火電廠優化軟件的應用及遠景

國外火電廠優化軟件情況
　　從80年代開始，隨著計算機技術和控制理論不斷發展，國外火電廠優化軟件逐步開始應用，經多年試驗、使用、總結和完善，很多軟件包已比較成熟，經濟效益明顯。90年代，計算機硬、軟件發展及更新速度加快，不僅人機界面友好，系統互換性增強，而且隨著數據庫功能不斷完善和開發，各種高級應用軟件層出不窮。尤其是近幾年，企業治理信息系統(MIS)和企業資源計劃(ERP)系統的普遍應用，使得應用于火電廠的優化治理軟件有了很大發展和更多應用。迄今為止，國外大部分DCS供貨商均開發了數目不等的火電廠優化治理軟件，其中功能較完善并有較多應用的軟件包有德國Siemens公司的Sienergy系統、美國ElaghBailey公司的Performer系統及瑞士ABB公司的Optimax系統等。這些軟件可按全部軟件包一起整包提供，也可按不同需要分包供給，并在國外近幾年投產的大型火電廠中均有不同程度的應用。電阻計| 電表| 鉗表| 高斯計| 電磁場測試儀| 電源供應器| 電能質量分析儀| 多功能測試儀| 電容表| 電力分析儀| 諧波分析儀| 發生器| 多用表
2.1　Siemens公司的優化軟件
　　德國Siemens公司的優化軟件包Sienergy是用于電廠運行治理一體化的軟件包，其Sienergy含義具有Siemens的energy系統之意。特點是整個電廠運行和治理全部以降低本錢為核心，從燃料、設備運行用度、機組效率及主要部件壽命損耗等多個角度出發，進行綜合優化治理。該軟件包有很多小的分包，涵蓋了機組實時優化控制、系統優化治理、設備維護治理、項目治理、文件治理和各種接口軟件，其中較有特點的軟件如下。
2.1.1　新機組協調控制(NUC)和凝聚水節流控制(COT)模塊
NUC采用鍋爐側動態響應仿真，具有對鍋爐側負荷儲備能力的猜測功能，并采用模糊算法，使機組始終以機跟爐方式運行，系統控制品質和穩定性得到很大進步，在機組負荷變化時減少超調和設備磨損。COT是NUC的可選補充模塊，適用于參與調頻或負荷變化較頻繁的燃煤電廠，當負荷變化時采用凝聚水節流方法，使機組在短期內迅速進步功率輸出，快速響應負荷變化，減少動態偏差，代替了一般機組主蒸汽節流方法，整個機組效率可進步0.5～1.0。該軟件包在德國Mannheim電廠(480MW機組)、韓國Hadong電廠(3×500MW機組)等多個電廠都已成功運行。
2.1.2　負荷裕度猜測模塊(VFR)
　　機組啟停及負荷快速變化時，為保證厚壁部件熱應力不超出限值，通常丈量部件內外壁溫差，計算實際熱應力和熱應力答應值偏差，以限制速度或負荷變化率。實際上，因極大的熱滯后性，熱應力計算值不能正確反映實際熱應力變化，給控制系統穩定性帶來隱患。VFR取消了以往常規的丈量方法，以數學模型進行計算，更正確、實時地反映了熱應力變化情況，極大地縮短了機組啟停時間。該軟件包已在德國Staudinger電站(500MW機組)、西班牙Almeria電站(550MW機組)應用。
2.1.3　機組效率分析優化模塊(SR4)
　　SR4主要用于機組性能和效率分析。它采用對鍋爐、汽輪機、熱力系統、汽水系統和煙風系統的數學模型進行仿真，從整個電廠運行角度動態分析各設備或系統效率，并考慮了電廠各設備間的熱力關系，以圖形方式顯示設備或系統效率是否降低，并以貨幣形式反映對運行本錢的影響，為運行和治理職員提供了直觀、清楚的故障標識。該軟件包已在德國Lunen電站(500MW本生鍋爐)和Ibbenburen電站(750MW本生鍋爐)應用。
