蒸汽动力系统的运行操作优化方法及系统与相关技术

图片简介:
本技术涉及一种蒸汽动力系统的运行操作优化方法及系统。

该方法包括获取蒸汽动力系统中设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构；根据基尔霍夫定律、蒸汽动力系统的能量守恒方程、质量守恒方程以及所述设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构构建蒸汽动力系统数学模型；对蒸汽动力系统数学模型进行求解，得到运行操作参数；以能源消耗和成本最低为目标，以运行操作参数为决策变量，以设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构为约束条件，建立目标函数；根据目标函数确定最优运行操作参数；根据最优运行操作参数对所述蒸汽动力系统的运行进行操作。

本技术所提供一种蒸汽动力系统的运行操作优化方法及系统，能够减少能源的浪费和降低成本。

技术要求
1.一种蒸汽动力系统的运行操作优化方法，其特征在于，包括：
获取蒸汽动力系统中设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构；所述设备包括动力锅炉、汽轮机、减温减压器、除氧器、蒸汽加热器、凝汽器、给水泵、余热锅炉和蒸汽管网；所述性能特征参数包括动力锅炉的蒸发量、压力和温度，汽轮机的进汽量、高压抽汽量、高压抽汽压力、高压抽汽温度、低压抽汽量、低压抽汽压力、低压抽汽温度、排汽量、排汽真空度和额定功率，减温减压器的出口流量、出口压力、出口温度以及减温水的压力和温度，除氧器的工作压力，蒸汽加热器的列管数、列管直径、列管长度以及出口控制温度，凝汽器的列管数、列管直径、列管长度以及循环冷却水的流量和进口温度，给水泵的扬程曲线、效率曲线、工作频率，余热锅炉的产汽量、产汽压力和产汽温度，、蒸汽管网的流程拓扑结构，以及管线的管径、壁厚、管长、保温、弯头和阀门；所述工艺参数包括年操作时间、系统电力需求、燃料数据、工况条件和系统尾气排放；
根据基尔霍夫定律、蒸汽动力系统的能量守恒方程、质量守恒方程以及所述设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构构建蒸汽动力系统数学模型；
对所述蒸汽动力系统数学模型进行求解，得到运行操作参数；
以能源消耗和成本最低为目标，以所述运行操作参数为决策变量，以所述设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构为约束条件，建立目标函数；
根据所述目标函数确定最优运行操作参数；
根据所述最优运行操作参数对所述蒸汽动力系统的运行进行操作。

2.根据权利要求1所述的一种蒸汽动力系统的运行操作优化方法，其特征在于，所述根据基尔霍夫定律、蒸汽动力系统的能量守恒方程、质量守恒方程以及所述设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构构建蒸汽动力系统数学模型，具体包括：
根据基尔霍夫定律、蒸汽动力系统的能量守恒方程、质量守恒方程以及所述设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构确定所述蒸汽动力系统的水力模型；
根据基尔霍夫定律、蒸汽动力系统的能量守恒方程以及所述设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构确定所述蒸汽动力系统的传热模型；
根据所述水力模型和所述传热模型构建所述蒸汽动力系统数学模型。

3.根据权利要求1所述的一种蒸汽动力系统的运行操作优化方法，其特征在于，所述对所述蒸汽动力系统数学模型进行求解，得到运行操作参数，具体包括：
利用牛顿—拉夫森算法对所述蒸汽动力系统数学模型进行求解，得到运行操作参数。

4.根据权利要求1所述的一种蒸汽动力系统的运行操作优化方法，其特征在于，所述对所述蒸汽动力系统数学模型进行求解，得到运行操作参数，之前还包括：
对所述蒸汽动力系统数学模型进行验证，得到验证结果；
根据所述验证结果对所述蒸汽动力系统数学模型进行优化。

