先進供熱與智慧發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

李娜，易祖耀，白銀雷

（華電鄭州機械設(shè)計研究院有限公司，鄭州450046）

0 引言

電力能源作為支撐工業(yè)生產(chǎn)的要素，與經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r息息相關(guān)并緊隨經(jīng)濟形勢做出相應(yīng)調(diào)整。電力能源以應(yīng)用廣泛、靈活可控、清潔高效的突出優(yōu)點成為當(dāng)今最重要的二次能源。

隨著經(jīng)濟和電力的快速發(fā)展，我國城鎮(zhèn)化高速推進，我國的供熱事業(yè)也得到了飛速發(fā)展。我國北方地區(qū)因地理位置、氣候等原因，供熱負(fù)荷需求大，近10 年，北方集中供熱面積年均增長率達(dá)13%，北京、哈爾濱、太原、銀川、鄭州等城市均建成了大規(guī)模的城市集中供熱設(shè)施［1］。除居民采暖供熱外，我國還存在大量工業(yè)供汽需求，工業(yè)生產(chǎn)（包括化工、造紙、制藥、紡織和有色金屬冶煉等）過程需要以熱為基本的能源［2］。

目前，我國用電增長乏力，部分地區(qū)用電量甚至出現(xiàn)了負(fù)增長，使得大型抽凝熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)展方式受限。我國熱電聯(lián)產(chǎn)行業(yè)在以下方面存在障礙：體制方面，能源價格政策有待進一步理順，供熱體制改造有待進一步深化［3］，熱電冷三聯(lián)供發(fā)電機組并網(wǎng)問題亟待解決；政策方面，缺乏針對熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱的財稅優(yōu)惠政策，缺乏對熱電聯(lián)產(chǎn)項目運行的監(jiān)督，缺乏對“小火電”與“小熱電”的正確理解；資金方面，新規(guī)劃項目缺乏對熱網(wǎng)建設(shè)的投資，熱網(wǎng)節(jié)能改造缺乏足夠的資金來源，有助于推動解決節(jié)能融資障礙的新機制較少。

為解決城市用能結(jié)構(gòu)電熱失調(diào)問題，同時解決燃煤機組大幅度變負(fù)荷運行及超低負(fù)荷運行時，在變工況瞬態(tài)能夠快速升降負(fù)荷的問題，國內(nèi)外學(xué)者對燃煤發(fā)電機組的發(fā)電技術(shù)和供熱技術(shù)開展了相關(guān)研究。研究發(fā)現(xiàn)：實現(xiàn)高效、靈活協(xié)同并滿足社會多元化用能需求是燃煤發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向，即先進供熱技術(shù)和智慧發(fā)電技術(shù)：先進供熱技術(shù)滿足用戶多元化用能需求，節(jié)能減排，破解熱電聯(lián)產(chǎn)機組的熱電耦合矛盾，實現(xiàn)熱電協(xié)同；智慧發(fā)電技術(shù)，即人工智能（AI）+發(fā)電，在頻繁深度變負(fù)荷運行背景下，實現(xiàn)燃煤電站高效、靈活、智能運行［4-8］。

本文從熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)展趨勢出發(fā)，分別對先進供熱技術(shù)和智慧發(fā)電技術(shù)進行評述，著重介紹2 個技術(shù)的原理及近年來的研究進展，結(jié)合燃煤機組的發(fā)展需求進一步評述其技術(shù)發(fā)展?jié)摿?，為我國燃煤機組先進供熱技術(shù)和智慧發(fā)電技術(shù)的研究提供參考。

1 先進供熱技術(shù)

