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朱宁 | 火电智能化体系架构及其典型应用研究
发布日期:2020-06-30 信息来源:中咨研究 访问次数: 字号:[ ]

【摘要】本文通过梳理国内火电厂(燃煤、燃气发电厂)近10年在信息化、数字化、智能化领域的探索实践,分析了火电智能化的创新方向,首次描绘了火电智能化的体系架构,并研究其典型应用。

关键词:火电智能化;体系架构;虚拟业务中心;典型应用

365体育投注中国国际工程咨询有限公司(简称365体育平台)参加了“十四五”电力发展规划编制,集合国内IT服务企业创新开展了火电智能化体系架构和发展目标研究。本文通过深入分析发电智能化内涵,提出智能火电厂的概念,通过理清智能化创新方向,首次描绘了火电智能化体系架构,并进行了典型应用研究,旨在助力我国火电高质量发展。

一、发电智能化是时代要求

365体育投注大数据、人工智能正在全球范围内与传统产业深度融合,“智能工厂”“智能生产”和“智能物流”等主题不断涌现。我国政府十分重视工业智能化转型。从2016年5月国务院发布《国务院关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见》,2017年10月党的“十九大”提出推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合,2017年11月国务院发布《国务院关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》,到2019年3月19日习近平总书记主持召开中央全面深化改革委员会第七次会议时发表“促进人工智能和实体经济深度融合,……构建数据驱动、人机协同、跨界融合、共创分享的智能经济形态”重要讲话,为我国传统产业的高质量发展指明了方向。

发电行业包括水电、火电、风电、光伏等,其生产智能化较为复杂,仅火电智能化就牵涉燃料系统、三大主机、风机水泵等辅机、电气系统、分散控制系统、化学制水系统、循环冷却水系统、环保岛、MIS和SIS等。我国火电领域在办公信息化、生产数字化实践基础上,近些年开始了智能化探索,逐步认识到火电智能化不是单纯在传统火电厂内采用一些智能装置,而是应用大数据和人工智能等现代信息技术来全面提升火电厂的发电生产方式、业务管理模式和信息服务能力,是对物质流、能量流、信息流的融合再造,但对满足可测、可观、可控和自愈要求的火电智能化体系架构的认识还不十分清晰。

二、发电智能化内涵和定义

国内外对智能发电(或发电智能化)尚无明确定义和统一标准,在计算机技术应用中使用了自动化、信息化、数字化、智能化等各种名称。

从宏观的生产力发展与生产关系变革的视角看,电厂的智能化转型是通过生产力提升、生产关系优化、信息技术支撑三者的互联、融合、创新,在运营模式、业务过程、生产过程、生产设备、IT支撑等五个层面实现传统电厂向智能电厂的转变。

从微观视角看,通过建立清晰的支撑智能电厂所需的IT架构体系与应用模式,运用设备、控制、管理等一系列智能化手段,实现电厂可靠感知能力、真实再现能力、即时响应能力、业务协同能力、管控决策能力的全面提升。

365体育投注发电智能化的关键技术特征体现为自学习、自寻优、自适应。具体讲,就是大量应用自学习、自寻优、自适应的智能化技术,自动根据发电厂内设备、燃料、调度、市场等影响因素的变化,不断优化生产、经营、管理,实现经济效益和社会效益的最大化,实现生产安全、职业危害,生态环保的最优化运营。

365体育投注智能发电厂定义:在现有生产管理基础上,广泛采用现代信息技术和通信技术,集成智能的传感与执行、控制和管理等技术,通过数据挖掘及价值分析,形成具有一定自主性的感知、学习、协调控制、分析决策能力,能动态地适应发电生产、电力调度和用电需求的变化,与工业互联网、社会资源和环境相互融合的新型电厂。

365体育投注对于火电智能化来说,除了上述发电智能化内涵外,还需要考虑调峰和保障电力供应安全等因素。本研究主要聚焦火电厂的发电设备、控制、管理和信息支撑等生产领域。

