火电厂优化软件的应用及前景

1/10火电厂优化软件的应用及前景马欣欣【摘要】在研究国内外火电厂优化软件开发和应用现状的基础上，介绍国外优秀的软件包，并结合当前我国电力系统全面改革措施的实行，论述了21世纪火电厂采用优化软件的必要性和技术经济分析，提出在应用优化软件的过程中应注意的问题和建议，以推动优化软件在我国21世纪火电厂的全面应用。【关键词】火电厂优化软件控制管理APPLICATIONANDPROSPECTSOFOPTIMIZATIONSOFTWAREOFTHERMALPOWERPLANT1优化软件的产生和发展优化软件的产生和发展首先是由于工业过程对自动化技术发展的需要，其次是基于控制理论和计算机技术的共同发展。本世纪以来，自动化技术有了突飞猛进的发展。自动化装置已成为大型设备不可分割的重要组成部分，自动化系统也已是大型生产过程的必备系统，生产过程自动化的程度成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。50年代以前，自动化技术的理论基础是经典控制理论，即以根轨迹法和频率法作为分析和综合系统的基本方法。自动化系统的设计一般也是将复杂的生产过程人为地分为若干个简单过程，控制目标也只是保持生产过程的2/10稳定和安全，基本属于局部自动化范畴。60年代，生产过程向着大型化、连续化方向发展，工业过程的非线性、耦合性和时变性等特点愈发突出，原有的简单控制系统已不能满足工业过程需要，自动化技术面临严峻挑战。这时产生了现代控制理论，它以状态空间分析方法为基础，包括系统辨识、最优控制和最佳估计等几部分。但因某些生产过程较复杂，建模困难，且当时的计算机技术只停留在试验阶段，所以现代控制理论还难以应用于工业过程。70年代后，工业控制计算机有了极大的发展。美国HONEYWELL公司在1975年推出第1个分散控制系统DCS，即TDC2000，它将4CCOMMUNICATION,CRT,COMPUTER,CONTROL技术集于一体，为高水平控制策略的实现提供了强大的技术支持。同时，由于当时市场竞争激烈及能源危机的影响，不仅工业企业的规模更加庞大，而且过程控制的目标已不再是单纯地保持稳定和安全，而是对优质、高效和低成本的控制目标提出了更多要求。传统控制理论的不足在于它必须依赖于受控对象或过程的严格的数学模型，并以此为依据来求取最优控制效果，而实际的受控对象或过程存在着许多难以建模的因素。在这种情况下，逐渐发展和形成了第3代控制理论智能控制理论。工业自动化系统也已突破了传统的局3/10部控制模式，进入到整个系统乃至全厂的协调控制、最优控制及决策管理系统。智能控制系统智能控制系统理论是控制理论发展的高级阶段，主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统控制问题，如被控对象存在严重的不确定性或具有高度的非线性等。智能控制是人工智能、控制理论及运筹学等多学科的交叉。以智能控制理论为基础，先后产生和发展了模糊逻辑控制系统、专家控制系统、神经网络控制系统和学习控制系统等智能控制系统。在实际应用中，很少单独应用某一类智能控制方法，通常是智能控制方法与传统控制方法结合或2种以上智能控制方法的组合，应用于过程控制的不同层次。模糊逻辑控制在一定程度上模仿人的高级智能活动，包含了人的控制经验和知识，它不需要有准确的控制对象模型，属于智能控制。模糊性也是一种不确定性，通常指对概念的定义及语言意义理解上的不确定性，因此它不同于随机性，模糊理论也不同于概率论。从1965年美国教授查德首先提出模糊集合的概念开始，模糊控制已在很多领域有了广泛应用，大到地铁、飞船、核反应堆的控制，小到照像机、吸尘器和洗衣机的控制，离我们日常生活越来越近。