（热能工程专业论文）基于偏差分析和人工智能方法的电厂机炉运行优化研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 偏差分析法是一种有效的机组性能监测方法，对关键性运行参数进行监督分析，根 据其与应达值的偏差尽量减少可控损失。但应达值确定不合理是限制偏差分析法的广泛 应用的主要因素。 本文探讨了基于运行偏差分析法的火电机组能损诊断和节能分析方法中运行指标 应达值的确定，采用神经网络为代表的人工智能建模方法以及遗传算法的全局寻优功 能，使偏差法建立在实际运行工况的基础上，避免了由于现有变工况模型不完善或不适 合所导致的误差，具有真实反映机组性能的特点。 根据华能大连电厂2 0 0 5 年的d c s 系统采集的历史数据，采用自组织特征映射网络 ( s o f m ) 结合b p 神经网络方法建立了稳态运行工况下的锅炉效率、发电煤耗及汽轮 机热耗率等经济性指标的模型。采用s o f m 网络的聚类功能，解决了传统样本提取方法 正交性和完备性差的局限性。实现了对该指标的模拟预测，与实际数据的大部分误差都 不超过2 ，有良好的预测能力。利用该模型对不同工况下的运行参数进行仿真模拟， 结合遗传算法，以各运行参数为待优化变量，以经济性最高作为优化目标函数，神经网 络输出作为遗传算法的适应值函数，并行搜索各运行参数的应达值，进而确定各参数偏 离应达值造成的能损偏差。 建立汽轮机发电功率和循环水系统功耗神经网络模型以确定不同工况下凝汽器真 空运行最优值，实现对二者的模拟预测，有很高的精度和可靠性。在此基础上，建立发 电功率与凝汽器真空的优化模型，确定热力系统各主要参数对汽轮机功率的影响以及凝 汽器真空的运行应达值，以机组的最优运行为目标，优化可控参数，达到降低能耗的目 的。与传统的方法相比，该方法具有明确的设备针对性，充分考虑到了各参数的非线性 以及参数间耦合关系的复杂性，为机组经济性能的在线监测、能耗分析、运行指导以及 生产管理提供了切实可靠的分析依据，有利于提高电厂生产和管理的现代化水平。 关键词：偏差分析；应达值；人工智能；神经网络；遗传算法 基于偏差分析和人工智能方法的电厂机炉运行优化研究 s t u d y o no p e r a t i o no p t i m i z a t i o no f b o i l e ra n dt u r b i n ei np o w e rp l a n t b a s e do nd e v i a t i o na n a l y s i sa n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e a b s t r a c t d e v i a t i o na n a l y s i si sa l le f f e c t i v em e t h o df o rp o w e ru n i tp e r f o r m a n c em o n i t o rb 、 a n a l y z i n gk e yo p e r a t i o np a r a m e t e r sa n dr e d u c i n gc o n t r o l l a b l el o s sa c c o r d i n g t ot h ed e v i a t i o n h o w e v e r , u n r e a s o n a b l er e f e r e n c ev a l u eo f o p e r a t i o np a r a m e t e ri st h em e a np o i n to f p r o v i d i n g al i m i t a t i o nf o rw i d ea p p l i c a t i o no fd e v i a t i o na n a l y s i s 硒er e f e r e n c ev a l u eo fo p e r a t i o ni n d i c e so ne n e r g y - l o s sd i a g n o s i sa n de n e r g y s a v i n g a n a l y s i so fp o w e ru n i ti sd i s c u s s e db a s e do nd e v i a t i o na n a l y s i s ，a n dam e t h o do fa r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r ka n dg e n e t i ca l g o r i t h m si sp u tf o r w a r d , w h i c hu s e sl h er e a lo p e r a t i o nc a s ea s c o m p a r i s o ns t a n d a r dr a t h e rt h a nac o n c e i v e di d e a lc a g ea n da v o i d st h