 发展原因 热力系统部件的特性往往是非线性的 在很多情况下采用线性模型计算往往与实际相
7、差很大 因此必须建立相应的非线性算法 非线性算法 转动坐标轴直接搜索 DSFD 法 罚函数法等 b 传统的线性和非线性规划方法 2 非线性规划法 应用情况 ATClary在1996年对TennesseeEastmanDivisionofEastman化工公司24台锅炉 19台汽轮机构成的复杂系统使用非线性算法进行了计算 不足 这些算法虽然已经比较成熟 但无法保证对于任意的非线性规划问题都能准确地收敛到全局最优解 c 启发式算法 基础 蒸汽动力系统的热力学分析目的 推导出针对能量使用优化的总体原则和各种指导准则方法 1 搜索禁忌 TabuSearch 法 Glover在1986年首次提出 2 模
8、拟退火 SimulatedAnnealing 法 Mertropolis于1953年提出 c 启发式算法 3 遗传算法 GeneticAlgorithms 70年代初期由美国密执根大学的Holland教授提出 4 人工神经网络 NeutralNetwork 法 Hopfield教授将人工神经网络的早期成就应用于优化问题中形成的一种算法 C 优化调度的应用 国外应用例子 Marecki等较早地将数学规划的方法应用于热力系统优化调度的研究中 并在70年代后期对大型热电联供的核电厂从经济角度确定了热负荷的分配方案 早期 RTCouch等研究的单一供电蒸汽系统的优化调度相对比较简单 仅仅涉及到外界电负
9、荷的约束 KMoslehi等在90年代初对 个热电联产电厂构成的热电联供系统进行优化计算 该热电联供系统共包含19台锅炉和11台汽轮发电机 它需要考虑到外界电负荷和各类供汽量的要求 结果在最优情况下总费用减小了1 1 C 优化调度的应用 d MSDiaz和JABandoni使用混合整数非线性规划的方法提出了大型化工厂的优化策略 所研究的系统包含8台高温裂解炉 1台裂解气压缩机 110t h余热锅炉 4台常规锅炉 5台背压式汽轮机构成的三级母管制联合循环系统的优化调度进行了研究 C 优化调度的应用 e KBC公司于1996年开发成蒸汽系统仿真和优化软件并在德国Gelsenkerchen的Scho
10、lven炼油厂得到了使用 平均每年可节省费用 百万德国马克 f AThomas等提到在Westinghouse过程控制部门开发的集散控制系统中 新增加了在线监测和优化计算的软件包 表明在线优化计算已经进入市场应用阶段 C 优化调度的应用 国内应用例子 清华大学等较早地对热力系统优化调度进行了研究 他们对燕山石化公司炼油厂的蒸汽系统采用0 1整数规划的方法进行了详细的优化调度计算 分别对其中的燃气轮机 催化裂化气压机 发电用汽轮机 锅炉 减温减压器和换热器等热力系统进行了部分化建模并完成了整个系统的自动建模 西安交通大学李崇祥等通过将发电功率分解为纯冷凝发电部分和热化发电部分解决了供热机组热电负
11、荷调度的问题 并将其方法应用到石化厂中取得了较好的效果 C 优化调度的应用 c 清华大学和抚顺石化热电厂进行合作 通过综合采用分枝限界反向跟踪优化算法和转动坐标轴直接搜索可行方向法 节约燃料3 7 D 优化调度存在的问题 对理论建模的过分依赖 无法精确反映当前系统的真实特性 所建立的模型无法体现系统部件特性的变化 优化计算软件缺乏通用性 E 发展方向 在线自适应优化方法 以实时运行数据为基础 根据用户输入的系统信息自动建立当前热力系统优化模型 并随着系统的运行通过分析运行数据来确定是否有必要重新建模 E 发展方向 在线自适应优化方法 组成部分 a 系统输入部分b 实时数据采集部分c 数据处理部
