火电机组运行参数能耗敏感性分析.doc

1、第28卷第29期中国电机工程学报 V 01.28 No.29 Oct. 15, 20086 2008 年 10 月 15 日Proceedingsof the CSEE?2008Chin.Soc.for Elec.Eng.文章编号：0258-8013 (2008) 29-0006-05中图分类号：TM 611文献标志码：A学科分类号：470?20火电机组运行参数能耗敏感性分析: 王惠杰， 张春发，宋之平(电站设备状态监测与控制教育部重点实验室(华北电力大学)，河北省 保定市071003)Sen sitive An alysis of En ergy Con sumpti on of Opera

2、t ing Parameters for Coal-fired UnitWANG Hui-jie, ZHANG Chu n-fa, SONG Zhi-p ing(Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment (North China Electric Power University),Ministry of Education, Baoding 071003, Hebei Province, China)ABSTRACT: Due to the complexity of thermo

3、dynamic system and variability of boundary condition, the striking non-linear relationship exits between the operating parameters and the energy consumption. At present, the research of quantitatively analyzing the problem under systematic variable work conditions is lack of effective method. Based

4、on deep research on the problem, the concept of sensitive factors of the energy consumption of operating parameters was put forward. Furthermore, by the application of analytic models to the whole thermal system under variable work conditions and adoption of the state space theory, the topological r

5、elation between the parameters of the measuring points and the energy consumption was established. Then the non-liner analysis problem on the complex thermodynamic system under multiboundary conditions can be availably solved. With analysis to the possible work conditions of different units, curves

6、of the sensitive factors of energy consumption of all parameters are obtained. Through utilizing the probability density functions of load distribution, the total sensitive factor of energy consumption was defined. And the sequences of all operating parameters sensitive factors of different units ar

7、e obtained through calculation.KEY WORDS: redundant technology; state space; energy consumption; sensitive analysis; probability density 摘要：由于实际热力系统的复杂性和边界条件的多变性，使得测点参数与能耗特性之间存在鲜明的非线性关系，目前对测点参数在系统变工况条件下对能耗特性的定量影响尚缺 乏充分的研究。该文就此问题进行深入分析，提岀运行参基金项目：国家自然基金项目(50776030);国家863高技术基金项 目(2007AA041105)。Project

8、Supported by Nati onal Natural Scie nee Foun dati on of China (50776030); The Nati onal High Tech no logy Research and Developme nt of Chi na 863 Program (2007AA041105).数能耗敏感因子的概念，通过建立全系统的变工况理论分析 模型，引入状态空间的理念，准确地建立了测点参数与能耗 特性之间的拓扑关系，有效地解决了多边界条件下的复杂热 力系统的非线性分析问题。应用敏感性分析方法，针对不同 类型机组，确定其可能运行工况下的各测点参数的能

9、耗敏感 因子曲线。通过引入负荷分布的概率密度函数，给岀了参数 总体能耗敏感因子的计算方法，并结合计算实例得到了各运 行参数对能耗影响权重排序。关键词：冗余技术；状态空间；能耗；敏感性分析；概率 密度0引言目前我国大力提倡的创建“节约型社会”的发 展目标，对火力发电企业的节能降耗工作提出了更 高的要求。热经济性在线监测及分析系统在大型火 电机组上的广泛应用，为节能优化控制和负荷优化 分配等关键技术实施提供了前提条件 。机组热经济性在线监测系统所需的大量实时 数据来自现场数据采集系统2。然而由于仪表故障、 变送器飘移和传感器故障等原因，造成从 DCS系统 中采集的实时数据中存在部分不良数据。这些原

10、始 数据不能反映热力系统的真实运行状态，将使能耗 在线监测系统的计算结果失真，从而直接影响到其 他后继高级应用模块的应用。采用多测点冗余技 术进行数据重构，是提高数据精度的有效手段。对 于一些重要的参数，可以采用冗余测量技术，用平 均值偏差检测、偏差积分检测、数据信息融合等方 法进行判别，可靠性较高，但要增加相应的硬件投 入，所以测点冗余技术不可能应用于全部参数的测 量。因此，从众多的参数中确定对机组能耗影响 较大的重要参数，是冗余技术得以有效应用的先决 条件。第29期王惠杰等：火电机组运行参数能耗敏感性分析 9目前，关于参数偏离对能耗的影响多米用试验 法、偏导数法和热力学方法 5。由于实际机

