核電廠常規(guī)島熱力性能在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng).docx

核電廠常規(guī)島熱力性能在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)摘 要 在研究國內(nèi)外電廠優(yōu)化軟件開發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過對核電廠與常規(guī)電廠的比較，并結(jié)合當(dāng)前我國電力系統(tǒng)全面改革措施的實行，論述了核電廠優(yōu)化軟件的開發(fā)和應(yīng)用有利于核電經(jīng)濟(jì)性的提高。隨著我國電力工業(yè)改革的逐步深入，引進(jìn)競爭機(jī)制，提倡廠網(wǎng)分開、競價上網(wǎng)，電力行業(yè)的競爭日趨激烈。在這種壓力下，國內(nèi)熱力發(fā)電廠正在改變觀念，改變了只把機(jī)組安全穩(wěn)定運行作為生產(chǎn)管理重點的觀點，把機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的提高也作為當(dāng)前工作的重點。在這種情況下，對設(shè)備性能的實時監(jiān)測以及準(zhǔn)確評估其對發(fā)電成本的影響對企業(yè)的長期生存顯得至關(guān)重要。同樣的壓力在核電領(lǐng)域也存在。 大亞灣核電站兩臺機(jī)組投入商業(yè)運行以來，常規(guī)島的熱力性能狀況基本保持穩(wěn)定，但也多次出現(xiàn)過機(jī)組熱效率下降、機(jī)組不能滿發(fā)的情況。每當(dāng)這種情況發(fā)生，電廠即組織人力物力進(jìn)行調(diào)查分析處理。由于常規(guī)島影響機(jī)組熱效率的系統(tǒng)、設(shè)備繁多，機(jī)組的運行狀況與環(huán)境各異，調(diào)查和分析的過程往往需要一個月甚至更長的時間，從而導(dǎo)致人力物力的過多消耗，問題又不能及時得到解決。同時，18個月?lián)Q料項目在大亞灣核電站成功實施，也對常規(guī)島熱力系統(tǒng)穩(wěn)定高效率運行提出了更高的要求。通過監(jiān)測與診斷系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)熱力循環(huán)設(shè)備的故障隱患，可以及時進(jìn)行處理以免故障擴(kuò)大而不得不停機(jī)處理。 因此，無論從實時監(jiān)督、故障診斷、維修指導(dǎo)、技術(shù)改進(jìn)等方面來看，建立一套常規(guī)島熱力性能在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)是非常必要的，它可以使機(jī)組效率得到充分發(fā)揮。 1 火電廠運行優(yōu)化系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用 火電廠運行優(yōu)化系統(tǒng)（以下稱SIS系統(tǒng)）是在熱力性能在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來的。 1.1 系統(tǒng)構(gòu)成 國內(nèi)火電廠的分布控制系統(tǒng)（DCS系統(tǒng)）技術(shù)均已十分成熟，它包含了各種各樣的數(shù)據(jù)，例如現(xiàn)場系統(tǒng)測點實時數(shù)據(jù)以及其他信息，也包括了熱力系統(tǒng)性能監(jiān)測與分析所需要的數(shù)據(jù)。因此，火電廠的SIS系統(tǒng)基本上是建立在這個系統(tǒng)上的。典型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。 在硬件方面，運行優(yōu)化系統(tǒng)的核心部分由數(shù)據(jù)交換機(jī)、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、優(yōu)化工作站服務(wù)器與WEB服務(wù)器組成。