新型燃煤電站數(shù)字化建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)分析

白德龍，倪永中，司興忠

(1.岱海發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 013750；2.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

新型燃煤電站數(shù)字化建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)分析

白德龍1，倪永中2，司興忠1

(1.岱海發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 013750；2.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

建設(shè)數(shù)字化電站是實(shí)現(xiàn)火電廠高度智能、自動(dòng)化和節(jié)能增效的有效手段。在分析數(shù)字化電站當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)字化電站發(fā)展過(guò)程中暴露出來(lái)的信息孤島、全生命周期管理、智能設(shè)備使用和大數(shù)據(jù)挖掘等問(wèn)題進(jìn)行了闡述，并給出了建設(shè)建議。指出了新型數(shù)字化電站發(fā)展的核心是通過(guò)數(shù)據(jù)融合技術(shù)達(dá)到設(shè)備的全生命周期管理，建立火電廠一體化信息管理平臺(tái)，達(dá)到燃煤電站節(jié)能、減排和增效的目的。

數(shù)字化電站；全生命周期；一體化；大數(shù)據(jù)

1 建設(shè)數(shù)字化電站的意義

隨著機(jī)組容量及參數(shù)的提高，現(xiàn)代化單元制機(jī)組的設(shè)備和系統(tǒng)越來(lái)越多，生產(chǎn)過(guò)程高度自動(dòng)化，對(duì)機(jī)組的運(yùn)行操作、設(shè)備管理和節(jié)能環(huán)保水平提出了更高的要求。燃煤電站是一個(gè)多數(shù)據(jù)源融合的整體，傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)通信技術(shù)的限制導(dǎo)致電站中形成了一個(gè)個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)孤島[1]；同時(shí)，電站設(shè)計(jì)、基建和安裝信息的缺失，導(dǎo)致海量的歷史數(shù)據(jù)只是不斷地沉淀和積累，無(wú)法發(fā)揮其最大利用價(jià)值。

信息化技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)這個(gè)傳統(tǒng)工業(yè)向高度自動(dòng)化、智能化、集約化方向發(fā)展。大數(shù)據(jù)技術(shù)和智能設(shè)備的普及應(yīng)用將傳統(tǒng)火電企業(yè)的數(shù)字化建設(shè)提升到了新的高度，有效提升了機(jī)組的整體運(yùn)行水平。一個(gè)基本的數(shù)字化電站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,根據(jù)普華永道國(guó)際咨詢管理公司的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：工廠運(yùn)行費(fèi)用的70%與工廠生命周期的信息相關(guān)；20%～30%的時(shí)間浪費(fèi)在過(guò)時(shí)信息上。根據(jù)愛(ài)默生公司的一份報(bào)告，采用數(shù)字化電站后，600～800 MW燃煤機(jī)組預(yù)期節(jié)約的費(fèi)用見(jiàn)表1，由此可見(jiàn)，在燃煤電站進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)具有重要意義。

表1 采用數(shù)字化電站后預(yù)期節(jié)約的費(fèi)用 %

圖1 數(shù)字化電站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 數(shù)字化電站發(fā)展概況

關(guān)于數(shù)字化電站研究和建設(shè)，不同實(shí)施單位的理解和定義并不完全相同，傳統(tǒng)的數(shù)字化概念還是基于分散控制系統(tǒng)(DCS)的控制系統(tǒng)思想[2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，DCS的數(shù)據(jù)容量和處理能力不斷增大，使得在DCS基礎(chǔ)上進(jìn)行主輔一體化建設(shè)成為可能，如國(guó)電諫壁發(fā)電廠2×1 000 MW機(jī)組、國(guó)電滎陽(yáng)電廠2×600 MW機(jī)組均實(shí)現(xiàn)了主輔一體化控制[3]，提升了機(jī)組控制的靈活性，節(jié)約了人員費(fèi)用，如圖2所示。

隨著電站運(yùn)行的需求和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電廠出現(xiàn)了種類(lèi)繁多的應(yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)之間沒(méi)有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集接口，造成數(shù)據(jù)的重復(fù)和不一致。為解決各系統(tǒng)間的信息孤島問(wèn)題，多個(gè)電廠開(kāi)展了管控一體化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)DCS、廠級(jí)信息監(jiān)控系統(tǒng)(SIS)和管理信息系統(tǒng)(MIS)的數(shù)據(jù)融合，一定程度上緩解了信息孤島問(wèn)題，如圖3所示。