11、组运行 工况的多变性、运行边界条件的复杂性和热力系统 鲜明的非线性，使以上方法的应用受到不同程度的 限制。笔者在就此问题进行深入分析的基础上，提 出了运行参数能耗敏感因子的概念，通过建立全系 统的变工况理论分析模型，引入了状态空间的理 念，准确地建立了测点参数与能耗特性之间的拓扑 关系，有效地解决了多边界条件下的复杂热力系统 的非线性分析问题。应用敏感性分析方法，针对不 同类型机组，确定了其可能运行工况下的各测点参 数的能耗敏感因子曲线。通过引入负荷分布概率密 度函数，给出了参数总体能耗敏感因子的计算方 法，并结合计算实例得出了各运行参数对能耗影响 权重排序。本文的研究工作为多测点冗余技术和数

12、 据重构的应用提供了重要的理论依据。1机组能耗特性的状态空间描述机组的能耗特性由热力系统的拓扑结构(系统子设备之间相互联接方式)、运行条件(包括负荷指 令、煤质特性、大气环境等边界条件和设备性能)以及运行方式(包括煤粉细度、二次风量、主蒸汽压力 等可调整的独立变量)决定，以上条件可称为机组运 行的边界条件。当上述条件给定，则热力系统各部 位的状态参数(如压力、温度、流量等)，乃至机组的 能耗特性必然确定。因此，机组在某一时刻的状态 可描述为n维状态空间中的某一确定的状态点。“状态空间”是对所求问题进行描述的一种形 式。它指的是一个三元组：(S, F, G),其中，S代表 问题的所有原始状态的集

13、合；F代表适用的算法集合；G代表问题的目标状态的集合。对于机组能耗特性的求解问题，其中S为用于能耗计算的某时刻所有运行状态参数的集合(捲,Xi,X。其中Xi代表第i个变量，包括各压力类变 量Pi、温度类变量Ti、流量类变量Di、发电负荷、煤 质特性、烟气及灰渣分析结果等运行参数，n为能耗计算所需变量的数量。G为能耗特性指标。火电机组的最根本的能耗 特性指标，通常以供电煤耗率 bsn表示：123 bsn=(1)nnnngnp(j式中n、n、nm、n、n和艺&分别为锅炉效率、循 环热效率、机械效率、发电机效率、管道效率和各 辅机电耗率。对于作用于能耗特性与各运行参数之间的算法集合F，包括描述测点参

14、数与工质热物性状态参 数(如焓、熵等)之间关系的特性方程、反映机组具体拓扑结构的汽水分布矩阵方程8、机组功率方程和吸热量方程9以及各效率的计算模型10，如式(2)所示：F = h(pi,T),ai,ni,nb,nm,np , ng以给定压力和温度计算过热蒸汽焓值为例，运 行参数与工质热物性参数之间的算法模型为9h( n, T = RTT n0Ji0i=143+ ninIiJi(r-0.5)Ji-1) (3)i=1* * * *式中：n=p/p ; tT /T; p、T分别为特征压力和 温度；nh和Ji为常数系数。电厂热力系统汽水分布矩阵方程，基本形式为A ?ai + Af ?afi + AT

15、aT +Aq = t式中：A、Af和A 分别为与具体热力系统的回热系 统、辅助蒸汽系统和辅助水流系统结构有关的结构 矩阵；a、a和at分别为回热抽汽系数、辅助蒸汽 系数和由主给水管路或凝结水管路进出系统的小 水流系数矩阵；Aq为辅助热量矩阵；t为给水焓升 矩阵。方程中A、Af、At Aq和t中的各项元素都为 相应汽水的焓值的函数，结合实际运行参数(压力p、 温度T)与工质热物性参数之间的算法模型，回热抽 汽系数矩阵a可表示为a = f(p,Ti)(5)热力系统热效率计算模型可表示为(ho+ d- hn)- hT a T- Nz,、n =t 刁(6)(h0 - hfw ) +R(aiRXR+

