马欣欣
国家电力公司华北电力设计院
2 国外火电厂优化软件情况
从80 年代开始，随着计算机技术和控制理论不断发展，国外火电厂优化软件逐步开始应用，经多年试验、使用、总结和完善，很多软件包已比较成熟，经济效益显著。90 年代，计算机硬、软件发展及更新速度加快，不仅人机界面友好，系统互换性增强，而且随着数据库功能不断完善和开发，各种高级应用软件层出不穷。尤其是近几年，企业管理信息系统(MIS)和企业资源计划(ERP)系统的普遍应用，使得应用于火电厂的优化管理软件有了很大发展和更多应用。迄今为止，国外大部分DCS供货商均开发了数量不等的火电厂优化管理软件，其中功能较完善并有较多应用的软件包有德国Siemens公司的Sienergy系统、美国Elagh Bailey公司的Performer系统及瑞士ABB公司的Optimax系统等。这些软件可按全部软件包一起整包提供，也可按不同需要分包供应，并在国外近几年投产的大型火电厂中均有不同程度的应用。
2.1 Siemens公司的优化软件
德国Siemens公司的优化软件包Sienergy是用于电厂运行管理一体化的软件包，其Sienergy含义具有Siemens的energy系统之意。特点是整个电厂运行和管理全部以降低成本为核心，从燃料、设备运行费用、机组效率及主要部件寿命损耗等多个角度出发，进行综合优化管理。该软件包有很多小的分包，涵盖了机组实时优化控制、系统优化管理、设备维护管理、项目管理、文件管理和各种接口软件，其中较有特点的软件如下。
2.1.1 新机组协调控制(NUC)和凝结水节流控制(COT)模块
NUC采用锅炉侧动态响应仿真，具有对锅炉侧负荷储备能力的预测功能，并采用模糊算法，使机组始终以机跟炉方式运行，系统控制品质和稳定性得到很大提高，在机组负荷变化时减少超调和设备磨损。COT是NUC的可选补充模块，适用于参与调频或负荷变化较频繁的燃煤电厂，当负荷变化时采用凝结水节流方法，使机组在短期内迅速提高功率输出，快速响应负荷变化，减少动态偏差，代替了一般机组主蒸汽节流方法，整个机组效率可提高0.5%～1.0%。该软件包在德国Mannheim电厂(480 MW机组)、韩国Hadong电厂(3×500 MW机组)等多个电厂都已成功运行。
2.1.2 负荷裕度预测模块(VFR)
机组启停及负荷快速变化时，为保证厚壁部件热应力不超出限值，通常测量部件内外壁温差，计算实际热应力和热应力允许值偏差，以限制速度或负荷变化率。实际上，因极大的热滞后性，热应力计算值不能准确反映实际热应力变化，给控制系统稳定性带来隐患。VFR取消了以往常规的测量方法，以数学模型进行计算，更准确、实时地反映了热应力变化情况，极大地缩短了机组启停时间。该软件包已在德国Staudinger电站(500 MW机组)、西班牙Almeria电站(550 MW机组)应用。
2.1.3 机组效率分析优化模块(SR4)
SR4主要用于机组性能和效率分析。它采用对锅炉、汽轮机、热力系统、汽水系统和烟风系统的数学模型进行仿真，从整个电厂运行角度动态分析各设备或系统效率，并考虑了电厂各设备间的热力关系，以图形方式显示设备或系统效率是否降低，并以货币形式反映对运行成本的影响，为运行和管理人员提供了直观、清晰的故障标识。该软件包已在德国Lunen电站(500 MW本生锅炉)和Ibbenburen电站(750 MW本生锅炉)应用。
2.2 Elsag Bailey公司的优化软件
Performer是一个综合的大型优化管理软件包，可根据电厂每个设备、子系统运行情况和电网需求指令，协调指挥整个单元机组或全厂工艺系统运行在最佳效率点，使运行成本和上网电价最低，达到最好的经济效益。其典型软件模块如下。
2.2.1 能量管理模块(ConOpt)
ConOpt能完成混合能量系统的职能优化，对整个电厂负荷分配进行实时优化、短期优化及中期负荷优化预测。它包括4 部分：(1)运行管理，即通过计算和分析，保证机组运行过程中以最小成本生产电能和热能；(2)管理规划，即确定能带来最大经济效益的管理制度；(3)能量控制，即监视、记录能量的消耗，确定设备效率；(4)企业决策规划，即面对环保要求和高投资挑战，提出相应决策建议。
2.2.2 系统性能计算和优化软件(ConVali)
它是电厂效率的有效监视软件，可根据性能计算的数据，对机组性能按投入?产出关系分析和评估所有数据；在不停机情况下，对全厂各部分故障进行跟踪和监视，可检测出多年未发现的热交换器泄漏。