2.2　ElsagBailey公司的優化軟件
　　Performer是一個綜合的大型優化治理軟件包，可根據電廠每個設備、子系統運行情況和電網需求指令，協調指揮整個單元機組或全廠工藝系統運行在最佳效率點，使運行本錢和上網電價最低，達到最好的經濟效益。其典型軟件模塊如下。
2.2.1　能量治理模塊(ConOpt)
　　ConOpt能完成混合能量系統的職能優化，對整個電廠負荷分配進行實時優化、短期優化及中期負荷優化猜測。它包括4部分：(1)運行治理，即通過計算和分析，保證機組運行過程中以最小本錢生產電能和熱能；(2)治理規劃，即確定能帶來最大經濟效益的治理制度；(3)能量控制，即監視、記錄能量的消耗，確定設備效率；(4)企業決策規劃，即面對環保要求和高投資挑戰，提出相應決策建議。
2.2.2　系統性能計算和優化軟件(ConVali)
　　它是電廠效率的有效監視軟件，可根據性能計算的數據，對機組性能按投進?產出關系分析和評估所有數據；在不停機情況下，對全廠各部分故障進行跟蹤和監視，可檢測出多年未發現的熱交換器泄漏。
2.2.3　報警和事件治理模塊(ConMea)
　　這是一種模塊化結構軟件，可對不同DCS數據作集中事件治理。所有累積事件均以統計方式進行集中治理、回檔和分析，能進行過程和擾動分析。為更好地分析事件，可選用多種獨立的程序模塊，用于事件的長期回檔、選擇和排序、統計評估和各種報�└娴取�
2.3　ABB公司的優化軟件
　　瑞士ABB公司的Optimax是在線的電廠效率計算優化軟件包。Optimax是Optimum和maximum的縮寫，即最大限度地優化電廠過程，實質是以本錢為核心，將機組或整個電廠置于最優狀態下運行。
2.3.1　模型為基礎的診斷模塊(MODI)
　　Optimax-MODI是一個實時的專家系統，具有專用于電廠的知識庫，而且知識庫中還包括了故障樹，顯示不同干擾間的相互影響關系；它邏輯地評估電廠中各設備或系統狀態，將過程參數與數學參考模型進行比較，給出偏差并分析原因，檢測故障，同時提出糾正措施。通過狀態監視和診斷，在故障早期就可為運行和治理職員提供有關故障信息，避免重大事故發生。同時，電廠工程師還可根據運行中得到的最新經驗，更新和修改專家系統的知識庫，保證專家能跟蹤電廠的發展變化和用戶的新要求。該模塊已在德國Staudinger電站的2臺285MW機組及Boxberg電廠的2臺500MW機組、瑞典的Fokrsmark核電站成功應用。
2.3.2　鍋爐清潔模塊(BoilerCleanliness)
　　Optimax的鍋爐清潔模塊在線計算鍋爐熱交換面的清潔度及每個換熱面進口煙氣溫度，結果用于優化鍋爐吹灰器的運行程序。該軟件包具有對流換熱器性能模塊、上下熱交換面性能模塊及空氣預熱器性能模塊等多個組態工具。
2.4　Bently公司的旋轉機械故障診斷軟件包
　　Bently公司專門用于監視旋轉機械工作狀態的數據治理系統(DM2000)，通過實時、自動、連續地采集和存儲汽輪發電機軸系或其它大型旋轉機械(風機、水泵等)的振動振幅和相位等數據，為操縱員和工程師提供實時的軸系運行檔案；它提供軸系的軸心軌跡圖、頻譜圖、波特圖及級聯圖等多種形式的分析畫面和數據，以支持軸系早期故障診斷和猜測維修。該軟件包在國內大型機組上已有較多應用。
