M701F4型二拖一機組增效負荷偏置自動判定研究

王雨田

摘要：為了提高三菱M701F4型二拖一聯合循環機組聯合循環效率，文章研究采用數據挖掘、數據分析、參數修正的方式，實時計算聯合循環燃機最優負荷偏置。其中，在數據挖掘過程中，自創了OSI-PI數據的高效獲取算法;數據分析過程中采用有效數據篩選算法;參數修正過程中采用根據時間段分析可摘除特殊節點的參數關系矩陣制作算法。該方法實現了聯合循環機組經濟效益、環保效益、安全性的多重提升。

Abstract： To improve the Mitsubishi M701F4 gas turbine co-generation efficiency， a research basing on data mining， data analysis and coefficient refinement had been processed to build up a real-time optimized bias load computing model. In the progress of model creation， the self-designed OSI-PI data recognition algorithm， the active data filter and a matrix presenting the relationship between specific period of units running with life time performance had been applied. In the end， with the modification of optimized bias load model， gas turbine co-generation efficiency， environment protection performance and running security had been promoted.

關鍵詞：聯合循環效率;M701F4;負荷偏置;人工智能

Key words： combined cycle efficiency;M701F4;load offset;artificial intelligence

中圖分類號：TM611? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）35-0170-02

0? 引言

燃氣-蒸汽聯合循環作為一種先進的發電技術，在我國電力行業有著舉足輕重的地位，其中二拖一聯合循環是一種常見的燃氣-蒸汽聯合循環模式。對于此類機組，由于安裝、啟停機頻次、經歷的工況不同，兩臺燃機的負荷——能耗曲線在機組運行一定時間后必然不能完全相同。既在非理想模型下，按照常規經驗讓兩臺燃機帶相同負荷不能保證聯合循環經濟性最大化。根據國華北京燃氣熱電公司的實際運行經驗，當兩臺燃機帶相同負荷的時候，其葉片通道溫度分布情況、平均排氣溫度，以及對應的燃料消耗情況也確實有明顯的差異，進一步驗證了兩臺燃機的效率偏差。

為了提高機組聯合循環效率，部分發電公司采用設置固定的燃機負荷偏置提高聯合循環效率的方法。但是由于機組狀況隨著機組運行隨時發生著變化，影響機組效率的因素眾多，該偏置獲取過程復雜，且在機組負荷變化后，極有可能降低機組聯合循環效率。對合理負荷偏置的研究尚處于行業內的研究空白領域。

因此，本研究借鑒智能決策支持系統IDSS的設計理念，通過大數據分析，排除干擾因素，獲取修正參數的方式，創建一套能夠實時獲取燃機性能差異，并進行及時調整的二拖一聯合循環機組最優負荷偏置的計算模型，進而綜合提升聯合循環機組運行的安全、經濟與環保性能。

1? 研究方法

為了確保研究樣本的有效性，排除燃機負荷變化時IGV波動，燃料分配以及燃燒室旁路投入變化過程中對燃機效率的影響，本研究采用圖1所示的有效樣本數據獲取思路，調用電廠PI數據庫的原始數據。根據本次研究目的與國華燃氣熱電公司的兩臺330MW機組的實際運行情況，以2MW作為負荷拆分，在2018年1月1日至2019年6月1日1年半的時間內進行穩定時間段的獲取。

為了減小環境溫度、環境濕度、天然氣熱值隨時間變化對研究樣本的影響，還需要繼續拆分為5-10分鐘的時間段，保障樣本的有效性。進而在圖1的方法基礎上獲取了8671組樣本。然后，為了減少相似樣本，采用相似度計算方法：■

當任意兩組樣本機組負荷、效率、環境溫度、熱值、濕度等所有相關參數的相似度都>0.99則將其中一組樣本剔除，進而將有效樣本數量由8671組縮減至5797組。綜合分析樣本數據后，對于本研究對象穩定負荷樣本所展現出的特性，本研究建立關系矩陣增加短時間內的有效數據以滿足建立決策支持系統的數據需求。

對于不同的燃機負荷，溫度、熱值與燃機效率之間的關系規律難以掌握，但是燃燒熱部件損耗，濾網堵塞對燃機的影響有著隨時間逐漸緩慢加劇的特性。所以本次研究中將影響燃機效率的因素分為兩類，一種是隨時間緩慢線性變化，但是短時間內變化不大的熱部件損耗以及濾網堵塞等固有影響因素;一種是隨環境溫度、熱值、大氣濕度變化而變化的暫態影響因素。對于暫態影響因素，假設其對燃機效率的影響在特定負荷段是基本保持不變的，那么這一關系可以作為修正參數作擴充樣本數量。

假設溫度（T）、熱值（S）、濕度（H）這三個變量微變化對固定負荷（L）的效率影響存在一個線性的關系系數R。連續一段時間內當三個暫態影響因素量中任意兩各量以及負荷相似度大于0.99而第三個量的相似度小于0.9卻大于0.85時，該系數具備一定的固定性并可以關聯其效率變化以建立矩陣。既：

為了進一步降低固有影響因素的影響，修正參數的篩選原則為：

①獲取避開每年春秋季的大小修燃機燃燒調整更換熱部件對統計連續一個月的數據;

