（动力工程及工程热物理专业论文）基于数据的电站节能优化控制研究.pdf

华北电力大学博士学位论文 摘要 节能优化控制是火电厂节能降耗减排的重要途径。火电厂s i s 实时历史数据库 的海量数据中蕴含着大量潜在的知识和信息，可以为节能优化控制所利用。本文基 于电站海量的运行历史数据，采用基于数据的理论和方法对数据库中历史数据进行 深层次的分析，从热力系统自身的运行数据中找到改善系统运行的知识和手段。论 文主要围绕基于数据的理论和方法在电站节能优化控制中的应用，展开了以下几方 面的研究： 1 总结了电站节能优化控制的体系结构。分别总结了厂级节能优化控制和机 组级节能优化控制的内容，本文以基于数据的理论和方法为基础研究了厂级的负荷 优化分配和机组级的运行参数目标值优化问题。 2 针对目前电站入炉煤质变化大和机组负荷大范围变化的问题，提出了一种 运行工况自然划分方法，以适应机组全工况节能优化控制的要求。提出了相对煤质 作功能力系数来表征煤质特性，结合机组负荷和环境温度，基于历史数据采用聚类 方法对工况进行自然划分，划分得到的工况簇作为后续优化的基础。 3 提出了一种运行参数目标值优化的整体方法。采用模糊粗糙集属性约简方 法对影响锅炉效率的运行参数进行约简，得到燃烧过程重要运行可调参数；基于机 组运行数据的特点，提出一种模糊c 均值聚类与模糊关联规则结合的挖掘算法，并 将其应用到运行参数最优目标区间和中心值的挖掘中。 4 总结了厂网两级负荷优化调度系统，分析了负荷优化分配中机组煤耗特性 曲线存在的问题，提出了一种基于煤耗实时预测的厂级负荷优化分配方法。分析总 结了机组供电煤耗率的影响因素，提出一种结合模糊聚类、粗糙集和信息熵方法的 多因素权重分配方法，并将其应用于供电煤耗率影响因素的权重分配，在此基础上 提出了快速性和经济性约束条件，采用动态规划寻优方法获得满足多约束条件的负 荷分配的全局最优解，并通过实例验证方法的有效性。 关键词：节能优化控制，工况划分，运行参数最优目标值，负荷优化分配，聚 类，粗糙集，模糊关联规则挖掘 华北电力大学博士学位论文 l l 华北电力大学博七学位论文 a b s t r a c t e n e r g y - s a v i n go p t i m i z a t i o na n dc o n t r o li sa ni m p o r t a n tw a yt 0e n e r g ys a v i n ga n d e m i s s i o nr e d u c t i o nf o rp o w e rp l a n t h u g ea m o u n t so fd a t as t o r e di nr c a l - t i m ea n d h i s t o r yd a t a b a s eo fp o w e rp l a n ts u p e i s o r yi n f o m a t i o ns y s t e m ( s i s ) c o n t a i n sa1 a r g e n u m b e ro fp o t e n t i a l k n o w l e d g e a n di n f b 珊a t i o n ，w h i c hc a nb eu t i l i z e df o r t h e e n e r g y s a v i n go p t i m i z a t i o na n dc o n t r 0 1 b a s e do nt h eo p e r a t i o nh i s t o r i c a ld a t aa n d d a t a b a s e dt h e o r i e sa n dm e t h o d s ，t h i sp a p e rf b c u s e so nt h ed e e pa n a l y s i so fh i s t o r i c a l d a t ai nd a t a b a s ea n df i n d st h ek n o w l e d g ea n dm e a n st oi m p r o v es y s t e mo p e r a t i o nf r o m t h et h e r m a ls y s t e mo p e f a t i o nd a t a a r o u n dt h ea p p l i c a t i o no fd a t a b a s e dt h e o r i e sa n d m e t h o d si np o w e rp l a n te n e r g y s a v i n go p t i m j z a t i o na n dc o n t f o l ，t h ef o l l o w i n ga f e a so f s t u d ya r ee x p a n d e di nt h i sp a p e r ： 1 p o w e rp l a n te n e r g y s a v i n g0 p t i m i z a t i o na n dc o n t r o lt h e o r e t i c a l s y s t e mi