一种燃气-蒸汽联合循环发电系统运行优化方法

1.本发明涉及能源利用技术领域，尤其是一种燃气-蒸汽联合循环发电系统运行优化方法。


背景技术：

2.经济社会发展离不开持续有效的能源供给。推动清洁、低碳、高效的天然气发电系统替代燃煤发电系统，是我国绿色能源改革的重要措施。目前，效率最高、经济性和环境性最优的天然气发电系统是由燃气轮机和蒸汽轮机叠加组合的燃气-蒸汽联合发电系统，其运行效率远高于单独的布雷顿循环系统或朗肯循环系统。燃气-蒸汽联合循环发电系统在国内主要用于区域性供电、调峰，其运行负荷主要受用户负荷需求和其它发电系统的供电量大小影响。该系统需要根据用户对调峰量的需求进行变负荷运行操作。为提高燃气-蒸汽联合循环发电系统在春季、夏季、秋季、冬季的能效性、环境性、经济性，研究系统综合评价模型的建立方法，提出适用于系统在不同季节工况的运行优化方法。
3.燃气-蒸汽联合循环系统作为一个复杂的发电系统，影响其综合能效的因素众多。为使系统达最佳运行工况，研究人员对系统主要参数的优化进行研究。通过分析关于系统的综合评价和运行优化研究的相关文献，可以发现：目前研究人员多以提高系统发电效率为目标，优化系统在不同负荷工况下的igv开度和天然气流量，但是未综合考虑系统能效性、经济性和环境性，以提高系统综合能效为目标的运行优化研究较少。在双碳目标和能源价格上涨的情况，急需一种能同时保证燃气-蒸汽联合循环发电系统的能效性、环境性、经济性，寻求燃气-蒸汽发电系统在变负荷下最优运行的方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种燃气-蒸汽联合发电系统运行优化方法，以提高系统能效性、环境性、经济性等综合能效，得到系统在不同季节的最优运行工况。
5.本发明提出的燃气-蒸汽联合循环发电系统运行优化方法，主要设计思路如下：
6.(1)基于热经济学分析法，总结了一套完整的燃气-蒸汽联合循环发电系统热经济学建模流程，用于分析燃气-蒸汽联合循环发电系统的能效和经济型。
7.(2)基于熵权法，建立了客观评价燃气-蒸汽联合循环发电系统的能效性、环境性、经济性的综合评价模型。
8.(3)提出基于综合评价模型的变负荷下的运行优化方法。
9.本发明提供的燃气-蒸汽联合循环发电系统运行优化方法，具体步骤如下：
10.s1、利用流程模拟软件aspen plus，基于某燃气-蒸汽发电系统的实际生产工艺和系统设备的热力模型，建立该系统的燃气发电系统工艺流程模型和蒸汽发电系统工艺流程模型；
11.s2、确定系统能效指标及环境评价指标；
12.基于能量分析法，分析燃气轮机系统、余热锅炉系统、蒸汽轮机系统的能量平衡关
系，建立一次能源利用率指标；
13.燃气-蒸汽联合循环发电系统的一次能源利用率为：
[0014][0015]
式中：q
si
是各部分能量损失，kj/s；
[0016]qfuel
是进入燃气轮机系统的燃料低热值，kj/s；
[0017]
w1是燃气轮机系统生产的电能，kj/s；
[0018]
w2是蒸汽轮机系统生产的电能，kj/s。
[0019]
基于分析法，分析系统主要设备的平衡关系，建立效率指标，
[0020][0021]
式中：e
in,x
是进入系统的流的值，kj/s；
[0022]
i是系统的损失，kj/s。
[0023]
将系统的一次能源利用率和效率作为评价系统的能效指标。
[0024]
分析系统烟气成分，将系统生产单位电量所排放的co2质量作为环境评价指标：
[0025][0026][0027]
式中：λ
co2
是单位发电量所排放的二氧化碳量，g/(kw
·
h)；
[0028]mco2
是烟气中的co2量，g/kg；
[0029]mco2
、m
gas
分别是co2、烟气的摩尔质量，kg/mol。
[0030]
s3、确定系统热经济学评价指标：
[0031]
基于热经济学结构理论，分析系统生产结构和设备燃料-产品，建立系统的热经济学成本模型。热经济学成本模型建立步骤为：
[0032]
(1)根据燃料和产品与系统各设备的生产消耗关系，绘制系统生产结构图；
[0033]