5.一种蒸汽动力系统的运行操作优化系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于获取蒸汽动力系统中设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构；所述设备包括动力锅炉、汽轮机、减温减压器、除氧器、蒸汽加热器、凝汽器、给水泵、余热锅炉和蒸汽管网；所述性能特征参数包括动力锅炉的蒸发量、压力和温度、汽轮机的进汽量、高压抽汽量、高压抽汽压力、高压抽汽温度、低压抽汽量、低压抽汽压力、低压抽汽温度、排汽量、排汽真空度和额定功率，减温减压器的出口流量、出口压力、出口温度以及减温水的压力和温度，除氧器的工作压力，蒸汽加热器的列管数、列管直径、列管长度以及出口控制温度，凝汽器的列管数、列管直径、列管长度以及循环冷却水的流量和进口温度，给水泵的扬程曲线、效率曲线、工作频率，余热锅炉的产汽量、产汽压力和产汽温度，蒸汽管网的流程拓扑结构，以及管线的管径、壁厚、管长、保温、弯头和阀门；所述工艺参数包括年操作时间、系统电力需求、燃料数据、工况条件和系统尾气排放；
运行操作参数模型构建模块，用于根据基尔霍夫定律、蒸汽动力系统的能量守恒方程、质量守恒方程以及所述设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构构建蒸汽动力系统数学模型；
运行操作参数确定模块，用于对所述蒸汽动力系统数学模型进行求解，得到运行操作参数；
目标函数建立模块，用于以能源消耗和成本最低为目标，以所述运行操作参数为决策变量，以所述设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构为约束条件，建立目标函数；
最优运行操作参数确定模块，用于根据所述目标函数确定最优运行操作参数；
运行操作模块，用于根据所述最优运行操作参数对所述蒸汽动力系统的运行进行操作。

6.根据权利要求5所述的一种蒸汽动力系统的运行操作优化系统，其特征在于，所述运行操作参数模型构建模块具体包括：
水力模型确定单元，用于根据基尔霍夫定律、蒸汽动力系统的能量守恒方程、质量守恒方程以及所述设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构确定所述蒸汽动力系统的水力模型；
传热模型确定单元，用于根据基尔霍夫定律、蒸汽动力系统的能量守恒方程以及所述设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构确定所述蒸汽动力系统的传热模型；
蒸汽动力系统数学模型确定单元，用于根据所述水力模型和所述传热模型构建所述蒸汽动力系统数学模型。

7.根据权利要求5所述的一种蒸汽动力系统的运行操作优化系统，其特征在于，所述运行操作参数确定模块具体包括：
运行操作参数确定单元，用于利用牛顿—拉夫森算法对所述蒸汽动力系统数学模型进行求解，得到运行操作参数。

8.根据权利要求5所述的一种蒸汽动力系统的运行操作优化系统，其特征在于，还包括：
验证结果确定模块，用于对所述蒸汽动力系统数学模型进行验证，得到验证结果；
优化模块，用于根据所述验证结果对所述蒸汽动力系统数学模型进行优化。

技术说明书
一种蒸汽动力系统的运行操作优化方法及系统
技术领域
本技术涉及工业企业蒸汽动力领域，特别是涉及一种蒸汽动力系统的运行操作优化方法及系统。

背景技术
炼油、石化、化工、煤化工、钢铁、冶金、电力、热电等工业企业都是高能耗企业，其中蒸汽动力系统是工业企业的重要组成部分，其任务是向各工业企业生产厂提供所需要的动力、电力、热能等公用工程。

大型工业企业中，蒸汽动力系统是最重要的公用工程系统，庞大、复杂且能耗巨大。

蒸汽和电的消耗占企业能源消耗的60％以上，每年的蒸汽成本高达几亿到几十亿元。

蒸汽动力系统的运行诊断与节能优化对化工企业的节能降耗起到非常关键的作用。

工业企业蒸汽动力系统从管网结构到设备配置均存在待优化的空间；尤其是管网系统，形成了多环、多级的复杂局面。

在蒸汽系统的管理上主要依靠人工经验和有限的实时数据，由于在蒸汽管网内部或低压力等级的蒸汽系统中缺少测量仪表，造成了对蒸汽系统操作方案选择和管网调整上的盲目性，甚至蒸汽流向、流量不明，蒸汽减温减压等降质使用，放空现象得不到遏止，浪费了宝贵的能源，提高了成本。

