(1.內(nèi)蒙古國華呼倫貝爾發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000; 2.東北電力大學(xué) 自動化工程學(xué)院，吉林 吉林 132000)

為了應(yīng)對大規(guī)模新能源并網(wǎng)帶來的電力系統(tǒng)功率波動，火電機組需要快速精準(zhǔn)地進行大范圍變負(fù)荷[1]。然而，機組在變負(fù)荷過程中必然會偏離設(shè)計工況，這將直接影響機組運行經(jīng)濟性。所以，對燃煤機組復(fù)雜變工況過程的優(yōu)化問題成為了時下研究熱點。

滑壓優(yōu)化是現(xiàn)有典型燃煤機組采用的一種最有效的優(yōu)化節(jié)能方式，因此，國內(nèi)外研究人員進行了大量的理論研究和試驗探索工作。有學(xué)者提出了建立優(yōu)化模型的方法，利用先進算法進行簡化和求解，確定最優(yōu)壓力點。文獻[2]融合了BBO(生物地理學(xué)優(yōu)化算法)和SA(模擬退火)算法，提高了算法的搜索精度和收斂速度。文獻[3]通過建立機組最佳主蒸汽耗差分析計算模型，并在600 MW級別機組進行了成功應(yīng)用。

開展專有優(yōu)化試驗是一種最常用且有效的方法，文獻[4]針對供熱期機組研究了一套考慮供熱量修正的滑壓優(yōu)化方案。針對目前火電機組滑壓曲線多有不準(zhǔn)確，有研究以主蒸汽流量為自變量設(shè)計滑壓優(yōu)化曲線，并從能耗分析和熱力學(xué)計算的方面輔以驗證[5]。基于試驗數(shù)據(jù)熱耗修正計算對特定負(fù)荷點進行壓力尋優(yōu)，進而調(diào)整DCS(分布式控制系統(tǒng))中的控制邏輯參數(shù)。而對于背壓變化對機組最優(yōu)運行壓力的影響問題，現(xiàn)有的解決方法是利用背壓修正系數(shù)對滑壓曲線進行靜態(tài)修正。文獻[6]利用背壓在線實時修正最優(yōu)主蒸汽壓力以適應(yīng)直接空冷機組的背壓大范圍變化工況。而機組運行工況復(fù)雜，且背壓受到多方面因素影響，原設(shè)計工況下的修正系數(shù)及方法，將影響機組運行效率及其熱經(jīng)濟性。綜上所述，如何在考慮機組背壓影響的前提下定量給出其對機組最優(yōu)運行壓力的變化規(guī)律，為機組復(fù)雜變工況運行狀態(tài)下提供精確的運行指導(dǎo)，亟需一套完整的理論模型及實施方案。

1 背壓變化對最優(yōu)運行壓力的影響

目前，高寒地區(qū)所采用的空凝機組在滑壓運行過程中往往采用有功功率為橫坐標(biāo)的滑壓曲線，結(jié)合機組當(dāng)前的供熱抽汽流量以及凝汽器真空度推算最優(yōu)運行壓力。但是，高寒地區(qū)所采用的空冷機組對環(huán)境溫度變化較為敏感，會導(dǎo)致凝汽器真空度大范圍變化；在此基礎(chǔ)上，機組還會有相應(yīng)的供熱任務(wù)，需要對外進行供熱抽氣，這將會導(dǎo)致在相同蒸汽流量的情況下機組有功功率會產(chǎn)生較大變化。所以，若機組此時仍按照原有滑壓曲線運行，會導(dǎo)致該主蒸汽壓力并非最優(yōu)壓力值，進而對機組的經(jīng)濟性造成較大影響。

圖1 背壓與抽汽變化對機組滑壓曲線的影響

由圖1可知，在同一抽汽量狀態(tài)下，背壓的變化也會影響壓力和負(fù)荷。

如圖2所示，當(dāng)機組運行在不同背壓工況時，運行數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯分層的現(xiàn)象，這與理論分析結(jié)果是一致的。但機組運行背壓的變化將如何定量影響機組的最優(yōu)運行壓力，本文將利用大量數(shù)據(jù)進行分析。

