FOES系统技术白皮书Word格式.docx

1、是推进经济结构调整，转变增长方式的必由之路；是提高人民生活质量，维护中华民族长远利益的必然要求。因此，节能减排已成为当前国家的主要政策之一。对于发电企业来说，节能减排不仅是企业社会责任的体现，更能为企业带来巨大的经济效益。目前我国的发电格局主要以火力发电厂为主，并将在很长一段时间内保持这一格局。火力发电厂中燃煤的费用已占到发电成本的70%以上，随着煤炭价格的不断上涨，对电厂生产经营带来的压力越来越大。根据发改委与电力监管部门发布的政策，今后对于相同类型的火电机组，将采取比较能耗、高低排序、低能耗优先上网的方式来进行负荷分配。因此，能耗的高低已成为电厂经济性和可持续性发展的重要指标。与此同时，发

2、改委也针对节能效果制定了明确的奖励办法。办法规定，每节约一吨煤炭，将向电厂发放200-250元的节能奖金。并且针对国内火力发电企业的生产现状及节能目标，发改委指出要加强电厂技术改造，降低能源消耗，减少污染物排放。提高机组效率、降低发电煤耗、减少污染成为当前电厂迫切需要解决的问题。FOES节能系统集成三十余项专利技术与先进控制技术，综合了美国三十多年的电厂经济运行经验和一千八百多家电厂的实践经验，是电厂从稳定运行阶段提升到经济运行阶段的可靠基础。2. 国内电厂生产现状2.1. 电厂现有生产中的问题2.1.1. 数据测量不精准由于测量方法和测量设备本身的原因，现有的控制系统中采集数据的精准性得不到

3、保证，从而导致操作人员不能掌握最真实的运行情况，给操作带来很多不确定性，也影响了所采取的优化措施的效果。2.1.2. 数理模型不准确大部分电厂都在投运之前进行过机组性能试验，找到了机组运行的性能变化曲线。但是，随着运行过程中设备的性能损耗、检修和更换，机组运行最佳状态参数的设置也会相应发生改变。如果不能及时发现这些改变而始终遵循原设置进行操作，将会影响机组运行的经济性。2.1.3. 运行依赖经验过多在电厂的实际生产过程中，操作人员因为受到测量不准等因素的影响，无法做出准确的操作，只能依靠经验对机组进行调节。由此造成不同的操作人员进行的操作准确程度不同，从而对运行的经济性产生影响。2.2. 电厂

4、目前采取的节能措施目前，国内电厂采取的节能措施主要有如下一些： 维持凝汽器最佳真空 提高给水温度 加强锅炉燃烧调整 减少再热器减温水量 合理受热面吹灰 减少锅炉漏风 节约厂用电上述节能措施都是针对于电厂生产过程中某个独立环节提出的改进方法。但电厂生产过程是一个庞大复杂的系统，系统中各部分之间的联系紧密而相互影响。这就造成在针对系统中某个局部进行优化调节时，其调整幅度是很有限的，从而使优化效果并不明显。只有进行针对整个生产过程的系统优化才能最大程度的降低不必要的能源消耗和浪费，提高能源利用率，取得最大的节能效果。3. FOES系统介绍图1 FOES系统布置图FOES系统是一套先进的节能优化系统，

5、它由安装在省煤器旁边的FOES一体化测控设备、安装在烟囱内的GACE烟气测量分析装置、安装在电厂升压变压器上的HMU电能量测量装置以及基于PI实时数据库平台的FOES过程优化应用软件系统组成。FOES系统通过OSC公司专利的高精度测量技术，采集到最真实的运行数据，结合PI实时数据库在实时数据采集、处理、分析方面的优势，全面监测燃烧过程的关键数据，建立电厂能效模型和用于分析的数据集合。FOES系统通过对燃烧系统的工作状态进行计算分析，验证此时的运行情况是否处于最佳状态。电厂运行人员通过调节一、二次风风量和给煤量等运行关键指标来调整运行状态，达到最优状态，提高电厂的能效和效益，降低发电煤耗等硬性指

6、标。3.1. 系统设计思路燃烧装置的目的是把一种燃料转换成热能用于生产。在燃烧的过程中，煤中的C在充分燃烧中转化为CO2,而当O2量不足时，C会转化为CO，同样质量的C转化为CO2所放出的热量是转化为CO所放出热量的4倍。因此，如果O2供应量不足，导致C燃烧不充分而产生大量的CO，将严重影响电厂生产的经济性。为了保证燃烧充分所需要的O2量，通常会加大送风量。但是在送入的空气中含有79%的N2,20.9%的O2,这些N2不参加燃烧，但在燃烧过程中被加热，吸取了能量然后从烟道中被排到大气中去。即为了使空气中20.9%的O2参与燃烧，必须要加热比O2多将近4倍的N2，然后将其放掉。这就会形成大量的排

