简介：
自改革开放以来，中国电力工业快速发展，装机容量和发电量均居世界第二位，2004年全国发电量21870亿千瓦时，比去年同期增长14.8%，在今后两三年中，每年的投产装机容量都将达到5000万千瓦以上，预计2010年达到6.5亿千瓦以上，2020年达到9.5亿千瓦以上，其中煤电比例超过了65%，而且在相当长时间内这种状态还要保持，到2020年中国能源需求量将高达40余亿吨标准煤。因此，走资源节约型道路是电力工业可持续发展的必然选择和战略性任务。
“高效、环保、安全、经济”一直以来都是我国电力工业的发展方向和工作重点，提高各个热力系统以及整个机组的运行效率，实现机组的节能降耗是电站运行管理的经常性工作，机组的安全性、经济性是从根本上保证电力工业稳定运行和企业利润最大化的两个重要方面，降低排放、环保指标控制对于整个社会都具有非常现实的意义，今后电厂在环保方面还会承担越来越大的责任，面临越来越大的压力。随着我国电力市场日趋规范化，电厂还面临着提高竞争力、参与竞价上网的问题，实现机组的运行优化已成为电厂科技创新的主要内容之一，而且随着电站整体运行水平的不断提高，电站设备的安全性有了足够的保障，电站人员的注意力已经逐渐转向了对机组整体运行性能的追求上，希望实现经济、安全和环保方面的综合优化。
电厂机组的综合优化运行是一个涉及到多个学科领域的复杂问题，应用到动态规划、过程建模、控制与监测、人工智能、数据挖掘等多方面的理论成果，优化运行的范围除了涉及到机组设备与系统的完善与更新方面外，在热力系统定量分析、机炉主设备以及主要辅机运行方式优化调整、先进控制策略等多个方面都有大量工作可以做，而管理体制整合和优化在现有电力企业运营模式下尤显重要。机组运行优化的实际应用开发一直是有关科研院所和生产厂家的研究热点，自上个世纪七、八年代起就开始涌现出一大批机组性能监测与诊断系统，八十年代末，人工智能技术在该领域也逐步应用，专家系统和操作指导系统有了较深入的研究与应用。近十年来，有关机组运行优化方面的先进技术层出不穷，软件系统更是极大丰富，在我国电力企业内逐步形成了机组运行优化的应用热潮。
但是，我国电站信息化建设还处于一个探索发展的状态，尤其是随着电厂DCS、SIS以及MIS等自动化信息系统的功能和架构的不断完善，对于机组运行优化系统的方法、功能与使用效果等多方面都存在不少争论，因此需要进行研究和完善，以使机组运行优化管理系统在生产过程中最大限度地发挥作用。
中国电力企业联合会科技服务中心于2005年4月组织召开了“全国火电厂机组优化运行技术研讨会”，得到了五大电力集团公司及广大电力企业的热烈响应和大力支持，大家交流了机组优化运行方面的研究开发和应用方面的经验并达成了共识，一致认为通过机组运行优化工作可以明显降低机组煤耗，同时也认识到优化运行工作还存在不少难度，一致建议发挥中电联行业协会的优势，深入开展调研工作，为发电企业提供决策参考。
为此，中电联科技服务中心在全国范围内对典型电厂进行调研，以进一步了解我国火电厂优化节能现状。此次调研的电厂主要有：山东黄岛发电厂、华电青岛发电有限公司、华电国际莱城发电厂、淮南洛河发电厂、中电国际淮南平圩发电有限责任公司、淮南田家庵电厂、芜湖发电厂、江苏谏壁发电厂、华能石洞口第二发电厂、浙江嘉兴电厂、浙江长兴发电厂、国华台山电厂等，调研的内容包括：电厂目前采用的优化运行技术手段和软件情况、投用的智能优化系统情况、电厂整个信息系统情况及优化系统的定位、所使用信息系统的厂家、功能以及应用情况等等。
全国发电机组优化运行调研表
通过调研，我们了解到被调研单位对机组优化运行工作的重要性都有一致的认识，一直在加强这方面的研究与投入，并不同程度地投用了相关系统，这些系统中有国内科研院所的研究产品，也有从国外引进的软件系统与产品，它们基本代表了当前国内外相关产品的水平。所调研电厂分属不同的电力集团公司，机组容量包括125MW、300MW、600MW等类型，各个调研电厂的系统情况如下表所列：
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序号 |
调研电厂 |
系统名称 |
