机组运行参数优化

机组运行参数优化系统引言

国产大型燃煤机组的平均供电煤耗率为366.4g/kW·h，高出先进国家20～30g/kW·h。电力企业还有很大的节能潜力可挖，机组优化运行是投入少见效快节能技术。火电机组运行的经济性受多种因素影响，其中主要包括机组的设计水平、发电负荷、煤质、设备健康状况、环境条件以及运行人员的运行水平等。火电机组运行参数最优目标值是反映机组当前系统、设备状况以及运行工况条件下所能达到对应最低能耗的最佳运行状态。电站运行优化目标值的确定为为运行优化调整提供了方向，同时也是目前运行优化领域的研究热点和难点问题。热力系统在所有的约束条件（包括不可控边界约束、系统结构和设备性能约束以及可控约束条件）都确定的情况下，机组的运行状态才能唯一地确定，进而可以描述机组的能耗特性。火电机组运行参数优化的本质是在确定的不可控边界条件下，针对可控参数的节能优化问题。

目前机组运行参数优化的两类研究方法：

依赖理论模型的方法此类方法根据系统及其相关设备的设计资料，通过燃烧、传热、传质及流动等动力学过程的传统变工况理论计算方法确定不同边界条件系统的运行状态，进而通过寻优算法确定可控边界条件参数的最优值。优点：模型外延性好，规律性强。缺点：模型对实际设备的针对性较差，准确度低。目前机组运行参数优化的两类研究方法：

不依赖数学模型的方法1、试验方法优点：针对特定机组的实际情况。缺点：由于实际机组的热力系统是多边界条件、系统内部参数强烈的耦合、鲜明非线性的复杂系统，导致实际的运行工况千差万别，而试验工况的数量有限，使此种方法对于实际运行工况的指导意义不强，实用性较差。2、统计分析方法其研究路线是以海量的历史运行数据为基础，采用基于人工智能算法的神经网络以及数据挖掘技术，建立机组能耗与运行状态参数之间的数据统计模型，进而发现各可控运行参数的最优目标值。此类方法由于其从实际数据出发，从而分析的结果能较好地反映机组的实际运行状态。但是实际数据是一把“双刃剑”，完全回避运行参数间本质的作用规律，直接以运行数据发掘各运行参数乃至能耗指标之间的关系，必然受到与运行人员操作经验和水平相关的实际运行数据的限制，使得建立的数据模型只能适应于已知的实际数据，所以得出的运行参数最优值也只是对历史经验的总结。对于历史中不曾出现的运行状态的分析，则此类方法失效，因此不能直接发现反映全工况范围、真正的最优值。如何合理地应用历史运行数据，在较宽的工况范围内描述热力系统各运行参数之间的关联关系，进而在不同的运行约束条件下确定机组的运行状态，是确定可控运行参数最优值以及实现节能优化运行的技术关键。机理分析与统计辨识相结合的混合模型方法建模过程中，首先通过机理分析或专家经验确定出模型类型和模型结构，然后再利用统计分析方法，辨识出模型的具体形式，对机理模型进行修正。从本质上讲，采用机理分析和统计分析的混合方法是一种基于系统辨识法的机理分析建模方法。这种方法与单一的机理分析法或统计分析方法相比，可以充分发挥两种方法各自的优势。较大地提高建模精度和建模效率。

基本技术路线1、综合应用机理分析以及统计方法各自优点的针对火电厂热力设备的混合建模方法，通过对不同边界条件下管道流动阻力特性、加热器的传热特性、汽轮机机组的通流特性以及效率特性等各类设备的实际特性精确建模的基础上，准确地描述了在设备层面上运行参数之间的关联关系，为重构机组的整体运行状态提供了重要的基础。2、引用系统分析思想，以热力系统全信息汽水分布方程进行热力系统集成进而实现机组状态重构，合理地应用历史运行数据，描述在较宽的工况范围内热力系统各运行参数之间的关联关系，进而在不同的运行约束条件下确定机组的运行状态。3、针对热力系统多边界（不可控）约束的特点，对有优化潜力的可控运行参数，以能耗最小为目标进行全工况寻优分析，针对具体机组制定运行参数优化方案。运行参数优化系统基本流程

机组运行优化系统主要功能是完成机组热经济性指标的在线计算、运行参数的在线优化以及对应参数偏差的耗差分析。⑴根据SIS数据库中的历史运行数据，通过针对历史数据的时效性分析方法、准稳态筛选与处理方法以及失真数据的验证与筛选方法，获得建立设备特性混合模型所需的源数据。⑵通过针对系统约束条件下的机组运行状态重构模型，可得出当前工况下系统运行状态参数的重构值以及对应的可控运行参数的优化目标值。⑶系统的实时动态运行数据通过准稳态处理与数据失真验证及数据筛选后，以运行参数的状态重构值代替缺失的实时数据；同时针对缺乏准确在线测量条件的煤质分析以及烟气分析数据，提供手工输入接口，录入最短时间内的离线分析数据。⑷通过过程数据库中的准确地实时数据以及同过状态重构分析获得的当前工况下各参数的目标值，结合耗差分析方法定量计算各项能耗偏差并分析发生能耗偏差的具体原因。⑸将以上分析结果进行归类统计，通过C/S或B/S模式以实时趋势曲线、饼图（棒图）以及报表的形式进行展示和发布。系统的主要功能模块介绍

