基于在線仿真節能優化系統研究與應用

尹少勇 吳景輝

[摘? ? 要]火電機組面臨煤質多變、負荷多變、煤價多變、氣候多變、人員變化等復雜環境，如何實現降本增效是發電廠面臨的重要問題之一。在線仿真技術可以對電廠設備實現仿真運行，使作業人員掌握設備特定、故障現象、運行特點，進而為設備操作以及節能減排等提供科學指導。基于此，文章主要對在線仿真節能優化系統及其應用進行研究。

[關鍵詞]節能優化;在線仿真技術;應用效果;在線尋優技術

[中圖分類號]TM76 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）01–00–02

Research and Application of Energy Saving Optimization

System Based on Online Simulation

Yin Shao-yong，Wu Jing-hui

[Abstract]Thermal power units are faced with complex environment such as variable coal quality， variable coal load， variable coal price， variable climate and variable personnel. How to reduce cost and increase efficiency is one of the important problems faced by power plants. On-line simulation technology can realize the simulation operation of power plant equipment， so that operators can master the specific equipment， fault phenomenon， operation characteristics， and thus provide scientific guidance for equipment operation， energy saving and emission reduction. Based on this， this paper mainly studies the on-line simulation energy saving optimization system and its application.

[Keywords]energy-saving optimization; Online simulation technology; Application effect; Online optimization techniques

目前國內傳統的提升機組運行水平的方式更多是通過耗差分析或者小指標競賽對標的方式激勵大家提升操作水平，但這種方式存在明顯的弊端，重要是對標基準問題，傳統的對標基準無法根據負荷變化而變化，因此基于此基準的對標與考核效果更多是流于形式，對運行分析的價值很有限。要想突破這一瓶頸，必須建立一套隨負荷變化而能夠動態適應的標桿庫，并以此為基準進行后續的分析與評價工作。本系統基于仿真控制信息三位一體平臺支撐，以在線仿真分析技術、自學習建模技術、工業大數據技術、可視化技術等算法為手段，建立一個歷史尋優、實時跟蹤運行、指導運行操作、評價運行水平、進行能耗診斷的綜合性優化分析平臺，實現百萬千瓦火電機組的安全、經濟運行。

1 在線仿真節能優化系統整體結構

在線仿真節能優化系統是秉承“科學用能、系統節能”的理念，以仿真、控制、信息與通信四位一體進行研究開發，建立全廠工業大數據平臺，實現全廠工藝控制系統、仿真和生產經營管理信息系統的數據共享;并在此基礎上以實時數據、在線仿真數據及豐富的歷史數據為依據進行在線分析與尋優，實現電力生產全過程的在線分析與指導、節能異常診斷、在線尋優及可視化、設備狀態分析、節能預警等多項技術創新，保障電廠的安全運行，提高電廠經濟效率，實現電廠的最佳效益。

如圖1所示，在線仿真節能優化系統應用分為技術數據層、中間管理層以及領導決策層。

（1）技術數據層。通過采集現場控制系統數據，基于在線仿真系統，利用實時/歷史共享平臺，實現對生產運行過程的在線優化分析，為生產運行和設備管理提供在線優化指導。具體功能包括實時在線仿真系統、節能優化系統、管理分析系統（包括經濟包、安全包和決策控制包）。

（2）中間管理層。通過精細化管理和現有應用系統的集成，實現電廠生產經營管理的信息化，業務流程的標準化和信息一體化。功能涵蓋電廠生產經營活動的各個方面。

（3）管理決策層。集成了電廠生產的實時與歷史數據、經營管理的實時與、歷史數據，建立管理層所需要的生產理、經營管理指標體系，通過對這些指標的統計、分析，實現實時管理、可視化管理，智慧管理的理念，為企業生產指揮、過程監控分析、經營決策提供有效幫助。

在線仿真節能優化系統整體結構分為3部分，分別是在線仿真系統、全工況節能優化系統以及管理優化決策系統。其中在線仿真系統是通過高精度仿真模型實時在線仿真，為節能優化和建模提供系統狀態的信息變量、修正因子等信息，為故障診斷及系統調試提供仿真平臺。全工況節能優化系統，是基于大數據挖掘和尋優技術，從海量的運行數據中尋找優秀經驗，作為標桿，從而建立一個實時運行跟蹤、指導運行操作、評價運行水平、進行能耗診斷的綜合性分析平臺。本系統根據負荷等條件建立不同的工況簇，從歷史數據中尋找不同工況簇對應的優秀值，從而根據現場實際條件動態匹配優秀值，從而建立一套更為客觀公正的對標評價體系，為節能降耗工作提供一個有力的平臺工具。管理優化決策系統是為實現電廠管理目標建立持續的技術支持平臺，系統全面貫徹“標準化、流程化、系統化、定量化”的精細管理思想，建立以設備“活臺帳”為核心的設備管理、圍繞成本全過程管理控制，功能覆蓋電廠生產經營管理各環節，通過全廠大數據平臺，實現仿真、熱力控制、信息與通信的有機結合，為電廠管理提供實時和多重分析數據，并以尋優及二次分析信息進行可視化處理，提供了全面的決策支持和管理方案，確保電廠生產經營全過程管理高效、合理、經濟。

2 在線仿真節能優化系統的技術支撐

2.1 在線仿真試驗床技術

在線試驗床是以在線跟蹤為基礎，根據客戶實際需要，保存當前跟蹤結果到試驗床試驗工況。此時仿真模型在線跟蹤自學習過程，設備特性更加接近實際，有關操作后相應參數的變化趨勢能夠反映實際生產過程。在試驗工況下可以進行各種試驗操作，用以研究不同的調節和參數對于生產的經濟指標、質量指標的影響，對于降低生產能耗有極強的指導意義，而不必在實際生產線上試驗，以避免潛在的風險。用戶可以根據需要隨時自行添加試驗內容，研究保證產品質量和降低生產能耗的方法，用以指導現場生產，產生更大的經濟效益。

