熱負(fù)荷在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王亞軍，習(xí)新魁，楊立波，姚力強(qiáng)，李 哲

(1.河北省電力公司，石家莊 050021；2.河北省電力研究院，石家莊 050021；3.河南電力試驗(yàn)研究院，鄭州 450052)

1 概述

為促進(jìn)電力行業(yè)節(jié)能減排工作的開展，減少能源消耗和污染物排放，國(guó)務(wù)院辦公廳2007年以來相繼出臺(tái)了多項(xiàng)文件，為節(jié)能發(fā)電調(diào)度工作提供了政策支持。河北省南部電網(wǎng)(簡(jiǎn)稱“河北南網(wǎng)”)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在燃煤發(fā)電機(jī)組中所占比例較大，亟需研制相應(yīng)的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供熱狀況集中監(jiān)控以及調(diào)度區(qū)間的實(shí)時(shí)計(jì)算。為落實(shí)國(guó)家節(jié)能減排的要求，提高電力行業(yè)能源利用率，加強(qiáng)對(duì)河北南網(wǎng)燃煤發(fā)電機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行熱負(fù)荷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，按照“以熱定電”的原則安排發(fā)電負(fù)荷，河北省電力公司調(diào)度通信中心與河北省電力研究院于2009年開始建設(shè)熱負(fù)荷在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，目前已接入統(tǒng)調(diào)電廠8個(gè)，機(jī)組21臺(tái)；非統(tǒng)調(diào)電廠10個(gè)，機(jī)組22臺(tái)。

2 熱電負(fù)荷關(guān)系模型

供熱汽輪機(jī)可分為背壓式和抽凝式2種類型。背壓式供熱機(jī)組在一定的供熱條件下，其電負(fù)荷是確定的，完全是“以熱定電”，因此不需要確定其電負(fù)荷調(diào)度區(qū)間；抽凝式供熱機(jī)組所承擔(dān)的電負(fù)荷與熱負(fù)荷并沒有確定一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，在一定供熱流量及供熱壓力下，電負(fù)荷可以在一定的范圍內(nèi)(熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的電負(fù)荷調(diào)度區(qū)間)進(jìn)行調(diào)整。

抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在滿足一定的對(duì)外供熱負(fù)荷條件下，能夠保證熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的電負(fù)荷區(qū)間是由供熱工況圖所決定的。供熱工況圖是由一系列的各級(jí)供熱抽汽流量(Fn1，F(xiàn)n2)曲線、各級(jí)供熱抽汽壓力(Pn1，Pn2)曲線、最大主蒸汽流量(Fms_max)曲線、最小主蒸汽流量(Fms_min)曲線、最小排汽流量(Fk_min)曲線共同組成的網(wǎng)絡(luò)圖，這些曲線共同確定了安全電負(fù)荷區(qū)間。電負(fù)荷函數(shù)關(guān)系可表示為：

(1)

由式(1)可以看出，抽凝供熱機(jī)組的類型很多，正是由于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在結(jié)構(gòu)、供熱方式、調(diào)節(jié)方式等方面的多樣性，造成不同型號(hào)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供熱工況圖均不相同，并且供熱抽汽級(jí)數(shù)越多其復(fù)雜程度越高。供熱工況圖的高度復(fù)雜性給實(shí)時(shí)確定電負(fù)荷調(diào)度區(qū)間帶來較大困難，因此必須對(duì)供熱工況圖使用方法進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化。

由于電負(fù)荷調(diào)度區(qū)間是指在保證一定的供熱負(fù)荷下安全穩(wěn)定運(yùn)行的電負(fù)荷范圍，因此只需要確定最小電負(fù)荷和最大電負(fù)荷，也就是如何確定一定的供熱負(fù)荷下供熱工況圖的邊界。

確定供熱工況圖邊界的約束條件包括最大電負(fù)荷限制、起始供熱負(fù)荷限制、各段供熱抽汽流量限制、汽輪機(jī)最大連續(xù)出力流量限制、自然升壓區(qū)限制、中壓缸排汽限制、低壓缸排汽限制等。通過引入這些約束條件，電負(fù)荷函數(shù)關(guān)系可簡(jiǎn)化為：

(2)

