沈赫男,王承亮,王 志,周懷春
(1.華電濰坊發(fā)電有限公司,山東 濰坊 261000;2.華電國際技術(shù)服務(wù)分公司,山東 濟(jì)南 250000;3.東北電力大學(xué)智能發(fā)電工程技術(shù)研究中心,吉林 吉林 132012)
2016年國家發(fā)改委、國家能源局、工業(yè)和信息化部推出《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見(發(fā)改能源[2016]392號(hào))》,著眼能源產(chǎn)業(yè)全局和長遠(yuǎn)發(fā)展需求,推動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)、新模式和新業(yè)態(tài)發(fā)展,為實(shí)現(xiàn)我國從能源大國向能源強(qiáng)國轉(zhuǎn)變奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[1]?!爸悄馨l(fā)電”的概念正是在國家能源轉(zhuǎn)型背景下應(yīng)運(yùn)而生,是多學(xué)科交叉的高新技術(shù)領(lǐng)域,是在數(shù)字化和信息化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的智能化[2-5]。文獻(xiàn)[5]提出在一定規(guī)模發(fā)電集團(tuán)的技術(shù)研究院建設(shè)“智能發(fā)電技術(shù)中心”,集中進(jìn)行智能化技術(shù)的研發(fā);各個(gè)發(fā)電廠和發(fā)電機(jī)組向該中心傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和信息,并從該中心獲得智能控制、智能運(yùn)維、智能管理等方面的技術(shù)支持。
智能電廠的構(gòu)建離不開大數(shù)據(jù)技術(shù)的支撐,智慧電廠的“才智”其背后是對(duì)大數(shù)據(jù)的合理分析和應(yīng)用。國內(nèi)發(fā)電廠對(duì)大數(shù)據(jù)[6-9]的應(yīng)用處于早期試點(diǎn)階段。其中,2019年京東集團(tuán)依托大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)建立智能化解決方案,在國家能源集團(tuán)南寧電廠600 MW機(jī)組上開展首個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目并將鍋爐熱效率提高了0.5%[10]。
在機(jī)組數(shù)據(jù)深度挖掘處理中,負(fù)荷[11-13]無疑是最主要的工況劃分的參數(shù)。文獻(xiàn)[13]考慮到同一工況下負(fù)荷必然是相近的,為避免將負(fù)荷差別較大的樣本劃入同一工況而負(fù)荷差別較小的樣本劃入不同工況,將時(shí)間軸變?yōu)樨?fù)荷軸,即,將初始時(shí)以時(shí)間順序排列的樣本集按負(fù)荷從小到大重新構(gòu)造。本文的研究思路與之相似,在整個(gè)負(fù)荷變化范圍內(nèi)均勻劃分負(fù)荷區(qū)間,分析運(yùn)行性能和參數(shù)隨負(fù)荷的連續(xù)變化。
文獻(xiàn)[14]采用高級(jí)統(tǒng)計(jì)分析工具M(jìn)initab對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)回歸分析,例如回歸真空與負(fù)荷及循環(huán)水進(jìn)水溫度的關(guān)系,以及鍋爐排煙溫度與負(fù)荷和環(huán)境溫度的關(guān)系,特別強(qiáng)調(diào)涉及環(huán)境溫度的參數(shù)要根據(jù)季節(jié)及時(shí)調(diào)整,反映季節(jié)變化對(duì)機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化的影響。