s s u m m a r i z e d w e r ep l a n t l e v e la n du n i t l e v e lp o w e rp l a n te n e r g y - s a v i n go p t i m i z a t i o n a n dc o n t r o la r es e p a f a t e l ys u m m a r i z e d ，a n ds t u d yi nt h i sp a p e rf o c u s e so np l a n t - l e v e l l o a do p t i m a ld i s t r i b u t i o nm e t h o da n du n i t l e v e lo p e r a t i n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o nb a s e d 0 nd a t a b a s e dm e t h o d s 2 c o a lq u a l i t yc h a n g e sal o ta n du n i tl o a dv a r i e si naw i d er a n g ei np o w e r p l a n t ，a n a t u r a lc l a s si f i c a t i o nm e t h o do f 0 p e r a t i n gc o n d i t i o n s i s p r o p o s e d t 0 s a t i s f y t h e r e q u i r e m e n t so fa l lc o n d i t i o n se n e r g y - s a v i n go p t i m i z a t i o na n dc o n t r 0 1 t h er e l a t i v ec o a l q u a l i t yc o e f f i c i e n ti sp r o p o s e dt oc h a r a c t e f i z ec o a lp r o p e r t j e s ，c o m b i n e dw i t hu n i tl o a d a n da m b i e n tt e m p e r a t u r e ，b a s e do nh i s t o r i c a ld a t aa n dc l u s t e r i n gm e t h o d so p e r a t i n g c o n d i t i o n sa r ec l a s s i f i e di n t od i f f e r e n to p e f a t i n gc o n d i t i o nc l u s t e r sw h i c ha r et h eb a s i so f f b l l o w i n go p t i m i z a t i o ns t u d y 3 a no p e r a t i o np a r a m e t e r st a r g e tv a l u eo p t i m i z a t i o na p p r o a c hi s p r e s e n t e d f u z z y r o u g hs e ta t t r i b u t er e d u c t i o nm e t h o di su t i l i z e dt 0r e d u c e0 p e r a t i n gp a r a m e t e r sa 丘c t i n g b o i l e re f f i c i e n c y ，a n di m p o r t a n t a d j u s t a b l ep a r a m e t e r s i nc o m b u s t i o np r o c e s sa r e 0 b t a i n e d b a s e do nc h a i | a c t e r i s t i c so ft h eo p e r a t i n gd a t a ，af u z z ya s s o c i a t i o nr u l e sm i n i n g a l g o r i t h mc o m b i n e dw i t hf u z z ycm e a n sc l u s t e f i n gi sp r e s e n t e da n di li sa p p l i e dt ot h e o p t i m a lt a r g e tv a l u e sm i n i n go fo p e r a t i n gp a r a m e t e r s 4 p r o b l e mi nt h eu n i tc o a l c o n s u m p t i o nc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fl o a do p t i m a l d i s t r