(1.內(nèi)蒙古國(guó)華呼倫貝爾發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000; 2.東北電力大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林 吉林 132000)

為了應(yīng)對(duì)大規(guī)模新能源并網(wǎng)帶來(lái)的電力系統(tǒng)功率波動(dòng)，火電機(jī)組需要快速精準(zhǔn)地進(jìn)行大范圍變負(fù)荷[1]。然而，機(jī)組在變負(fù)荷過(guò)程中必然會(huì)偏離設(shè)計(jì)工況，這將直接影響機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。所以，對(duì)燃煤機(jī)組復(fù)雜變工況過(guò)程的優(yōu)化問(wèn)題成為了時(shí)下研究熱點(diǎn)。

滑壓優(yōu)化是現(xiàn)有典型燃煤機(jī)組采用的一種最有效的優(yōu)化節(jié)能方式，因此，國(guó)內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量的理論研究和試驗(yàn)探索工作。有學(xué)者提出了建立優(yōu)化模型的方法，利用先進(jìn)算法進(jìn)行簡(jiǎn)化和求解，確定最優(yōu)壓力點(diǎn)。文獻(xiàn)[2]融合了BBO(生物地理學(xué)優(yōu)化算法)和SA(模擬退火)算法，提高了算法的搜索精度和收斂速度。文獻(xiàn)[3]通過(guò)建立機(jī)組最佳主蒸汽耗差分析計(jì)算模型，并在600 MW級(jí)別機(jī)組進(jìn)行了成功應(yīng)用。

開(kāi)展專(zhuān)有優(yōu)化試驗(yàn)是一種最常用且有效的方法，文獻(xiàn)[4]針對(duì)供熱期機(jī)組研究了一套考慮供熱量修正的滑壓優(yōu)化方案。針對(duì)目前火電機(jī)組滑壓曲線多有不準(zhǔn)確，有研究以主蒸汽流量為自變量設(shè)計(jì)滑壓優(yōu)化曲線，并從能耗分析和熱力學(xué)計(jì)算的方面輔以驗(yàn)證[5]?；谠囼?yàn)數(shù)據(jù)熱耗修正計(jì)算對(duì)特定負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行壓力尋優(yōu)，進(jìn)而調(diào)整DCS(分布式控制系統(tǒng))中的控制邏輯參數(shù)。而對(duì)于背壓變化對(duì)機(jī)組最優(yōu)運(yùn)行壓力的影響問(wèn)題，現(xiàn)有的解決方法是利用背壓修正系數(shù)對(duì)滑壓曲線進(jìn)行靜態(tài)修正。文獻(xiàn)[6]利用背壓在線實(shí)時(shí)修正最優(yōu)主蒸汽壓力以適應(yīng)直接空冷機(jī)組的背壓大范圍變化工況。而機(jī)組運(yùn)行工況復(fù)雜，且背壓受到多方面因素影響，原設(shè)計(jì)工況下的修正系數(shù)及方法，將影響機(jī)組運(yùn)行效率及其熱經(jīng)濟(jì)性。綜上所述，如何在考慮機(jī)組背壓影響的前提下定量給出其對(duì)機(jī)組最優(yōu)運(yùn)行壓力的變化規(guī)律，為機(jī)組復(fù)雜變工況運(yùn)行狀態(tài)下提供精確的運(yùn)行指導(dǎo)，亟需一套完整的理論模型及實(shí)施方案。

1 背壓變化對(duì)最優(yōu)運(yùn)行壓力的影響

目前，高寒地區(qū)所采用的空凝機(jī)組在滑壓運(yùn)行過(guò)程中往往采用有功功率為橫坐標(biāo)的滑壓曲線，結(jié)合機(jī)組當(dāng)前的供熱抽汽流量以及凝汽器真空度推算最優(yōu)運(yùn)行壓力。但是，高寒地區(qū)所采用的空冷機(jī)組對(duì)環(huán)境溫度變化較為敏感，會(huì)導(dǎo)致凝汽器真空度大范圍變化；在此基礎(chǔ)上，機(jī)組還會(huì)有相應(yīng)的供熱任務(wù)，需要對(duì)外進(jìn)行供熱抽氣，這將會(huì)導(dǎo)致在相同蒸汽流量的情況下機(jī)組有功功率會(huì)產(chǎn)生較大變化。所以，若機(jī)組此時(shí)仍按照原有滑壓曲線運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致該主蒸汽壓力并非最優(yōu)壓力值，進(jìn)而對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性造成較大影響。

圖1 背壓與抽汽變化對(duì)機(jī)組滑壓曲線的影響

由圖1可知，在同一抽汽量狀態(tài)下，背壓的變化也會(huì)影響壓力和負(fù)荷。

如圖2所示，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在不同背壓工況時(shí)，運(yùn)行數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯分層的現(xiàn)象，這與理論分析結(jié)果是一致的。但機(jī)組運(yùn)行背壓的變化將如何定量影響機(jī)組的最優(yōu)運(yùn)行壓力，本文將利用大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖2 機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)背壓1-6 kPa背壓運(yùn)行數(shù)據(jù)；背壓2-9 kPa背壓運(yùn)行數(shù)據(jù)；背壓3-12.5 kPa背壓運(yùn)行數(shù)據(jù)