文獻(xiàn)[15]認(rèn)為影響熱力機(jī)組性能最關(guān)鍵的兩個(gè)邊界條件是負(fù)荷和循環(huán)水入口溫度,除負(fù)荷外,循環(huán)水入口溫度與煤耗率接近為線性關(guān)系,溫度每升高1 ℃,煤耗率増加約1.3~1.5 g/kWh。但到目前為止,本行業(yè)領(lǐng)域還未見季節(jié)(環(huán)境氣溫、水溫等)變化對(duì)機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性影響的全面研究報(bào)道。
隨著燃煤火電機(jī)組鍋爐運(yùn)行時(shí)間的累積,分散控制系統(tǒng)(DCS)歷史站記錄了豐富的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù),分析數(shù)據(jù)背后蘊(yùn)含的運(yùn)行規(guī)律,挖掘潛在的提升機(jī)組運(yùn)行效率和降低NOx排放的內(nèi)在規(guī)律,將有助于提高燃煤鍋爐的控制品質(zhì)。本文在基于負(fù)荷工況劃分的基礎(chǔ)上,借助大數(shù)據(jù)處理技術(shù),將機(jī)組運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)按負(fù)荷(主蒸汽流量)、氣溫(季節(jié))劃分二維區(qū)間,以每個(gè)二維區(qū)間為單元,實(shí)證分析一臺(tái)600 MW燃煤火電機(jī)組鍋爐運(yùn)行性能隨負(fù)荷區(qū)間和氣溫區(qū)間變化的運(yùn)行規(guī)律,為后期制定優(yōu)化控制策略提供了理論依據(jù)。
本文分析的思路是:獲取機(jī)組過去一年DCS存儲(chǔ)的相關(guān)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù),以1 min為周期(每天1 440點(diǎn),或者2 min 24 s為周期,每天600點(diǎn))。所選取的運(yùn)行參數(shù)涵蓋鍋爐運(yùn)行主要監(jiān)測(cè)和控制參數(shù),包括實(shí)際負(fù)荷、主蒸汽參數(shù)(流量、壓力、溫度)、給水流量、總?cè)剂狭?、各?角)燃燒器給煤量、總風(fēng)量、送風(fēng)量、引風(fēng)量、全部二次風(fēng)門開度、煙氣含氧量、排煙溫度、NOx濃度、送風(fēng)機(jī)入口風(fēng)溫等。
由于本文分析的重點(diǎn)是運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和氮氧化物排放[16-17],所以參數(shù)的選擇側(cè)重于燃料、送引風(fēng)和給水控制。該機(jī)組冬季還承擔(dān)一定的供熱負(fù)荷,故機(jī)組負(fù)荷參數(shù)選擇主蒸汽流量(對(duì)于純凝機(jī)組,負(fù)荷自然選擇機(jī)組發(fā)電功率)。為了揭示不同季節(jié)(氣溫)條件下機(jī)組運(yùn)行性能的變化,選擇送風(fēng)機(jī)入口風(fēng)溫作為分析參數(shù)之一(取A、B送風(fēng)機(jī)入口風(fēng)溫的均值)。類似地,文獻(xiàn)[18]以不可控邊界條件機(jī)組負(fù)荷和環(huán)境溫度為對(duì)象,利用模糊聚類方法實(shí)現(xiàn)機(jī)組工況劃分,對(duì)可控參數(shù)進(jìn)行維度歸約,選取各工況下對(duì)機(jī)組能耗影響較大的運(yùn)行參數(shù),對(duì)比相同工況下的歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前運(yùn)行數(shù)據(jù),輸出較低能耗值對(duì)應(yīng)的運(yùn)行參數(shù),實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化和節(jié)能優(yōu)化分析。