(2)建立系统各设备的燃料-产品计算模型，确定燃料-产品；
[0034]
(3)建立系统设备的热经济学成本模型，分析系统的热经济学成本。
[0035]
分析系统的热经济学成本组成，基于系统在基础工况的运行参数和热经济学成本模型，分析系统在基础工况的热经济学成本，评价系统的经济性。
[0036]
s4、基于熵权法分析系统一次能源利用率、效率、co2单位排放量、单位热经济学成本的权重指标，建立综合评价模型。
[0037]
具体步骤如下：
[0038]
s41、指标归一化：
[0039]
燃气-蒸汽联合循环发电系统有m个参与评价的运行工况，编号记为m＝(m1、m2、
m3……mm
)；有n个评价指标，记为d＝(d1、d2……dn
)；被评价运行工况mi的第j个指标的数值记为x
ij
，形成m
×
n个指标构成的评价指标矩阵x＝[x
ij
]m×n：
[0040][0041]
然后进一步对各指标类型作一致化处理，对评价结果越大表示性能越优的指标，按式(4-2)进行标准化；对评价结果越小表示性能越优的指标，按式(4-3)进行标准化；
[0042][0043][0044]
式中：min(xj)是评价指标j在各运行工况中的最小值；
[0045]
max(xj)是评价指标j在各运行工况中的最大值。
[0046]
再计算第j个指标下，第i个负荷工况的特征比重，形成归一化矩阵p，如式(4-4)所示：
[0047][0048]
式中：v
ij
是指标x
ij
经标准化、无量纲化后的数值；
[0049]
p
ij
是特征比重。
[0050]
s42、指标信息熵计算：
[0051]
第j个指标对应的信息熵数值按式4-5计算；
[0052][0053]
式中：ej是指标j的信息熵大小；p
ij
是特征比重。
[0054]
s43、指标权重计算：
[0055]
评价指标xj的差异性系数由式(4-6)计算；第j项指标的熵权值wj由式(4-7)计算：
[0056]dj
＝1-ejꢀꢀ
(4-6)
[0057][0058]
式中：dj是指标j的差异性；
[0059]
wj是指标j的权重比。
[0060]
s44、综合评价指标计算
[0061]
第i个工况的综合能效评价指标ki为：
[0062][0063]
s5、基于粒子群算法建立优化模型。
[0064]
空气压缩机的进口导叶片(igv)开度和燃料天然气流量为变量，以系统综合评价最高为目标，基于粒子群算法建立系统优化模型，用于系统负荷变化时，寻求最优的运行参数。
[0065]
为提高系统在不同运行工况的一次能源利用率、效率，降低co2单位排放量、单位热经济学成本，以综合评价模型为优化目标。
[0066]
为保证系统安全运行，同时满足用户的电负荷需求，建立该系统的约束条件。
[0067]
建立适应性函数组：自变量为待优化的igv开度、天然气流量，以及影响系统单位热经济学成本的天然气价格；因变量为与优化目标相关的一次能源利用率、效率、co2单位排放量、单位热经济学成本，以及与约束条件相关的系统运行负荷、燃气轮机出口烟温。
[0068]
在确定优化目标、约束条件、适应性函数组后，根据粒子群算法的计算流程，利用matlab编写计算代码，建立运行优化模型。
[0069]
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
[0070]
基于热经济学分析法，总结了一套完整的燃气-蒸汽联合循环发电系统热经济学建模流程，用于分析燃气-蒸汽联合循环发电系统的能效和经济型。将系统生产单位电能所消耗的单位热经济学成本纳入综合评价模型。基于熵权法，建立了客观评价燃气-蒸汽联合循环发电系统的能效性、环境性、经济性的综合评价模型。在建立系统的综合评价模型后，以系统综合评价结果最高为目标，寻求系统的igv开度和天然气流量的最优值。
[0071]
本发明拟合了燃气-蒸汽联合循环发电系统的重要控制参数(igv开度、天然气流量)与综合评价结果的函数关系，将工艺流程模型和综合评价模型相结合。基于粒子群优化算法，以系统综合评价最高为目标，实现系统在春季、夏季、秋季、冬季的不同负荷工况的运行优化。
