CN113868836A - 基于大数据的智慧热力系统在线专家分析平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于大数据的智慧热力系统在线专家分析平台，包括有各类数据库、数据处理和分析模块、各类计算模块、特性曲线拟合模块、变工况仿真模块、全厂设备性能因子及耗差分析模块、故障诊断模块、优化建议模块；具体工作时，首先读取数据，对数据进行筛查、清洗、接口匹配处理、稳定工况判断筛查分析等处理和分析，进行热力学平衡计算，根据固定频次计算的热力学平衡计算结果，反映热力系统当前状态；再利用大量设备状态参数信息拟合得到关键设备特性曲线，基于特性曲线进行变工况仿真得到参考状态；将当前状态和参考状态进行对比，对热力系统进行性能因子计算、耗差分析计算，可给出热力系统、设备故障诊断建议和热力系统运行优化建议。
Description
技术领域
本发明涉及热电厂的大数据信息化技术，特别是一种基于大数据的智慧热力系统在线专家分析平台。
背景技术
目前，在碳减排压力和燃料的清洁高效利用要求以及不断增长的新能源并网对常规能源的冲击的综合背景下，常规热电厂必须具备较大负荷区间的运行可靠性，同时尽可能的提高热经济性，以便实现复杂能源条件下的经济效益。常规的运行及控制信息系统已难以满足新形势下的优化运行需求，有必要建立更详尽的设备状态信息平台和系统在线运行优化分析平台，从而实现常规热电厂的全面的状态监测和系统运行优化。基于大数据的智慧热力系统在线专家分析平台是一种基于大数据处理分析，并有效结合热力学分析和优化算法分析的专家平台，它的功能是热力系统状态监测和故障预警、提供热力系统运行优化决策建议。基于大数据的智慧热力系统在线专家分析平台是能有效解决当前复杂能源背景下的常规热电厂用户所需要的专家平台，其有助于建立智慧化能源管理系统，可为智慧电厂的发展提供坚实基础。
发明内容
本发明的目的是通过建立基于大数据的智慧热力系统在线专家分析平台，实现电厂热力系统的在线智能监测、大数据智能分析、智能故障诊断和预警、智能运行优化决策等功能。
本发明的技术方案如下：
基于大数据的智慧热力系统在线专家分析平台，其特征在于：包括外源数据库、系统专用数据库、数据处理和分析模块、热力学平衡计算模块、在线计算模块、稳定工况系统及设备状态数据库、关键设备特性曲线拟合模块、变工况仿真模块、全厂设备性能因子及耗差分析模块、系统及设备故障诊断模块、系统优化建议模块、交互界面等模块；各模块的功能如下：
外源数据库，由电厂用户提供数据，主要是从DCS获取的原始测量数据；
系统专用数据库，用于从外源数据库获取原始数据、为数据处理分析提供数据平台、为在线分析结果提供数据平台、为设备状态和特性提供数据平台；
数据处理和分析模块，用于数据筛选、清洗、接口匹配处理和稳定工况判断筛查等，其中稳定工况判断时取前一定时间段采样的机组负荷和主汽压数据的相对标准差(标准差与均值之比)同时小于某阈值时，认为当前工况处于稳定工况；
热力学平衡计算模块，利用各设备(包括锅炉、汽轮机、加热器、除氧器、凝汽器、给水泵、凝泵、给水泵汽轮机等)进出口工质的热力学质量和能量平衡关系建立全系统平衡方程组，通过矩阵求解迭代算法获取各设备的详细状态参数，所述状态参数可以包括汽轮机级效率、排汽损失、抽汽流量、排汽流量、加热器综合传热系数等，然后通过在线热力学平衡计算得到热力系统当前运行状态；
在线计算模块，通过设定数据处理分析模块和热力学平衡计算模块的调用频率，在获取热力系统平衡状态下足够详尽的各设备状态参数的同时，控制计算频次以保证智慧热力系统在线专家分析平台运行的稳定性；
稳定工况系统及设备状态数据库，用于为热力系统稳定运行工况的在线计算结果提供数据平台；
关键设备特性曲线拟合模块，基于热力系统平衡状态下大量的设备状态参数信息，并利用线性回归和非线性回归等算法，计算拟合得到关键设备的特性曲线；
变工况仿真模块，基于设备特性数据，利用热力系统的质量和能量平衡关系(即各设备进出口工质的热力学质量和能量平衡关系)，采取相关的变工况迭代算法(变工况条件下采用牛顿拉夫逊方法将非线性方程组转变为线性方程组，然后对线性方程组采用高斯赛德尔迭代方法计算)，计算得到用户定义的关键边界条件下的系统和设备的状态参数信息(包括热力系统整体净发电效率，锅炉效率，汽机热耗，汽轮机各级抽汽压力、温度、焓值、流量、级效率，汽机排汽压力、温度、焓值、流量，加热器进出口温度、焓值、换热效率，凝汽器换热效率，给水泵凝泵功率及效率，给水泵汽轮机流量、效率等)，从而得到热力系统参考状态；
