付旭晨，于英利，王 磊，韓 義，韓 元

（1.內(nèi)蒙古電力（集團）有限責任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，呼和浩特 010020；2.能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室（東南大學(xué)），南京 210096）

0 引言

在“碳達峰”“碳中和”背景下，火力發(fā)電廠作為高耗能行業(yè)，對于提高能源資源利用效率、實現(xiàn)綠色升級的需求愈發(fā)緊迫，節(jié)能指標作為表征機組及各部件節(jié)能水平的重要參數(shù)，對其進行規(guī)范統(tǒng)計、明確統(tǒng)計方法勢在必行[1-2]。

目前，國內(nèi)外對火力發(fā)電機組經(jīng)濟技術(shù)指標制定了較多標準，德國標準化學(xué)會就數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方面制定了DIN 53804 系列標準；國內(nèi)以中國國家標準化管理委員會為技術(shù)歸口單位，制定了一系列數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理和解釋標準[3]。另外，行業(yè)內(nèi)也在技術(shù)經(jīng)濟指標計算、節(jié)能技術(shù)監(jiān)督、節(jié)能指標分析方面制定了相應(yīng)的標準[4]。DL/T 904—2015《火力發(fā)電廠技術(shù)經(jīng)濟指標計算方法》涉及火力發(fā)電廠發(fā)電生產(chǎn)全過程中技術(shù)經(jīng)濟指標的計算，對非直接測量指標的具體計算方法進行了規(guī)范[5]；DL/T 2172—2020《火力發(fā)電廠節(jié)能指標分析體系》涉及火力發(fā)電廠的節(jié)能指標體系構(gòu)建，通過指標之間的主要影響，將節(jié)能指標進行了分解，分為總體指標、一級指標、二級指標、三級指標、四級指標、五級指標[6]；DL/T 1052—2016《電力節(jié)能技術(shù)監(jiān)督導(dǎo)則》涉及火力發(fā)電設(shè)施開展節(jié)能監(jiān)督過程中如何運用節(jié)能指標來開展監(jiān)督工作，對節(jié)能技術(shù)監(jiān)督評價和考核過程進行了規(guī)范[7]。但各類標準中缺少對火力發(fā)電廠發(fā)電生產(chǎn)全過程中節(jié)能指標的規(guī)范統(tǒng)計方法。

規(guī)范的統(tǒng)計方法需要對運行過程中的大量數(shù)據(jù)根據(jù)統(tǒng)計時間進行準確、規(guī)范統(tǒng)計，對該時間段的機組節(jié)能水平進行明確表征，不僅有助于對標活動的規(guī)范性開展，同時也對電力企業(yè)節(jié)能減排起到推動作用。

1 統(tǒng)計前數(shù)據(jù)處理

火電機組的原始數(shù)據(jù)通過對測點、試驗、儀表等方式進行采集，但采集的大量原始數(shù)據(jù)中，只有穩(wěn)態(tài)工況下的數(shù)據(jù)才能真實客觀地反映系統(tǒng)的運行情況及其經(jīng)濟環(huán)保性能[8]。統(tǒng)計過程中應(yīng)先識別數(shù)據(jù)的異常點，進行剔除后得到穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，再進行穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的權(quán)重分析，最終得到所需時間段的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，具體統(tǒng)計流程可見圖1。

圖1 火電機組數(shù)據(jù)統(tǒng)計流程框圖Fig.1 Data statistical flow chart of therrnal power unit

對于發(fā)電廠的大量數(shù)據(jù)，首先需提取其有效信息，刪除異常信息[9-14]。在連續(xù)過程數(shù)據(jù)的異常點檢測中，若一系列數(shù)據(jù)無限連續(xù)逼近，即可得到過程變量與時間相關(guān)t 的近似函數(shù)f（t），當f（t）在初始時刻t0上的一階導(dǎo)數(shù)值小于某一具體閾值Tf時，則處于穩(wěn)態(tài)，見公式（1）：

閾值依據(jù)調(diào)峰特性進行選取，一般調(diào)峰速率為（1.5%FP～2%FP）/min（FP為額定負荷）時推薦閾值Tf為f（t）變化總量程的30%；調(diào)峰速率＞2%FP/min 時，推薦閾值Tf為f（t）變化總量程的50%。推薦閾值可涵蓋實時數(shù)據(jù)的波動范圍?？偭砍提槍γ總€測點數(shù)據(jù)不同而分別考慮。由于采用統(tǒng)一的推薦標準，給出的閾值范圍可涵蓋所有節(jié)能指標數(shù)據(jù)，因此未對單一指標進行具體分析。

異常值剔除后，需要對該時刻的節(jié)能指標采用插值法重構(gòu)[15-19]，具體重構(gòu)方法見公式（2）：

式中：X0—0時刻；

X1—1時刻；

Y0—0時刻的節(jié)能指標值；

Y1—1時刻的節(jié)能指標值；

X—異常數(shù)據(jù)對應(yīng)的時刻；

Y—重構(gòu)后的節(jié)能指標值。

2 統(tǒng)計方法

2.1 方法1：積分法

需要將統(tǒng)計期內(nèi)的數(shù)據(jù)進行累加的節(jié)能指標，其統(tǒng)計方法宜采用積分法。對t0至t1時刻區(qū)間內(nèi)的節(jié)能指標，計算公式如式（3）：

