火力发电厂性能计算与能损分析的研究与实现

国能双鸭山发电有限公司 梁日平

近年来，因为国家计划经济体制和技术创新的因素，很多工厂都比较注重安全生产和发电量管理，而忽略了提高经济效益。随着电力工业改革的深化，用电供需矛盾的逐步缓解，用电社会主义市场化的制度也将逐步建立，厂网分开、竞争上网已成大趋势，在这种趋势下，降低发电成本、提高经济性将成为发电厂的迫切需求。虽然发电中的煤炭消耗也是影响旧发电机成本的主要因素之一，且已成为大量现有旧发电机的主要成本因素。此外，由于缺乏必要的计量和统计手段，我国大部分200MW 以下机组无法有效、准确地计算煤耗和经济效益，存在一定的盲目性，很难按照机组的经济情况指导进行作业以及安装保养和检修。

发电机的特性统计与能损分析方法，是为了解决火电机组正常运行中的经济效益参数计算问题，即明确各项运行条件与部件特性对发电机组经济效益的影响问题，以便揭示发电机组正常运行的经济情况，并提出造成经济效益显著下降的各种因素，为发电机的安全、经济发展提供了参考统计资料与决策依据。在此方面，中国国内学者已作了大量的工作。在以往研究基础上，本文将结合科学研究与开发过程中的经历与心得，重点研究了发电厂性能计量与能损分析中的基准值选择，以及湿蒸焓数值确定等若干特殊问题，并介绍了在线能损分析软件系统的基本架构与实现问题。

1 我国火力发电现状

近年来，中国一直都在大力发展水电资源、核能、风电和太阳能光伏发电技术，相关设施的融资额动辄都是世界最高。使得清洁燃料的占比得到了很大提高，但是因为中国当前的能源格局中“煤炭占比太大”，导致了我国的火力发电量仍然占有主导作用。而随着中国经济社会的蓬勃发展，对水力发电技术的要求也在日益提高，使得中国火电的总发电量一直都在持续攀升，根据统计资料表明，2020年我国的火力发电总量将为52798.7亿kWh，同比增长2.2%。

根据国家统计局发布的2020年水力发电量报告为例，中国全社会实现的总水力发电量约为7.42万亿kWh，同比增加了2.7%。同时，以生物燃料水力发电为首的火力发电总额已高达5.28万亿kWh，约占国内水力发电量比重的71.19%。从国内情况分析，在短期内中国的水力发电类型中生物火力发电比重可能进一步降低，但预计仍是最主要的。

2 火电发电厂性能计算与能损分析的功能概述

发电机性能计量及能损分析的任务是，确认发电机主、辅设备及其热能管理系统正常运转的热经济状态，并定性和定量分析不同工作方法、运行参数对发电机组经济效益的影响程度，包括其管理系统的节约潜力。总的来讲，一种合理的性能估计与能损分析系统，应满足以下几点的功能。

（1）算出当前电厂的机组总热耗量和全厂标准煤耗量等数值。对正在工作的电厂，可根据工作流程中测定的数值，计算出实际工作的热经济性。

（2）找出可控损失项目，并给出这些损失对发电厂经济效益的直接影响，以便于为考核和提高工作管理水平提供理论指导。

（3）指出经济性能较低下的装置，可以获得早期故障预测。通过将热力设备的实际工作数据，与其在正常、健康工作条件下的应有数值加以对比与分析，就能够确定出本装置的工作正常程度，从而掌握由该装置特性改变所引起的热机组经济特性改变的具体方向与幅度。

（4）给出在各种工作条件下全厂的经济效益比较，为检修人员决策提供了重要依据。因此，当工作中某台回热加热器出现故障时，发电厂应对的主要选择方法是把该加热器切断后继续工作至下一个检修期或者及时停止大修呢?在确保安全工作正常的前提下，此问题的本质实际是经济性的比较问题，而判断的基础就应该是选择哪种方式选择最终的经济效益较好。

事实上，目前国内外已有的能损分析系统大多限于此二种功能类型。例如对获得早期故障预警信息的功能来说，由于风力发电设备是一种部件间高度交叉耦合的系统，牵一发而动全身，要辨识出单个的直接影响或某部分特征发生变化的因素是非常不方便的。再次，因为发电机组正处于持续的载荷变动过程中，在任何工况下作为比较基础的健康工况的参数值和选择原则都必须经过仔细研究判断。又例如，要做出在不同行条件下对全厂的技术经济性比较时，定性评价也是可以的，但定性计算时必须给出包括煤价、电费、机械设备和人力耗费、检修周期等详细的技术经济数值，而且实践中进行起来还必须经过多方的协调，因此难度很大。虽然已有上述问题出现，但这更表明了还有许多的基础理论问题和实际研究要作。有理由认为，经过全体技术人员和发电厂科研人员的不懈努力，研制并发展出全方位、深层次的发电机技术特性计算和能损评估的新理论与体系，是指日可待的。