全厂设备性能因子及耗差分析模块，是通过热力系统的
经济优化分析，对当前状态和参考状态的热力系统及各设备的性能因子、耗差进行综合分析；
系统及设备故障诊断模块，利用当前状态的性能和耗差分析结果，并结合历史数据对设备的状态作出评判，提供故障源及诊断建议；
系统优化建议模块，利用当前状态和参考状态的性能和耗差的综合分析结果，提供热力系统运行优化调整建议。
所述基于大数据的智慧热力系统在线专家分析平台设计有交互界面，为热力系统提供状态监测、计算数据图形化显示、关键计算参数的基本命令等提供人机交互界面。
根据上述架构形成的基于大数据的智慧热力系统在线专家分析平台，其工作流程如下：
(1)由系统专用数据库从外源数据库读取数据，并对读取的数据进行筛查、清洗、接口匹配处理、稳定工况判断筛查分析等处理；
(2)热力学平衡计算模块读取处理后的数据，并进行热力学平衡计算(热力系统中各设备按以下公式进行质量平衡和能量平衡计算)；
其中，
ki,kj-方向系数。质量或能量流入时,ki＝1,kj＝1；质量或能量流出时,ki＝-1,kj＝-1Di-质量流量，kg/h
hi-比焓值，kJ/kg
Wj-输入或输出轴功，kW
(3)稳定工况系统设备状态数据库读取固定频次计算的热力系统的热力学平衡计算结果，通过此结果反映热力系统的当前状态；
(4)利用稳定工况系统及设备状态数据库的大量设备状态参数信息，拟合得到关键设备特性曲线；
(5)基于拟合得到的关键设备特性数据，变工况仿真模块根据用户定义的边界条件进行变工况仿真计算，通过此结果反映热力系统的参考状态；
(6)将步骤(3)反映的比当前状态和步骤(5)反映的参考状态的系统数据进行对比，对热力系统进行性能因子计算、耗差分析计算；
(7)根据当前状态的性能因子和耗差分析结果，给出热力系统、设备故障诊断建议；根据当前状态和参考状态的性能因子和耗差分析比较结果，给出热力系统运行优化建议。
上述流程的功能显示和基本命令由人机交互界面完成；其中，功能显示包括在线数据库图形化显示等，基本命令包括关键计算频次选取、变工况仿真用户定义边界条件等。
本发明的有益效果是：
1、本平台基于大数据分析处理方法，通过热力系统稳态热力学平衡计算，获取热力系统及设备在线状态详细参数，并建立稳态工况数据库，反映热力系统的当前状态；
2、本平台基于系统稳态工况数据库，通过回归算法拟合得到关键设备特性曲线，然后根据设备特性数据和用户定义的边界条件，建立变工况仿真模型，并计算得到变工况状态参数数据，反映热力系统的参考状态；
3、本平台基于当前状态和参考状态的状态参数数据，通过综合优化分析算法，给出设备故障诊断建议和热力系统优化运行建议。
4、本平台的交互界面具备热力系统状态显示和基本命令功能，有助于用户进行自定义优化计算和计算结果的直观显示。
5、本平台有助于电厂运行人员深入监测热力系统及设备状态，为提高热力系统运行经济性和进行维护决策提供有利支持。
附图说明
图1为本发明的架构组成原理示意图。
具体实施方式
如图1所示，基于大数据的智慧热力系统在线专家分析平台，包括：外源数据库、系统专用数据库、数据处理和分析模块、热力学平衡计算模块、在线计算模块、稳定工况系统及设备状态数据库、关键设备特性曲线拟合模块、变工况仿真模块、全厂设备性能因子及耗差分析模块、系统及设备故障诊断模块、系统优化建议模块、交互界面等模块。
针对上述模块，相应模块的功能如下：
外源数据库，由电厂用户提供数据，主要是从DCS获取的原始测量数据；
系统专用数据库，用于从外源数据库获取原始数据、为数据处理分析提供数据平台、为在线分析结果提供数据平台、为设备状态和特性提供数据平台；
数据处理和分析模块，用于数据筛选、清洗、接口匹配处理和稳定工况判断筛查等；其中，稳定工况判断时，取前一定时间段内前一定时间段(例如10分钟)采样的机组负荷和主汽压数据的相对标准差(标准差与均值之比)同时小于某阈值时，认为当前工况处于稳定工况；
热力学平衡计算模块，利用各设备(包括锅炉、汽轮机、加热器、除氧器、凝汽器、给水泵、凝泵、给水泵汽轮机等)进出口工质的热力学质量和能量平衡关系