ed e p e n d e n c eo l l s u s p i c i o u so f f - d e s i g nm o d e l 1 ks e l fo r g a n i z a t i o nf e a t u r em a da n db pn e u r a ln e t w o r km o d e l sf o rb o i l e re f f i c i e n c y , c o a lc o n s u m p t i o no fe l e c t r l c t ya n dh e a tc o n s u m p t i o nr a t eo fs t e a mt u r b i n eu n d e rs t e a d y o p e r a t i o na t oa d o p t e df o rs i m u l a t i o nb a s e do nh u a n e n gd a l i a np o w e r p l a n tc o l l e c t e db yd c s s y s t e ma n dm o s te l l o r sb e t w e e nt h ep r e d i c t e da n da c t u a lv a l u e sa r el e s st h a n2 w i 也t h ea i d o fs o f m sa b i l i t yi nc l u s t e r i n g , t h el i m i t a t i o no fc o n v e n t i o n a lc o l l e c t i o no ft r a i n i n gs a m p l e s a r ea d d r e s s e d w i t ht h ee s t a b l i s h e dm o d e l s o p e r a t i o np a r a m e t e r su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s a r es i m l l l a t e da n da s s o c i a t e dw i t hg e n e t i ca l g o r i t h m st os e a r c ht h eo p t i m i z e dv a l u e sa n d o b t a i nt h ee n e r g yl o s sc a u s e db yt h ed e v i a t i o no fo p e r a t i o np a r a m e t e r s 田地n e u r a ln e t w o r km o d e l sf o rs t e a mt u r b i n ep o w e ro u t p u ta n dp o w e rn e e d e di nc y c l e c o o l i n gw a t e rs y s t e ma r ee s t a b l i s h e df o rt h er e f e r c n c ev a l u e so fv a c u u mv a l u eo fc o n d e n s e r a n dh a v eah i g hp r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t y w i t ht h ee s t a b t i s h e dm o d e l ，t h eo p t i m i z a t i o nm o d e l o fc o n d e n s e ri sp r o p o s e dt od e t e r m i n et h eb e s tv a c l m mv a l u eo fc o n d e n s e ra n de n e r g yl o s s r e s u l t e db yd e v i a t i o no f , 龇l m em a i no p e r a t i o np a r a m e t e r s ，r e d u c et h ee n e r g yl o s sb yo p t i m i z e t h ec o n t r o l l a b l ep a r a m e t e r s c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lm o d e l s , t h ee s t a b l i s h e dm o d e l s h a v et h ea d v a n t a g eo fp e r t i n e n c et ot h ea c t u a le q u i p m e n ta n dt a k en o n l i n e a r - i n - t h e - p a r a m e t e r a n dc o u p l i n gi n t