燃煤機(jī)組運(yùn)行監(jiān)測(cè)及優(yōu)化技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

李 磊,石奇光,潘衛(wèi)國(guó),杜海舟,王文歡,吳 昊,顧先青

(上海電力學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院,上海 200090)

燃煤機(jī)組是一次能源消耗大戶,我國(guó)已明確提出,“十一五”期末單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的能源消耗要比“十五”期末降低 20%.除關(guān)停小機(jī)組、發(fā)展高參數(shù)大容量機(jī)組外,大力推廣機(jī)組優(yōu)化管理技術(shù),也是降低煤耗的一個(gè)重要途徑.美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視燃煤機(jī)組優(yōu)化技術(shù)的研究應(yīng)用,使其機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性始終處于世界先進(jìn)水平［1］.

燃煤機(jī)組優(yōu)化技術(shù)一般可分為設(shè)計(jì)優(yōu)化、設(shè)備改進(jìn)優(yōu)化、運(yùn)行優(yōu)化等.其中,運(yùn)行監(jiān)測(cè)及優(yōu)化系統(tǒng)相當(dāng)于機(jī)組運(yùn)行的專家級(jí)助手,對(duì)于提高機(jī)組運(yùn)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(yùn)行監(jiān)測(cè)及優(yōu)化技術(shù)的基礎(chǔ)、運(yùn)行監(jiān)測(cè)及優(yōu)化系統(tǒng)的現(xiàn)狀,并分析了運(yùn)行監(jiān)測(cè)及優(yōu)化技術(shù)仍需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì).

1 運(yùn)行監(jiān)測(cè)及優(yōu)化技術(shù)的基礎(chǔ)

典型的運(yùn)行監(jiān)測(cè)及優(yōu)化系統(tǒng),以在線性能監(jiān)測(cè)和熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算為基礎(chǔ),通過(guò)對(duì)當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)與基準(zhǔn)值的分析比較,應(yīng)用最優(yōu)化法建立數(shù)學(xué)模型,并借助計(jì)算機(jī)求解,最后給出最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指導(dǎo)［2］.其大致流程如圖 1所示.

圖1 典型運(yùn)行監(jiān)測(cè)及優(yōu)化系統(tǒng)流程

由圖 1可以看出,實(shí)現(xiàn)有效運(yùn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)主要有以下 4項(xiàng):一是準(zhǔn)確的在線監(jiān)測(cè)技術(shù);二是高效的數(shù)據(jù)預(yù)處理,精確的在線計(jì)算模型及能損分析方法;三是可靠的運(yùn)行優(yōu)化目標(biāo)值;四是完善的優(yōu)化算法和運(yùn)行指導(dǎo)專家知識(shí)庫(kù).

1.1 在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

現(xiàn)代大型火電機(jī)組配備的 DCS系統(tǒng),為在線監(jiān)控機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了技術(shù)條件.

近年來(lái),隨著先進(jìn)測(cè)量技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展,一些關(guān)鍵參數(shù)如入爐煤質(zhì)分析、飛灰含碳量等,逐漸從離線化驗(yàn)過(guò)渡到在線監(jiān)測(cè).針對(duì)煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)、關(guān)鍵點(diǎn)流量溫度的測(cè)量也出現(xiàn)了不少新裝置,文獻(xiàn)［3］介紹了利用微波技術(shù)測(cè)量飛灰含碳量、利用聲學(xué)高溫計(jì)監(jiān)測(cè)鍋爐高溫?zé)煔鈪^(qū)、利用聲波檢測(cè)技術(shù)測(cè)量凝汽器循環(huán)水流量等先進(jìn)測(cè)量手段;文獻(xiàn)［4］介紹了一種為連續(xù)監(jiān)測(cè)排放污染物總量而設(shè)計(jì)的煙氣連續(xù)排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS).該系統(tǒng)對(duì)于優(yōu)化鍋爐燃燒,從而實(shí)現(xiàn)污染物控制具有重要意義.

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

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

DCS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中有上萬(wàn)個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù),因此要從中選擇機(jī)組的特性參數(shù).由于傳感器故障、漂移和各種干擾,會(huì)使在線測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生不良值,因此計(jì)算之前要進(jìn)行不良值的效驗(yàn).傳統(tǒng)應(yīng)用中,對(duì)不良值的檢驗(yàn)大多采用限值比較法,即根據(jù)設(shè)計(jì)值劃定一個(gè)范圍,超出該范圍的認(rèn)為是壞數(shù)據(jù),并用設(shè)計(jì)值將其代替后進(jìn)行計(jì)算［2］.但當(dāng)實(shí)際運(yùn)行工況偏離設(shè)計(jì)工況較多時(shí),仍采用該方法會(huì)使計(jì)算誤差較大.文獻(xiàn)［6］介紹了基于數(shù)字濾波數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)算法及數(shù)據(jù)分類分級(jí)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng),該系統(tǒng)集成于機(jī)組運(yùn)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(jì)效益.

