含括蒸汽直管的蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及蒸汽動(dòng)力領(lǐng)域，具體而言，涉及一種集成蒸汽直管、動(dòng)力站及裝置產(chǎn)用 汽的蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的操作優(yōu)化方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)是大型化工或石油化工聯(lián)合裝置中的重要組成部分，其任務(wù)是向過 程系統(tǒng)提供所需要的動(dòng)力、電力、熱能等公用工程，蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平、運(yùn)行和控制 性能對過程工業(yè)的能量利用效率和經(jīng)濟(jì)性能有重要影響。
[0003] 蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)流程結(jié)構(gòu)固定的系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化，主要包括現(xiàn)有系統(tǒng)操作條件的優(yōu)化 和新系統(tǒng)設(shè)計(jì)或舊系統(tǒng)改造時(shí)對某一結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)參數(shù)和操作條件的優(yōu)化。目前，針對 這類蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)操作參數(shù)優(yōu)化，建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型的方法主要有兩種：一是簡化蒸汽管 網(wǎng)模型，固定蒸汽管網(wǎng)的操作壓力和操作溫度為定值，不考慮蒸汽管網(wǎng)中存在的壓降和熱 損，而重點(diǎn)優(yōu)化動(dòng)力站模型中的變量。顯然，這不符合實(shí)際，因?yàn)檎羝谡羝芫W(wǎng)中流動(dòng)必 然存在散熱和壓損，會(huì)導(dǎo)致蒸汽溫度和壓力的降低，從而使管網(wǎng)中的每個(gè)點(diǎn)的蒸汽溫度和 壓力發(fā)生變化。在過程工業(yè)企業(yè)中蒸汽傳輸?shù)木嚯x通常較遠(yuǎn)，蒸汽的溫降和壓降均比較顯 著，如果在數(shù)學(xué)模型中不考慮這種變化，就會(huì)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大誤差。二是簡化動(dòng)力 站模型，只將動(dòng)力站模型按蒸汽發(fā)生設(shè)備的模型處理，不考慮其對蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的調(diào)控作 用，而重點(diǎn)模擬蒸汽管網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)流量、溫度和壓力，計(jì)算各蒸汽管段的壓降和熱損。同樣， 這樣也會(huì)與實(shí)際有較大誤差，因?yàn)閯?dòng)力站中蒸汽的流量、溫度和壓力均是可以調(diào)控的變量， 這必然影響著蒸汽管網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)的流量負(fù)荷分配以及溫度和壓力。以上這兩種方法，均沒 有集成動(dòng)力站、蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)和工藝裝置內(nèi)部蒸汽系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，雖然在一定程度上簡 化了計(jì)算，但是模擬和優(yōu)化結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)存在較大偏差，使蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化的指導(dǎo)意 義降低。
[0004] 如何實(shí)現(xiàn)蒸汽管網(wǎng)模型與鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)等動(dòng)力站設(shè)備模型以及工藝裝置內(nèi)部 蒸汽系統(tǒng)的集成優(yōu)化，從而解決蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)操作參數(shù)優(yōu)化的相關(guān)瓶頸，提出更符合實(shí)際 操作限制的優(yōu)化方法，為本領(lǐng)域技術(shù)人員的研究方向所在。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種集成蒸汽直管、動(dòng)力站及裝置產(chǎn)用汽的蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的操作優(yōu)化 方法及系統(tǒng)，用以克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的至少一個(gè)問題。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種集成蒸汽直管、動(dòng)力站及裝置產(chǎn)用汽的蒸汽 動(dòng)力系統(tǒng)的操作優(yōu)化方法，包括以下步驟：
