李 磊,石奇光,潘衛(wèi)國,杜海舟,王文歡,吳 昊,顧先青

(上海電力學院能源與環(huán)境工程學院,上海 200090)

燃煤機組是一次能源消耗大戶,我國已明確提出,“十一五”期末單位國內生產(chǎn)總值的能源消耗要比“十五”期末降低 20%.除關停小機組、發(fā)展高參數(shù)大容量機組外,大力推廣機組優(yōu)化管理技術,也是降低煤耗的一個重要途徑.美國、德國等發(fā)達國家十分重視燃煤機組優(yōu)化技術的研究應用,使其機組的運行經(jīng)濟性始終處于世界先進水平［1］.

燃煤機組優(yōu)化技術一般可分為設計優(yōu)化、設備改進優(yōu)化、運行優(yōu)化等.其中,運行監(jiān)測及優(yōu)化系統(tǒng)相當于機組運行的專家級助手,對于提高機組運行管理水平、降低生產(chǎn)成本具有重要意義.本文主要介紹運行監(jiān)測及優(yōu)化技術的基礎、運行監(jiān)測及優(yōu)化系統(tǒng)的現(xiàn)狀,并分析了運行監(jiān)測及優(yōu)化技術仍需要重點解決的問題和發(fā)展趨勢.

1 運行監(jiān)測及優(yōu)化技術的基礎

典型的運行監(jiān)測及優(yōu)化系統(tǒng),以在線性能監(jiān)測和熱經(jīng)濟性計算為基礎,通過對當前運行參數(shù)與基準值的分析比較,應用最優(yōu)化法建立數(shù)學模型,并借助計算機求解,最后給出最優(yōu)的經(jīng)濟運行指導［2］.其大致流程如圖 1所示.

圖1 典型運行監(jiān)測及優(yōu)化系統(tǒng)流程

由圖 1可以看出,實現(xiàn)有效運行優(yōu)化的基礎主要有以下 4項:一是準確的在線監(jiān)測技術;二是高效的數(shù)據(jù)預處理,精確的在線計算模型及能損分析方法;三是可靠的運行優(yōu)化目標值;四是完善的優(yōu)化算法和運行指導專家知識庫.

1.1 在線監(jiān)測技術

現(xiàn)代大型火電機組配備的 DCS系統(tǒng),為在線監(jiān)控機組的安全經(jīng)濟運行提供了技術條件.

近年來,隨著先進測量技術和人工智能技術的發(fā)展,一些關鍵參數(shù)如入爐煤質分析、飛灰含碳量等,逐漸從離線化驗過渡到在線監(jiān)測.針對煙氣連續(xù)監(jiān)測、關鍵點流量溫度的測量也出現(xiàn)了不少新裝置,文獻［3］介紹了利用微波技術測量飛灰含碳量、利用聲學高溫計監(jiān)測鍋爐高溫煙氣區(qū)、利用聲波檢測技術測量凝汽器循環(huán)水流量等先進測量手段;文獻［4］介紹了一種為連續(xù)監(jiān)測排放污染物總量而設計的煙氣連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS).該系統(tǒng)對于優(yōu)化鍋爐燃燒,從而實現(xiàn)污染物控制具有重要意義.

另外,由于目前尚不具備測量蒸汽濕度的有效手段,但汽輪機低壓缸排汽一般處于濕蒸汽區(qū),無法只根據(jù)溫度和壓力查得焓值,而低壓缸排汽焓的計算是整個熱力系統(tǒng)的重點,因此如何在線測量汽輪機排汽濕度或精確計算排汽焓,需要作進一步研究［5］.

1.2 數(shù)據(jù)預處理方法

DCS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中有上萬個測量數(shù)據(jù),因此要從中選擇機組的特性參數(shù).由于傳感器故障、漂移和各種干擾,會使在線測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生不良值,因此計算之前要進行不良值的效驗.傳統(tǒng)應用中,對不良值的檢驗大多采用限值比較法,即根據(jù)設計值劃定一個范圍,超出該范圍的認為是壞數(shù)據(jù),并用設計值將其代替后進行計算［2］.但當實際運行工況偏離設計工況較多時,仍采用該方法會使計算誤差較大.文獻［6］介紹了基于數(shù)字濾波數(shù)據(jù)協(xié)調算法及數(shù)據(jù)分類分級檢驗模型開發(fā)的數(shù)據(jù)預處理系統(tǒng),該系統(tǒng)集成于機組運行優(yōu)化系統(tǒng),已在幾家電廠投入使用,取得了較好的經(jīng)濟效益.