oa c c o u n t , p r o v i d et h ec r e d i b l ef o u n d a t i o n sf o rp a r a m e t e r so n l i n em o n i t o r i n g , e n e r g yc o n s u m p t i o na n a l y s i s ，o p e r a t i o na d v i c ea n de q u i p m e n tm a n a g e m e n t ，w h i c hb e n e f i tt o e n e r g ys a v i n ga n dm a n a g e m e n tl e v e li n c r e a s i n gi np o w e rp l a n t k e yw o r d s ：d e v i a t i o na n a l y s i s ：r e f e r e n c ev a l u e ；a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ； n e u r a l n e t w o r k ；g e n e t i ca l g o r i t h m i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：整查 导师签名 棼壹兰， 盟年旦月卫日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景及意义 能源工业是国民经济的基础产业，是实现现代化的物质基础，世界各国都把建立可 靠、安全、稳定的能源供应保障体系作为国民经济的战略问题之一。我国是世界上能源 蕴藏和能源生产大国，我国的一次能源生产居世界第三位，但人均占有量仅为世界人均 值的3 6 左右。同时我国的能源利用率较低，与发达国家存在着较大差距，而单位国民 生产总值能耗却是发达国家的3 4 倍。这就使得我国的能源供需矛盾十分突出。因此迫 切需要加强能源管理，合理开发和有效利用能源。 火力发电行业是一个不断将一次能源转化为二次能源的场所，是消耗一次能源的大 户。因此，在当前国家能源供应十分紧张的情况下，提高火力发电行业的节能意识，加 强能源管理，降低煤耗具有十分重要的意义【1 1 。 改革开放以来，电力工业以集资办电为突破口，充分调动各个方面办电的积极性， 到2 0 0 1 年底，全国发电量达到1 4 8 3 9 可k w h ，装机容量为3 3 8 6 亿k w 随着我国电力 建设规模不断扩大，电力结构也在不断扩大，发电机组容量不断扩大调整。然而，我国 的电力工业无论在技术装备还是运行水平方面都与世界先进国家存在定差距。据国家 电力公司1 9 9 7 年统计数据，国内机组的平均供电煤耗为4 0 8 班w h ，而同期国际先进机 组的平均供电煤耗为3 2 4 9 k w h ，差距高达8 4 9 k w h 。这一严峻的现实要求我们不断在 新机组的技术改造和节能挖潜方面下大力气，电厂运行优化系统作为指导电厂优化运行 的主要工具日益显示出其重要性闭。 火电厂优化运行系统以性能计算和能损分析为基础，通过对运行参数的计算，确定 机组运行状态和部件性能对机组经济性的影响，从而揭示出使机组经济性降低的各种因 素；通过对设备性能状态分析和运行参数分析，给予最优经济运行指导；通过对机组运 行参数和重要指标的统计和计算，对运行中的设备进行在线故障诊断【3 】 热偏差分析法是七十年代初由国外提出的一种机组性能监测方法。采用热偏差法进 行分析，主要是指实际热耗率和基准热耗率之差的定量分析，对关键性运行参数进行监 督分析，根据这些实际运行参数偏离基准值的偏差计算出机组热耗率、发电煤耗的变化 大小，以及由此而造成的运行费用增加，从而达到对发电厂主要技术经济指标进行监督 分析，并尽量减少可控损失1 4 j 。它要求首先选取某些对机组热耗率影响较大且便于控制 的参数作为监控参数，其次确定这些监控参数在不同工况下的应达值，然后根据热力学 方法或经验公式，求取热耗率的修正系数，最后可以计算出运行参数偏离应达值所带来 基于偏差分析和人工智能方法的电厂机炉运行优化研究 的能损变化【5 1 。应达值在优化系统中起着重要的作用，很多系统之所以不能在现场长期 有效的使用，应达值确定不合理是一个主要原因。现在优化系统常用的应达值是静态的， 即在较长时间内是不变的。事实上，随着机组运行时间的延续，机组运行环境和设备状 态的变化，应达值是变化的。应达值确定不合理使得参数指标的比较标准不是最优值， 失去优化指导作用。 电厂性能计算和能损分析，就是要解决火电机组运行中的经济性参数计算，并确定 各种操作和部件性能对机组经济性的影响，从而揭示发电机组运行的经济状况并指出导 致经济性降低的各种因素，为电厂的安全、经济运行提供参考数据和决策依据。偏差分 析是实时能损分析中通常采用的方法，首先通过分析该参数的变化对机组效率的影响， 从而确定该参数对机组经济性的影响程度；再根据该参数偏离理想工况参数值的幅度， 确定由于该参数不理想导致机组效率变化的幅度。 