2　國外火電廠優(yōu)化軟件情況
　　從80年代開始，隨著計算機技術(shù)和控制理論不斷發(fā)展，國外火電廠優(yōu)化軟件逐步開始應用，經(jīng)多年試驗、使用、總結(jié)和完善，很多軟件包已比較成熟，經(jīng)濟效益顯著。90年代，計算機硬、軟件發(fā)展及更新速度加快，不僅人機界面友好，系統(tǒng)互換性增強，而且隨著數(shù)據(jù)庫功能不斷完善和開發(fā)，各種高級應用軟件層出不窮。尤其是近幾年，企業(yè)管理信息系統(tǒng)(MIS)和企業(yè)資源計劃(ERP)系統(tǒng)的普遍應用，使得應用于火電廠的優(yōu)化管理軟件有了很大發(fā)展和更多應用。迄今為止，國外大部分DCS供貨商均開發(fā)了數(shù)量不等的火電廠優(yōu)化管理軟件，其中功能較完善并有較多應用的軟件包有德國Siemens公司的Sienergy系統(tǒng)、美國ElaghBailey公司的Performer系統(tǒng)及瑞士ABB公司的Optimax系統(tǒng)等。這些軟件可按全部軟件包一起整包提供，也可按不同需要分包供應，并在國外近幾年投產(chǎn)的大型火電廠中均有不同程度的應用。
2.1　Siemens公司的優(yōu)化軟件
　　德國Siemens公司的優(yōu)化軟件包Sienergy是用于電廠運行管理一體化的軟件包，其Sienergy含義具有Siemens的energy系統(tǒng)之意。特點是整個電廠運行和管理全部以降低成本為核心，從燃料、設備運行費用、機組效率及主要部件壽命損耗等多個角度出發(fā)，進行綜合優(yōu)化管理。該軟件包有很多小的分包，涵蓋了機組實時優(yōu)化控制、系統(tǒng)優(yōu)化管理、設備維護管理、項目管理、文件管理和各種接口軟件，其中較有特點的軟件如下。
2.1.1　新機組協(xié)調(diào)控制(NUC)和凝結(jié)水節(jié)流控制(COT)模塊
NUC采用鍋爐側(cè)動態(tài)響應仿真，具有對鍋爐側(cè)負荷儲備能力的預測功能，并采用模糊算法，使機組始終以機跟爐方式運行，系統(tǒng)控制品質(zhì)和穩(wěn)定性得到很大提高，在機組負荷變化時減少超調(diào)和設備磨損。COT是NUC的可選補充模塊，適用于參與調(diào)頻或負荷變化較頻繁的燃煤電廠，當負荷變化時采用凝結(jié)水節(jié)流方法，使機組在短期內(nèi)迅速提高功率輸出，快速響應負荷變化，減少動態(tài)偏差，代替了一般機組主蒸汽節(jié)流方法，整個機組效率可提高0.5～1.0。該軟件包在德國Mannheim電廠(480MW機組)、韓國Hadong電廠(3×500MW機組)等多個電廠都已成功運行。
2.1.2　負荷裕度預測模塊(VFR)
　　機組啟停及負荷快速變化時，為保證厚壁部件熱應力不超出限值，通常測量部件內(nèi)外壁溫差，計算實際熱應力和熱應力允許值偏差，以限制速度或負荷變化率。實際上，因極大的熱滯后性，熱應力計算值不能準確反映實際熱應力變化，給控制系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來隱患。VFR取消了以往常規(guī)的測量方法，以數(shù)學模型進行計算，更準確、實時地反映了熱應力變化情況，極大地縮短了機組啟停時間。該軟件包已在德國Staudinger電站(500MW機組)、西班牙Almeria電站(550MW機組)應用。
2.1.3　機組效率分析優(yōu)化模塊(SR4)