7、烟热损失。FOES系统通过实时监测烟气中的CO和O2量来分析燃烧的充分程度。根据分析的结果进行合理调整使得进风量和给煤量之间达到平衡，提高燃烧效率。FOES系统达到的最终目的是：建立锅炉燃-气平衡，使燃料不完全燃烧产生的热损失与烟气流失造成的热损失之和最小。3.2. 系统组成部分3.2.1. 硬件设备3.2.1.1. FOES一体化测控设备FOES一体化测控设备安装于电厂的省煤器旁边，需要的安装空间为3m3m4m，设备内部结构如下所示：图2 FOES一体化测控设备（内部）图3 FOES一体化测控设备（内部）FOES一体化测控设备采集如下数据：表1 FOES一体化测控设备关键参数序号关 键 参

8、数1燃料供应量（给煤量）数据2过热器性能数据3凝汽器性能数据4汽轮机性能数据5空气预热器性能数据6吹灰效果数据7冷凝塔性能数据8发电机性能数据9煤质数据10燃烧管理数据11节能性能数据12烟气管道泄漏检测数据13旁路性能数据14二次风系统数据15其他设备性能数据3.2.1.2. GACE测量设备GACE测量设备布置于烟囱1/3高处，按照美国EPA方法安装测量探头，需要安装空间为3m4m，设备图示如下：图4 GACE测量设备图5 GACE测量设备GACE测量设备测量的参数如下：表2 GACE设备测量参数测量关键参数CO2浓度SO2浓度SO3浓度NO浓度NO2浓度N2O浓度CO浓度O2浓度烟尘浓度

9、烟气压力烟气温度烟气流速3.2.1.3. HMU测量设备HMU高精度测量设备安装与升压变电站变压器，外形如下所示：图6 HMU测量设备HMU高精度测量设备主要测量参数如下表：表3 HMU设备测量参数入网电量有功功率无功功率视在功率功率因数频率高压侧A、B、C三相电压高压侧A、B、C三相电流低压侧A、B、C三相电压低压侧A、B、C三相电流3.2.2. 数据平台FOES系统采用美国OSIsoft公司PI实时数据库作为系统的数据平台。PI是目前世界上效率最高，使用最简单，应用最广泛的实时数据库系统，PI数据库系统采用了旋转门压缩专利技术和独到的二次过滤技术，使进入到PI数据库的数据经过了最有效的压缩

10、，极大地节省了硬盘空间。例如，每秒1万点数据存储一年，仅需要4G的空间，即一只普通硬盘也可存贮五到十年的数据。PI系统具有强大的实时数据采集功能，可实时地采集来自不同数据源的原始数据，并通过系统提供的用户可配置报表、分析工具和Web软件工具等，在遍布企业或管理部门的台式计算机、便携式电脑或移动PDA上，实时显示当前和历史的运行状况。PI系统为管理层打开一扇虚拟的窗口，帮助其洞察生产过程或运行流程，使得在大量基于实际运行数据/信息基础上，实现对整个业务运作流程的控制与管理对于运行管理有价值的数据信息。PI系统可为其提供在线存储达数十年，并随时随地（每周7天、每天24小时）连续不断地为运行单元级、

11、成套设施级、整个企业或管理机构级，提供实时数据与信息支持。 PI系统是企业及管理机构实时信息架构的核心部分，它帮助将实时数据转化为运行管理决策的关键信息，使其成为业务系统中整合的重要信息。目前，众多管理机构、组织或企业，包括世界500强到中型规模企业，将该实时信息管理模式应用到生产能力、产品质量和可靠性方面后，而取得了持续的巨大成功。PI数据库具有先进的技术特点，它每秒可处理8万个事件，同时可支持500个客户端访问，单台服务器可容纳200万个数据采集点。PI数据库以数据原型存储，保持高精度，对磁盘空间要求低又可长期在线存储，调用数据非常方便。支持多服务器同时运行，可同时调用多个服务器的数据。P

