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山东大学 硕士学位论文 中温中压锅炉运行效率在线智能监测和管理系统 姓名：赵学良 申请学位级别：硕士 专业：检测技术与自动化装置 指导教师：刘红波 20060525 山东大学硕士学位论文 接要 垦蔚爆、石均等自然能源的供应匿趋紧张+ 如何提高转换效率，降低污 染已成为热电厂等高耗能企业急需解决的头等大事：随着我国加入w t o ，发 电厂“竞价上髓”已成必然趋势，熟何搓毫棍缀运行经济性，建筏国电厂必 须抓紧研究和解决的重要课题。循环流化床锅炉具有燃料适应性广、截面热 强发高、污染物撵赦少、锅炉负麓适应惶好、燃辩涮套系统翱对篱擎等特点， 使得循环流化床锅炉得到了普遍应用。但现状是大多数中温中膳锅炉的运行 效率还达不到设计要求，一方面蹙由于锅炉运行教率控耧按术正照于敷震阶 段：另一方面是由于管理的种种滞后使得先进的控制算法得不到充分应用。 本文强济南市高新区项萌为应用背景，针对现行中温中压锅炉运行效率在线 计算方法繁复：在热电厂中温中压锅炉d c s 与企! 世管理m i s 之间实施s i s 代 价昂贵，中小型热电厂无力承担；现行热电厂运行经济性计算为离线计算， 不仅浪费人力而虽使计算失占实时性等滚多问题，提出了许多豁颖醣方案。 在中小型热电企蚀k 推广运行效率智能在线监铡和管理系统，可提高热电企业 蛉经济效益，降低生产过程中能灏澄耗。减少设备故障，是实现企业警理科 学化和现代化的重要手段。 蕾先，作者深入进醑究了各葶孛孛溢率篷锅炉运 亍效率弱现彳亍诗算方法， 根据国内中小型热电厂现状，从经济性角度出发，提出了适丁中小型热电厂 的实用在线算法，针对规城不完全燃浇热损失嗣常规方法计算误差较大的问 题作者提出采用神经网络等先进算法米减小误差；采用“输入输出”方法 对备啜热部件的运行效率计算建立数学模犁，避免了对具体结构箭热力讨 算，提高了算法的通用性；结合缀态软件的特点提出采用网页动态发布的 方法，实现了异地实时输入、异地实时输出。 然后，根据热电企业中溢中照三锅炉系统运行特点和对监测与管理软f l 二的 要求，建立了经济运行指标，提出总体设计要求。确立了以远行经济胜指标 俸最建立、优化建议秘无缝连接企监m i s 为软弱标；安全连接d c s 、底星 数据正确致为硬目标，提出了软、硬件统筹考虑的方案，较好的处理了管 璎系统帮煎溺系统交互时协调趣鼹。 结合锅炉运行的工艺特点，按照系统构成对所需测点进行了逐个分析， 第i 甄 山东大学硕士学位论文 进行了硬件设计与实现，提出了新的取信号思路，实现了d c s 与本系统的 安全连接，达到了经济性与安全性的优化。 本文第六章作者就下一步的工作进行了总结和展望，提出了进一步的研 究方向和需要探索的问题。 本项目自投入运行以来，运行稳定可靠，达到了设计要求，部分指标优 于设计目标。经某热电厂7 5 t hc f b 的实际测算，按照优化建议经过调整可 提高锅炉运行效率3 左右，如折合到耗煤，每目可节约原煤7 3 吨( 按低 位发热量5 3 0 0 k c a l k g 计算) ，给热电厂带来了显著的经济效益和社会效益。 关键词：运行效率在线监测和管理 第1 i 页 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t c u r r e n t l yc o a l ，o i l a n do t h e rn a t u r a l e n e r g ys u p p l y i s t i g h t ，h o w t o i m p r o v et h e c o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n dr e d u c ep o l l u t i o nh a sb e c o m et h et o p p r i o r i t yt oh i g ht h e r m a l e n e r g yn e e d e de n t e r p r i s e sw i t hc h i n aa c c e s s i n gt ot h ew t o ，”p o w e rg r i d s ”h a sb e c o m ea l l i n e v i t a b l et r e n dh o wt oi m p r o v et h eo p e r a t i o ne c o n o m i co fu n i t sh a sb e c o m ea nu r g e n t t h i n gn e e d e dt ob es t u d ya n da d d r e s s e di m p o r t a n ti s s u e s f l u i db e db o i l e r h a sf u e lc y c l e w i t ha d a p t i v ew i d e ，c r o s s s e c t i o n a lh i g h i n t e n s i t yh e a ta n dp o l l u t a n te m i s s i o n sl e s s ，b o i l e r l o a da d a p t a b i l i t y g o o d ，r e l a t i v e l ys i m p l ef u e lp r o d u c t i o ns y s t e m t h e s ec h a r a c t e r i s t i c s m a k ef l u i db e db o i l e ru n i v e r s a la p p l i c a t i o nb u tt h ec u r r e n ts t a t u so fm o s tt h em e d i u m t e m p e r a t u r e ，m e d i u mp r e s s u r e b o i l e r sc a n n o ta c h i e v ef o rt h e d e s i g n e do p e r a t i o n a l e f f i c i e n c yg o a l ，o nt h eo n eh a n dt h eo p e r a t i n ge f f i c i e n c yc o n t r o lt e c h n o l o g i e so ft h eb o i l e r s a r ea tt h es t a g eo fd e v e l o p m e n t ；o nt h eo t h e rh a n di ti sl a g g i n gb e h i n db e c a u s eo fv a r i o u s a d v a n c e dm a n a g e m e n tc o n t r o la l g o r i t h m sa r en o tf u l l ya p p ll e db a s e do nt h ep r o j e c tf o r h i g h 。t e c hz o n e si nj i n a nc i t ya p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d ，t h i sd i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r dm a n y i n n o v a t i v es c h e m ea g a i n s tw h i c ht h ec u r r e n to n l i n eo p e r a t i n ge f f i c i e n c yc a l c u l a t i o ni s c o m p l i c a t e da n di t i sv er yc o s t l yi m p l e m e n t i n gs i sb e t w e e nm i sa n dd c st os m a l la n d m e d i u mp o w e rp l a n tm a n yo ft h ee x i s t i n gp l a n te c o n o m i cc a l c u l u sa r eo f f l i n ew h i c ha r e n o to n l yaw a s t eo fm a n p o w e rb u ta l s on o tt h er e a l t i m ec a l c u l u s i nt h ep r o m o t i o no f o p e r a t i n ge f f i c i e n c yi n t e l l i g e n to n l i n em o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e mt os m a l la n d m e d i u mt h e r m o e l e c t r i c e n t e r p r i s e s ，i t w i l l i m p r o v e t h ee c o n o m i c e f f i c i e n c y o f t h e r m o e l e c t r i ce n t e r p r i s e st or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o ni np r o d u c t i o np r o c e s s e sa n d r e d u c ee q u i p m e n tf a i l u r e ，w h i c hi si m p o r t a n tc o m p o n e n tt oa c h i e v es c i e n t i f i ca n dm o d e r n e n t e r p r i s em a n a g e m e n t 。 