火力發(fā)電廠性能計(jì)算與能損分析的研究與實(shí)現(xiàn)

國能雙鴨山發(fā)電有限公司 梁日平

近年來，因?yàn)閲矣?jì)劃經(jīng)濟(jì)體制和技術(shù)創(chuàng)新的因素，很多工廠都比較注重安全生產(chǎn)和發(fā)電量管理，而忽略了提高經(jīng)濟(jì)效益。隨著電力工業(yè)改革的深化，用電供需矛盾的逐步緩解，用電社會(huì)主義市場(chǎng)化的制度也將逐步建立，廠網(wǎng)分開、競(jìng)爭(zhēng)上網(wǎng)已成大趨勢(shì)，在這種趨勢(shì)下，降低發(fā)電成本、提高經(jīng)濟(jì)性將成為發(fā)電廠的迫切需求。雖然發(fā)電中的煤炭消耗也是影響舊發(fā)電機(jī)成本的主要因素之一，且已成為大量現(xiàn)有舊發(fā)電機(jī)的主要成本因素。此外，由于缺乏必要的計(jì)量和統(tǒng)計(jì)手段，我國大部分200MW 以下機(jī)組無法有效、準(zhǔn)確地計(jì)算煤耗和經(jīng)濟(jì)效益，存在一定的盲目性，很難按照機(jī)組的經(jīng)濟(jì)情況指導(dǎo)進(jìn)行作業(yè)以及安裝保養(yǎng)和檢修。

發(fā)電機(jī)的特性統(tǒng)計(jì)與能損分析方法，是為了解決火電機(jī)組正常運(yùn)行中的經(jīng)濟(jì)效益參數(shù)計(jì)算問題，即明確各項(xiàng)運(yùn)行條件與部件特性對(duì)發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益的影響問題，以便揭示發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)情況，并提出造成經(jīng)濟(jì)效益顯著下降的各種因素，為發(fā)電機(jī)的安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了參考統(tǒng)計(jì)資料與決策依據(jù)。在此方面，中國國內(nèi)學(xué)者已作了大量的工作。在以往研究基礎(chǔ)上，本文將結(jié)合科學(xué)研究與開發(fā)過程中的經(jīng)歷與心得，重點(diǎn)研究了發(fā)電廠性能計(jì)量與能損分析中的基準(zhǔn)值選擇，以及濕蒸焓數(shù)值確定等若干特殊問題，并介紹了在線能損分析軟件系統(tǒng)的基本架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)問題。

1 我國火力發(fā)電現(xiàn)狀

近年來，中國一直都在大力發(fā)展水電資源、核能、風(fēng)電和太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，相關(guān)設(shè)施的融資額動(dòng)輒都是世界最高。使得清潔燃料的占比得到了很大提高，但是因?yàn)橹袊?dāng)前的能源格局中“煤炭占比太大”，導(dǎo)致了我國的火力發(fā)電量仍然占有主導(dǎo)作用。而隨著中國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的蓬勃發(fā)展，對(duì)水力發(fā)電技術(shù)的要求也在日益提高，使得中國火電的總發(fā)電量一直都在持續(xù)攀升，根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，2020年我國的火力發(fā)電總量將為52798.7億kWh，同比增長2.2%。

根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的2020年水力發(fā)電量報(bào)告為例，中國全社會(huì)實(shí)現(xiàn)的總水力發(fā)電量約為7.42萬億kWh，同比增加了2.7%。同時(shí)，以生物燃料水力發(fā)電為首的火力發(fā)電總額已高達(dá)5.28萬億kWh，約占國內(nèi)水力發(fā)電量比重的71.19%。從國內(nèi)情況分析，在短期內(nèi)中國的水力發(fā)電類型中生物火力發(fā)電比重可能進(jìn)一步降低，但預(yù)計(jì)仍是最主要的。

2 火電發(fā)電廠性能計(jì)算與能損分析的功能概述

發(fā)電機(jī)性能計(jì)量及能損分析的任務(wù)是，確認(rèn)發(fā)電機(jī)主、輔設(shè)備及其熱能管理系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的熱經(jīng)濟(jì)狀態(tài)，并定性和定量分析不同工作方法、運(yùn)行參數(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益的影響程度，包括其管理系統(tǒng)的節(jié)約潛力。總的來講，一種合理的性能估計(jì)與能損分析系統(tǒng)，應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)的功能。