交換機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸或通過光纜（速度快）、或通過網(wǎng)卡（速度一般）進(jìn)行；服務(wù)器之間的傳輸一般通過網(wǎng)卡傳輸。軟件開發(fā)的平臺大部分采用WINDOWS NT，開發(fā)語言采用C+輔以VB，數(shù)據(jù)庫選用ORACLE或PI等。 1.2 系統(tǒng)功能 火電廠運行優(yōu)化系統(tǒng)主要為發(fā)電廠的安全穩(wěn)發(fā)、成本控制、高效節(jié)能等提供真實可靠的現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)，配合科學(xué)有效的開發(fā)軟件對生產(chǎn)過程進(jìn)行分析綜合以及對故障進(jìn)行診斷，以指導(dǎo)電廠的運行與維修活動。目前該系統(tǒng)的主要功能集中在以下幾個方面： 1.2.1 實現(xiàn)全廠生產(chǎn)過程的監(jiān)視 通過采集電廠各生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)包括DCS、DEH以及其他輔助控制系統(tǒng)的實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對各生產(chǎn)流程進(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)視與查詢。對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理以形成全廠生產(chǎn)報表。同時，通過全廠實時和歷史數(shù)據(jù)庫來滿足管理部門快速高效地對現(xiàn)場過程數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢與處理的要求。 1.2.2 負(fù)荷分配與調(diào)度 根據(jù)電廠與電網(wǎng)的合同與協(xié)議，以及電廠所制定的機(jī)組中、長期檢修和運行計劃，對照日負(fù)荷的預(yù)測，以最優(yōu)方式安排運行機(jī)組的組合和各運行機(jī)組的運行方式。同時根據(jù)日負(fù)荷實際變化情況，結(jié)合機(jī)組主、輔系統(tǒng)的可用情況和經(jīng)濟(jì)特征值，進(jìn)行優(yōu)化計算，為實時優(yōu)化機(jī)組的經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配和輔助系統(tǒng)的運行提供參考。 1.2.3 實時處理生產(chǎn)成本信息 通過各單元機(jī)組的DCS以及全廠輔助控制系統(tǒng)的信息采集，實時地將相關(guān)的生產(chǎn)成本信息送入實時數(shù)據(jù)庫，為電價計算提供依據(jù)。 1.2.4 性能計算與分析 通過實時采集的數(shù)據(jù)或規(guī)定時間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行性能計算，包括鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)組、凝汽器、高壓加熱器、低壓加熱器、給水泵等主要設(shè)備和系統(tǒng)以及整個機(jī)組的效率、損耗等，并提供性能計算的期望值與實際計算值的比較，功能較強(qiáng)的軟件還能分析偏差產(chǎn)生的原因并提供改進(jìn)措施建議。 1.2.5 系統(tǒng)自診斷與自學(xué)習(xí) 通過相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)比較和分析，能自我診斷出系統(tǒng)本身的故障，例如傳感器故障、軟件計算誤差。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與記憶因子等理論，系統(tǒng)能判別機(jī)組運行的參數(shù)，找出區(qū)域最優(yōu)點。 