f ir s t ，t h ea u t h o rs t u d i e sav a r i e t yo p er a t i o ne f f i c i e n c yo ft h ee x i s t i n gm e t h o d o l o g yo f m e d i u n lp r e s s u r e ，m e d i u m t e l n p er a t u r e b o i l e r s i n d e p t ha c c o r d i n g t ot h es t a t u so f d o m e s t i cs m a l la n dm e d i u mp o w e rp l a n tf r o mt h ee c o n o m i cp e r s p e c t i v e ，t h ea u t h o rp u t s f or w a lds m a l la n dm e d i u mp o w e rp l a n tp r a c t i c a la l g o r i t h m st om e c h a n i c a li n c o m p l e t e c o m b u s t i o nh e a tl o s sc a l c u l a t i o nu s e sc o n v e n t i o n a lc a l c u l a t i o ne r r o rl a r g e ，t h ea u t h o r p l e s e n t san e u r a ln e t w o lka n do t h era d v a n c e da l g o r i t h m st or e d u c ee r r o r s ，u s e st h e ”e x p o r t e n t r y ”m e t h o dt oc a l c u l a t e t h eo p e r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h ec o m p o n e n t sw h i c ha v o i d st h e h e a to ft h ec o n c r e t es t r u c t u r eo ft h ec a l c u l a t i o na n di n c r e a s e sa l g o r i t h mi n t e r o p e r a b i l i t y ， t a k e sa d v a n t a g eo fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ef e a t u r e sa n ds u g g e s t sw e bd y n a m i c sb ym e a n s o fa c h i e v i n gr e a l t i m es e r v i c e s 第1 i i 页 山东大学硕士学位论文 t h e n ，a c c o r d i n gt oo p e r a t i n gf e a t u r eo fm e d i u mt e m p e r a t u r e ，m e d i u mp r e s s u r eb o i l e r si n t h e r m o e l e c t r i ce n t e r p r i s e sa n dt h er e q u i r e m e n t so ft h e m o n i t o r i n g a n d m a n a g e m e n t s o f t w a r e ，t h ea u t h o re s t a b l i s h e st h ee c o n o m i cp e r f o r m a n c ei n d i c a t o ra n dp u t sf o r w a r dt h e g e n e r a ld e s i g nr e q u i r e m e n t s t h i sd i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e ss o f t g o a l s w h i c hi n c l u d e s e c o n o m i ci n d i c a t o r sc r e a t i o n ，o p t i m i z a t i o nr e c o m m e n d a t i o n sa n ds e a m l e s sc o n n e c t i v i t yf o r e n t e r p r i s em i s ，e s t a b l i s h e sh a r dg o a l sw h i c hi n c l u d e sc o n n e c t i n gd c ss e c u r e l ya n dg e t s t h eh a r dd a t as a m ea st h er i g h tb o t t o ml i n e ，a l s op r e s e n t ss o f t w a r ea n dh a r d w a r ei n t e g r a t e d