高寒区域火电热储强耦合联动节能与安全监测核心技术及应用
内蒙古京宁热电有限责任公司
一、项目案例基本信息
二、项目案例详细内容
1.项目案例简介
“高寒区域火电热储强耦合联动节能与安全监测核心技术及应用”项目属能源电力系统节能技术领域，聚焦高寒区域火电-供热-电网储能协同优化与智能调控，攻克极寒环境下热电联产系统能效提升与安全运行关键技术。
针对高寒区域火电系统低温工况响应滞后、热损大、调峰能力弱等难题，首创三大核心技术：基于多特征数据-机理融合的动态建模技术，融合温度/压力/流量等多源异构数据与热力机理，构建火电-供热-电网储能强耦合模型，实现-35℃工况系统特性精准表征；研发全周期多尺度状态协同估计技术，通过卡尔曼滤波与神经网络算法建立分层融合架构，完成机组能效、管网热损等参量的分钟级在线评估，故障预警准确率达 95%；创新云边协同智能调控体系，开发“中心云决策+边缘端执行”装备，动态优化抽汽供热与储能调峰，建立安全阈值随寿命衰减的动态修正机制，调峰响应速度提升 50%。突破性实现汽轮机乏汽梯级利用，构建三级换热系统能效优化方案，形成能耗评价模型与智慧控制策略。
技术应用使供热管网热损降低 12.7%，机组煤耗下降 8.6g/kWh，能源综合利用率提升至 78.3%。单厂年节约燃煤 3.2 万吨，运维成本降低 25%，年减排 CO₂ 10.5 万吨，减少高寒区域供热燃煤依赖度 35%。系统可靠性显著增强，供热故障率下降 40%，极寒环境可用率≥99.9%，京宁热电实测采暖季供热效率提升 0.5%。
技术在国能呼伦贝尔电厂（-35℃）、内蒙古京宁热电 2×350MW+2×660MW 机组等7 个高寒区域成功应用，近三年累计创造直接销售额 15.2 亿元，新增利润 3.1 亿元，新增税收 1.8 亿元。制定标准 3 项，推动火电由单一发电向“热电智慧联供”转型，蒙东电网新能源消纳能力提升 23%。获授权发明专利 17 项、软件著作权 9 项、实用新型专利 5 项、发表 SCI-1 区 TOP 等期刊论文 14 篇，出版专著 5 部，成果经鉴定达国际领先水平，建成国家级大学生创新实践基地 1 个，为“双碳”目标提供核心支撑。
2.主要创新点概述
本项目针对高寒火电热储强耦合系统，创新融合机理与数据，构建复合建模及快速评估模型。解决复杂工况下设备老化、负荷波动难题，实现运行参数精准辨识与状态实时评估，提升效率与可靠性，助力高寒地区节能减排，保障能源安全。
创新点 1：构建多源数据—机理融合的火电热储强耦合动态建模新理论
提取热网电压、电流、温度、内阻等运行参数，通过高精度传感器实现多源数据同步采集；融合高背压串联供热工艺机理，建立热平衡方程与流体力学耦合模型，采用指数加权修正自适应扩展卡尔曼滤波算法实现参数迭代优化，解决-35.6℃工况下设备结垢导致的模型漂移问题。
创新点 2：提出多时间尺度协同的火电热储强耦合节能调控新方法
构建“秒级—分钟级—小时级”三时间尺度协同控制体系：秒级采用卡尔曼滤波追踪凝汽器背压波动，分钟级通过 Transformer 模型预判机组负荷，小时级基于热网供需动态优化水温调控；在 35 万+66 万机组串联工况下，通过分层融合架构实现热网水流速 1.2m/s自适应调节，使供电煤耗从 192.311g/kWh 降至 134.5g/kWh，年节标煤量 7.95-10.12 万吨，热网输送效率从 75%提升至 90%以上。
创新点 3：研发云边协同的火电热储强耦合安全闭环管控系统新技术