1 2 课题研究现状 对机组进行实时性能计算和能耗分析，可以了解运行指标的煤耗差的大小和分布情 况，指导运行人员实时调整运行参数，提高热经济性，从而降低机组的发电成本，增强 电厂的竞争力。几十年来，火电厂的能损监测系统随着计算机技术的进步而不断发展， 同时火电厂对经济性运行要求的不断提高也促进了能损监控系统的发展婀。 由于在火电厂生产运行过程中对经济性的要求越来越高，对各类问题的优化提出了 更高的要求，而传统的优化方法如：下降算法、牛顿法、共轭方向算法和变尺度算法等 都属于确定性优化算法，能够解决凸性函数求极值的优化问题，而火电厂实际优化问题 如：机组负荷优化分配问题、机组启停计划问题、循环水系统的优化运行问题等相当复 杂，目标函数存在多个极值点，且不一定满足凸性函数的要求，甚至不连续、不可微， 对这类问题传统的优化算法往往显得无能为力。 目前以神经网络、进化类优化算法为代表的人工智能在各领域应用研究的迅速发展 为火电厂运行优化系统建模提供了新的建模思想，开辟了一条新的可行途径。神经网络 中b p 三层网络模型具有良好的非线性映射能力，自组织映射( s o f l i f ) 网络的模式分类 能力及遗传算法优秀的全局优化搜寻功能及各人工智能方法的相互配合下可充分利用 火电厂d c s 系统及其他现有系统丰富的数据资源，具有传统建模方法所没有的针对性强、 通用性好的特点，可建立通用、精确、可靠的模型。人工智能的优化方法如遗传算法也 具有传统优化算法所没有的优点，因此具有重要的意义和广阔的前景。 随着计算机技术的飞跃，在火电行业的应用也得到迅速的发展。计算机应用于火电 厂最早开始于五十年代，当时只能完成诸如参数的监视、记录、越限报警等简单的功能。 2 大连理工大学硕士学位论文 近二十年来，火电机组的计算机监测系统不断完善，功能渐趋强大，经济性的监测和诊 断也取得了很大进展。七十年代热力系统分析软件己纷纷涌现，如：美国g e 公司的 p e p s e i t l 、o r n l 的p r e s t o s , g l 、s a r g 可叮瓷l u n d r y 的i - 1 t b a l l l o 】、英国的c e g b 的a h b p 等。目前世界各大公司研制的大型监控系统都具备有经济性监测和诊断功能， 如美国b a i l e y 公司的i n f i - 9 0 、w e s t i n g h o u s e 公司的w d p f 、g e 公司的a i d 及 m a r k - 、l & n 公司的m a x 1 0 0 0 、福克斯波罗公司的耽螺e r 毽、德国s i e m e n s 公司的t e l e p e r m m e 、哈特曼一布朗公司的c o n t r o n i c - e 、日本h i t a c h i 公司的 h i a c s - 3 0 0 0 、瑞士a b b 公司的p r c o n t r o l - p 、美国e p r i 的p d m 等。这些带有经 济性诊断功能的优化运行系统都在一定的电厂运行并在指导电厂经济运行方面取得了 较好的效果。 八十年代以来，专家系统和人工神经网络开始逐步进入火电厂的诊断系统，各国对 此进行了深入研究，为火电厂经济性诊断开辟了一条新的途径，目前开发成功并投入使 用的有美国b l a c k & v e a l c h 的b & v 性能监测系统、e n e r g yi n c o r p o r a t e do fi d a h of a l l s 的 p m a x 在线性能监测系统、意大利a n s a l d o 的p e r f e x s 专家系统、美国s o u t h e r n e d i s o n & i m p e l lc o r p o r a t i o n 联合研制的s m o p 专家系统等。美国e p r i 在改善机组经济 性方面做了大量研究，并取得了成功，目前制定了庞大的火电机组经济诊断研究计划， 正在利用专家系统开发火电机组的各种设备、系统的离线、在线性能诊断系统，如空预 器运行顾问系统、负荷优化调度系统，汽轮机性能趋势分析、电厂管理助手等。 国内从，十年代开始进行火电厂经济性诊断的研究，取得了很大的成绩，目前投运 的主要有西安交通大学研制的“微机在线运行能损分析装置” n l 、原华中理工大学研制 的“机组运行能损分析及状态诊断专家系统”【1 2 1 、华北电力大学的“机组经济性在线监 测诊断指导系统”盼1 4 】以及东南大学【1 5 l 和电力科学院研制的各种监测诊断系统等等。 综合国内外的发展状况和发展趋势，经济往监测与诊断系统的硬件正由集中向分布 式的工作站方面发展。而软件功能则从简单计算到分析，正朝通用化、智能化、专门化 方向发展，向全面性优化运行系统发展【垌。 1 3 本文主要工作 对火电厂进行经济性的定性评价是可能的，但定量计算需要提供诸如煤价、电价、 设备和人员费用、维修周期等详细的技术经济数据，实际进行起来需要多方面的配合， 难度很大。偏差分析法就是监测参数的实际值与该工况下最佳值的偏离造成对机组热耗 率以及发电煤耗的影响。 3 基于偏差分析和人工智能方法的电厂机炉运行优化研究 研究具有学习功能的应达值的确定方法，利用b p 神经网络和自组织映射网络建立 运行参数模型。