基于在線仿真節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)研究與應(yīng)用

尹少勇 吳景輝

[摘? ? 要]火電機(jī)組面臨煤質(zhì)多變、負(fù)荷多變、煤價多變、氣候多變、人員變化等復(fù)雜環(huán)境，如何實(shí)現(xiàn)降本增效是發(fā)電廠面臨的重要問題之一。在線仿真技術(shù)可以對電廠設(shè)備實(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)行，使作業(yè)人員掌握設(shè)備特定、故障現(xiàn)象、運(yùn)行特點(diǎn)，進(jìn)而為設(shè)備操作以及節(jié)能減排等提供科學(xué)指導(dǎo)。基于此，文章主要對在線仿真節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)及其應(yīng)用進(jìn)行研究。

[關(guān)鍵詞]節(jié)能優(yōu)化;在線仿真技術(shù);應(yīng)用效果;在線尋優(yōu)技術(shù)

[中圖分類號]TM76 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）01–00–02

Research and Application of Energy Saving Optimization

System Based on Online Simulation

Yin Shao-yong，Wu Jing-hui

[Abstract]Thermal power units are faced with complex environment such as variable coal quality， variable coal load， variable coal price， variable climate and variable personnel. How to reduce cost and increase efficiency is one of the important problems faced by power plants. On-line simulation technology can realize the simulation operation of power plant equipment， so that operators can master the specific equipment， fault phenomenon， operation characteristics， and thus provide scientific guidance for equipment operation， energy saving and emission reduction. Based on this， this paper mainly studies the on-line simulation energy saving optimization system and its application.

[Keywords]energy-saving optimization; Online simulation technology; Application effect; Online optimization techniques

目前國內(nèi)傳統(tǒng)的提升機(jī)組運(yùn)行水平的方式更多是通過耗差分析或者小指標(biāo)競賽對標(biāo)的方式激勵大家提升操作水平，但這種方式存在明顯的弊端，重要是對標(biāo)基準(zhǔn)問題，傳統(tǒng)的對標(biāo)基準(zhǔn)無法根據(jù)負(fù)荷變化而變化，因此基于此基準(zhǔn)的對標(biāo)與考核效果更多是流于形式，對運(yùn)行分析的價值很有限。要想突破這一瓶頸，必須建立一套隨負(fù)荷變化而能夠動態(tài)適應(yīng)的標(biāo)桿庫，并以此為基準(zhǔn)進(jìn)行后續(xù)的分析與評價工作。本系統(tǒng)基于仿真控制信息三位一體平臺支撐，以在線仿真分析技術(shù)、自學(xué)習(xí)建模技術(shù)、工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)、可視化技術(shù)等算法為手段，建立一個歷史尋優(yōu)、實(shí)時跟蹤運(yùn)行、指導(dǎo)運(yùn)行操作、評價運(yùn)行水平、進(jìn)行能耗診斷的綜合性優(yōu)化分析平臺，實(shí)現(xiàn)百萬千瓦火電機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 在線仿真節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

在線仿真節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)是秉承“科學(xué)用能、系統(tǒng)節(jié)能”的理念，以仿真、控制、信息與通信四位一體進(jìn)行研究開發(fā)，建立全廠工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺，實(shí)現(xiàn)全廠工藝控制系統(tǒng)、仿真和生產(chǎn)經(jīng)營管理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享;并在此基礎(chǔ)上以實(shí)時數(shù)據(jù)、在線仿真數(shù)據(jù)及豐富的歷史數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行在線分析與尋優(yōu)，實(shí)現(xiàn)電力生產(chǎn)全過程的在線分析與指導(dǎo)、節(jié)能異常診斷、在線尋優(yōu)及可視化、設(shè)備狀態(tài)分析、節(jié)能預(yù)警等多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，保障電廠的安全運(yùn)行，提高電廠經(jīng)濟(jì)效率，實(shí)現(xiàn)電廠的最佳效益。

如圖1所示，在線仿真節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)應(yīng)用分為技術(shù)數(shù)據(jù)層、中間管理層以及領(lǐng)導(dǎo)決策層。