12、I数据库系统灵活，可根据需要扩展；兼容各种自动控制系统和各种软硬件，支持标准的方式与管理系统连接；PI服务器可运行在多种平台；PI客户端可运行在多种平台同时支持多种网络协议和多种网络方案。为操作或生产获取所有相关数据。PI可以生成工厂过去和现在的操作情况的画面。PI 统一的数据仓库可以让用户以不同的视角访问相同的信息。PI可以在线存储长期数据，在线数据是用户或应用程序所需的秒级数据。保存多年的工艺数据，使用户可提取工艺的季节变化数据、分析设备运行时间，查看产品或物料的生产周期。PI的应用工具还可在离线介质（硬盘或磁带）上创建永久的档案。通常情况下，用户访问的有效数据是在硬盘上。PI数据库以数据

13、原型存储，OSISoft公司认为，数据采集和存储应保持原有的时间间隔、精度，而不考虑将来怎样用。过去，许多公司用大量的归纳数据来减少数据存储的空间。这样做有两个原因，第一，减少存储所需空间，第二，存储的数据与某一批产品有关。OSISoft公司的PI存储了工艺和事件的所有信息，例如，一个工艺量变化很快，我们认为这点的数据需要以小时间隔来存储，PI采用的压缩技术可以存储数千点的数据，而不需要大量的磁盘空间。“旋转门”专利压缩技术由OSISoft公司开发，保证了从PI的历史数据库中取出的数据满足该点所要求的精度。PI数据库的数据源唯一，数据只在同一时间点存储一次（时间轴唯一），企业所有的人或应用程序

14、，可以访问相同的数据用于不同的目的。PI以数据的基本形式存储。系统可对数据进行任何格式的计算。根据用户或应用程序的要求，也可进行数据的归纳处理。PI数据库系统能够以数据原形的方式长期在线储存工厂所有的生产数据，满足快速、高效地进行数据采集、存储和显示的要求。事实证明，PI系统有效解决了以往生产数据集成中遇到的难题。它不同于关系数据库，它是时间序列的数据库，最适合处理过程数据，保存数据的时间精度可达微秒级。PI系统具有以下技术特点：同时支持C/S和B/S结构 PI系统可在多种环境下运行 PI系统具有分布式的数据采集结构 PI系统具有高效的数据存储方式 PI系统具有开放的结构，可以方便地与其它系统

15、连接 PI系统具有丰富的客户端数据处理和分析工具 PI系统实施和维护方便快捷同时PI系统作为发电企业的生产实时数据平台，在国外得到了大量的实际应用，在国内的国华电力也已经成功运行多年，积累了很多经验。正是由于PI这些突出的优点，使PI成为发电企业实时数据集成的最佳平台。3.2.3. 软件部分3.2.3.1. 数据采集接口FOES系统目前与世界主流的数百多种控制系统之间有数据接口，FOES系统与控制系统之间的数据通讯分三种情况考虑： FOES系统与控制系统之间有通信接口：直接利用该接口实现FOES与控制系统之间的通信； FOES没有控制系统的标准接口软件但控制系统能提供OPC SERVER：可以

16、使用OSIsoft公司的标准OPC接口软件； 如果控制系统没有OPC SERVER：需要控制系统原厂商提供该控制系统通讯接口的相关资料和通信规约，按照OSIsoft公司PI标准接口协议开发该接口软件。3.2.3.2. FOES优化分析包FOES优化分析软件包包括：CO控制系统软件包、FPMS燃料供应管理系统软件包等部分。通过对采集的数据进行分析和计算，找到当前运行状态的不合理支出进行优化，达到建立燃-气平衡的目的。3.2.3.3. FOES闭环控制包FOES闭环控制包可以向电厂DCS等自动化系统提供闭环控制功能。在电厂允许FOES进行闭环控制时，FOES闭环控制软件包能够根据FOES优化分析软

17、件包计算得到的结果将相应的操作调整指令发出的执行机构进行调整，以达到优化生产过程的目的。3.2.4. 其它部分3.2.4.1. 控制终端控制终端配置装有Windows XP系统的笔记本电脑，配置为内存2G，硬盘80G。与PLC有两个连接，一个是RS-232连接，主要用来PLC编程及显示模拟和数字信号状态，另一个是PI界面对单位数据进行读取和存档的以太网连接。3.2.4.2. 标准操作画面自动生成数据连结显示面板，关键过程参数的数据质量控制图。 功能 数据采集 数据存档 数据展示 信息创建 信息展示 实时控制面板 要求 网络CIM模型 PI-HA主机 SIS系统PI-HA数据存取节点3.3. 系