1.1 發(fā)展趨勢

1.1.1 國外熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)展趨勢

國外熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)展的主要特點為多類型能源熱電聯(lián)產(chǎn)、燃料清潔化、節(jié)能技術(shù)系統(tǒng)化、熱能消費計量化。其中，多類型能源熱電聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用可再生能源和小型分布式能源發(fā)電制熱來滿足分散的用戶需求，同時達(dá)到最佳的經(jīng)濟效率和能源效率指標(biāo)。世界各國熱電聯(lián)產(chǎn)都在努力降低燃料中燃煤的比重，積極開發(fā)利用天然氣、煤層氣、可再生能源等清潔燃料。近年來，國外圍繞供熱機組開發(fā)節(jié)能技術(shù)，同時也圍繞供熱管網(wǎng)、采暖系統(tǒng)和住宅采暖開發(fā)節(jié)能技術(shù)。Lund 等［9］提出了第四代區(qū)域供熱（4DH）以及智慧熱網(wǎng)的概念，智能熱網(wǎng)主要在利用低溫?zé)嵩匆约芭c低能耗建筑物相互作用方面面臨挑戰(zhàn)?；诘湹哪茉聪到y(tǒng)，Mathiesen 等［10］對比了將可再生能源集成到電源中的7 種技術(shù)，確定了最省油、最省錢的技術(shù)為熱泵技術(shù)。

1.1.2 我國熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)展趨勢

我國熱電聯(lián)產(chǎn)目前正朝著更加清潔、高效、靈活的方向發(fā)展。未來能源消費的增量主要靠清潔能源提供，燃煤發(fā)電機組將作為基礎(chǔ)能源為可再生能源發(fā)電提供調(diào)峰服務(wù)：主動采取熱電解耦的措施，提升熱電聯(lián)產(chǎn)機組運行的靈活性；優(yōu)化獲得可解耦運行的熱電聯(lián)產(chǎn)機組熱力系統(tǒng)；對新一代熱電聯(lián)產(chǎn)機組開展調(diào)峰調(diào)頻特性研究，獲得其優(yōu)化運行策略。

1.2 技術(shù)特征

先進供熱技術(shù)具有如下主要特征：靈活性改造和熱電解耦、大型化+長距離低能耗熱網(wǎng)、分布式熱電聯(lián)產(chǎn)+儲能、精細(xì)化、智能化。

熱源方面，乏汽余熱回收和煙氣余熱回收技術(shù)不斷完善，實現(xiàn)了高效供熱，集成熱電解耦技術(shù)，提升熱電廠的電網(wǎng)調(diào)峰能力；熱網(wǎng)方面，長途輸熱技術(shù)不斷突破，安全性和經(jīng)濟性保障措施日益完善；供熱末端方面，降低回水溫度技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，低回水溫度也為余熱回收和長途輸送提供了前提；三級熱網(wǎng)架構(gòu)的提出，為降低回水溫度的熱力站改造找到了出路。而余熱挖潛不足、熱負(fù)荷供需地理空間分布不匹配、熱電供應(yīng)不協(xié)同是集中供熱最突出的3個問題。

采用熱電解耦、多熱源高效供熱、大溫差供熱、長輸供熱、智慧供熱等技術(shù)，熱源實現(xiàn)余熱高效回收和熱電協(xié)同，熱網(wǎng)實現(xiàn)安全高效輸配，末端實現(xiàn)低回水溫度，管理更加智能化［11-13］。

1.3 熱電解耦技術(shù)

熱電聯(lián)產(chǎn)機組機組可以通過增加電鍋爐、相變蓄熱等蓄熱裝置，削弱用戶之間的熱負(fù)荷關(guān)系，打破“以熱定電”的模式，實現(xiàn)熱電解耦。

1.3.1 典型的熱電解耦方式

典型的熱電解耦系統(tǒng)包括集成熱水儲罐、低壓轉(zhuǎn)子光軸、低壓缸零出力、壓縮式熱泵、電鍋爐，如圖1所示［12］。

1.3.2 典型熱電解耦系統(tǒng)的解耦性能

為獲得典型熱電解耦系統(tǒng)對機組最低電負(fù)荷、最大熱電比的影響，對采用熱泵、電鍋爐、儲熱、低壓缸零出力的解耦技術(shù)進行了最低電負(fù)荷和最大熱電比對比，如圖2—3所示。

從圖2 可以看出：供熱量為200 MW 時，原機組的最低電負(fù)荷為181.88 MW，壓縮式熱泵、電鍋爐、儲熱、低壓缸改造后最低電負(fù)荷分別降低了39.37%，68.22%，23.34%，81.86%。

從圖3 可以看出：發(fā)電量為160 MW 時，原機組的最大熱電比為0.992 3，壓縮式熱泵、電鍋爐、儲熱、低壓缸改造后最大熱電比分別提高了0.84，1.46，0.50，2.05。