i n t ot h ep r o j e c t ，d e a l sg o o dw i t ht h ec o o r d i n a t ep r o b l e mi nt h em o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n t s y s t e m s c o m b i n e dw i t hb o i l e r s c h a r a c t e r i s t i c so fo p e r a t i n ga n d d e s i g np r o c e s s e s ，t h i s d i s s e r t a t i o na n a l y s i s sm e a s u r i n gp o i n t so nt h ec a s e ，f i n i s h e sh a r d w a r ed e s i g na n dt h e r e a l i z a t i o no fan e ws i g n a l ，a c h i e v e sas e c u r e l yl i n k i n gb e t w e e nd c sa n dt h es y s t e m ， o p t i m i z e se c o n o m i ca n ds e c u r i t ys u c c e s s f u l l y t h ef i n a lc h a p t e ro nt h ed i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e sa n dp r o s p e c t st h ed i r e c t i o nf o rf u r t h e r r e s e a r c h s i n c et h i sp r o j e c th a sb e e np u ti n t oo p e r a t i o nr e l i a b l y ，i tm e e t sd e s i g nr e q u i r e m e n t sa n d s o m ei n d i c a t o r sa r es u p e r i o rt od e s i g ng o a l s a c c o r d i n gt o7 5 t hc f ba c t u a lm e a s u r e m e n t o fat h e r m a lp o w e rp l a n t t h eb o i l e rc a nb ea d a p t e dt oi m p r o v eo p e r a t i o n a le f f i c i e n c y3 i n a c c o r d a n c ew i t ht h er e c o m m e n d a t i o n s ，e q u i v a l e n tt o2 ，0 0 0a sad a i l ys a v i n g so f73t o n so f r a wc o a l ( m a d eb yl o wc a l o r i e5 3 0 0 k c a l k gc a l c u l a t i o n ) ；t h es y s t e mb r i n g ss i g n i f i c a n t e c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t st op o w e rp l a n t k e yw o r d s ：o p e r a t i n ge f f i c i e n c y o n l i n em o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n t 第1 v 页 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科 研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：趁瞄良 日期：垫! ：兰至 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇：编本学位论文。f 保密 论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：茬蝣文 导师签名：型l 竺i 叁日期：巡、j 乙 山东大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 来源和目标 本课题是济南市高新区科技发展计划重点项目，主要应用于中小型热电 企业运行效率在线智能监测与管理。 课题主要目标是通过研究基于单机或多机生产过程的监测和优化管理 系统，可对中温中压锅炉生产进行实时监测、实现优化管理和合理经济运行， 经调整使整个机组运行在经济状态；通过对工艺历史数据的分析对比，对生 产情况进行分析，找出生产瓶颈，提出解决方案，优化生产，提高效益。 