600 MW機(jī)組歷史數(shù)據(jù)挖掘與降耗潛力預(yù)測研究

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(1.延邊大學(xué) 工學(xué)院，吉林　延吉　133002;2.北方聯(lián)合電力有限責(zé)任公司烏拉特發(fā)電廠，內(nèi)蒙古　巴彥淖爾　014407)

0　引言

火力機(jī)組性能指標(biāo)是機(jī)組運(yùn)行最重要、最基礎(chǔ)、最有用的技術(shù)工具[1]，也是“兩型”企業(yè)“節(jié)能減排”工作的技術(shù)指標(biāo)，性能指標(biāo)反映了機(jī)組熱力循環(huán)的調(diào)控水平，反映了發(fā)電企業(yè)的生產(chǎn)、管理、經(jīng)營水平[2]，對火電廠的生產(chǎn)、經(jīng)營和管理至關(guān)重要，大小指標(biāo)之間也包含著問題分析、降耗診斷的規(guī)范思路[3-5]。

相關(guān)研究表明，機(jī)組的在線性能監(jiān)測對其安全、可靠、節(jié)能運(yùn)行具有重要的意義[4-8]。國外對于機(jī)組的性能監(jiān)測研究起步較早，通用、ABB、McHale、西門子等多家公司都相繼推出了商業(yè)化產(chǎn)品，他們?yōu)樵O(shè)備的快速診斷提供了依據(jù)[9]。我國的機(jī)組性能監(jiān)測研究起步較晚，但起點較高，在國外先進(jìn)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，國內(nèi)的研究取得了一定成果[10-11]。

典型工況指標(biāo)分析是機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化、降耗診斷的基礎(chǔ)與起點，然而，在變工況運(yùn)行及AGC(Automatic Generation Control)投用條件下，運(yùn)行人員難以獲得具有代表性的典型工況指標(biāo)，長期以來，典型工況分析依賴于穩(wěn)定工況下的熱力試驗或者從運(yùn)行調(diào)整角度說，熱力試驗滯后于現(xiàn)場變工況調(diào)整的需要。

在變工況及AGC投用條件下，機(jī)組運(yùn)行調(diào)整需要更為簡單、快捷、實用的方法，替代熱力試驗，以得到工況指標(biāo)，并作為設(shè)計對標(biāo)、指標(biāo)自檢、降耗診斷、運(yùn)行優(yōu)化、對比降耗的量化依據(jù)。

隨著機(jī)組運(yùn)行，DCS(Distributed Control System)系統(tǒng)存儲了大量歷史數(shù)據(jù)，從運(yùn)行調(diào)整角度看，通過對歷史數(shù)據(jù)的深度挖掘、篩選分析，能夠獲得適合集控調(diào)整需要的工況指標(biāo)數(shù)據(jù)，從優(yōu)化降耗的角度看，循環(huán)篩選、分析挖掘歷史數(shù)據(jù)資源，能夠逐步接近運(yùn)行優(yōu)化狀態(tài)，實現(xiàn)可持續(xù)降耗。

本文以600 MW空冷機(jī)組DCS歷史數(shù)據(jù)為研究對象，對現(xiàn)場存儲的大量歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、診斷，實現(xiàn)設(shè)計對比與績效管理指標(biāo)自檢，預(yù)測機(jī)組的降耗潛力，為實施《正平衡快速降耗系統(tǒng)》構(gòu)建實用的、可持續(xù)降耗的優(yōu)化模式。

1　指標(biāo)模型與降耗診斷模型

600 MW機(jī)組鍋爐為亞臨界、再熱、單爐膛、固態(tài)排渣、控制循環(huán)汽包爐，燃燒為直流水平濃淡擺動燃燒器四角切圓燃燒，配8臺中速磨，均等配風(fēng)，擺角、噴水調(diào)節(jié)再熱汽溫；汽輪機(jī)為單軸、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)。DCS系統(tǒng)存儲大量歷史數(shù)據(jù)，采樣時間步長為毫秒級。

1.1　績效管理指標(biāo)的穩(wěn)態(tài)模型

運(yùn)行績效管理指標(biāo)采用典型的反平衡效率η、熱耗率q分解與熱力循環(huán)“卡點壓線”管理。

指標(biāo)分解與熱力循環(huán)“卡點”的非線性穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下

鍋爐效率-反ηb=f(排煙氧量O2，排煙溫差dtpy，飛灰含碳Cfh)