（1）技術(shù)數(shù)據(jù)層。通過采集現(xiàn)場控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)，基于在線仿真系統(tǒng)，利用實(shí)時/歷史共享平臺，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)運(yùn)行過程的在線優(yōu)化分析，為生產(chǎn)運(yùn)行和設(shè)備管理提供在線優(yōu)化指導(dǎo)。具體功能包括實(shí)時在線仿真系統(tǒng)、節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)、管理分析系統(tǒng)（包括經(jīng)濟(jì)包、安全包和決策控制包）。

（2）中間管理層。通過精細(xì)化管理和現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)的集成，實(shí)現(xiàn)電廠生產(chǎn)經(jīng)營管理的信息化，業(yè)務(wù)流程的標(biāo)準(zhǔn)化和信息一體化。功能涵蓋電廠生產(chǎn)經(jīng)營活動的各個方面。

（3）管理決策層。集成了電廠生產(chǎn)的實(shí)時與歷史數(shù)據(jù)、經(jīng)營管理的實(shí)時與、歷史數(shù)據(jù)，建立管理層所需要的生產(chǎn)理、經(jīng)營管理指標(biāo)體系，通過對這些指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)、分析，實(shí)現(xiàn)實(shí)時管理、可視化管理，智慧管理的理念，為企業(yè)生產(chǎn)指揮、過程監(jiān)控分析、經(jīng)營決策提供有效幫助。

在線仿真節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)分為3部分，分別是在線仿真系統(tǒng)、全工況節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)以及管理優(yōu)化決策系統(tǒng)。其中在線仿真系統(tǒng)是通過高精度仿真模型實(shí)時在線仿真，為節(jié)能優(yōu)化和建模提供系統(tǒng)狀態(tài)的信息變量、修正因子等信息，為故障診斷及系統(tǒng)調(diào)試提供仿真平臺。全工況節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)，是基于大數(shù)據(jù)挖掘和尋優(yōu)技術(shù)，從海量的運(yùn)行數(shù)據(jù)中尋找優(yōu)秀經(jīng)驗(yàn)，作為標(biāo)桿，從而建立一個實(shí)時運(yùn)行跟蹤、指導(dǎo)運(yùn)行操作、評價運(yùn)行水平、進(jìn)行能耗診斷的綜合性分析平臺。本系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷等條件建立不同的工況簇，從歷史數(shù)據(jù)中尋找不同工況簇對應(yīng)的優(yōu)秀值，從而根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件動態(tài)匹配優(yōu)秀值，從而建立一套更為客觀公正的對標(biāo)評價體系，為節(jié)能降耗工作提供一個有力的平臺工具。管理優(yōu)化決策系統(tǒng)是為實(shí)現(xiàn)電廠管理目標(biāo)建立持續(xù)的技術(shù)支持平臺，系統(tǒng)全面貫徹“標(biāo)準(zhǔn)化、流程化、系統(tǒng)化、定量化”的精細(xì)管理思想，建立以設(shè)備“活臺帳”為核心的設(shè)備管理、圍繞成本全過程管理控制，功能覆蓋電廠生產(chǎn)經(jīng)營管理各環(huán)節(jié)，通過全廠大數(shù)據(jù)平臺，實(shí)現(xiàn)仿真、熱力控制、信息與通信的有機(jī)結(jié)合，為電廠管理提供實(shí)時和多重分析數(shù)據(jù)，并以尋優(yōu)及二次分析信息進(jìn)行可視化處理，提供了全面的決策支持和管理方案，確保電廠生產(chǎn)經(jīng)營全過程管理高效、合理、經(jīng)濟(jì)。

2 在線仿真節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)的技術(shù)支撐

2.1 在線仿真試驗(yàn)床技術(shù)

在線試驗(yàn)床是以在線跟蹤為基礎(chǔ)，根據(jù)客戶實(shí)際需要，保存當(dāng)前跟蹤結(jié)果到試驗(yàn)床試驗(yàn)工況。此時仿真模型在線跟蹤自學(xué)習(xí)過程，設(shè)備特性更加接近實(shí)際，有關(guān)操作后相應(yīng)參數(shù)的變化趨勢能夠反映實(shí)際生產(chǎn)過程。在試驗(yàn)工況下可以進(jìn)行各種試驗(yàn)操作，用以研究不同的調(diào)節(jié)和參數(shù)對于生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、質(zhì)量指標(biāo)的影響，對于降低生產(chǎn)能耗有極強(qiáng)的指導(dǎo)意義，而不必在實(shí)際生產(chǎn)線上試驗(yàn)，以避免潛在的風(fēng)險。用戶可以根據(jù)需要隨時自行添加試驗(yàn)內(nèi)容，研究保證產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)能耗的方法，用以指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)，產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 實(shí)時歷史數(shù)據(jù)庫技術(shù)

