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)濟性的提高。

關(guān)鍵詞 核電廠 火電廠

Abstract On the basis of studying the present development and application status of optimization software of power plant at home and abroad，and by comparing nuclear power station with conventional thermal power plant in this respect, this article discusses the development and application of optimized computer software for nuclear power plant, which it says is beneficial to the enhancement of economics of nuclear power under the full implementation of reform measures all over the country's power industry.

Key words Nuclear power station Conventional power plant Optimization software

　　隨著我國電力工業(yè)改革的逐步深入，引進競爭機制，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，改變了只把機組安全穩(wěn)定運行作為生產(chǎn)管理重點的觀點，把機組經(jīng)濟性的提高也作為當前工作的重點。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)過機組熱效率下降、機組不能滿發(fā)的情況。每當這種情況發(fā)生，電廠即組織人力物力進行調(diào)查分析處理。由于常規(guī)島影響機組熱效率的系統(tǒng)、設(shè)備繁多，機組的運行狀況與環(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，可以及時進行處理以免故障擴大而不得不停機處理。

　　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、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)過程進行分析綜合以及對故障進行診斷，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)流程進行統(tǒng)一的監(jiān)視與查詢。對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進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)進行查詢與處理的要求。

1.2.2 負荷分配與調(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組中、長期檢修和運行計劃，對照日負荷的預(yù)測，以最優(yōu)方式安排運行機組的組合和各運行機組的運行方式。同時根據(jù)日負荷實際變化情況，結(jié)合機組主、輔系統(tǒng)的可用情況和經(jīng)濟特征值，進行優(yōu)化計算，為實時優(yōu)化機組的經(jīng)濟負荷分配和輔助系統(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)進行性能計算，包括鍋爐、汽輪發(fā)電機組、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，功能較強的軟件還能分析偏差產(chǎn)生的原因并提供改進措施建議。

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)計有遠程監(jiān)視開展遠程診斷與遠程技術(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。它可以跟蹤機組起停時和大幅度負荷變化時的參數(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)計了小指標和節(jié)能等統(tǒng)計考核指標，例如供電煤耗、汽機熱耗、間接經(jīng)濟性指標和各種耗差統(tǒng)計結(jié)果，為班組和各值的運行考核提供公平的基準依據(jù)，監(jiān)督運行人員的運行操作，促進運行人員對機組的經(jīng)濟運行。

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、機組或系統(tǒng)設(shè)備的性能試驗、機組優(yōu)化運行等作用很大。

　　（1）高機組效率。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15~20 g/kWh，大大提高了機組的發(fā)電效率，降低了生產(chǎn)成本。

　?。?）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、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。

　?。?）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?shù)莫剳?，提高電廠員工的效率意識與經(jīng)濟運行意識。

　　（4）性能試驗。有了SIS系統(tǒng)，就能很方便地進行機組整體以及系統(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)來尋求機組間的負荷最優(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、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)生的高溫煙氣加熱，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

　　受初參數(shù)的影響，核電汽輪機與火電汽輪機也有很大的差別。火電機組一般有高壓缸、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。為了得到機組的大功率，核電機組必須增大蒸汽的流量，這就使得核電汽輪機的流通面積比火電機組大得多，因此核汽輪機設(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?；痣姍C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，火電機組的蒸汽參數(shù)遠高于核電機組參數(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%，大亞灣兩臺機組在調(diào)試期間對濕度進行了測量，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行除濕。因此核電機組設(shè)計并安裝了汽水分離再熱器，提高進入低壓缸蒸汽的干度。在汽輪機的設(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，使得進入中壓缸的蒸汽重新具有一定的過熱度。由于核電汽輪機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。