三、火电智能化创新方向

传统的火电厂生产运营体系逻辑上由设备层、控制层、管理层构成。设备层主要包括发电生产主辅设备,以及配套的测控设备;控制层主要包括各种控制、保护、调节系统;管理层则包括所有生产运营的业务与管理活动,涵盖各类运维作业、各项专业管理、各种业务条线管控等所有业务管理过程,具体包括集控运行、设备运维与检修、安全保障与监管、经营管理与运营管控等主要业务。

火电智能化发展方向体现在互联、融合和创新三个方面。

互联:重点是人机互联、业务互联、用户互联。人机互联:实现人、设备、系统的互联,通过“机”要素之间高效整合,实现“人机协调”的模式。业务互联:打通业务藩篱,围绕核心价值链,实现端到端的互联,使核心业务围绕价值链形成协同、联动的智能有机体。用户互联:实现企业内部不同管理层级间的互联,实现与用户的互联,实现与外部单位(政府、电网、兄弟单位、社会机构)互联[1]。

365体育投注融合:重点是多业务管理融合、信息与自动化融合、新技术融合。各业务融合:实现企业业务管理的协同融合。推动安全、生产、营销等生产经营与人、财、物资源管理一体化融合,创新管理模式,提升核心能力,使企业业务管理协同融合、决策科学。与自动化融合:实现管理信息化与生产自动化的融合。在智能发电发展方式下,生产运行的前台监控、信息分析与企业调度、生产、营销等业务管理更加紧密的联系在一起,需要通过实时信息与管理信息的交互、更大范围跨业务的流程整合和信息自动流转,提高大生产的驾驭能力。与新技术融合:信息技术与通信技术本身的技术边界已经模糊,信息通信技术共同构成信息化核心技术手段。为实现更加有力的信息技术支撑,将信息化核心技术与业务管理融合,推动管理高度一体化[2]。

创新:重点是技术应用创新、管理应用创新。技术应用创新:在智能装备、智能控制、信息技术等方面引入新技术或关键技术,实现运行优化、故障预警、智能巡检、主动安全,通过技术创新应用,带来降耗、安全、环保能力的提升。管理应用创新:支持企业资产全生命周期管理、能量全过程管理、资源集约化管理等管理理念。在企业资源方面,实现集约与共享;在业务协同方面,实现业务之间的互通、融合;在企业运营方面,实现企业级的管控和决策[3]。

四、火电智能化体系架构内容

365体育投注火电智能化体系建设,由信息化支撑和贯通,通过设备层智能化、控制层智能化、管理层智能化,最终实现火力发电的生产运营由传统体系向智能体系的转变[4]。因此,火电智能化的体系架构,对应于传统的三层体系架构,就是由设备层、控制层和管理层的智能化组成,由信息化支撑的智能化生产运营体系[5]。

365体育投注图1 火电生产运营传统体系向智能化体系转变

365体育投注在从传统体系向智能化体系的转变中(见图1),火电智能化是一个不断发展进步的过程,需要不断融合人工智能技术,构建出一整套从数据汇聚、计算建模、分析决策到最后执行的开发应用标准和不同范式,将众多智能应用与生产控制融为体,逐步走向智能发电高级阶段。

由于传统火电厂广泛采用的DCS系统已发展成熟,其设计思想、组态配置、功能匹配等十分完善,已渗透到火电厂控制系统的各个领域,加之现场总线技术(FCS)的应用,可以直接实现电厂“炉-机-电-辅-仿”一体化网络控制[6]。因此,依托柔性的一体化信息支撑平台构建系列管控一体化的智能应用,以贯通业务、共享数据、按岗所需、组合应用为目的,打造虚拟业务中心,是火电智能化架构设计的主要方向。

数据来源:国家能源集团信息技术有限公司,《智能电站总体设计方案》

虚拟业务中心是围绕火力发电的几个主要核心价值链,按照“大控制、大生产、大安全、大经营”的理念,将相关“数据-业务-系统”融合为业务运营平台,形成“监控、生产、安全、经营”四个数字虚拟业务中心。每个虚拟业务中心彼此既相对独立,又环环相扣,从而构成以价值创造为目标的,体系完整、协同运作的业务应用体系。

