[发明专利]考虑汽轮机实际运行约束的各喷嘴组的喷嘴数目优化设计方法

摘要

考虑汽轮机实际运行约束的各喷嘴组的喷嘴数目优化设计方法，它涉及一种汽轮机的喷嘴数目优化设计方法。本发明是针对现有机组在多个常用工作负荷点条件下，对其中某些工作负荷点阀门开度小造成较大节流损失，相对内效率降低的问题而提出的。构建喷嘴数目优化模型；计算各个给定负荷点的实际流量；计算各个给定负荷点的理论流量；构建喷嘴数目优化模型的约束条件；基于遗传算法理论求出给定负荷点下使得实际流量与理论流量的综合偏离程度Y最小时对应的最优喷嘴数目的组合。在保证机组达到各负荷点时，调节级各阀门都能处于全开或全闭状态，最大限度地减少汽轮机调节级的节流损失的条件下，优化出最优的阀门喷嘴数目组合，使机组具有最佳的经济性。

主权项

1.一种考虑汽轮机实际运行约束的各喷嘴组的喷嘴数目优化设计方法，其特征在于：所述方法是按照如下步骤来实现的：步骤一、构建喷嘴数目优化模型：Y＝W₁(xgz₁-Ge₁)²+W₂(xgz₂-Ge₂)²+......+W_l(xgz_l-Ge_l)²     (2-10)W₁、W₂......W_l表示各个负荷点运行时间百分比；xgz₁、xgz₂......xgz_l表示各个给定负荷点的实际流量；Ge₁、Ge₂......Ge_l表示各个给定负荷点的理论流量；实际流量与理论流量的综合偏离程度用Y表示；步骤二、计算各个给定负荷点的实际流量：由各阀门喷嘴数目及其对应的阀门开度计算1......l个给定负荷点的实际流量(与给定负荷点无关)：xgzkj=0.648Ankp0kρ0kβ1kp2p0kp2=Akμkp2---(1-1)]]>式中：j为阀门的开度组合形式，β_1k为第k个喷嘴组的调节级流量比，A_nk为第k个喷嘴组各个喷嘴喉部截面积之和，p_0k为第k个调节阀阀后的压力(即调节阀对应的喷嘴组前)，ρ_0k为第k个调节阀阀后的密度(即调节阀对应的喷嘴组前)，p_1k为第k个喷嘴组的喷嘴背压，p₂为调节级后汽室中的压力；在实际计算过程中，p_1k与p₂的值不等，将喷嘴组流量方程改为：xgzkj′=0.648Ankp0kρ0kβ2kλkp2p0kp2---(1-2),]]>式中：β_2k为调节级的流量比，λ_k是调节级前后压力比的函数；通过二分法计算p₂：步骤A、给定一个喷嘴后压力p_1k；步骤B、根据热力计算公式计算出喷嘴出口处蒸汽的焓h₁、蒸汽的速度c₁和动叶进口蒸汽的相对速度w₁，再通过公式(1-2)计算出一个喷嘴蒸汽的出口流量G_n；步骤C、然后假设一个动叶出口蒸汽的压力，即调节级后压力p₂；步骤D、通过热力计算公式得出动叶出口处蒸汽的焓h₂、出口处蒸汽的密度ρ₂、出口蒸汽的相对速度w₂和绝对速度c₂，再由公式计算出动叶出口蒸汽的流量G_b；步骤E、若G_b≠G_n，返回至步骤C继续计算，直到得到G_b＝G_n，得出调节级后压力p₂；G_b＝ρ₂w₂A_b，式中：ρ₂——动叶出口实际密度；A_b——动叶出口喉部面积；根据二分法计算得出的调节级后压力p₂代入到公式(1-2)中计算出实际流量xgz；步骤三、计算各个给定负荷点的理论流量：Ge_h＝Ge·ξ_h，其中Ge_h为负荷点的理论流量，Ge为汽轮机的额定流量，ξ_h为在负荷点下汽轮机运行功率占额定功率的百分比，h＝1，2，...l，l为工作负荷点的个数；步骤四、构建喷嘴数目优化模型的约束条件：X₁+X₂+X₃+X₄＝X_z，X_z＝const    (2-2)X_min≤X_i≤X_max，i＝1，2，3，4；X_min＝const，X_max＝const    (2-3)X₁，X₂，X₃，X₄表示四个喷嘴组的喷嘴数，X_z为总喷嘴数，const表示定值；步骤五、基于遗传算法理论求出给定负荷点下使得实际流量与理论流量的综合偏离程度Y最小时对应的最优喷嘴数目的组合，具体过程如下：步骤五(一)、初始种群设定：采用浮点数编码，编码区间为[X_min，X_max]，Chrom=x11,x12,x13x21,x22,x23..........xm1,xm2,xm3,]]>x_ij∈R₊，i＝1，2，...