本文作者： 王永旭、刘伟
摘要： 从火电厂面临的问题与弊病，探讨了如何利用先进的现代化技术解决运行管理落后的打开CPEM了解更多问题，详细介绍了通辽第二发电有限责任公司结合大数据、高级统计分析、人工智能技术研发火电智慧系统过程中所采用的研发思路及具体实施策略。
引言
当下国内发电系统正经历市场化改革逐步加快的进程，国家对环保标准和执行力度要求愈发严格，随着国家电改政策的陆续出台，发电企业能耗指标压力持续增加，火电厂竞争压力巨大，电企迫切需要改变粗放型管理模式，推进制度、管理、科技创新，培育新成长优势，提升管控力度，实现降本增效。
综合业内各大发电集团在运行优化调整的实际情况，有如下急需解决的问题：
（1）目前火电厂的运行调整、变工况寻优控制多数是按照电科院的优化试验结论进行调整，但火电厂存在的四变问题：煤质多变、负荷多变、气候多变、设备多变，使得电科院或行业专家的寻优经验在机组实时运行调整上难以得到有效的推广和实践。由此，多数火电厂只能参考优化试验结论，根据运行人员的经验开展一定程度的人工最优；在这种情况下，优秀值别的运行经验难以实现数字化和共享，导致企业知识库资源的浪费，大量数据资源的不可利用。
（2）目前火电厂发电运行经济指标管理方式普遍采取了小指标竞赛模式，随着运行管理工作的优化，该办法已无法满足管理需要，具体弊端表现：
①传统考核的小指标多为运行人员操作的结果，并非运行人员的操作行为。②小指标竞赛得分不能全面反映机组经济水平，指标统计通常选用的是月度平均值，不能反映指标的波动；③传统的考核是用运行人员操作的结果（三级小指标）来考核操作人员的总体结果（煤耗），对运行人员的实际操作没有指导意义；④传统的小指标考核中，有些小指标受运行的不可控因素影响较大，不适合对运行人员进行考核；⑤小指标竞赛管理办法陈旧，部分指标和经营业绩存在冲突，小指标竞赛办法不能充分调动员工的积极性，耗差分析和小指标管理关联性不强；⑥耗差分析和小指标竞赛对指导生产存在滞后性，不利于持续提高火电厂的运行管理水平。
一、火电厂运行数字化转型技术研究
1. 建立火电厂操作耗差及其考评体系
1.1 火电厂基于中间变量能耗传递建模的操作耗差模型技术
传统衡量指标对煤耗的影响程度主要是基于理论计算中该指标对供电煤耗影响大小来衡量的，即用该项指标的单位耗差值来衡量，同时机组可控因子与机组煤耗在理论计算上没有关系，通过运行试验直接得出可控因子与机组煤耗的方法不实用，运行试验中噪音太多，会掩盖可控因子的调整对机组煤耗影响，较难得出可控因子与机组煤耗的关系。
针对这一问题，我们采用引入中间变量传递的方法，提出基于中间变量能耗传递建模的操作耗差模型技术，当前火电厂机组系统较为繁杂，运行时可以操作的阀门、设备较多，通过对火电厂各系统流程进行全面研究分析，经各系统流程分解和指标性能统计，对输入因子及中间变量进行初步筛选并归纳，找出影响机组煤耗Y的各子步骤输入因子x及输出（中间变量）y，从运行人员角度的可控（C）、不可控（N噪声）、标准作业程序（S）对输入因子进行初步筛选，筛选出可控的因子及部分标准作业程序，从运行角度分辨中间变量可控、不可控，总结出可控/不可控因子和中间变量（对煤耗影响较大的变量）
引入中间变量作为可控因子与机组煤耗关系的桥梁来消除噪音，中间变量与机组煤耗存在机理关系，煤耗偏差数学计算式为Δb=（-δη/100）*b，式中Δb为耗差、δη为某参数偏离目标值时导致的热效率相对变化值、b为发电标准煤耗率，对于主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热汽温度、再热汽压损、凝汽器真空等参数单位耗差可以通过厂家热耗修正曲线计算获得；炉侧及制粉系统参数耗差通过性能计算锅炉效率变化获得，或者可以直接利用理论计算公式；机侧回热系统如加热器端差、凝汽器过冷度、给水温度、凝汽器端差等参数单位耗差通过等效焓降法计算获得。
1.2 火电厂经济指标考评分析技术