1.3 計算模型

計算模型是運行優(yōu)化技術的核心,是進行定量計算和優(yōu)化決策的基礎.計算模型包括熱力系統(tǒng)性能分析方法和優(yōu)化算法兩類.

(1)熱力系統(tǒng)性能分析方法 主要包括熱平衡法、等效熱降法、循環(huán)函數(shù)法、矩陣分析法等.近年來,西班牙學者 VALERO A等人提出的基于熱經(jīng)濟學結構理論的分析方法［7,8］,得到了國內外學者的認同,并對其進行了深入的研究［9］,將其應用于傳統(tǒng)蒸汽循環(huán)［10］,以及發(fā)電和海水淡化結合的聯(lián)產(chǎn)［11］等的熱經(jīng)濟性分析計算,驗證了該理論的正確性.需要指出的是,目前應用最廣泛的仍是經(jīng)典的熱平衡法.由石奇光教授等編寫的《火力發(fā)電廠能量平衡導則第 3部分:熱平衡》(DL/T-606.3—2006),將全廠熱力系統(tǒng)分為鍋爐熱力系統(tǒng)、管道熱力系統(tǒng)和汽輪發(fā)電機組熱力系統(tǒng)［12］,并分項計算 3大熱力系統(tǒng)的反平衡熱損失,有助于指導電廠優(yōu)化運行.

(2)優(yōu)化算法 優(yōu)化是一門決策學科,最優(yōu)化就是在一定的限定條件下求出某個函數(shù)的最大值或最小值及對應的參數(shù)的方法.如今,除傳統(tǒng)的數(shù)學規(guī)劃法外,越來越多的數(shù)學方法被應用于電廠的運行優(yōu)化技術中,如灰色系統(tǒng)的預測理論應用于處理火電機組運行優(yōu)化中的不確定因素,遺傳算法(GA)對處理大規(guī)模、關系復雜的離散問題很有效,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)適用于目標函數(shù)為二次型的優(yōu)化模型［13］.值得強調的是,人工神經(jīng)網(wǎng)絡的研究正成為電廠運行優(yōu)化領域的熱點.

1.4 運行優(yōu)化目標值的確定

機組的運行優(yōu)化目標值是運行優(yōu)化調整的基準.目前,運行優(yōu)化目標值的確定方法可分為 4種:一是采用制造廠提供的設計值;二是采用機組變工況理論優(yōu)化計算;三是通過機組的大量優(yōu)化試驗;四是在機組實時運行過程中進行動態(tài)優(yōu)化確定.目前,國內大量采用前 3種方法,而國外多采用第 4種方法［14］,如德國斯蒂亞克電力公司的運行優(yōu)化管理系統(tǒng)(簡稱 SR4)就是采用動態(tài)目標值法.實際上,隨著機組運行時間、環(huán)境和設備狀態(tài)的變化,優(yōu)化目標值是變化的,應該在運行過程中動態(tài)確定優(yōu)化目標值.

2 運行監(jiān)測及優(yōu)化技術的研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

國外對機組運行監(jiān)測及優(yōu)化技術的研究開展較早,除運行監(jiān)測外,在機組運行優(yōu)化、故障診斷等方面也已得到有效應用.基于各種運行監(jiān)測及優(yōu)化技術,國外已開發(fā)出眾多成熟的的商業(yè)軟件,如德國 Siemens公司的優(yōu)化軟件包 Sienergy,包括電站運行優(yōu)化 OPTIPRO,機組控制優(yōu)化 PROFI,效率分析優(yōu)化 SR4等功能模塊;瑞士 ABB公司的電站運行優(yōu)化軟件包 Optimax,包括過程信息管理、性能計算、電站負荷優(yōu)化調度和基于模型的診斷專家系統(tǒng)等功能模塊;美國通用公司的 EtaPRO性能監(jiān)測和優(yōu)化系統(tǒng),由性能監(jiān)測、趨勢分析、報表生成、狀態(tài)診斷和建模分析等 5個功能模塊組成［15］.這些軟件包括許多功能模塊,用戶可以選擇全部或部分模塊進行組態(tài).目前,這些運行監(jiān)測及優(yōu)化軟件在國內燃煤機組上均有應用案例,如OPTIPRO應用于國華準格爾發(fā)電有限責任公司［16］,PROFI也已應用于國內 10余臺 300 MW和 600MW等級的機組.

