邹殿臣
哈尔滨正业热电有限公司
摘要：基于燃煤电站炉、机、电三大主设备及重要辅机的状态监测及评价数据，建立了一套燃煤机组发电能力评估系统。介绍了燃煤机组发电能力的评估思路，并对系统进行了硬件和软件功能设计，重点阐述了设备健康状态的判定方法，还考虑了主要运行参数、环保超标、煤质煤量等对发电能力的影响。
关键词：燃煤机组；发电能力；设备健康；运行参数
近年来，电网在节能发电调度方面走在了全国前列，煤耗、脱硫脱硝等在线监测系统的实施和应用给电网调度计划和运行提供了数据支撑。而低碳环保调度的前提是电网安全稳定运行，火力发电机组作为电力供应的主力，其安全可靠运行对电网调度运行和电能供应起着关键的作用。然而，电网调度部门对于发电侧重要设备状态了解甚少，无法预知所调度机组的设备可靠性情况，从而无法做好发电负荷预测和计划。此外，电网调度值班员与发电厂值长之间的沟通存在较大滞后性，调度部门对于发电机组的非停和非计划降出力更多是在事后了解。
面对传统调度方式的不足之处，为了满足智能化、自动化调度的发展需求，本文基于燃煤电站机、炉、电三大主设备及重要辅机的状态监测及评价数据，利用先进的计算机技术和网络技术，建设了一套燃煤机组发电能力评估系统（以下简称“系统”）。系统的实施和应用，为调度部门掌握燃煤机组健康状态及发电能力提供重要参考。
1燃煤机组发电能力评估思路
燃煤机组发电能力的评估思路如下：
（1）从各火电厂的DCS、CEMS等控制系统采集主参数（主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热汽压力、再热汽温度、背压）及主要设备（送风机、引风机、一次风机、给水泵、磨煤机等）相关参数等实时数据，并对数据进行预处理；
（2）对主参数进行劣化度计算；
（3）对主要设备的相关参数进行劣化度计算，通过不同的权重设置，可得到表征设备健康状况的设备劣化度；
（4）根据煤耗系统中机组的实时煤耗、煤质等指标，可较精确地推算出当前的入炉煤瞬时流量，判断制粉系统出力是否受限；
（5）实时监测烟尘、SO2及NOx排放浓度，任一指标超标，立即发出告警；
（6）对MFT、ETS及闭锁增等重要逻辑进行跟踪，根据DCS控制逻辑，锁定机组的发电能力目标值；
（7）综合考虑上述主参数，以其中的最小值作为机组最终的发电能力目标值。
2系统硬件设计
目前，很多电网公司已建设了煤耗在线监测系统。因此，可通过现有的煤耗通道从电厂DCS采集相关数据，在电网公司进行计算、存储和信息发布。
3系统软件功能设计
系统在数据采集、指标计算、趋势分析等基础功能之上，主要增加了设备健康状态评价、主参数对发电能力的影响分析、机组发电能力实时评估等功能，下面将对一些重点功能进行阐述。
3.1设备健康状态评价
设备健康状态评价基于参数劣化度计算，并根据参数对设备的影响程度设置不等的权重，从而获得设备的劣化度，根据劣化程度，确认设备是否可用，从而得到机组发电能力目标值。它主要包括期望值获取、参数劣化度计算及变权计算3个过程：
1.2.3.3.1.（1）期望值获取
期望值获取的过程如下：
a、依据设备监测和诊断目标进行设备监测参数选择，并设定设备监测条件；
b、在实时数据库中进行样本数据选择即设备健康运转时的多工况时间段选择，一般选择覆盖最近一年的数据，以保证模型训练的成熟度和预测精度；
c、采用K-means算法与基于EM（期望最大）的GMM（高斯混合模型）算法相结合的聚类分析算法，对训练数据进行数据挖掘分析，建立模型健康工况状态矩阵；
d、通过最大似然相似理论求解实时状态数据与模型健康工况状态矩阵之间最大相似问题，运用非线性状态回归方程对设备状态的期望值进行精确求解；
e、在得到高斯混合模型的数学求解结果后，计算机基于EM算法不断迭代求解，可以得到GMM各个模型参数。将现场实时数据与GMM中的M个模型期望值进行相似度比较，相似度最高的期望值作为实时数据的期望值。
（2）参数劣化度计算
根据可靠性理论，可以用劣化度表示参数或设备偏离正常状态的程度，参数劣化度的计算公式如下：
（1）
式中，表示劣化度；表示状态参数值正常值（期望值）；，表示设备必须停运时状态参数值的下限和上限（可根据运行规程和热工保护定值确定）；k表示参数变化对设备的影响程度[5]。
