火力發(fā)電企業(yè)節(jié)能減排信息化管理系統(tǒng)模型

陳吟穎，葛 鑫，侯學(xué)良

(1.中國大唐集團(tuán) 科學(xué)技術(shù)研究院，北京100033;2.華北電力大學(xué) 工程技術(shù)與管理研究所，北京102206)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，環(huán)境保護(hù)和能源安全的壓力日益增大。發(fā)電行業(yè)作為我國一次能源的消耗大戶，正面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。2013 年底，全國發(fā)電裝機(jī)容量124 738 萬kW，同比增長9.3%，火電裝機(jī)容量86 238 萬kW，占全部裝機(jī)容量的69.1%。2013 年，全國發(fā)電設(shè)備累計(jì)平均利用小時(shí)為4 511 h，火電設(shè)備平均利用小時(shí)為5 012 h［1］?；痣娧b機(jī)容量的增長導(dǎo)致煤炭需求不斷增長，污染物排放量逐年增加。節(jié)約能源，降低能耗，減少污染物排放已迫在眉睫。

發(fā)電行業(yè)節(jié)能減排是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。首先，要通過調(diào)整電力產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高水電、核電等新能源的比例，降低火電的比例，從而減少煤炭消耗，結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排［2］;其次，通過改善工藝流程，采用新技術(shù)，提高能源轉(zhuǎn)換效率，降低污染物排放;最后，通過轉(zhuǎn)變管理機(jī)制，推行有效的政策及法規(guī)，促使發(fā)電行業(yè)節(jié)能減排工作有效推進(jìn)。

當(dāng)前，信息技術(shù)應(yīng)用是推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級、促進(jìn)資源整合的一支重要力量［3］。信息化建設(shè)為電力企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營、管理提供了有力支撐，成為電力企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營不可缺少的部分。電力企業(yè)生產(chǎn)過程控制要求嚴(yán)格，質(zhì)量控制具有復(fù)雜性，電力需求具有周期性等運(yùn)營特性，因此對信息化的水平也提出了更高的要求。

在節(jié)能減排指標(biāo)研究方面，張才穩(wěn)［4］等研究了節(jié)能減排系統(tǒng)指標(biāo)報(bào)送體系、指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析體系。孫林旺［5］構(gòu)建了廠級節(jié)能減排綜合指標(biāo)和機(jī)組級經(jīng)濟(jì)指標(biāo)兩級指標(biāo)體系，并以此為基礎(chǔ)完善了電站的績效考核機(jī)制。FANG［6］等從節(jié)能減排的動(dòng)力系統(tǒng)得到隨時(shí)間變化的能源強(qiáng)度公式，獲得節(jié)能減排的主要影響變量，并指出全面開展節(jié)能減排越早，排放的峰值也會(huì)越早達(dá)到，系統(tǒng)越容易控制，減少碳排放的目標(biāo)越容易實(shí)現(xiàn)，越容易將能源強(qiáng)度控制在理想范圍內(nèi)。在系統(tǒng)管理模型構(gòu)建方面，姜海洋［7］構(gòu)建了節(jié)能減排目標(biāo)下發(fā)電商之間、區(qū)域發(fā)電之間的合作博弈優(yōu)化模型，并建立了ShaPley 利益分配模型。HEMAMALINI［8］等分析了機(jī)組的煤耗成本和污染物排放成分，確定了考慮機(jī)組閥點(diǎn)效應(yīng)的煤耗成本函數(shù)和污染氣體綜合排放函數(shù)，建立節(jié)能減排發(fā)電調(diào)度模型。在信息系統(tǒng)建設(shè)方面，曾廣輝［9］等提出了一種考慮節(jié)能減排指標(biāo)的發(fā)電企業(yè)綠色ERP 管理信息系統(tǒng)，在現(xiàn)有ERP 系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增強(qiáng)對廠用電和機(jī)組排放的檢測和管控，并將其實(shí)施效果納入部門績效考核。李文君［10］等指出企業(yè)信息化僅強(qiáng)調(diào)信息系統(tǒng)本身的標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品化，而沒有充分關(guān)注管理流程的標(biāo)準(zhǔn)化、信息系統(tǒng)建設(shè)過程中隨意性大等問題，需要建立標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)地位。董偉［11］等指出SIS 的核心功能需要運(yùn)行分析技術(shù)的支持，通過參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)、試驗(yàn)分析技術(shù)、故障診斷技術(shù)、運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)，以及設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)等分別完成計(jì)算、評價(jià)、分析，以及診斷等工藝環(huán)節(jié)，得到控制系統(tǒng)所沒有的信息。

