一种三级梯级供热系统及整体运行寻优方法
技术领域
本发明涉及三级梯级供热系统领域，具体地说涉及一种三级梯级供热系统及整体运行寻优方法。
背景技术
随着国内能源成本的上升和环保要求的提高，高效能量回收设备成为近些年发展的新趋势。而热电联产越来越多的成为国内火力发电企业节能降耗的有效方式，在北方地区利用汽轮机抽汽或乏汽进行集中供暖是火力发电企业热电联产的重要改造途径。如何有效降低供热能耗及改造成本是当前供热技术的研究重点。
基于热力学第二定律的
多热源梯级加热系统的供热能耗成本受多参数影响，若不进行寻优控制，尤其在实际运行工况偏离设计工况的情况下，第一级高背压凝汽器乏汽利用量，第二级蒸汽压缩提质装置凝汽器乏汽利用量以及蒸汽压缩提质装置的实际性能参数等关键检测参数的获取对于三级梯级供热系统寻优尤为关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种精确控制时刻寻优、降低系统供热能耗成本的三级梯级供热系统及整体运行寻优方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种三级梯级供热系统，其特征在于：包括一级高背压凝汽器，热网循环水回水进入所述一级高背压凝汽器，通过高背压运行方式下的汽轮机低压缸排汽加热；所述一级高背压凝汽器的出口连接二级蒸汽压缩提质装置凝汽器的入口；所述二级蒸汽压缩提质装置凝汽器的出口连接三级热网加热器的入口，利用汽轮机中压缸排汽抽汽加热；所述三级热网加热器的出口连接热网循环水供水。
进一步的，还包括蒸汽压缩提质装置，汽轮机低压缸排汽至一级高背压凝汽器调节蝶阀和第一蒸汽压缩提质装置调节蝶阀，分别连接所述一级高背压凝汽器的入口和蒸汽压缩提质装置的入口；汽轮机中压缸排汽抽汽至第二蒸汽压缩提质装置调节阀和三级热网加热器调节阀，分别连接蒸汽压缩提质装置的入口和三级热网加热器的入口；所述蒸汽压缩提质装置的出口连接所述二级蒸汽压缩提质装置凝汽器的入口。
进一步的，根据热需求温度，分别投入所述一级高背压凝汽器、二级蒸汽压缩提质装置凝汽器和三级热网加热器。
进一步的，所述蒸汽压缩提质装置可以为汽驱离心式蒸汽压缩机、热压机、增汽机。
基于三级梯级供热系统的整体运行寻优方法，包括三级梯级供热系统能耗计算模型：
热平衡约束条件：
其中，W1r为一级高背压凝汽器加热功率，W2r为二级蒸汽压缩提质装置凝汽器加热功率，W3r为三级热网加热器加热功率，Wgr为总供热功率也为热用户需要热负荷；Gb为一级高背压凝汽器乏汽利用量，hb为汽轮机低压缸排汽焓值，C为水的比热容，tqbs为一级高背压凝汽器疏水温度，Gr为热网循环水量，tbc为级高背压凝汽器出水温度，th为热网回水温度；pb为低压缸排汽压力，tdc1为一级高背压凝汽器端差；Gd为二级蒸汽压缩提质装置凝汽器蒸汽利用量，hd为蒸汽压缩提质装置出口蒸汽焓值，tds为二级蒸汽压缩提质装置凝汽器疏水温度，tdc为二级蒸汽压缩提质装置凝汽器出水温度；pd为蒸汽压缩提质装置出口蒸汽压力，td为蒸汽压缩提质装置出口蒸汽温度；α为蒸汽压缩提质装置压缩比；Gz为三级热网加热器用中排抽汽量，hc为中排抽汽焓值，tzs为热网加热器疏水温度，tgs为热网循环水供水温度；
三级梯级供热系统能耗成本计算模型：