但是,對于國外運行監(jiān)測及優(yōu)化技術來說還存在以下局限:一是在實時測量關鍵參數(shù)、建立經(jīng)濟性分析模型及優(yōu)化算法等方面,仍需作進一步改進;二是運行監(jiān)測及優(yōu)化運用于國內燃煤機組時性價比不高,由于技術的核心模型和核心技術嚴格保密,運行管理人員難以進行二次開發(fā).

因此,國外運行監(jiān)測及優(yōu)化技術的發(fā)展方向主要有:一是在實時測量關鍵參數(shù)方面,會不斷出現(xiàn)新的測量方法和測量工具,另外,除傳統(tǒng)的熱平衡法外,熱經(jīng)濟學分析法也會得到新的應用;二是軟件技術運用于國內機組時,在考慮通用性的同時,需要針對具體機組進行有選擇的二次開發(fā),以增強其適用性.

2.2 國內研究現(xiàn)狀

20世紀 90年代以來,我國逐漸加大了對機組運行監(jiān)測及優(yōu)化技術的研究力度.電力行業(yè)的科研院所如西安熱工研究院、華東電力試驗研究院,高等院校如東南大學、華北電力大學、上海電力學院的能源動力系,以及面向電力行業(yè)的企業(yè)如上海新華、北京國電智深等單位,或進行自主研發(fā),或引進外國成熟產(chǎn)品進行改造,開發(fā)出一大批運行監(jiān)測及優(yōu)化系統(tǒng)軟件.其中具有代表性的軟件有:西安熱工研究院的廠級運行性能在線診斷及優(yōu)化控制系統(tǒng),實行“實時優(yōu)化 +生產(chǎn)管理 +遠程監(jiān)管”的管控一體化應用模式,該系統(tǒng)已應用于包括寧夏石嘴山電廠在內的 30多個燃煤機組［17］;東南大學的機組性能在線監(jiān)測系統(tǒng)(UPSS)［18］,已在彭城電廠、華能淮陰電廠等國內40多家火電機組中得到應用;華東電力試驗研究院的機組性能優(yōu)化管理系統(tǒng),在吳涇第二發(fā)電廠、外高橋電廠等機組上得到了有效應用.

對比國外的機組運行監(jiān)測及優(yōu)化技術,國內的研究具有以下優(yōu)點:一是開發(fā)單位更了解國內機組運行的實際情況,開發(fā)出的軟件符合運行管理人員的需要,針對性較強;二是實際價格較國外同類軟件低.但劣勢也很明顯:一是理論研究相對滯后;二是由于開發(fā)單位需要獨立完成從數(shù)學模型、算法實現(xiàn)到軟件平臺的全部開發(fā)過程,周期較長,并且運行優(yōu)化基準值大多采用設計值或熱力試驗確定的最優(yōu)值,在整個大修期內保持不變,缺少動態(tài)性.

3 運行監(jiān)測及優(yōu)化技術的展望

3.1 軟測量技術的應用

軟測量技術是利用一些易于實時測量的、與被測變量密切相關的變量(二次變量),通過在線分析與計算,從而得到不可測或難測量的關鍵參數(shù)的值.國內學者對熱工參數(shù)軟測量技術開展的研究主要有:文獻［19］介紹了煙氣含氧量、飛灰含碳量、球磨機負荷的軟測量建模和二次變量的選取方法;文獻［20］介紹了一種基于 PCA 2BP神經(jīng)網(wǎng)絡的鍋爐煤質的軟測量方法,能在線預測鍋爐入爐煤質中的揮發(fā)和低位熱值;文獻［21］用混合建模的軟測量技術進行了真實水位軟測量模型的仿真研究,獲得了精度較高的軟測量真實水位模型;文獻［22］采用熱平衡法、動壓法建立煤粉濃度的軟測量模型,通過模型校正和在裝置上實現(xiàn)軟測量,保證煤粉濃度的在線測量.上海電力學院對機組相關熱力參數(shù)進行軟測量技術研究,取得了一定進展.

