复杂能量系统的热经济学分析与优化

我国的能源资源相对贫乏,能源利用率低,能源工业生产造成的环境污染严重,能源与环境问题制约着国民经济的进一步发展。以燃煤机组为主的各种能量系统存在着巨大的节能潜力,采用合理的方式进行节能降耗,不仅能节约资源同时又能改善环境,对我国能源经济的发展有着重要与深远的意义。本文正是在此背景下,将燃煤发电机组作为主要研究对象,以能源-经济-环境的可持续发展为主线,将过程系统工程的建模、分析方法作为主要研究手段,利用热经济学结构理论,建立了一整套能量系统的评价、诊断和优化方法,为包括燃煤发电机组在内的各种复杂能量系统的节能降耗与优化改造提供科学、可靠的理论依据。 本文首先回顾了能量系统建模及评价的主要方法,指出传统方法中存在的问题及局限性,确定了以过程系统工程和热经济学理论作为系统建模和评价的主要方法。随后,围绕热经济学领域中的主要研究方向展开更深入的综述及讨论,涵盖自热经济学创建以来所有重要的研究方法及理论,深入分析了各种方法的优势及存在的问题,最终确立了以热经济学结构理论作为本文的理论基础,力图通过提炼热经济学领域中其它方法的特色及优势,进一步改进和完善热经济学结构理论。 系统的建模和仿真是进行系统分析和优化的前提,本文基于过程系统工程的建模和仿真原则,利用热力学仿真作为研究平台,针对湖南某电厂N300-16.7/537/537-1型燃煤机组开发了一套稳态仿真系统。通过改变系统的输入参数、负荷和环境条件,能够仿真电厂在不同工况下的运行特性,系统仿真所获得的结果与实际电厂的性能测试数据相比误差不超过2%。 在热力学建模的基础上,利用热力学第二定律及热经济学结构理论构建了一套完整的包括燃煤电厂在内的各种复杂能量系统的火用分析及热经济学分析方法。以300MW燃煤机组为例,详细论述了将热力学仿真模型转化为热经济学模型的主要过程。使用基于燃料-产品定义的热经济学模型、火用成本和热经济学成本模型量化了设备之间的生产交互过程,分析了系统成本形成的热力学过程及其分布规律。 利用热经济学结构理论虽然能够获得系统中各设备产品的单位成本,但利用这些成本仍然不能有效辨识系统或组件性能变化的原因。本文通过改进热经济学结构理论中的火用成本和热经济学成本方程,得到了各组件产品火用成本和热经济学成本的组成,并且获得了在全局生产条件下系统性能的评价指标,即比不可逆成本。利用该指标,能够基于同样一个基准,比较同一系统内部或不同系统之间各组件的生产性能。 热经济学诊断的“逆向问题”(即诱导故障的辨识问题)至今仍然没有很好的解决办法,成为热经济学故障诊断领域的一大难题。为此,本文提出了基于系统仿真的诱导故障数值逼近方法,并将其与传统的热经济学故障诊断方法相结合,建立了一套逐步分离诱导影响的评价体系,并将该方法应用于300MW燃煤机组的故障分析。 针对全局优化和局部优化方法的不足,本文在热经济学结构理论和热经济学孤立化原理的基础上,综合多位研究学者的工作,改进并建立了一套“局部-全局分解优化”LGDO方法。其目的并不是要严格达到热经济学孤立化,而是试图寻找一种系统分解策略,将耦合程度较大的组件划分在一个子系统内,尽量降低子系统之间的耦合程度,然后进行子系统的局部优化,对于无法解耦的组件则采取全局优化,使得局部优化最大限度的逼近热经济学孤立化。通过优化分析发现,与传统的局部优化方法相比,利用LGDO方法所获得的最优解与全局优化的最优解之间的误差更小、同时又具有快速的收敛性能。