2.2 方法2：直接算術(shù)平均法

不受其他節(jié)能指標影響或影響較小的節(jié)能指標，其統(tǒng)計方法宜采用直接算術(shù)平均法。對于時間是連續(xù)型的時點數(shù)列，其直接算術(shù)平均法的計算公式如式（4）：

式中：—該組數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值；

ai—統(tǒng)計指標對應(yīng)統(tǒng)計期內(nèi)的每一個數(shù)據(jù)；

n—該組數(shù)據(jù)的個數(shù)。

2.3 方法3：加權(quán)算術(shù)平均法

受其他指標影響且需要進行加權(quán)計算的節(jié)能指標，宜采用加權(quán)算術(shù)平均法。節(jié)能指標的原始數(shù)據(jù)對應(yīng)連續(xù)型的時點數(shù)列有x1，x2，…，xn，所對應(yīng)的權(quán)值分別是w1，w2，…，wn，n 為該組數(shù)據(jù)的個數(shù)，其加權(quán)算術(shù)平均法的計算公式如式（5）：

對節(jié)能指標有重大關(guān)聯(lián)影響的變量即可認定為權(quán)重值，例如負荷率、蒸發(fā)量比率、給煤量等。涉及比率的權(quán)值，表征采集時間對應(yīng)值與額定值的比率，例如負荷率為當前運行負荷與額定負荷的比值，蒸發(fā)量比率為當前運行蒸發(fā)量與額定蒸發(fā)量的比值。

2.4 方法4：幾何平均法

在涉及流量、密度等重大關(guān)聯(lián)影響的節(jié)能指標統(tǒng)計分析中，將節(jié)能指標各數(shù)值的連乘積開項數(shù)次方根，表征幾何平均值，采用幾何平均法。不涉及權(quán)值影響的節(jié)能指標采用簡單幾何平均法，涉及權(quán)值影響的節(jié)能指標則采用加權(quán)幾何平均法。兩種幾何平均法的計算公式如下。

（1）簡單幾何平均法：

（2）加權(quán)幾何平均法：

式中：f1，f2，f3，…，fn—x1，x2，x3…，xn的權(quán)重。

3 節(jié)能指標權(quán)重識別與統(tǒng)計方法選取

根據(jù)火力發(fā)電機組設(shè)備的位置劃分，其節(jié)能指標可分為綜合節(jié)能指標、鍋爐節(jié)能指標、汽輪機節(jié)能指標、環(huán)境化學(xué)節(jié)能指標、節(jié)電指標、節(jié)水指標等。對于直接測量的節(jié)能指標，選取積分法或直接算術(shù)平均法進行統(tǒng)計；對于直接讀取的儀表值及折算值，選取簡單幾何平均法進行統(tǒng)計；對于二次計算數(shù)據(jù)，則選取加權(quán)幾何平均法進行統(tǒng)計，涉及的權(quán)值選取如表1所示[20-25]。

表1 節(jié)能指標統(tǒng)計方法Tab.1 Statistical method of energy saving index

4 統(tǒng)計時段劃分標準

將節(jié)能指標的統(tǒng)計時段進行規(guī)范，可提高在對標活動及節(jié)能工作中對比分析各節(jié)能指標的精準性，反映的節(jié)能問題也更具代表性。對于統(tǒng)計結(jié)果的處理，根據(jù)時間區(qū)間選取范圍的不同，可劃分為為時均統(tǒng)計、日均統(tǒng)計、月均統(tǒng)計、季均統(tǒng)計及年均統(tǒng)計。

根據(jù)電力節(jié)能技術(shù)工作的需要，有些節(jié)能指標來源于實時數(shù)據(jù)，但有些節(jié)能指標為二次計算數(shù)據(jù)，受限于不能實時統(tǒng)計，因此不能統(tǒng)計為時均數(shù)據(jù)。例如煤質(zhì)，通常電廠每天化驗一次，故受煤質(zhì)影響的節(jié)能指標的統(tǒng)計頻次最多為每日一次。

時均統(tǒng)計時，時均統(tǒng)計數(shù)以小時為時間節(jié)點，從每00：00 時算起截至01：00 結(jié)束。日均統(tǒng)計時，日均統(tǒng)計數(shù)以天為時間節(jié)點，從每日00：00算起截至24：00 結(jié)束。月均統(tǒng)計時，月均統(tǒng)計數(shù)以月度為時間節(jié)點，從每月第1 日算起截至每月最后1日結(jié)束。季均統(tǒng)計時，季均統(tǒng)計數(shù)以季度為時間節(jié)點，從1 月份開始，每3 個月為1 個季度。年均統(tǒng)計時，年均統(tǒng)計數(shù)以年度為時間節(jié)點，從1月份開始算起截至12月份結(jié)束。