目前絕大部分文獻(xiàn)研究的是機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化系統(tǒng)，注重機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性能，對于減排及其信息化管理方面的研究較少，也鮮有從發(fā)電行業(yè)全局角度出發(fā)，對節(jié)能減排的路徑流程進(jìn)行系統(tǒng)分析，探究節(jié)能減排的管理機(jī)制。在分析發(fā)電行業(yè)節(jié)能減排信息化管理現(xiàn)狀及其問題的基礎(chǔ)上，提出針對性的改進(jìn)思路，并通過研究發(fā)電系統(tǒng)的輸入、輸出流，從系統(tǒng)角度分析系統(tǒng)節(jié)能減排的信息化管理方法機(jī)制，建立節(jié)能減排信息化管理模型。

1 火力發(fā)電信息化管理現(xiàn)狀及問題

我國火力發(fā)電信息化起始于1960 年左右，其功能是進(jìn)行電力系統(tǒng)的計(jì)算，設(shè)備發(fā)電運(yùn)行的監(jiān)控管理。20 世紀(jì)80 年代，開始建設(shè)電廠管理信息系統(tǒng)。20 世紀(jì)末，信息化管理向?qū)I(yè)職能化方向發(fā)展，建立了生產(chǎn)管理和設(shè)備管理等專業(yè)化的功能系統(tǒng)。21 世紀(jì)初，電力企業(yè)改革，促使電力集團(tuán)加強(qiáng)管理的集約化、集中化來提高經(jīng)濟(jì)效益，建設(shè)了資產(chǎn)管理系統(tǒng)、機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行專家系統(tǒng)、實(shí)時(shí)成本核算系統(tǒng)、競價(jià)上網(wǎng)輔助決策系統(tǒng)等信息管理系統(tǒng)。然而，目前發(fā)電行業(yè)信息化管理還存在著諸多問題，節(jié)能減排信息化管理由于近年來的環(huán)境問題才受到重視，因此起步晚，存在較多認(rèn)識上的誤區(qū)及問題。

(1)自動(dòng)化生產(chǎn)控制信息化水平高，但管理信息化建設(shè)相對滯后。節(jié)能減排相關(guān)指標(biāo)的監(jiān)控還沒有單獨(dú)專業(yè)的信息化平臺(tái)，有的從屬于電廠的生產(chǎn)控制自動(dòng)化信息系統(tǒng)，有的獨(dú)立在環(huán)保信息化系統(tǒng)中，電廠、分(子)公司的運(yùn)行或安全生產(chǎn)人員可以監(jiān)測到表征能耗和污染物排放指標(biāo)的實(shí)時(shí)值和限定值，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀況提出問題的解決措施、方案，但其針對性的解決方案和管控措施未能分類共享到管理信息化系統(tǒng)，無法分析其共性規(guī)律，難以實(shí)現(xiàn)信息化管理的知識化及決策支持功能。

(2)信息化技術(shù)人員缺少，機(jī)構(gòu)建設(shè)不完善。在基層發(fā)電企業(yè)一級，缺乏信息化的建制和崗位，信息系統(tǒng)的建設(shè)沒有專門的執(zhí)行負(fù)責(zé)機(jī)構(gòu)。節(jié)能減排信息化作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要專門的機(jī)構(gòu)來協(xié)調(diào)與推進(jìn)企業(yè)間各部門的協(xié)同合作。

