徐婷婷，黎石竹，雷嬌嬌，朱亞迪

（華電電力科學研究院，杭州　310030）

基于大數據的燃氣-蒸汽聯合循環(huán)發(fā)電機組遠程能效診斷系統(tǒng)

徐婷婷，黎石竹，雷嬌嬌，朱亞迪

（華電電力科學研究院，杭州310030）

基于大數據的燃氣-蒸汽聯合循環(huán)發(fā)電機組遠程能效診斷系統(tǒng)，可對現場采集到的燃氣發(fā)電機組原始運行參數進行整合與分析，建立燃氣-蒸汽聯合循環(huán)發(fā)電機組運行經濟性能實時計算分析模型。采用大數據下的數據挖掘分析方法來開展燃料消耗評價、設備狀態(tài)實時監(jiān)測、機組性能評價與診斷、統(tǒng)計對比管理、節(jié)能分析月報生成等遠程能效診斷服務，指導機組運行優(yōu)化、設備消缺以及技術改造。

燃氣-蒸汽聯合循環(huán)發(fā)電機組；大數據；數據挖掘；遠程能效診斷

0　引言

目前，國內對燃氣-蒸汽聯合循環(huán)發(fā)電機組進行能效評價時，主要參考機組額定工況的設計參數或根據機組運行經驗，但實際運行中機組經常處于非額定工況，有的是因為運行參數偏離了當前運行最佳值，有的是由于設備老化、存在缺陷，無法有效評價機組的能效水平和能量損失。我國燃氣輪機發(fā)電機組主要靠引進國外產品，對機組的掌握相對國內燃煤機組少，缺乏對熱力系統(tǒng)的全面診斷和優(yōu)化，尤其缺乏對熱力系統(tǒng)局部變化經濟性的定量分析研究。

對于燃氣-蒸汽聯合循環(huán)發(fā)電機組，現階段的理論研究滿足不了工業(yè)需求，需要對機組運行邊界條件變化、主輔機設備老化情況和機組啟停情況進行遠程在線跟蹤，通過大數據挖掘技術開展最佳運行值判定以及能效診斷分析，評價和優(yōu)化機組運行的經濟性、安全性。

1　系統(tǒng)建設內容

在工業(yè)化和信息化不斷加速融合的大背景下，為實現燃氣-蒸汽聯合循環(huán)機組“運行監(jiān)管、節(jié)能對標、管理降耗”的目標，需在遠程節(jié)能監(jiān)督系統(tǒng)前沿理論和關鍵技術的基礎上搭建“基于大數據的燃氣-蒸汽聯合循環(huán)發(fā)電機組遠程監(jiān)控信息平臺”。通過采集燃氣發(fā)電機組原始運行參數，構建后臺數據積累和需求結構模型，進行燃料消耗評價、設備狀態(tài)實時監(jiān)測、機組性能評價與診斷、統(tǒng)計對比管理、節(jié)能分析報表生成等各項遠程能效診斷和信息增值服務，為燃氣發(fā)電機組的節(jié)能運行提供理論基礎和技術保障，最終達到降低企業(yè)發(fā)電成本、提高整體經濟效益的目標。

燃氣-蒸汽聯合循環(huán)發(fā)電機組遠程能效診斷系統(tǒng)利用現有的PI實時數據庫服務器和Oracle關系數據庫，進行數據的存儲與傳輸；配置應用服務器與Web服務器，分別進行數據計算、分析和應用，以及信息的Web發(fā)布和遠程訪問，所有服務器都通過防火墻與外網進行隔離。對防火墻進行配置后，終端用戶可以瀏覽器/服務器（B/S）方式安全訪問。

系統(tǒng)采用基于B/S架構的3層設計。終端服務層通過瀏覽器提供給用戶，通過IIS服務器提供應用邏輯解析，采用SQLServer數據庫存儲關系型數據。數據采集器采用客戶機/服務器（C/S）架構，從實時服務器采集數據送入關系型數據庫和通過WebService送入集團平臺。系統(tǒng)采用IIS服務器+.Net搭建Web框架，實現所有事務的核心功能。

