火力發電廠在線水平衡監測系統研發

摘要：在線水平衡監測系統作為智慧電廠發展的一項重要技術，旨在實時監測和評估水資源的使用情況。鑒于此，采用電廠現有分散控制系統（DCS）及廠級監控信息系統（SIS），通過數據通信在智能平臺實時獲取發電廠的負荷、水流量、液位等關鍵參數，結合計算機模擬與數據分析，實現全廠水資源的實時分析和反饋。該研究的創新點在于結合了先進的水量輔助監測技術與智能算法，通過數據的實時智能分析與反饋，在線水平衡監測系統能顯著提高用水安全性。

關鍵詞：智慧電廠；水平衡；漏失水量；水量平衡

中圖分類號：TM621" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）03-0013-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.03.004.

0" " 引言

火力發電廠是用水大戶，電廠水務管理的規劃設計要求就是要合理解決水資源利用和環境保護兩方面的問題。如何節約用水，減少外排廢水量或實現零排放，已成為電廠水務管理工作的主要目標和任務。

目前，多數火力發電廠水務管理模式中存在各種問題。火電廠節約用水改造及管理通常通過導則引導、電廠之間互相借鑒、廠商介紹等方式進行，由于缺少對全廠水資源使用的實時科學分析，用水端比較分散，缺少實時監測智能系統，全廠水量的產生及消耗分布情況無法準確掌握及追蹤，對于用水狀態不能實時科學反饋，容易出現不明泄漏量過大造成損失或水量過剩而產生溢流浪費等現象。電廠為此也依據DL/T 606.5—2009《火力發電廠能量平衡導則 第5部分：水平衡試驗》不定期開展水平衡試驗[1]，但受制于機組負荷的不確定性及試驗工作的時限性，無法完全準確并實時反映全廠用水情況。針對以上各種不利因素，本文展開了相關研究，以期在現有技術條件下，研究一套火力發電廠在線水平衡監測系統，可實時動態監測全廠用水情況，及時發現水系統異常，達到安全用水目標，同時也能為優化用水節能改造方向提供大量科學數據。

1" " 系統構架

1.1" " 總體設計

目前，國內火力發電廠基本配備了全廠DCS及SIS系統[2]，SIS系統從DCS實時采集機組運行參數，新增智能系統通過通信單元從SIS系統獲取所需監測數據（如機組負荷、各在線流量測點、容器水位測點等），將需要的參數傳送至服務器儲存并進行處理。服務器對通信單元傳送過來的數據進行初步處理，并將處理好的數據傳送至智能數據平臺，智能數據平臺對數據進行整體分析、性能計算和數據可視化展示等[3]。

1.2" " 全廠各類水系統智能控制結構

全廠水平衡系統分原水供水端、產水端處理系統、調蓄端系統、用水端等四大類功能系統，智能監測策略架構圖如圖1所示。

在線水平衡監測系統主要工作任務是根據用水需求的變化，按照各系統用水工藝邏輯，通過建成的算法模型，實時計算供水端、產水端、調蓄端的主要參數調節數值，并將這些數值反饋給運行人員，運行人員依據提示進行調整操作，同時建立全廠水平衡評價體系，針對各子系統及全系統進行性能計算，動態監測各性能值，利用工藝態勢感知進行預測分析。

1.3" " 各類水務系統概述和控制策略

1.3.1" " 用水端系統

1）生產用水：主要目的是根據控制目標，調節生產用水系統的用水方式，主要包括化學制水系統用水、冷卻水系統用水、除鹽水系統用水、工業水系統用水、循環水系統用水、脫硫系統用水。用水方式的調節包括用水頻次、用水持續時間及用水流量等方面。

2）生活用水：主要目的是根據控制目標，調節生活用水系統的用水方式，主要包括用水頻次、用水持續時間及用水流量。

3）將用水系統用水方式匯總后，確定用水系統總需求，將上述數據反饋給各工藝系統用水端執行。

1.3.2" " 調蓄端系統

1）根據調蓄系統控制目標，設定水池、水箱進出口閥門開度。2）根據調蓄系統控制目標，設定水池出口水泵的轉速變化值。

1.3.3" " 產水端系統

根據控制目標及水量數據反饋值，確定產水系統水處理設備運行臺數、運行負荷及運行時間。

1.3.4" " 原水供水端系統

根據控制目標及產水系統反饋的匯總產水量數據值，確定補給水泵運行臺數及轉速。

2" " 模塊設計

2.1" " 工藝態勢感知

本系統使用基于模型的預測控制理論（MPC），又叫模型預測控制，是目前應用較廣泛的先進控制策略。該模型的特點是控制策略不是一次離線進行，而是反復在線進行的，即所謂“滾動優化模型預測”。本研究采用多步預測控制律，選用含有對控制量加權的二次型性能指標，控制的優化是基于每一時段的反饋信息。所以，模型預測控制是一種建立在反饋信息基礎上的反復決策過程。

通過“工藝分析模型—大數據預測模型—現場診斷分析模型”的三維驅動，將水系統運行基于機組負荷、季節變化、漏失補償運行、設備輪換等統籌考慮，指引運行人員進行更加安全經濟的設備運行操作。