（3）变权计算
变权综合理论是因素空间理论的重要建模原理之一，它反映了综合评价中诸要素状态的均衡性。在个别因素出现严重劣化时，即使是最不重要的因素，只要是其因素劣化到影响评价对象的整体状态时，通过变权综合计算得出的设备最终评分可以与实际状态保持一致。
变权综合评价模式的基本方法是先根据特定原则对各因素进行常权赋值，再根据参数实测值计算因素量值，然后根据因素常权和因素量值计算得到变权中间量，变权中间量表征的是各因素权重比例，需要计算转换得到变权，这个变权就可以代替常权。
变权综合模式的设备劣化度计算公式为：
（2）
式中，表示第i种因素的变权重， 表示第i种因素的常权重；表示第l种因素。
一般情况，当各因素的均衡问题考虑不多时，取>1/2 ；当不能容忍某些因素的严重偏离时，取<1/2；当=1时，等同于常权计算。
3.2主参数对发电能力的影响分析
主参数对最大发电能力的影响通过引入RB控制策略思想来进行分析，这也是发电能力评估的创新点。
当主参数实际值及变化速率到达超限值后，进行逻辑判断和延时处理，机组负荷上限为当前负荷减去10%MCR（机组负荷上限设定范围为50%MCR~100%MCR），当机组参数恢复到正常范围时，重新进行逻辑判断，机组负荷上限逐步回到100%MCR。
当机组负荷降低，主参数随之降低，但其存在低限。汽轮机要求主蒸汽温度、再热汽温度有一定的过热度且主蒸汽流量不应小于汽轮机最小进汽流量，以防止蒸汽带水或形成水蚀影响到汽轮机安全运行。当机组负荷高于锅炉稳燃负荷时，无设备故障且运行调整得当，一般可满足汽轮机对主参数的要求；当机组负荷低于锅炉稳燃负荷时，任一温度比其对应期望值低5℃，其劣化度将给出告警提示，此时可暂缓降低负荷，以维持主参数稳定。
3.3环保超标对发电能力的影响分析
4.5.5.1.5.2.5.3.燃煤机组当前考核的环保指标主要包括SO2 NOx、烟尘。当污染物排放浓度达到或超过限制值时，机组负荷受到限制，机组当前负荷即为机组负荷上限值。
机组带低负荷运行时，省煤器出口温度过低会导致高温脱硝装置反应效率低,从而可能引起NOx排放超标，超标前一时刻的负荷即为机组最小出力限值。若机组最小出力大于锅炉最低稳燃负荷，可通过省煤器外部烟气旁路、省煤器给水旁路等技术改造来满足脱硝反应器对烟气温度的要求，以达到降低机组最小稳定出力的目的。
3.4煤质煤量对发电能力的影响分析
通过磨煤机健康状态评估可以确定磨煤机可用数量，根据设计参数及磨煤机运行经验可以确定各台磨煤机出力。制粉系统出力计算公式为：
（3）
式中，为制粉系统出力，t/h；为各台磨煤机的额定出力，t/h；为各台磨煤机的可用性状态。
根据煤耗计算公式，可以得到机组最大可带负荷，其计算公式如式（4）所示。
（4）
式中，为机组n当前最大可带负荷值，MW；为制粉系统出力，t/h；为机组n的发电煤耗，g/(kW?h)。
当前，电厂对存煤量的管理较规范，一般电厂存煤量可供全厂机组满负荷运行7天及以上，由于电厂煤量库存少，机组降负荷为小概率事件，因此，本文不作过多陈述。
3.5机组发电能力评估
根据以上四个部分的分析结果，并结合RB、MFT、ETS及闭锁信号等，取各个分析结果的负荷上限中的最小值，即为机组的最大发电能力。
4结语
通过自主研究并借助行业专家指导，建立了机组发电能力评估模型。结合电网公司现状，提出了基于设备健康状态等因素的燃煤机组发电能力评估系统方案。随着后续系统在电网公司的实施和应用，可为系统的推广和应用积累丰富的实践经验，也为调度人员了解并掌握机组的健康状态及发电能力提供了重要监管手段。
参考文献：
[1]李录平,张晓玲,王春梅，等.大型汽轮机组状态综合评价的理论与系统研究[J].热能动力工程，2017,17(5)：442-444.
[2]齐敏芳，付忠广，景源，等.基于信息熵与主成分分析的火电机组综合评价方法[J].中国电机工程学报，2018，50（2）：58-64,12.
[3]任资龙，胡蓉.设备智能诊断系统在火电厂的应用[J].能源与节能，2015，20（7）：11-12.
作者简介：
邹殿臣(1983)，男，工程师，大学本科，主要从事电厂热工控制。