（1）算出當(dāng)前電廠的機(jī)組總熱耗量和全廠標(biāo)準(zhǔn)煤耗量等數(shù)值。對(duì)正在工作的電廠，可根據(jù)工作流程中測(cè)定的數(shù)值，計(jì)算出實(shí)際工作的熱經(jīng)濟(jì)性。

（2）找出可控?fù)p失項(xiàng)目，并給出這些損失對(duì)發(fā)電廠經(jīng)濟(jì)效益的直接影響，以便于為考核和提高工作管理水平提供理論指導(dǎo)。

（3）指出經(jīng)濟(jì)性能較低下的裝置，可以獲得早期故障預(yù)測(cè)。通過將熱力設(shè)備的實(shí)際工作數(shù)據(jù)，與其在正常、健康工作條件下的應(yīng)有數(shù)值加以對(duì)比與分析，就能夠確定出本裝置的工作正常程度，從而掌握由該裝置特性改變所引起的熱機(jī)組經(jīng)濟(jì)特性改變的具體方向與幅度。

（4）給出在各種工作條件下全廠的經(jīng)濟(jì)效益比較，為檢修人員決策提供了重要依據(jù)。因此，當(dāng)工作中某臺(tái)回?zé)峒訜崞鞒霈F(xiàn)故障時(shí)，發(fā)電廠應(yīng)對(duì)的主要選擇方法是把該加熱器切斷后繼續(xù)工作至下一個(gè)檢修期或者及時(shí)停止大修呢?在確保安全工作正常的前提下，此問題的本質(zhì)實(shí)際是經(jīng)濟(jì)性的比較問題，而判斷的基礎(chǔ)就應(yīng)該是選擇哪種方式選擇最終的經(jīng)濟(jì)效益較好。

事實(shí)上，目前國內(nèi)外已有的能損分析系統(tǒng)大多限于此二種功能類型。例如對(duì)獲得早期故障預(yù)警信息的功能來說，由于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備是一種部件間高度交叉耦合的系統(tǒng)，牽一發(fā)而動(dòng)全身，要辨識(shí)出單個(gè)的直接影響或某部分特征發(fā)生變化的因素是非常不方便的。再次，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)組正處于持續(xù)的載荷變動(dòng)過程中，在任何工況下作為比較基礎(chǔ)的健康工況的參數(shù)值和選擇原則都必須經(jīng)過仔細(xì)研究判斷。又例如，要做出在不同行條件下對(duì)全廠的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較時(shí)，定性評(píng)價(jià)也是可以的，但定性計(jì)算時(shí)必須給出包括煤價(jià)、電費(fèi)、機(jī)械設(shè)備和人力耗費(fèi)、檢修周期等詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)值，而且實(shí)踐中進(jìn)行起來還必須經(jīng)過多方的協(xié)調(diào)，因此難度很大。雖然已有上述問題出現(xiàn)，但這更表明了還有許多的基礎(chǔ)理論問題和實(shí)際研究要作。有理由認(rèn)為，經(jīng)過全體技術(shù)人員和發(fā)電廠科研人員的不懈努力，研制并發(fā)展出全方位、深層次的發(fā)電機(jī)技術(shù)特性計(jì)算和能損評(píng)估的新理論與體系，是指日可待的。

3 實(shí)時(shí)能損分析的原理及算法探討

3.1 能損分析中應(yīng)達(dá)值的確定方法

在實(shí)際實(shí)踐中，發(fā)電機(jī)組絕對(duì)的最佳狀態(tài)往往是很難確認(rèn)的。這一方面是因?yàn)殡S著服役期限的增長，發(fā)電機(jī)組和部件的特性都處于不斷的改變過程中；而另一方面，又是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)組的工作狀態(tài)并不惟一，雖然可以在額定載荷下正常工作，但更多的狀況下是在變載荷狀況下工作。所以由于不同運(yùn)動(dòng)技術(shù)參數(shù)的應(yīng)達(dá)值都并不惟一，就很難確認(rèn)其絕對(duì)值的最好值。所以更為現(xiàn)實(shí)的辦法就是，選擇“實(shí)際達(dá)到最好值”這個(gè)應(yīng)達(dá)值，即現(xiàn)實(shí)工作中已經(jīng)取得的、甚至是在熱力實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)過精心調(diào)整后獲得的與發(fā)電機(jī)組最好性能相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)技術(shù)參數(shù)。實(shí)踐運(yùn)用中，可以采用對(duì)多種典型的負(fù)荷工況進(jìn)行多次試驗(yàn)與調(diào)整，得到在各種工況下的應(yīng)達(dá)數(shù)值當(dāng)然是最可信、最正確的辦法，但在技術(shù)條件與經(jīng)費(fèi)狀況不許可的狀況下，還可以選擇某些替代的辦法。