　　SR4主要用于機組性能和效率分析。它采用對鍋爐、汽輪機、熱力系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)和煙風系統(tǒng)的數(shù)學模型進行仿真，從整個電廠運行角度動態(tài)分析各設備或系統(tǒng)效率，并考慮了電廠各設備間的熱力關(guān)系，以圖形方式顯示設備或系統(tǒng)效率是否降低，并以貨幣形式反映對運行成本的影響，為運行和管理人員提供了直觀、清晰的故障標識。該軟件包已在德國Lunen電站(500MW本生鍋爐)和Ibbenburen電站(750MW本生鍋爐)應用。
2.2　ElsagBailey公司的優(yōu)化軟件
　　Performer是一個綜合的大型優(yōu)化管理軟件包，可根據(jù)電廠每個設備、子系統(tǒng)運行情況和電網(wǎng)需求指令，協(xié)調(diào)指揮整個單元機組或全廠工藝系統(tǒng)運行在最佳效率點，使運行成本和上網(wǎng)電價最低，達到最好的經(jīng)濟效益。其典型軟件模塊如下。
2.2.1　能量管理模塊(ConOpt)
　　ConOpt能完成混合能量系統(tǒng)的職能優(yōu)化，對整個電廠負荷分配進行實時優(yōu)化、短期優(yōu)化及中期負荷優(yōu)化預測。它包括4部分：(1)運行管理，即通過計算和分析，保證機組運行過程中以最小成本生產(chǎn)電能和熱能；(2)管理規(guī)劃，即確定能帶來最大經(jīng)濟效益的管理制度；(3)能量控制，即監(jiān)視、記錄能量的消耗，確定設備效率；(4)企業(yè)決策規(guī)劃，即面對環(huán)保要求和高投資挑戰(zhàn)，提出相應決策建議。
2.2.2　系統(tǒng)性能計算和優(yōu)化軟件(ConVali)
　　它是電廠效率的有效監(jiān)視軟件，可根據(jù)性能計算的數(shù)據(jù)，對機組性能按投入?產(chǎn)出關(guān)系分析和評估所有數(shù)據(jù)；在不停機情況下，對全廠各部分故障進行跟蹤和監(jiān)視，可檢測出多年未發(fā)現(xiàn)的熱交換器泄漏。
2.2.3　報警和事件管理模塊(ConMea)
　　這是一種模塊化結(jié)構(gòu)軟件，可對不同DCS數(shù)據(jù)作集中事件管理。所有累積事件均以統(tǒng)計方式進行集中管理、歸檔和分析，能進行過程和擾動分析。為更好地分析事件，可選用多種獨立的程序模塊，用于事件的長期歸檔、選擇和排序、統(tǒng)計評估和各種報告等。
2.3　ABB公司的優(yōu)化軟件
　　瑞士ABB公司的Optimax是在線的電廠效率計算優(yōu)化軟件包。Optimax是Optimum和maximum的縮寫，即最大限度地優(yōu)化電廠過程，實質(zhì)是以成本為核心，將機組或整個電廠置于最優(yōu)狀態(tài)下運行。
2.3.1　模型為基礎的診斷模塊(MODI)
　　Optimax-MODI是一個實時的專家系統(tǒng)，具有專用于電廠的知識庫，而且知識庫中還包括了故障樹，顯示不同干擾間的相互影響關(guān)系；它邏輯地評估電廠中各設備或系統(tǒng)狀態(tài)，將過程參數(shù)與數(shù)學參考模型進行比較，給出偏差并分析原因，檢測故障，同時提出糾正措施。通過狀態(tài)監(jiān)視和診斷，在故障早期就可為運行和管理人員提供有關(guān)故障信息，避免重大事故發(fā)生。同時，電廠工程師還可根據(jù)運行中得到的最新經(jīng)驗，更新和修改專家系統(tǒng)的知識庫，保證專家能跟蹤電廠的發(fā)展變化和用戶的新要求。該模塊已在德國Staudinger電站的2臺285MW機組及Boxberg電廠的2臺500MW機組、瑞典的Fokrsmark核電站成功應用。