平臺融合工程熱力學、人工智能和計算機軟件科學等領域的知識，以安全性和經濟性為主線，以發(fā)電企業(yè)實時數據庫為應用核心，以面向服務的體系結構（SOA）為軟件架構，以WebService應用服務為開發(fā)路線，實現燃氣-蒸汽聯合循環(huán)機組的遠程性能監(jiān)測與節(jié)能診斷。

2　系統(tǒng)功能

2.1數據采集

在充分調研分析發(fā)電企業(yè)燃料成分及檢測儀表精度的基礎上，根據經濟性能指標正/反平衡計算需要，在生產現場選擇合理的測點，安裝或更換高精度溫度、壓力、流量等測量儀表，獲得高精度運行數據。接收和存儲廠站側上傳的實時數據和關系數據，如分散控制系統(tǒng)（DCS）、輔控系統(tǒng)、電量系統(tǒng)等實時性要求比較高的生產實時數據，以及作為實時數據系統(tǒng)完善和補充的燃料、配置參數等關系型數據。

2.2數據信息的整合與分析

對現場采集到的多頻、異源、異構數據進行整合與分析，剔除原始數據中的過失誤差和隨機誤差，補全不完備數據并進行校正，最終形成高效率的數據支撐系統(tǒng)。

由于電力生產企業(yè)生產過程中廣泛使用DCS，可編程邏輯控制器（PLC）等，數據樣本中的過失誤差一般由隨機干擾和檢測儀表異常引起，誤差幅度較大，可采用限幅的方法消除誤差：根據實際生產工藝要求確定溫度、壓力、流量、閥門開度等實時數據的變化范圍，然后利用最大、最小值限幅方法剔除不在此區(qū)域的數據樣本。

考慮到生產過程的動態(tài)特性，對這種動態(tài)過程的數據協(xié)調擬采用3σ準則、擴展Kalman濾波、小波分析等方法，消除過程噪聲和系統(tǒng)動態(tài)行為引入檢測數據中的隨機誤差。

考慮到直接刪除不完備信息數據記錄會導致數據樣本不能覆蓋整個工況區(qū)間，影響數據樣本的客觀性和完整性，從實用性的角度出發(fā)，結合數據統(tǒng)計分析和屬性取值關聯程度這兩方面的優(yōu)勢，采用屬性取值相關性較好的部分統(tǒng)計分析方法補齊不完備的數據信息。

2.3數據判穩(wěn)

發(fā)電機組生產過程是典型的變工況過程，在穩(wěn)態(tài)-過渡態(tài)-穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)下不斷交替運行，因此，只有機組穩(wěn)定工況時的運行參數才能反映機組的實際情況。在對生產過程數據進行了過失誤差消除、隨機誤差數據協(xié)調、不完整數據缺失補全等預處理后，以除氧器進口凝結水流量、主蒸汽壓力、燃氣輪機負荷、汽輪機負荷4個參數共同作為檢測機組穩(wěn)態(tài)工況的依據。判斷機組處于穩(wěn)態(tài)工況的條件是：在一個計算周期內（如10min），上述4個參數的穩(wěn)定指標均在規(guī)定閾值范圍內。

2.4機組運行狀況在線監(jiān)視

如圖1所示，通過深入挖掘機組運行數據信息，以工藝流程的形式展現各機組的設備運行狀況和生產過程參數信息，實現燃氣輪機側、余熱鍋爐側、汽輪機側和設備廠用電的監(jiān)視，使管理人員能及時了解機組運行的經濟性，同時指導現場操作人員在線了解機組的運行情況，提高機組運行水平，為企業(yè)的節(jié)能高效運行提供良好的監(jiān)測手段。

2.5性能指標的實時在線計算

基于運行數據的統(tǒng)計分析，參考ASMEPTC 22—2005《燃氣輪機性能試驗規(guī)程》、GB/T18929—2002《聯合循環(huán)發(fā)電裝置驗收試驗》、ASMEPTC 6.2—2011《聯合循環(huán)電站汽輪機性能試驗規(guī)程》和ASMEPTC4.4—2008《燃氣輪機余熱鍋爐性能試驗規(guī)程》，建立燃氣-蒸汽聯合循環(huán)發(fā)電機組運行經濟性能實時計算分析模型，進行機組發(fā)電氣耗、燃氣輪機效率、鍋爐效率、汽輪機熱耗率等經濟性能指標和凝汽器端差、凝汽器真空度等設備性能指標的在線計算。

