火力發(fā)電廠在線水平衡監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)

摘要：在線水平衡監(jiān)測系統(tǒng)作為智慧電廠發(fā)展的一項(xiàng)重要技術(shù)，旨在實(shí)時(shí)監(jiān)測和評估水資源的使用情況。鑒于此，采用電廠現(xiàn)有分散控制系統(tǒng)（DCS）及廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS），通過數(shù)據(jù)通信在智能平臺實(shí)時(shí)獲取發(fā)電廠的負(fù)荷、水流量、液位等關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬與數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)全廠水資源的實(shí)時(shí)分析和反饋。該研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于結(jié)合了先進(jìn)的水量輔助監(jiān)測技術(shù)與智能算法，通過數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)智能分析與反饋，在線水平衡監(jiān)測系統(tǒng)能顯著提高用水安全性。

關(guān)鍵詞：智慧電廠；水平衡；漏失水量；水量平衡

中圖分類號：TM621" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）03-0013-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.03.004.

0" " 引言

火力發(fā)電廠是用水大戶，電廠水務(wù)管理的規(guī)劃設(shè)計(jì)要求就是要合理解決水資源利用和環(huán)境保護(hù)兩方面的問題。如何節(jié)約用水，減少外排廢水量或?qū)崿F(xiàn)零排放，已成為電廠水務(wù)管理工作的主要目標(biāo)和任務(wù)。

目前，多數(shù)火力發(fā)電廠水務(wù)管理模式中存在各種問題?；痣姀S節(jié)約用水改造及管理通常通過導(dǎo)則引導(dǎo)、電廠之間互相借鑒、廠商介紹等方式進(jìn)行，由于缺少對全廠水資源使用的實(shí)時(shí)科學(xué)分析，用水端比較分散，缺少實(shí)時(shí)監(jiān)測智能系統(tǒng)，全廠水量的產(chǎn)生及消耗分布情況無法準(zhǔn)確掌握及追蹤，對于用水狀態(tài)不能實(shí)時(shí)科學(xué)反饋，容易出現(xiàn)不明泄漏量過大造成損失或水量過剩而產(chǎn)生溢流浪費(fèi)等現(xiàn)象。電廠為此也依據(jù)DL/T 606.5—2009《火力發(fā)電廠能量平衡導(dǎo)則 第5部分：水平衡試驗(yàn)》不定期開展水平衡試驗(yàn)[1]，但受制于機(jī)組負(fù)荷的不確定性及試驗(yàn)工作的時(shí)限性，無法完全準(zhǔn)確并實(shí)時(shí)反映全廠用水情況。針對以上各種不利因素，本文展開了相關(guān)研究，以期在現(xiàn)有技術(shù)條件下，研究一套火力發(fā)電廠在線水平衡監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測全廠用水情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)水系統(tǒng)異常，達(dá)到安全用水目標(biāo)，同時(shí)也能為優(yōu)化用水節(jié)能改造方向提供大量科學(xué)數(shù)據(jù)。

1" " 系統(tǒng)構(gòu)架

1.1" " 總體設(shè)計(jì)

目前，國內(nèi)火力發(fā)電廠基本配備了全廠DCS及SIS系統(tǒng)[2]，SIS系統(tǒng)從DCS實(shí)時(shí)采集機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，新增智能系統(tǒng)通過通信單元從SIS系統(tǒng)獲取所需監(jiān)測數(shù)據(jù)（如機(jī)組負(fù)荷、各在線流量測點(diǎn)、容器水位測點(diǎn)等），將需要的參數(shù)傳送至服務(wù)器儲存并進(jìn)行處理。服務(wù)器對通信單元傳送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，并將處理好的數(shù)據(jù)傳送至智能數(shù)據(jù)平臺，智能數(shù)據(jù)平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行整體分析、性能計(jì)算和數(shù)據(jù)可視化展示等[3]。

1.2" " 全廠各類水系統(tǒng)智能控制結(jié)構(gòu)

全廠水平衡系統(tǒng)分原水供水端、產(chǎn)水端處理系統(tǒng)、調(diào)蓄端系統(tǒng)、用水端等四大類功能系統(tǒng)，智能監(jiān)測策略架構(gòu)圖如圖1所示。