3.1.1 采用了制造廠提交的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

比如主蒸發(fā)水溫、鍋爐排煙溫度、機(jī)械的不完全燃燒損失、鍋爐排煙溫度、排煙熱量損失氧含量、再加熱蒸汽溫度、以及各級(jí)回火加熱器之間的端差等等，所有參數(shù)都是有個(gè)確定的方向，越高越好，或者越低越好，但受限于機(jī)組的技術(shù)特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)參數(shù)所代表的都是要求機(jī)組達(dá)到的一般特性。

3.1.2 采用變工況模型優(yōu)化算法所得出的優(yōu)化值

還有主蒸氣壓、再熱蒸氣壓、真空預(yù)器溫度、給水溫度、排汽壓力等。上述參數(shù)的最優(yōu)預(yù)測(cè)值都是隨著發(fā)電機(jī)組負(fù)載狀況的改變而發(fā)生變化的，所以必須針對(duì)當(dāng)前實(shí)際工況條件，通過變工作模式加以綜合優(yōu)化運(yùn)算求得應(yīng)達(dá)值。當(dāng)然，變工作模式也必須根據(jù)大量的實(shí)際運(yùn)營數(shù)據(jù)調(diào)整，以確保其真實(shí)反應(yīng)發(fā)電的機(jī)組特性。

3.1.3 參考機(jī)組熱力試驗(yàn)結(jié)果

長時(shí)間工作的發(fā)電機(jī)組，隨著性能的漸變，實(shí)際最佳工況可以嚴(yán)重背離原始設(shè)定數(shù)值，所以在確定應(yīng)達(dá)值時(shí)，必須盡量依據(jù)最近一次的熱力測(cè)試實(shí)測(cè)結(jié)果。

3.2 以實(shí)際行駛工況為基礎(chǔ)的誤差分析

到目前為止，本文中已探討到了兩種工況，一是機(jī)組的實(shí)際工況，一是實(shí)際工況所對(duì)應(yīng)的理想工況。但對(duì)每一種影響效果的運(yùn)行參數(shù)而言，假若理想工況已知，則誤差分析也可這么簡單實(shí)現(xiàn):簡單地以理想工況對(duì)應(yīng)的期望值為參考點(diǎn)，然后根據(jù)該參考點(diǎn)，用一定的方法估算單位參數(shù)變化引起的單位效率和碳消耗的變化值，然后逐漸乘以單位的參數(shù)變化值，可以通過參數(shù)單位偏離勞動(dòng)效率或煤耗的預(yù)期值變化規(guī)律來實(shí)現(xiàn)。目前，中國國內(nèi)外現(xiàn)有的能損分析系統(tǒng)也大多使用了這個(gè)方法，而理想工況的數(shù)值都是采用變工況模型統(tǒng)計(jì)后得出結(jié)果的[1]。

但是，必須說明的是，這些方式可行是有前提的。第一，所選用的理想工況應(yīng)當(dāng)和現(xiàn)實(shí)工況存在相似性。通常，可有定流量和定功率二個(gè)假設(shè)。但在實(shí)踐中，這二個(gè)假設(shè)都有引起爭(zhēng)論的地方。比如，當(dāng)使用定流量假設(shè)時(shí)，由于理想工況與現(xiàn)實(shí)工況的功率均不相同，因此新汽參數(shù)與排汽參數(shù)也不一樣，各抽汽口的溫度也均不一樣，兩者能否存在可比性?而在使用定功率假設(shè)時(shí)，又因?yàn)檫M(jìn)汽流量不相同，因此機(jī)組內(nèi)各部分的性能與定流量差異也是有區(qū)別的，所以就具有了一定的不可比性。筆者以為，由于發(fā)電煤耗量是根據(jù)相對(duì)負(fù)載大小來說的，所以相對(duì)來說，采用定功率假定更合適一點(diǎn)。其次，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)組負(fù)載處于持續(xù)的變動(dòng)過程中，所以任意負(fù)載對(duì)應(yīng)的理想工況都可以通過將有限的或幾個(gè)已設(shè)定的理想工況都通過變工況計(jì)算得到，所以上述方案有效的另一前提就是在整個(gè)工況區(qū)域內(nèi)，改變的工況模式應(yīng)當(dāng)正確、可信，且機(jī)組變工況特性隨時(shí)間的變化能夠忽略或改變。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)也并非完全不可能的事，但無疑必須耗費(fèi)大量的時(shí)間，并累積了足夠的運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)變工況模擬進(jìn)行了多次試驗(yàn)與考核。

