[发明专利]一种热力发电厂冷端系统及其效率寻优方法

权利要求书

1.一种热力发电厂冷端系统，其特征在于：由低压汽轮机级组(1)、低压汽轮机排汽管道(2)、多压凝汽器(3)、冷源(4)、循环水泵(5)、凝结水泵(6)和低压回热加热器(7)组成；

所述低压汽轮机级组(1)有n个排汽口，多压凝汽器(3)由n个不同压力的汽室构成，编号为3-i，i＝1～n，低压汽轮机级组(1)有n个排汽口，低压汽轮机级组(1)的排汽口通过相应的管道(2-i)与多压凝汽器(3)的各个汽室的蒸汽进汽口连接，多压凝汽器(3)中汽室3-i的凝结水室出口与下一个汽室3-(i+1)的凝结水室入口相连，最后一个汽室3-n的冷却水出口和冷源(4)的冷却水入口相连接，冷源(4)的冷却水出口通过循环水泵(5)与第一个汽室3-1的冷却水入口相连接，最后一个汽室3-n的凝结水水井出口和凝结水泵(6)的给水入口相连接，凝结水泵(6)的给水出口和低压回热加热器(7)的给水入口相连接，低压汽轮机级组(1)的蒸汽出口与低压回热加热器(7)的蒸汽入口相连接；

冷却水从冷源(4)中而来经由循环水泵(5)升压后流入多压凝汽器(3)，冷却水在多压凝汽器(3)中进行吸热，冷却水先在汽室3-i中吸热，后流入下一个汽室3-(i+1)中吸热，再流入冷源(4)进行放热；

多压凝汽器(3)中的各个汽室的蒸汽向冷却水放热后成为凝结水，汽室3-i中的凝结水汇集在凝结水室，然后流向下一个汽室3-(i+1)，最后一个汽室3-n的凝结水经由凝结水泵(6)加压后流向低压回热加热器(7)中，并与低压汽轮机级组(1)中的蒸汽在低压回热加热器(7)中进行换热；

一种热力发电厂冷端系统的效率寻优方法，适用于上述的冷端系统，运用熵产最小化原理，采用遗传算法进行冷端系统多参数优化，得到冷端系统的发电功率最大化寻优方法，包括以下步骤：

步骤1：获得冷端系统设计的边界条件，获得冷端系统入口低压汽轮机级组(1)的蒸汽压力、蒸汽流量和蒸汽焓值；获得冷端系统出口的低压回热加热器(7)给水压力、给水流量和给水焓值以及环境温度和压力；

步骤2：确定优化的目标，选择优化的汽室数量；

步骤3：建立优化函数的数学模型，建立冷端系统各部件的熵产模型，冷端系统总熵产最小化作为冷端系统优化的目标函数，具体熵产最小化模型建立如下：

冷端系统的总熵产为各个部件的熵产之和：

式中：为低压汽轮机级组的熵产，kW/K；为管道的熵产，kW/K；为多压凝汽器的熵产，kW/K；为循环水泵的熵产，kW/K；为凝结水泵的熵产，kW/K；为低压回热加热器的熵产，kW/K；

1)低压汽轮机级组的熵产通过式(2)计算：

式中：是低压汽轮机的质量流量，kg/s；s_1,out是低压汽轮机级组出口的流体的熵值，kJ/(kg·K)；s_1,in是低压汽轮机级组入口的流体的熵值，kJ/(kg·K)；

冷端系统中的低压汽轮机级组各级的等熵效率恒定不变，从而可依据出入口的压力和焓值查水蒸气焓熵表得到低压汽轮机级组的熵值，进而得到低压汽轮机级组的熵产；

低压汽轮机级组排汽口的焓值由下式计算而得：

h_1,out＝h_1,in-η_s(h_1,in-h_1s,out) (3)

式中：h_1,in和h_1,out分别为低压汽轮机级组蒸汽入口和出口的焓值，kJ/kg；η_s为等熵效率，％；h_1s,out为低压汽轮机级组出口的等熵焓值，kJ/kg；