，m，j＝1，2，3.(2-4)式中，m代表编码的个体数目；对于一个个体，其每个染色体x_i1，x_i2，x_i3，分别为前三个调节阀门对应的喷嘴组喷嘴数目X₁，X₂，X₃的编码，其对应关系为：X_ij＝round(x_ij)，i＝1，2...m，j＝1，2，3    (2-5)round表示四舍五入取整，计算出X₁，X₂，X₃后，X₄为：X_i4＝X_z-(X_i1+X_i2+X_i3)        (2-7)步骤五(二)、构建适应度函数ObjV：通过适应度计算，实现个体的优化选择，同时使优化结果中第4个喷嘴组喷嘴数目满足约束条件(2-3)式，使不满足约束条件的个体(2-8)在迭代中舍弃：X_i4＞X_max OR X_i4＜X_min        (2-8)设适应度函数为：ObjV＝OBJ_func(Ge，Fa，X₁，X₂，X₃，X₄，others)上述适应度函数没有显式的数学表达式，上述适应度函数的映射关系如下：输入：1)、所有给定负荷点的流量Ge₁、Ge₂......Ge_l，以及每个负荷点运行时间百分比W₁、W₂......W_l；2)、阀门开度(12种0，1组合)：[0000；0011；0101；1001；0110；1100；1010；1110；1101；1011；0111；1111]；3)、阀门喷嘴组喷嘴数目组合X₁，X₂，X₃，X₄，通过一个个体的编码产生；4)、变工况计算的热力学参数：喷嘴出口蒸汽流速c₁、动叶进口相对速度w₁、喷嘴出口焓值h₁、绝对速度c₂、动叶出口的相对速度w₂、动叶出口焓值h₂、轮周效率η_u；调节级特性曲线：μ-ε、λ-ε、Ω_m-ε及η_u-x_a；u——动叶的圆周速度；λ——系数，Ω_m——级平均反动度；ε——级压力比；η——轮周效率；x_a——速比；μ——系数，几何参数：各喷嘴喉部截面积A_nk，动叶出口截面积A_b；滑压运行规律曲线：功率-主蒸汽压力；映射：1)、通过阀门喷嘴数目组合X₁，X₂，X₃，X₄和变工况计算的热力学参数(c₁、w₁、h₁、c₂、w₂、h₂、η_u)、调节级特性曲线(μ-ε、λ-ε、Ω_m-ε及η-x_a。)、几何参数(各喷嘴喉部截面积A_nk，动叶出口截面积A_b)、滑压运行规律曲线(功率-主蒸汽压力)，再加上12种阀门开度，代入步骤一至四所述的变工况计算函数；步骤一至四的过程用下式表示，[Xgz，Xgz1，Xgz2，Xgz3，Xgz4，Xnri，Fux，Fuy]＝Changingstate(Ge₁，Fa，X₁，X₂，X₃，X₄，others)，得到12个流量值[Xgz₁，Xgz₂....Xgz₁₂]；2)、计算各负荷点对应的阀门开度以及计算出的流量值；依次检验l个负荷点，则调节级阀门在全开或全关条件下的第h个负荷点的计算流量xgz_h为：xgz_h＝Xgz_j使得|Xgz_j-Ge_h|＝min(|Xgz₁-Ge_h|，|Xgz₂-Ge_h|，......，|Xgz₁₂-Ge_h|)(2-9)h＝1，2，...，l；j＝1，2，...，12得到l个流量xgz₁，xgz₂......xgz_l输出：式2-10表征该喷嘴组合的机组在不同负荷点运行下的综合效应，Y越小，说明该喷嘴组合越好；Y＝W₁(xgz₁-Ge₁)²+W₂(xgz₂-Ge₂)²+......+W_l(xgz_l-Ge_l)²(2-10)适应度函数的最终表达为：当X_min≤X₄≤X_max时：ObjV=1Y---(2-11)]]>当X₄＞X_maxORX₄＜X_min时：ObjV=1Y/eαδ---(2-12)]]>式2-12中表明不满足约束2-3的喷嘴组合其适应度值被缩小了e^αδ倍；δ=X4-XmaxXmax,ifX4>XmaxXmin-X4Xmin,ifX4<Xmin---(2-13)]]>α为缩小系数；步骤五(三)、完成上步骤后，再进行基于传统的遗传算法的选择、交叉、变异过程；当遗传代数达到终止条件N代时，遗传过程终止，输出满足实际流量与理论流量的综合偏离程度Y最小时对应的最优喷嘴数目的组合。