針對(duì)以理想工作為基礎(chǔ)的分析方法的困難度與不確定性問題，本章中提出了以實(shí)際工作為基礎(chǔ)的偏差分析方法。其思路是以反應(yīng)發(fā)電機(jī)組實(shí)際特性的當(dāng)前工作為比較基礎(chǔ)，把各種值得進(jìn)行分析的技術(shù)參數(shù)從當(dāng)前值中獨(dú)立調(diào)整至理想應(yīng)達(dá)數(shù)，將因此獲得的發(fā)電機(jī)組特性的改善視為由于該技術(shù)參數(shù)不理想所引起的效能及煤耗損失。此方案的好處起碼有二條，其一是發(fā)電機(jī)組的特性并不“丟失”，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)組實(shí)際上便是我們的變工作模式;其二是減少了對(duì)變工作模式的依賴性，也減少了因?yàn)樽児ぷ鹘２徽_而可能產(chǎn)生的偏差。如果說前一個(gè)辦法著重于解析系統(tǒng)因設(shè)計(jì)參數(shù)偏差理想而產(chǎn)生的“能損”，則后一個(gè)辦法的著眼點(diǎn)是解析如果對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)加以有效優(yōu)化時(shí)的“節(jié)能潛力”。

3.3 合理使用了溫度壓力試驗(yàn)

修正曲線熱電廠，在檢修后所開展的汽輪機(jī)熱力特性測(cè)試中，繪制了主汽流量—主汽壓力—輸出功率的關(guān)系曲線和主汽流量—主汽溫度—輸出功率的關(guān)系曲線。由于上述曲線在特定時(shí)間內(nèi)很好地反應(yīng)了機(jī)組的熱力特性，當(dāng)分析主蒸氣壓、主蒸氣溫度溫和排汽最大真空度值誤差所帶來的能量損失時(shí)，就能夠直接使用這些曲線擬合方程組，從而求解這些誤差值所帶來的總體效能變動(dòng)，以及因此產(chǎn)生的煤耗量變動(dòng)。這既增加了計(jì)算的正確性，也減少了復(fù)雜的電腦程序工作。應(yīng)該說明的是，因?yàn)檫@些曲線都是實(shí)際中獲取的，而且已經(jīng)綜合了在主要參數(shù)改變后產(chǎn)生的其他參數(shù)改變所產(chǎn)生的能損，所以該方案雖然并不等同于等效焓減法，不過由于二者運(yùn)算的出發(fā)點(diǎn)是一致的，所以計(jì)算結(jié)果仍存在矛盾可靠性[2]。

3.4 義務(wù)不變的先決條件

目前中國國內(nèi)外仍保留著不少母管控發(fā)電機(jī)組。但實(shí)行母管控之后，熱能控制系統(tǒng)相比于單元控制機(jī)變得復(fù)雜了很多:除氧器中所加熱溫度的補(bǔ)給水源來自于母管中，但在升溫后又再回到了母管，之后才再加以分配;而供熱抽汽系統(tǒng)則是水首先送入母管中，混勻后再輸送。母管控下的各臺(tái)發(fā)電機(jī)組之間是相互作用的，從汽輪機(jī)中提取的熱蒸汽，不僅只為自身的給水系統(tǒng)加溫，而且還為其他發(fā)電機(jī)組做出了貢獻(xiàn)。為使加熱器補(bǔ)給水的熱耗和供熱熱耗合理地分?jǐn)偨o各臺(tái)汽輪機(jī)，以便于最后確認(rèn)每一個(gè)汽輪機(jī)的最大溫耗，在估計(jì)溫度力特性和進(jìn)行能損分析之時(shí)，本章還引入了權(quán)責(zé)恒定的假設(shè)，即對(duì)連在母管上的每一個(gè)汽輪機(jī)組件，他們?cè)谕馑?fù)有的權(quán)責(zé)都是恒定的，必須保持輸出功率為相應(yīng)的最大功率，并供應(yīng)相應(yīng)的熱能。在此原則下實(shí)現(xiàn)了熱力系統(tǒng)的流量估計(jì)、熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)量和能損分析，使原來復(fù)雜的熱力控制系統(tǒng)變得更加清晰明確起來。