厂家 |
平台 |
系统功能 |
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1 |
山东黄岛发电厂 |
运行优化管理系统 |
华东电力试验研究所 |
MIS
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数据采集与系统流程图显示、性能计算和耗差分析、机组调峰、数据统计与查询、简单的运行指导。 |
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2 |
华 电 青 岛 发 电 有 限 公 司 |
#2炉锅炉性能优化系统SOAP |
北京埃普瑞电力科技有限公司 |
MIS |
远红外炉膛测温、人工智能神经网络建模，为锅炉系统确定更佳的运行参数 |
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运行优化管理系统 |
华东电力试验研究所 |
MIS |
性能监测与耗差分析功能、凝汽器诊断与循环水优化 |
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#2炉吹灰优化 |
山东泓奥电力科技有限公司、东南大学 |
MIS |
锅炉受热面污染程度实时在线监测，吹灰判据准则与锅炉吹灰优化策略 |
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3 |
华电国际莱城发电厂 |
#1炉Power PerfecterTM燃烧优化软件 |
南京大陆中电、美国Pegasus公司 |
DCS
闭环 |
通过与DCS的有机结合，以闭环控制的方式进行燃烧优化调整，是一种神经网络燃烧优化系统。 |
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4 |
淮南洛河发电厂 |
运行优化系统UPOS |
东南大学 |
MIS |
实时数据管理、机组指标在线计算、耗差分析、锅炉受热面监测、参数异常和超限管理、辅机管理、在线热力试验平台 |
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经济性辅助决策系统 |
东南大学 |
MIS |
凝汽器诊断与循环水优化、成本电量管理、经济性诊断与指导 |
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5 |
中电国际淮南平圩发电有限责任公司 |
机组优化实时管理系统 |
国家电力公司热工研究院 |
MIS |
在线性能计算，机组主要参数耗差分析，优化运行调整指导，机组负荷最佳分配，数据统计与报表。
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6 |
淮南田家庵电厂 |
运行优化系统UPOS |
东南大学 |
MIS |
实时数据管理、机组指标在线计算、耗差分析、锅炉受热面监测、参数异常和超限管理、辅机管理、在线热力试验平台 |
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7 |
芜湖发电厂 |
运行优化系统UPOS |
东南大学 |
SIS
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机组指标在线计算、耗差分析、参数异常和超限管理、辅机管理、在线热力试验平台、运行分析与指导、电能质量、凝汽器诊断与循环水优化、机组启停优化、生产管理、状态监测与故障诊断、绩效考评、运行日志、指标预警管理、报表 |
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8 |
江苏谏壁发电厂 |
#10机组EtaPRO™优化管理软件 |
北京康电信息技术有限公司，美国GP公司 |
SIS |
性能监测、操作指导、状态诊断、以及运行优化。