16、afzRXR)式中Nz为轴圭寸漏汽等在汽轮机中的作功量；h。、0、hn和hfw分别为主蒸汽焓、单位质量的再热蒸汽吸热 量、排汽焓和给水焓值；R为再热前抽汽级数；对于再热前的抽汽：hid = hi +、- hn;对于再热后的抽汽：hd = hi - hn。n为锅炉效率，根据ASME计算标准可表示为n = f (Tpy , 2L , 2py , Cfh , Rgas , Ccoal )式中的 Tpy、2l、2py、Cfh、Rgas与 Ccoa l 分别为排烟 温度、炉膛出口氧量、排烟氧量、烟气分析结果和 媒质特性。bsn = g(X1,.,Xi，Xn)(8)由于以上算法模型多为非线性模型，因此，求

17、 解机组能耗率的状态空间 呈现出鲜明高维非线性 特性，机组在某一状态下的煤耗率可由诸运行参数 的高维非线性方程描述。2运行参数能耗敏感性分析2.1能耗敏感因子的定义敏感性分析是一种不确定性分析方法11-12。由式(8)可知，当所有因素都发生变化，分别由 X1, Xi,Xn变为X；,X-,，Xn,变化量分别为 &1, ZXi,ZXn,则在状态空间中机组的状态点必然改 变，供电煤耗率bsn也发生相应变化，由bsn变为bn , 则可用 加sn = bsn - bsn表示所有因素变化共同造成 的bsn变化量。利用多元函数的泰勒展开式为bsn 些 0 + ? ?bsn 浓 + ?+ ?bsn 必 (9)

18、为？X?Xn对于测点错误对煤耗影响程度问题的分析，由 于某一参数的偏离并非是发生了客观的变化，故其 他参数不会由此而引起变化。因此，只有参数Xi由于测点错误发生偏离，其它参数未变化,即老, ZXj=0, i舟,则bsn变化量为 少sn, Xi,是&i对bsn的影响 值，表示为?bsnAbsn,xi = c(10)?Xin则，加sn =刀加sn,xi。i=1定义bsn的变化率与因素为的变化率之比为bsn对 Xi的敏感因子Si，则有:(週/ AX)/bsn XiAbSn Xi / bSn?Xisn,Xi?bsn 务S = ,Xi = i= sn ? i (11)&i / X&i / X?Xi b

19、snS代表了煤耗bsn对某运行参数Xi偏离的敏感程度。S为正，则Absn与伙的变化方向相同；反之，则Zfcsn与纲的变化方向相反。由式(11)可知，参数的煤耗 敏感因子S为煤耗率bsn对运行参数Xi的偏导数 ?bsn/Xi、当前工况下的运行参数Xi和bsn的函数。由于实际机组的容量、结构、设备特性和发电负荷等边 界条件不尽相同，即便同一运行参数的敏感因子Si也必然随着边界条件的不同而变化。能耗敏感因子 的提出，为确定不同测量参数对煤耗计算结果的影 响的重要程度提供有效的研究方法。2.2 能耗敏感因子的确定在给定机组运行的边界条件(如发电负荷，煤质 特性，环境压力和温度，主蒸汽压力和温度等)的情

20、况下，热力系统的状态参数 人可由计算变工况下基准 值的动力学方程得出问，供电煤耗率bsn由变工况计 算得出的状态参数X根据算法集合F得出。而偏导数 ?bsn/X则归结为求解参数偏离对煤耗影响的问题。目前常用来确定参数偏离的对煤耗的影响系 数有如下3种方法：1 )试验法。理论上用试验法来确定各参数的变动对经济 性的影响是可靠的方法，结果最符合实际。但事实 上，由于在实验时很难做到其他参数一直维持稳定 不变，而只有一个参数在控制下变化，因而其他参 数变化的影响靠其他方法来修正解决，所以试验法 现在真正采用的较少。2 )偏导数法14。在状态空间中作用于运行参数与能耗率之间 的算法模型为高维、非线性模