3 实时能损分析的原理及算法探讨

3.1 能损分析中应达值的确定方法

在实际实践中，发电机组绝对的最佳状态往往是很难确认的。这一方面是因为随着服役期限的增长，发电机组和部件的特性都处于不断的改变过程中；而另一方面，又是因为发电机组的工作状态并不惟一，虽然可以在额定载荷下正常工作，但更多的状况下是在变载荷状况下工作。所以由于不同运动技术参数的应达值都并不惟一，就很难确认其绝对值的最好值。所以更为现实的办法就是，选择“实际达到最好值”这个应达值，即现实工作中已经取得的、甚至是在热力实验中，经过精心调整后获得的与发电机组最好性能相对应的运动技术参数。实践运用中，可以采用对多种典型的负荷工况进行多次试验与调整，得到在各种工况下的应达数值当然是最可信、最正确的办法，但在技术条件与经费状况不许可的状况下，还可以选择某些替代的办法。

3.1.1 采用了制造厂提交的设计数据

比如主蒸发水温、锅炉排烟温度、机械的不完全燃烧损失、锅炉排烟温度、排烟热量损失氧含量、再加热蒸汽温度、以及各级回火加热器之间的端差等等，所有参数都是有个确定的方向，越高越好，或者越低越好，但受限于机组的技术特点，其设计参数所代表的都是要求机组达到的一般特性。

3.1.2 采用变工况模型优化算法所得出的优化值

还有主蒸气压、再热蒸气压、真空预器温度、给水温度、排汽压力等。上述参数的最优预测值都是随着发电机组负载状况的改变而发生变化的，所以必须针对当前实际工况条件，通过变工作模式加以综合优化运算求得应达值。当然，变工作模式也必须根据大量的实际运营数据调整，以确保其真实反应发电的机组特性。

3.1.3 参考机组热力试验结果

长时间工作的发电机组，随着性能的渐变，实际最佳工况可以严重背离原始设定数值，所以在确定应达值时，必须尽量依据最近一次的热力测试实测结果。

3.2 以实际行驶工况为基础的误差分析

到目前为止，本文中已探讨到了两种工况，一是机组的实际工况，一是实际工况所对应的理想工况。但对每一种影响效果的运行参数而言，假若理想工况已知，则误差分析也可这么简单实现:简单地以理想工况对应的期望值为参考点，然后根据该参考点，用一定的方法估算单位参数变化引起的单位效率和碳消耗的变化值，然后逐渐乘以单位的参数变化值，可以通过参数单位偏离劳动效率或煤耗的预期值变化规律来实现。目前，中国国内外现有的能损分析系统也大多使用了这个方法，而理想工况的数值都是采用变工况模型统计后得出结果的[1]。

但是，必须说明的是，这些方式可行是有前提的。第一，所选用的理想工况应当和现实工况存在相似性。通常，可有定流量和定功率二个假设。但在实践中，这二个假设都有引起争论的地方。比如，当使用定流量假设时，由于理想工况与现实工况的功率均不相同，因此新汽参数与排汽参数也不一样，各抽汽口的温度也均不一样，两者能否存在可比性?而在使用定功率假设时，又因为进汽流量不相同，因此机组内各部分的性能与定流量差异也是有区别的，所以就具有了一定的不可比性。笔者以为，由于发电煤耗量是根据相对负载大小来说的，所以相对来说，采用定功率假定更合适一点。其次，因为发电机组负载处于持续的变动过程中，所以任意负载对应的理想工况都可以通过将有限的或几个已设定的理想工况都通过变工况计算得到，所以上述方案有效的另一前提就是在整个工况区域内，改变的工况模式应当正确、可信，且机组变工况特性随时间的变化能够忽略或改变。实现这一点也并非完全不可能的事，但无疑必须耗费大量的时间，并累积了足够的运行数据对变工况模拟进行了多次试验与考核。

针对以理想工作为基础的分析方法的困难度与不确定性问题，本章中提出了以实际工作为基础的偏差分析方法。其思路是以反应发电机组实际特性的当前工作为比较基础，把各种值得进行分析的技术参数从当前值中独立调整至理想应达数，将因此获得的发电机组特性的改善视为由于该技术参数不理想所引起的效能及煤耗损失。此方案的好处起码有二条，其一是发电机组的特性并不“丢失”，因为发电机组实际上便是我们的变工作模式;其二是减少了对变工作模式的依赖性，也减少了因为变工作建模不正确而可能产生的偏差。如果说前一个办法着重于解析系统因设计参数偏差理想而产生的“能损”，则后一个办法的着眼点是解析如果对设计参数加以有效优化时的“节能潜力”。