在線水平衡監(jiān)測系統(tǒng)主要工作任務(wù)是根據(jù)用水需求的變化，按照各系統(tǒng)用水工藝邏輯，通過建成的算法模型，實(shí)時(shí)計(jì)算供水端、產(chǎn)水端、調(diào)蓄端的主要參數(shù)調(diào)節(jié)數(shù)值，并將這些數(shù)值反饋給運(yùn)行人員，運(yùn)行人員依據(jù)提示進(jìn)行調(diào)整操作，同時(shí)建立全廠水平衡評價(jià)體系，針對各子系統(tǒng)及全系統(tǒng)進(jìn)行性能計(jì)算，動態(tài)監(jiān)測各性能值，利用工藝態(tài)勢感知進(jìn)行預(yù)測分析。

1.3" " 各類水務(wù)系統(tǒng)概述和控制策略

1.3.1" " 用水端系統(tǒng)

1）生產(chǎn)用水：主要目的是根據(jù)控制目標(biāo)，調(diào)節(jié)生產(chǎn)用水系統(tǒng)的用水方式，主要包括化學(xué)制水系統(tǒng)用水、冷卻水系統(tǒng)用水、除鹽水系統(tǒng)用水、工業(yè)水系統(tǒng)用水、循環(huán)水系統(tǒng)用水、脫硫系統(tǒng)用水。用水方式的調(diào)節(jié)包括用水頻次、用水持續(xù)時(shí)間及用水流量等方面。

2）生活用水：主要目的是根據(jù)控制目標(biāo)，調(diào)節(jié)生活用水系統(tǒng)的用水方式，主要包括用水頻次、用水持續(xù)時(shí)間及用水流量。

3）將用水系統(tǒng)用水方式匯總后，確定用水系統(tǒng)總需求，將上述數(shù)據(jù)反饋給各工藝系統(tǒng)用水端執(zhí)行。

1.3.2" " 調(diào)蓄端系統(tǒng)

1）根據(jù)調(diào)蓄系統(tǒng)控制目標(biāo)，設(shè)定水池、水箱進(jìn)出口閥門開度。2）根據(jù)調(diào)蓄系統(tǒng)控制目標(biāo)，設(shè)定水池出口水泵的轉(zhuǎn)速變化值。

1.3.3" " 產(chǎn)水端系統(tǒng)

根據(jù)控制目標(biāo)及水量數(shù)據(jù)反饋值，確定產(chǎn)水系統(tǒng)水處理設(shè)備運(yùn)行臺數(shù)、運(yùn)行負(fù)荷及運(yùn)行時(shí)間。

1.3.4" " 原水供水端系統(tǒng)

根據(jù)控制目標(biāo)及產(chǎn)水系統(tǒng)反饋的匯總產(chǎn)水量數(shù)據(jù)值，確定補(bǔ)給水泵運(yùn)行臺數(shù)及轉(zhuǎn)速。

2" " 模塊設(shè)計(jì)

2.1" " 工藝態(tài)勢感知

本系統(tǒng)使用基于模型的預(yù)測控制理論（MPC），又叫模型預(yù)測控制，是目前應(yīng)用較廣泛的先進(jìn)控制策略。該模型的特點(diǎn)是控制策略不是一次離線進(jìn)行，而是反復(fù)在線進(jìn)行的，即所謂“滾動優(yōu)化模型預(yù)測”。本研究采用多步預(yù)測控制律，選用含有對控制量加權(quán)的二次型性能指標(biāo)，控制的優(yōu)化是基于每一時(shí)段的反饋信息。所以，模型預(yù)測控制是一種建立在反饋信息基礎(chǔ)上的反復(fù)決策過程。

通過“工藝分析模型—大數(shù)據(jù)預(yù)測模型—現(xiàn)場診斷分析模型”的三維驅(qū)動，將水系統(tǒng)運(yùn)行基于機(jī)組負(fù)荷、季節(jié)變化、漏失補(bǔ)償運(yùn)行、設(shè)備輪換等統(tǒng)籌考慮，指引運(yùn)行人員進(jìn)行更加安全經(jīng)濟(jì)的設(shè)備運(yùn)行操作。

