火力发电厂运行指导系统

前言

据文献[1]统计，我国电力行业的装机容量已达到了3亿kW，半个年度的累计发电量已经达到了7 450.08 亿kWh的水平，其中火力发电量占83%以上，在电力生产中占主导地位。几年前的统计资料表明，我国火力发电厂的平均煤耗为410 g/（kWh），比先进国家高出近80 g/（kWh）［2］，虽然近几年这种状况有所好转，同发达国家水平之间的差距有所减小，但仍存在着可观的节能潜力。美国电力科学研究院（EPRI）曾对美国全国范围内所有火力发电厂进行过全面的调查研究，其统计数据表明机组运行的实际热耗比可能达到的最佳热耗要高出近1000 kJ/（kWh），其中大约有500 kJ/（kWh）是可以通过运行的优化得以控制的[2]，火电生产提高其经济性的一个重要手段就是通过机组运行的优化控制，依靠对运行的优化，降低火力发电的煤耗率、电耗率等，以提高机组的经济性[3～6]，实现节能增益[7]。
在实际运行中，节能落实的困难是缺乏在线机组经济性能监测及运行优化系统的指导软件。这类软件已在美国和其他一些发达国家的电力生产企业中获得一定应用，使用结果表明，应用此类软件来节能增益，其效果是明显的。有关资料介绍，通过对美国国内有运行优化的300 MW机组的统计，优化运行使机组的热耗率降低了200 kJ/（kWh），其经济效益是使单元机组的年运行费用减少了50万美元。在我国，此类软件应用很少，一些功能比较完善的电站生产优化软件都是从国外引进的，而且其具体应用需要与企业管理行为结合，加之价格比较昂贵[8～10］，普及推广比较困难。

1　火力发电厂运行指导系统

火力发电厂运行指导以包括DCS、PLC等较完善的工业自动化水平的提高为基础，在运行安全问题基本解决后，针对电力市场竞争而提出的。市场的特点是复杂、多变，完全掌握市场是理想化的，难以真正实现，因此，企业只能考虑不断调整自身以适应市场。在电力市场环境下，电力供应商不仅在经营活动中需要决策支持，运行和检修同样需要决策支持或操作指导。
火力发电厂运行指导系统以电力市场为外部环境，贯彻市场观念、利润观念、竞争观念，动态、综合地监视与评价运行状况，建立以整体经济效益为目标的火力发电厂运行指导系统。
影响火力发电厂运行经济性的主要因素包括：系统的组织方式（如机组间的负荷分配、公用系统的出力），设备运行（如吹灰器的投入，凝汽器清洗时间等），运行参数（如主蒸汽压力、温度的偏差等）的偏离等，对于实际运行的火力发电厂，在一定的负荷和环境条件下，理论上对应地存在一个最佳运行经济状态点，但是由于在实际运行中存在各种影响因素，使得实际运行状态偏离最佳工况点，因此，有必要通过对热力设备运行状态偏差的分析，找出经济性损失的场所和大小，通过系统运行进行调节优化，从而提高整个发电过程的经济性。
火力发电厂运行指导是贯穿生产的主线，是围绕发电负荷而进行的，从管理控制层面上应具有2个层次：值长优化控制层，班长优化控制层，见图1。因此，可以通过对值长运行指导的值长站和对班长运行指导的班长站实现全厂运行由粗到精的调整，逐层次地降低上网电价成本。

图1　运行指导层次结构

（1） 值长运行指导。对应一个固定的全厂总负荷，各个机组的发电负荷与公用系统（水、煤、灰等）出力可以有多种组合方式，在理论上存在最优点，最优点是在保证总负荷的条件下，使整体煤耗、厂用电、补水率等的综合投入最小。值长作为电厂生产的直接管理者，其作用是协调各个系统，值长通过值长站对低层运行型数据的归纳与总结形成对值长决策有用的信息或知识，以分配各个机组及公用化学水、输煤、除灰系统的出力，图2为值长站的功能与大概流程。

图2　值长运行指导

（2） 班长运行指导。单元班长是指各个机组及公用系统运行管理人员，可能各个电厂的分工或称谓不同，在此以班长代替最基础的运行管理者。以单元机组运行班长为例，它的一个很重要的职责是协调锅炉、汽轮机及发电机的运行，在安全性得到保证的前提下尽可能地降低发电过程中的各项消耗（如吹灰汽耗、排烟损失等），同样化学运行班长则需要保证在正常补给水量、补氢量等的情况下，节省电、水等物资的消耗，见图3。