2 變背壓狀態(tài)下的滑壓曲線變化趨勢(shì)

2.1 數(shù)據(jù)聚類(lèi)處理方法

FCM(模糊C均值聚類(lèi))是目前最常用的一種聚類(lèi)算法，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用到實(shí)際問(wèn)題中。其基本思想是劃分方法，使得在同一類(lèi)的樣本之間的相似度趨于最大值，而與其他類(lèi)的樣本相似度趨于最小值[7-9]。對(duì)于有限個(gè)對(duì)象x1,x2,…xn，模糊集合可以表示為

A={(μA(xi),xi)|xi∈X}

(1)

FCM把n個(gè)向量xi(i=1,2…,n)分為c類(lèi)，即為模糊類(lèi)。在此基礎(chǔ)上計(jì)算該類(lèi)的中心點(diǎn)，使得用于評(píng)價(jià)相似度的價(jià)值函數(shù)的函數(shù)值趨于最小值，以適應(yīng)所引入的模糊劃分規(guī)則。同時(shí)，由于引入了模糊概念，使得隸屬度矩陣U中的元素其取值在0～1之間。在歸一化的限制后，其和仍為1。

(2)

式中j——數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

則價(jià)值函數(shù)為

(3)

其中uij取值在0～1之間；ci為聚類(lèi)中心，m為加權(quán)指數(shù)。此時(shí)計(jì)算聚類(lèi)中心與各元素的歐幾里得距離，即dij=‖ci-xj‖。為求得式(3)的最小值，需構(gòu)造新的目標(biāo)函數(shù)，即

(4)

在求解過(guò)程中，可提取式(3)的n個(gè)約束式的拉格朗日乘子，在其基礎(chǔ)上對(duì)輸入?yún)⒘窟M(jìn)行求偏導(dǎo)，并將式(4)的目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到最小視為約束條件。該算法最終將解出一個(gè)c×n的模糊矩陣，其底層意義仍然是劃分，每個(gè)類(lèi)具有一個(gè)類(lèi)中心。即可得到用于表示每個(gè)樣本的隸屬度矩陣，在此基礎(chǔ)上即可判斷出所有樣本對(duì)于各個(gè)類(lèi)的隸屬情況，進(jìn)而求得聚類(lèi)結(jié)果。

2.2 變背壓條件下最優(yōu)運(yùn)行壓力定量分析

圖3為某臺(tái)600 MW級(jí)機(jī)組為例，機(jī)組背壓數(shù)據(jù)在時(shí)序上呈現(xiàn)多分區(qū)域的特性，若直接加以利用將無(wú)法避免數(shù)據(jù)噪聲以及機(jī)組慣性帶來(lái)的誤差[10]；另一方面，未經(jīng)處理的數(shù)據(jù)不利于智能算法進(jìn)行聚類(lèi)。

圖3 機(jī)組背壓運(yùn)行數(shù)據(jù)

針對(duì)上述問(wèn)題，本文利用聚類(lèi)方法對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其基本過(guò)程如下所示：

(1)利用機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行濾波處理，得到初步的數(shù)據(jù)模型；

(2)根據(jù)上述數(shù)據(jù)模型，按需設(shè)計(jì)精度，通過(guò)滑動(dòng)平均方法進(jìn)一步過(guò)濾數(shù)據(jù)中的噪聲信息；

(3)將上述處理好的數(shù)據(jù)利用聚類(lèi)算法進(jìn)行聚類(lèi)處理，可通過(guò)機(jī)組常運(yùn)行背壓范圍設(shè)置聚類(lèi)空間的個(gè)數(shù)。

通過(guò)上述步驟，得到如圖4所示的結(jié)果。

圖4 數(shù)據(jù)聚類(lèi)處理結(jié)果

根據(jù)上述數(shù)據(jù)處理結(jié)果，對(duì)背壓變化引起機(jī)組最優(yōu)運(yùn)行壓力變化進(jìn)行定量分析，其基本步驟是：

(1)利用不同背壓條件下的機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分類(lèi)，將相同或者相近的數(shù)據(jù)歸作同一類(lèi)中；

(2)在各個(gè)類(lèi)中，利用如最小二乘法(包括但不限于)的尋優(yōu)算法，以機(jī)組熱耗率最低為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)機(jī)組的最優(yōu)主汽壓力進(jìn)行求解；

(3)將上述尋優(yōu)結(jié)果與背壓進(jìn)行比較，利用回歸算法歸納出機(jī)組背壓對(duì)最優(yōu)運(yùn)行壓力的定量關(guān)系。

