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1、火力发电厂经济运行管理系统的设计问题火力发电厂经济运行管理系统的设计问题 刘维刘维 刘维先生，北京和利时系统工程有限公司研究员。关键词：关键词：发电机组 经济运行 我国电力工业经过二十多年的快速发展，火电站装机总量达到了相当大的规模。提高电站的经济运行水平，降低煤耗，已经提到日程上来。在这一背景下，设计经济运行管理计算机系统是电站专业工作者、计算机系统工程工作者共同面临的任务。应当说明，在过去的几年中，电力系统的专家提出了 SIS(Supervisory Information System)系统的概念。由于 SIS 是监控信息系统，为突出经济运行、优化管理决策的思想，本文采用经济运行管理系统
2、(Economic Operation Management System，EOMS)这一术语。一一 经济运行管理的优化和模型建立经济运行管理的优化和模型建立 当电厂投入运行之后，机组的主体设备、工艺结构均已确定，此时影响能源转换效率的将是经济运行及优化管理问题。解决这一难题的工具平台就是 EOMS 系统。EOMS 系统有效运行的关键是实用化的数学模型问题。下面分析解决这一问题的难点和性质：(1)满负荷出力与经济负荷出力是两个不相同的概念。定量化分析，建立主机、辅机设备的经济运行模型，使之工作在经济运行参数上，是经济运行应解决的第一步问题。(2)大型火力发电机组是一类工业大系统，主要目标是提高
3、机组级的总体经济性。建立机组级经济运行的量化模型，是搞好电厂经济运行的基础性工作。(3)不同电站运行方式不同，没有通用的机组级经济运行模型，只有建立针对特定机组的专有模型才能收到良好的效果。(4)此类服务于特定电厂的专有数学模型还需要经常维护。这是因为随着投运时间的增加，主机、辅机的工作状态均在变化，这将影响设备的效率，改变机组的热交换条件，进而影响整个机组的总体经济性。(5)随着季节的不同，环境温度、湿度均在变化，它们会影响机组总体上的热交换环境，从而影响机组的经济运行工作点。(6)安全是最大的效益，应对主机、辅机设备、各种装置和部件，特别是重要的易损部件，建立严格的运行状态记录，对影响它们
4、安全运行的参数进行连续监测。从目前的定期检修过渡到寿命预测、预测更换。电厂经济运行的必要条件是建立准确的特定数学模型，而且这类模型必须不断维护、修正、提高。没有专业的高水平的经济运行分析人员、设备安全状态分析人员，不能得到高水平的特定模型。电厂的经济运行工作、EOMS 系统的完善和高级专业分析人员的出现，很可能是互相促进、共同成长起来的。二二 典型功能设计典型功能设计 为了构建合理、实用化的 EOMS 系统，参照国外类似的情况及国内科技工作者的工作，分析 EOMS 系统的典型功能如下：1.机组效率及热经济性的基础计算功能 目前可以进行的机组级主要经济性能基础计算，首先是机组级的热经济性指标计算
5、：采用正平衡法：Ni=Nip-b(kJ/kg)采用反平衡法：Ni=Q-Qn(kJ/kg)式中，Ni1 公斤工质的循环作功；Nip汽机内的蒸汽膨胀作功；b给水泵内的焓升；Q循环吸热量；稱Qn各种损失的总和。此外，还包括外部余热利用计算；给水泵功率计算及冷源损失计算；热耗率、汽耗率、标准煤耗率计算；不同经济性指标如：实际循环效率(i)、汽机装置热耗率(q)、标准煤耗(bb)等指标相互间的转换；汽机冷凝汽变化及出口损失计算；再热器压损失计算；排挤抽汽引起的凝结水泵、疏水泵、给水泵耗能损失计算，即泵功损失计算；轴封渗漏损失计算及漏汽回收再利用；抽汽、抽汽加热器，余热利用的效益计算；补给水方式及热能回收