建立“边缘采集—云端分析”双层架构，实时采集热网循环水流量、凝汽器背压、回水温度等 28 项关键参数；云端构建动态安全域分析模型，嵌入模糊自适应变窗口卡尔曼滤波算法，实现热网压力异常识别平均误差 0.83%、机组振动预警准确率 92%。
3.技术实现路径及方法
本项目紧密结合国内外火电热储联产技术研究动态和高寒区域节能减排的迫切需求，针对内蒙古等高寒地区火电机组冷端损失大、热网调控精度低等技术难题，开展数据——机理融合驱动的复合建模与协同优化机制研究，提升火电热储能利用效率，实现汽轮机乏汽梯级利用与热网系统的高效协同，最终形成高寒区域火电热储强耦合联动节能与安全监测核心技术体系助力“双碳”目标实现。项目重点开展多特征数据—机理融合建模、多时间尺度背压协同预估、多边界条件安全域动态评估和多参数耦合节能优化研究，通过构建“监测—评估—预警—控制”闭环系统，实现火电机组与热网系统的动态特性精准表征、性能快速评估及反馈调节优化。整体研究方案旨在通过精细化的高背压串联供热系统建模与参数优化，提升汽轮机乏汽余热回收效率，减少热网输送能量损耗，从而实现节能减排；针对研究方案中的火电热储强耦合机理分析、凝汽器复合等效模拟、供热系统能效快速评估和运行参数优化等关键环节，提升火电热储系统能源利用效率，最大程度减小能源浪费。
图 1 火电热储强耦合系统模组安全管理实现体系
高寒区域火电热储强耦合数据——机理融合驱动建模新方法
提出一种针对高寒区域火电热储强耦合系统的多目标参数特征提取及其耦合关系建模新方法。该方法融合机组运行过程中的电压、电流、频率等电力参数，乏汽温度、乏汽流量、回水温度等热力参数，以及循环水流量、凝汽器背压、真空度等工况参数，结合环境温度、冷却水温度、结冰程度等高寒环境数据，通过高精度传感器和数据采集系统实现多源数据同步采集，构建“热网传输—电网调度—环境影响”三维特征集，解决高寒工况下参数漂移、非线性强、耦合性高等难题。
利用高寒区域火电热储强耦合系统的能量转换机理，建立“数据驱动—机理约束”混合建模框架。通过火电机组的热力循环模型、热网传输的流体力学模型和环境热交换模型，结合能量守恒定律，计算发电量、供热量和能量损耗。利用深度学习方法优化热电联产运行策略，匹配供热需求和电力负荷，形成“热网—电网—环境”多物理场耦合模型，解决传统机理模型在高寒环境下预测精度不足的问题。
提出基于改进型注意力机制的 Transformer 预测算法，实现热网回水温度、凝汽器背压和机组负荷的精准预测，通过引入时间注意力机制动态调节特征权重，提升模型对非线性时间序列的预测能力，平均误差低于 1%，最大误差低于 3%。结合滚动优化算法，构建“短期预测—背压调节—热网控制—电网调度”多时间尺度协同模型，实现高寒区域火电热储强耦合系统的安全稳定运行和经济效益提升。
高寒区域火电热储强耦合系统场景下信号特征分解与参数耦合关系求解新思路
提出了准确反映参数变化规律的复合等效建模新策略，考虑高寒区域火电热储强耦合系统具有的高度非线性、强耦合特征，形成强非线性函数表达新机制，解决复杂工况下参数关联解析难题。形成多参量耦合和非线性退化机制数学表达新方法，准确表征时变参数特征信息，解决高寒区域火电热储强耦合系统结构复杂、过程所处阶段难以准确表征难题。
提出指数加权修正自适应扩展卡尔曼滤波新优化算法，在自适应调节先验估计和后验估计中噪声的权值，构建基于指数加权修正的噪声优化新机制，提取关键参数特征信息并实现反馈修正，平均和最大误差分别为 0.83%和 3.12%。
图 2火电热储强耦合能质传递与多时空调控的动态建模及协同优化
高寒区域火电热储强耦合系统复合建模及全周期动态特性精确表征新机制