采用华能大连电厂2 0 0 5 年度d c s 系统采集的实时运行数据，根据应达 值和运行参数的相关性，分别用不同的神经网络建立相应的经济性指标模型。以该模型 为基础，探讨一种新的能损偏差分析方法和运行参数应达值的求取方法。利用遗传算法 等人工智能的方法寻求最优，建立运行指标的经济性模型。 当前机组运行水平的优劣，可以通过实时经济指标得到一定的反映。当前值和应达 值的接近程度反映了运行经济性的好坏，运行人员应以缩小它们之间的偏差为目的进行 操作调整和优化运行在计算运行参数偏差的煤耗变化量时，需根据当前值与应达值之 间的偏差来计算。 利用b p 三层网络模型和自组织映射( s 0 两) 模型建模，建立发电煤耗、汽轮机热 耗率等经济性指标随运行参数变化关系的数学模型，此外，分别针对锅炉及汽轮机建立 锅炉效率、汽轮机发电负荷、循环水系统功耗等神经网络模型，并依此对不同工况进行 模拟仿真。 、 利用遗传算法在并行搜索和全局寻优方面具有强大的搜索能力根据建立的各经济 指标神经网络模型搜索最优的各运行参数，以搜索的结果作为各运行参数的应达值。人 工智能方法确定经济指标随某参数微变的偏差及运行参数偏离应达值的能损偏差，建立 运行指标的经济性模型，具有明确的设备针对性，为机组的优化运行提供理论指导依据。 4 大连理工大学硕士学位论文 2 电厂运行的经济性指标及运行调节方法 火电机组经济性诊断就是确定其主、辅机及热力系统运行参数和运行方式的经济 性；定性分析运行方式、运行参数是否合理；定量分析运行参数标准值及偏离标准值对 机组经济性指标的影响大小，以及各种运行方式、系统不合理的节能潜力大小。现代大 型火力发电机组的热力系统极为复杂，能耗分析需要对局部参数和设备的变化进行能量 损失和分布的定量计算，还要满足实时的需要，因此需要一种快速、简洁而又不失准确 性的计算方法。 2 1 热经济性定量分析方法 要确定主要参数对煤耗偏差的影响，需要对各部分系统作更详细的分析。只有通过 定量分析，才能够看清机组经济性的本来面目。 2 1 1 定量分析方案 火电机组热力系统定量分析是火电机组经济性诊断的重要组成部分和进行汽轮机 组经济性诊断的有效手段。 最早采用的经济性诊断方法是“小指标分析法”，该方法以其简单、方便等特点得 到了广泛应用，但其定量结果粗糙准确性不够。6 0 年代加拿大学者提出“热偏差分析 法”，针对运行标准和定量偏差对经济指标的影响大小考虑了不同负荷的情况。8 0 年代 我国基于等效热降理论提出火电厂熟力系统经济性诊断方法，利用“等效热降”理论对 经济性指标发生的偏差进行逐级分解，最后得出各项运行偏差对经济性的影响大小，考 虑到了热力系统各影响因素之间的相互影响。 定量分析热力系统的方法很多，最早采用的是“常规热平衡法”、“简捷热平衡法”， 是热力系统计算的经典方法，计算可靠，但过程繁琐、速度慢。5 0 年代美国s a l i s b u r y 提出加热单元概念，由马芳礼教授仓立“循环函数法”，简化了热力系统计算和分析 6 0 年代后期苏联学者提出了“等效热降法”，传入我国后。作为一种新的热工理论得以 创造和完善，以其快速、准确、简洁的特点成为火电厂热力系统局部定量分析的主要工 具。 热力计算涉及汽轮机、锅炉、发电机及辅机等一系列设备的交工况和运行状态，计 算量大而且还耍满足在线系统的实时和准确的要求，因此要根据指标的不同特点选择计 算方法。在综合运用几种方法建立适当的模型后，还要做必要的条件假设和近似简化。 5 基于偏差分析和人工智能方法的电厂机炉运行优化研究 2 。1 2 等效热降法i l j 等效热降是基于热力学的热变功的基本原理，考虑到设备质量、热力系统结构和参 数的特点，经过严密的理论推演，导出及各热力分析参量，用以研究热工转换及能量利 用程度的一种方法。各种实际热力系统，在系统和参数确定后，这些参量也就随之确定， 并可通过一定的公式计算，成为一次性参数给出。对热力设备和系统进行经济性诊断分 析时，可直接用这些参数进行诊断、分析和计算。等效热降既可用于热力系统整体的计 算，也可用于热力系统的局部分析定量和经济性诊断。它基本上属于能量转化中的热平 衡法，但是摒弃了常规计算的缺点，不需要全盘重新计算就能诊断系统变化的经济性， 郎用简洁的局部运算代替整个系统的繁杂计算。它只研究与系统改变有关的那些部分， 并用给出的一次性参量进行局部定量，确定变化的经济效果。 等效热降主要用来分析蒸汽动力装置和热力系统的经济性。在火电厂的设计中，用 以论证方案的技术经济性，探讨热力系统和设备中各种因素的影响以及局部变动后的经 济效益，是热力工程和热力系统优化设计的有力工具。对于运行电厂，可用于分析诊断 热力系统的热经济性，从而为技术改造提供确切的技术依据。在机组经济性分析中，等 效热降法对于诊断电厂能量损耗的场所和设备。查明能量损耗的大小，发现机组存在的 缺陷和问题，指出节能改造的途径与措施，以及评定机组的完善程度和挖掘节能潜力等， 都是重要的技术手段。 2 1 3 热偏差分析法1 1 1 美国e p p d 编写的火电厂降低热耗率工作导则中，将热偏差法作为定量分析诊 断方法。年代起，该方法在我国也开始大量应用。