6、的经济性计算；厂用蒸汽的效能计算；各种冷源损失计算：喷水减温的热经济性计算；排污热能损失及回收利用计算；加热器效率及损失计算；疏水冷却系统的效能及损失计算；暖风系统的效能计算；省煤器效能计算；其他需要进行的辅机系统的经济性计算。此项功能框图如图 1 所示。综合上述可得如下认识：这种计算是专业性的，而且计算的内容、范围随着认识的深入将会扩大和精确；企图一劳永逸地采用一套已知公式，解决经济运行问题是不现实的；我们再次认识到，经济运行分析人员是一种研究性的工作岗位，这种研究工作既有对具体问题的深入理解，也有对新问题、新现象的发现和认识，从而提高我们的认知水平；此种研究和计算应由具有很深造诣的专业工作
7、者承担。2.热能损耗分析 用反平衡法计算机组效率时，难点在于完整地计算损失总和项稱 n。稱n 计算的精确度一定程度上代表了我们的认识水平和深度。因此，与正平衡法计算相比较，分析差异是我们深化认识的一个方法。全面、精确地进行热能损耗计算，是我们提高经济运行水平的一个途径。实现这一功能的计算机子系统的框如图 2。由图 1 可知，这是一个交互式辅助决策系统。由于大型机组经济运行问题的复杂性，采用自动决策的设计是不明智的；又由于人们对热能损耗认识的不足，采用固定结构的设计也是错误的；应将其设计为可扩展系统。随着经济运行知识的增加、不断完善、修正偏差，分析知识库及理想损耗值状态库将不断完善和精确，从而使
8、得问题的分析更准确。损耗图可以采用相对值坐标形式，如用下式作为纵坐标：i=Ri/Rio 式中，Ri0第 i 项理想值；Ri第 i 项实际值。i通常大于 1，数值越大，经济性越差。当然，除了图的形式之外，可利用计算机输出方式的灵活性，形成多种输出形式如用表格形式，给出绝对值，以便有定量化的概念；单项损耗随时间的函数图形方式，以便了解变化的趋势等。3.经济运行决策分析系统 在前述计算的基础上，可以构建机组级经济运行决策分析系统(基本功能框图如图 3 所示)，它具有如下特点：(1)主机辅机设备的基础数据、效率曲线等，应存储在基础数据库。(2)当前机组运行中的实际状态参数、真实状态数据来自于机组 DC
9、S 系统，此类动态数据应长期保存，以便进行分析研究时使用。(3)这里的机组效率、热能损耗知识库，基本方法应与前述相同，区别在于侧重机组总体的经济性计算；即将单项损耗、单设备效率纳入机组总体的经济性中，求得局部损耗、局部效率与总体效率之间的定量化关系，便于进行准确计算。正、反平衡计算法给了我们一个基础，然而细化的分析、更为定量化的工作需要专业工作者，通过深入的研究来完成。(4)利用基础数据、动态数据和方法库提供的方法，在经济分析师的请求下，进行综合经济性能计算。此种经济性能计算，可以得到机组运行的经济性定量评价。这仅仅是一种计算功能，我们希望本系统的使用者，可以设定一组或多组数据，重新进行计算，
10、从而得到不同运行方案的比较，选出优化的方案，得到机组级的经济运行指导意见。因此，本功能应设计为辅助决策系统，同时兼有在线性能计算和仿真计算的功能。(5)为了计算的方便，配置一定的数学计算方法库是必要的。这种数学方法库因使用者的习惯有所取舍。因此，基本方法库也应是可扩展、可以维护的。(6)随着分析水平的提高，机组综合经济性能的评价方法、热损耗的计算方法，汽机、锅炉、发电机、辅机的效率、热耗损失的计算方法同样需要进行改进，因此需要对知识库进行维护，综合经济评价准则同样需要修订。4.多机组的发电负荷优化分配子系统 我们追求的根本目标是电厂总体的经济性，在满足电网总的发电负荷要求下，对多台机组存在负荷