i b u t i o ni sa n a l y z e d ，a n dap l a n t l e v e ll o a do p t i m a ld i s t r i b u t i o na p p r o a c hb a s e do n l l l c 0 a lc o n s u m p t l o nr e a l - t i m e p r e d i c t i o ni sp r o p o s e d a f f e c t i n gf a c t o r st o u n i tc o a l c o n s u m p t l o nr a t ef o rp o w e rs u p p l ya r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e d m u l t i - f a c t o r sw e i g h t d l s t n b u t l o nm e t h o db a s e do ni n f 0 彻a t i o ne n t r o p y ，f u z z yc l u s t e r i n ga n dr o u g hs e t s i s e m p l o y e dt op r e d i c tc o a lc o n s u m p t i o nr a t ef o rp o w e rs u p p l y b a s e do nt h e p r o p o s e d s p e e d l n e s sa n de c o n o m yc o n s t r a i n t s ， g l o b a lo p t i m a ls o l u t i o nf o ro p t i m a ll o a d d l s p a t c h l n gw a sa p p r o a c h e d b yd y n a m i cp r o g r a m m i n gm e t h o d t h em e t h o dw a sa p p l i e d i nap o w e rp l a n ta n di tw a sp r o v e dt ob ep r a c t i c a la n de f 】f e c t i v e k e y w o r d s ： e n e 唱y 。s a v i n go p t i m j z a t i o na n d c o n t r o l ， o p e r a t i n gc o n d i t i o n s c l a s s i f i c a t i o n ， o p e r a t i n gp a r a m e t e r0 p t i m a lt a r g e t v a l u e ， l o a d o p t i m a ld i s t r i b u t i o n ， c l u s t e r i n g ，r o u g hs e t s ，f i l z z ya s s o c i a t i o nr u l e sm i n i n ga l g o r i t h m l v 华北电力大学博+ 学位论文 1 1 研究背景和意义 1 1 1 社会发展背景 第一章绪论 改革开放以来，中国能源工业发展迅速，已经初步形成了煤炭为主体，电力为 中心，石油与天然气及可再生能源全面发展的能源供应格局。未来相当长的时间内， 我国能源需求仍将保持强劲增长的态势，同时，以煤炭为主体的格局不会发生根本 改变。 根据中国电力企业联合会公布的2 0 1 0 年1 月至7 月电力工业统计数据，全国 发电量中，按照6 0 0 0 千瓦及以上电厂发电量统计，火力发电量占7 4 3 9 ，水力发 电量占2 1 9 0 ，核电占1 6 9 ，风电占o 6 8 8 。按照6 0 0 0 千瓦及以上电厂发电设 备装机容量统计，截止到2 0 1 0 年7 月，火力发电装机容量占7 6 4 l ，水力发电占 1 9 9 4 ，核电占1 0 4 ，风电占2 5 6 。 2 0 0 9 年，全国火电结构调整取得实质性进展。全国百万千瓦级超超临界火电机 组己达2 1 台，全年关停小火电机组容量2 6 1 7 万千瓦，“十一五 关停小火电任务 提前完成。可见随着电力产业的结构优化以及清洁能源和可再生能源的大力发展， 火电机组的比例虽然逐渐减少，但是是以“上大压小的方式进行，而且这种火力 发电占主导地位的状态将在今后很长一段时间内存在。中国能源发展报告 ( 2 0 0 8 ) 蓝皮书指出，在未来较长时期内，火力发电在中国电源结构中仍将占据较 高比重。这不仅是电源本身发展的需要，也是综合发挥中国能源资源效率、提高经 济与总体环保效益的最好选择他1 。 近年来，我国新能源、可再生能源发展迅速，在大规模使用风电、太阳能等新 能源的电力系统中n ，驯，大型燃煤发电机组参与电网的深度调峰，势在必行。由于我 国缺乏大规模建设抽水蓄能电站的条件，因此电网需要火电机组依靠其负荷调整能 力，吸收这部分间隙性、强波动电源对电网的冲击，维持电网供需平衡。