機組運行參數優化系統引言

國產大型燃煤機組的平均供電煤耗率為366.4g/kW·h，高出先進國家20～30g/kW·h。電力企業還有很大的節能潛力可挖，機組優化運行是投入少見效快節能技術。火電機組運行的經濟性受多種因素影響，其中主要包括機組的設計水平、發電負荷、煤質、設備健康狀況、環境條件以及運行人員的運行水平等。火電機組運行參數最優目標值是反映機組當前系統、設備狀況以及運行工況條件下所能達到對應最低能耗的最佳運行狀態。電站運行優化目標值的確定為為運行優化調整提供了方向，同時也是目前運行優化領域的研究熱點和難點問題。熱力系統在所有的約束條件（包括不可控邊界約束、系統結構和設備性能約束以及可控約束條件）都確定的情況下，機組的運行狀態才能唯一地確定，進而可以描述機組的能耗特性。火電機組運行參數優化的本質是在確定的不可控邊界條件下，針對可控參數的節能優化問題。

目前機組運行參數優化的兩類研究方法：

依賴理論模型的方法此類方法根據系統及其相關設備的設計資料，通過燃燒、傳熱、傳質及流動等動力學過程的傳統變工況理論計算方法確定不同邊界條件系統的運行狀態，進而通過尋優算法確定可控邊界條件參數的最優值。優點：模型外延性好，規律性強。缺點：模型對實際設備的針對性較差，準確度低。目前機組運行參數優化的兩類研究方法：

不依賴數學模型的方法1、試驗方法優點：針對特定機組的實際情況。缺點：由于實際機組的熱力系統是多邊界條件、系統內部參數強烈的耦合、鮮明非線性的復雜系統，導致實際的運行工況千差萬別，而試驗工況的數量有限，使此種方法對于實際運行工況的指導意義不強，實用性較差。2、統計分析方法其研究路線是以海量的歷史運行數據為基礎，采用基于人工智能算法的神經網絡以及數據挖掘技術，建立機組能耗與運行狀態參數之間的數據統計模型，進而發現各可控運行參數的最優目標值。此類方法由于其從實際數據出發，從而分析的結果能較好地反映機組的實際運行狀態。但是實際數據是一把“雙刃劍”，完全回避運行參數間本質的作用規律，直接以運行數據發掘各運行參數乃至能耗指標之間的關系，必然受到與運行人員操作經驗和水平相關的實際運行數據的限制，使得建立的數據模型只能適應于已知的實際數據，所以得出的運行參數最優值也只是對歷史經驗的總結。對于歷史中不曾出現的運行狀態的分析，則此類方法失效，因此不能直接發現反映全工況范圍、真正的最優值。如何合理地應用歷史運行數據，在較寬的工況范圍內描述熱力系統各運行參數之間的關聯關系，進而在不同的運行約束條件下確定機組的運行狀態，是確定可控運行參數最優值以及實現節能優化運行的技術關鍵。機理分析與統計辨識相結合的混合模型方法建模過程中，首先通過機理分析或專家經驗確定出模型類型和模型結構，然后再利用統計分析方法，辨識出模型的具體形式，對機理模型進行修正。從本質上講，采用機理分析和統計分析的混合方法是一種基于系統辨識法的機理分析建模方法。這種方法與單一的機理分析法或統計分析方法相比，可以充分發揮兩種方法各自的優勢。較大地提高建模精度和建模效率。

基本技術路線1、綜合應用機理分析以及統計方法各自優點的針對火電廠熱力設備的混合建模方法，通過對不同邊界條件下管道流動阻力特性、加熱器的傳熱特性、汽輪機機組的通流特性以及效率特性等各類設備的實際特性精確建模的基礎上，準確地描述了在設備層面上運行參數之間的關聯關系，為重構機組的整體運行狀態提供了重要的基礎。2、引用系統分析思想，以熱力系統全信息汽水分布方程進行熱力系統集成進而實現機組狀態重構，合理地應用歷史運行數據，描述在較寬的工況范圍內熱力系統各運行參數之間的關聯關系，進而在不同的運行約束條件下確定機組的運行狀態。3、針對熱力系統多邊界（不可控）約束的特點，對有優化潛力的可控運行參數，以能耗最小為目標進行全工況尋優分析，針對具體機組制定運行參數優化方案。運行參數優化系統基本流程

機組運行優化系統主要功能是完成機組熱經濟性指標的在線計算、運行參數的在線優化以及對應參數偏差的耗差分析。⑴根據SIS數據庫中的歷史運行數據，通過針對歷史數據的時效性分析方法、準穩態篩選與處理方法以及失真數據的驗證與篩選方法，獲得建立設備特性混合模型所需的源數據。⑵通過針對系統約束條件下的機組運行狀態重構模型，可得出當前工況下系統運行狀態參數的重構值以及對應的可控運行參數的優化目標值。⑶系統的實時動態運行數據通過準穩態處理與數據失真驗證及數據篩選后，以運行參數的狀態重構值代替缺失的實時數據；同時針對缺乏準確在線測量條件的煤質分析以及煙氣分析數據，提供手工輸入接口，錄入最短時間內的離線分析數據。⑷通過過程數據庫中的準確地實時數據以及同過狀態重構分析獲得的當前工況下各參數的目標值，結合耗差分析方法定量計算各項能耗偏差并分析發生能耗偏差的具體原因。⑸將以上分析結果進行歸類統計，通過C/S或B/S模式以實時趨勢曲線、餅圖（棒圖）以及報表的形式進行展示和發布。系統的主要功能模塊介紹