1.3 計(jì)算模型

計(jì)算模型是運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)的核心,是進(jìn)行定量計(jì)算和優(yōu)化決策的基礎(chǔ).計(jì)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(lái),西班牙學(xué)者 VALERO A等人提出的基于熱經(jīng)濟(jì)學(xué)結(jié)構(gòu)理論的分析方法［7,8］,得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的認(rèn)同,并對(duì)其進(jìn)行了深入的研究［9］,將其應(yīng)用于傳統(tǒng)蒸汽循環(huán)［10］,以及發(fā)電和海水淡化結(jié)合的聯(lián)產(chǎn)［11］等的熱經(jīng)濟(jì)性分析計(jì)算,驗(yàn)證了該理論的正確性.需要指出的是,目前應(yīng)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(dǎo)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(jī)組熱力系統(tǒng)［12］,并分項(xiàng)計(jì)算 3大熱力系統(tǒng)的反平衡熱損失,有助于指導(dǎo)電廠優(yōu)化運(yùn)行.

(2)優(yōu)化算法 優(yōu)化是一門決策學(xué)科,最優(yōu)化就是在一定的限定條件下求出某個(gè)函數(shù)的最大值或最小值及對(duì)應(yīng)的參數(shù)的方法.如今,除傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)規(guī)劃法外,越來(lái)越多的數(shù)學(xué)方法被應(yīng)用于電廠的運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)中,如灰色系統(tǒng)的預(yù)測(cè)理論應(yīng)用于處理火電機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化中的不確定因素,遺傳算法(GA)對(duì)處理大規(guī)模、關(guān)系復(fù)雜的離散問(wèn)題很有效,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)適用于目標(biāo)函數(shù)為二次型的優(yōu)化模型［13］.值得強(qiáng)調(diào)的是,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究正成為電廠運(yùn)行優(yōu)化領(lǐng)域的熱點(diǎn).

1.4 運(yùn)行優(yōu)化目標(biāo)值的確定

機(jī)組的運(yùn)行優(yōu)化目標(biāo)值是運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整的基準(zhǔn).目前,運(yùn)行優(yōu)化目標(biāo)值的確定方法可分為 4種:一是采用制造廠提供的設(shè)計(jì)值;二是采用機(jī)組變工況理論優(yōu)化計(jì)算;三是通過(guò)機(jī)組的大量?jī)?yōu)化試驗(yàn);四是在機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化確定.目前,國(guó)內(nèi)大量采用前 3種方法,而國(guó)外多采用第 4種方法［14］,如德國(guó)斯蒂亞克電力公司的運(yùn)行優(yōu)化管理系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱 SR4)就是采用動(dòng)態(tài)目標(biāo)值法.實(shí)際上,隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間、環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)的變化,優(yōu)化目標(biāo)值是變化的,應(yīng)該在運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)確定優(yōu)化目標(biāo)值.

2 運(yùn)行監(jiān)測(cè)及優(yōu)化技術(shù)的研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)機(jī)組運(yùn)行監(jiān)測(cè)及優(yōu)化技術(shù)的研究開(kāi)展較早,除運(yùn)行監(jiān)測(cè)外,在機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化、故障診斷等方面也已得到有效應(yīng)用.基于各種運(yùn)行監(jiān)測(cè)及優(yōu)化技術(shù),國(guó)外已開(kāi)發(fā)出眾多成熟的的商業(yè)軟件,如德國(guó) Siemens公司的優(yōu)化軟件包 Sienergy,包括電站運(yùn)行優(yōu)化 OPTIPRO,機(jī)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(yùn)行優(yōu)化軟件包 Optimax,包括過(guò)程信息管理、性能計(jì)算、電站負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度和基于模型的診斷專家系統(tǒng)等功能模塊;美國(guó)通用公司的 EtaPRO性能監(jiān)測(cè)和優(yōu)化系統(tǒng),由性能監(jiān)測(cè)、趨勢(shì)分析、報(bào)表生成、狀態(tài)診斷和建模分析等 5個(gè)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(jìn)行組態(tài).目前,這些運(yùn)行監(jiān)測(cè)及優(yōu)化軟件在國(guó)內(nèi)燃煤機(jī)組上均有應(yīng)用案例,如OPTIPRO應(yīng)用于國(guó)華準(zhǔn)格爾發(fā)電有限責(zé)任公司［16］,PROFI也已應(yīng)用于國(guó)內(nèi) 10余臺(tái) 300 MW和 600MW等級(jí)的機(jī)組.