1.监控中心。火力发电的首要价值链就是实现一次能源向二次能源的转换。发电企业作为以电、热为核心产品的能源生产与供应商,贯穿了能量生产与转化的全过程。监控中心就是围绕能量转化价值链,以“大控制”的理念,以自动化控制为基础,运用智能化控制技术进行优化运行,以实现能量从燃料储运、到生产转换、至电热(产品)传输等各环节的最优控制,确保实现整个能量转化过程的灵活敏捷、节能低耗、低排环保等价值目标。

2.生产中心。火力发电的第二条价值链就是实现设备资产的高效运转,最大限度的发挥出设备资产的效能与价值。发电企业作为“重资产”企业,强化生产环节的设备全寿命周期管理,深化状态检修,提高设备检修效率和运行可靠性,是发挥资产价值,保障能源转化生产的重中之重。生产中心就是围绕设备资产价值链,以“大生产”的理念,统筹生产运行、设备运维等诸环节,实现运维一体化和检修专业化,在确保实现发电生产运行的安全、高效、稳定的前提下,最大限度达到设备的可靠性、使用效率、使用寿命和全生命周期成本的动态平衡,确保实现资产价值链的安全、可靠、高效等价值目标,实现资产效能和运营效益的综合最优。

3.安全中心。火力发电的第三条价值链就是确保发电生产与运营的过程安全。发电企业作为具有“高温、高压、高速、高危”等生产环境的企业,能否确保安全生产与运营,是决定其能否实现能量转换与资产运维价值目标的前决条件。安全中心就是针对“为能量转换与资产运维提供安全保障支持”这一核心任务,以“大安全”的理念,将传统电站的以事件管理为核心的管理模式,升级为以危险源辨识、风险评估为核心、全员参与的全面管理、科学决策、预测预防和可控在控的安全生产风险一体化管理模式,确保实现火电生产运营的主动安全。

4.经营中心。火力发电的第四条价值链就是确保实现发电企业人力、物力、财力、信息、技术、管理等资源要素的最佳配置,获得可持续竞争的优势。伴随着电力改革的深入与经营领域的拓展,发电企业将逐步进入到具有更大竞争性的市场,智能的生产经营应当在市场环境变化时能够做出快速反应,通过提供最大的社会价值,获取最佳的价值收益。经营中心就是围绕企业资源要素的价值链,以“大经营”的理念,突破传统业务条块束缚,消弭核心资源相关信息壁垒,强化对企业整体运营绩效的把握能力,围绕火电企业核心资源进行集约化管理和共享化服务,实现信息共享和业务协同,打通战略目标、预算控制、经营计划、市场响应和绩效管理之间的关联,使企业可以集中核心资源、优化配置、降本增效、精益管理,确保实现精益、规范、敏捷、协同、增效的价值目标。

火电智能化重点环节集中在设备、控制、管理和信息支撑四个方面。设备智能化主要包括生产设备的数字化描述和表达、智能测控装置的应用,控制智能化主要包括智能化的模拟量控制和基于机器学习的运行优化,管理智能化主要包括建立虚拟监控、生产、安全和经营中心,信息支撑主要包括智能工作台、知识图谱、移动应用、智能报表、云支撑等能力。

五、火电智能化典型应用举例

国内火电厂近些年在安全监控、生产运维、优化运行、巡检管控等方面开展了一些典型的智能化应用。

1.智能安全监控方面的汽轮机智能安全监控系统,突破传统TDM设计思想,不再是简单的振幅报警和时频分析图形作为事后“黑匣子”使用,而是将所需专业性较强或依赖于个别专家的振动信号分析与故障诊断工作,交给系统内逐步建立的专家诊断知识库,实时自动分析并发现机组当前出现的异常现象,自动完成故障诊断,实现设备故障部位、故障等级、故障原因、处理建议的自动生成与推送。产生的效果是可缩短启动时间。