在實(shí)現(xiàn)主輔一體化和管控一體化的基礎(chǔ)之上，近年來(lái)的新建電廠還實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化移交。工廠全生命周期進(jìn)程中，累積了大量設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維不同階段的數(shù)據(jù)和文檔，這些文檔來(lái)自不同的參與方和不同的應(yīng)用工具，如工藝流程設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和圖紙可能來(lái)自AutoCAD P&ID，Intergraph SmartPlant P&ID等，而三維建模可能來(lái)自AVEVA PDMS或Revit等，導(dǎo)致信息傳遞效率下降。在傳統(tǒng)的電站移交過(guò)程中，從設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工到運(yùn)行，各階段都是獨(dú)立進(jìn)行的，這就造成了數(shù)據(jù)本身的割裂，產(chǎn)生了大量的信息截留問(wèn)題。通過(guò)數(shù)字化移交，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)階段、基建階段和運(yùn)行階段的數(shù)據(jù)融合[3-4]，如圖4所示。目前，華北電力設(shè)計(jì)院等設(shè)計(jì)單位均引進(jìn)了AVEVA公司的PDMS三維設(shè)計(jì)軟件，對(duì)電站設(shè)備進(jìn)行三維建模(如圖5所示)，在工程設(shè)計(jì)的各個(gè)階段提供滿足業(yè)主需要的電廠數(shù)據(jù)信息，最終可為業(yè)主提供一個(gè)形象逼真、感性直觀的三維數(shù)字模擬電廠。同時(shí)，該軟件預(yù)留的數(shù)據(jù)接口遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15926[5]，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了新建工廠(包括新建電廠)從概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、建設(shè)過(guò)程，到電廠運(yùn)行和電廠拆除的整個(gè)全生命周期的管理方法。

圖2 主輔一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 管控一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 數(shù)字化移交管理[3]

圖5 設(shè)備三維可視化管理

3 數(shù)字化電站發(fā)展問(wèn)題

在數(shù)字化電站發(fā)展的過(guò)程中，由于缺乏統(tǒng)一的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，各單位實(shí)施內(nèi)容各異，無(wú)法對(duì)發(fā)展過(guò)程中呈現(xiàn)的共性問(wèn)題進(jìn)行研究。雖然電站數(shù)字化程度得到了高度的發(fā)展，但在此過(guò)程中依然存在一些問(wèn)題，制約著數(shù)字化電站向更高層次發(fā)展。目前，各電力集團(tuán)均很重視數(shù)字化電站建設(shè)，但都還停留在研究和摸索階段，沒(méi)有統(tǒng)一的數(shù)字化電站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，亟待提煉出數(shù)字化電站建設(shè)的思路和設(shè)計(jì)總體方案。新型數(shù)字化電站應(yīng)以全生命周期管理為核心，在信息化成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行集成和創(chuàng)新，建設(shè)燃煤電站一體化信息管理整合平臺(tái)，最終達(dá)到節(jié)能、環(huán)保、增效的目的。

3.1 信息孤島依然存在

通過(guò)管控一體化實(shí)現(xiàn)了DCS，SIS和MIS的信息融合，規(guī)范了各運(yùn)行優(yōu)化軟件和監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)來(lái)源，一定程度上緩解了信息孤島問(wèn)題，但設(shè)計(jì)、施工、采購(gòu)和運(yùn)行階段的信息隔離依然存在，嚴(yán)重阻礙了設(shè)備的全生命周期管理，導(dǎo)致后期運(yùn)行過(guò)程中的設(shè)備改造信息無(wú)法與早期的移交數(shù)據(jù)庫(kù)同步，移交的數(shù)字化電站與運(yùn)行的實(shí)體電站的差異會(huì)隨運(yùn)行時(shí)間的增加而累積。業(yè)主單位花費(fèi)巨額投資建設(shè)的數(shù)字化平臺(tái)在運(yùn)行階段無(wú)法實(shí)現(xiàn)最大化利用，因此，數(shù)據(jù)交換的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)顯得尤為必要。圖6所示的數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換中心可有效地建立虛擬電站和實(shí)體電站之間的設(shè)備信息交互，打通設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié)的隔離，在數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)上，建立圖7所示的一體化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的一體化。

圖6 數(shù)據(jù)交換流程

圖7 一體化平臺(tái)

3.2 設(shè)備全生命周期管理難以實(shí)現(xiàn)

除了設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié)的脫節(jié)導(dǎo)致設(shè)備信息缺失外，運(yùn)行階段設(shè)備狀態(tài)變化無(wú)法長(zhǎng)期記錄是導(dǎo)致全生命周期管理難以實(shí)施的重要因素。ISO 15926標(biāo)準(zhǔn)在記錄信息時(shí)不僅可以采用數(shù)據(jù)模型概念記錄靜態(tài)的流程工廠(如圖8所示)，而且還可以采用4D的方法記錄包括維修等過(guò)程在內(nèi)的全生命周期流程工廠[5]。記錄的信息包括：流程工廠的物理對(duì)象，物理對(duì)象的標(biāo)志、屬性、分類(lèi)、裝配和連接。4D方法認(rèn)為，物理對(duì)象具有時(shí)間和空間維度。4D指的是空間(3D)和時(shí)間(1D)上的組成關(guān)系都以相似的方法處理，空間(3D)指的是KKS編碼中的3種標(biāo)志，即相關(guān)工藝標(biāo)志、安裝點(diǎn)標(biāo)志和位置標(biāo)志，所以4D方法可以理解為在原有KKS編碼的基礎(chǔ)上(即空間維度)增加了1個(gè)時(shí)間維度，即圖9中橫坐標(biāo)所表示的時(shí)間軸。

