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基于最小轴功率的循环水系统效率优化模型

0交流高效循环水泵特性曲线

提高汽轮箱的经济效益一直是装置的主要问题。国家将装置节能改造纳入能源系统的主要科技计划。作为装置的重要辅助装置，循环水泵是一个巨大的动力系统。其供水量通常是发动机的50.70倍。与此同时，总能耗约占总能耗的1%1.5%。因此，研究环水系统的最佳运行方法[1.2]对于工厂的使用和电气工程的运营经济具有重要意义。作为装置的运行。为了提高对工厂的能耗和工厂运营的经济性，必须研究环水系统的最佳运行方法。

过去常用因子试验偏差法来确定循环水系统最优运行方式,它是根据一系列的试验数据,绘制循环水泵在不同汽轮机负荷、凝汽器循环水量和水温下的最优运行方式的特性曲线.控制人员以这个特性曲线为依据选择合理的循环水系统运行方式.这种方法比较粗糙,且测定特性曲线要花费很长时间.随着最优化理论和计算机技术的发展,人们开始用非线性规划、动态规划等方法研究循环水系统的优化运行,在线实时求解循环水系统的最优运行方式,即确定其最优运行组合和流量分配.目前国内外的研究成果主要集中于恒速泵群并联运行的台数的优化【3～6】.近10年来,变频调速技术的大规模推广应用【7,8】,使得变频调速循环水系统效率优化控制成为一个相对较新的课题.与定速泵系统相比,调速泵系统优化控制除了要决策水泵并联运行的台数和不同型号水泵的组合外,还要确定调速泵的调速比.变频调速循环水系统的优化控制在理论上属于有约束非线性规划问题,由于连续变量与离散变量的综合作用,以及水泵特性的多变量耦合、强非线性因素的影响,使得其建模及求解问题都相当棘手.目前国内外还缺少解决这一问题的简便、实用的方法.

本文建立了变频驱动循环水系统效率优化问题的控制模型,并用遗传算法进行求解,得到系统的优化控制策略.大量的仿真实验表明:优化控制策略依靠变频调速泵群调节范围宽的优势可使水泵工作点接近于效率峰点,不仅提高了系统的整体效率,且易于找到最优解;在求解循环水系统优化运行控制模型时,遗传算法优于经典动态规划算法.基于优化策略的循环水泵控制系统已投入实验运行,并取得了良好的经济效益.

1数学模型的建立

循环水系统的优化运行是指满足汽轮机凝汽器最佳水量的前提下,寻取最优的并联水泵运行组合和调速比,使整个泵组处于最优运行状态,并保证每台运行泵在高效区运行,从而使循环水系统经济运行,提高火电厂的经济效益.因此,要建立循环水系统效率优化运行控制问题的数学模型,应首先分析调速泵的运行工况及高效工作区的约束条件.

1.1高效及生态特性分析

图1所示为水泵的H-qV特性曲线.研究表明,当水泵调速(n1)运行时,其H-qV特性曲线随着转速的改变在图中是平行上下移动的,满足比例关系,即

qV1/qV10=n1/n0=D(1)

H1/H0=(n1/n0)2=D2(2)

式中D为调速比.随着转速下降,效率曲线稍微左移,在工程中可以近似认为效率曲线不变.根据额定转速n0时的H-qV曲线上运行工况分界点C,A,B和D,可以在转速n1时的(H-qV)1曲线上确定对应的相似工况点C1,A1,B1和D1.由这些点将(qV-H)1曲线也分成5个工作段.即不稳定工作区Ⅰ,左低效工作区Ⅱ,高效工作区Ⅲ,右低效工作区Ⅳ和汽蚀区Ⅴ【9】.

理论上,调速泵只有在高效工作区Ⅲ内运行就能保持高效率,如图2所示.事实上,当调速范围过大时,水泵自身的效率将降低.考虑水泵地运行特性和汽蚀性能方面的要求,水泵的调速比D的范围一般取为DminD1,Dmin为最小调速比.设图2中的扇环区域ABBminAmin为调速泵的高效工作区.A,B两点与Amin,Bmin两点分别是在额定转速n0和最小调速比Dmin下的H-qV特性曲线与相似工况抛物线l1和l2的交点.由产品手册可知A,B两点对应的高效区流量范围为[qVmin0,qVmax0].

最小调速比下H-qV曲线方程为:

H=D2min2minHX-SXqV2(3)

其中HX为流量为0时水泵的虚总扬程,SX为泵体内的虚阻耗系数.由方程(1)～(3),可确定A,Amin及B点的扬程.

HA=HX-SXq2Vmin02Vmin0(4)

AAmin=D2min(ΗX-SXq2Vmin0)AAmin=D2min(HX?SXq2Vmin0)(5)

HB=HX-SXq2Vmin02Vmin0(6)

相似工况(等效率)抛物线l1和l2的方程为:

Ηl1=ΗAq2VAq2V=ΗX-SXq2Vmin0q2Vmin0q2VHl1=HAq2VAq2V=HX?SXq2Vmin0q2Vmin0q2V(7)

Ηl2=ΗBq2VBq2V=ΗX-SXq2Vmax0q2Vmax0q2VHl2=HBq2VBq2V=HX?SXq2Vmax0q2Vmax0q2V(8)

只有工况点在ABBminAmin