兼顧能耗與環(huán)保的燃煤機組特性曲線獲取方法

作者簡介：劉永江(1977-)，男，內(nèi)蒙古人，內(nèi)蒙古電力科學研究院正高級工程師通訊作者：龍建平(1981-)，男，湖南攸縣人，湖南大唐先一科技有限公司工程師，E-mail：37340260@兼顧能耗與環(huán)保的燃煤機組特性曲線獲取方法劉永江1，禾志強1，張志勇1，龍建平2(1.內(nèi)蒙古電力科學研究院，呼和浩特010021;2.湖南大唐先一科技有限公司，長沙410007)摘要：為實時掌握綜合反映燃煤機組能耗及環(huán)保排放水平的特性，構(gòu)建了考慮機組供電煤耗與大氣污染物排放績效的綜合指標計算模型，提出了基于數(shù)據(jù)挖掘的兼顧能耗與環(huán)保的燃煤機組特性曲線的獲取方法，并以1000MW超超臨界燃煤機組為例進行了驗證和應(yīng)用分析。結(jié)果表明：基于數(shù)據(jù)挖掘的兼顧能耗與環(huán)保的燃煤機組特性曲線能真實反映機組本身的節(jié)能減排特性，且隨機組特性變化而變化，其為實現(xiàn)機組之間進行綜合排序提供了便利。關(guān)鍵詞：燃煤機組；供電煤耗；排放績效；數(shù)據(jù)挖掘；特性曲線中圖分類號：X773文獻標志碼：AAcquisitionMethodofCharacteristicCurveofCoal-firedUnitConsideringEnergyConsumptionandEnvironmentalProtectionLIUYong-jiang1,HEZhi-qiang1,ZHANGZhi-yong1,LONGJian-ping2(1.InnerMongoliaElectricPowerResearchInstitute,Hohhot,InnerMongolia,China，PostCode：010021;2.DatangXianyiTechnologyCo.,Ltd.,Changsha,Hunan,China，PostCode：410007)Abstract:Inordertomonitorthecharacteristicsofcomprehensivereflectionofenergyconsumptionandenvironmentalprotectionemissionlevelofcoal-firedunitsinrealtime,acomprehensiveindexcalculationmodelconsideringthepowersupplycoalconsumptionofunitsandtheemissionperformanceofairpollutantsisconstructed.Basedondatamining,amethodofobtainingthecharacteristiccurveofcoal-firedunitconsideringbothenergyconsumptionandenvironmentalprotectionisproposed,anda1000MWultrasupercriticalcoal-firedunitistakenasanexampleforverificationandapplicationanalysis.Theresultsshowthatthecharacteristiccurveofcoal-firedunitconsideringenergyconsumptionandenvironmentalprotectionbasedondataminingcantrulyreflecttheenergy-savingandemissionreductioncharacteristicsoftheunititself,andchangewiththecharacteristicsoftheunit,whichprovidesconvenienceforthecomprehensivesequencingbetweenunits.Keywords:coal-firedunit,coalconsumptionrate,emissionperformance,datamining,characteristiccurve引言為進一步提升煤電高效清潔發(fā)展水平，國家發(fā)展改革委、國家能源局等部門制定了《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014-2020）》，其中對現(xiàn)役燃煤機組、新建燃煤機組的供電煤耗及大氣污染物排放濃度限值進行了明確，提出了嚴格要求。