圖2 機組運行數(shù)據(jù)背壓1-6 kPa背壓運行數(shù)據(jù)；背壓2-9 kPa背壓運行數(shù)據(jù)；背壓3-12.5 kPa背壓運行數(shù)據(jù)

2 變背壓狀態(tài)下的滑壓曲線變化趨勢

2.1 數(shù)據(jù)聚類處理方法

FCM(模糊C均值聚類)是目前最常用的一種聚類算法，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用到實際問題中。其基本思想是劃分方法，使得在同一類的樣本之間的相似度趨于最大值，而與其他類的樣本相似度趨于最小值[7-9]。對于有限個對象x1,x2,…xn，模糊集合可以表示為

A={(μA(xi),xi)|xi∈X}

(1)

FCM把n個向量xi(i=1,2…,n)分為c類，即為模糊類。在此基礎(chǔ)上計算該類的中心點，使得用于評價相似度的價值函數(shù)的函數(shù)值趨于最小值，以適應(yīng)所引入的模糊劃分規(guī)則。同時，由于引入了模糊概念，使得隸屬度矩陣U中的元素其取值在0～1之間。在歸一化的限制后，其和仍為1。

(2)

式中j——數(shù)據(jù)點的個數(shù)。

則價值函數(shù)為

(3)

其中uij取值在0～1之間；ci為聚類中心，m為加權(quán)指數(shù)。此時計算聚類中心與各元素的歐幾里得距離，即dij=‖ci-xj‖。為求得式(3)的最小值，需構(gòu)造新的目標(biāo)函數(shù)，即

(4)

在求解過程中，可提取式(3)的n個約束式的拉格朗日乘子，在其基礎(chǔ)上對輸入?yún)⒘窟M行求偏導(dǎo)，并將式(4)的目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到最小視為約束條件。該算法最終將解出一個c×n的模糊矩陣，其底層意義仍然是劃分，每個類具有一個類中心。即可得到用于表示每個樣本的隸屬度矩陣，在此基礎(chǔ)上即可判斷出所有樣本對于各個類的隸屬情況，進而求得聚類結(jié)果。

2.2 變背壓條件下最優(yōu)運行壓力定量分析

圖3為某臺600 MW級機組為例，機組背壓數(shù)據(jù)在時序上呈現(xiàn)多分區(qū)域的特性，若直接加以利用將無法避免數(shù)據(jù)噪聲以及機組慣性帶來的誤差[10]；另一方面，未經(jīng)處理的數(shù)據(jù)不利于智能算法進行聚類。

圖3 機組背壓運行數(shù)據(jù)

針對上述問題，本文利用聚類方法對上述數(shù)據(jù)進行處理，其基本過程如下所示：

(1)利用機組運行數(shù)據(jù)，進行濾波處理，得到初步的數(shù)據(jù)模型；

(2)根據(jù)上述數(shù)據(jù)模型，按需設(shè)計精度，通過滑動平均方法進一步過濾數(shù)據(jù)中的噪聲信息；

(3)將上述處理好的數(shù)據(jù)利用聚類算法進行聚類處理，可通過機組常運行背壓范圍設(shè)置聚類空間的個數(shù)。

通過上述步驟，得到如圖4所示的結(jié)果。

圖4 數(shù)據(jù)聚類處理結(jié)果

根據(jù)上述數(shù)據(jù)處理結(jié)果，對背壓變化引起機組最優(yōu)運行壓力變化進行定量分析，其基本步驟是：

(1)利用不同背壓條件下的機組運行數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分類，將相同或者相近的數(shù)據(jù)歸作同一類中；

(2)在各個類中，利用如最小二乘法(包括但不限于)的尋優(yōu)算法，以機組熱耗率最低為優(yōu)化目標(biāo)，對機組的最優(yōu)主汽壓力進行求解；

(3)將上述尋優(yōu)結(jié)果與背壓進行比較，利用回歸算法歸納出機組背壓對最優(yōu)運行壓力的定量關(guān)系。

將機組運行背壓變化時影響最優(yōu)滑壓曲線，其定量影響因素描述為

(5)