2.2" " 綜合智能報(bào)警與故障診斷

1）滋擾報(bào)警抑制：大幅降低滋擾報(bào)警數(shù)量，幫助運(yùn)行人員聚焦重要報(bào)警信息。

2）報(bào)警溯源分析：將專業(yè)知識和豐富經(jīng)驗(yàn)等表達(dá)、固化為代碼形式的邏輯故障知識庫。當(dāng)推理機(jī)啟動，依靠知識庫、歷史數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行故障樹專家推理分析，為后續(xù)自動識別故障類型，快速定位初始原因及演變過程等功能搭建提供依據(jù)，利用工藝系統(tǒng)專業(yè)知識形成故障模型，并組織成邏輯故障知識庫。對非偶發(fā)性故障，自動推理出報(bào)警根源。

3）智能預(yù)警：通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法確定實(shí)際參數(shù)的控制限，形成范圍警戒線，對測點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)預(yù)警。目前火電廠DCS及SIS系統(tǒng)普遍使用高低限值進(jìn)行預(yù)警，而現(xiàn)實(shí)情況是隨著工況的改變，每個(gè)運(yùn)行參數(shù)都會變化，而變化的范圍需要通過長期的數(shù)據(jù)累計(jì)或運(yùn)行人員經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，所以簡單地通過高低限值判斷參數(shù)是否正常的方式存在一定的不合理及不科學(xué)之處?，F(xiàn)階段，火電機(jī)組智能預(yù)警普遍采用基于人工智能的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，如分類、聚類、回歸分析等。MSET（多元狀態(tài)估計(jì)技術(shù)）是智能算法中頗具代表性的先進(jìn)模式識別技術(shù)，主要對設(shè)備的正常狀態(tài)進(jìn)行學(xué)習(xí)，分析當(dāng)前狀態(tài)與歷史正常狀態(tài)的相似程度，并對當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，而當(dāng)前實(shí)際狀態(tài)與估計(jì)狀態(tài)之間的差異隱含著設(shè)備的異常信息。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)觀測向量與歷史記憶矩陣中的某些向量相似度較高，即估計(jì)向量與實(shí)時(shí)觀測向量之間的歐氏距離較??；出現(xiàn)異常時(shí)，實(shí)時(shí)觀測向量與歷史記憶矩陣中的所有向量相似度均很低，即估計(jì)向量與實(shí)時(shí)觀測向量之間的歐氏距離相對較大。

2.3" " 性能計(jì)算

2.3.1" " 各子系統(tǒng)性能參數(shù)

通過預(yù)設(shè)公式選擇時(shí)間段自動生成各子系統(tǒng)以下參數(shù)統(tǒng)計(jì)表格：1）輸入水量：包括新水量、回用水量、循環(huán)水量、串聯(lián)水量。2）輸出水量：包括回用水量、循環(huán)水量、串聯(lián)水量、消耗水量、排水量、漏失水量。

2.3.2" " 全廠性能參數(shù)

根據(jù)各子系統(tǒng)性能參數(shù)，自動生成如表1所示表格，并自動根據(jù)設(shè)定公式計(jì)算平衡差水量。

2.3.3" " 全廠用水評價(jià)及分析

自動生成選擇時(shí)間段內(nèi)以下內(nèi)容：1）全廠取水情況、排水情況；2）耗水情況及餅圖；3）主要用水評價(jià)指標(biāo)：包括水量不平衡率、單位發(fā)電量、取水量、鍋爐補(bǔ)水率、冷卻水循環(huán)率、全廠用水重復(fù)利用率[4]。

2.4" " 組態(tài)化展示

組態(tài)化展示包含全廠動態(tài)水平衡圖（圖2）及各子系統(tǒng)動態(tài)水平衡圖，通過設(shè)定時(shí)長定期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。公用系統(tǒng)部分水量統(tǒng)計(jì)采用大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)均分，即公用系統(tǒng)的瞬時(shí)使用水量不直接計(jì)算成結(jié)果，而是通過累計(jì)大量運(yùn)行數(shù)據(jù)，借鑒歷史數(shù)據(jù)及當(dāng)前負(fù)荷、統(tǒng)計(jì)時(shí)長進(jìn)行統(tǒng)籌計(jì)算。

