火電機(jī)組節(jié)能指標(biāo)在線分析系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

李洪泉，趙晴川

（1.華電國際萊州發(fā)電有限公司，山東 煙臺 261400；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力企業(yè)節(jié)能減排的壓力越來越大。在確保機(jī)組安全運(yùn)行的前提下，使機(jī)組始終保持在最佳工況運(yùn)行，提高發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行和管理水平，最大限度地降低供電煤耗率，已成為電力企業(yè)最為關(guān)心的問題。通過耗差分析的方法，對機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)性能計(jì)算和能耗分析，可以了解運(yùn)行指標(biāo)耗差的大小及分布情況，指導(dǎo)運(yùn)行人員實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)和方式，提高操作水平，從而降低煤耗?；趯?shí)時(shí)性能計(jì)算和耗差分析的運(yùn)行績效考核系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對運(yùn)行人員的實(shí)時(shí)考核，保證考核的公平公正，激發(fā)運(yùn)行人員的積極性和主動(dòng)性。為此開發(fā)了火電機(jī)組節(jié)能指標(biāo)實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)，在火電廠中的實(shí)際應(yīng)用表明，機(jī)組的運(yùn)行操作水平和經(jīng)濟(jì)性得到明顯提高［1-3］。

1 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

針對火電企業(yè)的設(shè)備狀況和運(yùn)行管理特點(diǎn)開發(fā)在線節(jié)能指標(biāo)分析系統(tǒng)，采用自主開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算平臺NCE，實(shí)現(xiàn)廠級及機(jī)組級在線經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的計(jì)算與分析，其數(shù)據(jù)接口軟件遵循OPC協(xié)議，同時(shí)適用于不同機(jī)組或同一機(jī)組的多個(gè)數(shù)學(xué)計(jì)算模型，支持C/S和B/S模式。系統(tǒng)同時(shí)支持多個(gè)國內(nèi)外主流實(shí) 時(shí)/歷 史 數(shù) 據(jù) 庫 系 統(tǒng) （PI、eDNA、iHistorian、INSQL等）。機(jī)組的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和運(yùn)行指標(biāo)能耗分析結(jié)果通過Web發(fā)布到各終端計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)全企業(yè)的生產(chǎn)管理信息共享。各個(gè)管理和生產(chǎn)部門都可以及時(shí)全面地掌握所需的生產(chǎn)及管理信息，從而做出準(zhǔn)確的判斷和決策。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示［4］。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 主要節(jié)能指標(biāo)計(jì)算方法和基準(zhǔn)值確定

2.1 性能指標(biāo)

根據(jù)DCS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和部分離線數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)組各項(xiàng)性能指標(biāo)，主要包括鍋爐效率、預(yù)熱器漏風(fēng)率、過量空氣系數(shù)、制粉系統(tǒng)單耗、磨煤單耗、制粉系統(tǒng)總電耗、送引風(fēng)機(jī)總電耗、熱耗率、汽耗率、發(fā)電煤耗、供電煤耗、汽輪機(jī)缸效率、加熱器端差、凝汽器過冷度等。

2.2 運(yùn)行參數(shù)的基準(zhǔn)值

2.2.1 基準(zhǔn)值的概念

機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)決定了其經(jīng)濟(jì)性，運(yùn)行參數(shù)的基準(zhǔn)值提供了一個(gè)對比的基準(zhǔn)，通過實(shí)際運(yùn)行參數(shù)和基準(zhǔn)運(yùn)行參數(shù)的對比，可得到機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)偏離基準(zhǔn)運(yùn)行參數(shù)后引起的經(jīng)濟(jì)性的變化。

對于運(yùn)行中可以控制的參數(shù)，其基準(zhǔn)值是運(yùn)行中的追趕的目標(biāo)，它是維持機(jī)組高經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行的優(yōu)化參數(shù)，這些參數(shù)包括預(yù)熱器入口氧量、排煙溫度、飛灰可燃物、制粉系統(tǒng)總電耗、送引風(fēng)機(jī)總電耗、主汽溫度、主汽壓力、給水溫度、排汽壓力、減溫水流量等。

對于運(yùn)行中不可以控制的參數(shù)，其基準(zhǔn)值只是提供一個(gè)對比的基準(zhǔn)，其數(shù)值不具有優(yōu)化的意義，這些參數(shù)的取值往往是設(shè)計(jì)參數(shù)，這些參數(shù)包括空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)率、環(huán)境溫度等。