达到的技术指标： 正平衡、反平衡计算锅炉系统运行效率达到企业规定要求； 以趋势图、报表、动态工艺流程概貌等形式全面实现锅炉系统运 行性能和效率监测与管理； 建立完善的热电机组中温中压锅炉系统运行性能和效率指标体 系： 系统投入运行后，经过锅炉系统操作调整达到提高热电机组锅炉 系统运行效率2 左右。 达到的经济指标： 该项目产品研发成功后，每年生产1 0 0 套，按目前市场价格2 0 万元 套，可实现年销售收入2 0 0 0 万元。 社会效益： 系统投入运行后，达到热电机组锅炉系统高效率运行，热效率可 提高2 左右，有节能效益： 系统投入运行后减少由于设备运行异常产生的环境污染，有环保 效益； 掌握先进信启，化技术，并有专用系统产品，可大大提高系统集成 市场占有率，促进自动化事业发展； 成功配套系统可大大提高热电机组锅炉系统经济运行产品的市 场占有率，促进锅炉系统事业的发展。 第1 页 1 2 目的和意义 我国的一次能源结构决定了我国发电必然以煤电为主的基本格局，如表 1 1 所示，这是长期难以改变的，这也是我国和国际一次能源利用主流不同 的显著特征。 表1 1 能源消费结构 年消费总量煤 石油天然气水电核能新能源 份( 标准煤) ( )( )( )( )( )( ) 1 9 8 0 6 0 2 57 1 92 1 22 94 o 1 9 9 09 8 7 0 3 7 6 21 6 62 15 1 2 0 0 01 5 0 2 07 1 21 9 83 04 21 8 2 0 3 03 0 7 5 06 58 o5 o7 51 1 03 5 2 0 0 2 年底我国燃煤火力发电装机容量占全国总装机容量的7 4 5 ，发电 量占全国总发电量的8 0 以上。按照党的十六大提出的到2 0 2 0 年全国 g d p “翻两番”的要求，届时全国总装机容量将达到9 9 5 亿k w ，发电量 将达到4 2 0 0 0 亿k w h 左右，其中火电装机比重仍然占7 0 左右。按此估算， 今后1 8 年将投入3 5 亿k w 左右的火电机组，占当时火电总装机容量的近 6 0 ，成为中国火电的主体。与其他一次能源( 如石油、天然气、水力、地 热、太阳能等) 相比，煤是一种较“脏”的燃料。煤在燃烧过程中将产生大 量的灰渣、粉尘、废水、s o ：、n o ，等废弃物，如未能妥善处理，将会严重干 扰生态环境，甚至造成永久性的破坏，进而危害人类自身的生存和发展。 近年来电力市场供应紧张，电煤资源供不应求，煤价上涨直接导致发电 成本增加；随着电力市场的逐步扩大和竞争的日益激烈，为了降低成本，最 大限度的发挥热电厂锅炉运行效率，节约运行费用、降低成本，更加灵活的 提高企业市场竞争力；实现设备预测管理和预测检修，达到设备高可靠性、 高可用性的目标，提高企业的生产管理水平，电厂需要采用更新的生产管理 手段，通过优化生产、降低煤耗来提高生产效率，并已逐步成为关系到最后 实现企业的中长期发展战略目标和企业生存发展的重要课题。因而电厂的电 力生产已不再是单纯的维持机组的正常稳定运行，而是要在保护安全的基础 上，通过最优化策略使整个电厂的设备潜能得到充分发挥，使整个生产保持 第2 页 山东大学硕士学位论文 在最佳、最稳定、经济运行状态，用最少的成本带来最多的效益。如何挖掘 电厂的自身潜力、优化生产、降低煤耗，在有限资源条件下发更多的电，保 证机组经济运行和提高电厂整体效益，成为电厂的迫切愿望而对于直接面 向生产过程的控制系统，则要求汇集生产过程中大量的实时数据和信息，在 新型数据库技术的支持下进行存贮、分析、提炼和发掘，为操作和管理人员 提供所需的数据、结果、运行指导和决策依据，把信息变成知识，把知识变 成决策，把决策变成利润。本项目研发的适于热电厂应用的低成本计算机监 控信息系统在热电行业的广泛应用可以提高热电机组的运行效率，减少由于 设备运行异常产生的环境污染，明显提高企业经济效益和社会效益。有些企 业为了提高管理水平，应用计算机及网络技术，也建立了类似大型电厂的管 理信息系统m i s ，主要为全厂运营调度、生产和行政管理工作服务，完成生 产经营管理和财务管理工作，但m i s 主要是针对办公、财务等静态结构数据 管理而设计，其中的关系数据库无法满足实时过程数据管理的需求，对实时 信息的离线分析和处理用于机组优化缺乏时效性。因而在热电企业生产过程 实时数据采集和常规监控系统与m i s 之间需要一个承上启下的实时生产过 程管理和监控系统，真正实现热电厂的管控一体化。本系统提供单机或多机 的生产过程监控和合理经济运行：提供热电锅炉系统实时历史数据资源， 经调整后可使整个机组运行在经济状态。 中温中压锅炉运行效率智能在线监测和管理系统是针对影响热电机组 运行效率的主要设备锅炉系统研发的高新技术产品，技术含量高。该项目 产品研发成功后，可以填补中小型热电企业生产和技术管理层实时生产过程 管理和综合监控的空白，达到显著提高热电厂管控一体化水平，降低运行成 本，提高热电机组的运行效率，减少由于设备运行异常产生的环境污染，明 显提高企业的经济效益和社会效益。 1 3 监测与管理系统发展现状 美国、加拿大等发达西方工业化国家早在七十年代初就开始火电机组性 能监测系统的研究和开发，当时试验的重点是热偏差分析方法对机组的热耗 率变化进行在线监测，通过对一些可控参数( c o n t r o l l a b l ep a r a m e t e r s ) 第3 页 山东大学硕士学位论文 的调整，使机组的运行能耗减至最小。