21、型，且由于机组的运 行条件的多变性，采用此方法计算不同工况下参数 对能耗率的影响将导致“维数灾难”15。3)热力学方法。此种方法存在理论不严格，有赖于其他详细计 算等缺点，同样不适用于本问题的分析。本文引用状态空间方法，机组在某工况下的状 态可由运行参数集合(X1，,Xi,Xn)描述为状态空 间中的某一确定的状态点，其能耗特性bsn可以根 据算法集合F确定。当某一运行参数Xi由于测点错误 偏无穷小离量AXi，即参数集合变为(X1,Xi +伙,Xn)，则在状态空间中系统状态发生偏离，其 供电煤耗bsrAXi亦可由f直接计算得出。其偏离量 Absn可表示为Asn = bXn+AX - bs；(12

22、)因此，当某一参数Xi偏离量为AXi，弓I起机组的 运行状态点在状态空间中也相应发生偏离，在此变 化过程中算法集合F并未有变化，则机组的煤耗率 变化量的为Absn可由状态空间方法直接求取。由?bsn?Xlim也纲一0 Ax(13)可方便的计算出偏导数？bsn/Xi，回避了复杂的对多维非线性方程求偏导数问题，不失为有效的求解 方法。为不失一般性，本文仅以发电负荷为边界条 件，则通过变工况基准值计算9可得机组在当前负荷下的运行参数集合(X1，,Xi,Xn),继而通过能耗 率的计算可得机组在当前负荷下的供电煤耗率bsn。而?bsn/X i可由状态空间法得出，同样也是负荷(或负荷率)的函数。因此，参数

23、的能耗敏感因子E可表示为负荷率泊勺函数：(14)S = Si(入)以某600 MW超临界机组为例，根据以上方法计算得出不同发电负荷率（40%110%）下相应的敏感因子，图1给出了部分参数的能耗敏感因子 曲线。可见，由于运行参数与能耗特性之间存在的 非线性关系，则运行参数的敏感因子随发电负荷而 变化，甚至不同负荷下参数的敏感性排序也会发生 改变。斗M胃对凤懈M 博轉屛啊.a% -0.2S-0.43种不同类型机组的2年的负荷数据，给出了相应的 负荷率概率密度分布函数，基本符合Bata函数分布:f(=入P-1(1- X)q-11/入p-1(1-入)q-1d 入(15)其中135 MW机组的p=4,

24、q=3.04; 300 MW 机组的 p=5.3, q=2.9； 600 MW 机组的 p=6.1, q=3.1。2.3.2总体能耗敏感因子的计算考虑到敏感因子随负荷变化的特点，为统一描述某一参数的敏感性，本文又定义了总体能耗敏感 因子概念。所谓总体能耗敏感因子是敏感因子在稳 定运行的可能负荷率区间内与负荷率概率率密度第29期王惠杰等：火电机组运行参数能耗敏感性分析 #-0.6负荷率/%图1不同负荷下运行参数能耗敏感因子曲线Fig. 1 Curves of operating parameters sensitive factors of energy cost in different lo

25、ad2.3总体能耗敏感因子的确定分布函数的积分值。ST =摘（入）f （入）d 入（16）运行参数的总体能耗敏感因子是结合特定机组发电负荷率的分布情况，给出的全负荷区间内运 行参数敏感性的统一指标。第29期王惠杰等：火电机组运行参数能耗敏感性分析 11排序 一1 350 MW 机组 300MW机组600MW机组参数ST /%参数sT/%参数ST /%1主蒸汽温度0.552 257 239主蒸汽温度0.596359主蒸汽温度0.5811962再热蒸汽温度0.400 402 998再热蒸汽温度0.408915再热蒸汽温度0.3398793高压缸排汽温度0.287 422 209高压缸排汽温度0.2

26、89097高压缸排汽温度0.2625534给水泵出口水温0.156 862 897六抽温度0.148866给水泵出口水温 0.1898975除氧器出口水温0.122 853 033除氧器出口水温0.148681除氧器出口水温0.1664956六抽温度0.095468615六抽压力0.073607六抽温度0.118147排烟温度0.070 792 419七抽压力0.073607主蒸汽压力0.0787018六抽压力0.064 688 773排烟温度0.071512给水温度0.0749719排汽压力0.056 529 165主蒸汽压力0.065419六抽压力0.06253110厂用电率0.052 6