　　Bently公司的另外一個軟件包——機械狀態治理系統(MCM2000)是一個實時專家系統，包括一個專門用于旋轉機械的知識庫和相應推理機。它可根據MCM2000采集到的數據檢查旋轉機械狀態，并根據知識庫中存儲的Bently公司在旋轉機械特性研究方面��40a的經驗，對設備進行自動故障診斷和機械信息治理，再給出帶有嚴重程度的故障結果和推薦的改正措施。該軟件包的早期產品——專家分析軟件(EA)在國內大型機組上已有應用，如深圳西部電廠2×300MW機組；也即將在安徽平圩電廠2×600MW機組和河北三河電廠2×350MW機組上投進使用。
3　國內火電廠優化軟件的開發和應用
　　目前，國內火電廠優化軟件的開發和應用還處于低級階段。國內有能力開發這2類軟件的單位不少，有些已做了相當工作，但大多數處于開發研究和試驗階段，真正成熟的、能應用于市場的產品非常少。火電廠實時優化控制軟件國內已有一些應用，但未形成真正產品，實際優化效果還需進一步考查和驗證。在優化治理軟件中也有少量較好的軟件，如西安熱工研究院開發的汽輪機軸系故障診斷軟件包等；機組性能分析和優化軟件也已有單位(山東電力試驗研究所)做了一些開發和試驗研究工作。優化治理軟件中有相當一部分模塊屬MIS范疇，如過程信息統計分析軟件、設備治理軟件、項目治理軟件及文檔治理軟件等，目前國內一些電廠MIS供給商均可提供。由于缺少相應的實時設備維護、分析及決策軟件支持，所以在實際應用中與國外同類軟件相比仍有一定差距。
　　在國外，含有人工智能AI(ArtificialInterllegent)技術的工程優化軟件一般由應用軟件供貨商(如DCS供貨商)首先采購AI軟件平臺，再由公司產品開發/研究部分的知識工程師和領域工程師合作開發出某領域(如火電廠)的智能控制軟件，并在初期投進運行后經長時間觀察和考核，精益求精和完善，使其更加工程實用化，經多次試驗終極形成商品軟件。在國外，這種優化軟件的二次開發一般由DCS供貨商完成。國內受現行體制和開發資金約束，能提供優化軟件的科研單位往往要從算法、軟件平臺做起，效率低、速度慢，即“分層養魚”做得不好，大部分開發、研究工作還停留在學院或實驗室階段。
4　應用遠景
4.1　必要性
　　隨著國民經濟快速發展，我國電力供需矛盾已逐漸從供方市場轉向需方市場，國家電力體制改革進一步深進將促使觀念的轉變。在電廠及單元機組運行中，廠長、經理關心的題目已不僅是安全、滿發，而是機組乃至整個電廠的經濟指標，用最少的本錢帶來最多的效益，同時對設備損害最少。火電廠優化軟件的應用將為治理者實現這個目標提供最有力的工具，由于它符合信息時代企業盈利的公式和法則：把信息變成知識，把知識變成決策，把決策變成利潤。因此對于我國21世紀大型燃煤電廠，應積極采用先進的優化控制和治理軟件，其意義說明如下。
4.1.1　促進觀念轉變
　　目前，國內電廠從設計到運行治理都存在重發電、重安全，對機組的經濟運行和性能指標關注不夠的現象，這與當前電力系統的體制改革和競價上網、減人增效等宗旨不相適應。火電廠優化控制和治理軟件全部以本錢核算、經濟治理為核心，將原來不可控或不清楚的能量損失全部量化，并幫助進行分析、查找故障，提出節能降耗的優化措施，強化運行和治理職員的經濟治理意識，促進觀念轉變。
4.1.2　提供有力工具
　　目前國內多數300MW以上的燃煤機組均配置了DCS，包括一些治理軟件功能(機組性能計算等)，但僅限于給出計算結果，不具有偏差分析和指導運行功能。優化軟件則提供了多種供生產治理職員分析、治理生產過程的手段和工具。
4.1.3　是MIS和ERP的基礎