由于本文主要分析季節(jié)和負(fù)荷對(duì)鍋爐運(yùn)行性能的影響,經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)選擇相同負(fù)荷下的總煤量進(jìn)行比較;氮氧化物取機(jī)組FGD入口NOx在A、B側(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的均值。理想情況下應(yīng)該采集機(jī)組燃料分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),以比較機(jī)組標(biāo)煤消耗的情況,該機(jī)組目前正在實(shí)施煤質(zhì)在線檢測(cè)系統(tǒng),今后將具備分析比較標(biāo)煤耗的條件。需要特別說明的是,本文僅僅以DCS記錄的總煤量作為經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)的依據(jù),沒有考慮煤質(zhì)變化的影響,得到的結(jié)果將是在實(shí)際煤質(zhì)波動(dòng)條件下的平均煤質(zhì)下的經(jīng)濟(jì)性和排放水平的相對(duì)變化,并不是追求絕對(duì)精確的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)。
本文主要側(cè)重于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況的分析比較,一般大數(shù)據(jù)分析要區(qū)分穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況,挑選符合穩(wěn)態(tài)工況條件的時(shí)段的數(shù)據(jù)納入分析[18],而本文并沒有這樣做,理由是:選擇1 min甚至更長到3 min以內(nèi)的數(shù)據(jù)采集周期,就基本代表了穩(wěn)態(tài)變化趨勢(shì);盡管鍋爐系統(tǒng)輸入輸出參數(shù)動(dòng)態(tài)時(shí)間較長,可能超過本文選擇的采樣周期,但其影響僅限于變負(fù)荷情況下的數(shù)據(jù);還要說明一點(diǎn):升降負(fù)荷條件下,輸出參數(shù)對(duì)輸入條件變化的響應(yīng)趨勢(shì)基本是相反的,這兩個(gè)時(shí)段的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)之間存在某種相互補(bǔ)償?shù)膬?nèi)在特性,可部分抵消其對(duì)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況分析的影響(詳細(xì)論證需另文闡述)。本文給出的都是基于全部運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析結(jié)果,從給出的結(jié)果可以看出按不同負(fù)荷、不同氣溫分析的意義。
本文分析方法的特點(diǎn)是,同一時(shí)刻的全部運(yùn)行數(shù)據(jù)始終作為一個(gè)數(shù)據(jù)單元參與分析,本文定義其為一個(gè)數(shù)據(jù)包。理論上這個(gè)數(shù)據(jù)包可以包含機(jī)組在同一時(shí)刻的全部有記錄的運(yùn)行數(shù)據(jù),不造成額外的負(fù)擔(dān)。將全部運(yùn)行數(shù)據(jù)包根據(jù)不同的負(fù)荷(主蒸汽流量)和氣溫劃分不同運(yùn)行數(shù)據(jù)子集,每個(gè)子集內(nèi)的數(shù)據(jù)放在一起進(jìn)行分析;不同子集內(nèi)的數(shù)據(jù)互不影響。因此,不同數(shù)據(jù)包在時(shí)間坐標(biāo)下的先后順序?qū)⒆兊貌恢匾?,每個(gè)數(shù)據(jù)包被當(dāng)做一個(gè)獨(dú)立工況的數(shù)據(jù)在運(yùn)行數(shù)據(jù)子集內(nèi)進(jìn)行分析。