由此可見，國家對煤電節(jié)能減排的高度關(guān)注。為了貫徹和落實國家政策，助力節(jié)能減排目標的達成，除了對設(shè)備進行節(jié)能減排改造之外，還有必要利用計算機技術(shù)和信息化手段實時掌握機組的實測能耗及環(huán)保排放水平，為運行優(yōu)化調(diào)整、節(jié)能發(fā)電調(diào)度等提供數(shù)據(jù)支撐，從而為提升節(jié)能減排效果添磚加瓦[1][2]。但當前能耗和環(huán)保都是分項評價，電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)或政府部門對機組進行綜合評價或排序存在一定困難。為此，本文提出了兼顧能耗與環(huán)保的燃煤機組特性曲線的獲取方法。指標計算燃煤機組的能耗與環(huán)保排放水平可通過單位能耗及環(huán)保排放績效來表征。考慮到監(jiān)管及實時性等要求，當前只選取煙塵、SO2及NOx作為監(jiān)測對象。隨著后續(xù)檢測技術(shù)及監(jiān)管要求的提高，可加入其它污染物。供電煤耗為了實現(xiàn)在線計算，采用反平衡法計算供電煤耗，其計算公式如下：（1）式中：為供電煤耗，；為汽機熱耗率，；為鍋爐熱效率，；為管道效率，，通常取99；為發(fā)電廠用電率，；為標準煤發(fā)熱量29307的1/1000；為單位換算系數(shù)[3]。發(fā)電廠用電率可通過廠用變有功功率與機組有功功率實時計算出來，因此，供電煤耗計算主要在于鍋爐熱效率及汽機熱耗率的計算。（1）鍋爐熱效率為了更準確地計算鍋爐熱效率，采用反平衡法計算鍋爐熱效率（基準溫度采用送風機入口空氣溫度）[4]，計算公式如下：（2）式中:為鍋爐熱效率，%；為排煙熱損失，%；為可燃氣體未完全燃燒熱損失，%；為固體未完全燃燒熱損失，%；為鍋爐散熱熱損失，%；為灰渣物理顯熱熱損失，%。（2）汽機熱耗率參照《GB/T8117.2-2008電站汽輪機熱力性能驗收試驗規(guī)程》，以汽輪機本體、凝汽設(shè)備、凝結(jié)水及給水系統(tǒng)等看作一整體[5]，如下圖所示。圖1汽輪機本體及輔助設(shè)備和系統(tǒng)輸入輸出能量示意圖Fig.1Inputandoutputenergydiagramofsteamturbinebodyandauxiliaryequipmentandsystem根據(jù)實測的壓力、溫度計算出焓值，結(jié)合瞬時流量，可得各對象的瞬時能量?？紤]到主蒸汽流量的準確性問題，對其進行特殊處理，用除氧器入口凝結(jié)水流量代替。通過能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律，即可計算出汽輪機熱耗量，然后計算出汽機熱耗率如下式所示[6]。（3）式中：為熱耗率，；為熱耗量，，其等于單位小時的輸入熱量與輸出熱量之差；為發(fā)電機輸出有功功率，。環(huán)保排放績效煙塵、SO2及NOx的排放績效是指每發(fā)一度電所排放的煙塵、SO2及NOx的量，其可體現(xiàn)大氣污染物的排放水平[7][8]，其計算公式如下：（4）（5）（6）式中：、、分別為煙塵、SO2、NOx的排放績效，；、、分別為煙塵、SO2、NOx的排放濃度，；為煙囪入口煙氣流量，；為發(fā)電機輸出有功功率，。能耗與環(huán)保綜合指標為減化計算及便于機組之間進行比較，對煙塵、SO2及NOx排放績效指標分別設(shè)置權(quán)重系數(shù)，將供電煤耗及環(huán)保績效指標統(tǒng)一為一個綜合指標，如下式所示：（7）式中：為燃煤機組能耗與環(huán)保綜合指標，，其數(shù)值越小越好；為供電煤耗，；、、分別為煙塵、SO2、NOx的排放績效，；、、分別為煙塵、SO2及NOx的排放績效權(quán)重系數(shù)，默認為對應(yīng)的污染當量值2.18、0.95、0.95、的倒數(shù)，用戶可根據(jù)監(jiān)測對象數(shù)量及其污染物排放情況進行手工修改權(quán)重系數(shù)。數(shù)據(jù)處理為了保證數(shù)據(jù)的準確性、減少計算機的數(shù)據(jù)計算量及方便數(shù)據(jù)擬合，須對數(shù)據(jù)進行處理，主要包括數(shù)據(jù)預篩選、穩(wěn)定工況判定、數(shù)據(jù)重算及數(shù)據(jù)聚類分析。