建立全系统平衡方程组，通过矩阵求解迭代算法获取各设备的详细状态参数，所述状态参数可以包括汽轮机级效率、排汽损失、抽汽流量、排汽流量、加热器综合传热系数等，然后通过在线热力学平衡计算得到的热力系统当前状态；
在线计算模块，通过设定数据处理分析模块和热力学平衡计算模块的调用频率，在获取足够详尽的设备状态参数的同时，控制计算频次以保证智慧热力系统在线专家分析平台运行的稳定性；
稳定工况热力系统及设备状态数据库，用于为热力系统稳定运行工况的在线计算结果提供数据平台；
关键设备特性曲线拟合模块，基于大量的设备状态参数信息，并利用线性回归和非线性回归等算法，计算拟合得到关键设备的特性曲线；
变工况仿真模块是基于设备特性数据，利用热力系统的质量和能量平衡关系，采取相关的变工况迭代算法(变工况条件下采用牛顿拉夫逊方法将非线性方程组转变为线性方程组，然后对线性方程组采用高斯赛德尔迭代方法计算)，计算得到用户定义的关键边界条件下的热力系统和设备的状态参数信息(包括热力系统整体净发电效率，锅炉效率，汽机热耗，汽轮机各级抽汽压力、温度、焓值、流量、级效率，汽机排汽压力、温度、焓值、流量，加热器进出口温度、焓值、换热效率，凝汽器换热效率，给水泵凝泵功率及效率，给水泵汽轮机流量、效率等)，从而得到热力系统参考状态；
全厂设备性能因子及耗差分析模块，是通过
经济优化分析，对当前状态和参考状态的热力系统及各设备的性能因子、耗差进行综合分析；
系统及设备故障诊断模块，利用当前状态的性能和耗差分析结果，并结合历史数据对设备的状态作出评判，提供故障源及诊断建议；
系统优化建议模块，利用当前状态和参考状态的性能和耗差的综合分析结果，提供热力系统运行优化调整建议；
交互界面，为热力系统提供状态监测、计算数据图形化显示、关键计算参数的基本命令等提供人机交互界面。
所述基于大数据的智慧热力系统在线专家分析平台的工作流程如下：
(1)由系统专用数据库从外源数据库读取数据，并对读取的数据进行筛查、清洗、接口匹配处理、稳定工况判断筛查分析等处理；
(2)热力学平衡计算模块读取处理后的数据，并进行热力学平衡计算；
(3)稳定工况系统设备状态数据库读取固定频次计算的系统的热力学平衡计算结果，通过此结果反映热力系统的当前状态；
(4)利用稳定工况系统及设备状态数据库的大量设备状态参数信息，拟合得到关键设备特性曲线；
(5)基于拟合得到的关键设备特性数据，变工况仿真模块根据用户定义的边界条件进行变工况仿真计算，通过此结果反映热力系统的参考状态；
(6)将步骤(3)反映的比当前状态和步骤(5)反映的参考状态的热力系统数据进行对比，对热力系统进行性能因子计算、耗差分析计算；
(7)根据当前状态的性能因子和耗差分析结果，给出热力系统、设备故障诊断建议；根据当前状态和参考状态的性能因子和耗差分析比较结果，给出热力系统运行优化建议。
Claims (11)
1.基于大数据的智慧热力系统在线专家分析平台，其特征在于：包括外源数据库、系统专用数据库、数据处理和分析模块、热力学平衡计算模块、在线计算模块、稳定工况系统及设备状态数据库、关键设备特性曲线拟合模块、变工况仿真模块、全厂设备性能因子及耗差分析模块、系统及设备故障诊断模块、系统优化建议模块，其中：
外源数据库，用于存储电厂用户提供的数据；
系统专用数据库，用于从外源数据库获取原始数据、为数据处理分析提供数据平台、为在线分析结果提供数据平台、为设备状态和特性提供数据平台；
数据处理和分析模块，用于对数据进行筛选、清洗、接口匹配处理和/或稳定工况判断筛查的操作；
热力学平衡计算模块，利用各设备进出口工质的热力学质量和能量平衡关系建立全系统平衡方程组，通过矩阵求解迭代算法获取各设备的状态参数，然后通过在线热力学平衡计算得到的热力系统当前状态；
在线计算模块，通过设定数据处理分析模块和热力学平衡计算模块的调用频率，在获取足够的设备状态参数的同时，控制计算频次以保证智慧热力系统在线专家分析平台运行的稳定性；
稳定工况系统及设备状态数据库，用于为热力系统稳定运行工况的在线计算结果提供数据平台；
关键设备特性曲线拟合模块，基于足够的设备状态参数信息，并利用线性回归和非线性回归等算法，计算拟合得到关键设备的特性曲线；