2.3.2　鍋爐清潔模塊(BoilerCleanliness)
　　Optimax的鍋爐清潔模塊在線計算鍋爐熱交換面的清潔度及每個換熱面入口煙氣溫度，結(jié)果用于優(yōu)化鍋爐吹灰器的運行程序。該軟件包具有對流換熱器性能模塊、上下熱交換面性能模塊及空氣預熱器性能模塊等多個組態(tài)工具。
2.4　Bently公司的旋轉(zhuǎn)機械故障診斷軟件包
　　Bently公司專門用于監(jiān)視旋轉(zhuǎn)機械工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(DM2000)，通過實時、自動、連續(xù)地采集和存儲汽輪發(fā)電機軸系或其它大型旋轉(zhuǎn)機械(風機、水泵等)的振動振幅和相位等數(shù)據(jù)，為操作員和工程師提供實時的軸系運行檔案；它提供軸系的軸心軌跡圖、頻譜圖、波特圖及級聯(lián)圖等多種形式的分析畫面和數(shù)據(jù)，以支持軸系早期故障診斷和預測維修。該軟件包在國內(nèi)大型機組上已有較多應用。
　　Bently公司的另外一個軟件包——機械狀態(tài)管理系統(tǒng)(MCM2000)是一個實時專家系統(tǒng)，包括一個專門用于旋轉(zhuǎn)機械的知識庫和相應推理機。它可根據(jù)MCM2000采集到的數(shù)據(jù)檢查旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)，并根據(jù)知識庫中存儲的Bently公司在旋轉(zhuǎn)機械特性研究方面40a的經(jīng)驗，對設備進行自動故障診斷和機械信息管理，再給出帶有嚴重程度的故障結(jié)果和推薦的改正措施。該軟件包的早期產(chǎn)品——專家分析軟件(EA)在國內(nèi)大型機組上已有應用，如深圳西部電廠2×300MW機組；也即將在安徽平圩電廠2×600MW機組和河北三河電廠2×350MW機組上投入使用。
3　國內(nèi)火電廠優(yōu)化軟件的開發(fā)和應用
　　目前，國內(nèi)火電廠優(yōu)化軟件的開發(fā)和應用還處于初級階段。國內(nèi)有能力開發(fā)這2類軟件的單位不少，有些已做了相當工作，但大多數(shù)處于開發(fā)研究和試驗階段，真正成熟的、能應用于市場的產(chǎn)品非常少。火電廠實時優(yōu)化控制軟件國內(nèi)已有一些應用，但未形成真正產(chǎn)品，實際優(yōu)化效果還需進一步考查和驗證。在優(yōu)化管理軟件中也有少量較好的軟件，如西安熱工研究院開發(fā)的汽輪機軸系故障診斷軟件包等；機組性能分析和優(yōu)化軟件也已有單位(山東電力試驗研究所)做了一些開發(fā)和試驗研究工作。優(yōu)化管理軟件中有相當一部分模塊屬MIS范疇，如過程信息統(tǒng)計分析軟件、設備管理軟件、項目管理軟件及文檔管理軟件等，目前國內(nèi)一些電廠MIS供應商均可提供。由于缺少相應的實時設備維護、分析及決策軟件支持，所以在實際應用中與國外同類軟件相比仍有一定差距。
　　在國外，含有人工智能AI(ArtificialInterllegent)技術(shù)的工程優(yōu)化軟件一般由應用軟件供貨商(如DCS供貨商)首先采購AI軟件平臺，再由公司產(chǎn)品開發(fā)/研究部門的知識工程師和領域工程師合作開發(fā)出某領域(如火電廠)的智能控制軟件，并在初期投入運行后經(jīng)長時間觀察和考核，不斷改進和完善，使其更加工程實用化，經(jīng)多次試驗最終形成商品軟件。在國外，這種優(yōu)化軟件的二次開發(fā)一般由DCS供貨商完成。國內(nèi)受現(xiàn)行體制和開發(fā)資金約束，能提供優(yōu)化軟件的科研單位往往要從算法、軟件平臺做起，效率低、速度慢，即“分層養(yǎng)魚”做得不好，大部分開發(fā)、研究工作還停留在學院或?qū)嶒炇译A段。
