唐國棟，王忠寶，丁健，王群，謝小鵬，吳名新

(1.廣東國華粵電臺山發(fā)電有限公司，廣東 江門 529228； 2.湖南大唐先一科技有限公司， 長沙 410007)

0 引言

燃燒電廠發(fā)電側(cè)設(shè)備的安全可靠性對于電網(wǎng)調(diào)度運行和電能穩(wěn)定供應(yīng)起著關(guān)鍵的作用，調(diào)度人員越來越關(guān)注發(fā)電側(cè)設(shè)備狀態(tài)信息。但是，電網(wǎng)調(diào)度部門對于發(fā)電側(cè)重要設(shè)備工作狀態(tài)了解甚少，無法預知所調(diào)度電廠設(shè)備的可靠性情況，嚴重影響發(fā)電計劃的編制與調(diào)整。此外，電網(wǎng)日常運行調(diào)度的溝通工作繁多，對于發(fā)電機組主輔設(shè)備異常等情況導致機組帶負荷能力下降時的評估、溝通、解釋存在較大滯后性，調(diào)度部門對于發(fā)電機組的非停和非計劃降出力更多是在事后了解。

面對傳統(tǒng)調(diào)度方式的不足之處，基于火電廠機、爐、電3大主設(shè)備和重要輔機的狀態(tài)監(jiān)測及評價數(shù)據(jù)，為了實現(xiàn)發(fā)電設(shè)備帶負荷能力的初評估，利用先進的計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，廣東國華粵電臺山發(fā)電有限公司(以下簡稱臺電公司)組織專家進行技術(shù)攻關(guān)，建立了燃煤電廠機組發(fā)電能力評測系統(tǒng)，并把機組健康狀態(tài)與帶負荷能力的數(shù)據(jù)上傳到廣東電網(wǎng)中調(diào)的可靠性評估數(shù)據(jù)中心，作為優(yōu)化安全調(diào)度的數(shù)據(jù)依據(jù)，減少了調(diào)度員面對電源故障擾動時的工作負擔[1]。

1 燃煤機組健康狀態(tài)評估研究

1.1 發(fā)電側(cè)主要設(shè)備選取

通過查閱臺電公司的電廠規(guī)程、系統(tǒng)圖等資料，考慮各設(shè)備狀態(tài)參數(shù)對機組健康度的影響，確定了設(shè)備范圍，見表1。

表1 健康狀態(tài)評價的設(shè)備Tab.1 Equipment for health status assessment

續(xù)表

1.2 機組健康評價模型

根據(jù)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)不同的劣化特點，及參數(shù)期望值和保護定值確定設(shè)備的劣化度，通過特定算法對一段時期內(nèi)的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)進行模型訓練，得到基于當前工況下的期望值，然后再根據(jù)實時狀態(tài)參數(shù)對期望值的偏離程度確定劣化度。其劣化度可按如下公式計算

式中：di為劣化度；x0為狀態(tài)參數(shù)值正常值(期望值)；x1，x4為設(shè)備必須停運時狀態(tài)參數(shù)值的下限和上限；k為參數(shù)變化對設(shè)備的影響程度。由于狀態(tài)參數(shù)只存在上(下)限值，可以根據(jù)具體情況設(shè)定。當狀態(tài)參數(shù)低(高)于正常值時，對劣化值范圍進行限定，或認定劣化度為0。

1.3 機組健康評價模型實例與驗證

以臺電公司600 MW汽輪機大機軸承振動為例。根據(jù)運行規(guī)程，軸承振動正常范圍為30～80 μm，報警值為125 μm，跳閘保護值為254 μm。則可以確定軸承振動期望值為30 μm， 劣化極限值為254 μm。當軸承振動達到報警值即125 μm時，根據(jù)參數(shù)異常狀態(tài)時劣化度為0.50～0.75，則軸承振動125 μm對應(yīng)劣化度0.65。如圖1所示，通過劣化計算，劣化值與參數(shù)實際情況一致性較好[2]。

圖1 大機軸承振動劣化度曲線Fig.1 Vibration deterioration curve of large unit bearing

2 燃煤機組帶負荷能力評價研究

影響機組帶負荷能力的因素有很多，主要包括輔機設(shè)備跳閘、主參數(shù)超限、煤質(zhì)煤量、環(huán)保因素、爐管泄漏、分布式控制系統(tǒng)(DCS)閉鎖增條件等。以輔機設(shè)備故障舉例分析。