变工况仿真模块，基于设备特性数据，利用热力系统的质量和能量平衡关系，采取相关的变工况迭代算法，计算得到用户定义的关键边界条件下的热力系统和设备的状态参数信息，从而得到热力系统参考状态；
全厂设备性能因子及耗差分析模块，是通过
经济优化分析，对当前状态和参考状态的热力系统及各设备的性能因子、耗差进行综合分析；
系统及设备故障诊断模块，利用当前状态的性能和耗差分析结果，并结合历史数据对设备的状态作出评判，提供故障源及诊断建议；
系统优化建议模块，利用当前状态和参考状态的性能和耗差的综合分析结果，提供热力系统运行优化调整建议。
2.如权利要求1所述的所述基于大数据的智慧热力系统在线专家分析平台，其特征在于：所述外源数据库是从DCS获取的原始测量数据。
3.如权利要求1所述的所述基于大数据的智慧热力系统在线专家分析平台，其特征在于：所述各设备至少包括有锅炉、汽轮机、加热器、除氧器、凝汽器、给水泵、凝泵、给水泵汽轮机。
4.如权利要求1所述的所述基于大数据的智慧热力系统在线专家分析平台，其特征在于：所述热力学平衡计算模块中获取的各设备的状态参数至少包括汽轮机级效率、排汽损失、抽汽流量、排汽流量、加热器综合传热系数。
5.如权利要求1所述的所述基于大数据的智慧热力系统在线专家分析平台，其特征在于：所述变工况仿真模块利用的热力系统质量和能量平衡关系指各设备的进出口工质的热力学质量和能量平衡关系。
6.如权利要求1所述的所述基于大数据的智慧热力系统在线专家分析平台，其特征在于：在变工况条件下，所述变工况仿真模块采取牛顿拉夫逊方法将非线性方程组转变为线性方程组，然后对线性方程组采用高斯赛德尔迭代方法计算。
7.如权利要求1所述的所述基于大数据的智慧热力系统在线专家分析平台，其特征在于：所述变工况仿真模块计算得到的热力系统和设备的状态参数信息包括热力系统整体净发电效率、锅炉效率、汽机热耗、汽轮机各级抽汽压力、汽轮机各级抽汽温度、汽轮机各级抽汽焓值、汽轮机各级抽汽流量、汽轮机各级抽汽级效率、汽机排汽压力、汽机排汽温度、汽机排汽焓值、汽机排汽流量、加热器进出口温度、加热器焓值、加热器换热效率、凝汽器换热效率、给水泵凝泵功率及效率、给水泵汽轮机流量及效率。
8.如权利要求1所述的所述基于大数据的智慧热力系统在线专家分析平台，其特征在于：所述在线专家分析平台还设计有交互界面，为热力系统提供状态监测、计算数据图形化显示、关键计算参数的基本命令提供人机交互界面。
9.如权利要求1-8任意一项所述的所述基于大数据的智慧热力系统在线专家分析平台，其特征在于工作流程如下：
(1)由系统专用数据库从外源数据库读取数据，并对读取的数据进行筛查、清洗、接口匹配处理、稳定工况判断筛查分析等处理和分析；
(2)热力学平衡计算模块读取处理后的数据，并进行热力学平衡计算；
(3)稳定工况系统设备状态数据库读取固定频次计算的热力系统的热力学平衡计算结果，通过此结果反映热力系统的当前状态；
(4)利用稳定工况系统及设备状态数据库的大量设备的状态参数信息，拟合得到关键设备特性曲线；
(5)基于拟合得到的关键设备特性数据，变工况仿真模块根据用户定义的边界条件进行变工况仿真计算，通过此结果反映热力系统的参考状态；
(6)将步骤(3)反映的比当前状态和步骤(5)反映的参考状态的系统数据进行对比，对热力系统进行性能因子计算、耗差分析计算；
(7)根据当前状态的性能因子和耗差分析结果，给出热力系统、设备故障诊断建议；根据当前状态和参考状态的性能因子和耗差分析比较结果，给出热力系统运行优化建议。
10.如权利要求9所述的所述基于大数据的智慧热力系统在线专家分析平台，其特征在于：步骤(2)中的质量平衡和能量平衡计算方式为：
其中，
ki,kj-方向系数。质量或能量流入时,ki＝1,kj＝1；质量或能量流出时,ki＝-1,kj＝-1Di-质量流量，kg/h；hi-比焓值，kJ/kg；Wj-输入或输出轴功，kW。
11.如权利要求9所述的所述基于大数据的智慧热力系统在线专家分析平台，其特征在于：所述工作流程的功能显示和基本命令由人机交互界面完成；其中，功能显示包括在线数据库图形化显示，基本命令包括关键计算频次选取、变工况仿真用户定义边界条件。
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