基于燃煤机组全流程机理建模的关键状态在线监测及热经济性优化研究

发布时间：2020-05-03 15:19

【摘要】：火力发电、尤其是燃煤发电在当前以及可预见的未来都是我国电力供应的主体。燃煤机组是一个时变、非线性、强耦合、大时滞、多变量的复杂系统,加上涉及学科领域众多以及测点的不完备性,在机组工艺、运行、优化等方面仍有许多难题没有攻克。随着高参数、大容量燃煤机组的大量投运,对于燃煤电站状态监测、性能评估和热经济性优化的需求变得愈加迫切。本文开展了涉及燃煤机组锅炉侧和汽机侧的全流程机理建模、关键状态在线监测和热经济性优化研究,主要研究成果包括:(1)建立了涵盖锅炉侧和汽机侧的燃煤机组全流程机理模型。基于MATLAB编程环境开发了面向亚临界和超超临界机组的、具有一定通用性和可扩展性的全流程实时仿真平台。(2)利用蒸发系统模型、换热器系统模型和烟气质量流量模型估计炉膛出口烟气温度。建立了半辐射式换热器动态传热模型,根据能量平衡将烟气温度辨识转变为以烟气温度为被寻优变量的最优化问题。在水平烟道烟温估计结果基础上实现换热器换热性能的在线评估。(3)建立了基于回转式空预器温度分布的直接漏风估计方法。引入修正系数补偿由于不稳定换热对空预器温度分布的影响。基于空预器温度分布建模结果,利用稳态下一次风和二次风的质量和能量平衡关系辨识一次风和二次风的直接漏风量,并给出天级和月级的直接漏风量和漏风面积仿真结果。(4)研究了回热抽汽系统对机组热经济性的影响。建立了回热加热器端差应达值模型,利用回热抽汽系统汽水分布矩阵方程,计算汽轮机效率的相对变化量。通过稳态的滚动更新将本方法扩展到全工况下热经济性分析。根据仿真结果得到如下结论:高压加热器比低压加热器对机组热经济性影响更大,汽轮机效率对上端差变化更加敏感。(5)研究了基于定速泵和变速泵的凝汽器压力优化问题。建立了凝汽器变工况热力特性。对于配置双速泵的机组,凝汽器压力优化简化成具有有限个可行解的整数规划问题。对于配置变速泵的机组,选取机组净功率为凝汽器压力优化目标函数,并结合循环水调节的动态过程等因素,引入保持时间对操纵变量施加约束。(6)以主蒸汽压力、低压缸排汽压力和排汽质量流量为耦合变量,分析汽机-冷端耦合系统传热机理,建立汽机-冷端耦合系统变工况热力特性模型。以机组功率收益为耦合系统热经济性的评价指标,选取机组功率收益增量作为热经济性协调优化的目标函数。仿真结果表明,主蒸汽压力调节占主导地位,优化后汽轮机效率整体提高。在同一负荷下,优化后主蒸汽压力依次大于实际运行主蒸汽压力和滑压运行下主蒸汽压力参考值。
【图文】：

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因此燃煤火力电站的节能减排不仅具有重大经济效益，对从源头上降低空气污染和雾霾也极为关键。自 2000 年以来，我国对电力的需求随经济腾飞增长迅猛。图 1-1 是进入 21 世纪来我国火电装机容量及其占总装机容量比例的统计图。可以看出，火电装机容量和总装机容量逐年上升，2017 年火电装机容量达到 10.9 亿千瓦，占总装机容量的 61.2%[5]。图 1-1 火电装机容量与总装机容量统计Fig. 1-1 Capacity of coal-fired power installation and total installation图 1-2 是我国火力发电量及其占总发电量比例的统计图。尽管自 2011 年火电装机占总装机容量的比例逐年下降，，但是 2017 年火力发电量仍达到 4.47 万亿 kWh，占总发电量的 69.6%[6]。预计在今后相当长的时期内可再生能源发电将得到快速发展，但燃煤发电仍将占有最大比重。

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图 1-1 火电装机容量与总装机容量统计Fig. 1-1 Capacity of coal-fired power installation and total installation图 1-2 是我国火力发电量及其占总发电量比例的统计图。尽管自 2011 年火电装机占总装机容量的比例逐年下降，但是 2017 年火力发电量仍达到 4.47 万亿 kWh，占总发电量的 69.6%[6]。预计在今后相当长的时期内可再生能源发电将得到快速发展，但燃煤发电仍将占有最大比重。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM621

【参考文献】