2.2" " 綜合智能報警與故障診斷

1）滋擾報警抑制：大幅降低滋擾報警數量，幫助運行人員聚焦重要報警信息。

2）報警溯源分析：將專業知識和豐富經驗等表達、固化為代碼形式的邏輯故障知識庫。當推理機啟動，依靠知識庫、歷史數據記錄進行故障樹專家推理分析，為后續自動識別故障類型，快速定位初始原因及演變過程等功能搭建提供依據，利用工藝系統專業知識形成故障模型，并組織成邏輯故障知識庫。對非偶發性故障，自動推理出報警根源。

3）智能預警：通過機器學習方法確定實際參數的控制限，形成范圍警戒線，對測點進行動態預警。目前火電廠DCS及SIS系統普遍使用高低限值進行預警，而現實情況是隨著工況的改變，每個運行參數都會變化，而變化的范圍需要通過長期的數據累計或運行人員經驗進行判斷，所以簡單地通過高低限值判斷參數是否正常的方式存在一定的不合理及不科學之處。現階段，火電機組智能預警普遍采用基于人工智能的大數據分析技術，如分類、聚類、回歸分析等。MSET（多元狀態估計技術）是智能算法中頗具代表性的先進模式識別技術，主要對設備的正常狀態進行學習，分析當前狀態與歷史正常狀態的相似程度，并對當前狀態進行估計，而當前實際狀態與估計狀態之間的差異隱含著設備的異常信息。機組正常運行時，實時觀測向量與歷史記憶矩陣中的某些向量相似度較高，即估計向量與實時觀測向量之間的歐氏距離較小；出現異常時，實時觀測向量與歷史記憶矩陣中的所有向量相似度均很低，即估計向量與實時觀測向量之間的歐氏距離相對較大。

2.3" " 性能計算

2.3.1" " 各子系統性能參數

通過預設公式選擇時間段自動生成各子系統以下參數統計表格：1）輸入水量：包括新水量、回用水量、循環水量、串聯水量。2）輸出水量：包括回用水量、循環水量、串聯水量、消耗水量、排水量、漏失水量。

2.3.2" " 全廠性能參數

根據各子系統性能參數，自動生成如表1所示表格，并自動根據設定公式計算平衡差水量。

2.3.3" " 全廠用水評價及分析

自動生成選擇時間段內以下內容：1）全廠取水情況、排水情況；2）耗水情況及餅圖；3）主要用水評價指標：包括水量不平衡率、單位發電量、取水量、鍋爐補水率、冷卻水循環率、全廠用水重復利用率[4]。

2.4" " 組態化展示

組態化展示包含全廠動態水平衡圖（圖2）及各子系統動態水平衡圖，通過設定時長定期進行統計。公用系統部分水量統計采用大數據統計均分，即公用系統的瞬時使用水量不直接計算成結果，而是通過累計大量運行數據，借鑒歷史數據及當前負荷、統計時長進行統籌計算。

3" " 水量平衡測試方法

3.1" " 火電廠水量通用測試方法

水量的計算主要采用在線流量計進行，不具備在線流量儀表的水量計算采用容積法；既沒有在線流量計，也不適用容積法的水量統計采用估算法，比如取樣系統水量損失、蒸發損失、石膏帶出液、各種沖洗水等。當然，通過定期分析渣含水率、石膏含水率等可使估算方法更接近真實值[5]。

3.2" " 基于大數據分析的水量計算方法

火電廠是一個復雜的系統，通用的水量計算方法往往無法準確反映真實的情況，典型的如公用系統的用水情況，電廠公用系統的間斷性運行及異常情況造成水平衡試驗及在線水平衡監測統計困難。而在線水平衡監測系統內置了一個基于大數據分析的水量計算方法，通過累計大量的運行數據，采取線性回歸算法、殘差平方和評估算法，可建立水量的線性方程，計算出符合當前機組負荷的水量。該計算方法也可應用于冷卻塔循環水系統蒸發量統計，減少人為估算環節。

4" " 總結及展望

4.1" " 系統實例應用效果

本課題以發電廠水量平衡在線監測技術為研發對象，建立了全廠水量平衡監測與全廠水系統的動態聯系，滿足了用水安全及節能數據需求，實現了火力發電廠的智能運行，減輕了運行人員的勞動強度；同時，終結了電廠水系統管理的分散、無序狀態，提升了全廠水系統的智能化管理水平，也為更科學地完成廢水零排放的終極目標提供了數據及技術支撐。

4.2" " 在線水平衡監測系統進一步的開發方向

在線水平衡監測系統目前無法完成與電廠水系統的閉環控制，主要受限于數據安全及水系統本身的智能化程度。隨著國內工業智能化水平的提高，電廠水系統可逐步實現智能化運行，同時解決智能化平臺數據與DCS系統融合問題，最大化發揮智能平臺的作用，真正完成智能化閉環控制。

[參考文獻]

[1] 劉太陽，吳章清.燃煤火電廠水平衡測試與節水評價研究[J].能源與節能，2023（2）：86-89.

[2] 田營.電廠水平衡監視指導系統的開發與應用[J].電力設備管理，2020（12）：85-86.

[3] 華偉.基于傳統火電廠構建智慧電廠的架構體系研究[J].電氣開關，2022，60（1）：60-62.

[4] 曹榮，王仁雷，衡世權，等.大型火電廠全廠水平衡試驗與深度優化用水分析[J].能源與節能，2022（12）：43-45.

[5] 劉廣建，岳鳳站，周碩，等.燃煤電廠水平衡模型與節水分析[J].中國電力，2022，55（4）：221-228.

收稿日期：2024-10-09

作者簡介：魏元韶（1992—），男，廣東韶關人，電力運行工程師，主要從事環保化學專業管理工作。