在不同負(fù)荷、不同氣溫的運(yùn)行數(shù)據(jù)子集中,先計(jì)算數(shù)據(jù)包中所有參數(shù)的平均值。在所劃分的不同負(fù)荷、不同氣溫的工況下,并不能保證全部子集都出現(xiàn)有效運(yùn)行數(shù)據(jù);此時(shí),將采用同一負(fù)荷下其他有效子集的平均值予以替代。最后,對(duì)不同負(fù)荷、不同氣溫的運(yùn)行數(shù)據(jù)子集內(nèi)的運(yùn)行參數(shù)平均值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行平滑濾波,一定程度上減小數(shù)據(jù)波動(dòng)的幅度。
所分析的數(shù)據(jù)為某電廠3號(hào)機(jī)組2019年5月至2020年3月的運(yùn)行數(shù)據(jù),每分鐘一個(gè)數(shù)據(jù)包,全部約332 000個(gè)采樣數(shù)據(jù)包。該機(jī)組主蒸汽流量分析范圍:1 000~2 000 t/h,每50 t/h分為一個(gè)負(fù)荷區(qū)間,共20個(gè)負(fù)荷區(qū)間;全年氣溫變化范圍:-4~36 ℃,每2 ℃一個(gè)氣溫區(qū)間,共20個(gè)氣溫區(qū)間。全部運(yùn)行數(shù)據(jù)共20×20=400個(gè)數(shù)據(jù)子集,代表不同負(fù)荷、不同氣溫下的全部運(yùn)行數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析步驟如下:
(1)將不同負(fù)荷、氣溫區(qū)間的數(shù)據(jù)包歸并在不同的數(shù)據(jù)子集中,運(yùn)行數(shù)據(jù)表示為:X(i,j,k,l),其中i代表劃分的負(fù)荷區(qū)間數(shù),i=1,2,3,…,M個(gè);j代表劃分的氣溫區(qū)間數(shù),j=1,2,3,…,N個(gè);k代表運(yùn)行參數(shù),k=1,2,3,…,K,本文為102個(gè),其中k=2代表總煤量,k=101代表NOx排放量;l代表該子集內(nèi)數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù),也即工況點(diǎn)個(gè)數(shù),l=1,2,3,…,L(i,j)個(gè),各個(gè)子集內(nèi)工況點(diǎn)個(gè)數(shù)是存在差異的。對(duì)本文分析的運(yùn)行數(shù)據(jù),M=N=20,K=102。
(2)由公式(1)計(jì)算各個(gè)負(fù)荷和氣溫區(qū)間各個(gè)運(yùn)行參數(shù)的均值
(1)
圖1所示全部運(yùn)行數(shù)據(jù)在全部負(fù)荷區(qū)間、氣溫區(qū)間的個(gè)數(shù)分布。由圖1可見,大部分?jǐn)?shù)據(jù)子集中的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)大于500。僅在低溫極限下的最高負(fù)荷、最低負(fù)荷區(qū)域,數(shù)據(jù)包較少,甚至個(gè)別子集中沒有有效數(shù)據(jù),采用了補(bǔ)缺加濾波的方法,以給出完整的分析結(jié)果。
圖1 全部運(yùn)行數(shù)據(jù)在全部負(fù)荷區(qū)間、氣溫區(qū)間的個(gè)數(shù)分布
圖2給出了平均總煤量隨氣溫(橫坐標(biāo))和負(fù)荷(縱坐標(biāo))的變化。本文的負(fù)荷水平用相同主蒸汽流量為基礎(chǔ)進(jìn)行比較。值得說明的是,相同主蒸汽流量下,主蒸汽壓力和溫度可能稍有不同,導(dǎo)致鍋爐出力并不相同。但由于這種差別較小,對(duì)整個(gè)負(fù)荷變化范圍內(nèi)的比較不產(chǎn)生顯著的影響,本文側(cè)重于宏觀變化的分析,故予以忽略。
圖2 平均總煤量隨氣溫(橫坐標(biāo))和負(fù)荷(縱坐標(biāo))的變化