綜上所述：采用熱泵、電鍋爐、儲熱等解耦技術(shù)均能擴大機組的安全運行區(qū)間；幾種解耦方式均可提高機組的最大熱電比，降低機組的最低電負(fù)荷。

1.4 多熱源組合高效供熱技術(shù)

為了提高供熱的效率，降低供熱能耗，目前由供熱機組為熱網(wǎng)提供熱源的單一模式將發(fā)生很大變化，熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)未來將由多種形式的熱源組合而成，如圖4所示。

1.4.1 高背壓直接換熱供熱方式

高背壓供熱方式是在抽汽工況的基礎(chǔ)上提高背壓或進行換轉(zhuǎn)子改造，熱網(wǎng)回水先和低壓缸排汽直接換熱，可減少一部分抽汽尖峰加熱量，抽汽流量更少，如圖5所示。

圖1 熱電聯(lián)產(chǎn)機組典型的熱電解耦系統(tǒng)Fig.1 Heat-electricity decoupling system in a typical CHP unit

圖2 不同解耦方式最低電負(fù)荷對比Fig.2 Minimum electric load with different decoupling methods

圖3 不同解耦方式最大熱電比對比Fig.3 Maximum heat-to-electric ratios with different decoupling methods

圖4 多熱源組合高效供熱Fig.4 Efficiency heating made by multiple heat sources

圖5 直接換熱供熱系統(tǒng)Fig.5 Direct heat-exchange system

1.4.2 機械壓縮式熱泵回收余熱供熱方式

通過熱泵采用高品位能量提取乏汽余熱，圖6為電驅(qū)動機械壓縮式熱泵余熱回收系統(tǒng)。

圖6 電驅(qū)動機械壓縮式熱泵回收余熱系統(tǒng)Fig.6 Heat recovery system with mechanical compressed heat pumps driven by electricity

1.4.3 多臺機組乏汽回收余熱供熱方式

按照背壓由低到高的順序?qū)⒍嗯_機組的凝汽器串聯(lián)，共同承擔(dān)供熱基本負(fù)荷，然后由吸收式熱泵回收余熱，最后由抽汽直接加熱作為調(diào)峰，使電廠更加簡單高效，如圖7所示。

圖7 多臺汽輪機吸收式熱泵供熱系統(tǒng)Fig.7 Absorption heat pump for multiple steam turbines

由圖8可見：回水溫度較高時，多臺機組串聯(lián)對降低系統(tǒng)能耗的影響不大；隨著回水溫度的降低，多臺機組“梯級加熱”以減小換熱損失的優(yōu)勢更加明顯；隨著串聯(lián)機組臺數(shù)的增加，發(fā)電煤耗和供熱煤耗顯著降低。

圖8 多臺汽輪機吸收式熱泵供熱系統(tǒng)發(fā)電煤耗及供熱煤耗Fig.8 Coal consumptions of power supply and heat supply made by the absorption heat pump for several units connected in series

1.4.4 燃?xì)鉄煔庥酂峄厥展岱绞?/p>

燃?xì)鉄煔庥酂峄厥展崾窃诔Ｒ?guī)的煙氣余熱回收技術(shù)（包括利用熱網(wǎng)回水與煙氣換熱、利用空氣與煙氣換熱或二者結(jié)合）的基礎(chǔ)上，為了獲得低溫冷源，在系統(tǒng)中加入吸收式熱泵，利用熱泵制取低溫冷卻水，從而達(dá)到深度回收余熱的目的，如圖9所示。

圖9 燃?xì)鉄煔馕帐綗岜迷鞦ig.9 Absorption heat pump applied in flue gas from coal-fired units

在熱網(wǎng)回水溫度為50 ℃的情況下，該余熱回收方式可以將經(jīng)濟排煙溫度降至20 ℃，系統(tǒng)的余熱回收率可達(dá)80%。煙氣進入深度余熱回收階段時，會出現(xiàn)大量的酸性冷凝水，對設(shè)備產(chǎn)生腐蝕；同時，換熱量越大，設(shè)備造價越高：因此，實際工程中一般使用直接接觸式噴淋塔代替間壁式換熱器，可有效降低腐蝕帶來的影響，同時降低設(shè)備成本，減少傳熱傳質(zhì)阻力，提高換熱效率。