2.1 影響機組帶負荷能力的輔機設(shè)備

輔機設(shè)備對機組都具有特定的負荷影響能力。當出現(xiàn)故障停運或跳閘時，可能直接引起機組負荷大幅度降低，若事故處理操作不當，可能造成機組停運。此類設(shè)備主要包括各類水泵、油泵、風機、真空泵、磨煤機(包括給煤機)器等。凝汽器發(fā)生泄漏或者需要清洗時，可以僅投入半側(cè)運行，受排氣量的限制此時一般只能帶額定負荷的70%左右。單側(cè)風煙系統(tǒng)運行所能帶的最大負荷一般為額定負荷的60%，磨煤機運行臺數(shù)與帶負荷的關(guān)系見表2。

表2 磨組對應(yīng)的機組最大出力Tab.2 Maximum output of the unit corresponding to the grinding group

2.2 輔機設(shè)備對機組帶負荷能力的評估

基于輔機狀態(tài)的帶負荷能力評估，不需要考慮參數(shù)權(quán)重。評價步驟如下。

(1)根據(jù)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)劣化規(guī)律確定劣化計算模型。

(2)確定設(shè)備不可用狀態(tài)時，參數(shù)劣化上限值，設(shè)備嚴重狀態(tài)時劣化度為0.75。

(3)根據(jù)輔機設(shè)備負荷影響值計算機組帶負荷能力。設(shè)備負荷影響值由機組原始設(shè)計確定，可以結(jié)合設(shè)備運行故障規(guī)律作一定范圍的修正[3]。

2.3 輔機設(shè)備狀態(tài)的機組帶負荷計算

當機組運行時，對重要輔機狀態(tài)參數(shù)進行計算，評價輔機運行狀態(tài)。當輔機設(shè)備出現(xiàn)嚴重劣化時，根據(jù)機組設(shè)備性能、參數(shù)配置及控制邏輯設(shè)計，計算出機組當前帶負荷的最高值，同時輸出相關(guān)報警和跳閘信號，作為機組發(fā)電能力評價依據(jù)。以臺電公司600 MW機組輔機設(shè)備負荷影響值及出力計算見表3。

根據(jù)每類輔機可帶負荷計算出最小值，即機組可帶最大負荷。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 設(shè)計思路

系統(tǒng)基于JReap 5.0平臺，WEB前端采用 B/S結(jié)構(gòu)設(shè)計，整個系統(tǒng)基于開發(fā)運維部署一體化建設(shè)思想，結(jié)合微服務(wù)架構(gòu)要求，搭建開發(fā)環(huán)境、測試環(huán)境、產(chǎn)品環(huán)境，以滿足系統(tǒng)開發(fā)運維一體化管控要求，即實施DevOps流程。

表3 主要輔機設(shè)備負荷限制計算Tab.3 Calculation on the loading of main auxiliary equipment

系統(tǒng)從設(shè)備參數(shù)→設(shè)備→系統(tǒng)→機組，層層構(gòu)建實時計算模型。系統(tǒng)篩選出臺山電廠#1，#6機組近1年的歷史樣本數(shù)據(jù)，對樣本數(shù)據(jù)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行數(shù)據(jù)預處理與樣本訓練，從設(shè)備參數(shù)至機組層層計算，最終得出系統(tǒng)或設(shè)備群，及機組的健康度與帶負荷能力，為電廠值長的負荷調(diào)節(jié)提供了數(shù)據(jù)支撐平臺。系統(tǒng)通過臺山電廠發(fā)電設(shè)備可靠性、健康度及機組帶負荷能力的評價，并把實時評價結(jié)果上傳到廣東電網(wǎng)中調(diào)，為調(diào)度人員進行負荷調(diào)度提供了決策支持。

3.2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)基于臺電公司煤耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件、網(wǎng)絡(luò)與存儲基礎(chǔ)設(shè)施平臺上，采用標準WEB技術(shù)、Java EE、微服務(wù)框架開發(fā)技術(shù)體系，實現(xiàn)燃煤電廠機組發(fā)電能力評測的基礎(chǔ)框架。系統(tǒng)采用兩級建設(shè)，在電廠部署機組發(fā)電能力評測的子站系統(tǒng)，電廠應(yīng)用體現(xiàn)在發(fā)電側(cè)的系統(tǒng)或設(shè)備群、設(shè)備、參數(shù)的健康狀態(tài)與對機組帶負荷的影響。在電網(wǎng)中調(diào)部署發(fā)電能力評測的主站系統(tǒng)，電網(wǎng)中調(diào)應(yīng)用體現(xiàn)在全網(wǎng)燃煤機組的健康水平與帶負荷上限。從電廠DCS及其他控制系統(tǒng)采集各機組鍋爐本體、制粉系統(tǒng)、風煙系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、輔網(wǎng)系統(tǒng)的參數(shù)，在JReap5.0平臺完成機組中重要設(shè)備的模型建立、算法配置與應(yīng)用展示，在微服務(wù)中完成數(shù)據(jù)篩選、參數(shù)樣本訓練、系統(tǒng)與機組健康度評估、機組帶負荷能力評價，在智能數(shù)采通中完成控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)上傳。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 System architecture

