火力發(fā)電機(jī)組節(jié)能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)方法研究

付旭晨，于英利，王 磊，韓 義，韓 元

（1.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，呼和浩特 010020；2.能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)），南京 210096）

0 引言

在“碳達(dá)峰”“碳中和”背景下，火力發(fā)電廠作為高耗能行業(yè)，對(duì)于提高能源資源利用效率、實(shí)現(xiàn)綠色升級(jí)的需求愈發(fā)緊迫，節(jié)能指標(biāo)作為表征機(jī)組及各部件節(jié)能水平的重要參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行規(guī)范統(tǒng)計(jì)、明確統(tǒng)計(jì)方法勢(shì)在必行[1-2]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)火力發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)制定了較多標(biāo)準(zhǔn)，德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會(huì)就數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方面制定了DIN 53804 系列標(biāo)準(zhǔn)；國(guó)內(nèi)以中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)為技術(shù)歸口單位，制定了一系列數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理和解釋標(biāo)準(zhǔn)[3]。另外，行業(yè)內(nèi)也在技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算、節(jié)能技術(shù)監(jiān)督、節(jié)能指標(biāo)分析方面制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)[4]。DL/T 904—2015《火力發(fā)電廠技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算方法》涉及火力發(fā)電廠發(fā)電生產(chǎn)全過(guò)程中技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的計(jì)算，對(duì)非直接測(cè)量指標(biāo)的具體計(jì)算方法進(jìn)行了規(guī)范[5]；DL/T 2172—2020《火力發(fā)電廠節(jié)能指標(biāo)分析體系》涉及火力發(fā)電廠的節(jié)能指標(biāo)體系構(gòu)建，通過(guò)指標(biāo)之間的主要影響，將節(jié)能指標(biāo)進(jìn)行了分解，分為總體指標(biāo)、一級(jí)指標(biāo)、二級(jí)指標(biāo)、三級(jí)指標(biāo)、四級(jí)指標(biāo)、五級(jí)指標(biāo)[6]；DL/T 1052—2016《電力節(jié)能技術(shù)監(jiān)督導(dǎo)則》涉及火力發(fā)電設(shè)施開(kāi)展節(jié)能監(jiān)督過(guò)程中如何運(yùn)用節(jié)能指標(biāo)來(lái)開(kāi)展監(jiān)督工作，對(duì)節(jié)能技術(shù)監(jiān)督評(píng)價(jià)和考核過(guò)程進(jìn)行了規(guī)范[7]。但各類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)中缺少對(duì)火力發(fā)電廠發(fā)電生產(chǎn)全過(guò)程中節(jié)能指標(biāo)的規(guī)范統(tǒng)計(jì)方法。

規(guī)范的統(tǒng)計(jì)方法需要對(duì)運(yùn)行過(guò)程中的大量數(shù)據(jù)根據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確、規(guī)范統(tǒng)計(jì)，對(duì)該時(shí)間段的機(jī)組節(jié)能水平進(jìn)行明確表征，不僅有助于對(duì)標(biāo)活動(dòng)的規(guī)范性開(kāi)展，同時(shí)也對(duì)電力企業(yè)節(jié)能減排起到推動(dòng)作用。

1 統(tǒng)計(jì)前數(shù)據(jù)處理

火電機(jī)組的原始數(shù)據(jù)通過(guò)對(duì)測(cè)點(diǎn)、試驗(yàn)、儀表等方式進(jìn)行采集，但采集的大量原始數(shù)據(jù)中，只有穩(wěn)態(tài)工況下的數(shù)據(jù)才能真實(shí)客觀地反映系統(tǒng)的運(yùn)行情況及其經(jīng)濟(jì)環(huán)保性能[8]。統(tǒng)計(jì)過(guò)程中應(yīng)先識(shí)別數(shù)據(jù)的異常點(diǎn)，進(jìn)行剔除后得到穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，再進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的權(quán)重分析，最終得到所需時(shí)間段的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，具體統(tǒng)計(jì)流程可見(jiàn)圖1。

圖1 火電機(jī)組數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)流程框圖Fig.1 Data statistical flow chart of therrnal power unit

對(duì)于發(fā)電廠的大量數(shù)據(jù)，首先需提取其有效信息，刪除異常信息[9-14]。在連續(xù)過(guò)程數(shù)據(jù)的異常點(diǎn)檢測(cè)中，若一系列數(shù)據(jù)無(wú)限連續(xù)逼近，即可得到過(guò)程變量與時(shí)間相關(guān)t 的近似函數(shù)f（t），當(dāng)f（t）在初始時(shí)刻t0上的一階導(dǎo)數(shù)值小于某一具體閾值Tf時(shí)，則處于穩(wěn)態(tài)，見(jiàn)公式（1）：