圖2顯示,當(dāng)氣溫低于其年均值16 ℃時(shí),不同負(fù)荷下的總煤量在中高負(fù)荷區(qū)域變化不大;在中低負(fù)荷區(qū)域有一定變化。但是,當(dāng)氣溫高于16 ℃時(shí),特別是氣溫大于22 ℃時(shí),相同負(fù)荷下的總煤量比氣溫低于全年均值的條件下的總煤量明顯升高。相同負(fù)荷下高氣溫區(qū)間的平均總煤量比低溫區(qū)間高10%以上,有的甚至超過20%。圖3給出了該機(jī)組月均高位、低位發(fā)熱量和空干基灰分隨月均氣溫的變化。從圖3中可見,最高氣溫的三個(gè)月(2019年6~8月)期間煤質(zhì)發(fā)熱量比最高的水平低5%以上,空干基灰分也高出8%以上,空干基水分也相對(duì)偏高(數(shù)據(jù)未給出)。這會(huì)導(dǎo)致氣溫高的這3個(gè)月在相同負(fù)荷下的耗煤量明顯增加。但圖2所示高氣溫條件下總煤量在相同負(fù)荷下的過大增長,顯然并不完全是煤質(zhì)變差能夠很好解釋的。
圖3 月均高位、低位發(fā)熱量和空干基灰分隨月均氣溫變化
圖4所示平均氮氧化物排放隨氣溫和負(fù)荷的變化。圖中可見:在負(fù)荷中值(主蒸汽流量1 750 t/h)以下,隨氣溫上升,相同負(fù)荷下氮氧化物排放略有下降。在負(fù)荷中值以上,相同負(fù)荷下氮氧化物排放隨著氣溫的上升基本不變??傮w來看,該爐氮氧化物排放隨氣溫沒有明顯的變化,故不再予以分析。
圖4 平均氮氧化物排放隨氣溫和負(fù)荷的變化
煙氣氧量(a)和排煙溫度(b)隨負(fù)荷和氣溫的變化如圖5所示。首先,氣溫較高時(shí),在負(fù)荷較高的情況下,相同負(fù)荷下排煙溫度隨氣溫升高迅速升高,明顯高于氣溫較低條件下的排煙溫度。排煙溫度高,對(duì)應(yīng)鍋爐熱損失較大。圖5顯示,煙氣氧量并沒有顯示出隨氣溫升高而升高的趨勢(shì),而是相對(duì)平穩(wěn)。結(jié)合圖2總煤量隨負(fù)荷和氣溫的變化趨勢(shì),以及圖6總風(fēng)量(a)和A送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)動(dòng)葉閥位(b)隨負(fù)荷和氣溫的變化一起分析,推斷如下:相同負(fù)荷下,過大的風(fēng)量,相對(duì)于偏多的燃料量,可能處于恰當(dāng)風(fēng)煤配比的條件下,表現(xiàn)為煙氣氧量處于合適的水平,但實(shí)際上鍋爐消耗了過多的燃料,降低了經(jīng)濟(jì)性,這從排煙溫度上升體現(xiàn)出來。因此,單純地以追求最佳煙氣氧量水平就以為達(dá)到了優(yōu)化燃燒工況的認(rèn)識(shí)和實(shí)踐是片面的。
圖5 煙氣氧量(a)和排煙溫度(b)隨負(fù)荷和氣溫的變化
圖6給出了總風(fēng)量(a)和A送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)動(dòng)葉閥位(b)隨負(fù)荷和氣溫的變化。由該圖可見,氣溫升高后,特別是高于年均值溫度后,相同負(fù)荷下總風(fēng)量和A送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)動(dòng)葉閥位(A送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)動(dòng)葉閥位趨勢(shì)一樣)迅速升高。結(jié)合圖2總煤量隨負(fù)荷和氣溫的變化趨勢(shì)一起分析,可以發(fā)現(xiàn),相同負(fù)荷下,高于平均氣溫時(shí)段,總風(fēng)量和送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)動(dòng)葉閥位隨氣溫升高而過快升高將不利于運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。