1.4.5 燃煤煙氣余熱回收供熱方式

現(xiàn)階段較為成熟的燃煤煙氣余熱回收技術(shù)為濕法脫硫的煙氣余熱回收與減排一體化技術(shù)，其原理如圖10 所示。以吸收式熱泵制取低溫冷源作為噴淋塔的循環(huán)冷卻水，經(jīng)過脫硫塔后的煙氣在噴淋塔中進一步降溫排出，煙氣在噴淋塔中進行了二次洗滌，進一步脫除SO2，NOx等污染物，煙氣冷凝水可以作為脫硫塔的補水。

圖10 燃煤煙氣余熱回收技術(shù)原理Fig.10 Recovery process of waste heat from coal-fired flue gas

1.5 大溫差供熱技術(shù)

1.5.1 技術(shù)原理

大溫差供熱的核心在于降低熱網(wǎng)回水溫度，這要依靠位于熱網(wǎng)末端的吸收式換熱器。這種吸收式換熱器之所以能夠降低一次水溫度，是依賴一次側(cè)供水與二次側(cè)供水之間的溫差。兩側(cè)流量的差異越大、一次側(cè)供水與二次側(cè)供水溫差越大，吸收式換熱器對一次側(cè)回水的降溫能力就越大。

大溫差技術(shù)路線包括高效換熱器、吸收式換熱器、壓縮式熱泵等。

1.5.2 發(fā)展瓶頸

盡管吸收式換熱技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但目前仍沒有一個城市能真正把回水溫度降到30 ℃以下，其主要原因是熱力站改造困難：（1）需要對全部熱力站進行改造，把原來的板式換熱器更換為吸收式換熱器；（2）吸收式換熱器體積大，設(shè)備進入現(xiàn)場困難，有的場合還找不到足夠的安裝空間。

1.6 長輸供熱技術(shù)

在北歐，長距離集中供熱輸送管道已經(jīng)應(yīng)用了幾十年，是實現(xiàn)多重效益的技術(shù)解決方案，包括但不限于利用偏遠(yuǎn)工業(yè)企業(yè)和發(fā)電廠的余熱。長距離輸送技術(shù)通過合并集中供熱網(wǎng)絡(luò)，平衡可用的熱能生產(chǎn)能力和熱需求，實現(xiàn)更優(yōu)的整體生產(chǎn)組合。

在中國，集中供熱輸送管道也已經(jīng)應(yīng)用了數(shù)十年，通常比北歐的管道管徑更大。隨著中國集中供熱系統(tǒng)的迅速發(fā)展，集中供熱長輸管線的應(yīng)用逐漸增加。我國興建的集中供熱系統(tǒng)長輸管線管徑大，管內(nèi)輸送介質(zhì)溫度高、壓力大，承擔(dān)的熱負(fù)荷大（增加了多級泵站輸送、水擊防護等安全保障技術(shù)）；同時，供熱系統(tǒng)長輸管線工程都是各省市防治大氣污染、保障城鎮(zhèn)居民供熱的重要民生舉措，投入了大量的人員和資金進行建設(shè)［14］。

1.6.1 高效輸送技術(shù)

熱電聯(lián)產(chǎn)長輸供熱系統(tǒng)輸送距離長、流量大，系統(tǒng)的輸配能耗很大，因此，如何實現(xiàn)高效輸送，降低熱網(wǎng)輸配能耗成為亟需解決的問題。管壁粗糙度是熱水管道水力計算的重要基礎(chǔ)參數(shù)，它反映了管壁的光滑程度及管道變形狀況對流動過程的影響，其取值對熱網(wǎng)輸配能耗的影響很大［15］。

在管道內(nèi)壁涂刷防腐減阻涂層，既可以防止管內(nèi)腐蝕，還可以降低管道的摩擦阻力，減少長輸供熱管網(wǎng)的輸配能耗。

1.6.2 水熱同輸技術(shù)

