热负荷在线监测系统的设计及应用

王亚军，习新魁，杨立波，姚力强，李 哲

(1.河北省电力公司，石家庄 050021；2.河北省电力研究院，石家庄 050021；3.河南电力试验研究院，郑州 450052)

1 概述

为促进电力行业节能减排工作的开展，减少能源消耗和污染物排放，国务院办公厅2007年以来相继出台了多项文件，为节能发电调度工作提供了政策支持。河北省南部电网(简称“河北南网”)热电联产机组在燃煤发电机组中所占比例较大，亟需研制相应的系统，实现对热电联产机组的供热状况集中监控以及调度区间的实时计算。为落实国家节能减排的要求，提高电力行业能源利用率，加强对河北南网燃煤发电机组实时运行热负荷的实时监测，按照“以热定电”的原则安排发电负荷，河北省电力公司调度通信中心与河北省电力研究院于2009年开始建设热负荷在线监测系统，目前已接入统调电厂8个，机组21台；非统调电厂10个，机组22台。

2 热电负荷关系模型

供热汽轮机可分为背压式和抽凝式2种类型。背压式供热机组在一定的供热条件下，其电负荷是确定的，完全是“以热定电”，因此不需要确定其电负荷调度区间；抽凝式供热机组所承担的电负荷与热负荷并没有确定一一对应关系，在一定供热流量及供热压力下，电负荷可以在一定的范围内(热电联产机组的电负荷调度区间)进行调整。

抽凝式热电联产机组在满足一定的对外供热负荷条件下，能够保证热电联产机组安全稳定运行的电负荷区间是由供热工况图所决定的。供热工况图是由一系列的各级供热抽汽流量(Fn1，Fn2)曲线、各级供热抽汽压力(Pn1，Pn2)曲线、最大主蒸汽流量(Fms_max)曲线、最小主蒸汽流量(Fms_min)曲线、最小排汽流量(Fk_min)曲线共同组成的网络图，这些曲线共同确定了安全电负荷区间。电负荷函数关系可表示为：

(1)

由式(1)可以看出，抽凝供热机组的类型很多，正是由于热电联产机组在结构、供热方式、调节方式等方面的多样性，造成不同型号热电联产机组的供热工况图均不相同，并且供热抽汽级数越多其复杂程度越高。供热工况图的高度复杂性给实时确定电负荷调度区间带来较大困难，因此必须对供热工况图使用方法进行合理的简化。

由于电负荷调度区间是指在保证一定的供热负荷下安全稳定运行的电负荷范围，因此只需要确定最小电负荷和最大电负荷，也就是如何确定一定的供热负荷下供热工况图的边界。

确定供热工况图边界的约束条件包括最大电负荷限制、起始供热负荷限制、各段供热抽汽流量限制、汽轮机最大连续出力流量限制、自然升压区限制、中压缸排汽限制、低压缸排汽限制等。通过引入这些约束条件，电负荷函数关系可简化为：

(2)

通过式(2)可将供热工况图中包含的丰富信息规整为机组最低电负荷、最高电负荷、主汽流量、各段供热抽汽压力、各段供热抽汽压力等因子间离散的关系数据。这些关系数据就形成了热电关系信息库，便于数字化，以供计算模型使用。

3 系统设计

3.1 系统结构

河北南网热负荷在线监测系统结构如图1所示，依据物理网络环境和数据流向可以划分为4个组成区域。

图1 河北南网热负荷在线监测系统结构

第1区域，电厂数据采集区域。从电厂DCS中采集数据，然后由前置数据采集模块进行存储管理。

第2区域，调度通信中心区域。通过省调调度数据网路由器将从电厂采集到的数据传输到调度通信中心网络，对Socket数据包进行解析和预处理，然后进行供热指标计算和日月数据统计。将生成的数据保存到调度通信中心数据库的同时，将数据文件副本利用横向隔离装置服务软件摆渡到第3区域。

第3区域，信息存储区域。基于目前的网络部署状况，第3区域和4区域为统一网络区域，从功能上可以划分为2个组成部分，之间部署防火墙，第3区域主要作用是对传递过来的数据文件副本进行解析并转储到信息中心数据库中。

第4区域，信息发布区域。目前的信息发布仅局限于河北省电力公司信息内网，部署河北南网热负荷在线监测系统，面向河北省电力公司信息中心、相关办公区域以及河北省电力研究院用户等。

