CN101825867A - 设备最优化运行***,最优运转点计算方法以及最优运转点计算程序 - Google Patents

Abstract

提供一种能够考虑自家用发电设备的蒸气配管网处的蒸气流从而使运转成本最小化的设备最优化运行***。本发明的设备最优化运行***具备用于计算自家用发电设备(10)的最优运转点的最优运转点计算部(3)以及根据最优运转点对设备进行自动控制的自动控制装置(9)，最优运转点计算部(3)将使燃料成本最小化作为目标函数，将电力供求平衡、蒸气流方程式、蒸气供求平衡、锅炉的输入输出特性、涡轮发电机的输入输出特性、变量的上下阈值作为约束条件，通过在内部存储的规定的运算式来进行运算，从而找出最优运转点，并将该最优运转点作为目标值输出至自动控制装置。

Description

设备最优化运行***，最优运转点计算方法以及最优运转点计算程序

技术领域

本发明涉及自家用发电设备的最优化运行***，以及用于该***中的最优运转点计算方法和最优运转点计算程序。

背景技术

一般来讲，工厂内为了使供给电和蒸气的自家用发电设备在最优运转点运转而进行运转控制，在进行该运转控制的设备最优化运行***中，为了使从锅炉燃料或电力***接受的电量的运转成本最小化，确定锅炉输出功率、涡轮主蒸气量、抽气量、发电机输出功率，进行以这些值为目标值的控制。

这样的设备最优化运行***具有：自动控制装置，对设备的蒸气压力、流量和发电机输出进行控制；最优运转点计算装置，利用经由该自动控制装置而输入的设备的状态量、设备的最优化模型及其参数，通过规定的计算式来进行计算，从而计算出使设备的运转成本最小化的最优运转点，并作为上述的自动控制装置的设定值而输出该最优运转点(例如参照专利文献1、专利文献2)。

而且，这样的设备最优化运行***中的最优运转点是通过解析下式的最优化模型来计算出的。

【式1】

目标函数：

∑c_j*FF_j(燃料成本)…(1)

约束条件：

∑E_i＝EL(电力供求平衡)…(2)

∑S_j-∑SH_i＝SHL(高压蒸气供求平衡)…(3)

∑SM_i＝SML(中压蒸气供求平衡)…(4)

∑SL_i＝SLL(低压蒸气供求平衡)…(5)

S_j＝f_j(FF_j)，j＝1，…，n(锅炉的输入输出特性)…(6)

SH_i＝g_i(E_i，SM_i，SL_i)，i＝1，…，m

                        (涡轮和发电机的输入输出特性)…(7)

                        (各变量的上下阈值以及等式约束)…(8)

在此，以下是最优化变量。

【式2】

FF_j：锅炉j的燃料流量

Sj：锅炉j的蒸气输出功率

SH_i：涡轮发电机i的主蒸气流量

SM_i：涡轮发电机i的中压蒸气的抽气流量

SL_i：涡轮发电机i的低压蒸气的抽气流量

E_i：涡轮发电机i的发电机输出功率

以下是参数。

【式3】

c_j：锅炉j的燃料成本

f_j：锅炉j的输入输出特性函数

g_i：涡轮发电机i的输入输出特性函数

EL，SHL，SML，SLL：电力，高压蒸气，中压蒸气，低压蒸气的各负荷

在这样的以往的设备最优化运行***中，作为在工厂内的生产中所使用的蒸气的约束条件，如(3)～(5)式所示，仅考虑了蒸气的供求平衡。然而，在实际的设备中，由于存在用于向工厂内供给生产用蒸气的配管网，因此，在设备最优化运行***中计算出的各发电机的主蒸气量和抽气量实际上是否能够输出以及实际上是否能够供给蒸气负荷都是未知的。

专利文献1：日本特开2000-78749号公报

专利文献2：日本特开2004-190620号公报

发明内容

本发明是鉴于上述的以往技术中的问题而作出的，目的在于提供一种能够考虑在蒸气配管网处的蒸气流(蒸気潮流)使运转成本最小化的设备最优化运行***以及用于该***中的最优运转点计算方法、程序。

本发明的一个技术特征在于，提供一种设备最优化运行***，其特征在于，具备：最优运转点计算单元，用于计算自家用发电设备的最优运转点；以及自动控制单元，根据最优运转点对设备进行自动控制，上述最优运转点计算单元将使燃料成本最小化作为目标函数，将电力供求平衡、蒸气流方程式、蒸气供求平衡、锅炉的输入输出特性、涡轮发电机的输入输出特性、变量的上下阈值作为约束条件，通过内部存储的规定的运算式来进行运算，找出最优运转点，并将该最优运转点作为目标值输出至上述自动控制单元。