通過式(2)可將供熱工況圖中包含的豐富信息規(guī)整為機(jī)組最低電負(fù)荷、最高電負(fù)荷、主汽流量、各段供熱抽汽壓力、各段供熱抽汽壓力等因子間離散的關(guān)系數(shù)據(jù)。這些關(guān)系數(shù)據(jù)就形成了熱電關(guān)系信息庫(kù)，便于數(shù)字化，以供計(jì)算模型使用。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

河北南網(wǎng)熱負(fù)荷在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，依據(jù)物理網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和數(shù)據(jù)流向可以劃分為4個(gè)組成區(qū)域。

圖1 河北南網(wǎng)熱負(fù)荷在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

第1區(qū)域，電廠數(shù)據(jù)采集區(qū)域。從電廠DCS中采集數(shù)據(jù)，然后由前置數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行存儲(chǔ)管理。

第2區(qū)域，調(diào)度通信中心區(qū)域。通過省調(diào)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)路由器將從電廠采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{(diào)度通信中心網(wǎng)絡(luò)，對(duì)Socket數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析和預(yù)處理，然后進(jìn)行供熱指標(biāo)計(jì)算和日月數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。將生成的數(shù)據(jù)保存到調(diào)度通信中心數(shù)據(jù)庫(kù)的同時(shí)，將數(shù)據(jù)文件副本利用橫向隔離裝置服務(wù)軟件擺渡到第3區(qū)域。

第3區(qū)域，信息存儲(chǔ)區(qū)域。基于目前的網(wǎng)絡(luò)部署狀況，第3區(qū)域和4區(qū)域?yàn)榻y(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，從功能上可以劃分為2個(gè)組成部分，之間部署防火墻，第3區(qū)域主要作用是對(duì)傳遞過來的數(shù)據(jù)文件副本進(jìn)行解析并轉(zhuǎn)儲(chǔ)到信息中心數(shù)據(jù)庫(kù)中。

第4區(qū)域，信息發(fā)布區(qū)域。目前的信息發(fā)布僅局限于河北省電力公司信息內(nèi)網(wǎng)，部署河北南網(wǎng)熱負(fù)荷在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，面向河北省電力公司信息中心、相關(guān)辦公區(qū)域以及河北省電力研究院用戶等。

3.2 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

河北南網(wǎng)熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所涉及到的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和數(shù)據(jù)流向比較復(fù)雜，電廠數(shù)據(jù)從采集到展示，需要經(jīng)過數(shù)據(jù)包傳輸、數(shù)據(jù)包解析、預(yù)處理、供熱指標(biāo)計(jì)算、供熱指標(biāo)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)副本打包、跨越橫向隔離裝置、數(shù)據(jù)副本再解析、存儲(chǔ)以至展示等階段，在這期間，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖　Ｓ捎诰W(wǎng)絡(luò)環(huán)境的復(fù)雜性，因此整個(gè)系統(tǒng)采用多個(gè)子系統(tǒng)協(xié)同工作的設(shè)計(jì)模式，將多個(gè)子系統(tǒng)分別部署在不同的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，設(shè)計(jì)通信接口，進(jìn)行協(xié)同工作，子系統(tǒng)部署見圖2。

圖2 子系統(tǒng)部署示意

多個(gè)子系統(tǒng)協(xié)同工作的模式，從功能上簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)模，但是也在一定程度增加了維護(hù)工作量和各個(gè)子系統(tǒng)之間的不穩(wěn)定因素。為了降低各個(gè)子系統(tǒng)之間的不穩(wěn)定因素，在設(shè)計(jì)子系統(tǒng)時(shí)，盡量使主系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和運(yùn)行日志，保證當(dāng)某個(gè)子系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，其他子系統(tǒng)不會(huì)受到致命性破壞，能夠繼續(xù)運(yùn)行,并且能夠以最快和最敏捷的方法通知系統(tǒng)管理員，盡快排除子系統(tǒng)故障。