序號模塊名稱1動態數據的準穩態篩選與處理模塊2實時數據失真驗證模塊3歷史數據時效性分析模塊4設備級特性分析模型5汽輪機發電機組整體運行狀態重構模塊6機組可控運行參數優化模塊動態數據的準穩態篩選與處理模塊若以瞬時采集的測量數據進行計算和分析，由于動態過程參數變化的慣性延時特性的存在，使不同參數的延時程度各不相同，即各參數的不同步變化,導致參數之間的狀態一致性被破壞，使系統的計算結果出現大幅度波動，這顯然與機組實際運行性能不符。針對動態數據穩態處理是深入分析的必然基礎。實時數據失真驗證模塊

對于實際機組，在長期的運行過程中，由于儀表故障、變送器飄移和傳感器故障甚至測點安裝位置錯誤等原因，不可避免地使數據采集系統獲取的實時運行數據中，存在部分不良數據。這些原始數據不能反映熱力系統的真實運行狀態，將使能耗在線監測系統的計算結果失真，進而直接影響到其它后繼高級應用模塊的應用。因此對實時運行數據進行有效的驗證和篩選顯得尤為重要。歷史數據時效性分析模塊

火電機組的熱力設備的特性，隨著運行時間的推移都存在老化傾向。如忽略性能隨時間變化的客觀規律，而用直接根據歷史數據建立系統和設備的狀態重構模型，則必然導致模型與當前實際情況的偏離。鑒于不同時期的歷史數據對建立模型的貢獻不同，應針對熱力系統及設備的歷史性能與當前性能的差異，對歷史運行數據進行必要的時效性分析。設備特性分析模塊

管閥阻力特性的混合模型

結合流動過程的理論分析方法和準確歷史數據的統計分析方法，可得到機組各抽汽管路流通阻力特性的精確模型。凝汽器特性混合模型凝汽器總體換熱能力系數加熱器傳熱特性混合模型加熱器蒸汽冷卻段換熱能力系數加熱器傳熱特性混合模型加熱器主凝結段換熱能力系數加熱器傳熱特性混合模型疏水冷卻段換熱能力系數汽輪機級組流動特性混合模型級組內流量與入口壓力

和壓比

的關系汽輪機級組效率特性混合模型級組內效率特性曲線整體運行狀態重構模塊

系統的層面的關聯關系可視為在特定約束條件下，系統及其各設備的質量守恒和能量守恒問題，其模型則可反映系統中各設備之間的相互作用關系。因此結合以質、能守恒為基礎的熱力系統汽水分布方程，以各設備中的汽水流量為紐帶，可以將子系統集成為完整的熱力系統。機組可控運行參數優化模塊

運行參數優化的本質是確定多邊界條件（不可控）下的運行可控邊界參數的求解最優值的問題。包括：一次風量、二次風量、運行初溫、初壓、再熱溫度、循環水流量、再熱及過熱減溫水流量、鍋爐排污量、給水泵及送風機等主要輔機轉速等。

以初壓優化為例，在給定的不可控邊界約束條件（當前負荷

、環境溫度

等），以及其他可控的邊界約束條件下（主蒸汽溫度

、再熱溫度

以及循環水流量

等），機組最優初壓的分析可表示為以下優化模型：

系統采用全工況尋優算法，在機組所有可行的工況范圍內針對目標值的全局尋優搜索，可以避免出現尋優結果的“早熟”現象。以某電廠N600-16.7/537/537-Ⅰ型汽輪發電機組為例進行實例分析。下圖給出了不同循環水入口溫度下的最優主蒸汽壓力曲線，并顯示了與廠家提供的初壓的定-滑壓運行曲線存在一定的差別。

總結以下規律：三條熱耗曲線在廠家給定運行曲線的定壓段基本重合；隨著負荷的降低，在最優初壓曲線的定壓段，最優初壓下的熱耗曲線與定壓下的熱耗曲線基本重合，而在廠家給定的運行初壓下的熱耗曲線高于上述兩條曲線；低負荷時定壓運行的熱耗高于滑壓運行的熱耗。系統的開發工具與運行環境

機組運行優化系統軟件運行的操作系統采用穩定性較高的Windows2000系統，數據庫采用了目前公認最穩定、功能最強大的OSI公司的PlantInformationSystem(簡稱PI)數據庫。以Borland公司的Deiphi7商業開發軟件完成機組運行優化軟件的開發。功能軟件與數據庫的接口采用標準的API函數，實現功能軟件與數據庫之間實時數據、歷史運行數據以及分析結果數據之間的數據交互。通過SIS數據庫將部分原始數據及分析診斷結果通過監控網絡上的客戶端提供給運行操作員、值長以指導運行，而管理人員關心的數據及分析診斷結果經防火墻發往MIS網，通過MIS客戶端實現信息的瀏覽。考慮到集團中各廠地理位置分散，不易也不可能敷設專用的通訊網絡，因此利用公用網絡系統(Internet)及安全網關建立虛擬網(VPN)通過Intenet實現數據交換。經濟效益預測

據有關資料顯示，通過對一臺575MW機組的運行參數進行監測和運行優化，可以使機組熱耗下降200KJ/(KW.h)，或使一臺670MW機組的每年運行費用減少40萬美元。已具備的技術條件

所需測量信號已基本具備，信號分析與處理技術已經具備。現場數據庫中的海量歷史數據，為基于實際運行數據的系統和設備特性分析提供了有利的基礎。對于各主要設備的傳熱特性、流動特性等動力學特性的機理分析和理論模型的研究已有一定的基礎。目前Mathematic以及Matlab等大型商業數據分析軟件在各領域的應用已經較為成熟。節能在線監測系統以及耗差分析軟件已經作為成熟產品，在國內各類型機組有了普遍的