EPTest 性能测试、电子日志功能、ERTrendSetter 数据趋势分析、性能（锅炉性能）预测、ERPeporter报告管理、GPSteam 蒸汽特性计算、可控参数优化与诊断、锅炉清洁度性能诊断。 |
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9 |
华能石洞口第二发电厂 |
SR4 |
德国斯蒂亚克 |
MIS |
包括平衡程序包和整个过程模化/优化程序包两大部分，计算锅炉、汽机和机组的各项性能，监视各受热面的沾污程度；优化软件包根据各边界条件对机组性能进行分析，对各个薄弱环节及整个过程的经济性影响进行评价。 |
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10 |
浙江嘉兴电厂 |
运行优化管理系统 |
华东电力试验研究所 |
MIS |
性能监测与耗差分析功能、凝汽器诊断与循环水优化
锅炉受热面监测与吹灰优化 |
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11 |
浙江长兴发电厂 |
OPTIMAX系统 |
德国ABB公司 |
SIS |
在实时数据库的基础上，包含了厂级性能计算模块和事件管理模块。性能计算模块负责机组各系统的性能及修正计算、耗差分析。事件管理则包括DCSDCS产生的事件和SIS实时数据所触发的事件 |
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12 |
国华台山电厂 |
西门子Sienergy系统 |
德国西门子 |
SIS |
西门子BFS++系统，完成电厂检修维护管理、运行管理、操作票管理、备品备件管理、文档管理等功能
西门子OPTlpro系统，完成电厂能量管理、运行成本管理和运行优化功能。该系统可在线分析，也可离线分析、优化。
西门子Cockpit系统是一个决策支持系统，包括实时报价等部分内容。
过程实时控制优化软件PROFI系统，投用新机组协调控制、自学习温度控制模块。 |
二、几个问题的讨论
㈠ 运行优化的功能与范围
火电厂是一个大型复杂系统，这也决定了电厂优化技术是一个复杂问题，可以有各种不同的范畴与目标，一般可分为设计优化、设备改造优化、检修优化和运行优化等。而运行优化的目的是在机组安全运行的前提下，通过对机组进行监测、调整、给出运行指导并参与管理，使机组运行在最优的工况，这种最优体现在机组的安全、经济和环保等多个方面，因此运行优化功能也包括多个方面，从本次调研的系统中也可以看出这一点，而这些功能又大致可以分为两大类，一类是侧重监测、指导与运行管理，属开环系统，另一类侧重对机组控制策略的调整，属闭环系统。
在第一类系统中，随着机组自动化信息化水平的提高，机组可以利用的实时信息量越来越大，DCS系统、MIS系统、辅机程控系统以及电量抄表系统等都能为机组运行优化提供大量实时数据，这些数据的采集密度高，保存时间长，在此基础上可以实现许多运行优化功能，如机组在线性能监测、耗差分析、生产流程图显示、辅机管理、参数超限管理、运行日志、性能测试等，这些也是国内外运行优化系统的基本功能。此外，针对不同的子系统可以开展优化工作，如：吹灰系统、机组调峰、回热系统、厂用电、凝汽器真空系统、循环水系统等等，除了进行优化计算外，还可以对运行状况进行诊断分析，进而提供实际可行的运行操作指导。对于后者，目前还有比较大的难度，一方面机组运行情况非常复杂，系统间耦合性强，相互影响比较大，另外一方面专家知识库的积累比较少，还难以起到实质性的效果。
值得注意的是，在国外优化软件中都包含了吹灰系统优化与指导功能，根据资料显示，国外锅炉运行中比较多地采用了该类系统，我国国内的主要研发单位也开发了优化吹灰系统，由于前一阶段煤质变化比较大，机组负荷率高，我国电站燃煤锅炉的“四管泄漏”问题相对加重，因此吹灰优化系统会有比较大的应用前景，但是由于锅炉侧烟气和工质测点的缺乏，吹灰优化系统的应用效果还有待改善。循环水系统的优化调度可以有效地节省厂用电，但是当机组所配置循环水泵流量不可调节且采用单元制运行时，这种优化的余地就相对较小，另外，在这样的系统中需要考虑的目标函数除了经济性外，还需要考虑到循环水流量变化对凝汽器管道结垢和腐蚀的影响，而这种影响是缓变过程，往往会被忽视。