本发明的其他的特征在于，提供一种最优运转点计算方法，用于计算自家用发电设备的最优运转点，其特征在于，将使燃料成本最小化作为目标函数，将电力供求平衡、蒸气流方程式、蒸气供求平衡、锅炉的输入输出特性、涡轮发电机的输入输出特性、变量的上下阈值作为约束条件，通过内部存储的规定的运算式来进行运算，找出最优运转点。

本发明的另一个其他的特征在于，提供一种最优运转点计算程序，利用计算机来计算自家用发电设备的最优运转点，其特征在于，将使燃料成本最小化作为目标函数，将电力供求平衡、蒸气流方程式、蒸气供求平衡、锅炉的输入输出特性、涡轮发电健的输入输出特性、变量的上下阈值作为约束条件，通过内部存储的规定的运算式来进行运算，找出最优运转点。

发明效果

根据本发明，提供一种能够考虑在蒸气配管网处的蒸气流以实现运转成本最小化的设备运转的设备最优化运行***以及用于该***中的最优运转点计算方法、程序。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的设备最优化运行***的框图。

图2是表示通过上述实施方式的设备最优化运行***来进行运转控制的自家用发电设备的高压蒸气配管网的图。

图3是说明上述实施方式的设备最优化运行***中的设备最优运转控制***的最优运转点计算部所使用的水头损失式的图。

图4是说明上述实施方式的设备最优化运行***中的设备最优运转控制***的最优运转点计算部所使用的节点方程式的图。

图5是表示上述实施方式的设备最优化运行***中的设备最优运转控制***的处理的流程图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。图1示出了本发明的一个实施方式的设备最优化运行***的结构。该设备最优化运行***包括设备最优运转控制***1以及基于最优运转控制***1来进行运转控制的自家用发电设备10。而且设备最优运转控制***1具备数据输入部2、最优运转点计算部3、设备模型存储部4、数据输出部5、自动控制装置9。

数据输入部2用于通过自动控制装置9输入自家用发电设备10的电力负荷和/或蒸气负荷等的状态量，所输入的状态量被发送至最优运转点计算部3。设备模型存储部4用于存储包含作为规定的计算式的蒸气流方程式的设备的最优化模型及其参数，这些模型被发送至最优运转点计算部3。

最优运转点计算部3根据从数据输入部2发送过来的设备的状态量和从设备模型存储部4发送过来的最优化模型，利用后述的数理规划法等的最优化手法，计算使设备的运转成本变为最小的运转点，以此作为最优运转点，并将计算出的最优运转点向自动控制装置9发送，并且通过数据输出部5将该最优运转点显示在显示器(未图示)的画面上，或者通过打印机(未图示)打印出来。

自动控制装置9进行如下控制：读入自家用发电设备10的状态量并发送至数据输入部2，此外，接收在最优运转点计算部3中计算出的最优运转点，根据该最优运转点来跟踪自家用发电设备10的该机器的最优运转点的目标值。

自家用发电设备10包括锅炉11、12，涡轮(T₁、T₂)13、14，发电机(G₁、G₂)15、16以及连接它们的蒸气配管和电流母线等，向工厂内供给电力负荷17、高压蒸气负荷18、中压蒸气负荷19、低压蒸气负荷20。

图2示出了工厂内的高压蒸气配管网30。锅炉11、12所供给的高压蒸气除了被涡轮13、14消耗外，工厂内的高压蒸气负荷18在实际的工厂内还通过配管网而作为高压蒸气负荷(1)21、高压蒸气负荷(2)22被消耗。

接着，对在最优运转点计算部3中被计算的最优化模型进行说明。自家用发电设备10的结构如上所述。如图2所述，将来自锅炉11、12的供给点、向涡轮13、14的供给点、分支点和负荷供给点分别作为节点表示为○1～○7，将节点之间作为管路表示为△1～△6。高压蒸气配管网30作为7节点6管路的模型而被示出。图3是说明水头损失式的图，图4是说明节点方程式的图。

以下，使用图2～图4来说明蒸气流方程式。在图3中，假设节点○i以及○j的蒸气压力分别是P_i、P_j，管路△k的蒸气流量是F_k，则管路的水头损失式可以表示如下。