热偏差法在定量分析中，针对运行 标准和定量偏差对经济指标的影响大小考虑了不同负荷的情况。早在六十年代，在西欧、 北美地区，尤其是在法国的电力系统中，开始应用运行偏差分析的方法来研究发电设备 及系统的热经济指标的变化规律。经过十年左右的完善工作，己使“偏差分析法”的结 果与正平衡计算的结果基本相符合。在我国，随着电力生产管理水平的不断提高，“偏 差分析法”也日益被人们所重视。 “偏差分析法”是对关键性的运行参数进行监督分析，根据这些参数的实际值与基 准值之间的“偏差”计算出对机组热耗率、发电煤耗、燃料成本的影响程度，从而使有 关人员根据这些数量概念能动的、分主次的减少机组的可控热损失；也可根据运行日报 表或月报表采用“偏差分析法”来分析热经济指标的变化趋势。在火电厂各运行参数运 行在基准点上，机组的经济性最佳，而当运行参数偏离基准值时，将造成系统各项能量 损失。运行参数蜀偏离其基准值勘产生的某一经济性指标e 的变化量可表示如下： 6 大连理工大学硕士学位论文 咂警“一鼍。) 缸， ( 2 1 ) 这将有利于提高计划工作的科学性，改进过去单纯用统计值与同期比较后制定计划的方 法。 “偏差分析法”的基本思想类同于我国的4 小指标分析法”，但深度和广度远远超 过“小指标分析”的范围，是“点”和“线”的关系。“小指标分析”的运行标准和校 正系数都是常数，呈一个“点”，只考虑机组带平均负荷时的影响程度；而“偏差分析 法”利用理论的或科学试验的方法去研究不同负荷时的“标准热耗率”、“运行标准” 和“热耗校正系数”，星一条“曲线”在应用。偏差分析法”时，由于由“点”扩大 到“线”必然增加了计算工作量。但随着计算机技术的逐步推广，完全有可能把这些曲 线拟合成一个方程式贮存在计算机内，再编制成适合各电厂的计算软件。只要有实际的 运行参数，就可通过该软件直接查出偏离标准的损失量，随时指导运行，比“小指标分 析法”更逼近最佳工况，获得更高的运行经济效益。加拿大n s 动力公司利用偏差法控 制发电厂的热耗率，使热耗率逐步下降，取得在三年内降低2 0 的好成绩。 2 1 4 人工智能方法 利用d c s 系统丰富的实时，历史数据或现场实测的试验数据，整理出合理的数据样 本，用神经网络模型通过对这些样本的学习( 或训练) 在线或离线辨识出某经济性指标随 某些运行参数变化关系的数学模型利用训练好的神经网络非线性映射模型，即可求取 该经济指标随某参数微变的偏差，进而可求得该运行参数偏离基准值的能损。 2 2 热经济指标及计算 2 2 1 锅炉热经济指标 热效率是锅炉的重要技术经济指标，表明锅炉设备的完善程度和运行管理的水平 锅炉效率的计算方法有正平衡和反平衡法两种【l s l ： 正平衡计算： ”鲁，o o 其中，q i 为锅炉有效利用热量，l d h q ，为进入锅炉的总热量。i d h 。 7 ( 2 2 ) 基于偏差分析和人工智能方法的电厂机炉运行优化研究 反平衡计算： r b 1 0 0 一q 2 一q ，一q 一吼一q 6 ( 2 3 ) 其中；q 2 为排烟热损失，； q 3 为化学未完全燃烧热损失，： q 4 为机械未完全燃烧热损失，； q 5 为锅炉散热损失，； q 6 为灰渣物理热损失，。 目前国内外还没有成熟、可靠的煤量、煤质和飞灰可燃物的在线实时测量办法，因 而不适合在实时的在线系统中采用。本文采用反平衡法实时计算锅炉效率。 2 2 2 汽轮机组热经济指标 汽轮机组热耗率及绝对电效率才是衡量机组性能的重要热经济指标，也是评价汽轮 机性能的主要指标。 汽轮机组热耗：q o - d o 一j | 加) + p 譬，矗 k j h ( 2 4 ) 汽轮机组热耗率：q o - q o e , 一d o 舰一是一+ 口n 乳) l a ( k w h ) ( 2 5 ) 其中，d 0 ，d r h 分别为汽轮机组汽耗和再热汽耗，k 舀氇； h o ，h 船分别为主蒸汽焓和给水焓，k j k g ： q l h 为再热蒸汽吸热量，k j k g ； r 为发电功率，k w ； d 0 为汽轮机组汽耗率，k g ( 1 【w b ) ； oi h 为再热蒸汽份额，。 汽轮发电机组绝对电效率与机组热耗率紧密联系，知其一便可通过下式求得另一个 指标： r 。- 3 6 0 0 1 q o ( 2 6 ) 2 2 3 凝汽式电厂运行经济性指标 我国火力发电厂采用热量法定量评价其热经济性，常用的热经济性指标主要有能耗 ( 汽耗、热耗、煤耗) 以每小时或每年计其耗量，能耗率( 汽耗率、热耗率、煤耗率) 以每k w h 或m w h 计算，效率以百分比度量【1 9 1 。 全厂热耗：( b b q ,k j h( 2 7 ) 大连理工大学硕士学位论文 全厂热耗率： 全厂煤耗率； q q , 一q ，只 b 一b | p i 】【j l ( k w b ) i 【g 难w h ) 全厂标煤耗率：。1 2 3 聊a 仉)g 标煤忙w h ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 其中，q l 为燃料低位发热量，k i k g ； p 。为发电功率，k w ： r l b ，2 1 。，i l 。分别为锅炉效率，管道效率和机组绝对电效率，。 