11、优化分配问题。数学描述如下：i=fi(Xi,Gi)；XiDi；0GiGR(i)式中，Xi第 i 台发电机组的工作参数矢量；Gi工作负荷；i第 i 台发电机组的效率函数；Di工作参数矢量 Xi可取的集合；GR(i)第 i 台机组可能的最大发电负荷；n 台机组总的工作效率函数，记为：=f(1,2,n)，于是全厂发电负荷分配的最优化就是求解如下有约束的非线性规划问题：Max=f(1,2,n)(1)XiDi 0GiGR(i)(2)G0=ni 1iG 式中，G0电网调度中心对电厂的总发电负荷要求；Gi第i台机组发电量；GR(i)该机组的允许负荷最大值；Xi该机组的工作参数矢量；Di工作参数取值的允许集合
12、。求解的目标是：满足约束方程(2)的条件下，使式(1)达到最大植。这一功能的框图如图4所示。5.设备的安全状态监测和寿命损耗分析 前述的经济运行优化问题均是以当前的发电效益为准则，更深层次的优化，至少应考虑下述两个问题：主机、辅机工作状态不同，设备的寿命损耗不同，作为经济运行应将设备的损耗成本计算在内；对发电机组来说，过长的检修期可能会出现事故损失，停机检修出现发电损失，如何优化检修期，形成了另外一类运行优化问题。任何优化问题理论上必须进行定量化求解，前提条件应有效益函数表达式。旋转部件的磨损费用，高温、高压部件的寿命损耗，不仅与材料相关，同时与连续、断续使用时间，使用状态参数相关。设备的设计
13、制造厂家给出的公式、曲线是我们考虑问题的基础，但是可能需要我们进一步的分析和加工处理。由于我们在这类问题上认知水平不足，目前电厂均采用定周期检修法，这是一种保守的运行方式。最终目标是依设备状态进行预测检修。在保证机组安全的前提条件下，减少因检修停机而造成的发电损失。目前，该方法仍处于积累知识和实用模型的探讨阶段。设备安全状态监测和寿命损耗分析子系统至少应具有3方面的功能：(1)收集主机、辅机的运行状态数据：启/停状态记录和次数累计；正常工况下的连续运行时间及总运行时间累计；非正常工况下(如超温)运行时间累计；跳闸次数及状态记录；故障后的详细状态记录。(2)利用现有的设备资料、公式、曲线进行损耗
14、计算及寿命计算。(3)根据运行动态数据，通过拟合、逼近等方法维护、构建损耗价值公式及寿命计算公式。依照这种分析给出的功能框图如图5所示。6.EOMS系统固定的周期性任务 除了前述研究性任务之外，EOMS系统应执行如下周期性工作：(1)接收来自机组DCS系统的动态数据：机组运行的工艺过程变量数据；机组设备运行状态数据(运行，停运，运行工况参数)；与运行状态、设备状态相关的全部数据。(2)依照现有的知识和公式，周期性地计算各种经济性能指标。(3)将计算结果依一定形式如表格、函数曲线、图表等存档，并可供相关领导、分析人员使用。(4)周期的机组性能计算功能，如10min计算一次或半小时计算一次。EOM
15、S系统的主要资源，应当用于机组经济性的其他分析、仿真计算及优化方案的比较工作。周期性能计算仅仅是一项工作。三三 EOMS 的使用者的使用者 为了提高电厂经济运行水平，很可能会产生新的技术岗位：经济运行分析师、设备安全分析师。作为厂级领导的助手，他们对电厂的运行维护将发挥指导作用。现对其知识结构，分析如下：(1)他们应是熟练的电厂热力学计算工作者。熟悉机组发电作功的物理过程，掌握发电机组热经济指标的计算理论，如汽耗率、热耗率、热效率、煤耗率的计算。他们应对汽机、锅炉、辅机的效率、热损耗与环境参数、工作参数及相互配合关系，具有定量化的模型深度的理解。这种能力是经济运行分析师的基本功。(2)设备安全