閾值依據(jù)調(diào)峰特性進(jìn)行選取，一般調(diào)峰速率為（1.5%FP～2%FP）/min（FP為額定負(fù)荷）時(shí)推薦閾值Tf為f（t）變化總量程的30%；調(diào)峰速率＞2%FP/min 時(shí)，推薦閾值Tf為f（t）變化總量程的50%。推薦閾值可涵蓋實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的波動(dòng)范圍?？偭砍提槍?duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)不同而分別考慮。由于采用統(tǒng)一的推薦標(biāo)準(zhǔn)，給出的閾值范圍可涵蓋所有節(jié)能指標(biāo)數(shù)據(jù)，因此未對(duì)單一指標(biāo)進(jìn)行具體分析。

異常值剔除后，需要對(duì)該時(shí)刻的節(jié)能指標(biāo)采用插值法重構(gòu)[15-19]，具體重構(gòu)方法見(jiàn)公式（2）：

式中：X0—0時(shí)刻；

X1—1時(shí)刻；

Y0—0時(shí)刻的節(jié)能指標(biāo)值；

Y1—1時(shí)刻的節(jié)能指標(biāo)值；

X—異常數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻；

Y—重構(gòu)后的節(jié)能指標(biāo)值。

2 統(tǒng)計(jì)方法

2.1 方法1：積分法

需要將統(tǒng)計(jì)期內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行累加的節(jié)能指標(biāo)，其統(tǒng)計(jì)方法宜采用積分法。對(duì)t0至t1時(shí)刻區(qū)間內(nèi)的節(jié)能指標(biāo)，計(jì)算公式如式（3）：

2.2 方法2：直接算術(shù)平均法

不受其他節(jié)能指標(biāo)影響或影響較小的節(jié)能指標(biāo)，其統(tǒng)計(jì)方法宜采用直接算術(shù)平均法。對(duì)于時(shí)間是連續(xù)型的時(shí)點(diǎn)數(shù)列，其直接算術(shù)平均法的計(jì)算公式如式（4）：

式中：—該組數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值；

ai—統(tǒng)計(jì)指標(biāo)對(duì)應(yīng)統(tǒng)計(jì)期內(nèi)的每一個(gè)數(shù)據(jù)；

n—該組數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。

2.3 方法3：加權(quán)算術(shù)平均法

受其他指標(biāo)影響且需要進(jìn)行加權(quán)計(jì)算的節(jié)能指標(biāo)，宜采用加權(quán)算術(shù)平均法。節(jié)能指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)連續(xù)型的時(shí)點(diǎn)數(shù)列有x1，x2，…，xn，所對(duì)應(yīng)的權(quán)值分別是w1，w2，…，wn，n 為該組數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，其加權(quán)算術(shù)平均法的計(jì)算公式如式（5）：

對(duì)節(jié)能指標(biāo)有重大關(guān)聯(lián)影響的變量即可認(rèn)定為權(quán)重值，例如負(fù)荷率、蒸發(fā)量比率、給煤量等。涉及比率的權(quán)值，表征采集時(shí)間對(duì)應(yīng)值與額定值的比率，例如負(fù)荷率為當(dāng)前運(yùn)行負(fù)荷與額定負(fù)荷的比值，蒸發(fā)量比率為當(dāng)前運(yùn)行蒸發(fā)量與額定蒸發(fā)量的比值。

2.4 方法4：幾何平均法

在涉及流量、密度等重大關(guān)聯(lián)影響的節(jié)能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析中，將節(jié)能指標(biāo)各數(shù)值的連乘積開(kāi)項(xiàng)數(shù)次方根，表征幾何平均值，采用幾何平均法。不涉及權(quán)值影響的節(jié)能指標(biāo)采用簡(jiǎn)單幾何平均法，涉及權(quán)值影響的節(jié)能指標(biāo)則采用加權(quán)幾何平均法。兩種幾何平均法的計(jì)算公式如下。