【式4】

P_i-P_j＝R_k*F_k ²…(9)

在此，R_k是表示管摩擦的系数。

此外，在图4中，从与节点○k连接的管路流出的蒸气流量F_i的和与向节点○k供给的蒸气供给量Q_k相等，因此节点方程式可以表示如下。

【式5】

∑F_i＝Q_k…(10)

因此，图2的高压蒸气配管网30的蒸气流方程式可以表示如下。

【式6】

$\left[\begin{array}{c}{F_1}^2\\ {F_2}^2\\ {F_3}^2\\ {F_4}^2\\ {F_5}^2\\ {F_6}^2\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccccc}1/R_1& & & & & \\ & 1/R_2& & & & \\ & & 1/R_3& & & \\ & & & 1/R_4& & \\ & & & & 1/R_5& \\ & & & & & 1/R_6\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccccccc}1& -1& & & & & \\ & 1& -1& & & & \\ & & 1& -1& & & \\ & & & 1& -1& & \\ & & 1& & & -1& \\ & & & & & 1& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{P}_1\\ P_2\\ P_3\\ P_4\\ P_5\\ P_6\\ P_7\end{array}\right]$

即，[F²]＝YC^TP…(11)

【式7】

$\left[\begin{array}{c}{F}_1\\ -F_1+F_2\\ -F_2+F_3+F_5\\ -F_3+F_4\\ -F_4\\ -F_5+F_6\\ -F_6\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccccc}1& & & & & \\ -1& 1& & & & \\ & -1& 1& & 1& \\ & & -1& 1& & \\ & & & -1& & \\ & & & & -1& 1\\ & & & & & -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{F}_1\\ F_2\\ F_3\\ F_4\\ F_5\\ F_6\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{c}{-\mathrm{SH}}_1\\ S_1\\ 0\\ S_2\\ -\mathrm{SH}{L}_1\\ -S{H}_2\\ -\mathrm{SH}{L}_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{Q}_1\\ Q_2\\ Q_3\\ Q_4\\ Q_5\\ Q_6\\ Q_7\end{array}\right]$

即，CF＝Q…(12)

在上述的具有蒸气配管网的自家用发电设备中，将锅炉以及涡轮发电机的输入输出特性、电力以及蒸气的供求平衡以及蒸气的潮流方程式作为约束条件，通过解析下式的最优化模型来计算可使锅炉的燃料成本最小化的锅炉以及涡轮发电机的运转点。

【式8】

目标函数：c₁*FF₁+C₂*FF₂(燃料成本)…(13)

约束条件：

E₁+E₂＝EL(电力供求平衡)…(14)

[F²]＝Y*CT*P(高压蒸气水头损失式)…(15)

Q＝C*F(高压蒸气节点方程式)…(16)

SM₁+SM₂＝SML(中压蒸气供求平衡)…(17)

SL₁+SL₂＝SLL(低压蒸气供求平衡)…(18)

S₁＝f₁(FF₁)(锅炉11的输入输出特性)…(19)

S₂＝f₂(FF₂)(锅炉12的输入输出特性)…(20)

SH₁＝g₁(E₁，SM₁，SL₁)(涡轮13和发电机15的输入输出特性)

…(21)

SH₂＝g₂(E₂，SM₂，SL₂)(涡轮14和发电机16的输入输出特性)

…(22)

(各变量的上下阈值以及等式约束)…(23)