實(shí)時歷史數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是一套擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)實(shí)時數(shù)據(jù)庫，與其他商業(yè)實(shí)時數(shù)據(jù)庫的最大區(qū)別是，數(shù)據(jù)庫與四位一體支撐平臺是無縫融合在一起的，具有接口簡單、運(yùn)行效率高等特點(diǎn)。實(shí)時歷史數(shù)據(jù)庫包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)監(jiān)視、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、數(shù)據(jù)支持、云平臺接口等功能。是各個應(yīng)用系統(tǒng)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，各個應(yīng)用系統(tǒng)這個數(shù)據(jù)平臺共享數(shù)據(jù)。

2.3 在線尋優(yōu)技術(shù)

在線尋優(yōu)技術(shù)以在線仿真模型為基礎(chǔ)，從海量歷史數(shù)據(jù)中需找優(yōu)秀工況，并以優(yōu)秀工況為現(xiàn)場運(yùn)行的對標(biāo)標(biāo)桿，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用多種模型實(shí)現(xiàn)實(shí)時跟蹤、指導(dǎo)、診斷與評價工作。在線實(shí)時尋優(yōu)需要大量的模型庫以支撐其海量實(shí)時的計(jì)算需要，事實(shí)證明，采用仿真模型為底層支撐的在線尋優(yōu)技術(shù)完全能夠滿足電廠的功能要求。同時也在線仿真模型在尋優(yōu)的關(guān)鍵步驟也提供了關(guān)鍵的支撐作用，比如當(dāng)實(shí)際的尋優(yōu)場景中沒有找到實(shí)際的工況時，可以根據(jù)需要調(diào)用仿真軟測量模型，補(bǔ)充一個預(yù)測值以補(bǔ)充空缺的工況值，而軟測量技術(shù)正是仿真技術(shù)中核心技術(shù)之一。在線尋優(yōu)技術(shù)正是以在線仿真技術(shù)為支撐才有別于傳統(tǒng)的尋優(yōu)技術(shù)。

3 在線仿真節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)功能

3.1 遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控

本功能實(shí)現(xiàn)在線遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)際機(jī)組DCS參數(shù)的功能。通過數(shù)采軟件將現(xiàn)場DCS及全廠輔助系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞到實(shí)時數(shù)據(jù)庫中，調(diào)用在線仿真客戶端，通過同步模式顯示現(xiàn)場機(jī)組DCS數(shù)據(jù)。通過實(shí)時監(jiān)控功能可以判斷實(shí)時工況是否穩(wěn)定、仿真系統(tǒng)是否穩(wěn)定。

3.2 在線仿真試驗(yàn)床

在線試驗(yàn)功能，是通過仿真模型代替真實(shí)機(jī)組進(jìn)行試驗(yàn)。在實(shí)現(xiàn)在線跟蹤仿真基礎(chǔ)上。通過現(xiàn)場工況5分鐘平均值來判定機(jī)組穩(wěn)定狀態(tài)，仿真模型參數(shù)5min平均值與現(xiàn)場DCS值的誤差來判定仿真模型精度是否符合要求。在精度符合誤差要求后。通過在線試驗(yàn)床，將當(dāng)前工況切換到試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，此時仿真模型不再接收現(xiàn)場指令，可以通過仿真客戶端，對機(jī)組進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)操作，并觀測模型計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)用仿真模型代替真實(shí)機(jī)組進(jìn)行試驗(yàn)操作，并分析本次試驗(yàn)的效果。