序号模块名称1动态数据的准稳态筛选与处理模块2实时数据失真验证模块3历史数据时效性分析模块4设备级特性分析模型5汽轮机发电机组整体运行状态重构模块6机组可控运行参数优化模块动态数据的准稳态筛选与处理模块若以瞬时采集的测量数据进行计算和分析，由于动态过程参数变化的惯性延时特性的存在，使不同参数的延时程度各不相同，即各参数的不同步变化,导致参数之间的状态一致性被破坏，使系统的计算结果出现大幅度波动，这显然与机组实际运行性能不符。针对动态数据稳态处理是深入分析的必然基础。实时数据失真验证模块

对于实际机组，在长期的运行过程中，由于仪表故障、变送器飘移和传感器故障甚至测点安装位置错误等原因，不可避免地使数据采集系统获取的实时运行数据中，存在部分不良数据。这些原始数据不能反映热力系统的真实运行状态，将使能耗在线监测系统的计算结果失真，进而直接影响到其它后继高级应用模块的应用。因此对实时运行数据进行有效的验证和筛选显得尤为重要。历史数据时效性分析模块

火电机组的热力设备的特性，随着运行时间的推移都存在老化倾向。如忽略性能随时间变化的客观规律，而用直接根据历史数据建立系统和设备的状态重构模型，则必然导致模型与当前实际情况的偏离。鉴于不同时期的历史数据对建立模型的贡献不同，应针对热力系统及设备的历史性能与当前性能的差异，对历史运行数据进行必要的时效性分析。设备特性分析模块

管阀阻力特性的混合模型

结合流动过程的理论分析方法和准确历史数据的统计分析方法，可得到机组各抽汽管路流通阻力特性的精确模型。凝汽器特性混合模型凝汽器总体换热能力系数加热器传热特性混合模型加热器蒸汽冷却段换热能力系数加热器传热特性混合模型加热器主凝结段换热能力系数加热器传热特性混合模型疏水冷却段换热能力系数汽轮机级组流动特性混合模型级组内流量与入口压力

和压比

的关系汽轮机级组效率特性混合模型级组内效率特性曲线整体运行状态重构模块

系统的层面的关联关系可视为在特定约束条件下，系统及其各设备的质量守恒和能量守恒问题，其模型则可反映系统中各设备之间的相互作用关系。因此结合以质、能守恒为基础的热力系统汽水分布方程，以各设备中的汽水流量为纽带，可以将子系统集成为完整的热力系统。机组可控运行参数优化模块

运行参数优化的本质是确定多边界条件（不可控）下的运行可控边界参数的求解最优值的问题。包括：一次风量、二次风量、运行初温、初压、再热温度、循环水流量、再热及过热减温水流量、锅炉排污量、给水泵及送风机等主要辅机转速等。

以初压优化为例，在给定的不可控边界约束条件（当前负荷

、环境温度

等），以及其他可控的边界约束条件下（主蒸汽温度

、再热温度

以及循环水流量

等），机组最优初压的分析可表示为以下优化模型：

系统采用全工况寻优算法，在机组所有可行的工况范围内针对目标值的全局寻优搜索，可以避免出现寻优结果的“早熟”现象。以某电厂N600-16.7/537/537-Ⅰ型汽轮发电机组为例进行实例分析。下图给出了不同循环水入口温度下的最优主蒸汽压力曲线，并显示了与厂家提供的初压的定-滑压运行曲线存在一定的差别。

总结以下规律：三条热耗曲线在厂家给定运行曲线的定压段基本重合；随着负荷的降低，在最优初压曲线的定压段，最优初压下的热耗曲线与定压下的热耗曲线基本重合，而在厂家给定的运行初压下的热耗曲线高于上述两条曲线；低负荷时定压运行的热耗高于滑压运行的热耗。系统的开发工具与运行环境

机组运行优化系统软件运行的操作系统采用稳定性较高的Windows2000系统，数据库采用了目前公认最稳定、功能最强大的OSI公司的PlantInformationSystem(简称PI)数据库。以Borland公司的Deiphi7商业开发软件完成机组运行优化软件的开发。功能软件与数据库的接口采用标准的API函数，实现功能软件与数据库之间实时数据、历史运行数据以及分析结果数据之间的数据交互。通过SIS数据库将部分原始数据及分析诊断结果通过监控网络上的客户端提供给运行操作员、值长以指导运行，而管理人员关心的数据及分析诊断结果经防火墙发往MIS网，通过MIS客户端实现信息的浏览。考虑到集团中各厂地理位置分散，不易也不可能敷设专用的通讯网络，因此利用公用网络系统(Internet)及安全网关建立虚拟网(VPN)通过Intenet实现数据交换。经济效益预测

据有关资料显示，通过对一台575MW机组的运行参数进行监测和运行优化，可以使机组热耗下降200KJ/(KW.h)，或使一台670MW机组的每年运行费用减少40万美元。已具备的技术条件

所需测量信号已基本具备，信号分析与处理技术已经具备。现场数据库中的海量历史数据，为基于实际运行数据的系统和设备特性分析提供了有利的基础。对于各主要设备的传热特性、流动特性等动力学特性的机理分析和理论模型的研究已有一定的基础。目前Mathematic以及Matlab等大型商业数据分析软件在各领域的应用已经较为成熟。节能在线监测系统以及耗差分析软件已经作为成熟产品，在国内各类型机组有了普遍的