其中：Wf为三级梯级供热系统利用汽轮机排汽加热功率，Wzp为三级梯级供热系统利用中排抽汽加热功率；Bf为汽轮机排汽供热煤耗，Bzp为中排抽汽供热煤耗，β为汽轮机高背压排汽供热利用系数，B3j为三级梯级供热系统整体供热煤耗；Gs为蒸汽压缩提质装置乏汽利用量，G1为低压缸进汽质量流量；Wrx为循环水泵总功率，h为热网循环水泵扬程，η为泵的效率；Egr为三级梯级供热系统能耗成本，Smj为标煤单价，Sdj为上网电价。
进一步的，寻优步骤为：
控制模型初始值设定；
系统所需工况值的输入与读取，其中无法直接读取的数据人为输入，其余数据通过DCS读取；
计算在满足边界条件下的三级梯级供热系统能耗成本理论计算值与三级梯级供热系统能耗成本实际计算值；
数据进入公式
若建议寻优，进入公式
根据指令，给定扰动因素C并计算能耗成本值，进入公式
根据指令，进入公式
根据指令，给定扰动因素B并计算能耗成本值，进入公式
根据指令，给定扰动因素A并计算能耗成本值；进入公式
进一步的，所述寻优控制逻辑扰动因素数大于等于2。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明通过三级梯级供热系统寻优方法可做到精确控制时刻寻优从而降低系统供热能耗成本。本发明可对第一级高背压凝汽器乏汽利用量、第二级蒸汽压缩提质装置凝汽器乏汽利用量以及蒸汽压缩提质装置的实际性能等关键检测参数进行监测，用于寻优系统能耗计算模型时刻监测系统供热能耗。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的三级梯级供热系统示意图；
图2是本发明的三级梯级供热系统寻优控制逻辑框图。
其中：101-一级高背压凝汽器，102-二级蒸汽压缩提质装置凝汽器，103-三级热网加热器，104-蒸汽压缩提质装置，201-一级高背压凝汽器调节蝶阀，202-蒸汽压缩提质装置调节蝶阀，203-蒸汽压缩提质装置调节阀，204-三级热网加热器调节阀，301-热网循环回水，302-热网循环供水，303-汽轮机低压缸排汽，304-汽轮机中压缸排汽抽汽。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明提供三级梯级供热系统及整体运行寻优方法，所述三级梯级供热系统汽源为汽轮机低压缸排汽和中压缸排汽，三级梯级供热系统由一级高背压凝汽器、二级蒸汽压缩提质装置凝汽器、三级热网加热器、蒸汽压缩提质装置以及连接上述设备的管件及阀门。三级梯级供热系统运行寻优方法由三级梯级供热系统组成及运行方式、三级梯级供热系统寻优方法关键性能参数监测与能耗指标推导、三级梯级供热系统能耗计算模型、三级梯级供热系统寻优控制逻辑组成。寻优系统可根据对关键可调参数的扰动控制，通过系统能耗计算给出系统所处边界条件下经济运行方式，从而实现三级梯级供热系统寻优运行。
本发明主要由四个部分组成：三级梯级供热系统组成及运行方式、三级梯级供热系统寻优方法关键性能参数监测与能耗指标推导、三级梯级供热系统能耗计算模型、三级梯级供热系统寻优控制逻辑。在本发明的一个实施例中，寻优控制逻辑扰动因素数为3个。
一、三级梯级供热系统组成及运行方式