　　國內很多電廠都已建設或正在籌備建設MIS。從實際應用情況看，各家MIS供給商的軟件覆蓋范圍和功能差異較大，但共同特點是：有優化治理軟件支持的MIS，效果就較好；反之，只能在較低檔次上運行，未充分發揮MIS作用。
4.1.4　最大限度地發揮DCS作用
　　在流程系統中采用DCS使整個系統達到最優，比采用常規儀表約增加70～80的投資；而不采用智能控制軟件優化過程，增加的效益只有系統最優的10～20，即DCS真正的上風并未完全發揮出來，性能/價格比較低。在此基礎上只要增加很少的投資，如20，就可得到約全部收益的70，大大進步其性能/價格比。
4.1.5　進步專家資源利用率
　　目前很多優化軟件都支持遠程通訊方式，使遠程設備故障診斷、機組性能分析及信息監控功能成為可能。它可充分發揮火電廠及電力系統專家的作用，在機組運行中依靠優化軟件提供的功能，對機組性能和設備狀態進行異地遠程監控和故障分析。專家可在短期內同時處理多個電廠的性能/故障分析，對于偏遠地區電廠的重大事故分析具有典型意義。
4.2　技術經濟分析
　　固然軟件包單項價格較高，但從取得的經濟效益和回報率看，增加這些初投資是值得的。目前能提供優化軟件的DCS供貨商均有具體的技術經濟分析報告，并已在某些電廠尤其是大容量、自動化水平很高的機組上成功應用，取得了一定經濟效益。
　　根據Siemens提供的資料，該公司帶凝聚水節流的新機組控制軟件包價格約人民幣200萬元左右，采用該軟件包可進步0.5～1.0的機組熱效率。由于該軟件包對調頻機組和負荷頻繁變化的機組效益明顯，因此假設一臺國產300MW機組年運行6000h，發電標準煤耗0.3027kg/(kW*h)，機組熱效率40.63，若機組參與電網調頻，每年可節煤1090～2180t，煤價若按300元/t計，可節約燃料費32.7～65.4萬元，3～6a即可收回初投資；若是帶基本負荷并具有一定調峰能力的機組，可看在10～15a收回投資。又如，Bently公司的DM2000和MCM2000價格分別為1萬美元和4萬美元，全廠可只裝1套軟件包，其中對于DM2000還需每臺機組增加1萬美元的硬件設備費。目前，這2個軟件包尤其是DM2000，在國內300MW機組上應用很普遍。
　　固然一些優化治理軟件所帶來的經濟和社會效益短期內不會充分顯示出來，但從長遠利益看，這種科學治理會給電廠帶來很大的收益。如性能計算和優化軟件可將設備/機組乃至全廠的經濟指標具體量化，運行職員可根據操縱指導選擇最優化的運行方式；設備治理軟件通過對各種設備多層次的維護方式，降低損環率，延長使用壽命；能量治理軟件不僅可對全廠進行最優負荷分配，降低上網電價，還可通過中、長期負荷猜測計劃，提前進行統籌安排，優質、高效地響應電網負荷要求，進步電廠信譽和長遠競爭力。需說明的是，對于每個工程都應通過限額和優化設計，降低整個電廠造價并進步性能。降低造價不是各專業按各安閑工程中所占的百分比等同下降，而是應該隨著計算機技術的發展、進步及觀念進一步轉變，加大熱工自動化在整個工程中的投資比例。對于控制系統，要選用性能/價格比優良的硬件，更要在軟件的選用上認真研究，加大投進，使機組性能更加優化，治理更加科學、有序。
　　從發展的觀點看，優化軟件功能將越來越強，價格會越來越低。以Bently公司的DM2000軟件包為例，1996年8月推出的每套價格約1.4萬美元左右，但2a后該軟件包已進行了4次更新和升級，增加了很多功能，如網絡和遠程通訊等功能，價格卻降至每套1萬美元左右，降幅達28。因此在預備采用優化軟件初期，有目的地進口少量幾套DCS供貨商提供的成熟軟件，進行具體考核、分析和比較，對于今后優化軟件的國產化和高出發點發展非常必要。當然，隨著火電廠優化軟件包性能/價格比不斷進步，盡可能多地采用成熟的、有成功使用經驗的優化軟件包，是自動化發展的必然趨勢。