从能源安 全、技术经济性以及技术条件等角度来考虑，大型燃煤发电机组变工况运行是火力 发电厂面对电网的现实需求做出的合理调整，仍然是现有发电方式中最可靠的、必 备的承担大范围负荷调节作用的选择。这对有效利用新能源，特别是有效利用当前 大力发展的风力发电，保持电网的安全、稳定运行，具有重大的意义。因此，在今 后几十年时间内，传统火力发电方式仍将在我国能源结构中占据绝对主流地位。 为了实现我国经济社会的可持续发展，必须走资源节约的道路。2 0 0 7 年，国家 1 第一章绪论 制定了节能减排综合性工作方案，明确了实现节能减排的目标任务和总体要求 1 。为了实现国家节能降耗减排目标，提高燃煤发电机组效率，降低能耗，减少排 放，具有十分重要的意义。提高火电机组运行的经济性、环保性、安全性，是实现 我国能源战略中长期发展规划的现实选择。 实现这一目标的一个途径是采用更高参数的大容量机组、优化热力系统、提高 发电效率；综合应用现代技术对热力发电系统实现节能改造，优化运行、优化控制 方式，实现降低煤耗、控制污染排放，是实现国家节能降耗减排目标的另一个重要 手段。 1 1 2 技术发展背景 随着我国大容量机组的比例逐年增加，机组供电煤耗率呈逐年下降趋势，如表 卜1 所示。然而我国与世界先进水平国家相比还有很大的差距，节能降耗任务艰巨。 我国与部分国家供电煤耗率对比如图卜l 所示n 1 。 表卜1 我国6 0 0 0 k w 及其以上火力发电厂供电标准煤耗 年份供黼耗 年份 供鬻耗 2 0 0 03 9 22 0 0 53 7 0 2 0 0 l3 8 52 0 0 63 6 6 2 0 0 23 8 32 0 0 73 5 7 2 0 0 3 3 8 0 2 0 0 83 4 9 2 0 0 43 7 62 0 0 93 4 2 二 童 鎏 美 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 柏 3 0 2 0 翠3 1 0 3 0 0 2 9 0 2 8 0 2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 6 年份，年 _ 一中圈 _ _ 美国 ：n 缎罗斯 一英固 意大剩 图卜l 我国与部分国家的标准煤耗率对比 由于火力发电对节能减排影响巨大，因此，国家中长期科学和技术发展规划纲 要( 2 0 0 6 年一2 0 2 0 年) ，明确提出“攻克主要耗能领域的节能关键技术，大力提高 2 华北电力大学博士学位论文 一次能源利用效率和终端用能效率 ，这使得火力发电节能降耗已经成为我国的基 本国策。大型燃煤发电厂节能降耗潜力巨大。美国早在上世纪8 0 年代，由e p r i 牵 头，对全国火力发电机组进行了全面的节能潜力诊断，发现机组的节能潜力超过 1 0 ，并且制定了降低火力发电机组热耗的节能导则；日本更是不断将最先进的技 术应用于现役火电机组，使得机组效率不断提高。 应用先进技术对传统热力发电系统的技术改造，比如汽轮机通流改造、变频调 速技术的应用、等离子点火、辅机节能改造等，可以取得显著节能效果；另一方面， 充分应用现代信息与数据挖掘技术、先进控制理论与技术、现代热力学分析方法与 节能理论、先进检测与诊断技术等，提高机组的运行水平，实现全工况节能优化运 行控制，也是大型燃煤发电厂节能降耗减排的重要途径。 随着电力体制改革的深入和电厂信息化建设的开展，为了在保障电厂安全生产 的前提下，最大限度发挥机组效能，提高生产管理水平，降低发电成本，取得上网 优势，电厂厂级监控信息系统( s u p e r v i s o r yi n f o r m a t i o ns y s t e m ，s i s ) 近几年在 国内得到快速发展。经过几年的摸索实践，国内对s i s 系统的认识逐渐趋于统一： “火电厂厂级监控信息系统是主要为火电厂全厂实时生产过程综合优化服务的生 产过程实时管理和监控的信息系统瞄1 。 尤其近年来，电煤资源供应紧张，发电成 本明显增加，如何挖掘电厂自身潜力，通过优化生产降低煤耗，在有限的资源条件 下发尽可能多的电，成为电厂当前迫切关心的问题。 s i s 的实时历史数据库系统中实时采集全厂的生产过程数据，同时将历史数据 长期在线保存。这些海量的运行历史数据是机组实际运行状况的真实反映，是机组 复杂的物理化学过程的真实记录，蕴含了大量有价值的潜在信息和知识。但是，目 前在电厂中s i s 中的数据没有得到充分利用，大部分火电厂只是采用传统的数据分 析、统计手段来进行日常的数据汇总、制表、趋势分析等浅层次的处理和利用，并 没有从时问和空间意义上深层次的理解并有效使用这些数据呻1 。因此，如何从这些 “数据宝库”中挖掘出蕴含在数据中的深层次信息，从大量数据信息中挖掘出提高 机组效率，降低煤耗的有用知识，提高机组运行管理水平，对于提高s i s 的利用水 平和电厂的节能降耗目标都具有重要意义。 1 2 节能优化控制体系结构 火电厂是由多个设备、多个子系统组成的复杂的大范围连续生产系统，是典型 的能量转换系统。火电厂的节能优化是一个长期的理论和工程实际问题，节能优化 问题是一个涉及面广、涉及环节多的复杂问题。国内外学者多年来从不同的角度和 方向对电站的节能优化技术进行了研究。从实现方案和手段上，可以将电站的节能 3 i 第一章绪论 优化分为两类：系统节能优化和节能优化控制。 