8 0 年代，美国e p r i 集中了一大批研 究人员，并联合众多电力公司及电厂，开始对火电机组性能在线监测系统做 全面的研究和工程化的应用试验，其目的是通过对机组性能进行连续的监 测，以了解影响机组性能的各种因素，并对这些因素加以分析和控制，最终 提高机组的运行效率，1 9 8 4 年研究开发出指导运行人员的燃烧管理系统。 从目前情况看，为提高电厂的整体管理水平和运行效率，增强电厂的市场竞 争力，国外一些著名的生产厂商纷纷在实时控制的基础上不断向管理层面发 展而进行了开发研究，开发了类似于监控信息系统的一些软件包。这些软件 在国外已有较多的应用业绩，且取得了良好效果。由美国电力研究组织开发 研制的运行能源管理系统( o e m ) 是电站在线性能监测与诊断的个有效应 用，此运行能源管理系统通过在线优化设备调度使电站以最小的费用满足当 前的负荷要求。1 9 8 9 年日本北海道电力公司开发出一种可燃用各种煤燃 烧过程的自适应调节系统，当煤种改变时便自动地使燃烧调节系统的参数调 整到最佳状态。e p r i 一方面在p o t o m a c 电力公司的m o r g a n t o w n 电站1 号机 组上建立了一个先进性能监测和测量软件系统，用以证明应用现代性能监测 与测量设备后，电站性能和系统配置能力的提高；另一方面，e p r i 制定了 一套准则来帮助电站分析热效率降低的原因，这套准则的实用性在v i r g i n i a 电力公司的m ts t o r m 电站1 号机组上得到了证明“1 。文献“。一方面提出早 期故障监测制定检修计划，以提高设备可用性；另一方面通过帮助运行人员 进行优化控制来提高运行效益，从而提高整体经济效益。而文献“。通过在纽 约州电力和燃气公司的g o u d e y 电站8 号机组上安装一个计算机性能试验软 件t c p t p ) ，可以准确解释试验结果，并以逻辑连续方式描述解决问题的措 施从而提高热效率。国外在锅炉性能诊断与监测也进行了一定的研究，文献 ”1 中用系统1 4 0 来提高锅炉负荷和进行能量管理，1 9 8 5 年m o n t a n ad a k o t a u t i l i t ie s 公司4 0 0 m wc o y o t e 电站建立了一个所谓的“p m a x 性能监测系统”， 于1 9 8 7 年2 月投入商业使用。e p r i 研发了一个热效率降低专家系统顾问， 用它来分析和诊断燃煤电站热效率和可控参数的偏差和趋势，从而提供合理 的性能偏差原因并提供校正动作”。当然还有其它一些公司也研发了一些其 他的产品，其中应用较多且功能较完善的有瑞士a b b 公司开发的一体化产品 o p t i m a x 软件包、德国s i e m e n s 公司的s i e n e r g y 系统、h o n e y w e l l 公司的全 第4 页 山东大学硕士学位论文 厂自动化系统t p s 及f o x b o r o 公司将过程控制和全厂管理相结合的信息管理 系统i as e t i e s 等。但由于它们中的大部分模块是根据具体电厂的实际需 求开发的，有的还在不断改进与发展，且整套软件价格昂贵，如b e n t l y 公 司的用于监视旋转机械工作状态的数据管理系统d m 2 0 0 0 和机械状态管理系 统m c m 2 0 0 0 的价格分别为l 万和4 万美元左右。 我国自八十年代中期，也开展了火电机组性能在线监测和经济性运行的 研究，电力科学研究院、东南大学、西安热工研究院以及西安交通大学等单 位先后在望亭电厂、南京热电厂及天津杨柳青电厂投运了所研制的火电机组 性能在线监测系统。文献”。在望亭电厂建成了一个基于c s 和b s 的结构体 系及多层结构的管理信息系统，初步实现了现场数据的数字化；文献实现 了计算机作为工具，以经济性分析与监测软件为核，t 3 的在线系统作为火力发 电机组运行管理：文献”详细论述了火电机组微机在线经济性诊断与监测系 统( e s d s ) 的主要功能、结构和系统设计；文献”。介绍了火电机组热经济性 在线监测系统的总体结构、一次数据提取和检验方法及主要功能，并应用于 2 2 0 1 w 机组的诊断，作者指出在线监测系统能实时反映机组运行状况的经济 性指标和煤耗偏差及分布，给机组优化运行提供了依据，对机组节能降耗具 有重要意义；文献“”“也对锅炉的经济性运行进行了研究并提出了独到的 见解。1 9 9 7 年我国著名电力规划专家、清华大学教授侯子良首次提出电厂 监控信息系统( s i s ：s u p e r v is o r yi n f o r m a t i 0 1 3s y s t e m ) 的概念后，使得国内 对于监控系统和经济性管理层应该归属于哪一层有了一个比较清晰的概念， 2 0 0 0 年厂级监控信息系统正式纳入国家经贸委颁发的火力发电厂设计技 术规程( d l 5 0 0 0 2 0 0 0 ) 中，。成为指导基建工程中规划设计厂级监控信息 和管理信息系统的纲领性文件，关于此类文章、会议大量涌现，促进和推动 了中国s i s 的快速发展。