18、统技术经济性 客户收益：减少燃耗5-8g/kWh（折算至标准煤当量）。 条件： 标准PI系统； 与操作中心PI系统间的PI连接。 FOES功能： 省煤器监测（CO. O2 和质量流； 1% ）； 烟囱监测（CO和质量流；2%）； 提高变压器测量精度（MW, MWh 0.1%）； O2量设定调节； 日操作报告审核； 月结果报告审核。 FOES控制：操作人员必须按照通过无线电话或者掌上电脑给出的建议进行O2量设定（增加或减少O2量设定）。如果未按照建议值操作，将通过无线方式通知工厂管理人员。 节省计算：（两个月评价）第一月（基准评价）：送煤车数/MWh （g/kWh）是性能的真实计量标准（在升压变

19、压器上使用新仪表）。该标准被自动提报并记录在全监控报告中（RtReports）。工厂管理人员核实并签署报告。可以逐车称重（或视为常量）。附加性能测试也将进行。为了避免影响运行人员的正常操作，不能取得最真实的生产状况数据，建议在试运行期间不通知操作人员。第二月（性能评价）：采用如上相同燃料标准自动计算。实时性能可以通过PDA、手机或浏览器显示。在第二个月底得出实际燃耗。如果工厂对结果不满意，可以卸载系统。4. FOES系统的优势技术FOES系统的优势和特点概述 专利的高精度测量技术，准确测量生产数据：FOES具有专利的测量技术和设备，通过这些设备，能够准确地测量过程优化所需生产数据，从而从根本上

20、保证了过程优化的效果。 性能优异的实时数据平台：系统采用PI实时数据库作为数据平台，依靠PI在数据采集、分析处理和压缩储存方面的优异性能，为过程优化的及时性提供保证。 基于神经网络、专家系统等的优化软件：优化软件通过学习以往的历史数据丰富自身的神经网络算法和先进的专家系统，使得FOES的算法更贴近实际，更能准确地指导运行。 丰富的经济运行经验：FOES集成了美国多家电厂30多年的经济运行经验，对于国内电厂从稳定运行阶段发展到经济运行阶段并能够进行长期经济运行具有极强的指导作用。4.1. 高精度测量技术图7 不同测点数据对比通过上图可以看出，在烟气管道中不同的位置测量到的数据是不同的。现在电厂普

21、遍采用单点测量的计量方法，这样得到的数据无法真实反映锅炉的实际燃烧情况，也就无法作出准确地判断和合理的操作。FOES系统利用高精度测量技术，获得过程优化所需生产数据。测量技术主要原理,如下：图8 高精度测量技术采集系统的探头分布在烟道的横截面上，每90内由外向内布设3个探头，这样就将烟道截面分为了12个小区域，每个小区域内的烟气流动情况是基本近似的，综合分析12个小区域的采集值，就能得到较为真实的烟气流动情况。测控系统主要包括以下各部分： 探测器FOES一体化测控设备的探测器是一个多孔管取样系统，用于在平均气体速度垂直方向采集质量混合样本，取样孔几乎不受气体速度的影响。FOES一体化测控设备的

22、速率采样器是一个质量-速度采样系统，用来向多成分分析器提供合成样本。该装置内置自动清洁循环系统，极少需要维护。探测器利用气体集成方案解决了质量平均等式问题。该等式中是成分c通过烟囱采样横截面的质量率，（x,y）是（x,y）点密度，V（x,y）是该点速率，c（x,y）是被测量点浓度，以上横截面数据通过风力设计应用进行了合成计算。该装置已经有15年应用历史。质量采样系统用来准确计算采样气流中CO, CO2, SO2, NOx和其它气体或污染物的质量排放。FOES一体化测控设备的探测器长15英尺，重150磅。由4英寸，标号80sch壁厚的不锈钢管制作。探测器是电厂用设备。对于省煤器气体平流的工厂，探

23、测器垂直安装，而气体垂直流动的工厂，探测器则应水平安装。探测器和过滤器由接头套管装置连接，采样管直径为1英寸。每个探测器测量一个省煤器横截面，每个省煤器横截面布置有6个孔，我们建议每个省煤器至少需要两个探测器。 探测器接口探测器和计量器之间通过1英寸弯曲不锈钢管连接。 过滤器低压降过滤器位于探测器和计量器之间。 计量器计量器由4英寸不锈钢管构成。经过滤的热气由计量装置流回省煤器烟道。4.2. CO控制系统CO控制系统（CO控制器）是FOES系统过程优化软件包的重要组成部分。CO控制系统含有一个取样系统用来采集和计量省煤器烟道和烟囱内烟气流量、CO和O2浓度，通过计算分析得出当前O2给定量的最优

