機(jī)組運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

機(jī)組運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)引言

國產(chǎn)大型燃煤機(jī)組的平均供電煤耗率為366.4g/kW·h，高出先進(jìn)國家20～30g/kW·h。電力企業(yè)還有很大的節(jié)能潛力可挖，機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行是投入少見效快節(jié)能技術(shù)?；痣姍C(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性受多種因素影響，其中主要包括機(jī)組的設(shè)計(jì)水平、發(fā)電負(fù)荷、煤質(zhì)、設(shè)備健康狀況、環(huán)境條件以及運(yùn)行人員的運(yùn)行水平等。火電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)最優(yōu)目標(biāo)值是反映機(jī)組當(dāng)前系統(tǒng)、設(shè)備狀況以及運(yùn)行工況條件下所能達(dá)到對(duì)應(yīng)最低能耗的最佳運(yùn)行狀態(tài)。電站運(yùn)行優(yōu)化目標(biāo)值的確定為為運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整提供了方向，同時(shí)也是目前運(yùn)行優(yōu)化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。熱力系統(tǒng)在所有的約束條件（包括不可控邊界約束、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)備性能約束以及可控約束條件）都確定的情況下，機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)才能唯一地確定，進(jìn)而可以描述機(jī)組的能耗特性?；痣姍C(jī)組運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化的本質(zhì)是在確定的不可控邊界條件下，針對(duì)可控參數(shù)的節(jié)能優(yōu)化問題。

目前機(jī)組運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化的兩類研究方法：

依賴?yán)碚撃Ｐ偷姆椒ù祟惙椒ǜ鶕?jù)系統(tǒng)及其相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)資料，通過燃燒、傳熱、傳質(zhì)及流動(dòng)等動(dòng)力學(xué)過程的傳統(tǒng)變工況理論計(jì)算方法確定不同邊界條件系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而通過尋優(yōu)算法確定可控邊界條件參數(shù)的最優(yōu)值。優(yōu)點(diǎn)：模型外延性好，規(guī)律性強(qiáng)。缺點(diǎn)：模型對(duì)實(shí)際設(shè)備的針對(duì)性較差，準(zhǔn)確度低。目前機(jī)組運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化的兩類研究方法：

不依賴數(shù)學(xué)模型的方法1、試驗(yàn)方法優(yōu)點(diǎn)：針對(duì)特定機(jī)組的實(shí)際情況。缺點(diǎn)：由于實(shí)際機(jī)組的熱力系統(tǒng)是多邊界條件、系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)強(qiáng)烈的耦合、鮮明非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，導(dǎo)致實(shí)際的運(yùn)行工況千差萬別，而試驗(yàn)工況的數(shù)量有限，使此種方法對(duì)于實(shí)際運(yùn)行工況的指導(dǎo)意義不強(qiáng)，實(shí)用性較差。2、統(tǒng)計(jì)分析方法其研究路線是以海量的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用基于人工智能算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，建立機(jī)組能耗與運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)之間的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模型，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)各可控運(yùn)行參數(shù)的最優(yōu)目標(biāo)值。此類方法由于其從實(shí)際數(shù)據(jù)出發(fā)，從而分析的結(jié)果能較好地反映機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。但是實(shí)際數(shù)據(jù)是一把“雙刃劍”，完全回避運(yùn)行參數(shù)間本質(zhì)的作用規(guī)律，直接以運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)掘各運(yùn)行參數(shù)乃至能耗指標(biāo)之間的關(guān)系，必然受到與運(yùn)行人員操作經(jīng)驗(yàn)和水平相關(guān)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的限制，使得建立的數(shù)據(jù)模型只能適應(yīng)于已知的實(shí)際數(shù)據(jù)，所以得出的運(yùn)行參數(shù)最優(yōu)值也只是對(duì)歷史經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。對(duì)于歷史中不曾出現(xiàn)的運(yùn)行狀態(tài)的分析，則此類方法失效，因此不能直接發(fā)現(xiàn)反映全工況范圍、真正的最優(yōu)值。如何合理地應(yīng)用歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，在較寬的工況范圍內(nèi)描述熱力系統(tǒng)各運(yùn)行參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，進(jìn)而在不同的運(yùn)行約束條件下確定機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，是確定可控運(yùn)行參數(shù)最優(yōu)值以及實(shí)現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行的技術(shù)關(guān)鍵。機(jī)理分析與統(tǒng)計(jì)辨識(shí)相結(jié)合的混合模型方法建模過程中，首先通過機(jī)理分析或?qū)＜医?jīng)驗(yàn)確定出模型類型和模型結(jié)構(gòu)，然后再利用統(tǒng)計(jì)分析方法，辨識(shí)出模型的具體形式，對(duì)機(jī)理模型進(jìn)行修正。從本質(zhì)上講，采用機(jī)理分析和統(tǒng)計(jì)分析的混合方法是一種基于系統(tǒng)辨識(shí)法的機(jī)理分析建模方法。這種方法與單一的機(jī)理分析法或統(tǒng)計(jì)分析方法相比，可以充分發(fā)揮兩種方法各自的優(yōu)勢(shì)。較大地提高建模精度和建模效率。