1.2.6 設(shè)備故障診斷 在實時數(shù)據(jù)監(jiān)測與性能計算的基礎(chǔ)上，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個數(shù)據(jù)或計算參數(shù)與期望值發(fā)生偏差時，說明設(shè)備或系統(tǒng)存在著故障。SIS系統(tǒng)能夠利用故障診斷技術(shù)或?qū)＜蚁到y(tǒng)，分析故障產(chǎn)生的根本原因或最大可能的根本原因，提出設(shè)備運行與維修建議。有的系統(tǒng)還設(shè)計有遠(yuǎn)程監(jiān)視開展遠(yuǎn)程診斷與遠(yuǎn)程技術(shù)服務(wù)，及時得到廠外專家的診斷結(jié)果與處理建議。 1.2.7 設(shè)備壽命管理 通過實時監(jiān)測，系統(tǒng)能分析參數(shù)變化對主要設(shè)備（例如汽輪機(jī)等部件）的金屬溫度及其變化率的影響，從而評價設(shè)備的壽命。它可以跟蹤機(jī)組起停時和大幅度負(fù)荷變化時的參數(shù)狀態(tài)，并提供最佳起停方式。 1.2.8 電廠運行考核管理 系統(tǒng)設(shè)計了小指標(biāo)和節(jié)能等統(tǒng)計考核指標(biāo)，例如供電煤耗、汽機(jī)熱耗、間接經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和各種耗差統(tǒng)計結(jié)果，為班組和各值的運行考核提供公平的基準(zhǔn)依據(jù)，監(jiān)督運行人員的運行操作，促進(jìn)運行人員對機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運行。 1.3 系統(tǒng)應(yīng)用狀況 就我們所走訪的電廠以及通過網(wǎng)上查詢、資料查閱等情況來看，普遍反映SIS的使用對機(jī)組效率的提高、設(shè)備異常的及時發(fā)現(xiàn)、運行班組業(yè)績考核、機(jī)組或系統(tǒng)設(shè)備的性能試驗、機(jī)組優(yōu)化運行等作用很大。 （1）高機(jī)組效率。通過使用SIS系統(tǒng)，最明顯的效果就是將電廠的供電煤耗降了下來，年平均供電煤耗降低了約1520 g/kWh，大大提高了機(jī)組的發(fā)電效率，降低了生產(chǎn)成本。 （2）及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常。在SIS系統(tǒng)運行中，能發(fā)現(xiàn)主蒸汽壓力調(diào)整不當(dāng)、高壓加熱器端差、凝汽器背壓異常等問題。有一些軟件還利用模糊理論與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論開發(fā)了鍋爐系統(tǒng)與凝汽器系統(tǒng)的故障診斷子系統(tǒng)，雖然還處于初級階段，但已經(jīng)可以給出故障的基本信息。 （3）運行考核。SIS為班組和運行值的業(yè)績考核提供了一個公平的基礎(chǔ)，通過考核統(tǒng)計結(jié)果實施適當(dāng)?shù)莫剳?，提高電廠員工的效率意識與經(jīng)濟(jì)運行意識。 （4）性能試驗。有了SIS系統(tǒng)，就能很方便地進(jìn)行機(jī)組整體以及系統(tǒng)設(shè)備的效率試驗，而且SIS的功能能夠及時甚至實時地將試驗結(jié)果計算報告出來，徹底改變了這類大型試驗的實施過程。 （5）優(yōu)化運行。各個廠均利用SIS系統(tǒng)來尋求機(jī)組間的負(fù)荷最優(yōu)分配，力求控制生產(chǎn)成本。最普遍的優(yōu)化運行就是循環(huán)水系統(tǒng)，通過SIS的分析計算可以確定循環(huán)水系統(tǒng)的運行方式，降低廠用電率，從而降低供電煤耗。鍋爐優(yōu)化、調(diào)峰期間的蒸汽初壓的優(yōu)化也在許多電廠中應(yīng)用。 2 核電廠常規(guī)島的特點 核電廠與火電廠相比，基本的循環(huán)理論都是朗肯循環(huán)，但是還是存在很多不同之處。除了設(shè)置有許多安全和冗余設(shè)備外，在鍋爐和蒸汽發(fā)生器、汽輪機(jī)、汽水分離再熱器等設(shè)備上也存在著明顯的不同特點。其中有些設(shè)備是核電廠所特有的。