На правах рукописи

БОЛОНОВ ВЛАДИСЛАВ ОЛЕГОВИЧ

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ С ПГУ

Специальность 05.13.06 - УАвтоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в энергетике)Ф

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2008

Работа выполнена в Московском Энергетическом Институте (Техническом Университете) на кафедре Автоматизированных систем управления тепловыми процессами.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, засл. раб. высшей школы

Аракелян Эдик Койрунович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Солдатов Виктор Владимирович

Кандидат технических наук Тарасов Дмитрий Викторович

Ведущая организация: ЗАО УИНТЕРАВТОМАТИКАФ

Защита диссертации состоится У15Ф января 2009 г. в 16 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.14 при Московском энергетическом институте (Техническом Университете) по адресу: Москва, ул. Красноказарменная, д.17, ауд. Б-205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы на автореферат диссертации (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять по адресу: 11250, Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан УЕ..Ф ЕЕЕЕЕЕЕ..2008 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.14

к.т.н., доцент Зверьков В.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Оптимальное управление режимами работы электростанций - традиционно одна из сложных научных и практических задач, обусловленная неопределенностью исходной информации, многовариантностью решения, трудностью учета реального технического состояния оборудования, а также другими факторами. Тем не менее, в настоящее время разработаны различные методики и программные комплексы на их основе для внутристанционной оптимизации режимов работы оборудования.

Используемые в настоящее время методики оптимизации распределения нагрузок разработаны для традиционного состава оборудования ТЭ - (паротурбинные энергоблоки) и в них достаточно мало исследован вопрос учета особенностей режимов работы ПГУ (с одной или двумя работающими газовыми турбинами, при различных температурах наружного воздуха и др.) при решении данной задачи. Необходимо отметить, что большинство методик не ориентировано на современные условия функционирования НОРЭМ.

Вместе с тем, в настоящее время происходит активное внедрение ПГУ на ТЭЦ, поэтому, при решении задачи оптимизации управления режимами работы станции в рамках АСУ, необходимо использовать методику, учитывающую особенности работы парогазового оборудования. Данное обстоятельство значительно осложняет алгоритм решения оптимизационной задачи, так как при этом усложняется вид целевой функции.

Внедрение современных ПТК и создание на их основе интегрированных АСУ ТЭ - создает необходимые условия для комплексного решения задачи оптимального управления режимами работы ТЭ - с ПГУ.

Целью работы является разработка методики выбора состава и режимов работы оборудования ТЭЦ, а также оптимизации распределения электрической и тепловой нагрузок между агрегатами станции, в составе энергогенерирующего оборудования которой, наряду с традиционными паротурбинными энергоблоками и ПВК, присутствуют ПГУ, при учете особенностей режимов работы ПГУ.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

- разработка методических положений по построению расходных характеристик ПГУ с выбором режима работы ПГУ, а также с учетом влияния режимных параметров блока на расходные характеристики;

- разработка методики выбора состава энергогенерирующего оборудования электростанции на этапе подготовки предпочтительного состава агрегатов при выходе ТЭ - с ПГУ на рынок Уна сутки впередФ (РСВ);

- разработка методики оптимизации совместного распределения электрической и тепловой нагрузок для ТЭ - с ПГУ;

- разработка основных положений по интеграции программного комплекса оптимизации в АСУ ТЭ - на базе современных программно-технических комплексов (ПТК).

Научная новизна работы заключается в постановке и решении:

• задачи оптимального управления режимами работы ТЭЦ, в составе которых присутствуют парогазовые установки (ПГУ), имеющие существенные отличия от традиционного паротурбинного оборудования;
• задачи оптимального совместного распределения электрической и тепловой нагрузок между агрегатами ТЭ - с ПГУ на основе комбинации генетического алгоритма и метода деформируемого многогранника;
• задачи построения расходных характеристик бинарных ПГУ при частичных теплофикационных нагрузках с учетом влияния режимных параметров ПГУ при решении задачи оптимизации распределения нагрузок на ТЭ - с ПГУ.

Практическая значимость работы:

Разработанные методические положения и алгоритмы на их основе могут использоваться для решения задач:

• формирования предпочтительного оптимального состава оборудования ТЭ - для РСВ в операционные сутки, согласованного с СО в рамках функционирования НОРЭМ;
• оптимизации распределения тепловой и электрической нагрузок ТЭ - между агрегатами станции с ПГУ как на стадии оптимизации для предварительного диспетчерского суточного графика нагрузок, так и в оперативном аспекте времени.