（1）簡(jiǎn)單幾何平均法：

（2）加權(quán)幾何平均法：

式中：f1，f2，f3，…，fn—x1，x2，x3…，xn的權(quán)重。

3 節(jié)能指標(biāo)權(quán)重識(shí)別與統(tǒng)計(jì)方法選取

根據(jù)火力發(fā)電機(jī)組設(shè)備的位置劃分，其節(jié)能指標(biāo)可分為綜合節(jié)能指標(biāo)、鍋爐節(jié)能指標(biāo)、汽輪機(jī)節(jié)能指標(biāo)、環(huán)境化學(xué)節(jié)能指標(biāo)、節(jié)電指標(biāo)、節(jié)水指標(biāo)等。對(duì)于直接測(cè)量的節(jié)能指標(biāo)，選取積分法或直接算術(shù)平均法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；對(duì)于直接讀取的儀表值及折算值，選取簡(jiǎn)單幾何平均法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；對(duì)于二次計(jì)算數(shù)據(jù)，則選取加權(quán)幾何平均法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，涉及的權(quán)值選取如表1所示[20-25]。

表1 節(jié)能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)方法Tab.1 Statistical method of energy saving index

4 統(tǒng)計(jì)時(shí)段劃分標(biāo)準(zhǔn)

將節(jié)能指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)時(shí)段進(jìn)行規(guī)范，可提高在對(duì)標(biāo)活動(dòng)及節(jié)能工作中對(duì)比分析各節(jié)能指標(biāo)的精準(zhǔn)性，反映的節(jié)能問(wèn)題也更具代表性。對(duì)于統(tǒng)計(jì)結(jié)果的處理，根據(jù)時(shí)間區(qū)間選取范圍的不同，可劃分為為時(shí)均統(tǒng)計(jì)、日均統(tǒng)計(jì)、月均統(tǒng)計(jì)、季均統(tǒng)計(jì)及年均統(tǒng)計(jì)。

根據(jù)電力節(jié)能技術(shù)工作的需要，有些節(jié)能指標(biāo)來(lái)源于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，但有些節(jié)能指標(biāo)為二次計(jì)算數(shù)據(jù)，受限于不能實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，因此不能統(tǒng)計(jì)為時(shí)均數(shù)據(jù)。例如煤質(zhì)，通常電廠每天化驗(yàn)一次，故受煤質(zhì)影響的節(jié)能指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)頻次最多為每日一次。

時(shí)均統(tǒng)計(jì)時(shí)，時(shí)均統(tǒng)計(jì)數(shù)以小時(shí)為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，從每00：00 時(shí)算起截至01：00 結(jié)束。日均統(tǒng)計(jì)時(shí)，日均統(tǒng)計(jì)數(shù)以天為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，從每日00：00算起截至24：00 結(jié)束。月均統(tǒng)計(jì)時(shí)，月均統(tǒng)計(jì)數(shù)以月度為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，從每月第1 日算起截至每月最后1日結(jié)束。季均統(tǒng)計(jì)時(shí)，季均統(tǒng)計(jì)數(shù)以季度為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，從1 月份開(kāi)始，每3 個(gè)月為1 個(gè)季度。年均統(tǒng)計(jì)時(shí)，年均統(tǒng)計(jì)數(shù)以年度為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，從1月份開(kāi)始算起截至12月份結(jié)束。

5 算例驗(yàn)證

對(duì)于規(guī)范后的統(tǒng)計(jì)方法自身的合理性與精確性，通過(guò)算例進(jìn)行驗(yàn)證。

5.1 指標(biāo)及方法選取

選取包頭某電廠的鍋爐熱效率指標(biāo)為分析對(duì)象。鍋爐熱效率作為非測(cè)量源數(shù)據(jù)，即二次計(jì)算數(shù)據(jù)，采用方法3 即加權(quán)算術(shù)平均法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。鍋爐熱效率的計(jì)算有兩種方法，即輸入-輸出熱量法和熱損失法，分別稱(chēng)為正平衡法和反平衡法。在對(duì)電廠進(jìn)行周期性統(tǒng)計(jì)時(shí)，一般采用正平衡法，故算例中鍋爐熱效率的計(jì)算也采用正平衡法，如公式（8）所示：

式中：ηt—鍋爐熱效率，%；

Qin—輸入系統(tǒng)邊界的熱量總和，kJ/kg，包括輸入系統(tǒng)的燃料燃燒釋放的熱量、燃料的物理顯熱、進(jìn)入系統(tǒng)邊界的空氣帶入的熱量；

Qout—輸出系統(tǒng)邊界的有效熱量，kJ/kg，包括過(guò)熱蒸汽帶走的熱量、再熱蒸汽帶走的熱量、排污水帶走的熱量。

對(duì)于節(jié)能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性則采用統(tǒng)計(jì)期間的鍋爐熱效率試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，熱效率試驗(yàn)計(jì)算則采用反平衡法。