熱耗率q(熱力循環(huán))=f(給水溫度，主汽壓力，主汽溫度，再熱溫度，再熱減溫水量，背壓，過冷度)

廠電率ηc=f(各機(jī)爐輔機(jī)耗電率，約占廠電率70%)

反平衡效率與熱力循環(huán)(熱耗率)由以上績效模型的“卡點壓線”管理來保證。

1.2　降耗模式的正平衡調(diào)控模型

爐效率-正ηb=f(煤量B——層煤量，風(fēng)煤比、一次風(fēng)壓；風(fēng)量Dzf——二次風(fēng)壓、輔助風(fēng)、燃盡風(fēng)、燃料風(fēng)，氧量O2；汽水量——主汽量D0)

廠電率ηc=f(風(fēng)機(jī)耗電——送引風(fēng)機(jī)耗電；制粉耗電；汽水耗電——給水泵、凝結(jié)水泵、空冷風(fēng)機(jī)耗電)

正平衡爐效率ηb與廠電率ηc由“風(fēng)、煤、汽水”的集控調(diào)整來保證。

2　結(jié)果分析

2.1　工況條件自檢分析

為表明所選數(shù)據(jù)符合挖掘、篩選條件，能夠獲得適合集控調(diào)整需要的工況，將分析段內(nèi)的發(fā)電負(fù)荷和低位熱值數(shù)據(jù)進(jìn)行自檢分析，如圖1所示。

圖1　分析階段內(nèi)發(fā)電負(fù)荷、低位熱值的分布圖

可以看到

(1)發(fā)電負(fù)荷呈上升趨勢，在300 MW、350 MW、450 MW、500 MW、550 MW工況點上，有足夠的負(fù)荷點分布；

(2)低位熱值呈下降趨勢，12月平均熱值比11月低0.5 MJ/kg左右，對燃燒調(diào)整影響較小，環(huán)比熱值相對穩(wěn)定；總平均熱值12.7 MJ/kg(校驗熱值13.1 MJ/kg，設(shè)計校核13.4 MJ/kg)，偏離較小。

2.2　績效指標(biāo)參數(shù)對標(biāo)

基于機(jī)組DCS歷史數(shù)據(jù)，以指標(biāo)模型與降耗診斷模型分析鍋爐效率指標(biāo)和熱耗率與熱力循環(huán)“卡點壓線”情況，預(yù)測機(jī)組的降耗潛力。

2.2.1鍋爐效率指標(biāo)

鍋爐效率指標(biāo)主要分析控制氧量及排煙溫差數(shù)據(jù)，如圖2所示。

(1)控制氧量

指標(biāo)狀態(tài)：控制氧量(圖2(a)淺色點)趨勢、相關(guān)性、穩(wěn)定性良好。300 MW負(fù)荷下氧量5.5%(設(shè)計5.5%)，600 MW負(fù)荷下氧量3.1%(設(shè)計3.5%)，氧量管理與司爐的氧量調(diào)控水平較高。

問題影響：負(fù)荷小于350 MW時，出現(xiàn)控制氧量(前)高于排煙氧量(后)的情況，交點處，空預(yù)器漏風(fēng)系數(shù)為0。排煙氧量線性較好，排除“二次燃燒”的可能性，估計是測點問題。

排煙損失q2= (3.63×21/(21-O2)+0.9)×dtpy/100

排煙氧量顯示4.5%～5.3%(過量空氣系數(shù)1.27～1.34)是鍋爐效率ηb幾乎不變的原因。

改進(jìn)措施：熱工檢查、校對排煙氧量測點。

(2)排煙溫差

指標(biāo)狀態(tài)：排煙溫差(圖2(b)中，深色點)趨勢合理，波動±12℃，相關(guān)性、穩(wěn)定性一般，300 MW負(fù)荷下平均排煙溫差105℃(設(shè)計88℃)，高17℃，600 MW排煙溫差127℃(設(shè)計119℃)，高8℃。

問題影響：低負(fù)荷工況下，排煙溫差存在著10℃左右偏差，影響1%左右的爐效率，3 g/kWh左右的供電煤耗率。

排煙損失q2計算以冷風(fēng)溫度(暖風(fēng)器后)為基準(zhǔn)，受環(huán)境溫度變化影響，低負(fù)荷時，排煙溫度較低，應(yīng)加強(qiáng)排煙溫差(排煙tpy-冷風(fēng)t0)管理，不要單純控制排煙溫度tpy。