式中y——機組運行最優(yōu)壓力/MPa;

x——機組當(dāng)前負(fù)荷(有功功率)/MW;

k——斜率(一般為0.043左右);

b0——機組春季運行時正常背壓下的截距;

Δb——背壓影響下的截距變化量。

根據(jù)公式(5)，即可利用機組不同背壓條件下的歷史數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘，得出機組變背壓條件下的最優(yōu)運行壓力理論計算值。

3 應(yīng)用實例與分析

內(nèi)蒙古國華呼倫貝爾發(fā)電有限公司(以下簡稱“國華呼貝電廠”)機組為四高調(diào)門超臨界600 MW空冷機組，自投產(chǎn)來未進行專門滑壓運行優(yōu)化。實際機組DCS中植入的滑壓運行曲線偏離設(shè)計工況點，同時存在無法適應(yīng)供熱抽汽及凝汽器真空大范圍變化的情況，嚴(yán)重影響其運行經(jīng)濟性。

本次優(yōu)化不僅給出了適用于純凝工況的以負(fù)荷為自變量的滑壓曲線；而且，還給出了以主蒸汽流量為自變量的滑壓優(yōu)化策略：即適用于機組純凝工況，還適用于機組抽汽工況、低背壓、高背壓工況。后期可進一步進行機組高背壓和抽汽工況的驗證，直接進行實際運行數(shù)據(jù)采集驗證，也可設(shè)計試驗測試驗證。如圖5、圖6所示，本文通過變背壓條件下的最優(yōu)運行壓力定量分析，分別給出以主汽流量自變量和以機組負(fù)荷為自變量的滑壓優(yōu)化曲線結(jié)果，對比三個典型不同背壓工況下的滑壓曲線設(shè)計值及原始滑壓曲線。

圖5 以主汽流量為自變量的滑壓優(yōu)化曲線結(jié)果

圖6 以機組負(fù)荷為自變量的滑壓優(yōu)化曲線結(jié)果

對于各個工況下的考慮變背壓條件的最優(yōu)滑壓曲線與原設(shè)計滑壓曲線的節(jié)能效果對比如表1所示?？梢姳疚乃岢龅淖儽硥簵l件下的滑壓曲線優(yōu)化策略具有明顯的節(jié)能效果。

4 結(jié)論

本文通過對600 MW超臨界機組在多個不同背壓條件下運行的數(shù)據(jù)進行分析，對比各個背壓對應(yīng)的最優(yōu)滑壓曲線，得出以下結(jié)論：

(1)利用機組不同背壓條件下的海量實際運行數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘，得到了多個背壓條件下所對應(yīng)的滑壓優(yōu)化曲線，同時定量計算出由于背壓變化導(dǎo)致滑壓曲線的變化量；

(2)通過對比主蒸汽流量自變量以及機組負(fù)荷自變量的滑壓曲線，其中主汽流量自變量的滑壓曲線受背壓變化而變化的趨勢較小，從實際數(shù)據(jù)的角度證明了利用主蒸汽流量自變量的優(yōu)勢；

(3)本文所設(shè)計的滑壓優(yōu)化曲線在600 MW超臨界機組成功應(yīng)用，效果表明：該方法可適應(yīng)空冷機組背壓大范圍變化的運行狀態(tài)，可切實提高機組變工況運行經(jīng)濟性。為同類型機組的運行方式提供了有效的解決方案。

表1優(yōu)化效果比較

試驗工況點原始曲線優(yōu)化曲線運行背壓機組負(fù)荷/MW主汽壓力/熱耗率/MPa/kJ·kW-1·h-1主汽壓力/熱耗率/MPa/kJ·kW-1·h-1節(jié)能熱耗率/kJ·kW-1·h-1/kPa304.3615.8/766016.5/763129616.3/763525916.1/76382212.5340.617.55/764018.1/762020617.8/761624917.7/76192112.5381.319.3/739819.9/738018619.4/738513919.5/73851312.5415.220.6/750521.4/745550620.8/747233920.95/74703512.5448.221.8/744422.8/740044622.1/741034922.4/74123212.5484.0723.2/734424.2/727074623.6/728658923.9/72806412.5