(3)信息化管理軟件設(shè)計(jì)不符合企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營實(shí)際。目前，大部分發(fā)電企業(yè)僅強(qiáng)調(diào)信息系統(tǒng)本身的標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品化，而沒有充分關(guān)注管理流程的標(biāo)準(zhǔn)化。一些軟件設(shè)計(jì)者未經(jīng)很好的調(diào)研、設(shè)計(jì)，造成管理系統(tǒng)軟件內(nèi)在結(jié)構(gòu)不合理，與企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營不能完全相融，缺乏實(shí)用性。部分電廠存在信息失真和缺失等現(xiàn)象，如煤耗超標(biāo)就不能上傳數(shù)據(jù)，必須將實(shí)際的煤耗值修改到軟件要求的范圍才能上傳提交，違背了信息化支持決策的初衷。

(4)存在信息孤島，信息資源無法共享。電力企業(yè)及其部門根據(jù)各自需要在信息化管理的發(fā)展過程中建立了各種信息化系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在建立時(shí)缺乏整體規(guī)劃，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)及信息編碼，各系統(tǒng)之間缺乏聯(lián)系，相互間的數(shù)據(jù)及信息資源的交換和共享十分不便，業(yè)務(wù)不能協(xié)同開展。不同企業(yè)的信息化系統(tǒng)中表征節(jié)能減排的主要指標(biāo)、限值也不同，即使是企業(yè)內(nèi)部各電廠信息系統(tǒng)中表征節(jié)能減排的主要指標(biāo)、限值相同，可以共享其相關(guān)指標(biāo)的數(shù)據(jù)，對其指標(biāo)數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差的原因分析及針對性的解決方法方案不能通過信息系統(tǒng)共享交流，經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)不能及時(shí)相互借鑒。

(5)信息化的數(shù)據(jù)挖掘與決策支持水平較低。電力企業(yè)和環(huán)保機(jī)構(gòu)通過信息化，僅對節(jié)能減排的主要指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、管控，缺乏數(shù)據(jù)的整體規(guī)劃及其整合，部分相關(guān)決策數(shù)據(jù)不能錄入信息化管理平臺(tái)，信息化對數(shù)據(jù)的挖掘分析十分有限。

2 針對主要問題的改進(jìn)思路

2.1 優(yōu)化流程促進(jìn)信息化管理

通過統(tǒng)計(jì)分析，電力企業(yè)信息化管理軟件大多僅限于原有的工作方式和基層一線，如人力資源管理系統(tǒng)、財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)和OA 等功能較為單一的信息化管理應(yīng)用層面;也有電力企業(yè)嘗試建立ERP系統(tǒng)，但并未成功。因此，電力企業(yè)信息化需要通過流程優(yōu)化，打破職能型流程，建立過程型流程，理順各個(gè)孤立系統(tǒng)之間的關(guān)系，將燃料信息系統(tǒng)、生產(chǎn)控制系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等多個(gè)孤立的系統(tǒng)進(jìn)行集成，使其起到監(jiān)測、管控和決策的作用。

2.2 明確系統(tǒng)目標(biāo)，強(qiáng)化應(yīng)用整合

發(fā)電企業(yè)中某些部門其本身并不是專門的數(shù)據(jù)處理部門，數(shù)據(jù)的信息化不能為其帶來直接的便利，但其上級單位需要這些指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理決策，即信息化管理存在應(yīng)用目標(biāo)隱蔽的問題，尤其是電力行業(yè)進(jìn)入了大電廠、大機(jī)組、高自動(dòng)化、高電壓的時(shí)代。因此，應(yīng)著眼全局，明確整體、局部應(yīng)用目標(biāo)，從行業(yè)層面、集團(tuán)公司層面對信息化管理進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用整合。先要對管理信息系統(tǒng)等信息化應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行整合，同時(shí)還需要對各系統(tǒng)間進(jìn)行平臺(tái)及內(nèi)部工作流程的整合與統(tǒng)一。通過整合可降低運(yùn)營及維護(hù)成本，提高企業(yè)的信息反饋及決策效率。

2.3 提高信息化人員的專業(yè)水平和決策地位

建立健全信息化的組織機(jī)構(gòu)，通過加強(qiáng)對信息化專業(yè)人員的培訓(xùn)及開展系統(tǒng)內(nèi)外技術(shù)交流合作等方式培養(yǎng)專門的信息化人員，不斷創(chuàng)新，以技術(shù)帶動(dòng)管理，以管理促進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，為決策層提供全面的、統(tǒng)一的、前瞻性強(qiáng)的事實(shí)依據(jù)。同時(shí)，在流程優(yōu)化過程中涉及到權(quán)力的重新調(diào)配，因此需要上級從整體出發(fā)，給予支持。