但是,對(duì)于國(guó)外運(yùn)行監(jiān)測(cè)及優(yōu)化技術(shù)來(lái)說(shuō)還存在以下局限:一是在實(shí)時(shí)測(cè)量關(guān)鍵參數(shù)、建立經(jīng)濟(jì)性分析模型及優(yōu)化算法等方面,仍需作進(jìn)一步改進(jìn);二是運(yùn)行監(jiān)測(cè)及優(yōu)化運(yùn)用于國(guó)內(nèi)燃煤機(jī)組時(shí)性價(jià)比不高,由于技術(shù)的核心模型和核心技術(shù)嚴(yán)格保密,運(yùn)行管理人員難以進(jìn)行二次開(kāi)發(fā).

因此,國(guó)外運(yùn)行監(jiān)測(cè)及優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展方向主要有:一是在實(shí)時(shí)測(cè)量關(guān)鍵參數(shù)方面,會(huì)不斷出現(xiàn)新的測(cè)量方法和測(cè)量工具,另外,除傳統(tǒng)的熱平衡法外,熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析法也會(huì)得到新的應(yīng)用;二是軟件技術(shù)運(yùn)用于國(guó)內(nèi)機(jī)組時(shí),在考慮通用性的同時(shí),需要針對(duì)具體機(jī)組進(jìn)行有選擇的二次開(kāi)發(fā),以增強(qiáng)其適用性.

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

20世紀(jì) 90年代以來(lái),我國(guó)逐漸加大了對(duì)機(jī)組運(yùn)行監(jiān)測(cè)及優(yōu)化技術(shù)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(yàn)研究院,高等院校如東南大學(xué)、華北電力大學(xué)、上海電力學(xué)院的能源動(dòng)力系,以及面向電力行業(yè)的企業(yè)如上海新華、北京國(guó)電智深等單位,或進(jìn)行自主研發(fā),或引進(jìn)外國(guó)成熟產(chǎn)品進(jìn)行改造,開(kāi)發(fā)出一大批運(yùn)行監(jiān)測(cè)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(jí)運(yùn)行性能在線診斷及優(yōu)化控制系統(tǒng),實(shí)行“實(shí)時(shí)優(yōu)化 +生產(chǎn)管理 +遠(yuǎn)程監(jiān)管”的管控一體化應(yīng)用模式,該系統(tǒng)已應(yīng)用于包括寧夏石嘴山電廠在內(nèi)的 30多個(gè)燃煤機(jī)組［17］;東南大學(xué)的機(jī)組性能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(UPSS)［18］,已在彭城電廠、華能淮陰電廠等國(guó)內(nèi)40多家火電機(jī)組中得到應(yīng)用;華東電力試驗(yàn)研究院的機(jī)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(jī)組上得到了有效應(yīng)用.

對(duì)比國(guó)外的機(jī)組運(yùn)行監(jiān)測(cè)及優(yōu)化技術(shù),國(guó)內(nèi)的研究具有以下優(yōu)點(diǎn):一是開(kāi)發(fā)單位更了解國(guó)內(nèi)機(jī)組運(yùn)行的實(shí)際情況,開(kāi)發(fā)出的軟件符合運(yùn)行管理人員的需要,針對(duì)性較強(qiáng);二是實(shí)際價(jià)格較國(guó)外同類軟件低.但劣勢(shì)也很明顯:一是理論研究相對(duì)滯后;二是由于開(kāi)發(fā)單位需要獨(dú)立完成從數(shù)學(xué)模型、算法實(shí)現(xiàn)到軟件平臺(tái)的全部開(kāi)發(fā)過(guò)程,周期較長(zhǎng),并且運(yùn)行優(yōu)化基準(zhǔn)值大多采用設(shè)計(jì)值或熱力試驗(yàn)確定的最優(yōu)值,在整個(gè)大修期內(nèi)保持不變,缺少動(dòng)態(tài)性.

3 運(yùn)行監(jiān)測(cè)及優(yōu)化技術(shù)的展望

3.1 軟測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

軟測(cè)量技術(shù)是利用一些易于實(shí)時(shí)測(cè)量的、與被測(cè)變量密切相關(guān)的變量(二次變量),通過(guò)在線分析與計(jì)算,從而得到不可測(cè)或難測(cè)量的關(guān)鍵參數(shù)的值.國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)熱工參數(shù)軟測(cè)量技術(shù)開(kāi)展的研究主要有:文獻(xiàn)［19］介紹了煙氣含氧量、飛灰含碳量、球磨機(jī)負(fù)荷的軟測(cè)量建模和二次變量的選取方法;文獻(xiàn)［20］介紹了一種基于 PCA 2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鍋爐煤質(zhì)的軟測(cè)量方法,能在線預(yù)測(cè)鍋爐入爐煤質(zhì)中的揮發(fā)和低位熱值;文獻(xiàn)［21］用混合建模的軟測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了真實(shí)水位軟測(cè)量模型的仿真研究,獲得了精度較高的軟測(cè)量真實(shí)水位模型;文獻(xiàn)［22］采用熱平衡法、動(dòng)壓法建立煤粉濃度的軟測(cè)量模型,通過(guò)模型校正和在裝置上實(shí)現(xiàn)軟測(cè)量,保證煤粉濃度的在線測(cè)量.上海電力學(xué)院對(duì)機(jī)組相關(guān)熱力參數(shù)進(jìn)行軟測(cè)量技術(shù)研究,取得了一定進(jìn)展.