标准煤耗率表明一个电厂范围内的能量转换过程的技术完善程度，也反映其管理水 平和运行水平，同时也是厂际间的经济评比、考核的重要指标之一随着电网的扩大和 电网的经济调度，应从全网的综合经济效益考虑。如：即使大容量机组也要承担调峰； 夏季丰水期应优先让水电满发，不允许为保持网内火电低煤耗率而弃水等等。 2 2 4 热经济指标之间的关系 热力设备的完善程度、电厂经济性的高低，通常用实际循环效率r i i 。机组热耗率q o 和电厂标准煤耗率b l c d 等经济指标来表征。一般热经济性指标的变化表明热经济性的改 善或下降，表2 1 为热经济性的变化( 其中带”者为变化后的数值) 。它为正数时， 表明热经济性得到改善，热效率提高，能耗率降低，反之为负数。由于设备或运行等原 因导致经济性交化时，可用这些指标的绝对变化或相对变化来表示。 表2 1 热经济性指标的变化 t a b 2 1v a r i e t y o f e c o n o m i c i n d i c e s 相对量变化 热经济性指标绝对量变化 以变化前为基准以变化后为基准 热效率厶确- 掰一吼6 铂i 一雄【 q i 却；一矗研, 7 1 热耗率 g i 牙一g 向口q句- 口q 。 煤耗率 6 6 。一6 ， 面。- 曲b d b 。一的6 0 当经济性变化微小时，用机组热耗率、机组绝对内效率、标准煤耗率等指标的相对 变化表示热经济性交化，它们的相对变化率的绝对值是相同的，即交化的酉分比相同： 蚓- 胁i _ l 西1 - 1 6 r 。i( 2 1 1 ) 基于偏差分析和人工智能方法的电厂机炉运行优化研究 2 3 实时能损分析数学模型 偏差分析是实时能损分析中通常采用的方法，是监测参数的实际值与该工况下最佳 值的偏离造成对机组热耗率以至发电煤耗的影响。对任何一个影响机组效率的运行参数 而言，偏差分析一般包括两个步骤：首先是通过分析该参数的变化对机组效率的影响， 从而确定该参数的变化对机组经济性的影响程度；其次，根据该参数偏离理想工况参数 值的幅度，确定由于该参数不理想导致机组效率变化的幅度。这个用于比较的理想工况 对应的该参数的数值称为“应达值”。只要将应达值作为基准点，采用适当的方法计算 在基准点基础上，该参数单位变化导致机组效率或煤耗率的变化率，并进一步乘以该参 数的变化值，就可以获得此参数偏离应达值导致的效率或煤耗率的变化。如何选择理想 工况和应达值，对能耗分析的结果具有至关重要的作用【刎。 确定运行指标的应达值应考虑它的准确性、实时性及可行性。如果得出的应达值在 运行中不符合设备的实际状态或在实际运行中不能达到，就不能对运行起到很好的指导 作用。由于发电机组是一个多部件高度耦合的系统，“牵一发而动全身”，想分辨出单 一的某个部件特性变化的影响是不容易的；其次，由于机组处在不断的负荷变化过程中， 任意工况下当作比较基准的健康工况的参数值和选取原则需要认真研究确定。 2 3 1 应达值的确定方法 实际上，机组绝对的最佳状态是很难确定的。一方面是由于随着服役年限的增加， 机组和部件的性能均处在不断的变化过程中；另一方面也由于机组的运行状态并不唯 一，可能在额定负荷下运行，但更多的情况下是在变负荷状态下运行因此各个运行参 数的应达值既不唯一，也很难确定其绝对的最佳值。在当前电厂运行的能损分析系统中， 应达值主要由下列5 种方法确定： 采用制造厂提供的设计值。如：主蒸汽温度、再热蒸汽温度、锅炉排烟温度、机械 不完全燃烧损失、排烟氧含量、各级回热加热器端差等，这些参数都是有一个明确的方 向，越高越好，或是越低越好，但受限于机组的性能，其设计参数表示的是要求机组达 到的正常性能； 采用最佳运行试验的方法。在进行设备消缺后，进行若干工况的试验，确定应达值， 如排烟温度、烟气含氧量、汽水损失等。 采用变工况热力计算结果。如主蒸汽压力、再热蒸汽压力、空预器温度、汽机真空、 给水温度、排汽压力等。这些参数的最优值是随着机组负荷状态的变化而变化的，因此 需要根据当前工况，采用变工况模型进行优化计算得到应达值。变工况模型需要依据大 量的实际运行数据整定，以保证其真正反映机组性能； j o 大连理工大学硕士学位论文 采用历史数据的统计值。对一段时间内机组运行指标数据进行分析、统计，得到某 些指标的应达值 自动寻优确定。各工况在不同的边界( 如循环水温、大气压力等) 有不同的应达值 曲线，曲线由系统自动统计机组的最佳运行状态而形成例。 当机组滑压运行时，一般采用变工况热力计算或热力试验的方法来得到不同负荷 ( 或主蒸汽流量) 下主蒸汽压力的应达值。当机组定压运行时，一般采用制造厂提供的 设计值来确定主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽温度等一类参数的应达值，其他如排 烟温度、飞灰含碳率、汽水损失、汽机真空、给水温度、主减温水量、厂用电率、锅炉 效率参数的确定，各个电厂采用的方法也各有不同。 采用最佳运行试验的方法，在系统运行初期效果好，但是随着时间的延长，机组的 状态发生改变，应达值也应有所变化但是，在发电厂不可能经常做大量试验，使应达 值和机组实际运行状态不符合。