系统节能优化也就是通常所说的“硬 方案，主要是指机组的设备增加和改造， 通常包括泵与风机变频改造，改善受热面布置结构，锅炉燃烧器及配风系统改造， 等离子或微油点火系统改造，汽轮机通流改造，控制系统执行机构改造，煤质在线 分析仪和飞灰含碳量测量装置的安装等。这类方案效果明显，但投资大，工程周期 长，是电厂节能优化改造中常用的方法。 节能优化控制即通常所说的“软 方案，主要是从测量、控制、运行等方面进 行优化。基于大量研究，作者总结了电站节能优化控制的体系结构，如图卜2 所示。 一机组级节能优化控制) 、j 1 运行优化控制优化 i 运行方式优化运行定值优化控制品质优化深度调峰要求 il 能耗分析与诊断状态检测与重构 图卜2 电站节能优化控制体系结构 在上图中，电站的节能优化控制包括厂级的节能优化控制和机组级的节能优化 控制。 厂级的节能优化控制主要是指厂级负荷优化分配，厂级负荷优化不需要增加硬 件设备，只通过合理分配全厂负荷指令到各台机组，降低全厂煤耗率，达到节能降 耗的目的。负荷优化分配系统根据电网调度的全厂负荷指令计算各机组目标负荷指 令，使全厂的负荷及时满足电网要求，保证机组运行在允许的负荷范围内和安全的 工况下。经济分配各单元机组的目标负荷，尽量让运行更经济的机组承担更大的负 荷任务，从而降低全厂的供电煤耗。通过合理地调配各单元机组的负荷调节任务， 4 华北电力大学博士学位论文 降低机组的负荷调节频度，提高机组的稳定性，延长主、辅机设备寿命。 机组级的节能优化控制主要包括运行优化和控制优化，其中，运行优化可以分 为运行方式优化和运行定值优化。 ( 一) 运行优化 ( 1 ) 运行方式优化 机组运行方式的优化包括机组启停优化，定滑压运行方式优化，磨启停优化， 投油优化，吹灰优化和循环水泵运行优化等方面，下面分别简要介绍。 机组启停优化：机组启停优化涉及到安全、经济等多方面的考虑，其本质上是 一个涉及面更加广泛的综合优化过程。汽轮机组的启停优化指标包括：( 1 ) 安全 性指标：热应力、寿命、胀差、振动等，在机组启动过程中，保证了这些指标在规 定的范围内，才能保证机组系统、设备、人员的安全性。( 2 ) 经济性指标：汽轮 机效率、汽耗率、锅炉效率和煤耗率、厂用电率等口1 。 定滑压运行方式优化：机组的汽轮机初压运行曲线分为定压段和滑压段，如何 合理的优化这两段之间的负荷拐点和各段的最优曲线，对机组的经济性有较大影 响。 磨启停优化：磨煤机启停对机组的稳定运行有比较重要的影响，保证磨煤机在 启停过程中主汽压的稳定，是生产实践中亟待解决的问题1 。另外，合理选择磨煤 机组合，调整火焰中心和燃烧状态，也是锅炉燃烧优化中的一个方向。 投油优化：火电机组在启动过程中的投油占用大量成本，节油的方式主要包括： ( 1 ) 机组冷态启动节油，即滑参数启动，充分利用低压、低温蒸汽加热壁厚部件， 缩短启动时间；( 2 ) 提高除氧器给水温度，缩短汽包起压时问；( 3 ) 根据实验或热量 平衡原理分析计算，在磨煤机启停过程中不投或少投油n 纠。 吹灰优化：锅炉运行过程中，受热面积灰和结渣是不可避免的。灰污附着在受 热面上将降低锅炉整体效率，此外，积灰还会对受热面产生高温腐蚀和低温腐蚀。 为了避免上述情况的发生，通常大型锅炉都装有吹灰装置。但不适当的频繁吹灰会 使受热面因磨损和热应力造成损坏，缩短了其寿命，同时由于消耗了大量蒸汽，降 低了锅炉效率。吹灰时机的选择通常基于受热面灰污染检测，其方法主要包括热流 计法和热力计算法3 1 。 循环水泵运行优化：循环水泵是火电厂中耗电量较大的辅机之一，其运行方式 对凝汽器真空和厂用电率等指标影响较大。增大循环水量虽然可以使汽轮机发电机 组电功率增加，但同时也增加了循环水泵的耗功率，因此这就存在一个平衡计算的 问题，根据热经济性最佳的原则，当二者的差值最大时，循环水泵运行方式最优， s 第一章绪论 其对应的真空为最佳真空。因此，循环水泵优化启停的目的即在于确定一定环境及 汽轮机负荷条件下的循环水泵最优运行方式，保证凝汽器运行在最佳真空条件下， 提高电厂机组运行的经济性。 ( 2 ) 运行定值优化 运行定值优化指的是运行参数设定值的优化，也可称为运行参数最优目标值。 运行参数目标值的优化目标包括机组安全性、经济性和环保性等各方面的要求。传 统的机组运行参数目标值有三种获得方式：制造厂家给出的设计基准值，热力试验 得到的优化值和变工况热力计算得到的优化值。但是这三种方法得到的运行参数目 标值都存在着一定不足，在机组实际运行中，需要根据机组的外界环境及运行状态 来优化各运行参数目标值。 运行参数目标值优化中包括了影响机组性能的重要运行参数，包括主汽压力， 主汽温度，再热蒸汽压力，再热蒸汽温度，给水温度，凝汽器真空，排烟温度，过 量空气系数等，也包括机组子系统中的参数，如锅炉中燃烧系统各运行参数目标值 的优化，人们通常称为燃烧优化。 目前机组运行参数最优目标值的研究中，人们尝试用统计分析方法、人工智能 和数据挖掘等方法来优化运行参数目标值，都取得了定成果。 ( 二) 控制优化 ( 1 ) 控制品质 控制优化一方面指的是优化机组控制回路中的控制结构和控制参数，提高各控 制回路的动态品质，优化性能指标( 如i t a e ) ，降低参数的波动幅度和稳定时间， 从而降低机组动态调节过程中的能量损失，间接达到节能降耗的目的。 