眾所周知，火電廠與核電廠最大的區(qū)別在于發(fā)電的燃料不同，火電廠利用煤、石油和天然氣等化石燃料，而核電廠利用核燃料來進(jìn)行發(fā)電。由于核燃料的放射性及反應(yīng)性控制的要求，反應(yīng)堆所釋放的熱量不能直接傳遞給二回路，必須利用一回路冷卻劑實現(xiàn)核熱能到蒸汽熱能之間的轉(zhuǎn)移。蒸汽發(fā)生器就是為實現(xiàn)這一能量傳遞而設(shè)計的。因此，我們可以把核反應(yīng)堆及其一回路和蒸汽發(fā)生器一起看作火電廠中的鍋爐。 蒸汽發(fā)生器不象火電廠中的鍋爐那樣直接由燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饧訜?，而是采用一回路高溫水加熱，水溫受其壓力的限制不可能太高，這就限制了二回路蒸汽只能是飽和狀態(tài)（壓力：6.63 MPa，溫度：283）。這一特點是壓水堆電廠與常規(guī)火電廠二回路的最大不同點，它也決定了核電與火電在常規(guī)島方面的許多不同之處。 2.1 汽輪機(jī) 受初參數(shù)的影響，核電汽輪機(jī)與火電汽輪機(jī)也有很大的差別?；痣姍C(jī)組一般有高壓缸、中壓缸和低壓缸三部分組成，但由于核電機(jī)組的蒸汽壓力低，可利用的理想焓降小，因此只有高壓缸和低壓缸兩部分組成。為了得到機(jī)組的大功率，核電機(jī)組必須增大蒸汽的流量，這就使得核電汽輪機(jī)的流通面積比火電機(jī)組大得多，因此核汽輪機(jī)設(shè)置有三個雙流道低壓缸。 2.2 汽水分離再熱器 汽水分離再熱器是核電機(jī)組所特有的設(shè)備，其作用一是除去高壓缸排汽中的水分，二是加熱高壓缸排汽，提高進(jìn)入低壓缸蒸汽的干度，使其具有一定的過熱度。汽水分離再熱器的加熱來源一部分是高壓缸的第二級抽汽，一部分是新蒸汽，因此該設(shè)備的正常工作與否對常規(guī)島的影響很大，直接關(guān)系到機(jī)組的發(fā)電效率。由于國內(nèi)常規(guī)火電廠不具有此設(shè)備，對汽水分離器的研究也較少，對于該設(shè)備的在線監(jiān)測和性能考核計算將是一個難點。 2.3 參數(shù)與運行 核電廠與火電廠一樣，都是根據(jù)電廠負(fù)荷需要調(diào)節(jié)鍋爐的發(fā)熱量，使得熱功率與電功率相匹配。但核電廠的蒸汽參數(shù)較火電廠低得多，并且新蒸汽為飽和蒸汽，不象火電廠的新蒸汽具有很高的過熱度。就大亞灣核電站而言，不象常規(guī)電廠那樣參與電網(wǎng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)，一般是在滿功率水平運行，因此在核島滿功率水平下，如何盡可能地發(fā)掘常規(guī)島的發(fā)電潛力、提高發(fā)電效率是非常有意義和經(jīng)濟(jì)價值的課題。 2.4 新蒸汽 就大亞灣核電站而言，新蒸汽由三臺蒸汽發(fā)生器生產(chǎn)，額定工況下每臺蒸汽產(chǎn)率為1938 m3/h，壓力為68.9 bar，由于蒸汽發(fā)生器和一回路的特殊性質(zhì)決定了這些新蒸汽是飽和蒸汽，并且含有一定的濕度。火電機(jī)組的新蒸汽一般壓力在150 bar以上，溫度在550左右，具有較高的過熱度。由此可見，火電機(jī)組的蒸汽參數(shù)遠(yuǎn)高于核電機(jī)組參數(shù)。 核電廠新蒸汽具有一定的濕度，在蒸汽發(fā)生器出口處設(shè)計濕度為不大于0.25%，大亞灣兩臺機(jī)組在調(diào)試期間對濕度進(jìn)行了測量，分別為0.09%和0.11%。新蒸汽通過高壓缸做功后，濕度變得更大，為了低壓缸的安全運行，必須對高壓缸排汽進(jìn)行除濕。因此核電機(jī)組設(shè)計并安裝了汽水分離再熱器，提高進(jìn)入低壓缸蒸汽的干度。在汽輪機(jī)的設(shè)計中，也必須考慮各級之間的除濕問題，盡量地將液滴分離出去，不影響下一級的工作?；痣姍C(jī)組新蒸汽中不含水汽，對于高壓缸排汽中的水汽，一般是采用再熱的方法處理，使得進(jìn)入中壓缸的蒸汽重新具有一定的過熱度。由于核電汽輪機(jī)各級抽汽都含有水汽，對其測量非常困難，這將對常規(guī)島給水加熱器的效率計算產(chǎn)生很大的障礙。 