第二类运行优化系统是指参与控制的闭环优化系统，这类系统针对电厂常规调节控制方案的不足，对原有自控策略进行调整或叠加一些先进的控制策略，以提高机组的自动投入率，获得好的控制品质，进而提高机组的经济性、安全性与环保特性。典型系统有机组负荷优化分配、燃烧优化调整、制粉系统优化、汽温控制等。在国外所提供的软件中，基本都具有这些可选模块，国内也有不少厂家提供了相应模块，应用比较多的有制粉系统优化和汽温自适应控制等。对于负荷优化分配的研究比较多，但是由于目前我国电力负荷调度方式的限制，还没有大面积的使用。燃烧优化是目前应用比较热门的优化系统，它直接影响锅炉的燃烧稳定性、锅炉效率和NOx的排放，会产生直接的优化效果，由于锅炉燃烧过程比较复杂，因此较多采用了人工神经网络等人工智能方法，但是由于一些在线测量装置的缺乏，如飞灰测碳仪、煤质在线分析装置、烟气连续监测装置以及排烟NOx测量等，这些都影响了系统的使用，很难投入闭环使用，即使是开环指导，也需要定期离线修正模型。
㈡ 运行优化的实施平台选择
电厂信息化平台是实施运行优化系统的主要环境。自动化信息化系统为机组优化运行提供了丰富而宝贵的信息资源，而数据挖掘等最新先进信息化分析手段大大拓展了机组优化运行分析的范围和应用效果，使得机组的在线监测与分析无论从内容和速度上都有了非常大的提升。上世纪90年代以来，以DCS（集散控制系统）为代表的现代化自动控制系统在火电机组中得到普遍应用，这是过去十多年我国火电机组技术进步最明显的标志之一，目前随着计算机技术、信息技术、传感技术、自动化技术以及人工智能技术等的飞速发展，这些高新领域所取得的新成果新技术为电力系统信息化工作带来了前所未有的发展空间。我国电站自动化信息化系统也已经进入快速发展期，由机组DCS系统向开放式网络化系统OSI（Open System Interconnect）发展，由单一控制过程自动化向综合自动化发展，从而形成生产过程监控、企业管理与市场运作的信息流，以这些信息流为基础可以构建多种信息化平台和系统，目前典型的电厂信息化平台分为DCS、SIS和MIS三个大的层次，那么运行优化系统应该在哪一个层次来实施？这需要考虑到各个层次系统的安全性要求、信息处理能力以及信息容量和范围等方面的因素。
DCS系统是离机组运行设备最近的专用系统，它能提供最直接的现场设备信息，一般局部系统的控制策略优化可以放在DCS系统中实施。由于DCS硬件资源的限制，加上它是一个相对孤立的系统，难以胜任一些计算量大、功能要求高的优化系统功能。
在我国电站DCS功能设计中全部包括了机组性能计算和耗差分析的要求，但是大多实际应用效果不好，其中原因比较多。首先，由于性能计算所需要的煤分析值等多个数据缺少测点，只能采用手工化验值，而这些值在MIS系统中是定时记录的，DCS不能直接取得，需要再次在DCS上输入。其次，由于DCS软硬件的限制，不能提供进一步的诊断操作指导意见，而且其应用结果只能在本DCS范围内发布。最后，性能计算功能缺少负责的专业设计单位，仅将它作为DCS附件提供，而缺少对其功能负责的专业人员。因此，对于DCS中性能计算模块的取舍需要仔细考虑，并得出指导意见。
SIS系统自提出之初就定位在为全厂实时生产过程提供综合优化服务的生产过程实时管理和监控信息系统，它以DCS等控制系统为基础，以安全经济运行和提高电厂整体效益为目的。SIS所采用的实时数据库技术能够为运行优化提供大量的实时数据，因此是实现运行优化的很好的实现平台，从调研的电厂看，凡是已经配备了SIS系统的电厂都将运行优化的功能放到SIS层。
MIS平台中也记录了电厂生产过程的部分实时数据，有比较好的硬件环境和网络环境，也可以作为运行优化实施的平台，因此在没有SIS系统的电厂都将运行优化系统布置于MIS系统中。只是，MIS系统的实时性差，可靠性低，无法准确记录运行过程中动态过程数据，MIS系统的故障停运还会直接影响优化系统的正常运行。
㈢ 计算模型问题