3.2 排汽焓計算方法的改進

常用的排汽焓計算方法有能量平衡法、曲線外推法、等效焓降法、弗留格爾公式法、相對內效率法等,這些方法均能在一定精度內進行排汽焓計算,但也都存在不同程度的局限性［23］.近年來,不斷有改進的計算方法出現(xiàn),文獻［24］提出了基于汽輪機變工況流型判別準則,并以汽輪機末級抽汽或次末級抽汽為計算起點的順序變工況核算方法,最后得到機組的能耗率和排汽焓(或排汽干度);文獻［25］根據(jù)汽輪機末級排汽焓與其影響因素之間的映射關系,提出了一種基于免疫原理的 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡模型來計算汽輪機的排汽焓.

3.3 采用動態(tài)的優(yōu)化目標值

國外機組運行監(jiān)測及優(yōu)化系統(tǒng)可動態(tài)地向運行人員提供實時控制目標值,實現(xiàn)優(yōu)化目標值的動態(tài)化.國內研究單位與電廠已普遍認識到,采用動態(tài)目標值是今后運行監(jiān)測及優(yōu)化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢.文獻［26］對此進行了積極探討,介紹了一種基于語言值關聯(lián)規(guī)則挖掘的電廠運行參數(shù)優(yōu)化目標值的確定方法,以現(xiàn)場大量數(shù)據(jù)為基礎,直觀地確定目標的規(guī)則,且目標值可隨機組運行狀態(tài)進行動態(tài)調整,以準確反映機組的運行規(guī)律.

3.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡算法的應用

燃煤機組是一個大型的復雜系統(tǒng),某些對象無法用數(shù)學模型描述,而神經(jīng)網(wǎng)絡具有非線性映射的優(yōu)點,可以在輸入輸出數(shù)據(jù)的基礎上,不依靠機理而實現(xiàn)輸入輸出間的映射.目前,人工神經(jīng)網(wǎng)絡算法已在燃煤機組各個技術領域得到廣泛應用.在運行優(yōu)化領域,文獻 ［27］介紹了美國Pegasus公司的 Power Perfecter軟件利用神經(jīng)網(wǎng)絡技術,根據(jù)鍋爐運行的歷史數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù),建立鍋爐操作變量、干擾變量與鍋爐經(jīng)濟燃燒控制目標之間的多變量非線性動力學模型,通過動態(tài)預測優(yōu)化控制器實現(xiàn)鍋爐燃燒多變量、多目標優(yōu)化控制.該技術已在山東萊城電廠 300 MW機組上投入閉環(huán)運行.此外,人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術在火電廠實時數(shù)據(jù)預測［28］、排汽焓計算［29］、污染物(NOx和 SO2)排放預測等方面均有具體應用.

4 結 論

(1)完善的燃煤機組運行監(jiān)測及優(yōu)化系統(tǒng),需要有準確的測量手段和完備的理論支持.因此,在針對運行方實際需要的同時,如何快速準確地在線測量關鍵參數(shù),以及提高熱經(jīng)濟性分析手段和優(yōu)化算法的實時可靠性,仍有待深入研究.

(2)燃煤機組運行中有關熱力特性、排汽焓等關鍵參數(shù)的測量及計算,仍是電廠運行監(jiān)測及優(yōu)化領域的研究熱點.

(3)在系統(tǒng)功能方面,如何分析不同負荷下的耗差,以及采用動態(tài)的優(yōu)化目標值等,都需要相關理論的進一步完善.此外,由文中分析可知,充分利用神經(jīng)網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)挖掘等技術,可以促進燃煤機組運行監(jiān)測與優(yōu)化技術的不斷發(fā)展.

［1］畢政益.國內外火電機組運行優(yōu)化在線管理系統(tǒng)應用現(xiàn)狀［J］.能源研究與信息,2000,16(1):12-17.

［2］李蔚,劉長東,盛德仁,等.國內火電廠運行優(yōu)化系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向［J］.電站系統(tǒng)工程,2004,20(1):59-61.

［3］王培紅,李琳,馮擇磊,等.熱力設備性能監(jiān)測與故障診斷技術的發(fā)展［J］.機電信息,2004,(22):8-13.

［4］鄭海明.煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)在燃煤火電廠中的應用［J］.儀器儀表學報,2006,27(6):1 509-1 510.

［5］閆順林,徐鴻,李永華,等.汽輪機排汽焓動態(tài)在線計算模型的研究［J］.動力工程,2008,28(2):181-184.