节能控制的控制系统主要包括协调控制系统和各子回路系统，如燃烧控制系 统，过热汽温控制系统和再热汽温控制系统等。 理论分析和工程实践表明，再热减温水的喷入对机组效率影响很大，因此，优 化再热汽温控制系统，减少再热减温水，对机组节能降耗意义重大。 ( 2 ) 深度调峰 另一方面，新能源的接入对火电机组的调频调峰提出了更高的要求，为了保证 电网的稳定，火电机组普遍深度调峰，运行工况大范围变化。因此，机组协调控制 系统被控对象呈现非线性强，工作点变化大及工作点间变化频繁的问题。优化控制 系统的结构和参数，采用非线性控制方法或多模型控制方法，保证机组在工况变化 过程中的稳定经济运行也是机组控制优化的一个重要方面。 6 华北电力大学博士学位论文 目前，在机组节能优化控制研究范畴内，还有另外一部分内容，主要包括机组 能耗分析与诊断，运行状态参数的检测和状态参数的重构。在机组节能优化控制体 系结构中，它们是实现节能优化控制的重要基础。 能耗分析与诊断： 能耗分析与诊断采用的传统方法是耗差分析理论与方法，是指通过机组主要运 行参数的实际值与对标值的偏差，折算成相应煤耗，作为节能降耗的数据分析依据 和运行调整指导。这是一种建立精确数学模型的方法，主要依赖于热力系统分析盯1 。 热力系统分析主要基于热力学分析，通常采用基于第一定律和第二定律的方 法。第一定律分析方法以质量平衡和能量平衡来分析系统。主要方法有热平衡法、 等效焓降法、循环函数法和矩阵法等。由于实际热力系统的复杂性以及理论方法较 强的假设基础，这种局部定量分析方法并没有取得突破性的进展。文献 8 ，9 首次 提出了热力系统热经济状态方程( 汽水分布方程、功率方程及锅炉吸热量方程) 的 概念，从最基本的质量能量平衡出发，推导出普适于热力机组系统结构形式的矩阵 方程构建规则。但是任意的方程变形会导致失去矩阵与系统间本质内涵的联系，矩 阵分析法还有待于进一步完善。 以火用为基础的第二定律方法既考虑了能量的数量又考虑了能量的质量。火用经 济成本分析可以诊断出组元的不可逆性大小，给出生产成本的分布，并利用火用成 本核算直接和经济联系了起来。但是这种方法不能解答成本分布的过程，理论还在 进一步发展和完善中。 状态参数检测与重构： 传统的检测方法难以获取某些控制优化必需的准确状态信息，如果能获得热力 系统更多的状态信息，将会对系统的运行和控制优化具有重要意义。 状态检测与重构涉及机组很多运行参数和状态的检测和构造，目前的研究中， 机组的状态检测与重构大致分为两类n0 l ： 一类是设备状态监测，主要包括：机组关键流量信号检测，飞灰含碳量测量， 机组低负荷下燃烧稳定性判断，虚假水位评估指示，受热面温度监测，炉膛火焰位 置及形状监测，炉膛及尾部烟道温度监测等等； 另一类状态参数的重构，主要包括：炉膛温度场检测，氧量的软测量，煤发热 量、水分、灰分和可磨性的软测量和锅炉热量信号的构造等等。 相关状态参数的检测与重构不仅有利于机组的运行和控制优化，同时可以实现 对电力设备的使用寿命预测、使用功能状态评估、故障等级判断、故障发展的趋势 预测和非正常运行因素分析等。 7 第一章绪论 需要注意的是，机组能耗分析与诊断和状态参数检测与重构是实现节能优化控 制的基础。上述四部分内容之间是紧密联系的。系统能耗分析与诊断体系中的在线 性能计算是运行参数目标值优化的基础；状态参数的获得可以作为前馈或状态反馈 改善控制系统结构，实现优化控制；运行参数最优目标值又是控制优化中控制回路 的设定值。因此，机组的节能优化控制方法是互相联系，相辅相成的。 由上述分析可知，电厂的节能优化控制是一个庞大的体系结构，每一部分都需 要深入系统的理论研究。本文在这个体系结构下，基于电厂s i s 积累的海量历史运 行数据，研究了运行参数最优目标值的数据挖掘方法和基于历史数据实时预测机组 煤耗的厂级负荷优化分配方法，得出了一些有益的结论。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 运行优化研究现状 作为机组运行优化的基础性研究工作，西方发达国家早在上世纪7 0 年代初就 开始了电站热力系统性能监测方面的研究。在这一领域的研究中，美国电力科学研 究院( e p r i ) 发挥了主导作用，集中了大批人力物力进行了运行优化领域的深入研 究，同时通过与众多电力公司合作完成了大量的试验验证工作，并在此基础上制订 了一系列行业规范和标准，为世界范围内机组运行优化技术的发展奠定了基础。从 上世纪9 0 年代到本世纪仞，经过十多年的实际应用和不断改进，国外d c s 厂商和 专门从事电站分析的高科技软件公司丌发出多种商业软件，国外电站应用机组运行 优化系统的经济效益逐渐得到体现。 