火电机组热力系统优化及节能改造研究

火电机组热力系统优化及节能改造研究

宫新宇

（中国能源建设集团黑龙江省火电第一工程有限公司哈尔滨150000）

摘要：随着经济的快速发展，火电机组热力发电系统也在不断的更新完善，以优化结构和节能减排为发展目标。本文基于此从两大部分对火电机组热力系统进行优化及节能改造研究。对国内已完成通流部分改造，而热力系统并没有做出相应的改造的中小型机组进行研究，采用系统工程的思想，将汽轮机、回热系统、辅机等作为一个整体进行综合优化，分别以200MW及125MW机组为研究对象，提出改造方案，以达到进一步提高机组效率。实现指导热力系统的设计和改造的目标。

关键词：火电机组；热力系统；优化；节能

引言

大型燃煤发电厂节能降耗潜力巨大。应用先进技术对传统热力发电系统的技术改造，比如：汽轮机通流改造、变频调速技术的应用、等离子点火、辅机节能改造等，可以取得显著节能效果。与此同时，充分应用现代信息技术、先进控制理论与技术、现代热力学分析方法与节能理论、先进检测与诊断技术等，提高机组的自动化水平，实现全工况节能优化运行控制，也是大型燃煤发电厂节能降耗减排的重要途径。在大规模使用风电、太阳能等新能源的电力系统中，大型燃煤发电机组参与电网的深度调峰，势在必行。从能源安全、技术经济性以及技术条件等角度来考虑，大型燃煤发电机组变工况运行是火力发电厂面对电网的现实需求做出的合理调整，仍然是现有发电方式中最可靠的、必备的承担大范围负荷调节作用的选择。实现大型燃煤发电机组全工况条件下的节能优化控制已经具备基本条件：大型火力发电机组设备制造技术趋于成熟；自动控制系统及设备完备；节能理论及热力学分析方法研究有了新的进展；基于数据的分析方法为节能优化的研究提供了新的途径；现代控制理论研究的进展为大型燃煤发电机组建模与优化控制提供了扎实的基础。

1.火力机组热力系统发展现状

近年来，随着电力体制改革方案的逐步实施，电力企业的思维模式、工作方式、管理体制都面临新的考验，竞争更加激烈。随着电力市场的逐步建立和电力工业体制改革进程的深化，商业化运营已成为我国电力企业改革的方向。五大发电集团的成立揭开了发电侧全面竞争的序幕。竞争机制的引入，使五大发电集团在兴建大型机组的基础上，更加重视提髙原有机组的生产效率，以降低发电成本。如何提髙机组经济性，使机组的各项指标接近设计水平，达到或超过国内同类机组水平，成为各发电企业生产经营的重要课题，只有内部挖潜、节能降耗才能使发电成本降下来，使发电企业处于有利的竞争地位。可见，努力降低火电厂的标准煤耗，对存量机组进行能耗分析，找出其节能潜力，进行节能改造并指导汽轮机组的设计，具有极其深远的意义。

2.火电机组热力系统节能改组具体措施

火力发电机组在设计制造过程中重点保证是额定负荷或者稳定工况下的技术性能指标。机组的运行优化以及控制优化的重点也是针对额定负荷或者稳定工况来实现的。在机组变负荷或者变工况运行过程中，研究节能优化运行和控制以保证机组在全工况达到设计性能指标是重要的研究领域。近年来，人们对火电机组节能优化的研究主要集中在热力系统分析与诊断、节能优化控制等2个方面，具体如下：

2.1热力系统分析与诊断

热力系统分析主要基于热力学分析，通常采用基于第一定律和第二定律的方法。第一定律分析方法以质量平衡和能量平衡来分析系统。主要方法有热平衡法、等效焓降法、循环函数法和矩阵法等。部分研究围绕等效热降法、循环函数法进行。由于实际热力系统的复杂性以及理论方法较强的假设基础，这种局部定量分析方法并没有取得突破性的进展。矩阵分析有很多种变形，包括基于循环函数法思想的矩阵分析和基于等效降法思想的矩阵分析。首次提出了热力系统热经济状态方程汽水分布方程、功率方程及锅炉吸热量方程的概念，从最基本的质量能量平衡出发，推导出普适于热力机组系统结构形式的矩阵方程构建规则。第二定律方法主要用于研究热经济成本，国内王加璇等人对热经济结构理论方法进行了理论和应用研究。