5.2 統(tǒng)計(jì)過(guò)程

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)采用時(shí)均統(tǒng)計(jì)，且為連續(xù)1 h 的運(yùn)行數(shù)據(jù)，源數(shù)據(jù)每隔30 s采樣，表2中列出的13組數(shù)據(jù)為每隔5 min 的采樣數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于每個(gè)采樣時(shí)刻的數(shù)據(jù)分別采用直接算術(shù)平均法和加權(quán)算術(shù)平均法進(jìn)行計(jì)算。

在統(tǒng)計(jì)時(shí)均數(shù)據(jù)時(shí)，采用直接算術(shù)平均法是將每一時(shí)刻的鍋爐熱效率進(jìn)行簡(jiǎn)單的算術(shù)平均計(jì)算；而采用加權(quán)算術(shù)平均法充分考慮了機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)的影響，是將每一時(shí)刻的鍋爐熱效率以負(fù)荷作為權(quán)重進(jìn)行計(jì)算。

5.3 結(jié)果分析

將包頭某電廠某時(shí)間段內(nèi)的鍋爐熱效率試驗(yàn)值與統(tǒng)計(jì)值作比較，驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)方法對(duì)節(jié)能指標(biāo)的適用性和匹配度。

表3 為該時(shí)段的煤質(zhì)性能參數(shù)，鍋爐熱效率試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)間為1 h，與時(shí)均統(tǒng)計(jì)計(jì)算時(shí)間相一致，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 運(yùn)行工況下煤質(zhì)參數(shù)Tab.3 Coal quality parameters under operating conditions

表4 鍋爐熱效率試驗(yàn)性能參數(shù)Tab.4 Performance parameters of boilerthermal efficiency test %

將使用不同統(tǒng)計(jì)方法得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（見(jiàn)表5）與表4試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，可以看出，機(jī)組在有負(fù)荷變化或機(jī)組參與調(diào)峰的情況下，各性能參數(shù)波動(dòng)幅度較大，利用簡(jiǎn)單的直接算術(shù)平均法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)較利用負(fù)荷加權(quán)算術(shù)平均法統(tǒng)計(jì)的偏差大，鍋爐熱效率偏差約為0.3%。說(shuō)明對(duì)于鍋爐熱效率的統(tǒng)計(jì)，加權(quán)平均法更為合理有效[26-29]。

表5 統(tǒng)計(jì)方法精確度對(duì)比Tab.5 Comparison of accuracy of statistical methods %

此算例只說(shuō)明了其中1個(gè)節(jié)能指標(biāo)鍋爐熱效率統(tǒng)計(jì)方法的選取，其他各類(lèi)節(jié)能指標(biāo)可參考表1 但不限于表1 所列，對(duì)于節(jié)能指標(biāo)權(quán)值的識(shí)別也可參考表1執(zhí)行。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文在綜合考慮統(tǒng)計(jì)方法與處理異常數(shù)據(jù)方式的基礎(chǔ)上，分別針對(duì)不同時(shí)間段對(duì)節(jié)能評(píng)價(jià)的5個(gè)指標(biāo)，即時(shí)均統(tǒng)計(jì)數(shù)、日均統(tǒng)計(jì)數(shù)、月均統(tǒng)計(jì)數(shù)、季均統(tǒng)計(jì)數(shù)、年均統(tǒng)計(jì)數(shù)進(jìn)行了規(guī)范。并以包頭某電廠的鍋爐熱效率指標(biāo)為例進(jìn)行分析，充分說(shuō)明了該統(tǒng)計(jì)方法的合理性和可操作性。

該統(tǒng)計(jì)方法適用于單機(jī)容量為50～1000 MW的火力發(fā)電廠燃煤發(fā)電機(jī)組節(jié)能指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，其他型式和容量等級(jí)的機(jī)組可參照?qǐng)?zhí)行?；鹆Πl(fā)電機(jī)組節(jié)能指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)方法研究可以規(guī)范節(jié)能指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)過(guò)程與方法，有效推動(dòng)節(jié)能指標(biāo)管理體系的進(jìn)一步完善，不僅有助于節(jié)能指標(biāo)評(píng)價(jià)的規(guī)范性開(kāi)展，同時(shí)也為節(jié)能經(jīng)濟(jì)性分析與評(píng)價(jià)、能耗診斷工作的開(kāi)展起到推動(dòng)作用。