3.2 排汽焓計(jì)算方法的改進(jìn)

常用的排汽焓計(jì)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(duì)內(nèi)效率法等,這些方法均能在一定精度內(nèi)進(jìn)行排汽焓計(jì)算,但也都存在不同程度的局限性［23］.近年來(lái),不斷有改進(jìn)的計(jì)算方法出現(xiàn),文獻(xiàn)［24］提出了基于汽輪機(jī)變工況流型判別準(zhǔn)則,并以汽輪機(jī)末級(jí)抽汽或次末級(jí)抽汽為計(jì)算起點(diǎn)的順序變工況核算方法,最后得到機(jī)組的能耗率和排汽焓(或排汽干度);文獻(xiàn)［25］根據(jù)汽輪機(jī)末級(jí)排汽焓與其影響因素之間的映射關(guān)系,提出了一種基于免疫原理的 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)計(jì)算汽輪機(jī)的排汽焓.

3.3 采用動(dòng)態(tài)的優(yōu)化目標(biāo)值

國(guó)外機(jī)組運(yùn)行監(jiān)測(cè)及優(yōu)化系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)地向運(yùn)行人員提供實(shí)時(shí)控制目標(biāo)值,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)值的動(dòng)態(tài)化.國(guó)內(nèi)研究單位與電廠已普遍認(rèn)識(shí)到,采用動(dòng)態(tài)目標(biāo)值是今后運(yùn)行監(jiān)測(cè)及優(yōu)化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì).文獻(xiàn)［26］對(duì)此進(jìn)行了積極探討,介紹了一種基于語(yǔ)言值關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘的電廠運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)值的確定方法,以現(xiàn)場(chǎng)大量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),直觀地確定目標(biāo)的規(guī)則,且目標(biāo)值可隨機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,以準(zhǔn)確反映機(jī)組的運(yùn)行規(guī)律.

3.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的應(yīng)用

燃煤機(jī)組是一個(gè)大型的復(fù)雜系統(tǒng),某些對(duì)象無(wú)法用數(shù)學(xué)模型描述,而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性映射的優(yōu)點(diǎn),可以在輸入輸出數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,不依靠機(jī)理而實(shí)現(xiàn)輸入輸出間的映射.目前,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法已在燃煤機(jī)組各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.在運(yùn)行優(yōu)化領(lǐng)域,文獻(xiàn) ［27］介紹了美國(guó)Pegasus公司的 Power Perfecter軟件利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),根據(jù)鍋爐運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立鍋爐操作變量、干擾變量與鍋爐經(jīng)濟(jì)燃燒控制目標(biāo)之間的多變量非線性動(dòng)力學(xué)模型,通過(guò)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)優(yōu)化控制器實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒多變量、多目標(biāo)優(yōu)化控制.該技術(shù)已在山東萊城電廠 300 MW機(jī)組上投入閉環(huán)運(yùn)行.此外,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在火電廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)［28］、排汽焓計(jì)算［29］、污染物(NOx和 SO2)排放預(yù)測(cè)等方面均有具體應(yīng)用.

4 結(jié) 論

(1)完善的燃煤機(jī)組運(yùn)行監(jiān)測(cè)及優(yōu)化系統(tǒng),需要有準(zhǔn)確的測(cè)量手段和完備的理論支持.因此,在針對(duì)運(yùn)行方實(shí)際需要的同時(shí),如何快速準(zhǔn)確地在線測(cè)量關(guān)鍵參數(shù),以及提高熱經(jīng)濟(jì)性分析手段和優(yōu)化算法的實(shí)時(shí)可靠性,仍有待深入研究.

(2)燃煤機(jī)組運(yùn)行中有關(guān)熱力特性、排汽焓等關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量及計(jì)算,仍是電廠運(yùn)行監(jiān)測(cè)及優(yōu)化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).

(3)在系統(tǒng)功能方面,如何分析不同負(fù)荷下的耗差,以及采用動(dòng)態(tài)的優(yōu)化目標(biāo)值等,都需要相關(guān)理論的進(jìn)一步完善.此外,由文中分析可知,充分利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù),可以促進(jìn)燃煤機(jī)組運(yùn)行監(jiān)測(cè)與優(yōu)化技術(shù)的不斷發(fā)展.

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