[0007] S1，確定蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)所需的各設(shè)備的性能特征參數(shù)、蒸汽直管的管道參數(shù)以及 所述蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的工藝參數(shù)；
[0008] S2,根據(jù)所述蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的能量守恒方程、所述蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的質(zhì)量守恒方程、 所述蒸汽直管內(nèi)蒸汽流動(dòng)方程、所述各設(shè)備的能量守恒方程、所述各設(shè)備的質(zhì)量守恒方程、 所述蒸汽直管中兩個(gè)流向的質(zhì)量流量限制方程、所述蒸汽直管中兩個(gè)流向的熱損方程和兩 個(gè)流向的壓降方程、以及所述各設(shè)備的性能特征參數(shù)和所述蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的工藝參數(shù)建立 蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型，其中所述非線性數(shù)學(xué)模型包括雙流向的蒸汽直管數(shù)學(xué)模 型和動(dòng)力站及裝置產(chǎn)用汽系統(tǒng)模型；
[0009] S3,對所述非線性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬求解，得到模擬運(yùn)算結(jié)果，其中，該模擬運(yùn)算 結(jié)果包括所述蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)中所有設(shè)備的性能特征參數(shù)；
[0010] S4,設(shè)定所述非線性數(shù)學(xué)模型中優(yōu)化變量的取值范圍，以及設(shè)定所述非線性數(shù)學(xué) 模型的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，其中所述非線性數(shù)學(xué)模型中流股及設(shè)備關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的蒸汽負(fù)荷分配、 壓力和溫度值均為變量，在指定的數(shù)值范圍內(nèi)進(jìn)行變化；
[0011] S5,將所述模擬運(yùn)算結(jié)果作為所述非線性數(shù)學(xué)模型優(yōu)化運(yùn)算的初始可行解，在所 述優(yōu)化變量的取值范圍內(nèi)計(jì)算優(yōu)化計(jì)算的遞減梯度；
[0012] S6,根據(jù)所述遞減梯度進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算，求出所述非線性數(shù)學(xué)模型新的可行解和新 的遞減梯度值；
[0013] S7,判斷所述新的遞減梯度值是否小于設(shè)定閾值，如果小于所述設(shè)定閾值則執(zhí)行 步驟S8 ;否則返回步驟S6,并利用所述新的可行解和新的遞減梯度值繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算；
[0014] S8,判斷小于所述設(shè)定閾值的遞減梯度值對應(yīng)的可行解是否使得所述優(yōu)化目標(biāo)函 數(shù)的值在所述優(yōu)化變量的取值范圍內(nèi)達(dá)到最小，如果是，則將對應(yīng)的可行解作為所述蒸汽 動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。
[0015] 可選的，上述方法還包括以下步驟：
[0016] 如果步驟S8中的判斷結(jié)果為不能使得所述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的值在所述優(yōu)化變量的 取值范圍內(nèi)達(dá)到最小，則返回步驟S4調(diào)整所述優(yōu)化變量的取值范圍，重新進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算。
[0017] 可選的，所述對于每一直管段兩個(gè)流向的壓降方程為：
[0018]
[0019] 其中，ΛΡ1，ΛΡ2為管段內(nèi)蒸汽向左流和向右流兩種可能流向的管道壓力降；λ 為管道摩擦系數(shù)；d為管道內(nèi)徑；1為直管長度；I為當(dāng)量長度；P "為管道中蒸汽的平均密 度；ul，u2為管段內(nèi)蒸汽向左流和向右流兩種可能流向的蒸汽流速。
[0020] 可選的，所述對于每一直管段兩個(gè)流向的熱損方程為：
[0021]
[0022] 其中，
ΔΗ1，ΛΗ2為管段內(nèi)蒸汽向左流和向右流兩種可能流 向的熱損量，D1為管道內(nèi)徑，D2為保溫層外徑，L為管段長度，T為罐壁溫度，即蒸汽溫度， T。為管道周圍空氣溫度，Cis為保溫層表面至周圍空氣間的總傳熱系數(shù)，λ為保溫材料熱導(dǎo) 率，F(xiàn)l，F(xiàn)2為管段內(nèi)蒸汽向左流和向右流兩種可能流向的為蒸汽質(zhì)量流量。
[0023] 可選的，所述每一直管段兩個(gè)流向的質(zhì)量流量限制方程為：
[0024] Fl · F2 = 0
[0025] 其中，F(xiàn)1，F(xiàn)2為管段內(nèi)蒸汽向左流和向右流兩種可能流向的蒸汽質(zhì)量流量。
[0026] 可選的，所述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：