穩(wěn)定工況判別由于鍋爐及其他壓力容器存在蓄熱，機組在負荷發(fā)生變化時，可能存在輸入輸出熱量的不平衡，從而導致某些參數(shù)的當前值出現(xiàn)偏差甚至失真，為了剔除此類不穩(wěn)定工況，引入了穩(wěn)定工況判別功能，從而確保機組的能耗與環(huán)保指標值均來自于穩(wěn)定工況。參照《GB/T10184-2015電站鍋爐性能試驗規(guī)程》和《GB/T8117.2-2008汽輪機熱力性能驗收試驗規(guī)程》，并結(jié)合機組反平衡煤耗計算的特點，選取重要的初、終參數(shù)作為判定條件，通過判定一定周期數(shù)內(nèi)，測點數(shù)值的變化范圍或變化幅度來達到判別當前工況穩(wěn)定與否的目的[9]。根據(jù)應(yīng)用經(jīng)驗，可設(shè)置工況穩(wěn)定判別條件及標準如表1所示：表1穩(wěn)定工況判別條件及標準Tab.1Thediscriminationconditionsandcriteriaofsteady-state序號參數(shù)名稱判定周期允許變化范圍1有功功率/MW前后10min<3%2主汽流量/t·h-1前后10min<2.5%3主汽壓力/MPa前后10min<2.5%4主汽溫度/℃前后5min<7.5℃5再熱汽溫度/℃前后5min<7.5℃6凝結(jié)水流量/t·h-1前后5min<1.25%7最終給水溫度/℃前后5min<5℃8排煙溫度/℃前后10min<10℃9排煙氧量/%前后10min<2%10排汽壓力/kPa前后10min<1.25%數(shù)據(jù)預篩選電廠傳感器及計量裝置時常工作在高溫、振動或腐蝕等惡劣環(huán)境之下，導致測點數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)偏差甚至失真。為了確保能耗與環(huán)保指標計算的數(shù)據(jù)準確性，應(yīng)對煤耗及環(huán)保關(guān)聯(lián)的原始測點數(shù)據(jù)進行判別和篩選。通常采用的方法有：粗范圍檢驗通過設(shè)置測點數(shù)據(jù)的高限與低限，當數(shù)據(jù)越過高限或低限時，認定測點數(shù)據(jù)異常，從而實現(xiàn)對測點數(shù)據(jù)質(zhì)量的初級診斷。改進的53H法檢驗計算最近30個周期數(shù)據(jù)的平均值和標準差，通過標準差與設(shè)定的不確定度進行比較，從而檢驗測點是否拉直線或存在突變。冗余檢驗對于如汽包水位、背壓等測點數(shù)量大于等于3時，可采取冗余檢驗。通過計算計算各冗余測點的平均值、標準差和偏差積，從而達到排除冗余測點中的異常測點數(shù)據(jù)參與計算的目的。相關(guān)點檢驗利用生產(chǎn)工藝流程中參數(shù)之間存在關(guān)聯(lián)性的特點，通過一個測點的數(shù)值或設(shè)計值對另一個測點數(shù)值進行校驗的方法。由于關(guān)聯(lián)性一般為經(jīng)驗數(shù)據(jù)，因此只能進行粗略檢驗[10][11]?？紤]測量裝置的性質(zhì)及工藝特點，選擇合適的數(shù)據(jù)處理范圍，通過組合運用以上幾種數(shù)據(jù)預處理方法對工況進行初步篩選，以保證參與計算的工況的測點數(shù)據(jù)全部正常，從而為能耗與環(huán)保性能指標計算奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)重算主要考慮到在計算鍋爐的熱損失時，、、、的計算式中用到了煤質(zhì)或灰渣化驗結(jié)果數(shù)據(jù)，收到基低位發(fā)熱量、水分等煤質(zhì)指標及灰渣化驗存在滯后性，因此，需要支持數(shù)據(jù)的重算。即根據(jù)煤燃燒及灰渣產(chǎn)生的時間段及化驗結(jié)果，對鍋爐效率、供電煤耗及綜合指標進行重新計算，以使其更加準確。數(shù)據(jù)聚類分析聚類分析是以相似性為基礎(chǔ)，對數(shù)據(jù)集進行聚類劃分，是一種無監(jiān)督學習方法?；贙-均值聚類（K-meansclustering）簡單快速的特點，本文選擇其用于機組特性曲線特征點的獲取。它是以歐式距離作為相似性指標，對于給定的樣本集，按照樣本之間的距離劃分為K個簇。通過不斷的迭代計算使簇間的距離盡量大，簇內(nèi)各數(shù)據(jù)到聚類中心的平方和最小，其計算公式如下：（8）式中：為各數(shù)據(jù)到聚類中心的距離；為第簇的樣本數(shù)據(jù)；是簇的均值向量，為聚類中心[12][13]。