2)考虑管道压损，管道熵产的计算模型通过式(5)计算：

p_2-i,out＝p_2-i,in-Δp_2-i (4)

式(4)-(6)中：是管道中的质量流量，kg/s；p_2-i,in是管道入口的流体的压力，MPa；p_2-i,in是管道出口的流体的压力，MPa；Δp是管道的压损，MPa；s_2-i,out是管道出口的流体的熵值，依据管道出口的压力和焓值查水蒸气焓熵表可得管道出口的流体的熵值，kJ/(kg·K)；s_2-i,in是管道入口的流体的熵值，依据管道入口的压力和焓值查水蒸气焓熵表可查得管道入口的流体的熵值，kJ/(kg·K)；

3)考虑冷端系统中多压凝汽器内部的压力损失，多压凝汽器的熵产通过式(7)计算，多压凝汽器的熵产为多压凝汽器中n汽室的熵产之和，其中，各汽室的熵产通过式(8)计算：

式(7)-(9)中：是多压凝汽器中各汽室的换热量，kW；是多压凝汽器各汽室的质量流量，kg/s；h_3-i为多压凝汽器汽室中蒸汽压力对应的饱和水的焓值，通过查水蒸气焓熵表可得，kJ/kg；T_3-i,hot是多压凝汽器中各汽室的蒸汽饱和温度，K；是冷却水的质量流量，kg/s；c_cw是多压凝汽器中冷却水的比热容，kJ/(kg·K)；T_3-i,cw,in是多压凝汽器中各汽室中冷却水的入口水温，K；T_3-i,cw,out是多压凝汽器中各汽室中冷却水的出口水温，K；λ是多压凝汽器汽室中冷却水侧的流动阻力系数；ρ_cw是多压凝汽器汽室冷却水的密度，kg/m³；T_3-i,cw是多压凝汽器汽室冷却水的水温，K；A_3-i是多压凝汽器汽室的面积，m²；d_3-i是多压凝汽器汽室内冷却水管的内径，m；L_3-i是多压凝汽器汽室内冷却水管的长度，m；

4)循环水泵的熵产通过式(10)计算：

式中：s_cw,out是循环水泵出口的流体的熵值，kJ/(kg·K)；s_cw,in是循环水泵的入口的流体的熵值，kJ/(kg·K)；

5)凝结水泵的熵产通过式(11)计算：

式中：是凝结水泵的质量流量，kg/s；s_6,out是凝结水泵出口的流体的熵值，kJ/(kg·K)；s_6,in是凝结水泵的入口的流体的熵值，kJ/(kg·K)；

凝结水泵和循环水泵的出入口的熵值由出入口的压力和焓值，查表可得，泵出口的焓值由泵功率方程确定，

式中：是泵的输入功率，kW；是泵中的工质的质量流量，kg/s；ΔP_pump是泵中的压力变化，kPa；ρ_pump是泵中工质的密度，kg/m³；η_pump是泵的效率，％；h_pump,out是泵出口的焓值，kJ/kg；h_pump,in是泵入口的焓值，kJ/kg；

6)低压回热加热器的熵产通过式(13)计算：

式中：是低压回热加热器中的换热量，kW；T_7,hot是蒸汽饱和温度，K；是低压回热加热器中给水的质量流量，kg/s；c_7,cold是低压回热加热器中给水的比热容，kJ/(kg·K)；T_7,cold,in是低压回热加热器中给水的入口水温，K；T_7,cold,out是低压回热加热器中给水的出口水温，K；

步骤4：进行多参数优化，多参数优化的变量为进入多压凝汽器各汽室的蒸汽的质量流量多压凝汽器各汽室的面积A_3-1,A_3-2,…,A_3-n和冷却水的质量流量多参数优化的目标函数是冷端系统总熵产最小化，多参数优化方式采用遗传算法，遍历变量范围内可选择的可行解，再求得冷端系统总熵产，比较各个解的冷端系统总熵产值，找到最小的熵产值对应的可行解，该解即为热力发电厂冷端系统效率最优的解。