季 輝，王 婕，劉 浩

（中國(guó)城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100120）

基于遺傳算法的垃圾焚燒發(fā)電熱力系統(tǒng)優(yōu)化

季 輝，王 婕，劉 浩

（中國(guó)城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100120）

隨著分布式發(fā)電、太陽(yáng)能及垃圾焚燒電廠的推廣，小機(jī)組有了更大的發(fā)展空間，因此對(duì)小機(jī)組的優(yōu)化有著重大的意義。本文以給水焓升和給水溫度為變量，以循環(huán)熱效率為目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳算法對(duì)某垃圾焚燒發(fā)電廠進(jìn)行優(yōu)化，提高了系統(tǒng)的循環(huán)熱效率。該方法不需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，優(yōu)化結(jié)果更加符合實(shí)際情況，不僅適用于小型機(jī)組，對(duì)于大型機(jī)組同樣適用。

垃圾焚燒；熱力系統(tǒng)優(yōu)化；給水焓升分配；遺傳算法

1 引言

城市生活垃圾焚燒發(fā)電，可以使垃圾資源化、減量化和無(wú)害化，將會(huì)是城市生活垃圾處理發(fā)展的大趨勢(shì)[1]。垃圾焚燒發(fā)電更多的意義在于處理垃圾，因此該類電廠的汽機(jī)大多是5～30MW的小機(jī)組。小機(jī)組在燃煤電廠早已經(jīng)無(wú)立足之地，但是其在余熱發(fā)電和垃圾焚燒發(fā)電中應(yīng)用廣泛，未來(lái)隨著太陽(yáng)能發(fā)電和分布式發(fā)電的推廣，小汽機(jī)仍有十分大的發(fā)展空間。因此對(duì)小機(jī)組熱力系統(tǒng)的優(yōu)化有著重大的意義。

回?zé)嵯到y(tǒng)是電廠熱力系統(tǒng)的重要組成部分之一，對(duì)機(jī)組和電廠的熱經(jīng)濟(jì)性起著決定性的作用[2]。給水焓升分配和給水溫度是影響回?zé)嵯到y(tǒng)的兩個(gè)重要參數(shù)，本文將對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以提高垃圾焚燒發(fā)電廠熱力系統(tǒng)的效率。

常用的給水焓升分配方法有等效焓降法，循環(huán)函數(shù)分配法等[3]，但這些方法計(jì)算過(guò)程繁雜，實(shí)際計(jì)算中很難取得滿意的結(jié)果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，借助計(jì)算機(jī)編制程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化成為了一種有效且實(shí)用的方法[4]。

2 垃圾焚燒發(fā)電熱力系統(tǒng)

圖1所示為某20MW垃圾焚燒廠熱力系統(tǒng)，汽機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)比較簡(jiǎn)單，只有三級(jí)抽汽：一級(jí)抽汽去空氣預(yù)熱器；二級(jí)抽汽去除氧器；三級(jí)抽汽去低壓加熱器。凝結(jié)水經(jīng)過(guò)軸封加熱器、低壓加熱器和除氧器后直接進(jìn)入鍋爐。

圖1 垃圾焚燒發(fā)電廠熱力系統(tǒng)圖

THA工況時(shí)汽機(jī)參數(shù)：蒸汽初參數(shù)p0=3.8MPa，t0= 435℃；排汽壓力pc= 6.8kPa；鍋爐給水量91.5t/h；THA工況功率為20.12MW。THA工況時(shí)汽機(jī)抽氣參數(shù)如表1。

表1 THA工況時(shí)汽機(jī)抽氣參數(shù)

鍋爐給水溫度是130℃，二級(jí)抽汽壓力是0.74MPa，因此二級(jí)抽汽管道上裝有調(diào)節(jié)閥，保證除氧器的壓力為0.27MPa，由于節(jié)流會(huì)造成一定的做工能力損失。電廠的循環(huán)熱效率為：

式中：0D= 新蒸汽流量；iD= i級(jí)抽汽量；cD= 排汽量；sgD= 漏氣量；0h= 新蒸汽焓值；ih=i級(jí)抽汽焓值；ch= 排汽焓值；sgh= 漏氣焓值；fwh= 給水焓值；Tη= 汽輪機(jī)效率；Gη= 發(fā)電機(jī)效率；Bη= 鍋爐效率。

循環(huán)熱效率越高，電廠的效益越好，因此本文以低壓加熱器焓升τ和給水溫度f(wàn)wt為變量對(duì)整個(gè)熱力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以尋求效率最大化。

3 目標(biāo)函數(shù)