4　應用前景
4.1　必要性
　　隨著國民經(jīng)濟快速發(fā)展，我國電力供需矛盾已逐漸從供方市場轉(zhuǎn)向需方市場，國家電力體制改革進一步深入將促使觀念的轉(zhuǎn)變。在電廠及單元機組運行中，廠長、經(jīng)理關(guān)心的問題已不僅是安全、滿發(fā)，而是機組乃至整個電廠的經(jīng)濟指標，用最少的成本帶來最多的效益，同時對設備損害最少。火電廠優(yōu)化軟件的應用將為管理者實現(xiàn)這個目標提供最有力的工具，因為它符合信息時代企業(yè)盈利的公式和法則：把信息變成知識，把知識變成決策，把決策變成利潤。因此對于我國21世紀大型燃煤電廠，應積極采用先進的優(yōu)化控制和管理軟件，其意義說明如下。
4.1.1　促進觀念轉(zhuǎn)變
　　目前，國內(nèi)電廠從設計到運行管理都存在重發(fā)電、重安全，對機組的經(jīng)濟運行和性能指標關(guān)注不夠的現(xiàn)象，這與當前電力系統(tǒng)的體制改革和競價上網(wǎng)、減人增效等宗旨不相適應。火電廠優(yōu)化控制和管理軟件全部以成本核算、經(jīng)濟管理為核心，將原來不可控或不清楚的能量損失全部量化，并幫助進行分析、查找故障，提出節(jié)能降耗的優(yōu)化措施，強化運行和管理人員的經(jīng)濟管理意識，促進觀念轉(zhuǎn)變。
4.1.2　提供有力工具
　　目前國內(nèi)多數(shù)300MW以上的燃煤機組均配置了DCS，包括一些管理軟件功能(機組性能計算等)，但僅限于給出計算結(jié)果，不具有偏差分析和指導運行功能。優(yōu)化軟件則提供了多種供生產(chǎn)管理人員分析、管理生產(chǎn)過程的手段和工具。
4.1.3　是MIS和ERP的基礎
　　國內(nèi)很多電廠都已建設或正在籌備建設MIS。從實際應用情況看，各家MIS供應商的軟件覆蓋范圍和功能差異較大，但共同特點是：有優(yōu)化管理軟件支持的MIS，效果就較好；反之，只能在較低檔次上運行，未充分發(fā)揮MIS作用。
4.1.4　最大限度地發(fā)揮DCS作用
　　在流程系統(tǒng)中采用DCS使整個系統(tǒng)達到最優(yōu)，比采用常規(guī)儀表約增加70～80的投資；而不采用智能控制軟件優(yōu)化過程，增加的效益只有系統(tǒng)最優(yōu)的10～20，即DCS真正的優(yōu)勢并未完全發(fā)揮出來，性能/價格比較低。在此基礎上只要增加很少的投資，如20，就可得到約全部收益的70，大大提高其性能/價格比。
4.1.5　提高專家資源利用率
　　目前許多優(yōu)化軟件都支持遠程通信方式，使遠程設備故障診斷、機組性能分析及信息監(jiān)控功能成為可能。它可充分發(fā)揮火電廠及電力系統(tǒng)專家的作用，在機組運行中依靠優(yōu)化軟件提供的功能，對機組性能和設備狀態(tài)進行異地遠程監(jiān)控和故障分析。專家可在短期內(nèi)同時處理多個電廠的性能/故障分析，對于偏遠地區(qū)電廠的重大事故分析具有典型意義。
4.2　技術(shù)經(jīng)濟分析
　　雖然軟件包單項價格較高，但從取得的經(jīng)濟效益和回報率看，增加這些初投資是值得的。目前能提供優(yōu)化軟件的DCS供貨商均有詳細的技術(shù)經(jīng)濟分析報告，并已在某些電廠尤其是大容量、自動化水平很高的機組上成功應用，取得了一定經(jīng)濟效益。