针对高寒区域火电热储强耦合系统的多源异构特性，本研究提出贝叶斯序贯决策参数信息特征分解新方法，考虑特征信息耦合关系的影响，形成最优组合描述策略，构建时域信号干扰滤波新模型，实现参数特征信息的有效提取与模型优化。构建适用于复杂工况下的高寒区域火电热储强耦合系统复合等效模型和动态迁移模型，形成自适应调节机制，精准表征全周期动态特性，持续优化模型参数以表征设备老化、结垢、腐蚀等特征。通过参数辨识获取模型参数函数关系式，将平衡状态加入到函数关系式中，构造迁移矩阵以进行实时全参数调整，结合粒子滤波进行校正和迁移矩阵更新，显著提高了动态建模的精准度。
高寒区域火电热储强耦合系统模型参数自适应辨识与多维度空间表征新策略
为提升高寒区域火电热储强耦合系统中关键参数的辨识精度，从而实现更高效的能量管理和节能控制，本研究提出了一种创新的动态粒子群优化遗忘因子递推最小二乘参数辨识新方法。该方法首次构建了基于热电联产系统多源能量残差的预测-采样联合适应度函数，用于优化模型的参数。通过动态调节粒子群优化中的惯性权重，克服了局部最优的缺陷，并在迭代过程中自适应优化遗忘因子，有效解决了遗忘因子在高寒区域火电热储强耦合系统强波动工况下的易发散问题。
项目构建了考虑管道延迟分量影响的集总热特性新模型，该模型能够精确地描述系统的外部热力特性与内部状态量之间的复杂联系。考虑到设备老化、管道差异和环境温度变化等多种因素的影响，研究将单侧极限思想融入离散系统中，构建了动态函数约束多新息最小二乘参数辨识新模型。通过引入动态函数对原始新息序列进行权重约束，形成具有强工况适应性的高寒区域火电热储强耦合系统参数协同辨识新策略，该方法能够在各种复杂工况下，准确辨识出系统的关键参数，为实现系统优化控制和节能减排提供了关键支撑。
高寒区域火电热储强耦合多时间尺度协同预估模型构建新机制
提出多维电气热力信息融合评测新方法，平衡计算精度与实时性间的矛盾，解决高寒地区环境噪声干扰、热电耦合复杂的难题。建立数据驱动的算法模型，融合高寒环境下的设备老化机理，不断迭代优化算法，提升对关键构件剩余寿命的预测精度；研发模块化算法运行平台，通过实时数据验证调试，快速应用于高寒地区各类火电机组和供热管网的异常监测和失效预警。建立了以最小供热煤耗为优化目标，以供热温度合格率等作为约束条件的优化模型，并利用智能算法对火电机组供热参数进行优化，降低供热能耗。
图3 蒸汽直接加热供热循环水技术路线
图4 蒸汽加热熔盐储热再加热供热循环水技术路线
火电热储强耦合系统多维度状态参量在线协同预估优化方法
构建多维信息融合自适应迭代计算模型，建立复杂运行工况及环境影响的修正机制，表征因部件磨损、腐蚀等因素引起的老化不一致现象，滤除传感器随机干扰噪声影响，描述全生命周期关键设备性能变化规律，形成集运行效率、健康状态和剩余寿命为一体的多时间尺度状态参量协同策略。
为提升高寒区域火电热储强耦合系统内关键设备状态估计的精度和鲁棒性，实现更高效的运行维护和节能控制，本项目创新性地提出了基于改进型扩展卡尔曼滤波(IEKF)和粒子滤波(PF)混合迭代计算新方法。该方法构建了双层迭代优化机制，实现多维度状态参量的在线协同预估，并通过设计多维度状态参量在线修正优化流程，有效抑制了多状态协同估计的易发散现象。针对复杂工况，将机理模型映射到迭代计算中，构建状态协同预估模型，并通过跟踪效果分析与计算过程优化，有效抑制了负荷波动和环境温度变化对状态估计精度的影响，进而助力节能减排。本项目还构建了模糊自适应变窗口容积卡尔曼滤波 (FAVCKF)状态估算新模型，根据新息变化设计模糊规则，动态调节观测噪声协方差矩阵和新息数量，从而更精准地评估设备状态，优化系统的运行策略。通过多时刻新息完成当前时刻的后验状态更新，并在双重维度上对新息赋予不同权重。实验结果表明，该方法能实现关键设备运行效率估计最大和平均误差分别为3.5%和1.0%，收敛时间为20s，关键设备健康状态估计最大和平均误差分别为0.15%和0.07%，性能优异，为高寒区域火电热储强耦合系统的安全稳定运行和节能增效提供了关键支撑。