2.2.3 报警和事件管理模块(ConMea)
这是一种模块化结构软件，可对不同DCS数据作集中事件管理。所有累积事件均以统计方式进行集中管理、归档和分析，能进行过程和扰动分析。为更好地分析事件，可选用多种独立的程序模块，用于事件的长期归档、选择和排序、统计评估和各种报告等。
2.3 ABB公司的优化软件
瑞士ABB公司的Optimax是在线的电厂效率计算优化软件包。Optimax是Optimum和maximum的缩写，即最大限度地优化电厂过程，实质是以成本为核心，将机组或整个电厂置于最优状态下运行。
2.3.1 模型为基础的诊断模块(MODI)
Optimax-MODI是一个实时的专家系统，具有专用于电厂的知识库，而且知识库中还包括了故障树，显示不同干扰间的相互影响关系；它逻辑地评估电厂中各设备或系统状态，将过程参数与数学参考模型进行比较，给出偏差并分析原因，检测故障，同时提出纠正措施。通过状态监视和诊断，在故障早期就可为运行和管理人员提供有关故障信息，避免重大事故发生。同时，电厂工程师还可根据运行中得到的最新经验，更新和修改专家系统的知识库，保证专家能跟踪电厂的发展变化和用户的新要求。该模块已在德国Staudinger电站的2 台285 MW机组及Boxberg电厂的2 台500 MW机组、瑞典的Fokrsmark核电站成功应用。
2.3.2 锅炉清洁模块(Boiler Cleanliness)
Optimax的锅炉清洁模块在线计算锅炉热交换面的清洁度及每个换热面入口烟气温度，结果用于优化锅炉吹灰器的运行程序。该软件包具有对流换热器性能模块、上下热交换面性能模块及空气预热器性能模块等多个组态工具。
2.4 Bently公司的旋转机械故障诊断软件包
Bently公司专门用于监视旋转机械工作状态的数据管理系统(DM2000)，通过实时、自动、连续地采集和存储汽轮发电机轴系或其它大型旋转机械(风机、水泵等)的振动振幅和相位等数据，为操作员和工程师提供实时的轴系运行档案；它提供轴系的轴心轨迹图、频谱图、波特图及级联图等多种形式的分析画面和数据，以支持轴系早期故障诊断和预测维修。该软件包在国内大型机组上已有较多应用。
Bently公司的另外一个软件包——机械状态管理系统(MCM2000)是一个实时专家系统，包括一个专门用于旋转机械的知识库和相应推理机。它可根据MCM2000采集到的数据检查旋转机械状态，并根据知识库中存储的Bently公司在旋转机械特性研究方面40 a的经验，对设备进行自动故障诊断和机械信息管理，再给出带有严重程度的故障结果和推荐的改正措施。该软件包的早期产品——专家分析软件(EA)在国内大型机组上已有应用，如深圳西部电厂2×300 MW机组；也即将在安徽平圩电厂2×600 MW机组和河北三河电厂2×350 MW机组上投入使用。
3 国内火电厂优化软件的开发和应用
目前，国内火电厂优化软件的开发和应用还处于初级阶段。国内有能力开发这2类软件的单位不少，有些已做了相当工作，但大多数处于开发研究和试验阶段，真正成熟的、能应用于市场的产品非常少。火电厂实时优化控制软件国内已有一些应用，但未形成真正产品，实际优化效果还需进一步考查和验证。在优化管理软件中也有少量较好的软件，如西安热工研究院开发的汽轮机轴系故障诊断软件包等；机组性能分析和优化软件也已有单位(山东电力试验研究所)做了一些开发和试验研究工作。优化管理软件中有相当一部分模块属MIS范畴，如过程信息统计分析软件、设备管理软件、项目管理软件及文档管理软件等，目前国内一些电厂MIS供应商均可提供。由于缺少相应的实时设备维护、分析及决策软件支持，所以在实际应用中与国外同类软件相比仍有一定差距。
在国外，含有人工智能AI(Artificial Interllegent)技术的工程优化软件一般由应用软件供货商(如DCS供货商)首先采购AI软件平台，再由公司产品开发/研究部门的知识工程师和领域工程师合作开发出某领域(如火电厂)的智能控制软件，并在初期投入运行后经长时间观察和考核，不断改进和完善，使其更加工程实用化，经多次试验最终形成商品软件。在国外，这种优化软件的二次开发一般由DCS供货商完成。国内受现行体制和开发资金约束，能提供优化软件的科研单位往往要从算法、软件平台做起，效率低、速度慢，即“分层养鱼”做得不好，大部分开发、研究工作还停留在学院或实验室阶段。
4 应用前景
4.1 必要性