為緩解水資源危機，我國在提倡大力節(jié)水的同時，積極開發(fā)利用海水等非常規(guī)水資源。海水淡化作為有效的淡水補充途徑，已逐步成為水資源的重要補充和戰(zhàn)略儲備。海水淡化主要分為反滲透法（膜法）和蒸餾法（熱法）2 大類。其中蒸餾法利用電廠余熱，通過多次梯狀的蒸發(fā)和冷凝實現(xiàn)淡水分離。常規(guī)的蒸餾法分離出30 ℃左右的淡水及蒸汽，冷卻后作為產(chǎn)品輸出。冬季時不冷卻產(chǎn)品淡水，而是進一步加熱升溫后輸送出去，可實現(xiàn)淡水和熱量的同時輸送，即“水熱同輸”。該技術(shù)主要應(yīng)用于沿海熱電廠。

沿海熱電廠的水熱同輸系統(tǒng)將海水淡化技術(shù)和余熱利用技術(shù)結(jié)合在一起。淡水（海水淡化產(chǎn)品）作為熱載體，將熱量從熱電廠輸送到城市集中供熱系統(tǒng)中。水熱同輸系統(tǒng)分為高溫淡水制備、長距離輸送和末端熱量析出3個部分，如圖11所示。

圖11 沿海電廠水熱同輸系統(tǒng)Fig.11 Transmission system for water and heat from coastal power plants

1.6.3 高性能管道保溫技術(shù)

針對如何減少長輸管道沿途散熱損失的問題，高性能納米氣凝膠管道保溫技術(shù)是一種比較有效的措施。

導(dǎo)熱系數(shù)低于無對流空氣的絕熱材料稱為超級絕熱材料［16］，氣凝膠就是一種超級絕熱材料。氣凝膠的孔徑尺寸低于常壓下空氣分子平均自由程，在氣凝膠孔隙中，空氣分子近似靜止，幾乎避免了空氣對流傳熱；同時，氣凝膠極低的體積密度及納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的彎曲路徑，阻止了氣態(tài)和固態(tài)熱傳導(dǎo)；另外，氣凝膠趨于無窮多的孔壁，可以使熱輻射降至最低［17］：在這3方面的共同作用下，熱傳遞的所有途徑幾乎全被阻斷。

以某工業(yè)園區(qū)集中供熱蒸汽管道工程（DN 600管道，蒸汽流量為100 t∕h，壓力為1 MPa，溫度為270 ℃）為例，與傳統(tǒng)保溫結(jié)構(gòu)相比較，采用氣凝膠或氣凝膠復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)，每1 km 管線每年可分別節(jié)能3 001，2 047 GJ，以熱價55 元∕GJ 進行計算，折合人民幣16.5 萬，11.2 萬元。

某工業(yè)園DN 600 地埋蒸汽管道長6.2 km，對傳統(tǒng)保溫方案和納米氣凝膠氈方案進行對比。氣凝膠保溫材料費用高于傳統(tǒng)保溫材料，但由于氣凝膠優(yōu)異的絕熱性能，達(dá)到同等效果所用保溫材料厚度為傳統(tǒng)材料的1∕4，因而外套鋼管用量僅為前者的1∕2，總費用低于傳統(tǒng)保溫方案。

1.7 智慧供熱技術(shù)

當(dāng)前，我國供熱行業(yè)正處在產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型、新舊動能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵期，傳統(tǒng)的增長方式難以為繼，亟需通過創(chuàng)新培育形成發(fā)展新動能［18］。為實現(xiàn)綠色生產(chǎn)、智能生產(chǎn)以及資源高效循環(huán)利用，我國供熱行業(yè)迫切需要按照技術(shù)和產(chǎn)業(yè)變革趨勢采取產(chǎn)業(yè)升級行動，掌握發(fā)展主動權(quán)，其中一個重要途徑是結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源技術(shù)，實現(xiàn)以供熱系統(tǒng)為代表的能源板塊的精細(xì)化運行調(diào)度。

1.7.1 智慧熱網(wǎng)（智慧供熱）原理

“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源是一種互聯(lián)網(wǎng)與能源生產(chǎn)、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展新形態(tài)，具有設(shè)備智能、多能協(xié)同、信息對稱、供需分散、系統(tǒng)扁平、交易開放等特征，通過推進信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)在量測、計算、控制等多功能環(huán)節(jié)上的高效集成，實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的實時感知和信息反饋，建設(shè)信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)相融合的智能化調(diào)控體系［19-22］。伴隨新一代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算等技術(shù)與各行業(yè)加速融合，“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源這一理念正呈現(xiàn)從第三產(chǎn)業(yè)向第二產(chǎn)業(yè)滲透、融合的趨勢。