基于新型的操作耗差模型分析技术，找到运行操作因子与机组煤耗的关系，通过对火电运行中关键参数连续进行监督分析，并将这些参数的实际运行值与优化目标值进行比较，按照一定的耗差分析模型计算出这些参数偏离优化目标值时对火电机组煤耗的影响，优化火电机组的运行管理，从而确定每项指标的权重，即评价某指标对煤耗的影响大小，同时可以确定影响火电机组设备经济运行经济性的原因、部位及火电机组节能潜力。在传统的耗差分析中，衡量一个指标对煤耗影响程度是根据其单位耗差，即单位变化下的该指标对煤耗的影响值。单位耗差大的指标即认为其对煤耗影响大，单位耗差小的指标即认为其对煤耗影响小。以往的方法中，未考虑到运行指标的变化范围，有些指标虽然单位耗差大，但是指标变化范围很小，因此其对煤耗的真实影响未必大。
针对这一问题，我们提出在评价运行指标对煤耗的影响时，应考虑运行指标的变化范围。新的衡量办法是利用统计工具，即指标在实际运行中的波动范围即6倍标准差（6σ），标准差都用来衡量数据或样本离中心的或围绕平均数的波动程度，样本标准差越大，样本数据的波动就越大，6σ对应的数据出现概率99.99966%（标准较高），用这个波动范围与该项指标的单位耗差乘积得到的结果作为衡量该项指标对煤耗的影响程度，从而建立指标权重的火电厂经济指标考评系统及方法。
1.3 基于火电厂运行动态过程能力研究的综合最优工况判别技术
历史数据的挖掘，虽然可以解决机组建立初始标杆值的问题，但机组在实时动态过程中，产生大量非稳态过程数据，对数据挖掘算法的应用造成极大的干扰，使得在机组实时运行调整过程中缺乏可靠指导。
长期以来火电厂运行指标在优化调整细节上的处理存在诸多分歧，大多数情况是根据值长、机组长等运行人员的经验进行一定程度的人工最优；电科院或行业专家通过组织特定工况进行性能优化调整试验从而得出指导意见，但在实际应用中随边界条件变化指导意见会失效，进而无法得到长期固化。运行人员对机组最优工况的理解和操作存在狭义概念，简单的认为从主要指标最佳平均值或是历史最优上来评定工况调整优劣，上述方法都不能充分说明机组处于运行综合最优工况。
针对上述问题，我们采用系统处于稳定状态下实际过程能力的分析方法，提出基于火电厂运行动态过程能力研究的综合最优工况判别技术，获得机组综合最优工况，适用于不同机组。对于边界条件下的机组运行工况稳定性从两方面考虑：①机炉热力平衡②机组在内扰外扰条件下（煤热值、一次调频）回归平衡的能力，也就是抗干扰的能力。主汽压力、炉主控输出、主再热蒸汽温度、炉膛温度分布、氧量、炉膛负压等参数波动均能够代表工况的稳定，但是需要找出能够表征工况稳定性的关键参数用于评价工况稳定性。系统在火电厂特定条件下通过对运行参数的统计与分析，确定表征该系统运行稳定性的特定关键参数（如锅炉燃烧系统的特定稳定性参数为主蒸汽压力），取特定关键参数的同一条件下连续时间段作为一个样本，对统计样本进行Box-Cox变换或者Johnson变换，使其满足正态分布，对关键参数的波动情况进行统计学研究和流程能力分析，计算该样本的6倍标准差（6σ），分析其Cp、Cpk值，用Cp和Cpk来衡量过程能力，反映了关键参数的稳态特性，判断机组的运行稳定性，进而建立非正态数据样本过程能力（Cp/Cpk）作为机组运行工况优劣的量化判据，通过判据排序，筛选出该条件下的机组综合最优工况。该工况的表现特征为在机组发生局部扰动时，其主要运行参数波动最小，即系统抗干扰能力最强，机组长期变工况运行调整量最小、综合能耗最优，最优工况是机组实际存在的，而非设计工况或者不稳定的经济工况。取一段连续稳定的数据，并进行正态分布的数据类型转化，满足Cp和Cpk计算条件。
调取出这两个时间段的主汽压力数据，求出其0.995分位数X0.995，、中位数X0.5、0.005分位数X0.005，设置好我们想要的上下限（设定压力为机组协调给定的主汽压力，波动幅度为0.5MPa），算出其Cp、Cpk值，如下表：