在此，下面是最优化变量。

【式9】

FF₁，FF₂：锅炉11，12的燃料流量

S₁，S₂：锅炉11，12的蒸气输出功率

SH₁，SH₂：涡轮13，14的主蒸气流量

SM₁，SM₂：涡轮13，14的中压蒸气的抽气流量

SL₁，SL₂：涡轮13，14的低压蒸气的抽气流量

E₁，E₂：发电机15，16的发电机输出功率

P＝[P₁ P₂ P₃ P₄ P₅ P₆ P₇]^T：高压蒸气配管的节点压力矢量

F＝[F₁ F₂ F₃ F₄ F₅ F₆]^T：高压蒸气配管的管路流量矢量

[F²]＝[F₁ ² F₂ ² F₃ ² F₄ ² F₅ ² F₆ ²]^T：将F的各要素的平方作为要素的矢量

Q＝[-SH₁ S₁ 0 S₂ -SHL₁ -SH₂ -SHL₂]^T：节点流入矢量

下面是参数。

【式10】

c₁，c₂：锅炉11，12的燃料成本

f₁，f₂：锅炉11，12的输入输出特性函数

g₁，g₂：涡轮13，14和发电机15，16的输入输出特性函数

EL，SML，SLL：电力负荷17，中压蒸气负荷19，低压蒸气负荷20

SHL＝SH₁+SH₂：高压蒸气负荷18＝高压蒸气负荷21+高压蒸气负荷22

C：高压蒸气配管网的节点及管路连接矩阵

Y＝diag[1/R_k]：将表示管摩擦的系数的倒数作为对角要素的矩阵

在这些参数中，电力负荷EL、高压蒸气负荷SH1、SH2、中压蒸气负荷SML，低压蒸气负荷SLL是作为状态量而从数据输入部2被供给的，其他的参数是从设备模型存储部4被读入的。

从(13)式到(23)式所表示的最优化问题是非线性规划问题，可以适用非线性规划法作为最优化手法。尤其是，可以将各机器的输入输出特性(19)式～(22)式近似表示为二次函数，以此来适用二次约束二次规划法。此外，可以通过将(19)式～(22)式逐次进行线性近似(逐次П形近似)，以此来适用逐次线性规划法。

接着，对基于本实施方式中的设备最优运转控制***1的自家用发电设备10的最优运转控制动作、用于该***的最优运转方法以及为了实施该最优运转方法而存入该***中的最优运转程序进行说明。图5是表示本实施方式的设备最优运转控制***1的处理的流程图。

设备最优运转控制***1首先由数据输入部2通过自动控制装置9输入设备10的状态量，此外，通过从设备模型存储部4读入数据，从而准备在最优运转点计算部3中被处理的数据(S201)。

然后，最优运转点计算部3编制(13)式～(23)式的蒸气流方程式(S202)。然后，使用该蒸气流方程式进行最优化计算，计算最优运转点(S203)。计算出的最优运转点通过数据输出部5而显示在显示器的画面等上(S204)，此外，将最优运转点向自动控制装置9输出(S205)。

自动控制装置9将来自最优运转点计算部3的最优运转点作为控制量，对燃料流量进行控制，并控制主蒸气流量、中压蒸气的抽气流量、低压蒸气的抽气流量，此外，通过控制发电机输出功率，持续进行最优运转。

由此，根据本实施方式的设备最优化运行***，能够考虑蒸气配管网处的蒸气流使自家用发电设备10实现运转成本最小化的运转，而且获得的设备的运转点能够可靠地进行运转，还能够可靠地提供蒸气负荷。

Claims (7)

1.一种设备最优化运行***，其特征在于，具备：

最优运转点计算单元，用于计算自家用发电设备的最优运转点；以及

自动控制单元，根据最优运转点对设备进行自动控制，

上述最优运转点计算单元将使燃料成本最小化作为目标函数，将电力供求平衡、蒸气流方程式、蒸气供求平衡、锅炉的输入输出特性、涡轮发电机的输入输出特性、变量的上下阈值作为约束条件，通过内部存储的规定的运算式来进行运算，找出最优运转点，并将该最优运转点作为目标值输出至上述自动控制单元。

2.如权利要求1所述的设备最优化运行***，其特征在于，

上述蒸气流方程式包含蒸气的压力和流量的关系式。

3.如权利要求1或2所述的设备最优化运行***，其特征在于，

上述最优运转点计算单元能够适用非线性规划法。

4.如权利要求3所述的设备最优化运行***，其特征在于，

上述非线性规划法是二次约束二次规划法。

5.如权利要求3所述的设备最优化运行***，其特征在于，

上述非线性规划法是逐次线性规划法。

6.一种最优运转点计算方法，用于计算自家用发电设备的最优运转点，其特征在于，

将使燃料成本最小化作为目标函数，将电力供求平衡、蒸气流方程式、蒸气供求平衡、锅炉的输入输出特性、涡轮发电机的输入输出特性、变量的上下阈值作为约束条件，通过内部存储的规定的运算式来进行运算，找出最优运转点。

7.一种最优运转点计算程序，利用计算机来计算自家用发电设备的最优运转点，其特征在于，

将使燃料成本最小化作为目标函数，将电力供求平衡、蒸气流方程式、蒸气供求平衡、锅炉的输入输出特性、涡轮发电机的输入输出特性、变量的上下阈值作为约束条件，通过内部存储的规定的运算式来进行运算，找出最优运转点。

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