1.7.2 智慧熱網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

智慧熱網(wǎng)必需的組成部分是二次網(wǎng)及末端用戶的精細(xì)調(diào)控［23］，為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要以現(xiàn)有熱網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）、分散控制系統(tǒng)（DCS）以及計量系統(tǒng)等為基礎(chǔ)，以物聯(lián)感知技術(shù)為支撐，對熱網(wǎng)關(guān)鍵位置的熱工水力參數(shù)測量進行完善，形成供熱系統(tǒng)感知測量手段，以實現(xiàn)按需精準(zhǔn)供熱調(diào)控。智慧熱網(wǎng)硬件感知設(shè)備框架如圖12所示。

圖12 智慧熱網(wǎng)硬件感知設(shè)備框架Fig.12 Framework of measurement apparatus in intelligent heating network

1.7.3 基于機理與辨識相結(jié)合的建模仿真

智慧熱網(wǎng)系統(tǒng)中對供熱管網(wǎng)的建模主要采用機理建模方法，這種結(jié)構(gòu)機理模型能夠細(xì)化到管徑、管材、管長、彎頭、保溫層厚度、閥門特性等參數(shù)。單純依靠機理建模獲得的仿真結(jié)果與實際運行狀態(tài)之間必然存在一定偏差，熱網(wǎng)投產(chǎn)運行一段時間后，系統(tǒng)能夠通過基于測量數(shù)據(jù)的辨識建模方法對機理模型進行自適應(yīng)修正，以提高仿真的精度。供熱系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)路線如圖13所示。

圖13 供熱系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)路線Fig.13 Modeling and simulation technology roadmap of the heating system

1.7.4 基于大數(shù)據(jù)的分析與診斷

智能熱網(wǎng)系統(tǒng)基于供熱系統(tǒng)海量歷史數(shù)據(jù)，依據(jù)熱用戶自身用汽性質(zhì)分析負(fù)荷影響因素，結(jié)合季節(jié)、節(jié)假日、日夜峰谷、天氣等因素，采用與數(shù)據(jù)匹配度高的回歸分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法或模糊預(yù)測法等大數(shù)據(jù)分析法建立熱用戶的負(fù)荷預(yù)測模型，對未來的負(fù)荷發(fā)展趨勢進行預(yù)測，進而獲取未來一段時期內(nèi)各熱用戶及整個供熱系統(tǒng)的負(fù)荷發(fā)展趨勢，為供熱系統(tǒng)的預(yù)測性調(diào)節(jié)控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的供需動態(tài)平衡匹配［24-26］。此外，基于運行數(shù)據(jù)的分析處理，還可建立熱網(wǎng)蒸汽品質(zhì)及管網(wǎng)設(shè)備診斷模型，以支持供熱系統(tǒng)的故障診斷及狀態(tài)維修。

1.7.5 基于智能算法的決策優(yōu)化

以供熱系統(tǒng)建模與仿真為基礎(chǔ)，智慧供熱平臺能夠支持供熱系統(tǒng)運行調(diào)度決策的在線優(yōu)化，實現(xiàn)供熱系統(tǒng)的智慧化運行。其核心方法是，以仿真計算為“內(nèi)核”，以并行智能優(yōu)化算法為“外殼”，對特定運行條件下的多樣化生產(chǎn)調(diào)度決策方案進行對比擇優(yōu)。基于仿真模型預(yù)測的運行決策優(yōu)化框架如圖14所示。

根據(jù)上述技術(shù)路線，構(gòu)建圖15所示的智慧城市供熱系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)架，主要包含數(shù)據(jù)采集、仿真運行、數(shù)據(jù)分析、決策優(yōu)化4個層次。

2 智慧發(fā)電技術(shù)

圖14 基于仿真模型預(yù)測的運行決策優(yōu)化框架Fig.14 Optimized operational decision-making process based on simulation model prediction