　　根據(jù)Siemens提供的資料，該公司帶凝結(jié)水節(jié)流的新機組控制軟件包價格約人民幣200萬元左右，采用該軟件包可提高0.5～1.0的機組熱效率。由于該軟件包對調(diào)頻機組和負荷頻繁變化的機組效益明顯，因此假設一臺國產(chǎn)300MW機組年運行6000h，發(fā)電標準煤耗0.3027kg/(kW*h)，機組熱效率40.63，若機組參與電網(wǎng)調(diào)頻，每年可節(jié)煤1090～2180t，煤價若按300元/t計，可節(jié)約燃料費32.7～65.4萬元，3～6a即可收回初投資；若是帶基本負荷并具有一定調(diào)峰能力的機組，可望在10～15a收回投資。又如，Bently公司的DM2000和MCM2000價格分別為1萬美元和4萬美元，全廠可只裝1套軟件包，其中對于DM2000還需每臺機組增加1萬美元的硬件設備費。目前，這2個軟件包尤其是DM2000，在國內(nèi)300MW機組上應用很普遍。
　　雖然一些優(yōu)化管理軟件所帶來的經(jīng)濟和社會效益短期內(nèi)不會充分顯示出來，但從長遠利益看，這種科學管理會給電廠帶來很大的收益。如性能計算和優(yōu)化軟件可將設備/機組乃至全廠的經(jīng)濟指標詳細量化，運行人員可根據(jù)操作指導選擇最優(yōu)化的運行方式；設備管理軟件通過對各種設備多層次的維護方式，降低損環(huán)率，延長使用壽命；能量管理軟件不僅可對全廠進行最優(yōu)負荷分配，降低上網(wǎng)電價，還可通過中、長期負荷預測計劃，提前進行統(tǒng)籌安排，優(yōu)質(zhì)、高效地響應電網(wǎng)負荷要求，提高電廠信譽和長遠競爭力。需說明的是，對于每個工程都應通過限額和優(yōu)化設計，降低整個電廠造價并提高性能。降低造價不是各專業(yè)按各自在工程中所占的百分比等同下降，而是應該隨著計算機技術(shù)的發(fā)展、進步及觀念進一步轉(zhuǎn)變，加大熱工自動化在整個工程中的投資比例。對于控制系統(tǒng)，要選用性能/價格比優(yōu)良的硬件，更要在軟件的選用上認真研究，加大投入，使機組性能更加優(yōu)化，管理更加科學、有序。
　　從發(fā)展的觀點看，優(yōu)化軟件功能將越來越強，價格會越來越低。以Bently公司的DM2000軟件包為例，1996年8月推出的每套價格約1.4萬美元左右，但2a后該軟件包已進行了4次更新和升級，增加了很多功能，如網(wǎng)絡和遠程通信等功能，價格卻降至每套1萬美元左右，降幅達28。因此在準備采用優(yōu)化軟件初期，有目的地進口少量幾套DCS供貨商提供的成熟軟件，進行詳細考核、分析和比較，對于今后優(yōu)化軟件的國產(chǎn)化和高起點發(fā)展非常必要。當然，隨著火電廠優(yōu)化軟件包性能/價格比不斷提高，盡可能多地采用成熟的、有成功使用經(jīng)驗的優(yōu)化軟件包，是自動化發(fā)展的必然趨勢。
5　建議
5.1　考察和論證