②避免對汽機效率的影響，設定范圍不超過5MW。

因此通過在線獲取實時負荷與實時環境溫度、熱值以及濕度，并且為環境溫度設置±0.1℃的選擇范圍，為熱值設置±0.01MJ/Nm3的選擇范圍，為濕度設置±10%的選擇范圍搜索滿足在當前負荷±50MW范圍的負荷數據，并通過修正參數矩陣擴充樣本數據。條件可逐步放寬直到建立出跨越當前負荷±50MW及以上且與當前暫態影響因素一致的負荷效率曲線。

根據所獲取的負荷效率曲線，通過以下公式擬定負荷偏置計算最優負荷偏置（BIAS）設定值以獲取相同總負荷下更低的單位發電量下的能耗效率C（MJ/MWh），既：

其中，BIAS的取值范圍為-5到+5，間隔0.1，從而每次運算可以獲得100個能耗效率差值，選取差值中的最大值所對應的BIAS值為最優負荷偏置。最后，通過對比模擬結果與實際增加偏置后的結果，可以進一步驗證模型的準確性，進而通過反饋結果修改模型結構。

2? 結果分析

為了檢驗模型的準確性，進行了模擬結果與2019年4月14日進行的負荷偏置實驗結果的對比。實驗環境基本保持穩定，環境溫度維持在20℃左右，天然氣熱值維持在34MJ/Nm3左右。該實驗得出的結論為，為1號機增加8MW的偏置與未加偏置相比，聯合循環煤耗最多可節約0.08g/kWh，按照全年4500小時二拖一運行時間，可每年節約47.7萬元燃料成本。而模型預測結果為1號機增加10MW的偏置（既為1號燃機增加±10MW的偏置，2號燃機根據AGC自動調節）會每年節約37.4萬元的燃料成本。說明該模型的預測方向與實際結果基本一致。產生差異的主要原因在于燃機拍熱量差異可能導致的聯合循環效率差異。而且由于兩臺余熱鍋爐換熱性能的不同，負荷偏置對聯合循環綜合效率的提升潛力有進一步的可挖掘空間。

由于文章研究機組地處華北地區，燃機進氣濾網處全年濕度變化不大，因此實際建模時只采用了環境溫度與天然氣熱值作為暫態影響因素，同時簡化了模型。之后分別對180MW、200MW、240MW、260MW，環境溫度在35℃附近，天然氣熱值在34MJ/Nm3下的燃機能耗曲線進行繪制與分析，本次研究發現在偏置設定值±5MW的范圍不同負荷下的最優負荷偏置不同，所帶來的經濟效益也不同。按照全年4500小時的二拖一運行時間，采用最優的負荷偏置在±5MW這么小的調節范圍內也可以為研究機組的聯合循環效率帶來20至200萬元的成本節約。由于研究對象機組投入生產時間較短，燃機性能偏差較不明顯，可以推論該方法可以對年久機組差生更急明顯的經濟性優化。同時，該方法也適用于對機組當氧化物的排放控制，對機組穩定燃燒負荷段的記錄與政策，可以實現機組在經濟性，環保性與安全性的多方位提升。

3? 結論與分析

①該研究驗證了現實中機組運行因安裝、試運、操作、事故、燃燒狀況、環保要求等差異系最終會導致兩臺機組的性能出現偏差，最優負荷偏置并非為0。

②京燃熱電M701F4型燃機自2015年投產已經運行4年，機組尚未經歷A修，各項性能指標較為優秀，兩臺燃機的性能差異尚不明顯，卻已經能通過細微的偏置設定獲取經濟效益提升。最優負荷偏置對長齡機組的潛在經濟性提升效果更為明顯。

③本研究所設計的模型只考慮的環境溫度與熱值兩個因素，并建立了相對簡單的修正模型。而且由于聯合循環的全過程具備一定的復雜性，目前只能將循環過程逐級拆分，采用逐級研究的方式尋找最優負荷偏置的設置辦法。

④不僅燃機的經濟性，燃機NOX排放與燃燒穩定性在不同負荷段也有著明顯的差異特性，使得對最優負荷偏的討論有很大的應用空間。

⑤該最優負荷偏置的的設置思路同樣可以應用到余熱鍋爐效率提升、汽機主管線效率提升、機力塔風機分布與風向的關系等方向的研究。

參考文獻：

[1]陳昊洋，呂劍虹.燃氣輪機協調優化控制系統研究[J].工業控制計算機，2017，30（10）：1-3.

[2]王建軍，張長志，李浩然，倪瑋晨，張應田.重型燃氣-蒸汽聯合循環機組AGC控制優化試驗研究[J].資源節約與環保，2017（09）：17-18，23.

[3]劉闖.燃氣—蒸汽聯合循環機組性能分析平臺開發研究[D].南京航空航天大學，2017.

[4]高宇.燃氣-蒸汽聯合循環機組先進負荷控制系統研究與應用[D].東南大學，2015.

[5]鄒包產，韓秋喜，賀悅科，張建民，王立.“二拖一”燃氣-蒸汽聯合循環780MW機組控制策略及其優化[J].熱力發電，2013，42（03）：49-52.

[6]張啟勤，宋兆星.雙軸燃氣蒸汽聯合循環機組協調控制策略研究[J].華北電力技術，2009（08）：7-10，15.

[7]陳彬彬，王會祥.提高燃氣輪機熱效率的方法分析[J].內燃機與配件，2019（2）：43-44.