低加給水焓升τ和給水溫度f(wàn)wt與各參數(shù)的關(guān)系如圖2所示。

圖2 低加給水焓升和給水溫度與系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系圖

國(guó)產(chǎn)動(dòng)力用中壓鍋爐給水溫度大部分是150℃～170℃[5]，因此本文中將給水溫度設(shè)定為小于200℃。200℃飽和水的焓，軸封加熱器出口水的焓。因此低壓加熱器焓升τ的取值范圍為 0 < τ< 694，低加出口水的焓，壓力，據(jù)此可以算出低加出口水溫tfw1。另外假定設(shè)備效率不變，則ηTηGηB為常數(shù)，因此目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為：

從圖 2中可以看到目標(biāo)函數(shù)與變量之間是非線性關(guān)系，傳統(tǒng)的求極限優(yōu)化方法并不適用，所以本文采用遺傳算法借助計(jì)算機(jī)編程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

4 遺傳算法

遺傳算法不需要目標(biāo)函數(shù)有明確的數(shù)學(xué)表達(dá)式，特別是一些常規(guī)數(shù)學(xué)方法不能求解的問(wèn)題更適合采用遺傳算法。這種算法采用概率化的尋優(yōu)方法，不存在求導(dǎo)和函數(shù)連續(xù)性的限定，能自動(dòng)獲取和指導(dǎo)優(yōu)化的搜索空間，自適應(yīng)地調(diào)整搜索方向，不需要確定的規(guī)則[6]。

算法以循環(huán)熱效率（不考慮ηTηGηB）為目標(biāo)值，以質(zhì)能平衡為基礎(chǔ)的程序段計(jì)算目標(biāo)值；變量采用二進(jìn)制編碼；選擇過(guò)程采用賭論法。經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的計(jì)算后，可求出最后的優(yōu)化結(jié)果，程序界面如圖3所示。

圖3 程序界面

5 優(yōu)化結(jié)果

遺傳算法的交叉概率設(shè)置為0.9，變異概率為0.01，經(jīng)過(guò)500次迭代后計(jì)算結(jié)果為：低加最佳給水焓升為最佳給水溫度為，汽機(jī)功率19.60MW，此時(shí)的汽機(jī)參數(shù)如表2所示。

表2 THA工況時(shí)汽機(jī)抽氣參數(shù)

f(194.2,154.27)=0.292，優(yōu)化后的循環(huán)熱效率（不考慮）為29.2%，優(yōu)化前的循環(huán)熱效率（不考慮）為28.3%，優(yōu)化后全廠熱效率提高了0.9%。與THA工況相比，由于提高了給水溫度，二級(jí)抽汽壓力和溫度降低但是抽氣量增加，導(dǎo)致汽機(jī)功率比THA工況時(shí)降低0.56MW。但是對(duì)電廠熱力系統(tǒng)的優(yōu)化應(yīng)該從整體考慮，不能單純地以汽機(jī)的功率作為目標(biāo)函數(shù)，本文中雖然汽機(jī)的功率降低，但循環(huán)熱效率提高，電廠的總體效益提高。

6 結(jié)論

本文介紹了以給水焓升和給水溫度為變量，以循環(huán)熱效率為目標(biāo)函數(shù)對(duì)電廠熱力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的一種方法，并以某垃圾焚燒發(fā)電廠為例對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，提高了系統(tǒng)的循環(huán)熱效率。這種方法不僅適用于小型機(jī)組，對(duì)于三高四低一除氧的大型機(jī)組同樣適用。借助計(jì)算機(jī)編程和遺傳算法，不需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，優(yōu)化結(jié)果更加符合實(shí)際情況。

[1]羅海中.城市生活垃圾焚燒發(fā)電清潔發(fā)展機(jī)制（CDM）項(xiàng)目開(kāi)發(fā)研究[D].昆明理工大學(xué)，2008.

[2]鄭體寬.熱力發(fā)電廠[M].北京：中國(guó)電力出版社，2002.

[3]馬芳禮.電廠熱力系統(tǒng)節(jié)能分析原理-電廠蒸汽循環(huán)的函數(shù)與方程[M].北京：水力電力出版社，1992.

[4]郭民臣，劉強(qiáng).火電機(jī)組熱力系統(tǒng)給水焓升最佳分配方法[J].汽輪機(jī)技術(shù)， 2009，50（6）：422-424.

[5]范從振.鍋爐原理[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[6]季輝.電廠熱力系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析與優(yōu)化[D].華北電力大學(xué)，2013.

Optimization of Thermal Power System of Refuse Incineration and Generating Electricity Based on Inheritance Algorithm

JI Hui, WANG Jie, LIU Hao
(China Urban Construction Design&Research Institute Co., Ltd, Beijing 100120, China)

By taking water supply rising distribution and water supply temperature as variable and taking recycling heat efficiency as goal function, the paper adopts inheritance algorithm to optimize a certain refuse incineration power plant and to increase the recycling heat efficiency of the system. The method is applicable to both small-sized and big-sized generating sets.

refuse incineration; optimization of thermal power system; water supply rising distribution; inheritance algorithm

X705

A

1006-5377（2016）04-0043-03