火电热储强耦合系统全生命周期强关联多状态协同预估模型
为全面提升高寒区域火电热储强耦合系统的可靠性与节能效益，并延长其运行寿命，本研究针对锅炉、汽轮机及热网等关键设备的全生命周期健康管理需求，深入开展了创新性的研究。研究的核心在于提出协同进化粒子群优化-自适应权重神经网络优化方法，旨在攻克高寒区域火电热储强耦合系统中关键设备全生命周期健康评估这一关键难题。该方法创新性地融合了物理模型和数据驱动方法，并构建了多维度状态指标综合评测体系，以全面、精准地评估系统中各个关键部件的健康状态。通过深入研究，将效率、退化速率和应力水平作为多维健康度指标，并将其输入自适应权重神经网络模型。在此基础上，该方法实现了对汽轮机剩余使用寿命的精确估算，平均绝对误差和均方根误差分别低至 1.2%和 1.5%。
通过对锅炉、汽轮机、换热器等关键部件的健康状态进行精确评估，结合智能化的运行优化策略，该技术为高寒区域火电热储强耦合系统的高效、稳定、节能运行提供了坚实的技术保障。最终，通过该技术的应用，不仅能有效延长系统关键设备的使用寿命，更能最大限度地发挥其节能潜力，推动能源系统的可持续发展。
高寒区域火电热储强耦合系统关键设备智能融合时变本征特性的最优表达机制
为了进一步提升高寒区域火电热储强耦合系统中关键设备健康状态预测精度，并为系统的节能运行提供更可靠的保障，本研究创新性地构建了自适应多尺度卷积神经网络模型。这一模型旨在增强设备退化预测的全局寻优能力，从而更准确地预测设备剩余寿命。为应对设备运行数据中存在的复杂性和噪声，项目采用了小波变换技术，将采集到的运行数据分解为主趋势信号和波动噪声。同时，结合奇异值分解和敏感性分析，有效修正了负荷变化对预测结果的影响，从而降低了负荷波动对模型的影响。此外，针对大样本数据下算法收敛速度慢的问题，研究采取了自适应学习率调整策略，显著提高了关键设备剩余寿命预测的精确度和鲁棒性，为实现高寒区域火电热储强耦合系统的智能化运行维护和节能控制提供了关键的技术支撑。
高寒区域火电热储强耦合安全闭环管控系统构建新机制
为确保高寒区域火电热储强耦合系统的高效稳定运行，项目构建了一套以“多源信息融合”为核心的智能化监测与管理体系。该体系的核心在于创新的监测与管理装备，采用 “可编程逻辑控制器(PLC)+传感器网络”为核心的产品研发策略，实现了对锅炉、汽轮机、热网等多源数据的深度融合与全息感知。通过部署边缘计算技术，构建了覆盖“状态监测-故障预警-能效管理-安全防护”的全生命周期管理技术链，为系统提供全面的安全保障、精准的状态监控和高效的能源管理。通过该装备的研制与产业化应用，旨在打造具有国际竞争力的火电热储强耦合系统状态监测与管理解决方案，为能源行业的转型升级贡献力量。
为了进一步提升系统的智能化水平和运行效率，借助于先进的人工智能算法，在高寒区域火电热储强耦合行业构建了“数字孪生体”。该数字孪生体能够实时反映系统的运行状态，预测潜在风险，并优化能源管理策略，从而实现更精细化的控制和更高效的能源利用。具体而言，在火电厂和供热管网中部署了多模态传感器阵列与边缘 AI 算法，从而形成数字化火电热储强耦合系统的总体解决方案架构。