12、分d 自适应建模部分e 优化计算部分f 调度决策部分g 渐近寻优部分 F 管网模型 a 目前状况 此类模型软件极少 中国石化股份有限公司科技开发部 炼油事业部和节能中心组织协调了 炼油厂蒸汽管网监测管理系统 简称SNAMER 的开发工作 该项目以北京华思维科技有限公司为主 并在镇海炼化等单位的配合下于2003年底通过了中国石化科技开发部组织的技术鉴定 目前该项技术已经进入工业化推广应用阶段 F 管网模型 b 原理 热力管网的仿真模拟涉及到网络拓扑学 流体力学 热力学 计算数学和热能工程等领域的知识 其整体设计构想是根据管网的结构数据 汽源流量 温度 压力和用户流量或压力等有限参数 建立网络拓扑
13、模型 并由模型自动生成流体网络非线性方程组 通过求解非线性方程组得到网络任意管段内介质的流量 流向 流速 压降 温降 散热损失以及各节点的温度 压力等参数 实现优化调度 合理用汽的节能目的 即能离线应用 也能在线运行 F 管网模型 c 关键技术措施将基尔霍夫的电网理论应用于流体管网 以非线性方程组描述管网流程 通过自由度分析判断决策变量 允许用户选择温度或压力作为自变量 用图形描述网络流程 用表格输入属性 以拓扑学知识自动识别管网结构 自动建立数学模型 F 管网模型 d 数学模型热网分析监测模型由网络拓扑模型 网络热力学模型 网络流体力学模型三个部分组成 而网络拓扑模型又包括 用于描述网络节点
14、与管段关系的关联矩阵和描述网络回路信息的圈矩阵以及描述网络通路信息的割矩阵等部分 F 管网模型 e 数值求解方法SNAMER采用的数值解法是牛顿 拉夫森法 该算法经过优化后计算速度有了明显的提高 例如计算一个具有400根管段的管网模型 其计算时间约为10秒钟 满足在线运行的需要 F 管网模型 f 作用 离线应用可以模拟管网可能出现的运行工况 分析管网的可靠性和保温状况 计算散热损失 凝结水的生成量和产生的位置 为合理排凝和工况调整提供决策依据 也是设计新管网和模拟改造老管网的有力工具 在线运行能够模拟监测管网的实际运行情况 使运行管理人员随时掌握管网的工况 实现优化调度 SNAMER还能为企业
15、的蒸汽管网建立电子档案数据库 包括管网的结构数据和运行参数以及历次改造的信息数据 能为扩建及改造工程及时 准确地提供完整的基础资料 是制定全厂用能优化决策方案的基础 F 管网模型 需要改进或注意的问题 1 计算数据校核的依据只能是现有的蒸汽流量 温度 压力参数 但这些参数测点不少点本身存在较大的误差 导致计算有失真现象 2 蒸汽母管因进出蒸汽分枝多 且压力测点不足 运用管网压差 计算蒸汽流通量准确性仍不足 3 管网基础数据输入工作量大 管网改造后可能存在数据未及时录入的问题 简易在线蒸汽动力平衡表 简易在线蒸汽动力平衡表 简易在线蒸汽动力平衡表 蒸汽产耗平衡表 A 编制原则 a 产耗分别开列
16、b 只计算最终的产及耗的发生量 不计算中间转移量 B 分开工 运行 事故状态三种情况分别编写 C 分析产耗不平衡 查找蒸汽系统存在的问题 四 蒸汽动力系统优化 蒸汽动力系统优化的方法优化软件应用的情况实际工作中如何开展蒸汽动力系统优化工作 1 蒸汽动力系统优化的方法 热力学目标方法数学规划法三环节模型法启发式方法 热力学目标方法 A 夹点分析法B 顶层分析法 A 夹点分析法 a 产生 1982年Linnhoff等人提出的夹点技术 在此基础上提出了热力学目标方法 b 夹点技术应用的演变 换热网络和单级 多级公用工程能量集成 热回收络 热机热泵等单个能量集中单元与全局能量集成 几个工艺过程组成组成的全局系统 A 夹点分析法 c 核心技术 全局温焓曲线d 具体方法 利用全局温焓曲线对系统进行直接敏锐的分析 确定热力学目标以及提出很好的设计决策 并且根据该热力学目标可以选择最优的短网络 通过性能的限制约束 热力学目标方法揭示了系统的改善范围 使设计者在交互模式下进行不同的设计方案的筛选 A 夹点分析法 e 夹点技术特点 全局过程的夹点分析法 建立了从各过程冷 热物流构成组合曲线出发 逐步外推