圖15 智慧城市供熱系統(tǒng)技術(shù)框架Fig.15 Technical structure of the intelligent municipal heat-supply system

智慧發(fā)電技術(shù)是以動力過程的數(shù)字化、自動化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化為基礎(chǔ)，以管控一體化、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)為平臺，集成智能傳感與執(zhí)行、智能控制與優(yōu)化、智能管理與決策等技術(shù)，形成一種具備自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自趨優(yōu)、自恢復(fù)、自組織的智能發(fā)電運行控制管理模式，實現(xiàn)更加清潔低碳、高效安全、靈活的生產(chǎn)目標(biāo)。智慧發(fā)電技術(shù)是從智能感知到閉環(huán)控制的全鏈條技術(shù)方案，如圖16所示。

圖16 智慧發(fā)電技術(shù)框架Fig.16 Technical structure of intelligent power generation technology

2.1 智能感知技術(shù)

2.1.1 智能感知技術(shù)背景

目前，電站鍋爐需要監(jiān)測上千組運行參數(shù)，這些數(shù)據(jù)是進行系統(tǒng)分析、性能檢測、模型優(yōu)化的前提，也是控制系統(tǒng)負(fù)反饋的重要組成部分，因此，實時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)測量技術(shù)是電廠高效運行的必要保證。測量參數(shù)可分為模擬量及數(shù)字量2 大類：數(shù)字量主要表征輔機與快關(guān)閥等設(shè)備與元件的運行狀態(tài)；模擬量則包含溫度、壓力、流量、料位、組分、電流及設(shè)備狀態(tài)。電廠很多關(guān)鍵參數(shù)測量不準(zhǔn)確或難以實時測量，如煤質(zhì)在線測量、燃燒測量、飛灰含碳量在線測量、主蒸汽流量測量、排汽焓值測量等，這些都影響了數(shù)字化電廠的發(fā)展。

2.1.2 智能感知技術(shù)分類

智能感知技術(shù)包括先進檢測技術(shù)和軟測量技術(shù)。先進檢測技術(shù)采用激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）煤質(zhì)分析技術(shù)、計算機斷層掃描-可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（CT-TDLAS）煤粉爐爐膛溫度∕濃度分布測試技術(shù)，實現(xiàn)在線煤質(zhì)分析、在線鍋爐燃燒監(jiān)測等。軟測量技術(shù)依據(jù)易測過程變量與難以直接測量待測過程變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過各種數(shù)學(xué)計算和估計方法，實現(xiàn)對待測過程變量的測量［27］。

2.2 數(shù)字孿生技術(shù)

2.2.1 定義與作用

2012 年美國航空航天局（NASA）給出了比較系統(tǒng)、完整的數(shù)字孿生定義：充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多尺度的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)物理實體產(chǎn)品的全生命周期過程［28］。數(shù)字孿生技術(shù)可實現(xiàn)超時計算、故障預(yù)測、提前預(yù)警；反映設(shè)備的性能，調(diào)整運行方式，進行智能決策；獲取全廠運行數(shù)據(jù)，進行全局變量的優(yōu)化。

2.2.2 模型分類

數(shù)字孿生技術(shù)模型分為機理模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動模型和混合驅(qū)動模型。其中機理模型需要了解明確的機理，遵循質(zhì)量、動量、能量等守恒定律，為了建立模型需要進行合理假設(shè)。數(shù)據(jù)驅(qū)動模型需要輸入、輸出數(shù)據(jù)，不需要了解機理和模型情況，模型在數(shù)據(jù)覆蓋的范圍內(nèi)有效?；旌夏Ｐ蛯C理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動模型進行組合，充分利用機理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的優(yōu)勢。

2.2.3 機理模型特點

由于數(shù)字孿生和控制系統(tǒng)的目的不同，應(yīng)用于數(shù)字孿生系統(tǒng)的機理模型與應(yīng)用于控制系統(tǒng)的機理模型也不相同。