27、65 201厂用电率0.052259厂用电率0.0559611给水温度0.049 828 244给水温度0.051162排汽压力0.05458812主蒸汽压力0.044 196 076八抽压力0.04221中压缸排汽温度0.04248413再热器减温水量0.026 133 568高压缸排汽压力0.027907高压缸排汽压力0.02931314一抽压力0.019 261 714一抽温度0.027013小汽机进汽量0.0286815 #6加热器出口水温0.018 140 317#2加热器出口水温 0.025464一抽温度0.02707表13种类型机组的总体能耗敏感因子排序表Tab. 1 Seque

28、nces of parameters total sensitive factors for energy cost to three different types of units2.3.1发电负荷率的概率密度分布函数如图2所示，本文统计某600、300和135 MW负荷率/%图2不同机组发电负荷率概率密度分布曲线Fig. 2 Curves of load distributing probabilitydensity of different units3实例分析为进一步对上述方法进行说明，本文分别以浙能兰溪电厂N600-24.2/566/566型汽轮发电机组、 国电云南宣威电厂 N30

29、0-16.67/537/537型汽轮发 电机组和温州电厂 N135-13.24/535/535型汽轮发 电机组为例进行实例分析。针对具体的研究对象，建立算法集合F和变工 况参数基准值计算模型，应用本文给出的总体能耗 敏感因子的计算方法，给出了3种类型机组部分参数总体能耗敏感因子排序（前15位），见表1。表1反映出机组能耗特性对运行参数敏感程度 的一定规律性：即诸如主、再热蒸汽、高压缸排汽、 低压缸排汽和主给水等组成循环的热力过程线的 拐点状态，对能耗的影响较大；同时，由于过热蒸 汽焓值相比于压力变化，对温度变化更为敏感。因 此，不同类型机组的总体能耗敏感因子排名前3位的同为主蒸汽温度、再热蒸汽

30、温度海外高压缸排汽 温度。而对锅炉效率影响较大的排烟温度、直接作 用于供电煤耗率的厂用电率、直接影响锅炉吸热量 的最终给水温度、以及主蒸汽压力和高压缸排汽压 力等参数均排名在前列。在存在以上规律性的同时，由于不同类型机组 的系统结构、设备性能、参数水平、机组运行方式 以及负荷分布情况的不同，造成其运行参数的敏感 性排序不尽相同。因此，对于不同类型机组只有进 行详细的参数能耗敏感性分析，才能有效地避免对 参数重要性模糊的主观认识，从而准地筛选出对特 定机组影响较大的运行参数，为测点冗余技术的 应用和能耗的准确分析提供基础。4结论1) 本文引入状态空间分析方法，通过建立供电 煤耗率与火电机组运行参

31、数之间的理论分析模型， 明确了运行参数与能耗特性之间的解析关系。2) 本文提出运行参数能耗敏感因子的概念， 为火电机组运行参数的能耗敏感性分析提供了简 便可靠的评价指标。3) 通过分析火电机组的负荷分布特点，给出 了不同类型机组的负荷分布概率密度函数。在此基 础上定义并计算得出了各运行参数的总体能耗敏 感因子，为能耗监测系统中的测点冗余技术的有效 应用提供了理论依据。参考文献1 李蔚，任浩仁.300 MW火电机组在线能耗分析系统的研制J.中国电机工程学报，2002, 22(11): 153-155.Wei Li, Haoren Ren. Research of on-line energy c

32、onsumption analysis system of 300 MW coal-fired power unitJ . Proceedings of the CSEE, 2002, 22(11)： 153-155(in Chinese).2 张春发，张德成，张宝 等.火电大机组热力系统、设备及运行节能在线监测及指导系统J.汽轮机技术，2001，43(3): 129-132.Zhang Chunfa, Zhang Decheng,Zhang Bao, et al.On-line monitoring and instructing system for thermal system, equ