在火4/10电厂中也早已应用，但大部分是应用在较简单的、独立的单回路闭环控制系统中。专家系统这是一种基于知识的系统，主要面临各种非结构化的问题，尤其能处理定性的、启发式或不确定的知识信息，经各种推理过程达到系统的任务目标。专家控制的实质是使系统的构造和运行都基于控制对象和控制规律的各种专家知识，且要以智能方式利用，求得受控系统尽可能地优化和实用化。该系统又分为直接式和间接式2种在直接式专家控制系统中，专家的控制知识和经验被直接控制生产过程并给出控制信号；在间接式专家控制系统中，各种高层决策的控制知识和经验被间接地控制生产过程。常规控制器可接受一个模拟控制工程师智能专家系统的指导、协调或监督，为操作人员提供辅助决策作用。在火电厂实际应用中，间接式专家系统应用较多。神经网络控制它是一种从功能上模拟生物神经网络的控制方式，且基本不依赖模型的控制方法，较适用于具有不确定性或高度非线性的控制对象，并具有较强的适应和学习功能。神经网络控制又分为神经网络自适应控制、神经网络预测控制、神经网络监督控制及神经网络内模控制等多种控制方案。神经网络控制系统近年来在国外火电厂中已有应用。5/10学习控制它是智能控制的一个重要分支。与自适应控制一样，学习控制是传统控制技术发展的高级形态，作用是为解决主要因对象的非线性和系统建模不良造成的不确定性问题，即努力降低这种缺乏必要的先验知识给系统控制带来的困难。学习控制又分为基于模式识别的学习控制、基于迭代和重复的学习控制及连结学习控制等。优化软件的定义及分类火电厂优化软件主要指火电厂实时过程控制参数的优化控制软件和保持设备、系统经济高效运行的优化管理软件。第1类软件的突出特点在于实时、在线和闭环控制功能，主要用于机组负荷变化过程，减少主要过程参数动态偏差和被调量的时间延迟；第2类软件的特点在于它注重运行的经济性、对设备或系统的开环分析能力及它的管理、决策支持功能，主要用于电厂管理信息系统MISMANAGEMENTINFORMATIONSYSTEM或称企业资源计划系统ERPENTERPRISERESOURCEPLANNING。优化控制软件按应用范围划分，火电厂实时优化控制软件主要有以下几部分A机炉协调优化控制6/10由于单元机组被控对象是以锅炉和汽轮发电机为一个整体，互相间存在着关联的多变量被控对象，且锅炉和汽轮机的动态特性有很大差异，即汽轮发电机负荷响应速度非常快，锅炉则是一个具有蓄热能力的大惯性环节，因此单元机组内部2个环节的能量供需关系互相制约，外部负荷响应特性与内部参数运行稳定性间存在固有矛盾。常规控制系统通常是对过程进行适当地假设，以简化对象特性为基础进行设计，但效果不是非常令人满意。火电厂机炉协调优化控制一直是众多控制专家致力研究的课题，国外DCS厂商在这方面开发的优化控制软件包也最多。大多数机炉协调优化控制软件包均是利用了先进的现代控制理论和智能控制理论，采用诸如自适应控制、预测控制、模糊控制、学习控制、专家系统及神经网络控制等多种优化方法，很多已取得较满意的效果。实际应用中，有美国FOXBORO公司的整体单元机组控制、德国SIEMENS公司的带凝结水节流模块COT的新机组控制NUC、美国MCS公司的全厂协调自动化策略DEB500、ELSAGBAILEY公司的多变量控制和神经网络控制、日本日立公司的动态前馈并行控制等。B主蒸汽温度优化控制锅炉主蒸汽温度是单元机组最重要的参数之一，正常运行时要求的偏差范围较小，但实际上在各种扰动下，7/10主蒸汽温度调节对象动态特性都有迟延和惯性。