圖1　燃氣發(fā)電機組運行監(jiān)視及參數趨勢分析

2.6數據挖掘分析

如圖2所示，基于發(fā)電氣耗等經濟性能指標的實時計算值，獲得機組運行性能的時空分布曲線。選定機組運行情況（基本負荷、非基本負荷），統(tǒng)計篩選出符合條件的運行工況，并給出燃氣輪機有功功率最小值、最大值，供使用者限定燃氣輪機額定負荷定義值。在此基礎上，統(tǒng)計100％，90％，80％額定負荷等工況下的機組運行性能指標，實現機組運行性能的時空分布曲線分析。

如圖3所示，對不同時期單臺機組經濟性能指標進行統(tǒng)計對比分析，獲得機組最佳運行效率區(qū)域，制訂可操作的節(jié)能優(yōu)化策略。使用者選擇能效指標和對比參數后，根據給出的影響因素浮動范圍，配置分析條件進行數據篩選，從而實現縱向對比分析。

2.7機組耗差分析

圖2　燃氣發(fā)電機組指標挖掘——運行性能時空分布

圖3　燃氣發(fā)電機組指標挖掘——最佳運行效率區(qū)域

如圖4所示，利用關聯規(guī)則、粗糙集、案例推理、決策樹等數據挖掘方法，研究機組最優(yōu)運行工況所對應的基準值優(yōu)化選取方法；基于熱力學第一定律，采用曲線擬合法、等效熱降法、基本公式法、小偏差方法來確定不同參數變化對燃氣輪機效率、鍋爐效率、發(fā)電氣耗/煤耗的影響（即獲得不同參數的耗差因子）；根據機組當前運行參數偏離最優(yōu)基準值的情況，結合耗差因子進行機組耗差分析［1］，將經濟指標劣化值分解到可控運行參數和主輔機設備側，獲得可能的節(jié)能降耗點，為機組節(jié)能優(yōu)化運行提供決策依據。

2.8機組對標管理

基于參數和指標的數據查詢和趨勢分析、關鍵參數相互關系的對比分析和曲線擬合，進行不同時期單臺機組經濟性能指標縱向對比分析，通過機組對標管理獲得機組運行性能的時空分布曲線，形成機組能效診斷月報，克服機組“最優(yōu)運行經濟指標天花板”問題，為發(fā)電企業(yè)實現精細化管理、制訂可操作的節(jié)能優(yōu)化策略提供有效的技術支撐。

圖4　燃氣發(fā)電機組耗差分析

3　結束語

本文介紹的基于大數據的燃氣-蒸汽聯合循環(huán)發(fā)電機組遠程監(jiān)控信息平臺成功應用于某燃氣電廠，為發(fā)電企業(yè)生產運營人員和管理決策人員提供了月度指標信息、主要參數和經濟指標實時監(jiān)控、指標和參數趨勢查詢、性能統(tǒng)計對比分析、能耗指標分析、節(jié)能報表生成等各項智能技術支持服務。從不同的角度提供觀察、分析發(fā)電機組性能的方法和手段，形成各種趨勢、數據、報表等統(tǒng)計資料，有效提升發(fā)電企業(yè)智能化的運行監(jiān)管、節(jié)能對標、降耗管理水平，促進了我國集團級電力生產設備智能管理的發(fā)展。

［1］王偉，石永鋒，常浩，等.基于運行性能評價的發(fā)電過程可控參數優(yōu)化方法［J］.熱力發(fā)電，2014（2）：61-68.

（本文責編：劉芳）

TM611.31

B

1674-1951（2016）09-0026-04

2016-07-11；

2016-08-23

徐婷婷（1987—），女，安徽銅陵人，工程師，工學碩士，從事燃氣發(fā)電機組節(jié)能優(yōu)化研究（E-mail：tingting-xu@ chder.com）。

黎石竹（1987—），男，安徽合肥人，工程師，工學碩士，從事火力發(fā)電機組性能診斷優(yōu)化研究。

雷嬌嬌（1991—），女，新疆庫爾勒人，助理工程師，從事燃氣發(fā)電機組節(jié)能優(yōu)化研究。

朱亞迪（1991—），男，安徽宿州人，工程師，工學碩士，從事燃氣發(fā)電機組節(jié)能優(yōu)化研究。