技术内容
本技术的目的是提供一种蒸汽动力系统的运行操作优化方法及系统，能够减少能源的浪费和降低成本。

为实现上述目的，本技术提供了如下方案：
一种蒸汽动力系统的运行操作优化方法，包括：
获取蒸汽动力系统中设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构；所述设备包括动力锅炉、汽轮机、减温减压器、除氧器、蒸汽加热器、凝汽器、给水泵、余热锅炉和蒸汽管网；所述性能特征参数包括动力锅炉的蒸发量、压力和温度，汽轮机的进汽量、高压抽汽量、高压抽汽压力、高压抽汽温度、低压抽汽量、低压抽汽压力、低压抽汽温度、排汽量、排汽真空度和额定功率，减温减压器的出口流量、出口压力、出口温度以及减温水的压力和温度，除氧器的工作压力，蒸汽加热器的列管数、列管直径、列管长度以及出口控制温度，凝汽器的列管数、列管直径、列管长度以及循环冷却水的流量和进口温度，给水泵的扬程曲线、效率曲线、工作频率，余热锅炉的产汽量、产汽压力和产汽温度，蒸汽管网的流程拓扑结构，以及管线的管径、壁厚、管长、保温、弯头和阀门；所述工艺参数包括年操作时间、系统电力需求、燃料数据、工况条件和系统尾气排放；
根据基尔霍夫定律、蒸汽动力系统的能量守恒方程、质量守恒方程以及所述设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构构建蒸汽动力系统数学模型；
对所述蒸汽动力系统数学模型进行求解，得到运行操作参数；
以能源消耗和成本最低为目标，以所述运行操作参数为决策变量，以所述设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构为约束条件，建立目标函数；
根据所述目标函数确定最优运行操作参数；
根据所述最优运行操作参数对所述蒸汽动力系统的运行进行操作。

可选的，所述根据基尔霍夫定律、蒸汽动力系统的能量守恒方程、质量守恒方程以及所述设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构构建蒸汽动力系统数学模型，具体包括：
根据基尔霍夫定律、蒸汽动力系统的能量守恒方程、质量守恒方程以及所述设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构确定所述蒸汽动力系统的水力模型；
根据基尔霍夫定律、蒸汽动力系统的能量守恒方程以及所述设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构确定所述蒸汽动力系统的传热模型；
根据所述水力模型和所述传热模型构建所述蒸汽动力系统数学模型。

可选的，所述对所述蒸汽动力系统数学模型进行求解，得到运行操作参数，具体包括：
利用牛顿—拉夫森算法对所述蒸汽动力系统数学模型进行求解，得到运行操作参数。

可选的，所述对所述蒸汽动力系统数学模型进行求解，得到运行操作参数，之前还包括：
对所述蒸汽动力系统数学模型进行验证，得到验证结果；
根据所述验证结果对所述蒸汽动力系统数学模型进行优化。

一种蒸汽动力系统的运行操作优化系统，包括：
数据获取模块，用于获取蒸汽动力系统中设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构；所述设备包括动力锅炉、汽轮机、减温减压器、除氧器、蒸汽加热器、凝汽器、给水泵、余热锅炉和蒸汽管网；所述性能特征参数包括动力锅炉的蒸发量、压力和温度，汽轮机的进汽量、高压抽汽量、高压抽汽压力、高压抽汽温度、低压抽汽量、低压抽汽压力、低压抽汽温度、排汽量、排汽真空度和额定功率，减温减压器的出口流量、出口压力、出口温度以及减温水的压力和温度，除氧器的工作压力，蒸汽加热器的列管数、列管直径、列管长度以及出口控制温度，凝汽器的列管数、列管直径、列管长度以及循环冷却水的流量和进口温度，给水泵的扬程曲线、效率曲线、工作频率，余热锅炉的产汽量、产汽压力和产汽温度，蒸汽管网的流程拓扑结构，以及管线的管径、壁厚、管长、保温、弯头和阀门；所述工艺参数包括年操作时间、系统电力需求、燃料数据、工况条件和系统尾气排放；
运行操作参数模型构建模块，用于根据基尔霍夫定律、蒸汽动力系统的能量守恒方程、质量守恒方程以及所述设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构构建蒸汽动力系统数学模型；
运行操作参数确定模块，用于对所述蒸汽动力系统数学模型进行求解，得到运行操作参数；
目标函数建立模块，用于以能源消耗和成本最低为目标，以所述运行操作参数为决策变量，以所述设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构为约束条件，建立目标函数；
最优运行操作参数确定模块，用于根据所述目标函数确定最优运行操作参数；
运行操作模块，用于根据所述最优运行操作参数对所述蒸汽动力系统的运行进行操作。