值得指出的是,隨著氣溫升高,空氣密度下降,相同質(zhì)量流量的空氣的體積流量增加,即相同負(fù)荷下,總風(fēng)量(體積流量)自然會(huì)隨氣溫的升高而增加。但我們需要分析圖6顯示的增加幅度是不是因?yàn)榭諝饷芏认陆狄鸬恼T鲩L。從-4 ℃到36 ℃,根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程,空氣的密度降低到(273.15-4)/(273.15+36)=0.871,也就是降低13%左右。故相同空氣體積流量增加15%左右。2 000 t/h負(fù)荷條件下總風(fēng)量和總?cè)剂狭侩S氣溫變化曲線在圖7中給出。很明顯,圖中顯示總風(fēng)量和總?cè)剂狭渴瞧ヅ渥兓模幢3至溯^好的風(fēng)煤配比。但顯然,同樣鍋爐出力條件下燃料消耗的顯著差異,如果不是完全因?yàn)槊嘿|(zhì)變化的原因而引起,就可能揭示了運(yùn)行中的某些問題的存在。圖7可見,在氣溫2 ℃至12 ℃范圍區(qū)間,總?cè)剂狭肯鄬?duì)較低,假設(shè)這個(gè)溫度段處于運(yùn)行相對(duì)優(yōu)化的狀態(tài)。以該氣溫區(qū)間的平均總風(fēng)量作為基準(zhǔn),我們可以計(jì)算該風(fēng)量在氣溫變化后因?yàn)槊芏茸兓脑蚨a(chǎn)生的變化,稱為不同氣溫下理論空氣量。不同氣溫下實(shí)際總風(fēng)量與理論空氣量之差繪制于圖8中,圖8中還給出了總?cè)剂狭康那€??傦L(fēng)量實(shí)際值與理論空氣量之差與總?cè)剂狭恐g顯示了良好的正相關(guān)性,部分說明總風(fēng)量高于理想風(fēng)量是造成燃料量偏大、經(jīng)濟(jì)性下降的直接原因之一。
圖6 總風(fēng)量(a)和A送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)動(dòng)葉閥位
圖7 2 000 t/h負(fù)荷條件下總風(fēng)量和總?cè)剂狭侩S氣溫的變化
圖8 2 000 t/h負(fù)荷條件下總風(fēng)量實(shí)際值與理論值之差和總?cè)剂狭侩S氣溫的變化
結(jié)果表明,部分二次風(fēng)風(fēng)門要么基本處于關(guān)閉狀態(tài),要么隨氣溫呈現(xiàn)過大的變化。理論上,這些風(fēng)門從設(shè)計(jì)角度應(yīng)該是要起到一定作用,基本關(guān)閉的話,則不能發(fā)揮應(yīng)有的作用。但是風(fēng)門隨氣溫變化幅度過大,也不符合優(yōu)化運(yùn)行的要求。這也是下一步分析鍋爐運(yùn)行特性、優(yōu)化鍋爐運(yùn)行性能需要考慮的重要方面。
(1)氣溫低于年平均值的冬春季節(jié),不同負(fù)荷下的總?cè)剂狭吭谥懈哓?fù)荷區(qū)域變化不大;在中低負(fù)荷區(qū)域有一定變化。但是,當(dāng)氣溫高于年平均值的秋夏季節(jié),相同負(fù)荷下的總?cè)剂狭勘榷杭竟?jié)的總?cè)剂狭棵黠@升高。
(2)在負(fù)荷中值(主蒸汽流量1 750 t/h)以下,隨著氣溫的上升,相同負(fù)荷下的氮氧化物排放略有下降。在負(fù)荷中值以上,相同負(fù)荷下的氮氧化物排放隨著氣溫的上升基本不變??傮w來看,該爐氮氧化物排放隨氣溫變化不大。
(3)秋夏季節(jié)負(fù)荷較高的情況下,煙氣氧量處于合適的水平,風(fēng)煤配比恰當(dāng),但鍋爐消耗燃料明顯偏多,排煙溫度較高,對(duì)應(yīng)鍋爐熱損失較大。因此,單純地以追求最佳煙氣氧量水平就以為達(dá)到了優(yōu)化燃燒工況的認(rèn)識(shí)和實(shí)踐是片面的。
(4)氣溫較高的秋夏季節(jié),總風(fēng)量實(shí)際值與理論空氣量之差與總?cè)剂狭恐g顯示了良好的正相關(guān)性,部分說明總風(fēng)量明顯高于理想風(fēng)量是造成秋夏季節(jié)燃料量偏大的主要原因。
(5)部分二次風(fēng)風(fēng)門要么基本處于關(guān)閉狀態(tài),要么隨氣溫呈現(xiàn)過大的變化,這也是分析鍋爐運(yùn)行特性、優(yōu)化鍋爐運(yùn)行性能需要考慮的重要方面。