在模型形式方面，為了簡化計算，應(yīng)用于控制系統(tǒng)的機理模型多采用零維模型，而應(yīng)用于數(shù)字孿生系統(tǒng)的機理模型形式相對靈活，可以根據(jù)需要建立一維模型、分布參數(shù)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等模型進行綜合建模；在計算參數(shù)方面，應(yīng)用于控制系統(tǒng)的模型要建立輸入與輸出函數(shù)，忽略與控制系統(tǒng)無關(guān)的因素，而應(yīng)用于數(shù)字孿生系統(tǒng)的模型不僅要計算設(shè)備熱力參數(shù)，還要對設(shè)備的性能參數(shù)、系統(tǒng)效率進行計算，因此機理模型更全面；在數(shù)據(jù)處理方面，應(yīng)用于控制系統(tǒng)的機理模型對數(shù)據(jù)多為參數(shù)辨識，而數(shù)字孿生系統(tǒng)要求模型不僅能夠?qū)?shù)進行辨識，還能對歷史數(shù)據(jù)進行有效的挖掘和利用，充分發(fā)揮機理模型作為先驗知識的作用。

2.2.4 數(shù)據(jù)驅(qū)動模型特點

（1）模型計算成本低，可以在線計算；（2）利用現(xiàn)場數(shù)據(jù)建立的模型計算精度高；（3）模型的解釋性差且難以利用先驗知識；（4）計算的準(zhǔn)確度有限。

2.2.5 混合模型特點

混合模型也稱為灰箱模型，最早在20 世紀(jì)90年代被提出。其優(yōu)勢是比機理模型更容易建立，對于非線性和動態(tài)系統(tǒng)而言性能更高，模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)具有一定的物理意義，比數(shù)據(jù)驅(qū)動模型具有更好的泛化能力。不足之處是模型的性能受限于機理模型的性能，建模方式雖靈活，但依賴于使用者的決策，在優(yōu)化問題中，模型的參數(shù)可能無法收斂到全局最優(yōu)［29］。

2.3 閉環(huán)控制技術(shù)

隨著人工智能、數(shù)據(jù)處理以及計算機硬件平臺的發(fā)展，將先進優(yōu)化控制算法應(yīng)用于熱力系統(tǒng)成為可能，傳統(tǒng)比例-積分-微分（PID）控制系統(tǒng)在穩(wěn)定、低擾動工況附近控制效果穩(wěn)定，因此得到廣泛應(yīng)用。隨著電廠調(diào)峰任務(wù)的增加，負(fù)荷變化速率和范圍都在增加，控制系統(tǒng)的非線性問題使線性控制系統(tǒng)的控制效果不斷降低，啟停工況和事故工況下控制效果有限。

閉環(huán)控制技術(shù)采用模型驅(qū)動的先進控制算法，主要有預(yù)測控制、前饋控制等。使用機理模型可以提高控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，減少系統(tǒng)非線性的影響。結(jié)合熱網(wǎng)供熱負(fù)荷實時預(yù)測，利用全網(wǎng)仿真模型進行實時運行工況的在線尋優(yōu)，通過智能優(yōu)化算法對熱網(wǎng)運行調(diào)度的控制策略及控制變量進行優(yōu)化，為熱網(wǎng)的預(yù)調(diào)節(jié)及實時調(diào)節(jié)提供決策方案；同時，支持事故狀態(tài)、熱用戶快速啟停等突發(fā)情況下熱網(wǎng)運行方式的快速尋優(yōu)，科學(xué)指導(dǎo)突發(fā)事件發(fā)生時的運行調(diào)節(jié)。

3 先進供熱與智慧發(fā)電技術(shù)展望

通過先進供熱技術(shù)，加快燃煤發(fā)電升級與改造，加大既有熱電聯(lián)產(chǎn)機組、燃煤發(fā)電機組調(diào)峰靈活性改造力度，改善電力系統(tǒng)調(diào)峰性能，提高火電機組靈活運行模式和運行效率。通過智慧發(fā)電技術(shù)，開發(fā)在線診斷技術(shù)，實現(xiàn)火電機組邊界頻繁擾動的優(yōu)化控制。先進供熱與智慧發(fā)電技術(shù)還有待完善，但這2 種技術(shù)可為我國熱電聯(lián)產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展以及火電發(fā)電設(shè)施、用電設(shè)施以及電網(wǎng)智能化提供技術(shù)支持，全面提升供熱系統(tǒng)管控能力，同時推動我國能源結(jié)構(gòu)向低碳化、清潔化加速轉(zhuǎn)型。