優(yōu)化運(yùn)行包括運(yùn)行參數(shù)和主輔機(jī)運(yùn)行方式優(yōu)化，即機(jī)組在某一負(fù)荷下使供電煤耗最小時(shí)的運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行方式。確認(rèn)該狀態(tài)后，可作為運(yùn)行人員操作的目標(biāo)值，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行方式接近或達(dá)到優(yōu)化值時(shí)，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性為最佳。

2.2.2 基準(zhǔn)值的確定

對于運(yùn)行中不可以控制的參數(shù)如送風(fēng)溫度、預(yù)熱器漏風(fēng)率等，其基準(zhǔn)值取設(shè)計(jì)參數(shù)。而對于運(yùn)行中可以控制的參數(shù)，其基準(zhǔn)值的確定以“實(shí)用可達(dá)”為基本原則，通過大量的運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)以及有針對性的參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)和運(yùn)行方式優(yōu)化試驗(yàn)，確定主機(jī)和輔助設(shè)備在不同負(fù)荷下的最佳運(yùn)行參數(shù)、最佳運(yùn)行方式和主輔機(jī)設(shè)備的最佳配合方式。一方面充分發(fā)掘設(shè)備的運(yùn)行潛力，另一方面由于優(yōu)化比較基準(zhǔn)“實(shí)用可達(dá)”，與運(yùn)行人員的實(shí)際操作具有很強(qiáng)的可比性，非常有利于挖掘運(yùn)行人員的技術(shù)潛力。

2.3 耗差

某一運(yùn)行參數(shù)偏離基準(zhǔn)值后引起的供電煤耗的變化即為該參數(shù)的耗差。某一運(yùn)行參數(shù)的耗差有正、負(fù)兩種可能，當(dāng)耗差為正數(shù)時(shí)，說明該參數(shù)的運(yùn)行值劣于基準(zhǔn)值，當(dāng)某一運(yùn)行參數(shù)的耗差為負(fù)數(shù)時(shí)，說明該參數(shù)的運(yùn)行值優(yōu)于基準(zhǔn)值。本系統(tǒng)中計(jì)算分析的耗差包括空氣預(yù)熱器入口氧量的耗差、排煙溫度的耗差、飛灰可燃物的耗差、制粉系統(tǒng)總電耗的耗差、送引風(fēng)機(jī)總電耗的耗差、空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)率的耗差、環(huán)境溫度的耗差、主汽溫度的耗差、主汽壓力的耗差、給水溫度的耗差、排汽壓力的耗差、減溫水流量的耗差、加熱器端差的耗差、排污流量的耗差、凝汽器過冷度的耗差等。

耗差分為可控耗差與不可控耗差，可控耗差是通過參數(shù)調(diào)整和運(yùn)行方式的改變可以減小的耗差，不可控耗差是由于設(shè)計(jì)、制造偏差、設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)的改變所引起的耗差。

2.4 耗差分析計(jì)算方法

汽機(jī)側(cè)的耗差分析采用等效焓降法［5］，詳細(xì)的內(nèi)容可參照有關(guān)文獻(xiàn)，在此不做詳述。

鍋爐側(cè)分析方法采用偏差分析方法，通過推導(dǎo)，可得到某一運(yùn)行參數(shù)單位耗差（某一運(yùn)行參數(shù)變化單位數(shù)值后引起的供電煤耗的變化），如對于爐膛出口氧量的單位耗差

式中：bg為供電煤耗，g/kWh；η為鍋爐效率，%；O′2為爐膛出口氧量，%；Hrt為汽輪發(fā)電機(jī)組的熱耗，kJ/kWh；η0為管道保溫效率，%；ξ為廠用電率，%；K為空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)率，%；b2為煙氣比熱有關(guān)的常數(shù)；tG為排煙溫度，℃；tA為環(huán)境溫度，℃。

對于某一運(yùn)行參數(shù)偏離基準(zhǔn)值的耗差等于該參數(shù)單位耗差乘以該參數(shù)偏離基準(zhǔn)值的距離，該參數(shù)偏離基準(zhǔn)值的距離等于該參數(shù)的運(yùn)行值減去該參數(shù)的基準(zhǔn)值，若該參數(shù)是運(yùn)行可控參數(shù)，其基準(zhǔn)值由優(yōu)化試驗(yàn)確定，若該參數(shù)為運(yùn)行不可控參數(shù)，則其基準(zhǔn)值為選取的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。例如，對于爐膛出口氧量，運(yùn)行中的耗差為

式中：bg-O2′為運(yùn)行中的氧量耗差，g/kWh；O2_opt′為氧量基準(zhǔn)值，%。

3 系統(tǒng)主要功能模塊

3.1 機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)