3.2 子系统设计

河北南网热负荷监测系统所涉及到的网络环境和数据流向比较复杂，电厂数据从采集到展示，需要经过数据包传输、数据包解析、预处理、供热指标计算、供热指标统计、数据副本打包、跨越横向隔离装置、数据副本再解析、存储以至展示等阶段，在这期间，任何一个环节出现问题，都会导致数据传输的失败。由于网络环境的复杂性，因此整个系统采用多个子系统协同工作的设计模式，将多个子系统分别部署在不同的网络区域，设计通信接口，进行协同工作，子系统部署见图2。

图2 子系统部署示意

多个子系统协同工作的模式，从功能上简化了整个系统的设计规模，但是也在一定程度增加了维护工作量和各个子系统之间的不稳定因素。为了降低各个子系统之间的不稳定因素，在设计子系统时，尽量使主系统能够实时监测各个子系统的运行状况和运行日志，保证当某个子系统出现问题时，其他子系统不会受到致命性破坏，能够继续运行,并且能够以最快和最敏捷的方法通知系统管理员，尽快排除子系统故障。

4 系统功能

河北南网热负荷在线监测系统研究了河北南网统调及非统调热电联产机组的热电对应关系，建立了热电关系信息库，实现了热电联产机组供热实况监测，实时得到各机组电负荷实时调度区间及供热经济性指标。依据各类型机组热电关系信息及机组热力系统结构信息的特征因素，构建规范化建模体系，通过规范化建模体系与热电关系信息及机组热力系统结构信息的结合，控制整个计算流程，实现特定热电联产机组的电负荷调度区间及供热相关经济指标的实时计算。河北南网热负荷在线监测系统具有如下功能。

a． 采用基于热电关系特性的规范化建模体系，实现了统调、非统调大规模热电联产机组的快速热电信息配置。由于河北南网统调、非统调热电联产机组数量众多、类型繁杂、热力系统结构形式千差万别，给系统快速建模，以及该项技术的全面实施与推广带来挑战。因此系统采用了“基于热电关系特性的规范化建模体系”，后台程序进行模块化处理，多个模块各司其职，完成整个数据计算、分析流程。计算服务主模块中包含7个子计算过程，内容全面，结构清晰，囊括了河北南网所有类型机组。

b. 系统能够依据机组供热历史数据，预测任意时段的电负荷调度区间，为合理安排机组参与电网调峰及制定热电联产机组出力计划提供科学依据。首次在河北南网实现了供热经济指标集中实时监测，为供热机组节能调度提供技术支撑。

c. 建立完善的供热数据智能识别及重构机制，保障了数据的可靠性。采用跨平台及跨电力安全区域的数据传输方式，保障了机组热力数据的稳定性。

5 应用效果

热电联产机组在河北省火电机组中所占比重较大，随着河北省电力工业的飞速发展，大型热电联产机组不断建成、投产，系统监测的机组逐渐增多。热电联产机组在线监测与调度支持系统的应用，实现了各机组的供热实况集中监测，依据实时调度区间对各机组进行调度，改变以往热电联产机组调度的被动局面，即提高了电网稳定性，又能真正实现“全社会能耗最低”的目标，具有很高的社会效益。利用该系统，可按照“以热定电”的原则安排发电负荷，完成调度数据网与河北省电力公司调度通信中心互联的热电联产机组热负荷的处理。热负荷在线监测系统的成功上线，有效落实了国家节能发电调度政策，为河北南网实现热电联产机组节能发电调度提供了技术支撑和保障。

6 结束语

河北南网热负荷在线监测系统的实施和应用，实现了对热电联产机组热负荷的实时监测，为热电联产机组发电负荷分配工作的科学化、规范化、信息化搭建了一个现代化的实时监测工作平台，从根本上提高了针对热电机组的发电负荷分配基础管理水平，规范了发电负荷分配工作的管理流程，提高了工作效率，改变了以往不科学的发电负荷分配方式，达到了“以热定电”的目的。系统作为节能发电调度工作的重要组成部分，其成功建设和应用，大大提高了热电机组发电负荷分配的科学性，对继续落实节能发电调度工作和建设环境友好型社会均具有巨大的意义。随着该系统的不断完善、优化和深入应用，其巨大的经济效益和社会效益将逐步显现出来。