可选的，所述运行操作参数模型构建模块具体包括：
水力模型确定单元，用于根据基尔霍夫定律、蒸汽动力系统的能量守恒方程、质量守恒方程以及所述设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构确定所述蒸汽动力系统的水力模型；
传热模型确定单元，用于根据基尔霍夫定律、蒸汽动力系统的能量守恒方程以及所述设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构确定所述蒸汽动力系统的传热模型；
蒸汽动力系统数学模型确定单元，用于根据所述水力模型和所述传热模型构建所述蒸汽动力系统数学模型。

可选的，所述运行操作参数确定模块具体包括：
运行操作参数确定单元，用于利用牛顿—拉夫森算法对所述蒸汽动力系统数学模型进行求解，得到运行操作参数。

可选的，还包括：
验证结果确定模块，用于对所述蒸汽动力系统数学模型进行验证，得到验证结果；
优化模块，用于根据所述验证结果对所述蒸汽动力系统数学模型进行优化。

根据本技术提供的具体实施例，本技术介绍了以下技术效果：
本技术所提供的一种蒸汽动力系统的运行操作优化方法及系统，通过蒸汽动力系统中设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构构建的蒸汽动力系统数学模型确定运行操作参数，并以能源消耗和成本最低为目标，以所述运行操作参数为决策变量，以所述设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构为约束条件，建立目标函数，确定最优运行操作参数，进而根据最优运行操作参数对所述蒸汽动力系统的运行进行操作。

避免了现有技术中对蒸汽系统操作方案选择和管网调整上的盲目性，进而能够减少能源的浪费和降低成本。

附图说明
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本技术所提供的一种蒸汽动力系统的运行操作优化方法流程示意图；
图2为本技术所提供的一种蒸汽动力系统的运行操作优化系统结构示意图。

具体实施方式
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。

本技术的目的是提供一种蒸汽动力系统的运行操作优化方法及系统，能够减少能源的浪费和降低成本。

为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。

图1为本技术所提供的一种蒸汽动力系统的运行操作优化方法流程示意图，如图1所示，本技术所提供的一种蒸汽动力系统的运行操作优化方法包括：
S101，获取蒸汽动力系统中设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构。

所述设备包括动力锅炉、汽轮机、减温减压器、除氧器、蒸汽加热器、凝汽器、给水泵、余热锅炉和蒸汽管网；所述性能特征参数包括动力锅炉的蒸发量、压力和温度、汽轮机的进汽量、高压抽汽量、高压抽汽压力、高压抽汽温度、低压抽汽量、低压抽汽压力、低压抽汽温度、排汽量、排汽真空度和额定功率，减温减压器的出口流量、出口压力、出口温度以及减温水的压力和温度，除氧器的工作压力，蒸汽加热器的列管数、列管直径、列管长度以及出口控制温度，凝汽器的列管数、列管直径、列管长度以及循环冷却水的流量和进口温度，给水泵的扬程曲线、效率曲线、工作频率，余热锅炉的产汽量、产汽压力和产汽温度，蒸汽管网的流程拓扑结构，以及管线的管径、壁厚、管长、保温、弯头和阀门；所述工艺参数包括年操作时间、系统电力需求、燃料数据、工况条件和系统尾气排放。

S102，根据基尔霍夫定律、蒸汽动力系统的能量守恒方程、质量守恒方程以及所述设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构构建蒸汽动力系统数学模型。

即基尔霍夫定律和所述拓扑结构，确定蒸汽动力系统中有m根外支管，n根内管，j个节点。

m根外支管外端的压力值分别为P1、P2、……、Pm；求：每根管段的两个未知数，即压降ΔP和流量G。

(1)按质量守恒原则：对于任意节点j，都有式中：E表示与该节点直接连接的管段数；r表示管段内流体流向，流向指向该节点，则r＝1；流向指出该节点，则r＝2。

(2)按能量守恒原则：对于任意一个回路，都有式中：F表示组成该回路的管段数；r表示管段内流体流向，流向与回路方向相反，则r＝1；流向与回路方向相同，则r＝2。

对于任意一个通路，都有式中：D表示组成该通路的管段数；r表示管段内流体流向，流向与通路方向相反，则r＝1；流向与通路方向相同，则r ＝2。

根据基尔霍夫定律、蒸汽动力系统的能量守恒方程、质量守恒方程以及所述设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构确定所述蒸汽动力系统的水力模型。