基本技術(shù)路線1、綜合應(yīng)用機(jī)理分析以及統(tǒng)計(jì)方法各自優(yōu)點(diǎn)的針對(duì)火電廠熱力設(shè)備的混合建模方法，通過對(duì)不同邊界條件下管道流動(dòng)阻力特性、加熱器的傳熱特性、汽輪機(jī)機(jī)組的通流特性以及效率特性等各類設(shè)備的實(shí)際特性精確建模的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確地描述了在設(shè)備層面上運(yùn)行參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，為重構(gòu)機(jī)組的整體運(yùn)行狀態(tài)提供了重要的基礎(chǔ)。2、引用系統(tǒng)分析思想，以熱力系統(tǒng)全信息汽水分布方程進(jìn)行熱力系統(tǒng)集成進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)組狀態(tài)重構(gòu)，合理地應(yīng)用歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，描述在較寬的工況范圍內(nèi)熱力系統(tǒng)各運(yùn)行參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，進(jìn)而在不同的運(yùn)行約束條件下確定機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。3、針對(duì)熱力系統(tǒng)多邊界（不可控）約束的特點(diǎn)，對(duì)有優(yōu)化潛力的可控運(yùn)行參數(shù)，以能耗最小為目標(biāo)進(jìn)行全工況尋優(yōu)分析，針對(duì)具體機(jī)組制定運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化方案。運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)基本流程

機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化系統(tǒng)主要功能是完成機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的在線計(jì)算、運(yùn)行參數(shù)的在線優(yōu)化以及對(duì)應(yīng)參數(shù)偏差的耗差分析。⑴根據(jù)SIS數(shù)據(jù)庫中的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過針對(duì)歷史數(shù)據(jù)的時(shí)效性分析方法、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)篩選與處理方法以及失真數(shù)據(jù)的驗(yàn)證與篩選方法，獲得建立設(shè)備特性混合模型所需的源數(shù)據(jù)。⑵通過針對(duì)系統(tǒng)約束條件下的機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)重構(gòu)模型，可得出當(dāng)前工況下系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的重構(gòu)值以及對(duì)應(yīng)的可控運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化目標(biāo)值。⑶系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)通過準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)處理與數(shù)據(jù)失真驗(yàn)證及數(shù)據(jù)篩選后，以運(yùn)行參數(shù)的狀態(tài)重構(gòu)值代替缺失的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；同時(shí)針對(duì)缺乏準(zhǔn)確在線測(cè)量條件的煤質(zhì)分析以及煙氣分析數(shù)據(jù)，提供手工輸入接口，錄入最短時(shí)間內(nèi)的離線分析數(shù)據(jù)。⑷通過過程數(shù)據(jù)庫中的準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及同過狀態(tài)重構(gòu)分析獲得的當(dāng)前工況下各參數(shù)的目標(biāo)值，結(jié)合耗差分析方法定量計(jì)算各項(xiàng)能耗偏差并分析發(fā)生能耗偏差的具體原因。⑸將以上分析結(jié)果進(jìn)行歸類統(tǒng)計(jì)，通過C/S或B/S模式以實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、餅圖（棒圖）以及報(bào)表的形式進(jìn)行展示和發(fā)布。系統(tǒng)的主要功能模塊介紹