實(shí)時(shí)顯示各機(jī)組系統(tǒng)工況實(shí)時(shí)值和優(yōu)化值，包括機(jī)組主要參數(shù)、流量平衡、抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)、物質(zhì)能量平衡、鍋爐性能、鍋爐輔機(jī)電耗等，以系統(tǒng)圖的形式表現(xiàn)。

3.2 耗差分布

通過該項(xiàng)可以實(shí)時(shí)了解機(jī)組中主要可控耗差和不可控耗差分布情況。以可控耗差圖為例，可以隨時(shí)了解機(jī)組主要可控耗差的實(shí)時(shí)值、優(yōu)化值、節(jié)能值、耗能值，所占總耗差的節(jié)耗能份額，趨勢分析等。并能將各個(gè)可控參數(shù)的優(yōu)化值與實(shí)時(shí)值以實(shí)時(shí)曲線顯示，指導(dǎo)操作人員在線了解運(yùn)行參數(shù)與優(yōu)化值的差距，努力追趕優(yōu)化值，提高運(yùn)行操作水平。

3.3 生產(chǎn)管理和績效考核

3.3.1 機(jī)組級和廠級生產(chǎn)報(bào)表

系統(tǒng)提供大量各職能部門需要的機(jī)組級、廠級生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)報(bào)表。滿足相關(guān)部門快速、高效地對過程數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和處理的要求。報(bào)表以瀏覽器方式顯示，可自動(dòng)導(dǎo)入EXCEL電子表格中進(jìn)行編輯、存檔。

以全廠所有機(jī)組的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)（包括性能分析數(shù)據(jù)）為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)全廠鍋爐、汽輪機(jī)、主要輔機(jī)及廠用電等主要經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)和能損分析數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)計(jì)算和可視化；實(shí)現(xiàn)不同機(jī)組主要的可比經(jīng)濟(jì)性能和重要參數(shù)變化趨勢的可視化。技術(shù)管理人員、運(yùn)行人員可隨時(shí)掌握全廠及各臺機(jī)組當(dāng)前、日報(bào)、月報(bào)和年報(bào)指標(biāo)情況，對各臺機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性及重要熱力參數(shù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)機(jī)組之間的差異。為電廠運(yùn)行設(shè)備的合理調(diào)整、電廠的節(jié)能及競價(jià)上網(wǎng)決策提供重要依據(jù)。

3.3.2 運(yùn)行績效考核

由耗差分析的概念可知：實(shí)際煤耗=基準(zhǔn)煤耗+非運(yùn)行因素耗差（不可控耗差）+運(yùn)行因素耗差（可控耗差）。

定義機(jī)組性能系數(shù)C=（基準(zhǔn)煤耗 +非運(yùn)行因素耗差）/實(shí)際煤耗。

一般情況下，C小于1。運(yùn)行因素耗差越小，性能系數(shù)C越接近于1，甚至大于1，說明此時(shí)運(yùn)行參數(shù)越接近基準(zhǔn)值好，運(yùn)行水平越高?？梢?，性能系數(shù)不但可以實(shí)時(shí)地反映機(jī)組當(dāng)前的運(yùn)行水平，而且具有不受負(fù)荷、外界條件變化等非運(yùn)行因素影響的優(yōu)點(diǎn)。因此系統(tǒng)以其為機(jī)組實(shí)行動(dòng)態(tài)運(yùn)行管理的有效考核標(biāo)準(zhǔn)。電廠根據(jù)C值評判各值運(yùn)行水平的高低，進(jìn)行績效考核。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按值（班）運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性考核，運(yùn)行管理人員只要鍵入統(tǒng)計(jì)起止時(shí)間和異常剔除時(shí)間 （例如非運(yùn)行人員責(zé)任造成的運(yùn)行異常時(shí)間），自動(dòng)統(tǒng)計(jì)當(dāng)值（或班）的能耗指標(biāo)。并能夠隨意選擇參與統(tǒng)計(jì)的耗差項(xiàng)目。電廠根據(jù)各值C值的大小，對各值進(jìn)行排名考核，保證考核的公正性和客觀性，能夠提高運(yùn)行操作人員節(jié)能降耗的積極性和主動(dòng)性。

3.3.3 安全性考核

對影響機(jī)組安全性的主要運(yùn)行參數(shù)（汽溫等）設(shè)定最高限值，超出限值系統(tǒng)自動(dòng)記錄越限時(shí)間，可隨時(shí)查詢統(tǒng)計(jì)各值、各參數(shù)的越限歷史記錄，以此為依據(jù)對運(yùn)行操作人員進(jìn)行考核，促使操作人員在盡力保證機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的同時(shí)，保證機(jī)組運(yùn)行的安全性。