2.5 運行 核電機(jī)組采用的是飽和蒸汽，若運行方式采用常規(guī)島廠的滑壓運行并不經(jīng)濟(jì)，因此核電機(jī)組采用定壓運行方式，在負(fù)荷從0%到100%變化過程中，新蒸汽壓力僅有很小范圍的變化。機(jī)組負(fù)荷的調(diào)節(jié)是靠調(diào)整蒸汽進(jìn)汽量實現(xiàn)的。常規(guī)電廠在負(fù)荷較小時，采用滑壓運行，而在負(fù)荷大時也采用定壓運行。 大亞灣兩臺機(jī)組并不參與電網(wǎng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)，以發(fā)揮其大功率機(jī)組穩(wěn)定的優(yōu)點，因此一般穩(wěn)定在滿功率水平運行。功率的調(diào)節(jié)主要通過給水流量的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。 3 開發(fā)平臺 常規(guī)電廠的開發(fā)平臺是DCS和MIS系統(tǒng)。核電廠基于安全的考慮，沒有象常規(guī)電廠的DCS系統(tǒng)，核電廠的操作都是硬操作，不是如同DCS的軟操作。因此，核電廠的數(shù)據(jù)采集是通過KDO、KIT等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成的。 3.1 常規(guī)電廠的DCS系統(tǒng) 分布控制系統(tǒng)（distributed control system，簡稱DCS），是為了克服以前模擬儀表控制系統(tǒng)和集中計算機(jī)控制技術(shù)的缺點而提出和發(fā)展起來的，是4C技術(shù)（計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、控制技術(shù)、CRT圖形顯示技術(shù)）相結(jié)合的產(chǎn)物。是以微處理機(jī)為基礎(chǔ)、按系統(tǒng)要領(lǐng)設(shè)計、具有控制功能分散、監(jiān)視操作集中的新型數(shù)字控制系統(tǒng)。其中心思想是把大量的信息處理和功能控制等任務(wù)，分散給各個微處理機(jī)來完成，即把一個龐大的監(jiān)測控制任務(wù)分配給各個承擔(dān)不同控制要求的微機(jī)來執(zhí)行，通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)來實現(xiàn)監(jiān)控任務(wù)及信息管理。 在火電廠中，微機(jī)分布控制系統(tǒng)可以完成一臺單元機(jī)組的監(jiān)視和控制任務(wù)，也可以擴(kuò)大到整個電廠的監(jiān)視和控制任務(wù)。其監(jiān)視功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、性能計算、屏幕顯示和打印制表等?？刂乒δ馨M量控制、開關(guān)量控制、報警、聯(lián)動及保護(hù)等。分布控制系統(tǒng)的功能除DAS（數(shù)據(jù)采集和處理）、CCS（協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)）、SCS（順序控制系統(tǒng)）和BMS（燃燒器管理系統(tǒng)）外，有時還把DEH（數(shù)字電液汽輪機(jī)控制系統(tǒng)）、BPC（汽輪機(jī)旁路控制）及MEH（給水泵汽輪機(jī)控制系統(tǒng)）包括在內(nèi)，組成一體化系統(tǒng)。 3.2 核電廠的在線系統(tǒng) KIT、KDO系統(tǒng)是核電廠的在線監(jiān)視系統(tǒng)，但這兩個系統(tǒng)并不具有安全功能，即他們只提供電廠的運行參數(shù)和狀態(tài)，并不參與運行和控制。 KIT由兩級系統(tǒng)構(gòu)成，一級系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理，分散在整個電廠中，二級系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)處理，是KIT的中央處理機(jī)系統(tǒng)，并且和外圍設(shè)備相連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸出和存儲，二級系統(tǒng)在設(shè)計上是完全冗余的。