16、分析师首先应具备主、辅机的设备知识，特别是高温、高压部件，旋转磨损材料等的损耗机理知识；主机、辅机寿命损耗知识，没有这种专业的知识，显然无法工作。(3)无论经济运行分析师、设备安全状态分析师都应具备数学模型的综合建立能力。他们不仅应对现有模型参数能够定量辨识，进行参数维护、修订工作，而且依据运行中得到的真实数据，有能力加工处理、综合归纳；对现有模型进行分析、修订，甚至提出新的数学模型的能力。(4)在数学工具方面，他们应当掌握系统辨识理论、各种最优化的计算方法，如非线性问题求解、最优拟合与逼近等等，使得他们能对各类数值求解问题轻松地完成。(5)经济运行模型的精确度是不断提高的，优化的范围也会不断
17、扩展，设备寿命损耗计算也需要逐步精确化。经济运行分析师、设备安全状态分析师的工作具有研究工作的性质。工作中的知识积累将大大提高他们的工作质量。反过来，他们的高工作质量，将极大提高电站的经济运行水平。(6)经济运行分析及设备安全状态分析专业人才需要在实践中锻炼。因此，经济运行分析人员很可能会以小组的形式出现，不同的人负责不同的专业设备，如机、炉、电辅机设备，最终综合机组的总体经济模型，并且有能力进行维护和修订。人才问题，也许会成为EOMS系统成功运行的关键因素。四四 EOMS 系统的总体设计问题系统的总体设计问题 通过前述分析，可以归纳出EOMS系统总体设计中所具备的几大功能：1.它是辅助决策系
18、统 EOMS经过多种计算，得到发电机组实际热耗的数据，得到机组效率的数据，再经过仿真对比及分析计算，可以获得优化的运行参数指导。这种运行指导，应由有经验的专业人员进行安全分析，确认不会影响机组的安全后再执行。因此，EOMS不应是自动化系统，而只能是辅助决策系统。这是由机组运行的复杂性，数学模型的不完备性及现场工况的时变性决定的。因此，在执行优化方案之前再经过专家审查是必要的程序。反过来说，EOMS不是自动化系统，企图做成自动化系统，是指导思想的错误。2.它是功能强大的计算工具平台 EOMS要进行各种非线性计算、逼近拟合计算、非线性规划的求解运算等；因此，计算工具应当完善，满足计算工作的需要。E
19、OMS还必须进行多组运行参数的仿真计算，以便比较不同运行参数下的经济性，寻找优化的运行方案，因此EOMS也应是一种仿真计算平台。EOMS还应具有方便的计算公式生成能力。公式中的变量数据应来自动态数据库，生成的新的计算方法，可以作为标准公式，纳入相关的函数库。3.具备强大的存储能力 由于大型发电机组设备众多，需要关心的部件数量很大，需要存储的数据量巨大。因此可靠、巨大的存储能力必不可少，应具有主机系统之外的可冗余或可备份的外部存储系统。EOMS存储的数据，可分为如下类别：设备的参数、曲线、公式数据等；设备及部件的图纸、图形、照片数据；设备及部件的动态数据，如：安装使用时间；运行状态记录；正常运行
20、小时累计；非正常工况运行状态记录，运行时间累计；启停累计及其他累计；检修记录，分析报告及其他资料积累。4.配置可扩充、可维护的相关知识库 这种知识库包括：经济运行的知识库；热损耗分析知识库；设备损耗分析、计算知识库；设备寿命计算知识库。这种知识可以用函数表示，也可以用文字说明、照片资料、损伤检测报告、事故分析结果等形式存储，以方便研究、查询、使用为目的。5.它是多用户计算决策系统平台 EOMS系统应与机组控制用DCS系统通信连接，不断接收来自机组运行中的真实状态数据，记录在动态数据库中，与机组DCS系统通信能力，不可缺少。EOMS的集中式数据库，在一定授权下供多用户使用，以便进行不同使用者关心的不同问题的分析计算，这种使用状态使我们相信，EOMS系统应具有客户机服务器结构。EOMS系统虽然具有周期的机组性能计算任务，但是更多的时间，它将是经济运行分析人员进行问题分析和研究的工具平台。将EOMS系统的功能仅仅局限在周期的机组性能计算，不是全面的理解。EOMS系统的硬件体系结构，如图6所示，这里仅表示总体结构，不涉及实现方法，也未涉及硬件指标分析。（全文完）来源：世界仪表与自动化 出版日期：2005年9月