[0072]
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
[0073]
图1是本发明的燃气-蒸汽联合循环发电系统运行优化方法的流程图。
[0074]
图2是本发明实施例中建立的燃气发电系统工艺流程模型。
[0075]
图中标号：compress-空气压缩机；combust-燃烧室；turbine-透平。
[0076]
图3是本发明实施例中建立的蒸汽发电系统工艺流程模型。
[0077]
图中标号：rheat2-中压再热器2；hsup2-高压过热器2；rheat1-中压再热器1；hsup1-高压过热器1；hvapor-高压蒸发器；heconomi-高压节能器；msup-中压过热器；mvapor-中压蒸发器；mecono mi-中压节能器；lsup-低压过热器；lvapor-低压蒸发器；heat-给水加热器；hdrum、idrum、ldrum-高压汽包、中压汽包、低压汽包；hpc、ipc、lpc-蒸汽轮机高压缸、中压缸、低压缸；cond-凝汽器；cpump、ipump、hpump-凝结水泵、中压输水泵、高压输水泵。
[0078]
图4是实施例中某城市的某燃气-蒸汽联合循环发电系统生产结构图。
[0079]
图5是主要生产性设备的单位热经济学成本。
[0080]
图6是主要生产设备的单位热经济学成本组成。
[0081]
图7是某燃气-蒸汽联合循环发电系统空气流量随igv开度变化情况。
[0082]
图8是粒子群算法计算流程。
[0083]
图9是春季工况优化前后的综合评价结果。
[0084]
图10是夏季工况优化前后的综合评价结果。
[0085]
图11是秋季工况优化前后的综合评价结果。
[0086]
图12是冬季工况优化前后的综合评价结果。
具体实施方式
[0087]
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0088]
以某城市的一个燃气-蒸汽联合循环发电系统为例，详细说明本发明的燃气-蒸汽联合循环发电系统运行优化方法。如图1-12所示，步骤如下：
[0089]
步骤s1、建立工艺流程模型
[0090]
基于aspen plus建立该城市的燃气-蒸汽联合循环发电系统工艺流程模型。其中，燃气发电系统工艺流程模型，见图2。蒸汽发电系统工艺流程模型见图3。
[0091]
步骤s2、确定系统能效指标及环境评价指标
[0092]
基于能量分析法，分析燃气轮机系统、余热锅炉系统、蒸汽轮机系统的能量平衡关系，建立一次能源利用率指标。
[0093]
燃气-蒸汽联合循环发电系统的一次能源利用率为：
[0094][0095]
式中：q
si
是各部分能量损失，kj/s；
[0096]qfuel
是进入燃气轮机系统的燃料低热值，kj/s；
[0097]
w1是燃气轮机系统生产的电能，kj/s；
[0098]
w2是蒸汽轮机系统生产的电能，kj/s。
[0099]
基于分析法，分析系统主要设备的平衡关系，建立效率指标，
[0100][0101]
式中：e
in,x
是进入系统的流的值，kj/s；
[0102]
i是系统的损失，kj/s。
[0103]
将系统的一次能源利用率和效率作为评价系统的能效指标。
[0104]
分析系统烟气成分，将系统生产单位电量所排放的co2质量作为环境评价指标：
[0105]
[0106][0107]
式中：λ
co2
是单位发电量所排放的二氧化碳量，g/(kw
·
h)；
[0108]mco2
是烟气中的co2量，g/kg；
[0109]mco2
、m
gas
分别是co2、烟气的摩尔质量，kg/mol。
[0110]
该城市的这个燃气-蒸汽联合循环发电系统的一次能源利用率为55.56％。该系统效率为52.84％，计算得系统生产单位发电量的co2排放量为1287.31g/(kw
·
h)。
[0111]
步骤s3、确定系统热经济学评价指标
[0112]
(1)根据燃料和产品与系统各设备的生产消耗关系，绘制系统生产结构图，如图4。
[0113]
(2)建立燃气-蒸汽联合循环发电系统各设备的燃料-产品计算模型，如表1。
