深度｜智能化联合循环电厂建设方案探讨

摘要

在我国加大能源结构调整，提高能源利用水平，实现能源利用与信息的深度融合，构建智慧能源体系的背景下，通过深入分析当前智能电厂建设的现状，融合大数据、物联网、可视化、先进仪表等先进技术，结合湖北华电武昌热电有限公司数字化水平，提出智能联合循环电厂建设方案。通过融合全厂生产、管理和经营信息，构建一体化平台，在此基础上，从联合循环电厂基础设备层、过程控制层和生产管理层3个层面入手，通过智能设备的应用、生产数据挖掘分析、管理信息融合分析等，实现设备层、控制层和管理层的智能化建设，最终实现安全可靠、经济高效和精益化管理的目标。

关键词：智能电厂;基础设备层;过程控制层;生产管理层

0 引言

经过近几十年的发展，我国电厂已经基本实现了信息化的建设，建立了以分布式控制系统(distributed control system，DCS)+安全仪表系统(safety instrumented system，SIS)+管理信息系统(management information system，MIS)为核心的信息化网路架构[1]。随着以德国“工业4.0”和美国“工业互联网”为代表的新工业革命的发展，以及“中国制造2025”、“互联网+”行动计划的颁布实施，数字化技术正以前所未有的方式改变工业的生产和运营方式，电力行业亦是如此。

《中国制造2025》中将“推进信息化与工业化深度融合”纳入战略任务重点，电力装备是十大重点发展领域之一[2]。《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》中，特别将“互联网+能源”作为重点行动，强调“推进能源生产智能化”，“鼓励能源企业运用大数据技术对设备状态、电能负载等数据进行分析挖掘与预测，开展精准调度、故障判断和预测性维护，提高能源利用效率和安全稳定运行水平”[3]。另外，国家能源局发布的《电力发展“十三五”规划》中也明确提出“提升电源侧智能水平，加强传统能源和新能源发电的厂站级智能化建设”[4]。

关于智能电厂的研究应用，国内已经作了大量的研究[5-8]，许多专家学者对智能电厂提出了不同的见解，文献[9]认为智能电厂是数字化电厂的进一步发展，实现智能发电首先是要进一步提高电厂的数字化水平；文献[10]认为智能电厂以新一代智能管控一体化系统为核心，全面开拓和整合电厂的实时数据处理及管理决策等业务。除此以外，国内在发电厂关键技术的智能化方面做了大量的研究，如智能供热技术、故障诊断等[11-12]。

国外发电厂智能化建设以西门子和GE公司为代表，其认为智能电厂的核心是对设备生产信息进行深度挖掘，从而指导企业生产、经营和管理。对此，西门子和GE分别推出了以工业互联网为基础的Mindsphere和Predix工业互联网平台，融合大数据和云计算等技术手段，对发电企业机组运行方式进行优化，对设备的运行状态进行全面监测和诊断，进而提高发电企业的生产、经营及管理水平。

1 智能电厂内涵

中国智能电厂联盟于2016年底发布了《智能电厂技术发展纲要》[13](以下简称纲要)。纲要对智能电厂作如下定义：智能电厂是指在广泛采用现代数字信息处理技术和通信技术基础上，集成智能的传感与执行、控制和管理等技术，达到更安全、高效、环保运行，与智能电网及需求侧相互协调，与社会资源和环境相互融合的发电厂。

智能电厂是数字化电厂的进一步发展，强调在进一步完善基础设备信息采集、过程控制的基础上，加强对电厂信息的处理和应用，并结合先进的可视化技术实现信息的展现。智能电厂的特征表现为数字化、信息网络化、信息可视化、过程控制智能化以及生产管理一体化。

数字化是信息的表现形式，传统电厂数字化往往只针对生产过程信息的数字化，忽略了电厂全寿命周期过程中静态信息的数字化，如设计、安装、调试、检修等过程的静态信息。智能电厂通过对静态信息的数字化，形成设备基础信息数据库，为电厂的生产决策提供全面的数字化信息。

信息的网络化，是通过统一的规划和设计，建立统一的数据中心，打通电厂信息孤岛，实现各系统信息的共享，为信息的智能化挖掘和分析奠定基础。

信息的可视化是基于现代三维建模技术，建立各设备、系统的精细化三维结构模型，并将相关的动态和静态信息与三维模型关联，构成三维数字化信息平台，从而避免传统二维可视造成的信息降维，为生产管理人员进行操作和管理提供一个友好、直观的信息交互方式。

