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)》，著眼能源產(chǎn)業(yè)全局和長遠(yuǎn)發(fā)展需求，推動能源互聯(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)；各個發(fā)電廠和發(fā)電機(jī)組向該中心傳送實(shí)時數(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”其背后是對大數(shù)據(jù)的合理分析和應(yīng)用。國內(nèi)發(fā)電廠對大數(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，將時間軸變?yōu)樨?fù)荷軸，即，將初始時以時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]采用高級統(tǒng)計分析工具M(jìn)initab對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計回歸分析，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)及時調(diào)整，反映季節(jié)變化對機(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)變化對機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性影響的全面研究報道。

隨著燃煤火電機(jī)組鍋爐運(yùn)行時間的累積，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，以每個二維區(qū)間為單元，實(shí)證分析一臺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)。

1 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析處理方法

1.1 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析思路

本文分析的思路是：獲取機(jī)組過去一年DCS存儲的相關(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)境溫度為對象，利用模糊聚類方法實(shí)現(xiàn)機(jī)組工況劃分，對可控參數(shù)進(jìn)行維度歸約，選取各工況下對機(jī)組能耗影響較大的運(yùn)行參數(shù)，對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)荷對鍋爐運(yùn)行性能的影響，經(jīng)濟(jì)性評價選擇相同負(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)性評價的依據(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)波動條件下的平均煤質(zhì)下的經(jīng)濟(jì)性和排放水平的相對變化，并不是追求絕對精確的經(jīng)濟(jì)性評價指標(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；盡管鍋爐系統(tǒng)輸入輸出參數(shù)動態(tài)時間較長，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)對輸入條件變化的響應(yīng)趨勢基本是相反的，這兩個時段的動態(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。

1.2 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析方法

本文分析方法的特點(diǎn)是，同一時刻的全部運(yùn)行數(shù)據(jù)始終作為一個數(shù)據(jù)單元參與分析，本文定義其為一個數(shù)據(jù)包。理論上這個數(shù)據(jù)包可以包含機(jī)組在同一時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)包在時間坐標(biāo)下的先后順序?qū)⒆兊貌恢匾總€數(shù)據(jù)包被當(dāng)做一個獨(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，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)平均值計算結(jié)果進(jìn)行平滑濾波，一定程度上減小數(shù)據(jù)波動的幅度。

所分析的數(shù)據(jù)為某電廠3號機(jī)組2019年5月至2020年3月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，每分鐘一個數(shù)據(jù)包，全部約332 000個采樣數(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分為一個負(fù)荷區(qū)間，共20個負(fù)荷區(qū)間；全年氣溫變化范圍：-4～36 ℃，每2 ℃一個氣溫區(qū)間，共20個氣溫區(qū)間。全部運(yùn)行數(shù)據(jù)共20×20=400個數(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；j代表劃分的氣溫區(qū)間數(shù)，j=1,2,3,…,N個；k代表運(yùn)行參數(shù)，k=1,2,3,…,K，本文為102個，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)包的個數(shù)，也即工況點(diǎn)個數(shù)，l=1,2,3,…,L(i,j)個，各個子集內(nèi)工況點(diǎn)個數(shù)是存在差異的。對本文分析的運(yùn)行數(shù)據(jù)，M=N=20，K=102。

(2)由公式(1)計算各個負(fù)荷和氣溫區(qū)間各個運(yùn)行參數(shù)的均值

(1)

2 運(yùn)行性能及參數(shù)分析結(jié)果

2.1 運(yùn)行數(shù)據(jù)的分布

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)間的個數(shù)分布

2.2 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性隨負(fù)荷和氣溫的變化

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，對整個負(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，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，特別是氣溫大于22 ℃時，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，空干基水分也相對偏高(數(shù)據(jù)未給出)。這會導(dǎo)致氣溫高的這3個月在相同負(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

2.3 氮氧化物排放隨負(fù)荷和氣溫的變化

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

2.4 煙氣氧量和排煙溫度隨負(fù)荷和氣溫的變化

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，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，而是相對平穩(wěn)。結(jié)合圖2總煤量隨負(fù)荷和氣溫的變化趨勢，以及圖6總風(fēng)量(a)和A送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)動葉閥位(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

2.5 總風(fēng)量和A送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)動葉閥位隨負(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)動葉閥位(A送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)動葉閥位趨勢一樣)迅速升高。結(jié)合圖2總煤量隨負(fù)荷和氣溫的變化趨勢一起分析，可以發(fā)現(xiàn)，相同負(fù)荷下，高于平均氣溫時段，總風(fēng)量和送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)動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?，即保持了較好的風(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^低，假設(shè)這個溫度段處于運(yùn)行相對優(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€。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。

3 結(jié)論

(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。