三级梯级供热系统主要包括一级高背压凝汽器101，二级蒸汽压缩提质装置凝汽器102，三级热网加热器103，蒸汽压缩提质装置104，乏汽至一级高背压凝汽器调节蝶阀201，低压缸排汽至蒸汽压缩提质装置调节蝶阀202，中排抽汽至蒸汽压缩提质装置调节阀203，中排抽汽至三级热网加热器调节阀204，热网循环水回水301，热网循环水供水302，汽轮机低压缸排汽303，汽轮机中压缸排汽抽汽304以及连接上述设备的管件。
热网循环水回水先进入一级高背压凝汽器被高背压运行方式下的汽轮机低压缸排汽加热，后进入二级蒸汽压缩提质装置凝汽器被蒸汽压缩提质装置提质后的蒸汽加热，最后进入三级热网加热器被汽轮机中压缸排汽抽汽加热后供出。根据热用户需求温度，可以分别投入一级高背压凝汽器、二级蒸汽压缩提质装置凝汽器和三级热网加热器。
二、三级梯级供热系统寻优方法关键性能参数监测与能耗指标推导
三级梯级供热系统寻优关键参数有：汽轮机低压缸排汽焓值、一级高背压凝汽器乏汽利用量、二级蒸汽压缩提质装置凝汽器蒸汽利用量、蒸汽压缩提质装置动力蒸汽量、蒸汽压缩提质装置乏汽利用量、低压缸进汽流量、空冷岛上岛蒸汽流量。
汽轮机低压缸排汽焓值：
正常工况下，低压缸排汽为湿蒸汽，无法根据压力、温度查出其焓值。这里根据汽轮机厂提供的高背压运行工况热平衡图计算出高背压运行工况时低压缸效率，该效率在实际运行中变化不大，以缸效不变推出变工况下低压缸排汽焓值。
通过上式计算出汽轮机低压缸排汽焓值hb，式中：ηdg为低压缸效率，hc为中排抽汽焓值，pc为中排抽汽压力，tc为中排抽汽温度，hb为汽轮机低压缸排汽焓，hblx为汽轮机排汽压力下等熵排汽焓，pb为低压缸排汽压力，Sc为中排抽汽熵值。
一级高背压凝汽器乏汽利用量：
上式根据热网循环水在一级高背压凝汽器温升计算出一级高背压凝汽器利用乏汽量，式中：Gb为一级高背压凝汽器乏汽利用量，Gr为热网循环水量，C为水的比热容，tbc为级高背压凝汽器出水温度，th为热网回水温度，tqbs为一级高背压凝汽器疏水温度。
二级蒸汽压缩提质装置凝汽器蒸汽利用量：
上式根据热网循环水在二级蒸汽压缩提质装置凝汽器温升计算出二级蒸汽压缩提质装置凝汽器蒸汽利用量，式中：Gd为二级蒸汽压缩提质装置凝汽器蒸汽利用量，tdc为二级蒸汽压缩提质装置凝汽器出水温度，hd为蒸汽压缩提质装置出口蒸汽焓值，可通过蒸汽压缩提质装置出口蒸汽压力与温度查出，tds为二级蒸汽压缩提质装置凝汽器疏水温度。
蒸汽压缩提质装置动力蒸汽量、蒸汽压缩提质装置乏汽利用量：
Gs＝Gd-Gm
可通过上述两公式计算出蒸汽压缩提质装置动力蒸汽量、蒸汽压缩提质装置乏汽利用量，式中：Gs为蒸汽压缩提质装置乏汽利用量，Gd为二级蒸汽压缩提质装置凝汽器蒸汽利用量，Gm为蒸汽压缩提质装置动力蒸汽量，1/μ为蒸汽压缩提质装置引射比，hc为中排抽汽焓值，hd为蒸汽压缩提质装置出口蒸汽焓值，hb为汽轮机低压缸排汽焓。
低压缸进汽流量：
G1＝k×p01
在汽轮机中低压连通管加装低压缸进汽压力测点，根据弗留格尔简化公式计算低压缸进汽流量，式中：G1为低压缸进汽质量流量，k为低压缸进汽量计算系数，p01为低压缸进汽压力。
空冷岛上岛蒸汽流量：
Gkl＝G1-Gb-Gs
考虑高背压运行工况下六段抽汽量较小，七段几乎无抽汽，高背压运行工况空冷岛上岛蒸汽流量即可通过低压缸进汽流量减去一级高背压凝汽器乏汽利用量和蒸汽压缩提质装置乏汽利用量计算得出。式中：Gkl为空冷岛上岛蒸汽流量。
上述对三级梯级供热系统寻优方法关键性能参数的获取方法进行了描述。
三、三级梯级供热系统能耗计算模型