通过在实际火电厂和供热管网的示范应用和产品的推广，持续进行基于平台的算法迭代和应用化产品的研发，验证了该技术的可行性和有效性。这一创新性的实践加速了火电热储强耦合系统的智能化、数字化升级，显著提升了能源系统的投资收益率，提升幅度可达 20%以上，同时将供热能耗降低至原来的 80%。此外，该方案还能显著提高机组的可靠性，并加速设计迭代，从而全面提升系统运行的经济性和安全性。最终，致力于通过该技术，打造更具竞争力的火电热储强耦合系统，推动能源行业的绿色转型，并为构建可持续发展的能源体系做出贡献，实现更加卓越的节能增效目标。
图 5 高寒区域火电热储强耦合能质诊断与安全域动态预警协同调控技术
高寒区域火电热储强耦合多准则决策状态监测与安全协同管理新机制
为解决复杂工况下高寒区域火电热储强耦合系统中参数可靠监测的难题，确保其安全高效运行，并实现显著的节能效益，本研究创新性地提出火电机组热力系统关键参数精准测量新方法。该方法构建了综合环境温度、负荷波动和设备老化等时变参数的自学习修正机制，能够有效滤除压力、温度和流量等观测值中的多重噪声干扰。此外，项目还形成了高可靠性信号隔离和电磁兼容(EMC)防护创新机制，并采用结构化思想，对特征信息进行甄别、非线性校正、稳压调节以及模拟量采集通道表征，从而最大限度地修正信号采样中的测量误差。通过这些创新技术，实现了在参数监测方面的多项突破性指标：压力测量相对误差≤0.5%（较传统方案提升 30%），温度测量精度达 99.9%，流量测量一致性≥99.7%，温度传感误差≤±0.3℃。这些高精度的监测数据，为高寒区域火电热储强耦合系统的安全高效运行提供了坚实的数据基石，为系统优化控制和节能减排奠定了关键基础。
火电热储强耦合系统自主可控核心器件与高可靠监测模块研发
为保障高寒区域火电热储强耦合系统在复杂工况下的稳定高效运行，实现其节能减排的目标，本研究突破传统元器件设计边界，致力于研发高性能、高可靠性的自主可控传感器。针对高寒区域火电热储强耦合系统复杂的运行环境，研究设计了基于MEMS技术和集成电路的传感器结构，并创新性地采用了多层封装和抗干扰设计思路。通过这种策略，研发出具有高精度、低漂移和高可靠性等优点的自主可控高性能传感器，从而满足高寒区域火电热储强耦合系统对温度、压力、流量等参数精确测量的严苛要求。
4.应用情况及可推广前景简述
“高寒区域火电热储强耦合联动节能与安全监测核心技术及应用”项目由内蒙古京宁热电有限责任公司牵头，联合多家单位共同研发。项目针对北方严寒地区火热电力系统效能第、调控难、设备可靠性差等问题，构建“数据—机理融合建模+多时间尺度协同+云边协同安全管控”技术体系。项目研发高背压串联供热工艺，配套耐-35.6℃的 316L 不锈钢传感器与抗结垢监测模块，解决凝汽器背压波动、热网管道结垢导致的效率衰减问题；提出指数加权修正自适应扩展卡尔曼滤波算法与 Transformer 负荷预测模型，实现“秒级响应—分钟级预测—小时级优化”的全流程智能调控；形成高背压凝汽器状态评估装置、热网疏水换热器抗结垢模块等 6 大核心装备，关键部件国产化率 100%，打破国外技术垄断。
项目成果已在国内 20 多个省市推广应用，主要应用单位包括北京京能清洁能源电力股份有限公司内蒙古分公司、中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司、中国建筑股份有限公司及四川能源技术有限公司等。项目成果已在内蒙古京宁热电有限责任公司等“三北”高寒地区实现规模化应用，累计创造直接销售额 15.2 亿元，新增利润 3.1 亿元，新增税收1.8 亿元。其中京宁热电应用占比 35%，单位投资成本较国外同类方案降低 40%，投资回收1.78-2.21 年，经济效益显著；改造机组总装机容量 520 万千瓦，年节标煤量 79.5 万吨，京宁热电二期项目投产后，年发电量达 66 亿千瓦时，助力蒙西电网消纳新能源能力提升 15%，推动内蒙古新能源产业年增长 20%。