3.3 機(jī)組仿真

機(jī)組仿真屬于常規(guī)離線培訓(xùn)仿真。仿真機(jī)可連續(xù)、實(shí)時地仿真生產(chǎn)各工藝系統(tǒng)，根據(jù)具體的運(yùn)行工況，計(jì)算機(jī)相應(yīng)的機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，并使這些參數(shù)在操作員站DCS界面及就地界面中顯示出來。仿真機(jī)可實(shí)現(xiàn)從設(shè)備啟停到故障工況測試等全部操作，其反應(yīng)與實(shí)際機(jī)組一致。

3.4 歷史尋優(yōu)

歷史尋優(yōu)是從海量歷史數(shù)據(jù)中尋找規(guī)律，建立模型，從而從更精細(xì)化的角度去指導(dǎo)運(yùn)行，降低煤耗。歷史尋優(yōu)是本系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是本系統(tǒng)的特色。歷史尋優(yōu)的關(guān)鍵點(diǎn)是算法模型，好的模型能夠從海量數(shù)據(jù)中挖掘出優(yōu)秀經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)得起現(xiàn)場的驗(yàn)證，本系統(tǒng)的尋優(yōu)模型是在集多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)而建立起來的。歷史尋優(yōu)功能支持人工交互方式執(zhí)行和自動執(zhí)行兩種模式。2種模式下，對尋優(yōu)的過程都支持透明化追溯。歷史尋優(yōu)包括尋優(yōu)控制臺管理、尋優(yōu)推薦管理、尋優(yōu)模型等環(huán)節(jié)組成。

3.5 管理分析與決策

通過發(fā)電廠控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)管理過程信息、經(jīng)營管理分析信息的“縱向貫通”，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)過程信息和管理業(yè)務(wù)信息的無縫融合，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電廠生產(chǎn)、經(jīng)營過程的可視化、可追溯性和全過程實(shí)時監(jiān)控，為電廠生產(chǎn)運(yùn)行管理人員提供功能強(qiáng)大，并具有廣闊擴(kuò)展空間的在線診斷、分析、優(yōu)化的平臺，為電廠管理者提供及時、定量的分析和決策支持。

4 在線仿真節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)應(yīng)用效果

節(jié)能優(yōu)化是本系統(tǒng)中的核心，全工況節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)是基于目前電廠運(yùn)行中存在的問題，而從大數(shù)據(jù)的思路上進(jìn)行的重要實(shí)踐，深入挖掘數(shù)據(jù)，尋找規(guī)律，逐步提升整體運(yùn)行水平，帶動煤耗水平的逐步下降。某火電廠從2015年9月陸續(xù)投運(yùn)以來，主要是通過對機(jī)組生產(chǎn)工藝系統(tǒng)實(shí)時尋優(yōu)，反向指導(dǎo)生產(chǎn)，確保機(jī)組在相對最優(yōu)工況下運(yùn)行，從而避免各種因素對煤耗的影響，達(dá)到節(jié)約能耗的目的。如圖2所示，根據(jù)項(xiàng)目系統(tǒng)煤耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2016年、2017年、2028年三年發(fā)電煤耗同比上一年分別下降5.34 g/kW·h、3.38 g/kW·h、1.53 g/kW·h;剔除當(dāng)年技改、計(jì)劃檢修等有利煤耗下降因素，通過本項(xiàng)目系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，經(jīng)測算，在2016年、2017年、2018年三年間，煤耗下分別約0.9 g/kW·h、0.4 g/kW·h、0.1 g/kW·h。特別是高負(fù)荷段的節(jié)能效果更為明顯，同時公司的整體管理水平、運(yùn)行水平均有不同程度的提升。

5 結(jié)語

當(dāng)今百萬級超超臨界機(jī)組在選型和設(shè)計(jì)上節(jié)能效果已較優(yōu)，技術(shù)改造上節(jié)能空間較小，為進(jìn)一步提高機(jī)組安全性、經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到精細(xì)管理、精確控制目的，本項(xiàng)目為電力發(fā)電企業(yè)的管理優(yōu)化、節(jié)能降耗、安全運(yùn)行提供了一條全新的技術(shù)路線，實(shí)踐了一條全新的、具有很大發(fā)展空間的技術(shù)方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹旦.中央空調(diào)系統(tǒng)仿真與節(jié)能優(yōu)化[D].上海：東華大學(xué)， 2016.