随着国民经济快速发展，我国电力供需矛盾已逐渐从供方市场转向需方市场，国家电力体制改革进一步深入将促使观念的转变。在电厂及单元机组运行中，厂长、经理关心的问题已不仅是安全、满发，而是机组乃至整个电厂的经济指标，用最少的成本带来最多的效益，同时对设备损害最少。火电厂优化软件的应用将为管理者实现这个目标提供最有力的工具，因为它符合信息时代企业盈利的公式和法则：把信息变成知识，把知识变成决策，把决策变成利润。因此对于我国21世纪大型燃煤电厂，应积极采用先进的优化控制和管理软件，其意义说明如下。
4.1.1 促进观念转变
目前，国内电厂从设计到运行管理都存在重发电、重安全，对机组的经济运行和性能指标关注不够的现象，这与当前电力系统的体制改革和竞价上网、减人增效等宗旨不相适应。火电厂优化控制和管理软件全部以成本核算、经济管理为核心，将原来不可控或不清楚的能量损失全部量化，并帮助进行分析、查找故障，提出节能降耗的优化措施，强化运行和管理人员的经济管理意识，促进观念转变。
4.1.2 提供有力工具
目前国内多数300 MW以上的燃煤机组均配置了DCS，包括一些管理软件功能(机组性能计算等)，但仅限于给出计算结果，不具有偏差分析和指导运行功能。优化软件则提供了多种供生产管理人员分析、管理生产过程的手段和工具。
4.1.3 是MIS和ERP的基础
国内很多电厂都已建设或正在筹备建设MIS。从实际应用情况看，各家MIS供应商的软件覆盖范围和功能差异较大，但共同特点是：有优化管理软件支持的MIS，效果就较好；反之，只能在较低档次上运行，未充分发挥MIS作用。
4.1.4 最大限度地发挥DCS作用
在流程系统中采用DCS使整个系统达到最优，比采用常规仪表约增加70%～80%的投资；而不采用智能控制软件优化过程，增加的效益只有系统最优的10%～20%，即DCS真正的优势并未完全发挥出来，性能/价格比较低。在此基础上只要增加很少的投资，如20%，就可得到约全部收益的70%，大大提高其性能/价格比。
4.1.5 提高专家资源利用率
目前许多优化软件都支持远程通信方式，使远程设备故障诊断、机组性能分析及信息监控功能成为可能。它可充分发挥火电厂及电力系统专家的作用，在机组运行中依靠优化软件提供的功能，对机组性能和设备状态进行异地远程监控和故障分析。专家可在短期内同时处理多个电厂的性能/故障分析，对于偏远地区电厂的重大事故分析具有典型意义。
4.2 技术经济分析
虽然软件包单项价格较高，但从取得的经济效益和回报率看，增加这些初投资是值得的。目前能提供优化软件的DCS供货商均有详细的技术经济分析报告，并已在某些电厂尤其是大容量、自动化水平很高的机组上成功应用，取得了一定经济效益。
根据Siemens提供的资料，该公司带凝结水节流的新机组控制软件包价格约人民币200 万元左右，采用该软件包可提高0.5%～1.0%的机组热效率。由于该软件包对调频机组和负荷频繁变化的机组效益明显，因此假设一台国产300 MW机组年运行6 000 h，发电标准煤耗0.302 7 kg/(kW*h)，机组热效率40.63%，若机组参与电网调频，每年可节煤1 090～2 180 t，煤价若按300 元/t计，可节约燃料费32.7～65.4 万元，3～6 a即可收回初投资；若是带基本负荷并具有一定调峰能力的机组，可望在10～15 a收回投资。又如，Bently公司的DM2000和MCM2000价格分别为1 万美元和4 万美元，全厂可只装1 套软件包，其中对于DM2000还需每台机组增加1 万美元的硬件设备费。目前，这2 个软件包尤其是DM2000，在国内300 MW机组上应用很普遍。
虽然一些优化管理软件所带来的经济和社会效益短期内不会充分显示出来，但从长远利益看，这种科学管理会给电厂带来很大的收益。如性能计算和优化软件可将设备/机组乃至全厂的经济指标详细量化，运行人员可根据操作指导选择最优化的运行方式；设备管理软件通过对各种设备多层次的维护方式，降低损环率，延长使用寿命；能量管理软件不仅可对全厂进行最优负荷分配，降低上网电价，还可通过中、长期负荷预测计划，提前进行统筹安排，优质、高效地响应电网负荷要求，提高电厂信誉和长远竞争力。需说明的是，对于每个工程都应通过限额和优化设计，降低整个电厂造价并提高性能。降低造价不是各专业按各自在工程中所占的百分比等同下降，而是应该随着计算机技术的发展、进步及观念进一步转变，加大热工自动化在整个工程中的投资比例。对于控制系统，要选用性能/价格比优良的硬件，更要在软件的选用上认真研究，加大投入，使机组性能更加优化，管理更加科学、有序。