4 在線能損分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

就中國目前及國內(nèi)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方向而言，對(duì)機(jī)組的在線經(jīng)濟(jì)特性分析已成為了支持電站運(yùn)營管理的必備軟件。由于當(dāng)前不少電廠的計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都僅停留在監(jiān)視功能上，系統(tǒng)的計(jì)算能力還不能發(fā)揮，因此文中給出了與電廠現(xiàn)有電腦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合的“外掛式”能損分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并基于這一構(gòu)想研制了實(shí)際運(yùn)用于一百M(fèi)W 發(fā)電機(jī)組上的能損分析與控制系統(tǒng)。能損分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入可選擇為二種方法。一種方法是將從現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶋H收集的數(shù)據(jù)在直接輸入電廠數(shù)據(jù)庫中的同時(shí)，將相應(yīng)部件直接發(fā)送至能量損失分析系統(tǒng)；另一種方法是從發(fā)電廠的數(shù)據(jù)系統(tǒng)讀取所有輸入數(shù)據(jù)。在這兩種方法中，計(jì)算過程所需的所有場(chǎng)外實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)都從數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中檢索。一旦對(duì)所有輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理、計(jì)算和評(píng)估，能量損失分析的計(jì)算結(jié)果將發(fā)送到發(fā)電廠的存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)庫。計(jì)算結(jié)果的發(fā)布、顯示和報(bào)告制作全部通過電廠數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一完成，以保證標(biāo)準(zhǔn)和格式的統(tǒng)一。很顯然，這個(gè)“外掛式”結(jié)構(gòu)并不會(huì)影響電站原有體系的正常安全運(yùn)轉(zhuǎn)，且簡便易行。程序系統(tǒng)實(shí)行了開放性、模塊化的設(shè)計(jì)，脈絡(luò)清晰，能夠在工作流程中進(jìn)一步擴(kuò)大和豐富程序的功用，以適應(yīng)發(fā)電廠運(yùn)營管理工作的新要求。

5 結(jié)語

綜上所述，能損分析系統(tǒng)能夠判斷火發(fā)電機(jī)設(shè)備和熱能系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的熱經(jīng)濟(jì)情況，并定量分析不同運(yùn)轉(zhuǎn)方式、運(yùn)行參數(shù)對(duì)火發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益的影響程度，及其系統(tǒng)的節(jié)約能力。使用實(shí)時(shí)式能損分析系統(tǒng)是現(xiàn)代電廠改善運(yùn)營管理水平的關(guān)鍵舉措，而與計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)相結(jié)合的外掛式能損分析系統(tǒng)則是對(duì)電廠進(jìn)行實(shí)際能損分析的最簡單而安全有效的方式。在使用偏差分析方法分析火電廠熱能系統(tǒng)的實(shí)際能損情況時(shí)，必須綜合使用以上各種方式判斷影響火發(fā)電機(jī)組效益的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)的相對(duì)應(yīng)達(dá)值;在測(cè)算參數(shù)誤差對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的影響程度時(shí)，選用當(dāng)前實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)工況作為測(cè)算的基礎(chǔ)，就可以最好地反應(yīng)火發(fā)電機(jī)組的實(shí)際狀況;在計(jì)算排汽干度時(shí)，通過改進(jìn)計(jì)算求解方法能夠更準(zhǔn)確地模擬發(fā)電機(jī)組的實(shí)際狀況。在對(duì)母管制機(jī)組進(jìn)行能損分析時(shí)，必須堅(jiān)持義務(wù)不變的準(zhǔn)則。而根據(jù)上述方案研制的適用于100MW 發(fā)電機(jī)組的能損分析控制系統(tǒng)，可以適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐的要求。