33、ipments and operation of high capacity unit in coal-fired power plantJ. TurbineTechnology, 2001, 43(3): 129-132(in Chinese).3 陈丽丽，李蔚，盛德仁 等.火电厂实时监控系统测量数据预测的研究进展J.电站系统工程，2005, 3(2): 1-4.Chen Lili, Li Wei, Sheng Deren et al Research progress about measured data forecasting of real-time monitored contro

34、l system in power plantJ. Power system Engineering 2005, 3(2): 1-4(in Chinese).4 陈坚红，李蔚，盛德仁，等.一种火电机组在线性能计算中的数 据融合方法J.中国电机工程学报,2002, 22(5): 152-156.Chen Jianhong, Li Wei, Sheng Deren, et al. A data fusing method for on-Iine performanee calculation of power plantJ . Proceedings of the CSEE, 2002, 22(5

35、): 152-156(in Chinese).5 曹祖庆 汽轮机变工况特性M.北京：水利电力出版社，1991.6 林万超.火电厂热系统节能理论M.西安；西安交通大学出版社， 1994.7 The International Association for the Properties of Water and Steam. Release on the IAPWS industrial formulation 1997 for the thermodynamic properties of water and steamR . The International Association for

36、 the Properties of Water and Steam . Erlangen, Germany, 1997.8 程懋华，王培红，高叠.汽轮发电机组回热系统通用热平衡方程 及其结构模型研究J.中国电机工程学报，2002, 22(4): 66-71.Cheng Maohua, Wang Peihong, Gao Wei. Research of steam turbo generator unit regenerative system general heat-balance equation and its structure modelJ. Proceedings of the

37、 CSEE,2002,22(4)：66-71(in Chinese).9 阎顺林，张春发，李永华，等.火电机组热力系统汽水分布通用 矩阵方程J.中国电机工程学报，2000, 20(8): 69-73.Yan shunlin , Zhang chunfa , Li yonghua , et al . The steam-water distribution general matrix equation of thermal system for the coal- fired power unitJ . Proceedings of the CSEE 2000, 20(8): 69-73(in

38、 Chinese).10 中国动力工程学会.火力发电设备技术手册-汽轮机M.北京：机械工业出版社，1999.11 李毅，邵明安，王文焰，等.土壤非饱和导水率模型中参数的敏 感性分析J.水科学进展,2003, 14(9): 593-597.Li Yi , Shao Ming aWang Wenyan, et al. The parameters sensitive analysis to soil non-saturate guide water rate modelJ . Advances in Water Science, 2003, 14(9)： 593-597(in Chinese).1

39、2 Maddulapalli A K , Azarm S , Boyars A . Sensitivity analysis for product design selection with an implicit value functionJ . European Journal of Operational Research, 2007, 180(5)： 1245-1259 .13 崔映红，张春发.在线监测中机组基准运行状态的确定J.动力工程，2004, 24(2): 298-302.Cui Yinghong , Zhang Chunfa . Determine of the basi

40、c operating con diti on of the turb ine set in on li ne-mo nitori ngJ. PowerEn gin eeri ng(Ch ina) , 2004, 24(2): 298-302(in Ch in ese).14 张春发，丁常富，周健，等.再热机组热经济分析的线性化方程J.中国电力，1994, 12(8): 49-51.Zhang Chunfa , Ding Chengfu , Zhou Jian , et al . A linearization equation on heat economy analization of m

41、heat unitJ . Electric Power, 1994, 12(8): 49-51(in Chinese).15 曹文亮.基于符号有向图的热力系统故障诊断方法研究D 保定：华北电力大学，2006.Cao wenliang. Research on fault diagnosis approach based on signed directed graph for thermal systemD. Baoding: North China Electric Power University , 2006(in Chinese).王惠木 丿Qj、八、收稿日期：2007-11-12。作者简介：王惠杰(1972),男，讲师，博士研究生，主 要从事能源利用于节能技术、热力发电厂系统、设 备及运行节能在线监测及指导系统的研究与开发 工作，ncepuwhj。(责任编辑王庆霞)