4 系統(tǒng)功能

河北南網(wǎng)熱負(fù)荷在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究了河北南網(wǎng)統(tǒng)調(diào)及非統(tǒng)調(diào)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱電對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立了熱電關(guān)系信息庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱實(shí)況監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)得到各機(jī)組電負(fù)荷實(shí)時(shí)調(diào)度區(qū)間及供熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。依據(jù)各類型機(jī)組熱電關(guān)系信息及機(jī)組熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息的特征因素，構(gòu)建規(guī)范化建模體系，通過規(guī)范化建模體系與熱電關(guān)系信息及機(jī)組熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息的結(jié)合，控制整個(gè)計(jì)算流程，實(shí)現(xiàn)特定熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的電負(fù)荷調(diào)度區(qū)間及供熱相關(guān)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的實(shí)時(shí)計(jì)算。河北南網(wǎng)熱負(fù)荷在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有如下功能。

a． 采用基于熱電關(guān)系特性的規(guī)范化建模體系，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)調(diào)、非統(tǒng)調(diào)大規(guī)模熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的快速熱電信息配置。由于河北南網(wǎng)統(tǒng)調(diào)、非統(tǒng)調(diào)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組數(shù)量眾多、類型繁雜、熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式千差萬別，給系統(tǒng)快速建模，以及該項(xiàng)技術(shù)的全面實(shí)施與推廣帶來挑戰(zhàn)。因此系統(tǒng)采用了“基于熱電關(guān)系特性的規(guī)范化建模體系”，后臺(tái)程序進(jìn)行模塊化處理，多個(gè)模塊各司其職，完成整個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算、分析流程。計(jì)算服務(wù)主模塊中包含7個(gè)子計(jì)算過程，內(nèi)容全面，結(jié)構(gòu)清晰，囊括了河北南網(wǎng)所有類型機(jī)組。

b. 系統(tǒng)能夠依據(jù)機(jī)組供熱歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)任意時(shí)段的電負(fù)荷調(diào)度區(qū)間，為合理安排機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰及制定熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組出力計(jì)劃提供科學(xué)依據(jù)。首次在河北南網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了供熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)集中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為供熱機(jī)組節(jié)能調(diào)度提供技術(shù)支撐。

c. 建立完善的供熱數(shù)據(jù)智能識(shí)別及重構(gòu)機(jī)制，保障了數(shù)據(jù)的可靠性。采用跨平臺(tái)及跨電力安全區(qū)域的數(shù)據(jù)傳輸方式，保障了機(jī)組熱力數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

5 應(yīng)用效果

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在河北省火電機(jī)組中所占比重較大，隨著河北省電力工業(yè)的飛速發(fā)展，大型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組不斷建成、投產(chǎn)，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的機(jī)組逐漸增多。熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在線監(jiān)測(cè)與調(diào)度支持系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了各機(jī)組的供熱實(shí)況集中監(jiān)測(cè)，依據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)度區(qū)間對(duì)各機(jī)組進(jìn)行調(diào)度，改變以往熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組調(diào)度的被動(dòng)局面，即提高了電網(wǎng)穩(wěn)定性，又能真正實(shí)現(xiàn)“全社會(huì)能耗最低”的目標(biāo)，具有很高的社會(huì)效益。利用該系統(tǒng)，可按照“以熱定電”的原則安排發(fā)電負(fù)荷，完成調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)與河北省電力公司調(diào)度通信中心互聯(lián)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱負(fù)荷的處理。熱負(fù)荷在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成功上線，有效落實(shí)了國(guó)家節(jié)能發(fā)電調(diào)度政策，為河北南網(wǎng)實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組節(jié)能發(fā)電調(diào)度提供了技術(shù)支撐和保障。

6 結(jié)束語

河北南網(wǎng)熱負(fù)荷在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱負(fù)荷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)電負(fù)荷分配工作的科學(xué)化、規(guī)范化、信息化搭建了一個(gè)現(xiàn)代化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作平臺(tái)，從根本上提高了針對(duì)熱電機(jī)組的發(fā)電負(fù)荷分配基礎(chǔ)管理水平，規(guī)范了發(fā)電負(fù)荷分配工作的管理流程，提高了工作效率，改變了以往不科學(xué)的發(fā)電負(fù)荷分配方式，達(dá)到了“以熱定電”的目的。系統(tǒng)作為節(jié)能發(fā)電調(diào)度工作的重要組成部分，其成功建設(shè)和應(yīng)用，大大提高了熱電機(jī)組發(fā)電負(fù)荷分配的科學(xué)性，對(duì)繼續(xù)落實(shí)節(jié)能發(fā)電調(diào)度工作和建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)均具有巨大的意義。隨著該系統(tǒng)的不斷完善、優(yōu)化和深入應(yīng)用，其巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益將逐步顯現(xiàn)出來。