圖8 設(shè)備對(duì)象的抽象化[5]

圖9 4D設(shè)備信息描述[5]

物理對(duì)象是“全生命周期對(duì)象”，某一物理對(duì)象可以作為另外一個(gè)物理對(duì)象全生命周期的一部分，成為“臨時(shí)部分”，因此二者間存在臨時(shí)組成關(guān)系。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備率不高

數(shù)字化電站建設(shè)的核心是在過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的各個(gè)層次采用智能化和數(shù)字化的硬件設(shè)備，并配套相應(yīng)的控制和管理軟件，達(dá)到提高設(shè)備安全性和可靠性的目的[6-7]。但是，由于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備費(fèi)用問(wèn)題，配套軟件、通信標(biāo)準(zhǔn)和電站主控特殊的復(fù)雜協(xié)調(diào)等問(wèn)題，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在火電廠的利用率不高。在一般火電廠，現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備率小于60%，輔控系統(tǒng)使用的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備率要高于主控系統(tǒng)；在新建的燃機(jī)電站，現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備率可達(dá)到70%。隨著數(shù)字智能化技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備和技術(shù)在火電廠的大規(guī)模應(yīng)用是必然趨勢(shì)。

3.4 廠級(jí)信息監(jiān)控系統(tǒng)的定位

自1997年提出SIS概念來(lái)，SIS逐漸成為火電廠建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)配置軟件之一，其基本功能包括：數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視、廠級(jí)性能計(jì)算及機(jī)組性能計(jì)算、負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配、狀態(tài)檢修和壽命診斷[8]。但是縱觀大部分電廠的建設(shè)情況，除了數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視和性能計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)外，其他功能很少有電廠成功實(shí)施并良好運(yùn)行[9]，其主要原因有以下幾點(diǎn)。

(1)基于安全性考慮，SIS和DCS間的數(shù)據(jù)是單向流動(dòng)(如圖10所示)，SIS無(wú)法向DCS發(fā)送指令；另外，調(diào)度中心無(wú)法全面利用廠級(jí)的優(yōu)化結(jié)果[9]。

圖10 SIS的功能定位

(2)SIS集成廠商對(duì)設(shè)備狀態(tài)檢修所需信息和設(shè)備檢修機(jī)制缺乏充分理解，工廠信息(PI)數(shù)據(jù)中缺乏設(shè)備狀態(tài)檢修所需信息且沒(méi)有設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)模型。

(3)缺乏基本數(shù)據(jù)的積累，例如設(shè)備壽命評(píng)估需要專業(yè)的金屬材料數(shù)據(jù)庫(kù)才可以進(jìn)行，而國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成型的可供利用的材料數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.5 缺乏應(yīng)有的數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘方法

隨著傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，火電廠大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，SIS的發(fā)展已擴(kuò)展到發(fā)電企業(yè)集團(tuán)級(jí)和集團(tuán)科技中心級(jí)，存儲(chǔ)了大量的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。但是由于火電廠系統(tǒng)的復(fù)雜性，每一類(lèi)設(shè)備有一套完整的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、檢修維護(hù)、壽命管理機(jī)制，很難統(tǒng)一使用單一模型對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；需要對(duì)不同的設(shè)備，根據(jù)其設(shè)備健康指標(biāo)建立特有的分析模型，工作量巨大，而且需要專業(yè)知識(shí)高度融合的復(fù)合型人才，涉及分布式計(jì)算、流處理技術(shù)以及數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)[10]。

4 數(shù)字化電站建設(shè)展望

數(shù)字化電站并不是各種信息管理系統(tǒng)的簡(jiǎn)單融合，也不是簡(jiǎn)單智能設(shè)備的普及使用，而是一個(gè)融合信息處理技術(shù)、控制技術(shù)、分析與優(yōu)化技術(shù)等技術(shù)的系統(tǒng)工程。新型數(shù)字化電站應(yīng)以設(shè)備全生命周期管理為核心，以單個(gè)燃煤電站為對(duì)象，在信息化成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行集成和創(chuàng)新，建設(shè)燃煤電站一體化信息管理整合平臺(tái)，最終達(dá)到節(jié)能、環(huán)保、增效的目的。

發(fā)展數(shù)字化電站是大勢(shì)所趨，在智能設(shè)備、通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，需要管理層總體籌劃，做好頂層設(shè)計(jì)工作、人才儲(chǔ)備工作，才能迎來(lái)數(shù)字化電站發(fā)展的春天。

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(本文責(zé)編：劉芳)

2016-11-07；

2016-12-14

TM 621

A

1674-1951(2017)01-0010-04

白德龍(1976—)，男，山西五臺(tái)人，高級(jí)工程師，從事火電生產(chǎn)管理方面的工作(E-mail:baidl@daihaipower.com)。