Предложена схема интеграции разработанных алгоритмов оптимизации в АСУ ТЭ - на базе современных ПТК.

Результаты оптимизационных расчетов, полученные с использованием характеристик оборудования ТЭЦ-27 ОАО УМосэнергоФ, могут быть использованы для оценки экономического эффекта внедрения разработанных алгоритмов на реальной ТЭЦ. В настоящее время обсуждается применение разработанных методических положений для ТЭЦ-27 ОАО УМосэнергоФ.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается:

• использованием в расчетах характеристик оборудования существующих ТЭ - (ТЭЦ-27 ОАО УМосэнергоФ и Калининградской ТЭЦ-2);
• сравнением оптимальности полученных результатов с другими вариантами распределения нагрузок (при максимальной загрузке наиболее экономичных агрегатов);
• применением известных методов анализа соответствия полученных характеристик исходным данным.

ичный вклад автора заключается в разработке вышеперечисленных методических положений, а также в проведение расчетов с разработкой программы в среде MathCAD для характеристик оборудования ТЭЦ-27 ОАО УМосэнергоФ и Калининградской ТЭЦ-2 с последующим анализом полученных результатов и выдачей рекомендаций по использованию разработанных алгоритмов.

Апробация работы. Материалы, основные разделы и положения диссертации докладывались и обсуждались на XII и XIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов У Радиоэлектроника, электротехника и энергетикаФ в марте 2006 и 2007 года, на конференции УРесурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городовФ в 2006 году.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ, среди которых 2 статьи в рецензируемых изданиях.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 74 наименования, содержит 220 страниц печатного текста, 55 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность, научная и практическая значимость темы, сформулированы цель работы, а также ее научная новизна, приведена структура работы.

В первой главе показана значимость рассматриваемой задачи оптимального управления режимами работы ТЭ - с ПГУ в современных условиях внедрения парогазовых технологий в российской энергетике.

Приведена общая постановка задачи оптимизации режимов работы ТЭ - с ПГУ, а также проведен детальный анализ методов статической оптимизации, используемых для решения поставленной задачи. Также приведен обобщающий обзор работ по исследуемой задаче, основанных на рассмотренных в главе алгоритмах оптимизации. Проведенный обзор технической литературы показал, что применение разработанных до настоящего времени методик оптимизации выбора состава оборудования и распределения тепловой и электрической нагрузок между агрегатами электростанций, а также программных комплексов, затруднительно при использовании их для решения задачи оптимизации управления режимами работы ТЭ - на практике, поскольку они разработаны при принятии ряда допущений. Данные допущения приводят к невозможности учета особенностей эксплуатации конкретной электростанции. С целью учета недостатков существующих методик оптимизаций, сформулирована цель и задачи работы для ТЭ - с ПГУ.

Во второй главе показаны особенности различных вариантов регулирования нагрузки газовых турбин, входящих в состав ПГУ, их влияние на параметры работы котлов утилизаторов и паровой турбины, а также на характеристики ПГУ в целом.

На примере ПГУ-450Т Северо-Западной ТЭ - Санкт-Петербурга был проведен анализ возможных режимов работы установки при выработке тепловой и электрической энергии. Указана матрица возможных режимов в зависимости от схемы работы ПГУ, а также проведен анализ влияния параметров ПГУ на ее регулировочный диапазон по тепловой и электрической нагрузкам, отражены особенности работы ПГУ с одной и двумя газовыми турбинами с приведением сравнения экономических показателей.

Проведенный анализ показал, что одним из основных параметров, в наибольшей степени влияющий на показатели работы ПГУ, является температура наружного воздуха, которая определяет как вид расходных характеристик ПГУ, так и границы регулировочного диапазона нагрузок установки.

В настоящее время характеристики ПГУ, эксплуатируемых на ТЭЦ, не достаточно полно отражены для теплофикационных режимов работы в различного рода отчетах и нормативных данных. Поэтому для построения характеристик при частичных теплофикационных нагрузках разработан упрощенный алгоритм построения расходных характеристик для ПГУ с двумя газовыми турбинами по характеристикам газовых и паровой турбин. Предлагаемый алгоритм заключается в следующих шагах:

1. Задаем величины относительных нагрузок газовых турбин, и теплофикационную нагрузку паровой турбины ;

2. По заданным величинам,,, получаем значение электрической мощности паровой турбины, используя следующее соотношение:

, (1)

где, - паропроизводительность котлов утилизаторов 1 и 2 газовых турбин, - зависимость расхода пара на паровую турбину от ее электрической и тепловой нагрузок;

3. Далее рассчитываем величину электрической и тепловой нагрузки ПГУ по выражениям:

, (2)

, (3)

где - зависимость электрической нагрузки ГТ от ее относительной нагрузки

4. Вычисляем расход топлива ПГУ по характеристикам ГТ:

, (4)

- зависимость расхода топлива ГТ от ее относительной нагрузки.