2.2节能优化控制

火力发电机组受控对象具有强烈的耦合、非线性、时变性、大滞后、分布参数等特点，许多基础控制问题例如大滞后的控制问题，通常采用鲁棒控制、时延补偿的方法，也可能釆用人工智能算法，例如：免疫控制。由于热力发电系统严格意义上是一个多变量控制系统，且涉及到多个优化目标，因此，更多的研究者着重研究多目标优化问题，釆用模糊决策预测控制系统是一个被证明有效的方法。除此之外，如何提高常规多变量控制系统（热力发电系统中的机炉负荷控制系统）的鲁棒性，也是多年来长盛不衰的研究方向。常规控制通常注重的是单一控制系统性能指标的优化，现在更多的关注被放在节能优化控制上。通过估计热力发电系统变工况特性，研究构造反映变工况节能优化的指标，建立节能优化控制系统；也有研究者通过引入节能目标，应用设定点调度算法构建监督层，获得宽范围的多目标优化结果，宏观层面上，釆用能源合理计划和分配，应用常规优化方法和技术，实现管理一控制一体化的节能优化。对于火力发电机组的节能优化控制，由于控制变量均为离散变量，因此优化和重构问题均可表示为含有约束条件的非线性组合优化问题，并具有多目标、多极值点、目标函数和约束条件为非线性方程组、目标函数难以由控制变量显式表达等特点，进一步的研究具有重要的理论意义和应用价值。

3.如何有效优化火电机组热力系统

燃煤机组的锅炉燃烧优化问题一直是火电机组优化控制的一个难点问题。传统的燃烧优化方法是正交试验法。正交试验法需要在典型负荷下，对影响因素进行分析和筛选。彻底分析和了解电厂燃烧过程中的物理和热动态性质，是进行燃烧优化的基础。国内外诸多专家和学者也注意到热力学分析、能量平衡分析在电厂燃烧优化中的重要作用，并投入了巨大的力量进行研究。

锅炉燃烧优化的建模方法主要有人工智能建模和统计建模两种。神经网络支持向量机建模方法目前是主流算法，而采用统计建模方法建立燃烧优化模型由于需要统计的数据量巨大，规则众多，目前的实践和成功应用还不多。研究一种级联神经网络对一个火电机组的NCX排放进行建模，重点考虑了煤质和喷燃器个数对NQ排放的影响。使用神经网络模型预测各一次风粉单元生成量、锅炉NCX排放量，网络隐节点数少、泛化能力强、鲁棒性好、学习速度快。借助燃烧特性试验数据，建立了火电厂锅炉燃烧特性的神经网络模型，然后应用遗传算法寻找送风调节系统最佳氧量设定值。提出了高精度的机理与神经网络的组合建模方法，并结合过热器的建模过程对组合建模方法的应用作了阐述。采用双人工神经网络在锅炉燃烧区段对风量和粉量分配建模，使人工神经网络从高维度的有限样本中提取可靠的信息。应用表明双网络模型有较高的可靠性，风量和粉量的合理分配能够改善锅炉运行的经济和环保效益，双网络模型对该过程的推断与现有的知识和经验相符。应用支持向量机算法建立了大型四角切圆燃烧锅炉NCX排放特性模型，结合遗传算法，利用NCX排放的热态实炉。燃烧优化研究的另一个难点在于，当前我国电煤紧张，火电厂的煤质变化很大且频繁，大机组经常处于深度调峰状态，从而引起燃烧优化模型的动态特性变化较大。因此，研究合适的方法解决这个问题也是一个重大挑战。

结语：综上所述，本文对如何做好火电机组热能系统的节能和优化进行讨论，从几个方面进行了论述。就现阶段的火电机组热能系统而言，机组变负荷或者变工况运行过程中，基于机组积累的海量历史数据，运用数据挖掘及其它数据驱动的方法，研究节能优化问题以保证机组在全工况达到设计的性能指标是一个新的研究方向。

参考文献：

[1]刘兴堂，梁炳成，刘九等.复杂系统建模理论、方法与技术[J].科学出版社2017年第2期.