3" " 水量平衡測試方法

3.1" " 火電廠水量通用測試方法

水量的計(jì)算主要采用在線流量計(jì)進(jìn)行，不具備在線流量儀表的水量計(jì)算采用容積法；既沒有在線流量計(jì)，也不適用容積法的水量統(tǒng)計(jì)采用估算法，比如取樣系統(tǒng)水量損失、蒸發(fā)損失、石膏帶出液、各種沖洗水等。當(dāng)然，通過定期分析渣含水率、石膏含水率等可使估算方法更接近真實(shí)值[5]。

3.2" " 基于大數(shù)據(jù)分析的水量計(jì)算方法

火電廠是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，通用的水量計(jì)算方法往往無法準(zhǔn)確反映真實(shí)的情況，典型的如公用系統(tǒng)的用水情況，電廠公用系統(tǒng)的間斷性運(yùn)行及異常情況造成水平衡試驗(yàn)及在線水平衡監(jiān)測統(tǒng)計(jì)困難。而在線水平衡監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)置了一個(gè)基于大數(shù)據(jù)分析的水量計(jì)算方法，通過累計(jì)大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)，采取線性回歸算法、殘差平方和評估算法，可建立水量的線性方程，計(jì)算出符合當(dāng)前機(jī)組負(fù)荷的水量。該計(jì)算方法也可應(yīng)用于冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)蒸發(fā)量統(tǒng)計(jì)，減少人為估算環(huán)節(jié)。

4" " 總結(jié)及展望

4.1" " 系統(tǒng)實(shí)例應(yīng)用效果

本課題以發(fā)電廠水量平衡在線監(jiān)測技術(shù)為研發(fā)對象，建立了全廠水量平衡監(jiān)測與全廠水系統(tǒng)的動態(tài)聯(lián)系，滿足了用水安全及節(jié)能數(shù)據(jù)需求，實(shí)現(xiàn)了火力發(fā)電廠的智能運(yùn)行，減輕了運(yùn)行人員的勞動強(qiáng)度；同時(shí)，終結(jié)了電廠水系統(tǒng)管理的分散、無序狀態(tài)，提升了全廠水系統(tǒng)的智能化管理水平，也為更科學(xué)地完成廢水零排放的終極目標(biāo)提供了數(shù)據(jù)及技術(shù)支撐。

4.2" " 在線水平衡監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)一步的開發(fā)方向

在線水平衡監(jiān)測系統(tǒng)目前無法完成與電廠水系統(tǒng)的閉環(huán)控制，主要受限于數(shù)據(jù)安全及水系統(tǒng)本身的智能化程度。隨著國內(nèi)工業(yè)智能化水平的提高，電廠水系統(tǒng)可逐步實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行，同時(shí)解決智能化平臺數(shù)據(jù)與DCS系統(tǒng)融合問題，最大化發(fā)揮智能平臺的作用，真正完成智能化閉環(huán)控制。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 劉太陽，吳章清.燃煤火電廠水平衡測試與節(jié)水評價(jià)研究[J].能源與節(jié)能，2023（2）：86-89.

[2] 田營.電廠水平衡監(jiān)視指導(dǎo)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J].電力設(shè)備管理，2020（12）：85-86.

[3] 華偉.基于傳統(tǒng)火電廠構(gòu)建智慧電廠的架構(gòu)體系研究[J].電氣開關(guān)，2022，60（1）：60-62.

[4] 曹榮，王仁雷，衡世權(quán)，等.大型火電廠全廠水平衡試驗(yàn)與深度優(yōu)化用水分析[J].能源與節(jié)能，2022（12）：43-45.

[5] 劉廣建，岳鳳站，周碩，等.燃煤電廠水平衡模型與節(jié)水分析[J].中國電力，2022，55（4）：221-228.

收稿日期：2024-10-09

作者簡介：魏元韶（1992—），男，廣東韶關(guān)人，電力運(yùn)行工程師，主要從事環(huán)?；瘜W(xué)專業(yè)管理工作。