通常的解决办法是采用串级调节系统以快速消除减温水的自发扰动，或增加负荷前馈信号来提高负荷响应速度，但这种方法还不能完全消除对象的大迟延。主蒸汽温度优化控制软件一般是采用系统辨识的方法确定对象的数学模型，再采用预估器进行补偿，或采用状态空间分析法等。这方面的典型软件有ABB公司的SCO软件包。CDCS报警功能优化主要是DAS功能的进一步开发，一般不需要单独的软件包。机组正常运行过程中，有些设备如风机、水泵等在正常停止状态检修或备用下也会发出润滑油压低、出口压力低等报警信息。为避免这些虚假报警的产生，就要增加必要的闭锁逻辑，即对报警功能进行优化。另外，随着大容量机组自动化水平不断提高及大屏幕显示器在火电厂中的应用越来越多，美国FOXBORO公司日前开发了模拟热工信号报警窗的显示画面，它不仅可代替热工信号通过DCS软件实现一类信号的报警，其画面可显示在操作员站的CRT或大屏幕显示器上，而且还可充分利用DCS丰富的信息和功能。一类报警产生时，在大屏幕显示器或操作员站CRT上推出多窗口显示画面如相关系统模拟图、相关参数趋势图等，帮助运行人员迅速、准确地处理各种故障情况。优化管理软件8/10从目前火电厂优化管理软件的应用情况看，虽然由不同供货商提供的各种优化软件种类繁多、名称各异，但从功能范围分析，主要有以下几大类设备管理软件也属优化管理软件范畴，因其本身范围较广、分支较多，将在中论述A能量管理软件主要用于一个电厂中几台机组间的负荷分配。一般情况下，优化软件会根据电网或中调的负荷指令及几台机组主、辅机设备的健康状况和性能、效率等情况，依据某一事先确定的原则，给出各台机组相应的负荷指令，使发电厂整体运行效率达到最优。目前，这类软件中典型的有SIEMENS公司的电厂能量管理系统软件SR2、ABB公司的能量管理系统EMS及ELSAGBAILEY公司的能量管理模块CONOPT等。B设备及系统性能优化软件各公司此种软件间差异较大，主要是功能划分范围和深浅度不同，但大部分都是通过计算设备或系统的实时性能参数，并与设计值进行比较，观察设备或系统是否运行在最优点，给出实际值与设计值偏差，发现问题并评估设备或系统状态。功能强一些的软件还可对偏差值进行分析，找出造成此偏差值的几个主要因素，通过线性规划等方法，分别给出在不同原则下达到设备或系统最优的方法9/10和手段。这其中含有专家系统的思想和方法，也是目前最需要的优化软件。能提供这些功能的软件有ELASGBAILEY公司的性能计算和优化模块CONVALI，ABB公司的以模型为基础的诊断模块OPTIMAXMODI，SIEMENS公司的机组效率优化软件SR4，热动力计算软件TDYSPP等。C过程信息统计分析软件与DCS的DAS功能很相似，主要是采集实时过程信息，进行加工处理，给出各种统计结果和报表，为生产管理人员的分析决策提供支持。但由于对象不同，因此与DAS有很大不同，主要体现在2方面1所需的数据量和内容不同。DAS应用对象是操作员，监视的参数主要是有关单元机组安全可靠运行的实时过程参数和设备状态；优化软件应用对象是生产管理人员值长、生技部门的专业工程师及总工等，需要的是覆盖全厂各台机组乃至辅助车间中，影响系统安全运行和系统经济性能指标的主要过程参数和设备状态的实时数据、历史数据。因此，对DAS功能要求主要是实时监视功能，而对优化软件的功能要求主要是过程分析和决策支持。2计算机软、硬件平台的要求不同。DAS功能就是利用DCS软件进行一些组态、编程即可实现，监视的参数也只是实时过程参数，二次计算参数很少，主要功能是提供监视信息；优化软件不仅需要监视一次参数，更主要的是利用最新计算机软件丰富的功能电子表格、数10/10据压缩和异构数据库集成等进行大量的历史数据存储及一些统