鉴于当时对于s i s 认识实际上的不完全统一，侯子 良教授再次发表文章论述s i s 的定位“，引发了对火电厂监控与管理系统 的热烈讨论。文献“。”“处于发展的初期，大多研究的是总体的没计 和对概念上的探讨文献：而文献”1 则集中对s i s 的应用层面上研究。有 些文献偏重于研究s i s 实现过程中网络的应用，文献“”1 探索了监控系统从 c s 结构向b s 结构发展的意义及实现；文献“针对s i s 的数据接入问题， 提出使用直接网络访问的方法来实现电力企业实时数据接入模块。 第5 页 山东大学硕士学位论文 由于电厂监控信息系统以提高发电企业整体效益为目的，为管理层的决 策提供真实、可靠的实时运行数据，为市场运作下的企业提供科学、准确的 经济性指标。所以尽管它提出时间不长，但在技术研究和产品开发方面，己 受到国家科研院所的广泛重视，国家电力公司已把电厂监控信息系统的研发 课题列为2 0 0 2 年重大科技项目，已成为继2 0 世纪9 0 年代开始的分散控制 系统( d c s ) 之后又一个新技术和经济增长点。虽然电厂监控信息系统的研 究开发已取得了不少成果，只从目前国内市场来看，电厂监控信息系统的应 用研发尚处在起步阶段，并且没有国外的成熟经验可以借鉴，因而还没有形 成具体的技术规范。另外据国内外信息检索表明这些成果的实施对象都是国 内大型火电厂，特别是热电厂是难以应用的。国内中小型热电企业机组d c s 或i p c 普遍配置较低，只能用于生产过程的实时数据采集和常规监控；系统 缺乏核心功能模块，只是简单的系统集成，并不能真正帮助电厂降低生产成 本，走上了重硬件轻软件的老路；某些系统虽然有一些性能计算的模块，但 仍然是简单数据的堆砌，并不能把数据变成知识甚至智慧，因此也无法对操 作员提供帮助；不少系统提供单位的背景是软件开发商或系统集成商，缺乏 足够的行业应用基础，更是缺乏足够的能描述电厂生产过程的建模基础；有 些企业为了提高管理水平，运用计算机及其网络技术，也建成了类似大型电 厂的信息管理系统m i s ，主要为全厂运营调度、生产和行政的管理工作服务， 完成生产经营管理和财务管理等工作，因而在热电企业生产过程实时数据采 集和常规监控系统与m i s 之间缺乏一个承上启下的实时生产过程管理和监 控系统。这种管理和监控系统的开发不仅需要计算机知识，更需要实时生产 过程综合管理和自动化知识及具有足够的行业应用基础，因此要使这种管理 和监控系统技术实用化、产品化，就必须将大专院校科研机构与过程控制工 程集成为主要业务的开发部门联合起来，通过联合攻关，发挥各自的优势， 才有可能完成该项研究，实现热电厂管控一体化水平明显提高。 1 4 本文的基本思路和主要工作 本文将针对影响热电机组运行效率的主要设备一锅炉，通过深入研究我 国广泛采用的热电厂中温中压锅炉系统( 特别是目前日益增多的循环流化床 第6 页 山东大学硕士学位论文 锅炉) ，将紧密结合实际热电厂生产过程和管理需求，对各主要吸热设备进 行分析，提出其适用的在线经济模型与算法，给出计算公式，根据本系统的 特点选择合理的硬件设备并实现，对实时数据进行本地集中显示和网上发 布，建立历史数据库，存盘管理相关生产参数。根据现场的数据进行分析， 找出电厂热转化效率低的原因，并提出合理的建议。 作者的主要工作如下： ( 1 ) 根据热电厂锅炉生产过程特点，给出锅炉主要吸热设备的运行效 率计算模型，通过对比分析说明其适用范围；建立电厂经济运行指标体系； 采用b p 神经网络计算难以直接计算的机械不完全燃烧热损失q 4 。 ( 2 ) 对常规锅炉主要部件热力计算方法需要具体结构参数和设计参数 以及经验参数假设带来的问题，通过充分利用实时数据采用“输入输出”计 算法，实现了锅炉主要部件运行性能的计算和监视功能。 ( 3 ) 综合考虑监控方案、性能价格比、现场安装条件等多方面的因素， 设计和组建监控和管理系统；在安装完成系统的硬件设计和配置后，利用组 态软件和仿真软件完成系统软件开发和设计，实现系统预期的监控和管理功 能。 ( 4 ) 热电机组d c s 或i p c 普遍配置较低，只能用于生产过程的实时数 据采集和常规监控。现有监控信息系统有赖于机组d c s 或i p c 实时数据库的 ，于放程度，同时会危及机组d c s 或i p c 的安全，并且存在成本较高的缺点。 为此采用了现场信号分配技术直接获取底层测量数据，解决了对d c s 系统的 二次开发问题，使设备的安全运行得到了根本的保障。 ( 5 ) 利用组态软件强大的网络功能，采用基于b s 结构。，实现监控系 统在局域网内的数据共享和上传，对锅炉生产过程的工艺画面和重要生产参 数的实时、历史趋势以及优化建议等进行动态网页发布，无缝连接管理信息 系统m i s 能够为企业的管控一体化打下基础。 第7 页 山东大学硕士学位论文 第2 章锅炉运行效率计算 2 1 锅炉热效率 文献 2 2 】中用锅炉的白箱模型建立能量平衡的方程，本文也采用这样的 方法，建立的能量平衡框图如图2 - 1 所示： 2 1 1 正平衡法 送入锅 锅 炉 图2 - 1 锅炉热量平衡图 损失 损失 r = 【d ( 一 p ) + d ( h h 一 f ) + 2 1 1 q ( 2 1 ) q = m 幺。 玩，饱和水的焓，k j k g ： d 一一过热蒸汽流量，f ，h ： h ”一一过热蒸汽的焓，u 堙； h 。