5. Таким образом, с помощью выражений (1-4), задавая величины,,, получаем,,, т.е. значения электрической и тепловой нагрузок, а также расхода топлива ПГУ.

6. Имея набор данных,, путем аппроксимации получаем зависимости расходных характеристик ПГУ-450Т при работе с 1 и 2 газовыми турбинами (при работе блока с 1 ГТ составляющая выражений (1-4), содержащая функциональную зависимость от, - отсутствует).

Данная методика также позволяет получить расходную характеристику ПГУ при различном уровне относительных нагрузок двух газовых турбин.

На основе данной методики проведены расчеты по построению расходных характеристик ПГУ-450Т Калининградской ТЭЦ-2. В результате были получены следующие выражения расходных характеристик для режимов работы ПГУ-450Т с 1-ой и 2-мя ГТ для фиксированной температуры наружного воздуха (-2oC) при номинальных параметрах теплофикационной установки блока:

, (5)

, (6)

где - расход условного топлива ПГУ в т.у.т./ч, - электрическая нагрузка ПГУ в МВт, - тепловая нагрузка ПГУ в МВт.

Проведена оценка соответствия полученных зависимостей исходным данным, при этом полученные выражения имеют коэффициенты корреляции R=0,997 (для 1ГТ) и R=0,998 (для 2ГТ), максимальное отклонение характеристик от исходных данных не превышает 1%. На рис. 1 приведены графики аппроксимирующих зависимостей (5,6).

Рис. 1. Графики аппроксимирующих зависимостей расходных характеристик ПГУ-450Т при различных значениях тепловых нагрузок

Также получены выражения ограничений по тепловой и электрической нагрузкам в виде функциональных зависимостей.

Расчеты показали, что в регулировочном диапазоне нагрузок существует разрыв между режимами работы ПГУ-450Т с одной и двумя газовыми турбинами. Разрыв обусловлен ограничениями, накладываемыми на нижний предел регулирования нагрузки газовых турбин.

В третей главе приведена постановка задачи оптимизации выбора состава оборудования, а также распределения тепловой и электрической нагрузок блочной ТЭ - между оборудованием станции, в составе которой присутствуют ПГУ и ПВК при минимизации топливных затрат, как основного показателя эффективности работы ТЭ - в условиях функционирования НОРЭМ:

(7)

где - расход топлива i-го блока ПГУ в зависимости от его электрической и тепловой нагрузки, а также режима работы; - стоимость топлива i-го агрегата ТЭЦ; - расход топлива i-го паротурбинного блока (ПТ), - расход топлива i-го ПВК;,, - количество ПГУ, ПТ, ПВК на ТЭ - соответственно.

При этом действуют балансовые уравнения и ограничения, накладываемые на оптимизационную задачу:

• для каждой группы точек поставки (ГТП) на суммарную электрическую нагрузку;
• для каждой тепловой ветви на суммарную тепловую нагрузку;

- для ПГУ при работе с 1 и 2 газовыми турбинами (ГТ) на диапазоны регулирования электрической и тепловой нагрузок блока;

- для блоков ПТ на диапазоны регулирования электрической и тепловой нагрузок;

- для ПВК на диапазон регулирования тепловой нагрузки.

Для выбора предпочтительного состава агрегатов на этапе оптимизации управления ТЭЦ, предшествующем подаче заявки на РСВ, разработаны методические положения по выбору состава и режимов работы оборудования ТЭ - с ПГУ.

Предлагается следующая схема выбора предпочтительного состава оборудования.

Для заданного сочетания нагрузок составляется матрица возможных допустимых вариантов состава и режимов работы агрегатов станции с учетом регулировочных диапазонов нагрузок каждого агрегата, технологических и эксплуатационных особенностей конкретной станции, характера ее участия в покрытии нагрузок энергосистемы, реального технического состояния оборудования и ряда других факторов.