序號(hào)模塊名稱1動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)篩選與處理模塊2實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)失真驗(yàn)證模塊3歷史數(shù)據(jù)時(shí)效性分析模塊4設(shè)備級(jí)特性分析模型5汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組整體運(yùn)行狀態(tài)重構(gòu)模塊6機(jī)組可控運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化模塊動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)篩選與處理模塊若以瞬時(shí)采集的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，由于動(dòng)態(tài)過程參數(shù)變化的慣性延時(shí)特性的存在，使不同參數(shù)的延時(shí)程度各不相同，即各參數(shù)的不同步變化,導(dǎo)致參數(shù)之間的狀態(tài)一致性被破壞，使系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，這顯然與機(jī)組實(shí)際運(yùn)行性能不符。針對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)穩(wěn)態(tài)處理是深入分析的必然基礎(chǔ)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)失真驗(yàn)證模塊

對(duì)于實(shí)際機(jī)組，在長期的運(yùn)行過程中，由于儀表故障、變送器飄移和傳感器故障甚至測(cè)點(diǎn)安裝位置錯(cuò)誤等原因，不可避免地使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)中，存在部分不良數(shù)據(jù)。這些原始數(shù)據(jù)不能反映熱力系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)，將使能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果失真，進(jìn)而直接影響到其它后繼高級(jí)應(yīng)用模塊的應(yīng)用。因此對(duì)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的驗(yàn)證和篩選顯得尤為重要。歷史數(shù)據(jù)時(shí)效性分析模塊

火電機(jī)組的熱力設(shè)備的特性，隨著運(yùn)行時(shí)間的推移都存在老化傾向。如忽略性能隨時(shí)間變化的客觀規(guī)律，而用直接根據(jù)歷史數(shù)據(jù)建立系統(tǒng)和設(shè)備的狀態(tài)重構(gòu)模型，則必然導(dǎo)致模型與當(dāng)前實(shí)際情況的偏離。鑒于不同時(shí)期的歷史數(shù)據(jù)對(duì)建立模型的貢獻(xiàn)不同，應(yīng)針對(duì)熱力系統(tǒng)及設(shè)備的歷史性能與當(dāng)前性能的差異，對(duì)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的時(shí)效性分析。設(shè)備特性分析模塊

管閥阻力特性的混合模型

結(jié)合流動(dòng)過程的理論分析方法和準(zhǔn)確歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析方法，可得到機(jī)組各抽汽管路流通阻力特性的精確模型。凝汽器特性混合模型凝汽器總體換熱能力系數(shù)加熱器傳熱特性混合模型加熱器蒸汽冷卻段換熱能力系數(shù)加熱器傳熱特性混合模型加熱器主凝結(jié)段換熱能力系數(shù)加熱器傳熱特性混合模型疏水冷卻段換熱能力系數(shù)汽輪機(jī)級(jí)組流動(dòng)特性混合模型級(jí)組內(nèi)流量與入口壓力

和壓比

的關(guān)系汽輪機(jī)級(jí)組效率特性混合模型級(jí)組內(nèi)效率特性曲線整體運(yùn)行狀態(tài)重構(gòu)模塊

系統(tǒng)的層面的關(guān)聯(lián)關(guān)系可視為在特定約束條件下，系統(tǒng)及其各設(shè)備的質(zhì)量守恒和能量守恒問題，其模型則可反映系統(tǒng)中各設(shè)備之間的相互作用關(guān)系。因此結(jié)合以質(zhì)、能守恒為基礎(chǔ)的熱力系統(tǒng)汽水分布方程，以各設(shè)備中的汽水流量為紐帶，可以將子系統(tǒng)集成為完整的熱力系統(tǒng)。機(jī)組可控運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化模塊

運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化的本質(zhì)是確定多邊界條件（不可控）下的運(yùn)行可控邊界參數(shù)的求解最優(yōu)值的問題。包括：一次風(fēng)量、二次風(fēng)量、運(yùn)行初溫、初壓、再熱溫度、循環(huán)水流量、再熱及過熱減溫水流量、鍋爐排污量、給水泵及送風(fēng)機(jī)等主要輔機(jī)轉(zhuǎn)速等。