5　建議
5.1　考察和論證
　　國外一些優化軟件在很多大機組上已有成功的運行經驗，隨著計算機快速發展，其軟件包的功能也在不斷完善，且由于主機制造廠的不同，給機組帶來的效益也有所差異，尤其是國外優化軟件在國產大容量燃煤機組上的應用效果尚待證實。面對國外眾多廠家的優化軟件，建議國家電力公司或電力工程咨詢公司組織有關專家，對效益明顯并有較多業績的優化軟件應用情況具體地進行考察、分析和論證，提出推薦采用方案，本著示范、試點的原則，高水平、高出發點地采用國外成熟的火電廠優化軟件，不再做低水平的重復開發工作。以示范電廠為依托，由DCS供貨商全面負責優化軟件應用效果，國內有經驗的研究單位牽頭，參與優化軟件應用于國產機組的二次開發工作，通過對示范電廠應用效果的總結、考核、深化乃至完善，形成適合國產大容量燃煤機組商品化的優化軟件，全面帶動我國大容量火電機組優化軟件的應用。
5.2　安裝
　　從國外優化軟件運行情況看，較成熟和一致的方案是將全廠的運行和治理劃分為3個層次：最下層是實時控制層，包括各單元機組的實時控制網絡和輔助車間的控制網絡，其信息主要面向運行操縱員；第2層是生產治理層，負責機組和電廠的運行優化和治理，對象是值長、生技部分各專業專工和總工程師等生產治理職員；第3層是經營治理層，負責電廠經營和行政治理，對象為采購職員、財務職員、廠長和各種職能治理部分職員。
　　機組的實時優化控制軟件一般安裝在單元機組的DCS服務器或控制器上，每臺機組裝設1套；優化治理軟件中的能量治理軟件安裝在生產治理層的單獨服務器，而優化治理軟件中的性能計算和優化軟件、過程信息統計分析軟件、設備治理軟件等也安裝在生產治理層的服務器；只有人事、財務、采購和辦公自動化軟件等安裝在經營治理層。生產治理層和經營治理層的軟件包全廠只裝設1套。
　　國內電廠網絡結構和功能層次劃分與此有很大差異。一般電廠除實時控制系統由DCS實現外，過程信息統計分析軟件、設備治理軟件、人事、財務、采購和辦公自動化軟件等，均設置在MIS中，而性能計算的功能一般由單元機組DCS完成。相比之下，目前國外這種運行和治理層次的劃分可能更公道。國內很多電廠已經或正在建設的MIS，盡大多數以治理信息交換和共享為核心；國外越來越多的電廠采用ERP治理模式，其重心已不僅是治理信息的交換和共享，而是依靠多種高級優化、治理和決策軟件的支持，對全廠進行全方位的、以本錢為核心的控制和治理。因此，建議參照國外火電廠普遍采用的優化軟件安裝方案，即優化控制軟件安裝在實時控制層——單元機組DCS中，優化治理軟件安裝在生產治理層。
6　結束語
　　當今時代的知識經濟高速發展，各學科不斷吸收新技術且互相滲透。火電廠的控制和治理也在不斷發展，其邊界越來越模糊，控制的含義不再是狹義的過程參數實時控制，而是有了更廣義的擴展，包括機組運行優化控制、設備采購控制、本錢控制及效益控制等多方位和層次控制。實時控制系統也只有在更深層次的治理軟件支持下，才能達到最佳的優化運行點。隨著自動化技術進一步發展，將徹底消除“自動孤島”現象，火電廠的廠級自動化將達到真正意義上的管控一體化。火電廠全面采用優化軟件必將推動我國大容量火電機組達到真正意義的節能降耗、進步效益，全面接受市場挑戰，這也是21世紀電廠自動化的發展方向。