2.4 加強(qiáng)數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)決策系統(tǒng)智能化

管理信息化過程中應(yīng)該注意對系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)庫架構(gòu)及接口進(jìn)行優(yōu)化，為跨數(shù)據(jù)庫平臺(tái)的數(shù)據(jù)共享及數(shù)據(jù)挖掘等提供支持。以此為基礎(chǔ)進(jìn)行各類復(fù)雜指標(biāo)數(shù)據(jù)的計(jì)算，建立各類分析及預(yù)警系統(tǒng)及知識庫，為決策提供支持。

3 節(jié)能減排管理信息化系統(tǒng)模型的構(gòu)建

根據(jù)上述分析，構(gòu)建火力發(fā)電企業(yè)節(jié)能減排管理信息化系統(tǒng)模型。模型構(gòu)建的重要基礎(chǔ)之一是要理清火力發(fā)電過程的輸入流與輸出流模式。在發(fā)電過程中，其主要的能源輸入為煤炭、水、電、油，通過水汽熱的循環(huán)利用，產(chǎn)生三廢和能量。對于粉塵灰渣可回收進(jìn)行建筑材料等的生產(chǎn)，廢水經(jīng)處理后一部分可進(jìn)入生產(chǎn)系統(tǒng)繼續(xù)利用，廢氣經(jīng)脫硫脫硝及除氮，同時(shí)進(jìn)行碳捕捉、碳封存后排出，產(chǎn)出的電能和熱能對外供應(yīng)。其過程如圖1 所示。

圖1 火力發(fā)電過程的輸入流與輸出流模式

該模型是基于電廠DCS 和SIS 系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)的，采集所需的運(yùn)行數(shù)據(jù)，這樣就可以免除許多硬件設(shè)備的開支，可以保證數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。

3.1 面向?qū)ο蟮哪Ｐ?/h3>

節(jié)能減排管理信息化應(yīng)注意的不僅是某個(gè)部門或某個(gè)職能，而應(yīng)立足于集團(tuán)層面和行業(yè)層面，并注重外部監(jiān)管對節(jié)能減排的促進(jìn)作用。因此面向?qū)ο蟮墓?jié)能減排管理信息化系統(tǒng)模型包括廠級、集團(tuán)公司、政府機(jī)構(gòu)3 個(gè)層面，如圖2 所示。

圖2 面向?qū)ο蟮墓?jié)能減排管理信息化系統(tǒng)模型

節(jié)能減排管理的信息化能夠夯實(shí)節(jié)能減排的工作基礎(chǔ)，完善能源數(shù)據(jù)的計(jì)量核算體系。集團(tuán)公司根據(jù)基層企業(yè)的數(shù)據(jù)制定標(biāo)桿，總結(jié)各種方案知識庫，促進(jìn)企業(yè)節(jié)能減排新技術(shù)和管理方法的推廣和交流，實(shí)現(xiàn)管理的數(shù)字化、知識化。政府相關(guān)機(jī)構(gòu)通過系統(tǒng)模型對節(jié)能減排信息進(jìn)行采集，以此為基礎(chǔ)明確節(jié)能減排工作的改進(jìn)和控制方向，制定正確的節(jié)能減排政策，合理監(jiān)管和布置節(jié)能減排工作。由此實(shí)現(xiàn)基層企業(yè)、集團(tuán)公司、相關(guān)政府機(jī)構(gòu)一體化的管理機(jī)制。

3.2 模型流程模塊的構(gòu)建

從項(xiàng)目管理角度出發(fā)，對節(jié)能減排目標(biāo)系統(tǒng)流程進(jìn)行再梳理，形成集成化的管控模式。模型內(nèi)部分為4 個(gè)流程模塊，依次為數(shù)據(jù)獲取、對標(biāo)分析診斷、偏差控制優(yōu)化和智能分析系統(tǒng)。