3.3 主要功能設(shè)計

3.3.1 重要設(shè)備狀態(tài)分析

通過對各參數(shù)的采集與監(jiān)視，實現(xiàn)對電廠重要設(shè)備的監(jiān)測。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)挖掘模型對海量歷史數(shù)據(jù)進行學習訓練，得到一個設(shè)備正常或期望的狀態(tài)，并將其與設(shè)備實時運行狀態(tài)進行對比，以此判斷設(shè)備當前運行是否正常。同時實時監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，對設(shè)備的故障與劣化提前進行預警。機組生產(chǎn)工藝流程圖主要指標有負荷、健康度、可增負荷、煤耗、環(huán)保排放等。設(shè)備生產(chǎn)工藝流程圖主要參數(shù)有主蒸汽溫度、主蒸汽壓力、凝汽器真空、出口氧量等。設(shè)備狀態(tài)采用不同顏色表示參數(shù)或設(shè)備是否正常、注意、異常、嚴重和非監(jiān)控的5種狀態(tài)[4]。

3.3.2 機組健康狀態(tài)評價

實時監(jiān)測各系統(tǒng)、主要設(shè)備、重要設(shè)備參數(shù)對機組健康的影響，監(jiān)視電廠機組健康狀態(tài)情況，支持機組的健康狀態(tài)趨勢圖展示，支持同類型機組容量的健康度的排序。從參數(shù)、設(shè)備、設(shè)備群或系統(tǒng)到機組逐級往上計算劣化度，完成三級狀態(tài)評價。依據(jù)系統(tǒng)的劣化度、變權(quán)重計算出機組劣化度，最后得到機組健康狀態(tài)值，機組健康狀態(tài)評價過程如圖3所示。

圖3 機組健康狀態(tài)評價過程示意Fig.3 Schematic of the unit health assessment process

3.3.3 機組帶負荷能力分析

對機組實時與歷史健康度、實時出力、受限容量進行監(jiān)視和分析，為調(diào)度部門選擇高可靠性的機組升負荷或低健康度的降負荷提供參考。實時監(jiān)測結(jié)果往下拆分，分析各系統(tǒng)、主要輔機設(shè)備或重要參數(shù)對機組帶負荷能力的影響。功能包括展示每臺機組的電廠機組名、運行狀態(tài)、額定容量、實時負荷、負荷上限、負荷下限、可升負荷、降負荷風險告警等；降負荷風險告警包含：一級、二級、三級、無告警4種狀態(tài)；運行狀態(tài)包括運行、備用、檢修3種狀態(tài)[5]，設(shè)備狀態(tài)的負荷上限分析如圖4所示。

3.4 創(chuàng)新點

(1)利用數(shù)據(jù)挖掘算法訓練期望值。采用高斯混合模型等算法充分挖掘了設(shè)備正常運行狀態(tài)的各個歷史工況數(shù)據(jù)，依據(jù)預測模型給出設(shè)備任意工況下的狀態(tài)參數(shù)的正常值，為機組健康評價提供了基準數(shù)據(jù)。

(2)基于劣化度和綜合變權(quán)理論的機組健康評價方法。采用綜合評價指標參與設(shè)備評價，既降低評價維度，又提高了評價指標的準確性、穩(wěn)定性； 狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換為無量綱、歸一化的劣化度，便于機組帶負荷能力、機組風險告警等的計算處理。

(3)基于輔機設(shè)備和主參數(shù)等的機組帶負荷能力評估方法。對各類輔機設(shè)備的啟停狀態(tài)、劣化狀態(tài)等現(xiàn)場復雜情況進行處理，便于帶負荷能力值的量化；考慮機組重要主參數(shù)超限、突變等情況對評估的影響，計算降負荷幅度，防止主參數(shù)繼續(xù)惡化[6]。

圖4 基于輔機設(shè)備狀態(tài)的負荷上限分析Fig.4 Upper limit analysis of loadbased on the state of the auxiliary equipment

4 結(jié)束語

本文以機組健康評價、機組帶負荷能力評估為研究對象，基于電力行業(yè)的熱力機械、熱工計量與保護、電氣保護等理論和經(jīng)驗知識，并引入數(shù)理統(tǒng)計、因素空間、數(shù)據(jù)挖掘等理論，創(chuàng)新性地建立數(shù)學模型，解決了諸多技術(shù)難點。該模型綜合運用先進算法，并結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場實際，具有實時性好、穩(wěn)定性高、可信度和實用性強等特點，能夠較客觀、公正、準確地反映發(fā)電機組真實狀態(tài)，為電網(wǎng)調(diào)度和電廠運行管理實時提供強大的調(diào)度決策支持。