［6］李輝,陳教超,司風琪,等.數(shù)據(jù)預處理技術在電廠運行優(yōu)化系統(tǒng)中的應用研究［J］.華東電力,2007,35(11):110-113.

［7］CESAR Torres,ANTONIO Valero,LUIS Serra,et al.Structural theory and thermoeconom ic diagnosis:Part I on malfunction and dysfunction analysis［J］.Energy Conversion and Management,2002,43(9-12):1 503-1 518.

［8］VITTORIO Verda,LUIS Serra,ANTONIO Valero.The effects of the control system on the thermoeconom ic diagnosis of a power plant［J］.Energy,2004,29(3):331-359.

［9］張曉東,高波,王加璇.熱經(jīng)濟學結構理論與 LIFO法則應用研究［J］.中國電機工程學報,2003,23(6):185-189.

［10］張超,劉黎明,陳勝,等.基于熱經(jīng)濟性結構理論的熱力系統(tǒng)性能評價［J］.中國電機工程學報,2005,25(24):108-113.

［11］程偉良,黃其勵.熱經(jīng)濟學的結構理論及其應用［J］.哈爾濱工業(yè)大學學報,2005,37(10):1 387-1 390.

［12］石奇光,潘衛(wèi)國,王文歡,等.火電廠熱平衡新導則特點及主要指標分析［J］.中國電力,2008,41(8):66-70.

［13］萬文軍,周克毅,胥建群.火電廠優(yōu)化技術發(fā)展趨勢［J］.中國電力,2003,36(7):44-47.

［14］胡洪華,黃廷輝,艾衛(wèi)國,等.大型火電機組運行優(yōu)化目標值的研究和確定［J］.中國電力,2004,37(9):22-25.

［15］洪軍,司風琪,畢小龍,等.火電機組運行優(yōu)化系統(tǒng)的現(xiàn)狀與展望［J］.電力系統(tǒng)自動化,2007,31(18):96-103.

［16］呂游,李巍,張曉波,等.應用運行優(yōu)化軟件(OPTIPRO)進行運行管理的探索和實踐［J］.內蒙古電力技術,2004,22(5):35-37.

［17］趙東.寧夏石嘴山發(fā)電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)應用及效益分析［J］.電力設備,2006,(7):50-52.

［18］張鋒,司風琪,江浩,等.電站機組性能監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)模式的探討［J］.電站系統(tǒng)工程,2007,18(1):50-52.

［19］韓璞,喬弘,王東風,等.火電廠熱工參數(shù)軟測量技術的發(fā)展和現(xiàn)狀［J］.儀器儀表,2007,28(6):1 139-1 146.

［20］譚浩藝,陳紹炳,周自強.基于 PCA 2BP神經(jīng)網(wǎng)絡的鍋爐煤質的軟測量［J］.能源技術,2009,30(1):9-11.

［21］張玲芳,楊平,應啟戛.鍋爐汽包真實水位的軟測量［J］.上海電力學院學報,2009,25(1):44-48.

［22］趙亞明,張維玲.火電廠煤粉濃度軟測量研究［J］.儀器儀表用戶,2008,15(3):6-7.

［23］閆順林,王俊有.汽輪機排汽比焓在線計算方法的選擇［J］.熱力發(fā)電,2008,37(4):28-32.

［24］張春發(fā),趙寧,高愛國.基于流型判別準則的排汽焓的準確在線監(jiān)測方法［J］.汽輪機技術,2008,50(3):161-165.

［25］張利平,王鐵生.基于免疫原理的 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡模型在汽輪機排汽焓計算中的應用［J］.汽輪機技術,2008,50(5):347-349.

［26］李建強,牛成林,谷俊杰,等.數(shù)據(jù)挖掘在火電廠運行參數(shù)優(yōu)化目標值確定中的應用［J］.華北電力大學學報,2008,35(4):53-56.

［27］馮江濤.神經(jīng)網(wǎng)絡技術在火電廠的應用研究及前景［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2006,16(19):235-236.

［28］陸王琳,李蔚,盛德仁,等.基于改進 BP神經(jīng)網(wǎng)絡的火電廠實時數(shù)據(jù)預測模型研究［J］.熱力發(fā)電,2006,(7):18-20.

［29］郭江龍,張樹芳,陳海平.基于 BP神經(jīng)網(wǎng)絡的汽輪機排汽焓在線計算方法［J］.熱能動力工程,2004,19(2):179-182.