對簇內(nèi)各樣本數(shù)據(jù)根據(jù)屬性分別求算術(shù)平均值，即可得到對應(yīng)特征點值。機組特性曲線獲取為了獲得準確反映機組能耗與環(huán)保排放水平的特性曲線，需要經(jīng)過以下過程：根據(jù)機組運行實際情況，確定數(shù)據(jù)范圍，一般要求至少包含最低穩(wěn)燃負荷至額定負荷的典型工況，工況數(shù)越多越好。對各工況進行穩(wěn)定判別，并對穩(wěn)定工況下的參數(shù)進行數(shù)據(jù)預篩選，經(jīng)篩選得到各典型工況下的參數(shù)序列；對各典型工況下的數(shù)據(jù)進行計算及重算，得到典型工況下的供電煤耗、環(huán)保排放績效以及關(guān)聯(lián)的工況參數(shù)值。運用數(shù)據(jù)挖掘算法如K-Means,對典型工況下供電煤耗、環(huán)保排放績效以及對其影響較大影響甚至起決定作用的數(shù)據(jù)進行聚類分析，并生成聚類結(jié)果。根據(jù)聚類結(jié)果，以負荷或?qū)ν夤崃髁康葘δ芎暮铜h(huán)保排放績效有較大影響甚至起決定作用的參數(shù)作為自變量，以能耗與環(huán)保綜合指標作為因變量，進行多項式擬合，從而得到目標曲線，其流程圖如下：圖2機組特性曲線獲取流程Fig.2Thecharacteristiccurveacquisitionprocessofcoal-firedunits隨著機組運行，工況參數(shù)不斷積累和更新，重復上述過程，對曲線進行持續(xù)修正，從而得到兼顧能耗與環(huán)保的燃煤機組特性曲線。以某超低排放1000MW超超臨界燃煤機組近半年運行數(shù)據(jù)為例，其經(jīng)K-Means聚類分析后，得到典型工況下機組的能耗、大氣污染物排放績效及綜合指標如下表所示：表2某臺1000MW燃煤機組典型工況下能耗、大氣污染物排放績效及綜合指標Tab.2Energyconsumption,airpollutantemissionperformanceandcomprehensiveindexofa1000MWcoal-firedunitundertypicalconditions工況負荷/MW供電煤耗/g·(kWh)-1大氣污染物排放績效/g·(kWh)-1綜合指標

/g·(kWh)-1SO2NOX煙塵11002.7282.73283.062952.16283.83284.163872.4285.54285.854768.22288.43288.755679.3292.63293.006579.6295.94296.297515299.54299.938486.7303.74304.139402.1307.35307.78根據(jù)機組A修后性能試驗報告得到1001.5、752.3、502.1的供電煤耗分別為：283.25、288.72、305.17，將其分別與工況1、4、7的供電煤耗進行對比，可以發(fā)現(xiàn)偏差主要發(fā)生在低負荷段，但其均在誤差允許范圍之內(nèi)。經(jīng)分析，偏差產(chǎn)生的原因主要是低負荷段工況較少且工況參數(shù)較高負荷段參數(shù)會有些波動。根據(jù)歷史一段時間內(nèi)機組的發(fā)電量及大氣污染物排放量數(shù)據(jù)，可得各大氣污染物排放績效指標平均值。經(jīng)與上表比對，可得到上表數(shù)據(jù)基本準確。由上可知，根據(jù)式（7）可得到綜合指標值如上表所示。經(jīng)曲線擬合，從而得到兼顧能耗與環(huán)保的機組特性曲線關(guān)系式如下：（9）式中：為燃煤機組能耗與環(huán)保綜合指標，；為機組負荷，。其特性曲線如下：圖3某臺1000MW超超臨界燃煤機組特性曲線獲取結(jié)果Fig.3Characteristiccurveofa1000MWultrasupercriticalcoal-firedunit應(yīng)用分析為了盡量客觀地評價機組的節(jié)能減排水平，某電網(wǎng)公司對調(diào)管范圍內(nèi)的機組分不同容量等級并以實際煤耗與煤質(zhì)校正后的設(shè)計煤耗之間的偏差由小到大進行排序，排名靠前的機組表示節(jié)能減排效果好，運行及設(shè)備管理水平較高，反之，節(jié)能減排效果偏弱，運行及設(shè)備管理水平不高。