24、值，以达到促进未完全燃烧产生的CO转化为CO2，同时又不会因进气量过多造成排烟热量损失大幅升高的目的。由于煤中的C燃烧产生CO2和CO所放出的热量相差很大，CO控制系统的应用将会使热效率提高1.5个百分点（大约500 BTU/kWh），从而在保证电能输出相同的情况下，降低燃料消耗量，减少温室气体的排放。下列两图所示是CO控制系统调节的原理图，表示的是在燃烧产生的烟气中相关含量的关系。下图为性能显示：分别为单位发电量的煤耗、耗O2量、产生的CO2 的量。图9 发电性能下图中 X-Y 坐标分别为在省煤器烟道中测量到的CO和O2的量。图10 CO-O2特性曲线下图所示是调节供氧量的控制逻辑流程：图1

25、1 O2调节流程下图是某电厂生产画面的截图，从中可以看出，FOES系统通过测算烟气中的CO和O2的含量来判断锅炉燃烧情况进行优化分析，给出最佳的控制参数，从而达到优化燃烧的目的。图12 某电厂调节画面4.3. 燃料供应管理系统（FPMS）FOES过程优化软件包中的燃料供应管理系统软件模块（FPMS）主要功能是：针对运行工况的要求合理分配锅炉燃烧器和磨煤机运行情况，使燃料供应设备在保证负荷要求的前提下合理经济运行。FPMS主要通过优化燃料器，建立锅炉燃烧区域的优化环境并最终达到燃料和进气量平衡，锅炉的运行情况将会得到明显改善，主要表现在： 最小化烟气热量流失； 减少燃烧不充分区域NOX产生量；

26、去除因含有还原空气区域操作产生的CO和熔渣； 通过促进燃烧和减少煤耗抑制CO2、Hg和SO2产生； 减轻因热压产生的锅炉管壁金属压力； 减少吹灰器维护； 减轻去除熔渣工作量； 减少清洁消耗。当磨煤机和燃烧器工作时，将由操作人员决定正确的磨煤机参数，从而保证炉体燃料分配平衡，提高燃烧效率。为达到建立炉体燃料分配平衡的目的，需要合理的确定每一套磨煤机和燃烧器组合的工作参数，而没有精准先进的数理模型和具有丰富经验的优化系统的帮助将无法确定最佳的运行方案。燃料供应管理模块的分析结果和指导建议有助于建立锅炉的燃料、进气平衡。下图是一个对燃烧器和磨煤机运行状态进行管理的例子。它利用生产过程数据来决定最佳磨

27、煤机速率和偏压设置，将锅炉燃料的不平衡最小化。该图表以柱状图方式将优化后燃料分配与实际燃料分配进行了比较。燃烧器设置图显示了停止工作的磨煤机和燃烧器（红色标出部分）。该例显示的是一台磨煤机和一台燃烧器停止工作的状态。图13 实例数据该模块也可以让操作员进行“假设”分析。即通过双击燃烧器设置图，操作员可以发出指令模拟打开或关闭某个燃烧器（图上部红绿表部分），系统会将关闭或打开燃烧器后可以达到的平衡情况显示出来供操作人员参考。该功能可以让操作人员对准备进行的操作可能产生的结果进行分析，从而做出最正确的选择。特别是当炉内的燃料和进风配比出现超大不平衡，不能仅靠调整磨煤机运行参数而必须启停磨煤机和燃烧

28、器才能达到调节效果时，会发挥极大效用。5. FOES系统工程实施5.1. FOES系统安装要求测量装置将被安装在每个省煤器，每个烟囱及每个升压变压器上。这些测量装置是用来衡量电厂性能指标的组成部分，同时也显示给操作员，用来提升燃料的利用效率。在下面的章节，将描述每个设备的具体安装要求。5.1.1. 省煤器（1） 为每个省煤器提供3个150mm 1000kPa的法兰。省煤器的壁上焊接上3个内插的管子，3个法兰被焊接在管子上。例如，省煤器的管道长18m，内插的管子被放置在管道壁边缘的3m，9m和15m处。 当省煤器管道是垂直放置时，用户可以在省煤器管道里面安装机械支撑，这只能在计划停运的时候去做。负压锅炉的水平安装的省煤器管道，内插的管子可以被焊接而不需要锅炉停运。（2） 设计应满足 EPA Method 1对矩形管道的要求。在插入管子的上面必须有足够的空间以便于4.6m的探针能够插入到锅炉里面。同时提供150mm的球阀，用来分离内插的管子。这种操作可定期进行（如大修）。我方工作人员将负责探针的清理。（3） 压缩空气在每分钟2m3情况下，压力1000kPa。（4） 240V交流电源，50A，距离设备不超过5m。（5） 设备安装空间