电厂运行优化问题需要通过多种优化算法来解决，这些优化对象具有复杂性、不确定性、糢糊性等特点，决定了所采用算法的复杂性。从问题的数学性质来看，在运行优化中存在着多元信息融合糢糊优化问题、动态非线性优化问题、组合优化问题、多目标多约束优化问题等等，这些优化问题往往难以用常规优化算法来解决，需要开发先进的新算法，因此优化问题首先是一个数学问题，当发展了有效的先进算法或对现有算法进行合理改造后，会对优化的效果产生直接的影响。如优化吹灰问题就是一个典型的例子，锅炉燃烧过程复杂，积灰生长机理表明影响积灰的因素很多，锅炉受热面庞大且缺少有效的监控手段，需要对多种不完整信息进行融合，这使得优化吹灰存在比较大的难度，大家也开展了大量的研究，提出了不少基于人工智能的方法，取得了一定的效果，但还有一定的差距。因此对于这些问题以及所取得的研究成果需要及时的交流、测试，以尽早进入现场实际应用。
运行目标值的确定问题是机组耗差分析中的关键问题，也是电厂现场提出疑问最大、系统开发单位比较难解决的问题，因为各种运行优化目标值之间是相互关联和耦合，并有固定的层次，火电厂是一个大型的复杂系统，供电煤耗率是众多参数的函数关系，并且有些关系无法用确定的函数描述。当然，不是每个参数的目标值都是如此，需要对可控参数目标值的确定方法进行充分讨论，具体指标具体分析，得出具有指导性的科学解决方案。
动态性是电厂运行的另外一个重要的特点，在计算模型中必须考虑。反映到优化算法上，机组性能计算就是一个典型的例子。现在国内外软件普遍采用基于ASME性能测试标准或国家机炉性能测试标准上所列出的性能指标计算方法，这种算法是一个静态算法，没有考虑机组运行的动态过程，而且算法要求的环境（如系统隔离、负荷稳定等）往往不能满足，这样计算出来的指标是否能完全反映机组设备的性能？是否与试验结果有可比性？如果采用一段时间内的平均值来计算，那么多长时间合适？可见，算法本身是比较简单，但应用到现场就复杂了，有时会造成计算结果不可信。
电站运行信息特别是一些运行数据是性能在线监测的基础，一些分析优化算法都是以所需的参数能被相应的仪表准确测量为前提的，而很少考虑到过程测量数据中不良值的检验与测量仪表和传感器故障。但是，据EPRI最近的研究表明关键参数的测量数据即使发生1%的漂移也可能造成非常显著的热耗和设备寿命的变化，而往往这样的偏差是很难被直观地检测出来的，这些误差也可能为控制系统、故障诊断等系统提供一些伪信息，从而得出一些错误的结论，可见离开了数据的准确性，任何研究和监测算法都将成为空中楼阁。
目前，各个运行优化系统的开发单位都对此问题引起了重视，并开发了相应的数据检验与纠正软件，努力提高计算结果的精确性。作为电厂用户，也需要对故障仪表进行及时的维修，确保系统的可用率。
㈣ 参数测量问题
机组通过大量的温度、压力、流量以及拾音器、振动监测仪等传感器与专用仪表来拾取反映其运行状态的原始信号，因此现场测量仪表的完善程度直接决定了电站性能在线监测系统的投用范围与效果。国内外电站在测量元件和测量技术最新成果的应用方面还存在一定的差距，这也是一段时间内国内电站性能在线监测与运行优化停止不前的主要原因之一，其中飞灰含碳量的直接测量、锅炉烟气温度的自动测量以及凝汽器流量、空气泄漏量的监测等等都是影响机组性能在线监测应用效果的关键技术。另外，先进的裂缝泄漏检测技术、轴承状况检测技术、旋转机械检测技术以及油液分析技术是性能在线监测值得依赖的有效工具。软测量技术也是一个大有前途的应用领域，值得关注。
目前国内应用需求比较大的包括飞灰测碳、煤质在线分析、烟气连续监测装置、排烟NOx测量、关键流量温度点的测量，有不少电厂已经应用了不少产品，从投用的效果来看，反应不一，即使同一个厂家的产品在不同电厂机组也有不同的反馈意见。但是大家对这些测量仪表的需求和期望是一致的，因此很有必要对相关产品进行跟踪与评价，为用户提供指导意见。
㈤ 优化与管理的融合
机组的运行优化系统不同于机组的自动控制系统，需要人参与的程度比较多，运行人员需要在运行优化系统的指导下主动调整，建立经济运行意识，而管理人员则要在系统的支持下对机组运行状态进行监测、诊断与评估，因此人的主动性非常重要，甚至直接决定了系统的投用效果，从调研结果来看，同样的运行优化系统在不同的电厂会出现两种迥异的反映，管理应该是造成这种现象的重要因素之一。