2.智能生产运维方面的五检合一智能维护系统,将“巡检/点检/精密点检/技术监督/智能在线诊断”集成并与设备的优化检修进行有机融合,建立一套统一的信息、工作、考核、管理控制、决策支持与集中维护平台。建立基于大数据与人工智能应用的专家诊断知识库,实现对设备故障部位、故障等级、故障原因、故障解决方案及检修成本的确定。产生的应用效果是减少设备故障、提高收益[7]。

3.智能优化运行方面的多源耦合智能吹灰系统,采用热平衡作为模型依据,根据温度场分布建立动态模型并与热力系统工艺进行关联建模,对立式区域、卧式区域根据工质温差、压差、烟差建立大数据模型,智能推送吹灰优化策略,判断水平烟道、后竖井烟道烟气走廊的形成并通过吹灰策略消除安全隐患,指导运行优化调整,辅助锅炉燃烧控制,最终实现考核负荷下的智能吹灰。产生的应用效果是提高锅炉效率。

4.智能巡检与安全管控方面的可视化地下管网智能管理系统,将地下管网、阀门、弯头及其连接设备的设计制造信息、属性信息、安装调试及实时工艺参数,全部挂接在对应的三维模型上,并与“专家诊断数据库”相关联,大幅度提高了管网的日常维护、泄漏定位和开挖规划与演练等水平,有效预防管网泄漏引起的停机等事故,快速为事故发生后的处理方案提供支撑。产生的应用效果体现在地下管网三维实时可视,动态监督运行状态、危险点以及工艺优化点;有效及时监督地下管网的缺陷、隐患,提高地下管网漏泄处理工作效率,为火电厂贡献间接或直接收益。

对于上述火电智能化典型应用,其产生的效果很难量化。但可以肯定的是,它们并不能突破热效率、发电标煤耗、启动调整时间等指标的理论限值。应该说,智能化手段的作用是“逼近”理论值或最优值,是减少人工调整或传统方式所带来的时间金钱浪费和安全隐患。

六、结束语

365体育投注我国发电行业通过几十年的发展已经步入成熟期,中电联统计数据显示,2019年中国发电装机总规模达到20.1亿千瓦,其中火电11.9亿千瓦,连续多年位居世界第一。“十四五”及未来一段时间内,作为发电行业主力军的火电,必须走高质量发展之路。

除了聚焦高参数、大容量、多联产、近零排放、耦合发电等生态友好方向外,火电应从办公自动化、生产过程数字化向智能化迈进。随着可以提供智能化组态方案的中小IT企业不断加入,火电智能化具有了重要的技术服务支撑,伴随的多行业协作也逐渐萌芽。经过近些年在研究论证和工程实践上的有益探索,依托现场总线技术(FCS)、自动启停机控制(APS)技术、人工智能、云计算、大数据、物联网、移动应用和虚拟现实技术等,我国在火电智能化方面已经形成了一定的技术积累。

365体育投注火电智能化的大量典型应用,是新型基础设施建设、数字经济发展和智能经济形态形成的巨大场景,将为传统火电厂带来巨大的效益提升,大幅度提高发电行业的全要素劳动生产率,助力我国电力企业跻身世界先进行列。

【参考文献】

1.杨曙诚.VPN网络监控管理系统的设计与实现[D].中国优秀硕士学位论文全文数据库,2012.

2.周翔.电网生产管理一体化系统规划与实施[D].中国优秀硕士学位论文全文数据库,2010.

3.李劲.论重庆烟草行业“双核集整”中信息技术支撑作用的实现[J].信息系统工程,2014(03):125-126.

4.中国电力企业联合会.T/CEC 164-2018 火力发电厂智能化技术导则[Z].

5.郭为民,张广涛,李炳楠,梁正玉,朱峰,唐耀华.火电厂智能化建设规划与技术路线[J].中国电力,2018(10).

6.徐明,杨平,应启戛,彭道刚.现场总线技术在电厂中的应用[J].微计算机信息,2006(01):25-27.

7.郑晶磊.以可靠性为中心的维修RCM技术浅析[J].安全、健康和环境,2018(12):96-99.