[0114]
表1燃料-产品计算模型
[0115]
[0116]
(3)建立燃气-蒸汽联合循环发电系统设备的热经济学成本模型(见表2)，分析系统的热经济学成本(如图5)。
[0117]
表2系统设备的热经济学成本模型
[0118][0119][0120]
(4)分析系统的热经济学成本组成(如图6)，基于系统在基础工况的运行参数和热经济学成本模型，分析系统在基础工况的热经济学成本，评价系统的经济性。
[0121]
对于该城市的这个燃气-蒸汽联合循环发电系统，单位热经济学成本最高的设备是低压缸，为0.5567元/(kw
·
h)。单位热经济学成本最低的是燃烧室，为0.2714元/(kw
·
h)。发电机的产品即为系统产出的电能，因此其单位热经济学成本即为系统的单位发电成本，为0.4848元/(kw
·
h)。
[0122]
步骤s4、建立系统综合评价模型
[0123]
为综合评价燃气-蒸汽联合循环发电系统的能效性、环境性、经济性，提出系统综合评价模型的建立方法。基于熵权法分析系统一次能源利用率、效率、co2单位排放量、单位热经济学成本的权重指标，建立综合评价模型。
[0124]
(1)指标归一化，见表3
[0125]
表3特征比重矩阵归一化结果
[0126][0127]
(2)指标信息熵计算，按照公式(4-5计算)，计算结果见表4。
[0128]
(3)指标权重计算，按照公式(4-6)和(4-7)计算，计算结果见表4。
[0129]
表4熵权法计算结果
[0130]
[0131]
(4)指标权重计算
[0132]
根据公式(4-8)，代入各评价指标的权重，建立该城市的燃气-蒸汽联合循环发电系统的综合能效评价模型为：
[0133][0134]
步骤s5、基于粒子群算法建立优化模型
[0135]
空气压缩机的进口导叶片(igv)开度和燃料天然气流量为变量，以系统综合评价最高为目标，基于粒子群算法建立系统优化模型，用于系统负荷变化时，寻求最优的运行参数。空气流量随igv开度变化情况见图7。粒子群算法流程见图8。
[0136]
(1)优化目标
[0137]
为提高系统在不同运行工况的一次能源利用率、效率，降低co2单位排放量、单位热经济学成本，以建立的该燃气-蒸汽联合循环发电系统的综合评价模型(4-9)为优化目标。
[0138]
(2)约束条件
[0139]
为保证系统安全运行，同时满足用户的电负荷需求，建立该系统的约束条件，如式5-1所示。为保证系统安全运行，达州市某燃气-蒸汽联合循环发电系统的燃气轮机出口烟温不能超过600℃，且igv开度范围为12％～98％；为使系统发电量满足用户对电负荷的需求，系统发电负荷等于需求发电负荷。
[0140][0141]
式中：t
6,max
是燃气轮机出口烟温允许最高温度，600℃；
[0142]
α
min
、α
min
分别是igv的开度低限值、开度最高值，12％、98％；
[0143]
laode、load
need
分别是系统发电负荷、需求发电负荷。
[0144]
(3)建立适应性函数组
[0145]
粒子群算法中，需要将自变量代入适应性函数组中，以确定粒子当前的“位置”。该函数组的自变量为待优化的igv开度、天然气流量，以及影响系统单位热经济学成本的天然气价格；因变量为与优化目标相关的一次能源利用率、效率、co2单位排放量、单位热经济学成本，以及与约束条件相关的系统运行负荷、燃气轮机出口烟温。
[0146]
建立适应性函数组的具体方法如下：
[0147]
首先，基于工艺流程模型模拟达州市某燃气-蒸汽联合循环发电系统在igv开度为12％-98％，天然气流量为8.16kg/s-12.95kg/s下的运行工况，并计算各运行工况下的一次能源利用率、效率、co2单位排放量、单位热经济学成本、运行负荷、燃气轮机出口烟温。
[0148]
其次，采用matlab的拟合分析工具，根据模拟计算结果，分别拟合系统运行负荷(f
load
)、一次能源利用率(fq)、效率(f
exergy
)、co2单位排放量(f
co2
)、单位热经济学成本(f
cost