改進(jìn)措施：檢查低負(fù)荷工況下排煙溫差(或溫度)的指導(dǎo)曲線斜率。

圖2　氧量、排煙溫差的工況趨勢圖

2.2.2熱耗率與熱力循環(huán)“卡點壓線”情況

熱耗率指標(biāo)主要分析給水溫度、主汽壓力、背壓、主汽溫度、再熱溫度數(shù)據(jù)。

(1)給水溫度

給水溫度工況趨勢如圖3所示。

指標(biāo)狀態(tài)：給水溫度趨勢、相關(guān)性、穩(wěn)定性良好，波動±3℃；300 MW負(fù)荷給水溫度245℃(設(shè)計230℃)，高15℃，450 MW負(fù)荷下給水溫度266℃(設(shè)計250℃)，高16℃，600 MW給水溫度283.4℃(設(shè)計269℃，高限報警值283.7℃)，高14℃。

問題影響：從經(jīng)濟(jì)性角度，增大抽汽量，減小排汽損失，提高給水溫度15℃，降低煤耗4 g/kWh左右，但抽汽量增大必然影響除氧器溫度、除氧效果，提高過大對整個爐膛汽水流程不利。

圖3　給水溫度的工況趨勢圖

改進(jìn)措施:運(yùn)行人員核對各工況設(shè)計給水溫度、除氧器溫度，核對《集控規(guī)程》6.2.7.1鍋爐正常運(yùn)行主要參數(shù)限額的規(guī)定。

(2)主汽壓力、背壓

主汽壓力、背壓工況趨勢如圖4所示。

指標(biāo)狀態(tài)：主汽壓力“定-滑-定”方式控制良好(圖4(b))。300～540 MW滑壓段(圖4(a))趨勢、相關(guān)性、穩(wěn)定性良好，波動±0.2 MPa。540～600 MW負(fù)荷定壓段，平均主汽壓力16.3 MPa(設(shè)計17.3 MPa)，波動±0.5 MPa。

另外，分析階段平均背壓13.9 kPa(設(shè)計13.7 kPa)，高0.2 kPa，11月平均背壓13.6 kPa，12月平均背壓14.3 kPa。

(3)主汽溫度、再熱溫度

主汽溫度、再熱溫度工況趨勢如圖5所示。

圖5　主汽溫度、再熱溫度的工況散點圖

指標(biāo)狀態(tài)：爐側(cè)平均主汽溫度541.5℃(設(shè)計541±5℃)，再熱溫度540.5℃(設(shè)計541±5℃)，主汽、再熱溫度控制良好。

從上述可知：氧量、排煙、“給水→主汽→再熱→背壓”的“卡點壓線”管控良好，調(diào)控技術(shù)水平較高，績效指標(biāo)管理與調(diào)控水平達(dá)到了優(yōu)秀水準(zhǔn)。

2.2.3各工況降耗潛力預(yù)測

基于以上數(shù)據(jù)，預(yù)測典型工況下“低煤耗”模式降耗潛力，如表1所示,“低煤耗”模式下的平均降耗潛力為6.8 g/kWh。

表1典型工況下“低煤耗”模式降耗潛力預(yù)測

工況負(fù)荷/MW平均供電煤耗/g·(kWh)-1“低煤耗”模式/g·(kWh)-1降耗潛力/g·(kWh)-14503533485500350343755035134296003463406

3　結(jié)論

600 MW機(jī)組歷史數(shù)據(jù)挖掘分析與降耗潛力預(yù)測的研究表明：

(1)在變工況及AGC投用條件下，通過歷史數(shù)據(jù)挖掘得到的典型工況指標(biāo)數(shù)據(jù)，與熱力試驗穩(wěn)定工況數(shù)據(jù)相比，更為快捷、實用，能夠客觀的反映機(jī)組實際運(yùn)行狀況，滿足集控運(yùn)行調(diào)整“定性可靠、定量接近”的需要，滿足技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)管理的需要，可作為設(shè)計對標(biāo)、指標(biāo)自檢、降耗診斷、運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整以及降耗對比的量化依據(jù)。

(2)從熱耗率與熱力循環(huán)“卡點壓線”關(guān)聯(lián)的“給水→主汽→再熱→背壓”熱力循環(huán)過程管控良好，績效指標(biāo)管理與集控調(diào)控能力達(dá)到了優(yōu)秀水準(zhǔn)。

給水溫度提高14℃、排煙溫差升高8℃，接近給水溫度修正的9.1℃。

(3)從降耗潛力預(yù)測結(jié)果看，“低煤耗”運(yùn)行模式存在6.8 g/kWh的降耗潛力。