(1)數(shù)據(jù)獲取模塊以DCS 系統(tǒng)作為信息源采集各類運(yùn)行數(shù)據(jù)，經(jīng)篩選保存有效數(shù)據(jù)，并計(jì)算不可直接測得的指標(biāo)，實(shí)時(shí)顯示，支持查詢功能。

(2)對標(biāo)分析診斷模塊將指標(biāo)參數(shù)與標(biāo)桿進(jìn)行對比，判斷是否存在偏差，若為正偏差(即超耗超排)則進(jìn)入診斷過程，模塊支持遠(yuǎn)程分析診斷和試驗(yàn)分析診斷。遠(yuǎn)程分析診斷可以把各類數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給專家進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷分析;試驗(yàn)分析診斷通過調(diào)整機(jī)組運(yùn)行方式、燃料摻燒比等試驗(yàn)來分析偏差出現(xiàn)的原因。對于負(fù)偏差，系統(tǒng)自動(dòng)記錄識別各種運(yùn)行數(shù)據(jù)，作為出現(xiàn)正偏差分析時(shí)的對照參數(shù)。

(3)偏差控制優(yōu)化模塊根據(jù)診斷結(jié)果進(jìn)行偏差的控制，主要從設(shè)備、運(yùn)行方式、能源輸入這3個(gè)層面進(jìn)行優(yōu)化。尋找設(shè)備性能存在的問題，確定檢修改造對象，優(yōu)化設(shè)備的運(yùn)行方式，調(diào)整能源輸入來控制超耗超排，使指標(biāo)回歸到標(biāo)桿范圍。

(4)智能分析系統(tǒng)，其功能的發(fā)揮主要是基于以上3 個(gè)流程模塊而進(jìn)行的知識集成與學(xué)習(xí)。聚類分析系統(tǒng)，能夠?qū)?0 萬、60 萬、100 萬級別機(jī)組及超超臨界、超臨界、亞臨界等不同的新老機(jī)組的指標(biāo)分類進(jìn)行對比，分析總結(jié)不同種類機(jī)組的節(jié)能減排特性及針對性的優(yōu)化方法措施。節(jié)能減排潛能評估系統(tǒng)旨在動(dòng)態(tài)確定當(dāng)前工況下可能達(dá)到的最佳運(yùn)行水平和相應(yīng)的參數(shù)指標(biāo)。預(yù)警系統(tǒng)依據(jù)趨勢分析和相關(guān)分析對運(yùn)行中主要參數(shù)和特征量的異常變化進(jìn)行報(bào)警和提示。模型的構(gòu)建如圖3 所示。

圖3 節(jié)能減排信息化管理系統(tǒng)模型

4 結(jié)論

通過節(jié)能減排信息化管理，對燃料摻燒比例、燃燒工況、設(shè)備性能、污染物排放等實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測，以系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過對標(biāo)、診斷，分析可控參數(shù)變化的原因，建立模型，促進(jìn)生產(chǎn)管理過程的優(yōu)化;分析生產(chǎn)經(jīng)營集成過程中節(jié)能減排量與節(jié)能減排成本間的關(guān)系，不斷優(yōu)化方法機(jī)制，實(shí)現(xiàn)能耗低、污染物排放少、節(jié)能減排成本低的綜合效益。同時(shí)，對排放的數(shù)據(jù)化管理，能夠促進(jìn)合同能源管理的實(shí)施，為碳捕捉的定量化，碳稅的征收和碳排放交易權(quán)的實(shí)施提供了一個(gè)便利的操作平臺(tái)，也對未來更好地進(jìn)行CO2封存的源匯規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持［12］。在集團(tuán)公司層面，實(shí)現(xiàn)對各級公司節(jié)能減排各項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測和對標(biāo)分析，便于對不同類型機(jī)組主要指標(biāo)實(shí)施分類管控，達(dá)到集中有度、分權(quán)有序的集團(tuán)管控效果。節(jié)能減排信息化系統(tǒng)的應(yīng)用，便于環(huán)保部門和能源部門強(qiáng)化監(jiān)督，進(jìn)而有效保證節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

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