)、燃气轮机出口烟温(f
t
)，关于igv开度(x)、天然气流量(y)、天然气价格(m)的适应性函数组。
[0149]
在确定优化目标、约束条件、适应性函数组后，根据粒子群算法的计算流程，利用matlab编写计算代码，建立运行优化模型。
[0150]
在春季、夏季、秋季、冬季工况下，燃气-蒸汽联合循环发电系统的适应性函数组fi分别表示为f1、f2、f3、f4。
[0151]
在春季工况下，该城市的燃气-蒸汽联合循环发电系统的适应性函数组f1如式(5-2)～(5-7)所示。
[0152]
f(x,y)
load,1
＝-39.82-1.299x+16.71y-3.76
×
10-3
x2+1.352
×
10-1
xy-5.432
×
10-1
y2ꢀꢀ
(5-2)
[0153]
f(x,y)
q,1
＝-11.14-0.1561x+4.156y-4.172x2+3.559
×
10-2
xy-4.933y2+4.894
×
10-5
x2y-2.055
×
10-3
xy2+1.953
×
10-2
y3ꢀꢀ
(5-3)
[0154]
f(x,y)
exergy,1
＝-11.18-0.1519x+4.176y-3.759
×
10-4
x2+0.03502xy-0.4983y
2-2.055
×
10-3
xy2+1.988
×
10-2
y3ꢀꢀ
(5-4)
[0155][0156]
f(x,y,m)
cost,1
＝7.781
×
10-4
x-4.6
×
10-2
y+2.94
×
10-3
m+0.98307
ꢀꢀ
(5-6)
[0157]
f(x,y)
t,1
＝-747.1+11.37x+283.2y+0.5083x
2-6.306xy-13.81y2+1.353
×
10-3
x
3-5.5923
×
10-2
x2y+0.4919xy2ꢀꢀ
(5-7)
[0158]
夏季适应性函数组f2如式(5-8)～(5-13)所示：
[0159][0160][0161][0162][0163]
f(x,y,m)
cost,2
＝8.8905
×
10-4 x-4.789
×
10-2
y+3.12
×
10-3
m+0.99539
ꢀꢀ
(5-12)
[0164][0165]
秋季适应性函数组f3如式(5-14)～(5-19)所示：
[0166][0167][0168][0169][0170]
f(x,y,m)
cost,3
＝8.6461
×
10-4
x-4.697
×
10-2
y+3.12
×
10-3
m+0.9854
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(5-18)
[0171]
f(x,y)
t,3
＝149.2-9.069x+59.57y+0.1118x2+0.2542xy+0.007161x2y
ꢀꢀꢀꢀ
(5-19)
[0172]
冬季适应性函数组f4如式(5-20)～(5-25)所示：
[0173][0174][0175][0176][0177]
f(x,y,m)
cost,4
＝7.37246
×
10-4
x-0.04496y+0.0031m+0.96814
ꢀꢀ
(5-24)
[0178][0179]
春季工况下，系统各适应性函数的拟合优度r2分别为0.999、0.983、0.971、0.949、0.991、0.998，r2都接近于1，表明该适应性函数组能良好反映被优化参数与优化目标、约束条件之间的函数关系。
[0180]
基于优化模型，优化该城市的这个燃气-蒸汽联合循环发电系统在春季、夏季、秋季、冬季工况下的igv开度和天然气流量(如图9-12所示)。对比系统经优化前后的综合评价结果，分析系统经优化后的一次能源利用率、效率、co2单位排放量、单位热经济学成本。
[0181]
经优化后，系统各负荷工况的综合评价结果都高于优化前。当系统负荷为80％时，优化效果最明显，系统综合评价结果提高了0.1576。
[0182]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。