根据基尔霍夫定律、蒸汽动力系统的能量守恒方程、质量守恒方程以及所述设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构，确定管网物理特性与操作参数的关系，例如，管段长度、粗糙度等与管段压降和流量的关系，形成水力学模型。

蒸汽在管道中压力损失较大，气体密度的变化会很明显，此时必须考虑气体的压缩效应。

如果管内压降较小，则可以用平均密度来计算压降，如下式Δp＝CmG2。

根据基尔霍夫定律、蒸汽动力系统的能量守恒方程以及所述设备的性能特征参数、工艺参数和拓扑结构确定所述蒸汽动力系统的传热模型。

蒸汽管道通常都有保温处理，但不可完全避免热能向周围环境散失。

在系统中有散热模拟功能，计算管段温降和凝结水情况等。

一段有保温层的蒸汽圆管的传热过程，包括管内蒸汽到管内侧壁面、管内侧壁面到管外侧壁面、管外侧壁面到保温层内侧壁面、保温层内侧壁面到保温层外侧壁面、保温层外侧壁面到环境大气等五个环节。

热损失Q可按下式计算：Q＝kAΔT。

根据所述水力模型和所述传热模型构建所述蒸汽动力系统数学模型。

在确定了所述蒸汽动力系统数学模型之后，为了保证蒸汽动力系统数学模型的准确性，对所述蒸汽动力系统数学模型的输出结果进行验证优化。

对所述蒸汽动力系统数学模型进行验证，得到验证结果。

根据所述验证结果对所述蒸汽动力系统数学模型进行优化。

具体为蒸汽动力系统数学模型建立以后，即可以对收集的流程结构数据、模型本身和仪表测量数据进行校验。

数据校验工作不完全是数学问题，要先从物理层面判断数据的准确度和精度，蒸汽动力系统模型集成了蒸汽动力系统在物理层面的运行规律，因此需要借助模型，对数据(结构数据、仪表数据)进行校验，同时也对模型本身进行了校验。

结构数据容易出错、且对模型准确度影响比较大的是管径和保温情况。

通过模拟计算的压力值和实测仪表压力进行对比，以确定管径的准确性；通过模拟计算的温度值和实测仪表温度进行对比，并结合外表面温度测量结果，对保温的状况进行修正，同时判断测量仪表的准确性。

蒸汽平衡的校验最为复杂。

每个压力等级的蒸汽有产用平衡关系，各个压力等级的蒸汽之间也有转化关系，因此需要建立的模型具备各个压力等级联动计算的功能，才能对各个压力等级的蒸汽系统数据进行合理校验。

对于产汽和用汽不平衡的问题(通常情况下，产汽总量总是大于用汽总量)，(1)要找到哪些用汽点或产汽点没有被计量，如低压等级大量的伴热管线都没有计量仪表，部分高压等级的小用户没有计量等；(2)可以通过设备功率、热平衡等工艺测的数据和设备运行数据对蒸汽用量进行修正；(3)对计量仪表的温压校正等数据进行校验，确认仪表数据的准确性，对于不准确的仪表给出修正参数；(4)通过管径流速、温度压力的计算值和测量值对比，对流量数据做修正；(5)最后，仪表偶然误差、信号误差等问题可以通过统计、去噪等数学方法进行校验。

最终使得到的测量数据和模拟计算数据接近真实值，达到本项目的准确度要求。

在模型中输入设备运行的流量、压力和温度参数，计算功率、热负荷、热效率等参数。

然后根据实测参数与计算参数进行对比，如果实测参数与计算参数的相对误差超过±5％，则首先判断实测值的准确度，然后对模型进行校正，最终使实测参数与计算参数的相对误差控制在±5％，完成设备模型的确认。

输入产汽设备和用汽设备的流量和部分压力、温度作为已知参数，利用模型可以计算得到所有产、用汽点的流量、压力和温度等参数。

同样的，根据实测参数与计算参数进行对比，如果实测参数与计算参数的相对误差超过±5％，则首先判断实测值的准确度，然后对模型进行校正，最终使实测参数与计算参数的相对误差控制在
±5％，完成管网模型的确认。