图3　班长运行指导

理论上，整个发电厂运行经济性水平的基准值应该只是负荷、环境及煤质等参数的函数。对于一个具体的火力发电厂，其各个系统是固定不变的，在原设计工况的基础上，对于给定的负荷进行分析时，只要负荷、环境及煤质等参数给定，其他运行参数就相应地确定并且是唯一的，同时校核热力计算的结果也是唯一的，可以认为，这些校核热力计算得出的值就是对应于此种工况下的基准值。经理论计算可获得各种不同客观条件下的一系列基准值。对这些基准值分析，可获得运行参数的基准值与初始工况之间的关系式。

2　火力发电厂运行指导系统的实现

图4为运行指导系统结构框图。

图4　运行指导系统结构框图

火力发电厂运行指导系统以火电发电厂整体能量平衡计算为基础，通过读取底层系统的实时运行资料，比照历史资料，借助于系统的热力设备经济运行状态监视模型，实时计算分析热力设备的运行效率、系统出力，分析评价全厂运行工况点的经济性，及时、准确地指出经济性下降的位置和大小，以满足调整发电厂运行状态的实时性要求，保证其在经济状态下运行。[Page]
火力发电厂运行指导系统的基本功能为性能监视模块和运行优化模块。性能监视模块主要用来实时监视电站各热力设备包括锅炉和汽轮机以及各种辅机的实时运行性能，分析主机及主要辅助设备的实际生产能力、历史资料及其相关的技术经济指针，建立设备与机组的关联关系，通过实际设备状态，判断设备的工作潜力。运行优化模块主要用来进行运行目标工况分析计算和运行能损分析等优化计算以及运行指导，其中优化计算包括最佳运行方式，能够达到的最佳运行参数和性能指针，以及所有可控与不可控项的运行偏差定量分析，运行指导可依据优化分析结果，提出对运行参数的调整建议，考虑系统的复杂性、参数量化的不确定性，参数调整以提示形式出现，不参与死循环控制，以避免对系统的安全运行产生负面影响。
火力发电厂运行指导系统采用模块化的多层分布式系统设计结构。现场数据的采集可以实现平衡分布式的存储扩展，采用实时数据库实现现场秒级运行数据的采集、存贮和系统提取，实现运行指导系统与现场的运行控制系统（如DCS，FCS）的数据采集同步，实时数据经过一定的提炼、抽取后形成运行指导系统的历史数据，并和具体的设备运行状况相关联，借助于数据管理系统的数据管理功能，可以满足系统运行监视和运行优化过程中的对分析计算数据的需求。
模型库是运行指导系统所有分析计算和检索组件的仓库，模型库的管理使用户接口和系统的功能实现发生隔离，有利于系统的灵活布置和算法模型的更换升级。模型库关联火力发电厂所有设备的运行状态监视模型、运行参数基准值获取模型及运行优化模型，其计算分析模型组件可由模型管理系统根据机组的不同运行状态驱动加载。利用系统定义的用户接口，通过图形查询工具及SQL查询模块的数据索引和模型管理器的算法模型检索功能，系统可以实现火电机组运行状态监视，实时数据浏览以及运行状态优化的功能。

3　关于运行指导系统研究的讨论

计算机技术和网络通信技术的日益发达使得电厂整个生产系统的运行参数交互变得方便易行，自动化技术使局部工序的优化控制成为现实，火力发电厂传统的局部控制已逐渐被整个系统乃至全厂的协调控制、最优控制所代替，经济运行的优化及决策管理支持系统的出现，使电厂管理及控制一体化得以实现。火力发电厂运行指导系统作为电厂厂级监控信息系统SIS的基本组成部分，是实现火力发电厂全厂范围内管理控制一体化的重要环节。
火力发电厂是一个庞大的系统，影响整个系统运行经济性的因素很多，理论上的系统最优运行在实际工程中难以实现，火力发电厂运行指导系统的实施目的是在保证电站设备安全运行的条件下，取得满意的经济效益。
运行指导系统能够实时监视和分析电站各种热力设备的运行工况，关联运行经济指标，实时分析计算主要运行参数的运行基准值，以及可达到的目标运行参数值及性能指标，定量分析可控损失项的运行偏差，考核运行操作质量。依据优化计算的分析结果，产生对运行参数的调整操作或者运行调整建议，并能对特定设备的经济性“故障”，进行事故跟踪，分析其产生原因，对故障设备提出检修建议，达到优化电站设备运行优化的目的。
实现电力生产管理的网络化、信息化是信息化社会发展的基本要求，随着我国电力生产的市场化，电厂的运行已不仅仅局限于安全、满发的范畴，厂长、经理们更为关心的是整个发电厂的经济性，追求以最有效的方法取得最佳的经济效益。运行优化指导系统作为电厂SIS系统的一个子系统，在实现电厂生产管理网络化与信息化的基础上，实现运行优化的目的。