表1 稳定与非稳定工况数据对比
边界判断和经济性判断，选择经济工况依据边界条件不断优化标杆值数据库。
二、火电厂智慧化发展思路
本文探讨如何解决火电厂运行管理落后的问题，通过运用工业大数据、高级统计分析和人工智能技术，建立一套新的发电运行管理系统，实现火电厂运行管控的数字化转型。系统运用数据驱动理论，引入稳定性判据和人工智能技术，提出机组综合最优工况和操作耗差系统，通过历史数据挖掘和在线判别机组综合最优工况技术，确定该最优工况下对应的运行操作模式，将操作模式建设为动态标杆值数据库，在该标杆库下建立操作耗差系统，从而对运行操作进行实时量化考评，最终转为个人绩效评价，实现控制理念由目标过程控制转向因子控制，运行经验由优秀个人掌握转为经数字化转化、存储和继承最终达到全员掌握的过程。
三、火电厂智慧化实施策略
火电厂智慧化具体的实施策略就是通过建立大数据分析和安全诊断中心，进行模块化设计，实现火电机组智能运行和最优经验的共享。
（一）性能分析计算模块
1.机组经济性能计算：锅炉效率计算模块，汽轮机热耗计算模块，综合厂用电率计算模块，供电煤耗分析计算模块，经济运行指导模块。
2.大宗物资单位耗量计算：石灰石耗量分析计算模块，尿素耗量分析计算模块。
3.大效益模块：辅助调峰净收益模块，检修效益认定模块。
4.KPI绩效考评模块：人脸配盘，个人绩效分析计算（以监盘时间、操作节能量为依据）。
5.安全分析模块：辅机状态评估模块。
（二）智能寻优操作指导模块
1.机组经济性能寻优系统：始终以供电煤耗最低为标准，以机组负荷、烟风系统和制粉系统为状态，始终进行固化-更新-固化统计计算各个负荷状态下机组运行参数，指导运行调整。
2.大宗物资消耗寻优系统：
（1）尿素耗量寻优系统：在机组经济性能寻优的基础上，固定NOx上限定值，以入口NOx折算浓度(实时浓度和氧量参数）和脱硝入口烟温作为调整变量进行寻优，指导运行调整。
（2）石灰石耗量寻优系统：以脱硫入口SO2折算浓度(实时浓度和氧量参数）为标准，以脱硫出口SO2折算浓度(实时浓度和氧量参数）作为调整变量进行寻优，指导运行调整。
3.大效益模块：
（1）辅助调峰收益模块：根据50%负荷率机组最经济的供电煤耗计算机组边际收益与调峰负荷后供电煤耗机组边际收益的增加值的差值，计算增加成本与调峰收益进行对比，指导运行进行辅助调峰负荷的调整。
（2）检修效益认定系统：采用人工输入时间及影响能耗的数值幅度，计算至结束时间的影响数值，同时统计缺陷单数量，作为检修分场的业绩考核指标，督促检修消缺、提高消缺质量，并进行指标奖考核。
4.KPI绩效考评系统：
（1）人脸配盘：安装高清摄像头，自动采集键盘人员，自动采集监盘时间，上传绩效考核表单目录。
（2）KPI绩效统计计算系统：一是接班人脸识别，统计当班人员，按基准分统计分值。二是以巡检次数及巡检质量（填写缺陷单数量）核定统计附加分值。三是以寻优调整效果计算节省煤量与监盘时间核定统计附加分值。四是以三个分值之和作为运行人员当班的业绩得分，分配指标奖。
5.安全分析系统：
（1）辅机状态评估系统：统计转机实时温度、振动数值，与该转机最优值进行对比，规定报警提示的升高幅值（与最优值对比），为检修维护设备提供依据。
四、结语
火电厂智慧化是采用人工智能、建模、深度学习等辅助手段对数据进行深度挖掘分析，全面深入对标分析改善，提升机组效能，创造安全和经济价值，同步提升运营管理信息化、数字化和智能化水平。深化与DCS控制系统、燃料全价值管理、物联网、设备全周期管理等系统的融合，通过建立大数据分析和诊断中心，消除信息孤岛，实现火电机组智能运行和最优经验的共享，达到无人干预、少人值守的目标，具体的实施策略就是建构全面的火电企业生产管控体系，从数字化、智能化、云平台化多方位着力，不断引领电力行业运行管控模式的创新与变更。
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