项目成果的实施培养了大批高层次研究型和应用型人才，推动了行业科技的快速进步。项目团队与多所国内外高校进行密切交流合作，开展大量运行优化实验，促进了相关领域国内外深层次学术交流。项目还形成标准化运维检修流程和节能改造样板工程，在高寒地区电热协同控制等关键技术领域突破行业瓶颈，借助热电联产集中供热等项目进行产业化推广应用，促进了高寒区域能源高效利用。
5.经济效益及社会效益情况
项目依托内蒙古京宁热电有限责任公司等单位实现高寒区域火电热储强耦合联动节能与安全监测核心技术的开发和产业化应用，核心技术产品近 3 年每年的销售额和利润稳健增长，新增利润为新增销售额的 19.40%。新增销售额=产品单价×销售量；经济新增利润=新增销售额-生产成本-税金及附加税金-管理费：增值税率 17.00%，税金及附加税率为12.00%，管理费为销售额的 30.00%。
本项目以产学研协同创新为核心，在清洁能源领域实现多维突破：
技术引领：首创高背压串联供热，供电煤耗降至 134.5g/kWh，热网效率达92%，突破高寒难题，达国际先进水平。
人才与学科建设：联合内蒙古工业大学、华北电力大学建立高寒能源系统联合实验室，培养硕士/博士 32 名、高级工程师 47 名，形成技术研发-工程验证-人才输送一体化培养体系。
生态与减排贡献：年节标煤 79.5 万吨，减排二氧化碳 200 万吨，“三北”新能源消纳提升 15%，支持北方清洁取暖覆盖 800 万居民；热网效率提升减少热损，叠加脱硫脱硝，项目区 PM2.5 浓度降 12%，供热室温合格率达 99.2%，改善严寒地区居民生活环境。
6.项目案例获专利及奖励情况：
7.申报单位内部评审结论意见：
2025年7月10日，中国节能协会组织召开了由内蒙古京宁热电有限责任公司、内蒙古工业大学、西南科技大学、上海电气风电集团股份有限公司、四川帝威能源技术有限公司完成的“高寒区域火电热储强耦合联动节能与安全监测核心技术及应用”项目科技成果评价会。评价委员会听取了技术研发报告，审查了相关资料，经质询和讨论，形成意见如下：
1.提供的资料齐全，符合评价要求。
2.该项目的主要创新如下：
（1）研发了多特征数据与机理融合的动态建模技术，采用四维特征集与改进Transformer算法，提高了高寒环境中热网参数预测的准确性。
（2）提出了多时间尺度协同和热网流速自适应调节算法，降低了发电机组供电煤耗，提升了热网效率。
（3）研发了火电热储系统能质诊断、安全域预警及智能化协同调控系统，有效降低了热网压力预警误差，显著提高了设备可用率。
3.项目产品经内蒙古科电电气有限责任公司发展中心进行质量检测，符合相关标准要求。
4.项目技术在国能呼伦贝尔电厂、内蒙古京宁热电2X350MW+2X660MW机组等7个高寒区域成功应用，反映良好。
5.该项目具有自主知识产权，已获得授权中国发明专利17件，实用新型专利5件，授权软件著作权9件。
评价委员会认为，该项目在多特征数据、机理融合的动态建模与预警技术方面达到国际先进水平，同意通过科技成果评价。
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