某電網(wǎng)公司某年7月9臺1000MW機組（90%負荷率以上）的煤耗偏差及排序如下表所示：表3某電網(wǎng)公司某年7月9臺1000MW機組（90%負荷率以上）的煤耗偏差及排序Tab.3Coalconsumptiondeviationandsequencingof91000MWunits(above90%loadrate)inapowergridcompanyinJulyofayear機組名煤耗/g·(kWh)-1排序?qū)嶋H值設(shè)計值偏差A#278.96281.5-2.541B#279.53281.8-2.272C#281.07281.6-0.535D#278.81280.2-1.393E#280.47281.8-1.334F#281.71281.70.016G#282.62281.31.327H#283.62281.62.029I#283.13281.51.638雖然降低煤耗能降低大氣污染物排放，但它不能完全反映環(huán)保設(shè)施的運行和管理水平。為了解決上述難題，采用兼顧能耗與環(huán)保的特性曲線對應(yīng)負荷段的值減去對應(yīng)的設(shè)計煤耗，得到結(jié)果數(shù)據(jù)如下表所示：表4某電網(wǎng)公司某年7月9臺1000MW機組（90%負荷率以上）的綜合排序Tab.4Comprehensivesequencingof91000MWunits(above90%loadrate)inapowergridcompanyinJulyofayear機組名曲線值

/g·(kWh)-1煤耗設(shè)計值

/g·(kWh)-1偏差排序A#279.22281.5-2.281B#279.78281.8-2.022C#282.23281.60.636D#279.14280.2-1.064E#280.71281.8-1.093F#281.92281.70.225G#282.86281.31.567H#283.83281.62.239I#283.39281.51.898各機組大氣污染物排放績效詳情如下表所示：表5某電網(wǎng)公司某年7月9臺1000MW機組（90%負荷率以上）的大氣污染物排放績效Tab.5Airpollutantemissionperformanceof91000MWunits(above90%loadrate)inapowergridcompanyinJulyofayear機組名大氣污染物排放績效/g·(kWh)-1合計煙塵SO2NOXA#0.260.010.090.15B#0.250.020.090.14C#1.160.010.370.77D#0.330.010.120.19E#0.240.010.110.11F#0.210.010.090.10G#0.240.010.100.12H#0.210.020.080.11I#0.260.010.110.14由上表可知，在考慮了環(huán)保因素后，排名發(fā)生了一些變化。D#機組比E#機組在煤耗偏差上略占優(yōu)勢，但由于大氣污染物排放績效相對偏高，其排名與E#機組交換了位置；C#機組由于未進行超低改造，雖然其也滿足環(huán)保排放要求，但其大氣污染物排放績效是超低改造機組的四倍左右，其名次下降了一位。試點應(yīng)用后，用戶反饋考慮環(huán)保因素的排序方法能更好地反映機組的節(jié)能減排水平，可為節(jié)能優(yōu)化調(diào)度提供重要數(shù)據(jù)參考。結(jié)語提出的考慮燃煤機組供電煤耗與大氣污染物排放績效的綜合指標計算模型及特性曲線獲取方法經(jīng)實例驗證，最大偏差發(fā)生在機組50%負荷率時，偏差值約為1.5%，其精度能滿足工程應(yīng)用要求。將曲線應(yīng)用于機組之間排序，比單純按供電煤耗排序能更準確地反映機組的節(jié)能減排水平，其為機組的節(jié)能優(yōu)化調(diào)度提供了數(shù)據(jù)參考。參考文獻：[1]曾多,郝杰勇,朱猛,程峰.亞臨界煤電機組節(jié)能減排一體化改造方案[J].重慶電力高等?？茖W校學報，2017,22(6):36-37.ZENGDuo,HAOJie-yong,ZHUMeng,etal.AStudyontheintegratedschemeofrenovationofenergyconservationandemissionreductionforthesubcriticalcoal-poweredunit[J].JournalofChongqingElectricPowerCollege,2017,22(6):36-37.[2]國家發(fā)展改革委,環(huán)境保護部,國家能源局.煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014-2020年)[EB/OL].(2014-09-12)[2018-07-07]./gzdt/201409/t20140919_626240.html.NationalDevelopmentandReformCommission,MinistryofEnvironmentalProtectionofPeople’sRepublicofChina,NationalEnergyBoard.Coal-firedenergy-savingemissionreductionupgradeandtransformationplanofaction(2014-2020).[EB/OL].(2014-09-12)[2018-07-07]./gzdt/201409/t20140919_626240.html.[3]周華松,林英明.廣東省節(jié)能調(diào)度煤耗在線監(jiān)測系統(tǒng)測量參數(shù)偏差對煤耗計算的影響[J].廣東電力,2012,25(7):72-73.ZHOUHua-song,LINYing-min.EffectofmeasuredparameterdeviationoncalculationofGuangdongcoalconsumptioninon-linecoalconsumptionmonitoringsystemforenergy-savingdispatch[J].GuangdongElectricPower,2012,25(7):72-73.[4]江平,陳標,羅嬋純,等.基于實測煤耗的節(jié)能發(fā)電調(diào)度系統(tǒng)構(gòu)建及應(yīng)用[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2015,34(8):111-112.JIANGPing,CHENBiao,LUOChan-chun,etal.Constructionandapplicationofenergy-savinggenerationdispatchingsystembasedonactualcoalconsumption[J].TechniquesOfAutomationApplications,2015,34（8）:111-112.[5]付昶.火電機組“熱耗率”定義綜述[J].熱力發(fā)電,2016,45(8):1-5.FUChang.Definitionreviewofheatrateinthermalpowerplantevaluation[J].ThermalPowerGeneration,2016,45(8):1-5.[6]芮嘉敏.火電機組運行性能在線計算方法研究及系統(tǒng)實現(xiàn)[D].南京:東南大學,2017.RUIJia-min.Researchofon-linecalculationmethodforthermalpowerunitoperationperformanceandsoftwaresystem[D].Nanjing:SoutheastUniversity,2017.[7]馬大衛(wèi),代海濤,朱仁斌,等.基于在線監(jiān)測的煤電大氣污染物排放研究[J].環(huán)境科學與技術(shù),2017,40(S2):217-218.MADa-wei,DAIHai-tao,ZHURen-bin,etal.Studyontheemissionofairpollutantsincoal-firedunitsonthebasisofon-linemonitoring[J].EnvironmentalScience&Technology,2017,40(S2):217-218.[8]張瑋,白金.排放績效在火電行業(yè)大氣污染物排放總量核定中的應(yīng)用分析[J].環(huán)境與發(fā)展,2015,27(2):11-13.ZhangWei,BaiJin.Theapplicationanddiscussionofperformancemethodofcoalfiredpowergenerationindustryinpollutantemissioncalculating[J].EnvironmentandDevelopment,2015,27(2):11-13.[9]文雯,劉文哲,肖祥武,等.基于大數(shù)據(jù)和并行隨機森林算法火電機組供電煤耗計算模型[J].熱力發(fā)電,2018,47(9):10-11.WENWen,LIUWen-zhe,