5 算例驗證

對于規(guī)范后的統(tǒng)計方法自身的合理性與精確性，通過算例進行驗證。

5.1 指標及方法選取

選取包頭某電廠的鍋爐熱效率指標為分析對象。鍋爐熱效率作為非測量源數(shù)據(jù)，即二次計算數(shù)據(jù)，采用方法3 即加權(quán)算術(shù)平均法進行統(tǒng)計。鍋爐熱效率的計算有兩種方法，即輸入-輸出熱量法和熱損失法，分別稱為正平衡法和反平衡法。在對電廠進行周期性統(tǒng)計時，一般采用正平衡法，故算例中鍋爐熱效率的計算也采用正平衡法，如公式（8）所示：

式中：ηt—鍋爐熱效率，%；

Qin—輸入系統(tǒng)邊界的熱量總和，kJ/kg，包括輸入系統(tǒng)的燃料燃燒釋放的熱量、燃料的物理顯熱、進入系統(tǒng)邊界的空氣帶入的熱量；

Qout—輸出系統(tǒng)邊界的有效熱量，kJ/kg，包括過熱蒸汽帶走的熱量、再熱蒸汽帶走的熱量、排污水帶走的熱量。

對于節(jié)能指標統(tǒng)計結(jié)果的準確性則采用統(tǒng)計期間的鍋爐熱效率試驗數(shù)據(jù)進行驗證，熱效率試驗計算則采用反平衡法。

5.2 統(tǒng)計過程

統(tǒng)計數(shù)據(jù)采用時均統(tǒng)計，且為連續(xù)1 h 的運行數(shù)據(jù)，源數(shù)據(jù)每隔30 s采樣，表2中列出的13組數(shù)據(jù)為每隔5 min 的采樣數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計過程中，對于每個采樣時刻的數(shù)據(jù)分別采用直接算術(shù)平均法和加權(quán)算術(shù)平均法進行計算。

在統(tǒng)計時均數(shù)據(jù)時，采用直接算術(shù)平均法是將每一時刻的鍋爐熱效率進行簡單的算術(shù)平均計算；而采用加權(quán)算術(shù)平均法充分考慮了機組負荷波動的影響，是將每一時刻的鍋爐熱效率以負荷作為權(quán)重進行計算。

5.3 結(jié)果分析

將包頭某電廠某時間段內(nèi)的鍋爐熱效率試驗值與統(tǒng)計值作比較，驗證統(tǒng)計方法對節(jié)能指標的適用性和匹配度。

表3 為該時段的煤質(zhì)性能參數(shù)，鍋爐熱效率試驗進行時間為1 h，與時均統(tǒng)計計算時間相一致，試驗結(jié)果見表4。

表3 運行工況下煤質(zhì)參數(shù)Tab.3 Coal quality parameters under operating conditions

表4 鍋爐熱效率試驗性能參數(shù)Tab.4 Performance parameters of boilerthermal efficiency test %

將使用不同統(tǒng)計方法得到的統(tǒng)計結(jié)果（見表5）與表4試驗結(jié)果進行比對，可以看出，機組在有負荷變化或機組參與調(diào)峰的情況下，各性能參數(shù)波動幅度較大，利用簡單的直接算術(shù)平均法進行統(tǒng)計較利用負荷加權(quán)算術(shù)平均法統(tǒng)計的偏差大，鍋爐熱效率偏差約為0.3%。說明對于鍋爐熱效率的統(tǒng)計，加權(quán)平均法更為合理有效[26-29]。

表5 統(tǒng)計方法精確度對比Tab.5 Comparison of accuracy of statistical methods %

此算例只說明了其中1個節(jié)能指標鍋爐熱效率統(tǒng)計方法的選取，其他各類節(jié)能指標可參考表1 但不限于表1 所列，對于節(jié)能指標權(quán)值的識別也可參考表1執(zhí)行。

6 結(jié)束語

本文在綜合考慮統(tǒng)計方法與處理異常數(shù)據(jù)方式的基礎(chǔ)上，分別針對不同時間段對節(jié)能評價的5個指標，即時均統(tǒng)計數(shù)、日均統(tǒng)計數(shù)、月均統(tǒng)計數(shù)、季均統(tǒng)計數(shù)、年均統(tǒng)計數(shù)進行了規(guī)范。并以包頭某電廠的鍋爐熱效率指標為例進行分析，充分說明了該統(tǒng)計方法的合理性和可操作性。

該統(tǒng)計方法適用于單機容量為50～1000 MW的火力發(fā)電廠燃煤發(fā)電機組節(jié)能指標的統(tǒng)計計算，其他型式和容量等級的機組可參照執(zhí)行?；鹆Πl(fā)電機組節(jié)能指標的統(tǒng)計方法研究可以規(guī)范節(jié)能指標的統(tǒng)計過程與方法，有效推動節(jié)能指標管理體系的進一步完善，不僅有助于節(jié)能指標評價的規(guī)范性開展，同時也為節(jié)能經(jīng)濟性分析與評價、能耗診斷工作的開展起到推動作用。