KIT系統(tǒng)具有較高的可用性，它的基本功能包括信息采集和處理、事件后分析、反應(yīng)堆監(jiān)督和操縱員輔助功能。 KDO系統(tǒng)是與電廠安全運行無關(guān)的試驗網(wǎng)絡(luò)，用于完成啟動監(jiān)測系統(tǒng)和狀態(tài)計數(shù)功能，其組成主要包括狀態(tài)記錄儀、公用隔離機(jī)和微機(jī)。其輸入信號分別來自繼電器機(jī)柜、調(diào)節(jié)機(jī)柜和電氣測量，采集來的過程信號送往公共的隔離和處理單元。最終輸出的結(jié)果有：啟動試驗的分析、性能參數(shù)的記錄、事故分析和主要瞬變分析。 KME系統(tǒng)也是與電廠安全運行無關(guān)的試驗網(wǎng)絡(luò)，它主要的任務(wù)是通過計算機(jī)采集計算一回路的熱功率。 4 核電廠常規(guī)島熱力性能在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的開發(fā) 4.1 系統(tǒng)功能 核電廠常規(guī)島熱力性能在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的預(yù)期功能為： （1）熱力參數(shù)實時監(jiān)督。系統(tǒng)將實時監(jiān)測與常規(guī)島熱力循環(huán)相關(guān)的200多個參數(shù)，并與預(yù)設(shè)在系統(tǒng)中的參數(shù)期望值進(jìn)行比較，可以及時發(fā)現(xiàn)相關(guān)的參數(shù)異常和設(shè)備缺陷。 （2）在線熱效率計算?？梢栽诓杉欢螘r間（半小時左右）的參數(shù)后，計算單個系統(tǒng)（例如高壓給水系統(tǒng)）或某個設(shè)備（例如高壓加熱器）或整個常規(guī)島的熱效率，及時了解單個系統(tǒng)或整個常規(guī)島的效率狀態(tài)。 （3）故障診斷。通過以上兩個功能，可由系統(tǒng)或技術(shù)人員分析出是哪個系統(tǒng)或哪個設(shè)備發(fā)生了異常，并能分析根本原因或可能的根本原因，及時提出維修糾正行動。大修前后的故障診斷還可以分別為大修活動的計劃安排以及大修后續(xù)行動提供維修與運行建議，并通過數(shù)據(jù)對比鑒定大修質(zhì)量。 （4）運行考核管理。通過設(shè)置合理的指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計，實現(xiàn)對運行維修人員活動的監(jiān)督，加強(qiáng)電廠各級人員提高經(jīng)濟(jì)運行的意識。 （5）自我更新。系統(tǒng)能夠自動識別機(jī)組的最佳狀態(tài)或參數(shù)最佳值，并通過系統(tǒng)或有授權(quán)的技術(shù)人員更新到系統(tǒng)期望值與系統(tǒng)熱力模型中，從而保證系統(tǒng)能及時跟隨機(jī)組的最佳運行狀態(tài)以及設(shè)備的維修與技術(shù)改造的狀態(tài)。 4.2 硬件配置 大亞灣核電站沒有火電廠的DAS、DCS等比較全面的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，雖然KIT、KME、KKO等儀表和控制系統(tǒng)中有一些涉及到熱力性能的數(shù)據(jù)，但其精度、采集速度與實時性等不能滿足要求。因此，必須全新開發(fā)或?qū)ΜF(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行改造才能實現(xiàn)。全新開發(fā)安裝一套單獨的系統(tǒng)，既不能利用現(xiàn)有的電廠資源，而且也不能與其他系統(tǒng)進(jìn)行資源共享，從而造成資源浪費。 對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行利用的途徑有3條：（1）改造