从发展的观点看，优化软件功能将越来越强，价格会越来越低。以Bently公司的DM2000软件包为例，1996年8月推出的每套价格约1.4 万美元左右，但2 a后该软件包已进行了4 次更新和升级，增加了很多功能，如网络和远程通信等功能，价格却降至每套1 万美元左右，降幅达28%。因此在准备采用优化软件初期，有目的地进口少量几套DCS供货商提供的成熟软件，进行详细考核、分析和比较，对于今后优化软件的国产化和高起点发展非常必要。当然，随着火电厂优化软件包性能/价格比不断提高，尽可能多地采用成熟的、有成功使用经验的优化软件包，是自动化发展的必然趋势。
5 建议
5.1 考察和论证
国外一些优化软件在很多大机组上已有成功的运行经验，随着计算机快速发展，其软件包的功能也在不断完善，且由于主机制造厂的不同，给机组带来的效益也有所差异，尤其是国外优化软件在国产大容量燃煤机组上的应用效果尚待证实。面对国外众多厂家的优化软件，建议国家电力公司或电力工程咨询公司组织有关专家，对效益显著并有较多业绩的优化软件应用情况详细地进行考察、分析和论证，提出推荐采用方案，本着示范、试点的原则，高水平、高起点地采用国外成熟的火电厂优化软件，不再做低水平的重复开发工作。以示范电厂为依托，由DCS供货商全面负责优化软件应用效果，国内有经验的研究单位牵头，参与优化软件应用于国产机组的二次开发工作，通过对示范电厂应用效果的总结、考核、深化乃至完善，形成适合国产大容量燃煤机组商品化的优化软件，全面带动我国大容量火电机组优化软件的应用。
5.2 安装
从国外优化软件运行情况看，较成熟和一致的方案是将全厂的运行和管理划分为3 个层次：最下层是实时控制层，包括各单元机组的实时控制网络和辅助车间的控制网络，其信息主要面向运行操作员；第2层是生产管理层，负责机组和电厂的运行优化和管理，对象是值长、生技部门各专业专工和总工程师等生产管理人员；第3层是经营管理层，负责电厂经营和行政管理，对象为采购人员、财务人员、厂长和各种职能管理部门人员。
机组的实时优化控制软件一般安装在单元机组的DCS服务器或控制器上，每台机组装设1 套；优化管理软件中的能量管理软件安装在生产管理层的单独服务器，而优化管理软件中的性能计算和优化软件、过程信息统计分析软件、设备管理软件等也安装在生产管理层的服务器；只有人事、财务、采购和办公自动化软件等安装在经营管理层。生产管理层和经营管理层的软件包全厂只装设1 套。
国内电厂网络结构和功能层次划分与此有很大差异。一般电厂除实时控制系统由DCS实现外，过程信息统计分析软件、设备管理软件、人事、财务、采购和办公自动化软件等，均设置在MIS中，而性能计算的功能一般由单元机组DCS完成。相比之下，目前国外这种运行和管理层次的划分可能更合理。国内很多电厂已经或正在建设的MIS，绝大多数以管理信息交换和共享为核心；国外越来越多的电厂采用ERP管理模式，其重心已不仅是管理信息的交换和共享，而是依靠多种高级优化、管理和决策软件的支持，对全厂进行全方位的、以成本为核心的控制和管理。因此，建议参照国外火电厂普遍采用的优化软件安装方案，即优化控制软件安装在实时控制层——单元机组DCS中，优化管理软件安装在生产管理层。
6 结束语
当今时代的知识经济高速发展，各学科不断吸收新技术且互相渗透。火电厂的控制和管理也在不断发展，其边界越来越模糊，控制的含义不再是狭义的过程参数实时控制，而是有了更广义的扩展，包括机组运行优化控制、设备采购控制、成本控制及效益控制等多方位和层次控制。实时控制系统也只有在更深层次的管理软件支持下，才能达到最佳的优化运行点。随着自动化技术进一步发展，将彻底消除“自动孤岛”现象，火电厂的厂级自动化将达到真正意义上的管控一体化。火电厂全面采用优化软件必将推动我国大容量火电机组达到真正意义的节能降耗、提高效益，全面接受市场挑战，这也是21世纪电厂自动化的发展方向。
参考文献
1 金以慧.过程控制.北京：清华大学出版社，1993
2 孙增圻.智能控制理论与技术.北京：清华大学出版社，1993
3 王常力，廖道文.集散型控制系统的设计与应用.北京：清华大学出版社，1993
4 徐用懋.智能控制综述.全国第一届智能控制研讨会论文集，1998
|
网友评论：（只显示最新10条。评论内容只代表网友观点，与本站立场无关！）