3.3 合理使用了温度压力试验

修正曲线热电厂，在检修后所开展的汽轮机热力特性测试中，绘制了主汽流量—主汽压力—输出功率的关系曲线和主汽流量—主汽温度—输出功率的关系曲线。由于上述曲线在特定时间内很好地反应了机组的热力特性，当分析主蒸气压、主蒸气温度温和排汽最大真空度值误差所带来的能量损失时，就能够直接使用这些曲线拟合方程组，从而求解这些误差值所带来的总体效能变动，以及因此产生的煤耗量变动。这既增加了计算的正确性，也减少了复杂的电脑程序工作。应该说明的是，因为这些曲线都是实际中获取的，而且已经综合了在主要参数改变后产生的其他参数改变所产生的能损，所以该方案虽然并不等同于等效焓减法，不过由于二者运算的出发点是一致的，所以计算结果仍存在矛盾可靠性[2]。

3.4 义务不变的先决条件

目前中国国内外仍保留着不少母管控发电机组。但实行母管控之后，热能控制系统相比于单元控制机变得复杂了很多:除氧器中所加热温度的补给水源来自于母管中，但在升温后又再回到了母管，之后才再加以分配;而供热抽汽系统则是水首先送入母管中，混匀后再输送。母管控下的各台发电机组之间是相互作用的，从汽轮机中提取的热蒸汽，不仅只为自身的给水系统加温，而且还为其他发电机组做出了贡献。为使加热器补给水的热耗和供热热耗合理地分摊给各台汽轮机，以便于最后确认每一个汽轮机的最大温耗，在估计温度力特性和进行能损分析之时，本章还引入了权责恒定的假设，即对连在母管上的每一个汽轮机组件，他们在外所负有的权责都是恒定的，必须保持输出功率为相应的最大功率，并供应相应的热能。在此原则下实现了热力系统的流量估计、热经济指标计量和能损分析，使原来复杂的热力控制系统变得更加清晰明确起来。

4 在线能损分析系统的结构与实现

就中国目前及国内的经济发展方向而言，对机组的在线经济特性分析已成为了支持电站运营管理的必备软件。由于当前不少电厂的计算机监测系统都仅停留在监视功能上，系统的计算能力还不能发挥，因此文中给出了与电厂现有电脑监测系统结合的“外挂式”能损分析系统的结构设计，并基于这一构想研制了实际运用于一百MW 发电机组上的能损分析与控制系统。能损分析系统的数据输入可选择为二种方法。一种方法是将从现场或实际收集的数据在直接输入电厂数据库中的同时，将相应部件直接发送至能量损失分析系统；另一种方法是从发电厂的数据系统读取所有输入数据。在这两种方法中，计算过程所需的所有场外实时数据都从数据库系统中检索。一旦对所有输入数据进行了处理、计算和评估，能量损失分析的计算结果将发送到发电厂的存储和数据管理数据库。计算结果的发布、显示和报告制作全部通过电厂数据库统一完成，以保证标准和格式的统一。很显然，这个“外挂式”结构并不会影响电站原有体系的正常安全运转，且简便易行。程序系统实行了开放性、模块化的设计，脉络清晰，能够在工作流程中进一步扩大和丰富程序的功用，以适应发电厂运营管理工作的新要求。

5 结语

综上所述，能损分析系统能够判断火发电机设备和热能系统运转的热经济情况，并定量分析不同运转方式、运行参数对火发电机组经济效益的影响程度，及其系统的节约能力。使用实时式能损分析系统是现代电厂改善运营管理水平的关键举措，而与计算机监测控制系统相结合的外挂式能损分析系统则是对电厂进行实际能损分析的最简单而安全有效的方式。在使用偏差分析方法分析火电厂热能系统的实际能损情况时，必须综合使用以上各种方式判断影响火发电机组效益的实际运行参数的相对应达值;在测算参数误差对经济效益的影响程度时，选用当前实际运转工况作为测算的基础，就可以最好地反应火发电机组的实际状况;在计算排汽干度时，通过改进计算求解方法能够更准确地模拟发电机组的实际状况。在对母管制机组进行能损分析时，必须坚持义务不变的准则。而根据上述方案研制的适用于100MW 发电机组的能损分析控制系统，可以适应实际生产实践的要求。