一一给水的焓，k j 堙； 燃料成分分析数据：通过离线燃料成分分析，根据锅炉所用煤种获得 c ，0 ，a y 7 ，s ，现在已有的在线测量方法是双y 源透视法测量灰分， 然后由灰分和水分测量煤的发热量。燃料煤的应用基低位发热量可以由下式 计算，也可以离线测量。 q ，= 3 3 9 c + 1 0 3 0 h + 1 0 9 ( s 一0 y ) 一2 5 1 w 7 ( 2 2 ) 因为在实际使用中煤种的变化在一个班内基本保持不变，所以本方案选 第8 页 山东大学硕士学位论文 择离线测量基低位发热量以及煤的成分，在线输入。 测量煤消耗量：一般是用给煤机的转速m 来代替，本方案采用在线测量 给煤机转速，按照频率累计于煤的消耗量由函数关系来确定。若已知电厂每 班的消耗量，简单的方法是，根据实际的离线测量的煤耗量计算出与频率有 ：堡型一垦塑堑堡里 关的系数k ，可以用公式 频率的累计 ，则每班每小时的煤耗量为k m ， 实际计算时因为每班的煤量难以计量准确，一方面是由于皮带秤自身有测量 误差：另一方面是因为给煤装置是和煤直接接触，运行中磨损不可避免，也 因此带来的误差。因此在计算中采用滤波的方法计算系数k 。 另外锅炉的过热蒸汽流量d 可以在线测量( 需要补偿) ；过热蒸汽压力 p ：n 也可以在线测量；给水的温度t 。和压力p ；在线测量。 2 1 2 反平衡法 2 1 2 1 国内锅炉原理教科书计算方法 n2 i 0 0 一( q 2 + q 3 + q 4 + q 5 + q 6 ) ( 2 3 ) 具体说明如下： 1 q 2 为排烟热损失 排烟热损失是锅炉排烟的温度高于送入锅炉的冷空气温度而造成的烟 气携带热量损失，是锅炉各项热损失中最主要的一项，它等于排烟焓与冷空 气的焓差。 计算公式为： q 22 k l * a ( t ，一t ) + k 2 * t 。， ( 1 0 0 一q 。) t o o ( 2 4 ) k 1 与燃料水分有关的系数： t ，排烟温度，； 氏环境温度，； k 2 与燃料种类有关的常数。 2 1 拈而 ( 2 5 ) 第9 页 山东大学硕士学位论文 a 一一排烟氧含量，在线测量，； 影响计算排烟热损失q 2 的主要因素是计算排烟焓的大小，而排烟焓又 取决于排烟容积和排烟温度。排烟温度越高，排烟容积越大，则排烟热损失 q 2 也就越大。一般排烟温度提高1 5 2 0 ，q 2 约增加1 降低锅炉的排烟温度，可以降低排烟损失。但是要降低排烟温度，就要 增加锅炉的尾部受热面面积，因而增大了锅炉的金属消耗量和烟气流动阻 力；另一方面，烟温太低会引起锅炉尾部受热面的低温腐蚀，因而也不允许 排烟温度降得过低。特别是燃用硫分较高的燃料时。合理的排烟温度应该是 根据排烟热损失和受热面金属消耗费用，通过技术经济比较来确定。目前电 厂锅炉的排烟温度1 9 。约在1 1 0 1 6 0 之间。 排烟热损失的大小还与燃料的性质有关。当燃用水分和含硫量较高的煤 时，为了避免或减轻低温受热面的腐蚀，不得不采用较高的排烟温度。同时 燃煤水分增大，排烟容积也增大。结果都会使排烟热损失变大。 炉膛出口过量空气系数以及烟气流经各处烟道的漏风，都会影响排烟的 过量空气系数，因而也将影响排烟热损失。漏风是排烟热损失增大的原因， 不仅使它增大了排烟容积，同时漏风也使排烟温度增高。这是因为漏入烟道 的冷空气使漏风点处的烟气温度降低，从而使漏风点以后的所有受热面的传 热量都减少，故使排烟温度升高。而且漏风点越靠近炉膛，这个影响越大。 2 q 3 化学不完全燃烧热损失 q 3 是由于排出的烟气中存在可燃气体c o 、h 2 、c h 4 等，这部分应该释 放的热量未燃烧释放而随烟气排入大气，造成热量损失。因此烟气中可燃气 体含量越多，q 3 越大。影响烟气中可燃气体含量的主要因素是：炉内过量 空气系数、燃料挥发分含量、炉膛温度以及炉内空气动力工况等。一般来说， 炉内过量空气系数过小，烟气供应不足，会造成q 3 相对较大；炉膛温度过 低时，燃料的燃烧速度很慢，此时烟气中的c o 等来不及燃烧就离开炉膛， 会使q 3 相应增加。此外炉膛结构及燃烧器布置不合理，炉膛内有死角或燃 料在炉内停留时间过短，都会导致q 3 增大。计算公式如( 2 7 ) 所示， 铲2 3 6 蚂+ 0 3 7 5 s o ，) 而面c o 警 式中：c o 、r 0 2 一一干烟气中- - 氧4 l 碳、二氧化碳、 第1 0 页 ( 2 - 6 ) 氧气所占的容积份额 山东大学硕士学位论文 ： c a r 、s a r 一碳和硫的应用基含量。 3 q 4 机械不完全燃烧热损失 机械不完全燃烧损失q 4 是燃煤锅炉主要的热损失之一，通常仅次于排 烟热损失。影响机械不完全燃烧q 4 的主要因素有：燃烧方式、燃料性质、 煤粉细度、过量空气系数、炉膛结构以及运行工况等。不同燃烧方式的q 4 数值差别很大，层燃炉、沸腾炉这项损失较大，旋风炉较小，煤粉炉介于两 者之间。煤中灰分和水分越多，挥发分含量越少，煤粉越粗，则q 4 越大； 燃料性质相同的情况下，炉膛结构合理( 有适当的高度和空间) ，燃烧器结 构性能越好、布置适当，配风合理，气粉有较好的混合条件和较长的炉内停 留时间，则q 4 较小；炉内过量空气系数要适当，运行中过量空气