过程控制智能化是在融合先进控制技术的基础上，通过对电厂生产、经营和管理信息挖掘和分析，自适应调节运行方式，如厂级负荷优化分配、自动调压等。

生产管理一体化是智能化电厂的支撑平台，通过统一规划建设，将设备、控制、生产、管理和决策等层面进行整合集成的软硬件平台。

2 智能电厂整体架构

围绕着智能电厂以上5个方面的特征，智能电厂的建设分为3个层级：基础设备层、过程控制层以及生产管理层，如图1所示。

2.1 智能设备层

智能设备层：智能设备层主要任务是全面获取电厂的信息，并有效执行控制指令。广泛的设备层不仅包括现场安装的智能仪表、执行机构、工艺设备、接口和基础网络，还包括人员所携带的移动监测设备(如点检仪、测振仪等)、智能巡检机器人等[14]。

2.2 智能控制层

智能控制层是在传统DCS控制的基础上，通过嵌入优化调度、优化调整等控制思想，实现控制过程的智能化，如燃气发电机组的快速启停机、自启停技术等。

2.3 智能生产管理层

智能生产管理层包含3个层面：智能生产层、智能管理层和智能经营决策层，这3个层面有一个共同的特点，需要通过大数据、人工智能等技术手段，对信息进行深层次的挖掘和分析，进而提供指导意见。

智能生产层：除了包含传统SIS的指标统计，信息监测以外，还包括基于专家系统的设备状态诊断、检修维护、设备监督等。

智能管理层：包括资产、财务、人员、安全等管理的智能化，如智能仓储系统、基于人员定位的安全管理系统、智能燃料管理系统等。

智能经营决策层：通过互联网或能源互联网与集团公司、产业链上下游进行连接，并进行数据交换，为电厂经营决策提供支持。如商务智能系统、需求侧响应系统等

3 智能电厂关键技术探索

实现3个层级的智能化是一项复杂的系统工程，建设过程应坚持“结合实际、统一规划、分步实施”的方针策略。对于新建机组，应在可研设计阶段融入智能化电厂的理念，按照设备层、控制层和生产管理层逐层建设。对于在役电厂，根据机组现有的信息系统、控制系统有选择性的开展智能化建设。目前，针对智能电厂的3个层级，国内外已经探索出部分关键技术，并逐步形成应用成果。

3.1 智能设备应用

智能仪表具有在线采集设备运行信息、远程整定、自诊断等功能，可将大量现场信息传送至全厂生产管理系统，智能仪表往往与现场总线技术结合在一起使用，比如可寻址远程传感器高速通道(highway addressable remote transducer，HART)协议的智能仪表以及HART协议的智能执行机构的应用。

3.2 燃机快速启停机技术

针对燃气-蒸汽联合循环发电机组中燃气轮机、余热锅炉、汽轮机自身的特性以及热力系统的组成，合理优化主、辅机设备的启停时间和启停步序，包括：汽轮机进汽管道疏水阀控制逻辑优化、金属温度匹配优化、旁通阀调节逻辑优化、汽轮机暖机控制逻辑优化，提高下位电站的进汽及升负荷速率。另外，通过对机组启停机过程设备运行参数的分析，建立燃气发电机组启停过程的评价体系，对主辅机设备在启停机过程中的健康状态、能耗水平进行评估。

3.3 自启停机技术

发电厂机组自启停系统(automatic plant startup and shutdown，APS)为机组级高度自动化的控制系统，基于单元机组整机自动启停控制思想，以电厂基本系统(机组协调控制系统、汽机电液调节系统、锅炉燃烧管理系统和锅炉、汽机及相应辅机顺序控制等)为基础。在机组启动和停止时，APS为机组控制系统的中心，根据机组启停要求，按规定好的程序发出各个系统、子系统、设备的启停指令，同时接收各系统的反馈信息，进行综合分析与判断，完成实现单元机组的自动启动或停止。

3.4 基于互联网+的安全管理

基于互联网+的安全管理是通过定位基站和定位标签采集定位数据，通过基础配置维护区域、标签和人员的关系，通过集成定位数据和关系模型，形成人员定位、人员轨迹回放、动态预警、区域及设备监测等应用功能，如图2所示，在这些集成应用功能的基础上，开展进一步的数据分析和处理，形成诸如安全管理、考勤管理、考核管理等高级应用功能。