采用交工况热力计算结果，从理论上讲是正确的，但计 算结果受到变工况热力计算模型的影响，且计算得到的是理论值，在实际运行中较难达 到，影响了对运行的指导作用。采用历史数据统计值，由于统计是一个复杂费时的过程， 且原始数据没有经过验证，因此，统计一次要经过数据验证，选择典型数据，再考虑边 界条件的影响，给出应达值。由于这一过程繁琐，采用这种方法的系统一般也不对应达 值进行经常性更新，使得应达值和机组状态不符合。自动寻优方法同时考虑到边界边界 条件的变化、应达值的可信度和对运行的指导性。但由于边界条件众多，导致应达值的 曲线再较短的时间内难以统计完成。经过很长时间。曲线完成后，曲线上有很多点也已 经与机组的状态不符合了。 比较现实的解决办法是采用“实际可达最佳值”作为应达值，即现实运行中曾经达 到的、或者是热力实验中经精心调整达到的机组最好性能对应的运行参数。实际应用中， 通过对多个典型负荷工况下的应达值当然是最可信、最准确的方法，但在条件和经费不 允许的情况下，也可采用上述替代的方法。 清华大学杨宝勇等i 刎提出了以实际工况为基准的偏差分析方法，其基本思想是以反 映机组真正性能的当前工况作为比较基准，将每个需要分析的参数由当前值单独修正到 理想应达值，把由此得到的机组性能的提高作为该参数不理想而导致的效率或煤耗损 失。一方面机组的性能不失真，机组本身就是变工况模型，另一方面避免了对变工况模 型的依赖，也避免了由于变工况模型不准确可能带来的误差。以理想工况为基准的偏差 分析方法着重于分析由于参数偏离所导致的“能损”，贝该方法的着眼点是分析如果对 参数进行优化时的“节能潜力” 基于偏差分析和人工智能方法的电厂机炉运行优化研究 2 。3 2 变工况下运行指标应达值的确定 变工况下的运行指标应达值可分为三大类：与运行人员的操作有关的应达值；主要 由设备状态决定而运行人员无法调整的应达值；与运行的操作调整及设备状态两者都有 关的应达值【2 1 1 ( 1 ) 第一类运行指标 机组定压运行时，从设备经济性、安全性出发，主蒸汽温度、主蒸汽压力、再热蒸 汽温度的应达值可取自制造厂提供的设计值。当机组滑压运行时，主蒸汽压力的应达值 可根据机组的变工况热力计算来确定。 ( 2 ) 第二类运行指标 加热器端差 加热器端差是衡量加热器运行状态的重要指标，它直接影响回热系统的性能。端差 越小，机组运行的经济性就越好。端差的大小主要与加热器本身性能有关，其应达值来自 回热装置的变工况计算。 当机组工况变化时，各级抽汽压力随之变化，各加热器的进出口水温也发生改变。从 而引起各级抽汽量的变化。而抽汽置的改变又反过来影响各级抽汽压力的数值。这样就 使得加热器的变工况计算变得很复杂。 根据加热器的传热方程式和热平衡方程式可得： a - 下d w c p 恤( 1 + 争 ( 2 1 2 ) 其中，a 为加热器传热面积，矿o d 。为流经加热器的给水流量，k g m ； f 为给水流经加热器的进出口温度差，； 口为变工况下加热器的传热端差，； k 为变工况下加热器的传热系数； c ，为给水的定压比热，k j k g 。 其中传热系数是影响加热器端差的一个重要因素。当加热器运行正常时在变工况下 可近似地视为常数。端差应达值的计算是一反复修正的逼近过程。计算过程如下： 根据汽轮机的总进汽量初步估计抽汽量及各级流量。变工况下各加热器的抽汽量随 汽轮机总进汽量而变化，总的说来是同方向增减的，可根据设计工况下各级抽汽量在进 汽量中原来所占的百分数确定。 大连理工大学硕士学位论文 根据估计的凝汽器迸汽流量进行凝汽器的变工况计算可得凝汽器真空，再由各级倒 推计算得到各级的热力参数。 根据汽轮机的抽汽参数由上述计算式计算加热器的端差。根据加热器的流量平衡式 和热量平衡式计算加热器的抽汽量。 根据计算的抽汽量修正凝汽器进汽流量和各级流量，然后重复2 到4 步，直到两次计 算的抽汽量变化小于一定的误差时，即可得到符合汽轮机和加热器变工况计算的端差应 达值。 给水温度 给水温度的应达值随工况而交，可根据最终加热器的抽汽压力下饱和温度和它的端 差应达值计算得出。 抽汽管道的压损 抽汽管道压损百分数在变工况时可近似取为常数，这是因为变工况下管道内蒸汽比 容积的变化大体上可以抵消流量变化的影响而保持容积流量不变。当有条件时其应达值 最好通过试验确定，或者取设计院提供的数据。 ( 3 ) 第三类运行指标 凝汽器真空 凝汽器真空对机组的出力和热耗有很大影响，它的提高有利于机组经济性的提高。 由于凝汽器真空不但受冷却水量和水温的影璃，也与真空系统的严密性、管子的清洁度、 凝汽器负荷等有关。所以凝汽器真空受环境因素和实际运行维护调整的影响，其应达值 可通过凝汽器变工况计算得到。 设凝汽器内压力为主凝结区的蒸汽凝结温度f 。的饱和压力由下式得到阎： 一+ a t + 盘 ( 2 。1 3 ) f 丝二丝2 ：堡 4 1 8 7 仇 ( 2 1 4 ) 墅 6 = & 他4 1 8 豫- 0 ( 2 1 5 ) 其中，t 。，a t ，a f 分别为冷却水进口温度，冷却水温升和凝汽器传热端差，； 吃，疋分别为凝汽器中的蒸汽比焓和凝结水比焓，k j k g 皿，d 0 分别为进入凝汽器的蒸汽量与冷却水量，k g h ； 基于偏差分析和人工智能方法的电厂机炉运行优化研究 4 ，为凝汽器冷却面