　　國外一些優(yōu)化軟件在很多大機組上已有成功的運行經(jīng)驗，隨著計算機快速發(fā)展，其軟件包的功能也在不斷完善，且由于主機制造廠的不同，給機組帶來的效益也有所差異，尤其是國外優(yōu)化軟件在國產(chǎn)大容量燃煤機組上的應用效果尚待證實。面對國外眾多廠家的優(yōu)化軟件，建議國家電力公司或電力工程咨詢公司組織有關(guān)專家，對效益顯著并有較多業(yè)績的優(yōu)化軟件應用情況詳細地進行考察、分析和論證，提出推薦采用方案，本著示范、試點的原則，高水平、高起點地采用國外成熟的火電廠優(yōu)化軟件，不再做低水平的重復開發(fā)工作。以示范電廠為依托，由DCS供貨商全面負責優(yōu)化軟件應用效果，國內(nèi)有經(jīng)驗的研究單位牽頭，參與優(yōu)化軟件應用于國產(chǎn)機組的二次開發(fā)工作，通過對示范電廠應用效果的總結(jié)、考核、深化乃至完善，形成適合國產(chǎn)大容量燃煤機組商品化的優(yōu)化軟件，全面帶動我國大容量火電機組優(yōu)化軟件的應用。
5.2　安裝
　　從國外優(yōu)化軟件運行情況看，較成熟和一致的方案是將全廠的運行和管理劃分為3個層次：最下層是實時控制層，包括各單元機組的實時控制網(wǎng)絡和輔助車間的控制網(wǎng)絡，其信息主要面向運行操作員；第2層是生產(chǎn)管理層，負責機組和電廠的運行優(yōu)化和管理，對象是值長、生技部門各專業(yè)專工和總工程師等生產(chǎn)管理人員；第3層是經(jīng)營管理層，負責電廠經(jīng)營和行政管理，對象為采購人員、財務人員、廠長和各種職能管理部門人員。
　　機組的實時優(yōu)化控制軟件一般安裝在單元機組的DCS服務器或控制器上，每臺機組裝設1套；優(yōu)化管理軟件中的能量管理軟件安裝在生產(chǎn)管理層的單獨服務器，而優(yōu)化管理軟件中的性能計算和優(yōu)化軟件、過程信息統(tǒng)計分析軟件、設備管理軟件等也安裝在生產(chǎn)管理層的服務器；只有人事、財務、采購和辦公自動化軟件等安裝在經(jīng)營管理層。生產(chǎn)管理層和經(jīng)營管理層的軟件包全廠只裝設1套。
　　國內(nèi)電廠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和功能層次劃分與此有很大差異。一般電廠除實時控制系統(tǒng)由DCS實現(xiàn)外，過程信息統(tǒng)計分析軟件、設備管理軟件、人事、財務、采購和辦公自動化軟件等，均設置在MIS中，而性能計算的功能一般由單元機組DCS完成。相比之下，目前國外這種運行和管理層次的劃分可能更合理。國內(nèi)很多電廠已經(jīng)或正在建設的MIS，絕大多數(shù)以管理信息交換和共享為核心；國外越來越多的電廠采用ERP管理模式，其重心已不僅是管理信息的交換和共享，而是依靠多種高級優(yōu)化、管理和決策軟件的支持，對全廠進行全方位的、以成本為核心的控制和管理。因此，建議參照國外火電廠普遍采用的優(yōu)化軟件安裝方案，即優(yōu)化控制軟件安裝在實時控制層——單元機組DCS中，優(yōu)化管理軟件安裝在生產(chǎn)管理層。
6　結(jié)束語
　　當今時代的知識經(jīng)濟高速發(fā)展，各學科不斷吸收新技術(shù)且互相滲透。火電廠的控制和管理也在不斷發(fā)展，其邊界越來越模糊，控制的含義不再是狹義的過程參數(shù)實時控制，而是有了更廣義的擴展，包括機組運行優(yōu)化控制、設備采購控制、成本控制及效益控制等多方位和層次控制。實時控制系統(tǒng)也只有在更深層次的管理軟件支持下，才能達到最佳的優(yōu)化運行點。隨著自動化技術(shù)進一步發(fā)展，將徹底消除“自動孤島”現(xiàn)象，火電廠的廠級自動化將達到真正意義上的管控一體化。火電廠全面采用優(yōu)化軟件必將推動我國大容量火電機組達到真正意義的節(jié)能降耗、提高效益，全面接受市場挑戰(zhàn)，這也是21世紀電廠自動化的發(fā)展方向。
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