[0027] TOC = TPC+TFC+TSC，并使目標(biāo)函數(shù)在優(yōu)化變量的取值范圍內(nèi)達(dá)到最小，其中，TOC 為年操作費(fèi)用，TPC為年用電費(fèi)用，TFC為年燃料費(fèi)用，TSC為年蒸汽購買費(fèi)用；
[0028] 或者為：
[0029] TC = TCC+TPC+TFC+TSC，其中，TC為年總費(fèi)用，TCC為年投資費(fèi)用，TPC為年用電費(fèi) 用，TFC為年燃料費(fèi)用，TSC為年蒸汽購買費(fèi)用。
[0030] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種集成蒸汽直管、動(dòng)力站及裝置產(chǎn)用汽的蒸汽 動(dòng)力系統(tǒng)的操作優(yōu)化系統(tǒng)，包括：
[0031] 性能參數(shù)模塊，用于確定蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)所需的各設(shè)備的性能特征參數(shù)、蒸汽直管 的管道參數(shù)以及所述蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的工藝參數(shù)；
[0032] 建模模塊，用于根據(jù)所述蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的能量守恒方程、所述蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的質(zhì) 量守恒方程、所述蒸汽直管內(nèi)蒸汽流動(dòng)方程、所述各設(shè)備的能量守恒方程、所述各設(shè)備的質(zhì) 量守恒方程、所述蒸汽直管中兩個(gè)流向的質(zhì)量流量限制方程、所述蒸汽直管中兩個(gè)流向的 熱損方程和兩個(gè)流向的壓降方程、以及所述各設(shè)備的性能特征參數(shù)和所述蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的 工藝參數(shù)建立蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型，其中所述非線性數(shù)學(xué)模型包括雙流向的蒸 汽直管數(shù)學(xué)模型和動(dòng)力站及裝置產(chǎn)用汽系統(tǒng)模型；
[0033] 模擬求解模塊，用于對所述非線性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬求解，得到模擬運(yùn)算結(jié)果，其 中，該模擬運(yùn)算結(jié)果包括所述蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)中所有設(shè)備的性能特征參數(shù)；
[0034] 優(yōu)化設(shè)定模塊，用于設(shè)定所述非線性數(shù)學(xué)模型中優(yōu)化變量的取值范圍，以及設(shè)定 所述非線性數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，其中所述非線性數(shù)學(xué)模型中流股及設(shè)備關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的 蒸汽負(fù)荷分配、壓力和溫度值均為變量，在指定的數(shù)值范圍內(nèi)進(jìn)行變化；
[0035] 優(yōu)化求解模塊，用于將所述模擬運(yùn)算結(jié)果作為所述非線性數(shù)學(xué)模型優(yōu)化運(yùn)算的初 始可行解，在所述優(yōu)化變量的取值范圍內(nèi)計(jì)算優(yōu)化計(jì)算的遞減梯度，并根據(jù)所述遞減梯度 進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算，求出所述非線性數(shù)學(xué)模型新的可行解和新的遞減梯度值；
[0036] 梯度閾值判斷模塊，用于判斷所述新的遞減梯度值是否小于設(shè)定閾值，如果小于 所述設(shè)定閾值則判斷執(zhí)行模塊執(zhí)行；否則由所述優(yōu)化求解模塊利用所述新的可行解和新的 遞減梯度值繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算；
[0037] 判斷執(zhí)行模塊，用于判斷小于所述設(shè)定閾值的遞減梯度值對應(yīng)的可行解是否使得 所述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的值在所述優(yōu)化變量的取值范圍內(nèi)達(dá)到最小，如果是，則將對應(yīng)的可行 解作為所述蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。
[0038] 可選的，所述判斷執(zhí)行模塊還用于當(dāng)判斷結(jié)果為不能使得所述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的值 在所述優(yōu)化變量的取值范圍內(nèi)達(dá)到最小時(shí)，則由所述優(yōu)化設(shè)定模塊調(diào)整所述優(yōu)化變量的取 值范圍，重新進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算。
[0039] 可選的，所述對于每一直管段兩個(gè)流向的壓降方程為：
[0040]
[0041] 共十，uri，AM 百權(quán)r」黑ru〇」Zn孤^丨口」々孤^」竹μ」昍孤1向的管道壓力降；λ 為管道摩擦系數(shù)；d為管道內(nèi)徑；1為直管長度；I為當(dāng)量長度；ρ "為管道中蒸汽的平均密 度；ul，u2為管段內(nèi)蒸汽向左流和向右流兩種可能流向的蒸汽流速。
[0042] 可選的，所述對