经过多年的试验总结和完善，很多软件都已经比较成熟，主要包括西门子公司 ( s i e m e n s ) 的电站优化解决方案s i e n e r g y 系统，a b b 公司的o p t i m a x 系统，通用电 气公司( g e ) 能源集团的电站优化解决方案( e n t e r ) ，西屋电气公司( w e s t i n g h o u s e ) 的电站过程优化与高级控制软件包s m a r t p r o c e s s ，美国通用物理公司( g p ) 研发的 e t a p r 0 性能监测和优化系统，美国p e g a s u s 公司的n e u s i g h t 和p 0 w e rp e r f e c t e r 等电站优化控制系统，此外，美国b a i l e y 公司的p e r f o r m e r ，霍尼韦尔公司 ( h o n e y w e l1 ) 的全厂自动化系统( t o t a l p l a n t s y s t e m ) 、r 立公司( h it a c h i ) 的运行维 护和管理信息系统( 0 p e r a ti n gm a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n ts y s t e m ) 以及f o x b o r o 公司的智能神经元网络模拟分析系统都不同程度的集成了机组运行优化的功能模 块。 近几十年中，德国、日本、法国，美国等发达国家的机组运行经济性始终处于 世界先进水平，机组运行优化系统所发挥的作用不可忽视。但是，这些国外的运行 优化系统在国内应用时，会遇到电站煤质多变、负荷大范围变化、关键测点不全等 r 华北电力大学博士学位论文 问题，使得这些产品在国内推广时表现出适应性差等问题。 近二十年来，国内的机组运行优化研究进入了加速发展的阶段。高等院校的能 源电力相关院系，电力行业的研究院所和面向电力行业的科技企业，经过十多年的 研究和开发，纷纷推出了一大批运行优化系统，并已在国内电站投入运行。这其中 有：清华大学研发的“锅炉变工况运行优化监控系统 ，浙江大学研发的“机组在 线能耗分析系统”，西安交通大学研发的“火电机组在线经济性诊断与监测系统 ， 东南大学研发的“机组运行优化系统”，华北电力大学研发的“机组在线优化运行 管理系统”，华东电力试验研究院研发的“机组运行优化管理系统 ，西安热工研 究院研发的“机组动态经济运行分析系统 ，浙江省电力试验研究院研发的“运行 优化管理系统”，山东电力科学研究院研发的“机组运行分析与专家支持系统， 南京大陆科技公司与世界电力基建与管理的领导公司之一美国b l a c k v e a t c h 公司 合作，在国内推出发电站性能监测与运行优化产品o p m 3 ，北京埃普瑞电力科技公司 开发的“s o a p 锅炉性能优化系统等。 经过对上述运行优化产品的研究我们发现，国内的运行优化系统出现了明显的 同质化倾向。虽然在系统的功能划分、内容涵盖和软件技术的运用上存在一些差异， 但各种软件系统的核心功能大体一致，差别只是在于针对一些目前还没有形成成熟 理论或统一解决方案的技术难题，根据各自的技术优势与研究策略采用了不同的实 现方案。 目前机组运行优化系统普遍采用了耗差分析的方法，针对一些重要运行参数的 偏离计算出对于煤耗、热耗或成本的影响，并对这些影响按重要性排序后反馈给运 行人员，使得运行人员有针对性的进行操作调整，提高机组运行的经济性水平。 但是即使将机组热力系统划分为不同的子系统进行研究，子系统仍然是一个多 变量、高度耦合的非线性系统。而目前耗差分析所采用的是一种单变量孤立分析的 思路，即假设其它变量均保持不变，针对该变量的变化进行性能偏差的计算。一方 面，耗差分析的假设前提在理论分析中是可行的，而在机组实际运行中很难满足； 另一方面，耗差分析在综合考虑多个变量变化对机组性能的影响时往往是将各变量 单独变化造成的影响进行迭加，实质上是将多变量系统等同于多个单变量系统的线 性迭加，这种将热力系统非线性过程线性化处理的思路是存在理论缺陷的，因而不 能准确反映两个机组工况间的差别。 针对这个问题，很多学者在进行理论探索和研究。浙江大学的盛德仁对机组变 工况下各运行参数应达值确定的重要性和方法进行了研究，将机组参数划分成三类 分别研究1 ，针对汽轮机调峰运行，提出优化目标函数优化蒸汽初压n 引，分析国产 运行优化系统中使用的性能计算和能损分析的原理和方法，指出电站运行参数在应 9 第一章绪论 达值确定中的五种方法及其确定口6 | 。华北电力大学的张春发确定主汽压可行压力区 间，通过穷举法寻优得到最优初压n7 | ，基于案例推理技术寻找相似工况的最优运行 工况n 引，采用热力学计算的方法来寻找最优排气焓和最优初压n 引。 数据挖掘是在传统的关系数据库技术的基础上发展起来的数据分析处理技术， 又称为数据库中的知识发现( k d d ) ，用于从海量的数据中发现某些潜在的模式或 知识。它是数据库技术、人工智能技术及统计理论方法的相结合的一种技术。 近年来，随着知识发现技术在多个领域的应用效果得到证实，国外学者也开始 试图将知识发现技术应用于电站领域。文献 2 0 应用数据挖掘技术对化工过程进行 工况辨识问题进行了研究。文献 2 1 提出了利用数据挖掘技术建立电厂全工况、全 操作条件下的模型，在此模型的基础上开发了能够精确辨识运行工况，并且能够为 运行人员提供操作指导以修正监测到的运行工况偏离的系统，文献 2 2 研究了知识 发现在核电站控制方面的应用，文献 2 3 运用知识发现技术对电站数据库进行挖掘 获得了专家系统的规则，文献 2 4 对知识发现在传感器故障诊断中的应用进行了研 究，z h es o n g 等人心朝将数据挖掘方法应用于一台燃煤锅炉，该方法在不需进行昂贵 且费时的实际工况试验的情况下，提高了锅炉效率。 