三级梯级供热系统利用以下热平衡约束条件：
其中式W1r+W2r+W3r＝Wgr含义为三级加热系统每一级加热功率之和为系统总供热功率，W1r为一级高背压凝汽器加热功率，W2r为二级蒸汽压缩提质装置凝汽器加热功率，W3r为三级热网加热器加热功率，Wgr为总供热功率也为热用户需要热负荷。
式W1r＝Gb(hb-c×tqbs)＝Gr×c×(tbc-th)含义为一级高背压凝汽器蒸汽侧与热网水侧热平衡。
式tbc＝t_p(pb)-tdc1表明一级高背压凝汽器出水温度为汽轮机排汽温度减去端差，式中tdc1为一级高背压凝汽器端差，表明一级高背压凝汽器出水温度与低压缸排汽压力之间的关系。
式W2r＝Gd(hd-c×tds)＝Gr×c×(tdc-tbc)表明二级蒸汽压缩提质装置凝汽器蒸汽侧与热网水侧热平衡。
式hd＝hd_PT(pd，td)为蒸汽压缩提质装置出口蒸汽焓值计算公式，式中td为蒸汽压缩提质装置出口蒸汽温度。蒸汽压缩提质装置出口蒸汽焓值与其出口蒸汽压力、蒸汽温度有关。
式
式W3r＝Gz(hc-c×tzs)＝Gr×c×(tgs-tdc)表明三级热网加热器蒸汽侧与热网水侧热平衡，式中Gz为三级热网加热器用中排抽汽量，tzs为热网加热器疏水温度，tgs为热网循环水供水温度。
三级梯级供热系统能耗成本计算模型：
其中式Wf+Wzp＝Wgr表明汽轮机排汽加热功率与中排抽汽加热功率之和为总供热功率，式中Wf为三级梯级供热系统利用汽轮机排汽加热功率，Wzp为三级梯级供热系统利用中排抽汽加热功率。
式
式
式
式Egr＝B3j×Smj+Wrx×Sdj表明三级梯级供热系统整体能耗成本，式中Egr为三级梯级供热系统能耗成本，Smj为标煤单价，Sdj为上网电价。寻优的目的就是在边界条件允许的范围内使得Egr达到最小。
模型建立后利用正交试验对关键可调参数对三级梯级供热系统能耗成本影响大小进行分析。
例如：热网循环水量Gr，低压缸排汽压力pb，蒸汽压缩提质装置出口蒸汽压力pd等参数分别为正交试验因素A、因素B、因素C。通过正交试验可得出以下规律：
ΔEgr(A)＞ΔEgr(B)＞ΔEgr(C)
式中：ΔEgr(A)为因素A变化对三级梯级供热系统能耗成本影响值，ΔEgr(B)为因素B变化对三级梯级供热系统能耗成本影响值，ΔEgr(C)为因素C变化对三级梯级供热系统能耗成本影响值。
四、三级梯级供热系统寻优控制逻辑。
三级梯级供热系统寻优控制逻辑框图如图2所示，其中Egrs为三级梯级供热系统能耗成本实际计算值，Egrl为三级梯级供热系统能耗成本理论计算值，x％、y％、z％为三级梯级供热系统能耗成本实际计算值与理论计算值直接误差率，并且有如下关系：x％＜y％＜z％。
如图2所示，三级梯级供热系统寻优控制逻辑启用后，主要步骤为：
控制模型初始值设定；
系统所需工况值的输入与读取，其中无法直接读取的数据人为输入，其余数据通过DCS读取；
计算在满足边界条件下的三级梯级供热系统能耗成本理论计算值与三级梯级供热系统能耗成本实际计算值；
数据进入公式
若建议寻优，进入公式
根据指令，给定扰动因素C并计算能耗成本值，进入公式
根据指令，进入公式
根据指令，给定扰动因素B并计算能耗成本值，进入公式
根据指令，给定扰动因素A并计算能耗成本值；进入公式
本发明所述蒸汽压缩提质装置可以为汽驱离心式蒸汽压缩机、热压机、增汽机。