3.4 系統(tǒng)維護(hù)

系統(tǒng)中嵌入了使用方便的人工離線錄入功能模塊，與機(jī)組性能有關(guān)的考核標(biāo)準(zhǔn)、化學(xué)數(shù)據(jù)（如入爐煤工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù)、爐渣含碳量等）、能損分析基準(zhǔn)參數(shù)和其他數(shù)據(jù)（如空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率、氧量修正系數(shù)、排煙溫度修正系數(shù)、大氣壓力等）可定期人工錄入，錄入功能具有權(quán)限設(shè)置功能。

4 應(yīng)用實(shí)踐

火電機(jī)組在線性能計(jì)算和耗差分析能夠及時(shí)了解機(jī)組運(yùn)行過程中的熱經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行狀況，對關(guān)鍵可控參數(shù)連續(xù)進(jìn)行監(jiān)督分析，將參數(shù)實(shí)際值與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，由兩者差計(jì)算出對機(jī)組能耗率的影響。由于每個(gè)可控參數(shù)的影響都能反映到能耗率變化上，因此有利于運(yùn)行人員進(jìn)行綜合調(diào)整，同時(shí)由于耗差分析的可控參數(shù)基準(zhǔn)值還隨負(fù)荷、環(huán)境溫度而變化，因而這種方法更切合實(shí)際，成為指導(dǎo)機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行，節(jié)能減排的一種有力工具。

該系統(tǒng)在某廠2臺330 MW亞臨界火電機(jī)組，330MW機(jī)組的實(shí)際供電煤耗率平均下降了1.75 g/kWh，以每臺機(jī)組年運(yùn)行5 500 h計(jì)算，則每年可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤3 185 t。應(yīng)用于某廠2臺600 MW亞臨界機(jī)組，實(shí)際供電煤耗率平均下降了1.9 g/kWh，以每臺機(jī)組年運(yùn)行5 500 h計(jì)算，則每年可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤4 620 t，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié)語

火電機(jī)組在線性能計(jì)算和耗差分析系統(tǒng)是一個(gè)面向生產(chǎn)的過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理系統(tǒng)，具有處理生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、完成性能優(yōu)化分析、指導(dǎo)運(yùn)行優(yōu)化操作和運(yùn)行績效考核等功能。系統(tǒng)的實(shí)施和應(yīng)用涉及了計(jì)算機(jī)、熱工、熱機(jī)、運(yùn)行等多個(gè)專業(yè)的人員，需要多專業(yè)的配合。因此要求生產(chǎn)管理到位，技術(shù)人員重視，將系統(tǒng)應(yīng)用融入到日常工作流程中，才能發(fā)揮其節(jié)能降耗、提高管理水平的作用。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)全面、準(zhǔn)確是關(guān)鍵?，F(xiàn)場實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性是性能計(jì)算和分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠的關(guān)鍵，因此應(yīng)重點(diǎn)解決現(xiàn)場測點(diǎn)和表計(jì)的準(zhǔn)確、可靠性問題。同時(shí)應(yīng)盡量減少人工離線錄入數(shù)據(jù)的數(shù)量。生產(chǎn)單位只有提高重視程度、嚴(yán)格組織，進(jìn)行全方位、多層次的技術(shù)培訓(xùn)，充分調(diào)動(dòng)各生產(chǎn)人員的積極性，把系統(tǒng)應(yīng)用到各自的日常工作中，才能使用好該系統(tǒng)，充分發(fā)揮其在電廠的安全、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中的作用，提高和促進(jìn)火電企業(yè)的生產(chǎn)管理水平［5］。

［1］ 楊勇平，劉彤，郭民臣，等.關(guān)于火電機(jī)組性能評價(jià)指標(biāo)的探討［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2000，20（2）：56-57.

［2］ 晏水平，黃樹紅，韓守木.一種火電站運(yùn)行指標(biāo)考核系統(tǒng)［J］.熱能動(dòng)力工程，2000，15（9）：541-542.

［3］ 李蔚，任浩仁，盛德仁，等.300 MW火電機(jī)組在線能耗分析系統(tǒng)的研制［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002，22（11）：153-154.

［4］ 王守恩，潘亞利，葉明，等.基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的火電機(jī)組性能診斷與優(yōu)化管理系統(tǒng)［J］.中國電力，2005，38（7）：64-65.

［5］ 許振宇，陳鴻偉，高建強(qiáng).火電廠鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)的耗差分析［J］.熱力發(fā)電，2007（2）：16-18.