国内电站数据利用相对于数据增长的滞后局面也使得国内学者开始关注数据 挖掘在电站领域的应用研究。清华大学的卢勇采用r b f 神经网络技术，在线提供不 同运行工况燃烧优化方法，并在实际对象上验证了效果心引，将知识发现技术与现有 过程控制优化技术相结合进行研究乜7 2 8 1 。东南大学的陈强和余廷芳研究了神经网络 和遗传算法及多种数据挖掘方法在电站优化中的应用心9 。3 ，洪军基于软计算的方法 建立了一套机组运行优化系统口2 l 。华北电力大学的李建强将关联规则挖掘方法应用 于电站运行参数最优目标值的挖掘，得到了一些有益的结果3 t 3 4 i 。 1 3 2 厂级负荷优化分配研究现状 电力系统的经济调度一直是受到国内外学者普遍关注的课题，它已有近6 0 年 的研究历史，尤其是上世纪8 0 年代以来，世界各国纷纷建立电力市场以打破电力 企业的垄断经营，引入竞争机制，对这一课题的研究就更具有现实意义。厂级负荷 优化分配是电力系统经济调度中的重要环节，对提高企业的经济效益和改善系统的 安全、稳定性有很大贡献，因此，国内外学者提出了许多有价值的解决方法。 国外在这方面的研究较早，尤其在优化理论上提出了大量的算法，主要有等微 增率法、线性规划法、拉格朗日松弛法、动态规划法等。近年来，随着计算机和人 工智能技术的发展，一些学者又提出将遗传算法、模拟退火算法、粒子群优化算法、 人工神经网络法、混沌优化算法n 5 。4 2 1 等智能化方法用于机组的负荷优化调度问题。 1 0 华北电力大学博士学位论文 在实际系统的开发方面，也取得了一些成果，例如，德国s i e m e n s 公司的负荷优化 软件在德国m a n n h e i m 电厂、韩国h a d o n g 电厂已经有相对成功的运行经验h 引。 与国外相比，国内由于长期受到电力供应紧张局面的影响，以及电厂自动化和 信息化的相对落后，在这方面的研究起步较晚。在实际系统的开发上目前取得了一 些成果，例如，西安热工研究院开发的厂级实时监控系统、国电南瑞开发的火电厂 厂级网络互联系统、上海新华电站开发的厂级实时监控信息系统等。但是也存在着 一些问题，如大多只能做离线指导，难以做到在线的实时控制；算法落后，软件的 实时性和稳定性较差等。 近年来，国内的负荷优化分配研究主要集中在各种约束条件的加入和优化算法 的改进方面。在算法的研究上比较接近国外先进水平，提出了许多有价值的算法和 改进措施h 4 9 1 。对于负荷优化分配的重要依据煤耗特性曲线研究较少，文献 5 0 提 出用加权统计方法，综合考虑历史数据和当前数据对煤耗特性的影响，是一个可选 择的思路。 1 4 基于数据的理论方法 基于数据的理论和方法是指从数据中分析和挖掘出知识的方法。近年来，随着 信息化技术的发展，其在各个领域中都得到了应用。基于数据的理论方法包括知识 发现、机器学习、统计分析、模式识别和人工智能等领域的方法，如聚类，分类， 关联规则分析，神经网络，遗传算法，进化算法和粗糙集等。本文在研究中主要用 到了聚类，关联规则和租糙集等方法，下面简要介绍方法基本思想及在电力工业中 的应用研究现状。 1 4 1 聚类 聚类就是将数据对象分组称为多个类或簇，同一个类中的对象具有较高的相似 度，而不同类中的对象差别较大。一般情况下，聚类分析不要求训练数据提供类标 记，聚类可以用于产生这种类标记。聚类按照某个特定标准最终形成的每个类，在 空间上都是一个稠密的区域，聚类技术可以把数据划分为一系列有意义的子集，进 而实现对数据的分析。 聚类分析足数据挖掘中的一个很活跃的研究领域，并提出了许多聚类算法。传 统的聚类算法可以被分为五类：划分方法、层次方法、基于密度方法、基于网格方 法和基于模型方法。划分方法首先创建k 个划分，k 为要创建的划分个数，然后 利用一个循环定位技术通过将对象从一个划分移到另一个划分来帮助改善划分质 量。典型的划分方法包括：k m e a n s ，k m e d o i d s ，c l a r a ，c l a r a n s 等。层次方法创 建一个层次以分解给定的数据集。该方法可以分为自上而下( 分解) 和自下而上( 合 1 1 第一章绪论 并) 两种操作方式。为弥补分解与合并的不足，层次合并经常要与其它聚类方法相 结合，如循环定位等。基于密度的方法根据密度完成对象的聚类。它根据对象周围 的密度( 如d b s c a n ) 不断增长聚类。典型的基于密度的方法包括：d b s c a n 和0 p t i c s 。 基于网格的方法，首先将对象空间划分为有限个单元以构成网格结构，然后利用网 格结构完成聚类。s t 工n g 就是一个利用网格单元保存的统计信息进行基于网格聚类 的方法。 在电力系统的研究方面，文献 5 2 采用谱系聚类法对机组运行工况进行研究， 为建立不同工况下的热工过程模型提供有意义的指导；文献 5 3 比较了模糊等价关 系和模糊c 均值两种聚类方法在负荷特性分类与综合中的应用；文献 5 4 利用属性 模糊聚类方法建立锅炉各运行参数对类别的不确定性描述，选择出代表性分析参 数；文献 5 5 采用模糊c 均值聚类方法对多维参数表征的机组工况进行聚类，选出 先进工况采用神经网络建立模型。 1 4 2 粗糙集理论 粗糙集理论( r o u g hs e tt h e