2.2 實時歷史數據庫技術

實時歷史數據庫系統是一套擁有完全自主知識產權的工業實時數據庫，與其他商業實時數據庫的最大區別是，數據庫與四位一體支撐平臺是無縫融合在一起的，具有接口簡單、運行效率高等特點。實時歷史數據庫包括數據采集、數據存儲、數據處理、數據查詢、數據監視、數據校驗、數據支持、云平臺接口等功能。是各個應用系統統一的數據平臺，各個應用系統這個數據平臺共享數據。

2.3 在線尋優技術

在線尋優技術以在線仿真模型為基礎，從海量歷史數據中需找優秀工況，并以優秀工況為現場運行的對標標桿，并在此基礎上運用多種模型實現實時跟蹤、指導、診斷與評價工作。在線實時尋優需要大量的模型庫以支撐其海量實時的計算需要，事實證明，采用仿真模型為底層支撐的在線尋優技術完全能夠滿足電廠的功能要求。同時也在線仿真模型在尋優的關鍵步驟也提供了關鍵的支撐作用，比如當實際的尋優場景中沒有找到實際的工況時，可以根據需要調用仿真軟測量模型，補充一個預測值以補充空缺的工況值，而軟測量技術正是仿真技術中核心技術之一。在線尋優技術正是以在線仿真技術為支撐才有別于傳統的尋優技術。

3 在線仿真節能優化系統功能

3.1 遠程實時監控

本功能實現在線遠程監控實際機組DCS參數的功能。通過數采軟件將現場DCS及全廠輔助系統數據傳遞到實時數據庫中，調用在線仿真客戶端，通過同步模式顯示現場機組DCS數據。通過實時監控功能可以判斷實時工況是否穩定、仿真系統是否穩定。

3.2 在線仿真試驗床

在線試驗功能，是通過仿真模型代替真實機組進行試驗。在實現在線跟蹤仿真基礎上。通過現場工況5分鐘平均值來判定機組穩定狀態，仿真模型參數5min平均值與現場DCS值的誤差來判定仿真模型精度是否符合要求。在精度符合誤差要求后。通過在線試驗床，將當前工況切換到試驗模式，此時仿真模型不再接收現場指令，可以通過仿真客戶端，對機組進行相關試驗操作，并觀測模型計算結果，實現用仿真模型代替真實機組進行試驗操作，并分析本次試驗的效果。

3.3 機組仿真

機組仿真屬于常規離線培訓仿真。仿真機可連續、實時地仿真生產各工藝系統，根據具體的運行工況，計算機相應的機組運行參數，并使這些參數在操作員站DCS界面及就地界面中顯示出來。仿真機可實現從設備啟停到故障工況測試等全部操作，其反應與實際機組一致。

3.4 歷史尋優

歷史尋優是從海量歷史數據中尋找規律，建立模型，從而從更精細化的角度去指導運行，降低煤耗。歷史尋優是本系統的基礎，也是本系統的特色。歷史尋優的關鍵點是算法模型，好的模型能夠從海量數據中挖掘出優秀經驗，經得起現場的驗證，本系統的尋優模型是在集多年運行經驗的基礎上，結合大數據的特點而建立起來的。歷史尋優功能支持人工交互方式執行和自動執行兩種模式。2種模式下，對尋優的過程都支持透明化追溯。歷史尋優包括尋優控制臺管理、尋優推薦管理、尋優模型等環節組成。

3.5 管理分析與決策

通過發電廠控制系統數據、生產管理過程信息、經營管理分析信息的“縱向貫通”，實現了工業過程信息和管理業務信息的無縫融合，實現了發電廠生產、經營過程的可視化、可追溯性和全過程實時監控，為電廠生產運行管理人員提供功能強大，并具有廣闊擴展空間的在線診斷、分析、優化的平臺，為電廠管理者提供及時、定量的分析和決策支持。

4 在線仿真節能優化系統應用效果

節能優化是本系統中的核心，全工況節能優化系統是基于目前電廠運行中存在的問題，而從大數據的思路上進行的重要實踐，深入挖掘數據，尋找規律，逐步提升整體運行水平，帶動煤耗水平的逐步下降。某火電廠從2015年9月陸續投運以來，主要是通過對機組生產工藝系統實時尋優，反向指導生產，確保機組在相對最優工況下運行，從而避免各種因素對煤耗的影響，達到節約能耗的目的。如圖2所示，根據項目系統煤耗統計數據，2016年、2017年、2028年三年發電煤耗同比上一年分別下降5.34 g/kW·h、3.38 g/kW·h、1.53 g/kW·h;剔除當年技改、計劃檢修等有利煤耗下降因素，通過本項目系統的開發應用，經測算，在2016年、2017年、2018年三年間，煤耗下分別約0.9 g/kW·h、0.4 g/kW·h、0.1 g/kW·h。特別是高負荷段的節能效果更為明顯，同時公司的整體管理水平、運行水平均有不同程度的提升。

5 結語

當今百萬級超超臨界機組在選型和設計上節能效果已較優，技術改造上節能空間較小，為進一步提高機組安全性、經濟性，達到精細管理、精確控制目的，本項目為電力發電企業的管理優化、節能降耗、安全運行提供了一條全新的技術路線，實踐了一條全新的、具有很大發展空間的技術方向。

參考文獻

[1] 曹旦.中央空調系統仿真與節能優化[D].上海：東華大學， 2016.