將機(jī)組運(yùn)行背壓變化時(shí)影響最優(yōu)滑壓曲線，其定量影響因素描述為

(5)

式中y——機(jī)組運(yùn)行最優(yōu)壓力/MPa;

x——機(jī)組當(dāng)前負(fù)荷(有功功率)/MW;

k——斜率(一般為0.043左右);

b0——機(jī)組春季運(yùn)行時(shí)正常背壓下的截距;

Δb——背壓影響下的截距變化量。

根據(jù)公式(5)，即可利用機(jī)組不同背壓條件下的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，得出機(jī)組變背壓條件下的最優(yōu)運(yùn)行壓力理論計(jì)算值。

3 應(yīng)用實(shí)例與分析

內(nèi)蒙古國(guó)華呼倫貝爾發(fā)電有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“國(guó)華呼貝電廠”)機(jī)組為四高調(diào)門(mén)超臨界600 MW空冷機(jī)組，自投產(chǎn)來(lái)未進(jìn)行專(zhuān)門(mén)滑壓運(yùn)行優(yōu)化。實(shí)際機(jī)組DCS中植入的滑壓運(yùn)行曲線偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，同時(shí)存在無(wú)法適應(yīng)供熱抽汽及凝汽器真空大范圍變化的情況，嚴(yán)重影響其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

本次優(yōu)化不僅給出了適用于純凝工況的以負(fù)荷為自變量的滑壓曲線；而且，還給出了以主蒸汽流量為自變量的滑壓優(yōu)化策略：即適用于機(jī)組純凝工況，還適用于機(jī)組抽汽工況、低背壓、高背壓工況。后期可進(jìn)一步進(jìn)行機(jī)組高背壓和抽汽工況的驗(yàn)證，直接進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)采集驗(yàn)證，也可設(shè)計(jì)試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證。如圖5、圖6所示，本文通過(guò)變背壓條件下的最優(yōu)運(yùn)行壓力定量分析，分別給出以主汽流量自變量和以機(jī)組負(fù)荷為自變量的滑壓優(yōu)化曲線結(jié)果，對(duì)比三個(gè)典型不同背壓工況下的滑壓曲線設(shè)計(jì)值及原始滑壓曲線。

圖5 以主汽流量為自變量的滑壓優(yōu)化曲線結(jié)果

圖6 以機(jī)組負(fù)荷為自變量的滑壓優(yōu)化曲線結(jié)果

對(duì)于各個(gè)工況下的考慮變背壓條件的最優(yōu)滑壓曲線與原設(shè)計(jì)滑壓曲線的節(jié)能效果對(duì)比如表1所示?？梢?jiàn)本文所提出的變背壓條件下的滑壓曲線優(yōu)化策略具有明顯的節(jié)能效果。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)600 MW超臨界機(jī)組在多個(gè)不同背壓條件下運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)比各個(gè)背壓對(duì)應(yīng)的最優(yōu)滑壓曲線，得出以下結(jié)論：

(1)利用機(jī)組不同背壓條件下的海量實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，得到了多個(gè)背壓條件下所對(duì)應(yīng)的滑壓優(yōu)化曲線，同時(shí)定量計(jì)算出由于背壓變化導(dǎo)致滑壓曲線的變化量；

(2)通過(guò)對(duì)比主蒸汽流量自變量以及機(jī)組負(fù)荷自變量的滑壓曲線，其中主汽流量自變量的滑壓曲線受背壓變化而變化的趨勢(shì)較小，從實(shí)際數(shù)據(jù)的角度證明了利用主蒸汽流量自變量的優(yōu)勢(shì)；

(3)本文所設(shè)計(jì)的滑壓優(yōu)化曲線在600 MW超臨界機(jī)組成功應(yīng)用，效果表明：該方法可適應(yīng)空冷機(jī)組背壓大范圍變化的運(yùn)行狀態(tài)，可切實(shí)提高機(jī)組變工況運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。為同類(lèi)型機(jī)組的運(yùn)行方式提供了有效的解決方案。

表1優(yōu)化效果比較

試驗(yàn)工況點(diǎn)原始曲線優(yōu)化曲線運(yùn)行背壓機(jī)組負(fù)荷/MW主汽壓力/熱耗率/MPa/kJ·kW-1·h-1主汽壓力/熱耗率/MPa/kJ·kW-1·h-1節(jié)能熱耗率/kJ·kW-1·h-1/kPa304.3615.8/766016.5/763129616.3/763525916.1/76382212.5340.617.55/764018.1/762020617.8/761624917.7/76192112.5381.319.3/739819.9/738018619.4/738513919.5/73851312.5415.220.6/750521.4/745550620.8/747233920.95/74703512.5448.221.8/744422.8/740044622.1/741034922.4/74123212.5484.0723.2/734424.2/727074623.6/728658923.9/72806412.5