因此采用运行优化系统的电厂需要认真规划，建立科学合理的机组运行考核体系，把优化运行的指标与职工考核紧密结合，充分调动广大职工的积极性和主观能动性，使优化运行取得实效。
几个系统应用反映比较好的电厂都采用了基于耗差分析的机组运行管理考核办法，它是火电机组节能技术由“粗放型”向“科学精细型”转变的重要方法，通过耗差计算，对机组的运行总耗差进行分割、解剖，找出机组能量损失的分布情况，给出各项损失的大小及其原因，并进行正确的调节指导，这样能即时告诉运行人员由于本机组运行主要经济参数偏离最佳值而引发的能量损失情况，及时、准确地指出机组运行经济性下降的位置和大小，以便引起运行、检修人员及各级管理部门的重视，促使运行人员及时进行运行调整操作。从考核效果来看，它是连续的、动态的考核方法，记录了运行人员从上班到下班的整个操作过程，比较准确地反映了运行人员的操作控制水平和责任心，消除了一些不必要的人为因素，免去了对小指标项目进行加权的工作，使考核结果更加公平、合理。因此需要对这种考核思路进行研究、探讨和完善，条件成熟时进行推广。
㈥ 优化效果的评估
机组优化运行系统的投用对机组的经济性、安全性和环保特性都会有不同程度的影响，这一点大家都已经形成共识，但是由于缺少机组优化运行系统的国家设计标准，加之优化运行系统的功能多、范围广，因此对于运行优化系统的许多方面需要规范。以优化运行系统的效果评估体系为例，对现有优化运行系统所产生的节能效果的评价比较多，而且差距很大，亟待规范，因为评价效果直接影响了电厂投用的积极性，也能够为领导决策提供支持。当然，运行优化所产生的效果是综合性的，需要详细分析。运行优化与设备改造优化有所不同，它体现在机组运行的过程中，通过性能监测、耗差分析、诊断与操作指导等系统的使用，可以确保正常运行时机组的经济性水平，提高机组运行管理水平，这些方面的效果是难以采用性能试验的方法进行评价的。另外，优化控制系统的一般思路是在现有控制回路上迭加设定值信号，因此系统的效果体现在系统动态变化过程中，那么采用什么样的评价标准呢？如果采用被控参数的调节品质来评价，应该采用哪些评价指标？又怎么将优化控制系统的效果折算到节能效果中去？
三、一些建议
通过此次调研，我们发现运行优化技术以及相关系统的研究与应用已经形成一股热潮，反映了电力企业通过科技进步节能增效的迫切愿望，有的电厂所采用的优化运行技术已经取得很好的效果，有了成功的经验，当然有不少系统还没有发挥它应有的作用。通过调研，我们认识到这方面还有很多工作要做，包括：
1、尽快形成运行优化系统的功能设计与应用规范，对其中已经成熟部分进行整理，编写相应的导则，并对其中的计算模型与标准进行归纳总结，形成相应的技术手册，完善系统应用的效果评价体系，为电厂提供重要参考。
2、对于运行优化中的难点问题有组织地进行重点攻关。
3、对运行优化中的新产品、新技术进行跟踪、评价，加强这方面的交流合作。
4、运行优化离不开运行管理，需要探索一套适合与我国电力企业或相应电力集团公司的运行管理方法，以推动火电站运行优化的全面开展，开发出具有我国自主产权的成熟优化运行系统。
我国电力企业信息化工作正处于快速发展期，运行优化系统的开发与使用也是百家争鸣，缺少规范。随着电力体制改革的不断深入，“优化运行、节能增效”的要求会越来越高，因此电厂优化以及其它节能工作，是一项任重道远的工作。
通过本次调研，我们掌握了我国火电机组优化运行技术应用情况的第一手资料，中国电力企业联合会将继续发挥自身优势，围绕电厂优化节能，建立专家委员会，充分发挥专家的作用，大力开展火电站运行优化技术的调研、技术普及、培训以及有关技术导则的编写等方面的工作，为发电企业提供决策参考，以协助电力企业解决电力生产中的技术问题,进一步树立服务意识和可持续发展的观念。
全国发电机组优化运行专家指导委员会
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