以初壓優(yōu)化為例，在給定的不可控邊界約束條件（當(dāng)前負(fù)荷

、環(huán)境溫度

等），以及其他可控的邊界約束條件下（主蒸汽溫度

、再熱溫度

以及循環(huán)水流量

等），機(jī)組最優(yōu)初壓的分析可表示為以下優(yōu)化模型：

系統(tǒng)采用全工況尋優(yōu)算法，在機(jī)組所有可行的工況范圍內(nèi)針對(duì)目標(biāo)值的全局尋優(yōu)搜索，可以避免出現(xiàn)尋優(yōu)結(jié)果的“早熟”現(xiàn)象。以某電廠N600-16.7/537/537-Ⅰ型汽輪發(fā)電機(jī)組為例進(jìn)行實(shí)例分析。下圖給出了不同循環(huán)水入口溫度下的最優(yōu)主蒸汽壓力曲線，并顯示了與廠家提供的初壓的定-滑壓運(yùn)行曲線存在一定的差別。

總結(jié)以下規(guī)律：三條熱耗曲線在廠家給定運(yùn)行曲線的定壓段基本重合；隨著負(fù)荷的降低，在最優(yōu)初壓曲線的定壓段，最優(yōu)初壓下的熱耗曲線與定壓下的熱耗曲線基本重合，而在廠家給定的運(yùn)行初壓下的熱耗曲線高于上述兩條曲線；低負(fù)荷時(shí)定壓運(yùn)行的熱耗高于滑壓運(yùn)行的熱耗。系統(tǒng)的開發(fā)工具與運(yùn)行環(huán)境

機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化系統(tǒng)軟件運(yùn)行的操作系統(tǒng)采用穩(wěn)定性較高的Windows2000系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫采用了目前公認(rèn)最穩(wěn)定、功能最強(qiáng)大的OSI公司的PlantInformationSystem(簡(jiǎn)稱PI)數(shù)據(jù)庫。以Borland公司的Deiphi7商業(yè)開發(fā)軟件完成機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化軟件的開發(fā)。功能軟件與數(shù)據(jù)庫的接口采用標(biāo)準(zhǔn)的API函數(shù)，實(shí)現(xiàn)功能軟件與數(shù)據(jù)庫之間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)以及分析結(jié)果數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)交互。通過SIS數(shù)據(jù)庫將部分原始數(shù)據(jù)及分析診斷結(jié)果通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)上的客戶端提供給運(yùn)行操作員、值長以指導(dǎo)運(yùn)行，而管理人員關(guān)心的數(shù)據(jù)及分析診斷結(jié)果經(jīng)防火墻發(fā)往MIS網(wǎng)，通過MIS客戶端實(shí)現(xiàn)信息的瀏覽。考慮到集團(tuán)中各廠地理位置分散，不易也不可能敷設(shè)專用的通訊網(wǎng)絡(luò)，因此利用公用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(Internet)及安全網(wǎng)關(guān)建立虛擬網(wǎng)(VPN)通過Intenet實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

據(jù)有關(guān)資料顯示，通過對(duì)一臺(tái)575MW機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和運(yùn)行優(yōu)化，可以使機(jī)組熱耗下降200KJ/(KW.h)，或使一臺(tái)670MW機(jī)組的每年運(yùn)行費(fèi)用減少40萬美元。已具備的技術(shù)條件

所需測(cè)量信號(hào)已基本具備，信號(hào)分析與處理技術(shù)已經(jīng)具備。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫中的海量歷史數(shù)據(jù)，為基于實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的系統(tǒng)和設(shè)備特性分析提供了有利的基礎(chǔ)。對(duì)于各主要設(shè)備的傳熱特性、流動(dòng)特性等動(dòng)力學(xué)特性的機(jī)理分析和理論模型的研究已有一定的基礎(chǔ)。目前Mathematic以及Matlab等大型商業(yè)數(shù)據(jù)分析軟件在各領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟。節(jié)能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及耗差分析軟件已經(jīng)作為成熟產(chǎn)品，在國內(nèi)各類型機(jī)組有了普遍的