基于DCS平臺數(shù)據(jù)整合，提升機(jī)組監(jiān)控水平的研究與應(yīng)用

陳海文，黃月麗，胡程斌，徐龍魏，胡海航

（華電浙江龍游熱電有限公司，浙江 龍游 324400）

0 引言

華電浙江龍游熱電有限公司建設(shè)有一套STAG209E 燃?xì)?-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，它由2 臺燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，2 臺余熱鍋爐，1 臺抽凝式蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組和1 臺背壓式蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組組成。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組和蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組為二拖一分軸布置。

機(jī)組調(diào)壓站天然氣系統(tǒng)采用PLC 控制，燃機(jī)采用MARK VIe 控制系統(tǒng)，汽機(jī)鍋爐及相關(guān)輔助系統(tǒng)采用maxDNA 控制系統(tǒng)（即本文所指DCS 系統(tǒng)）。

整套機(jī)組2016 年投入商業(yè)運(yùn)行，截至2019 年歷年發(fā)電運(yùn)行小時數(shù)未超過900h。近兩年，整套機(jī)組啟停次數(shù)分別85 次、100 次，商運(yùn)后，機(jī)組運(yùn)行呈現(xiàn)發(fā)電運(yùn)行時間短、啟停次數(shù)逐漸增多的特點。

1 課題研究背景

1.1 現(xiàn)狀介紹

機(jī)組投運(yùn)以來，基本為日開夜停的調(diào)峰運(yùn)行。間斷性的運(yùn)行方式，對機(jī)組運(yùn)營以及監(jiān)督統(tǒng)計分析工作提出了更高的要求。由于二拖一分軸機(jī)組運(yùn)行方式較為靈活，所以對不同運(yùn)行方式下的日、月、季、年的監(jiān)督統(tǒng)計，對標(biāo)管理等數(shù)據(jù)積累、提煉提出了新的要求。受制于信息化、專業(yè)化認(rèn)識與系統(tǒng)部署的局限性，機(jī)組運(yùn)行過程狀況的原始數(shù)據(jù)分析工作，以人工統(tǒng)計居多，存在統(tǒng)計工作量大、費時且數(shù)據(jù)統(tǒng)計不夠精確的情況。

機(jī)組運(yùn)行設(shè)計方面，從整套機(jī)組的啟動準(zhǔn)備、啟機(jī)、正常運(yùn)行、停運(yùn)到停備的各階段，除燃機(jī)啟?；緸槿^程自動運(yùn)行外，余熱鍋爐、汽機(jī)、GIS 及輔助系統(tǒng)等整體自動化水平不高，運(yùn)行人員操作量較多；其次，受制于有限的運(yùn)行小時數(shù)，人員操作鍛煉機(jī)會不多，導(dǎo)致機(jī)組啟停運(yùn)行存在較大差異。機(jī)組全過程控制自動化、標(biāo)準(zhǔn)化管理水平不高的現(xiàn)狀，影響了機(jī)組運(yùn)行的安全經(jīng)濟(jì)性能。

1.2 問題與分析

結(jié)合當(dāng)前現(xiàn)狀，提升機(jī)組系統(tǒng)監(jiān)督、統(tǒng)計與自動化水平，有著重要的意義。

機(jī)組系統(tǒng)數(shù)據(jù)龐大、機(jī)組分系統(tǒng)設(shè)計平臺的差異，為后續(xù)數(shù)據(jù)的整合帶來不便；從大數(shù)據(jù)管理角度出發(fā)，打通數(shù)據(jù)鏈，建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)一平臺是開展數(shù)據(jù)開發(fā)利用的先決條件。

從機(jī)組運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)計的實際情況分析，相對于燃機(jī)、電氣控制系統(tǒng)，基于DCS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)平臺整合具有先天的優(yōu)勢：一方面，DCS 系統(tǒng)開放性較好，具備模件通訊功能，便于整合其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)，同時具備數(shù)據(jù)輸出功能，為信息化與遠(yuǎn)程監(jiān)督提供基礎(chǔ)，并擁有強(qiáng)大靈活的邏輯自主編輯功能，滿足監(jiān)督統(tǒng)計與自動化控制提升需求；另一方面，DCS 系統(tǒng)的設(shè)計是從全廠范圍控制角度出發(fā)的，作為底層數(shù)據(jù)整合平臺，便于持續(xù)開展數(shù)據(jù)挖掘與管理提升工作。

1.2.2 平衡指數(shù)測定方法 儀器采用以色列Sunlight醫(yī)療器械公司Tetrax平衡測試系統(tǒng)。平衡指數(shù)是由Tetrax測得的平衡參數(shù)計算出的一個用以表示患者跌倒風(fēng)險的數(shù)值，這個值基于各種影響患者平衡的因素。測定方法簡單無傷害，患者站在平衡測定儀上，通過8種姿勢對患者進(jìn)行測量，包括在自然站立情況下睜眼、閉眼、頭左右和前后專向，左右腳步同步性和腳下墊有泡沫橡膠腳墊等，5～10 min測定完畢，由專職治療師完成所有的檢測。檢查前向受檢者充分解釋檢查目的和注意事項，檢查時盡量保持檢測環(huán)境的安靜。測定結(jié)果以姿勢的總結(jié)表(BSS)和平衡指數(shù)的形式表示。

從機(jī)組運(yùn)行控制實際情況分析，機(jī)組主重要系統(tǒng)的自動投退設(shè)計為正常運(yùn)行方式下的操作，涉及到啟停階段運(yùn)行的手動操作。工作量較大，存在操作遺漏風(fēng)險，不利于機(jī)組運(yùn)行中的可靠性、經(jīng)濟(jì)性。

針對機(jī)組頻繁啟停的實際運(yùn)行狀況，啟停階段自動化水平的提升，將有助于機(jī)組運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)化水平的提高。在能耗控制方面，也有利于節(jié)省機(jī)組天然氣量、廠用電量，有助于可持續(xù)提升機(jī)組運(yùn)行安全性、經(jīng)濟(jì)性。

1.3 課題研究意義

將電廠模塊化分析，輸入原料為天然氣、電能、原水等資源，輸出產(chǎn)品為電能，輸出輸入比即能源綜合利用效率，從提升能源利用效率這一方面來講，對于電廠管理意義重大。而作為調(diào)峰運(yùn)行的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，啟、停階段能耗水平直接關(guān)乎到能源利用效率與發(fā)電效益。

課題研究工作，從提升監(jiān)督、統(tǒng)計與自動化管理水平著手，提升機(jī)組一拖一、二拖一方式下，冷、熱態(tài)啟停/運(yùn)行的操作水平，通過DCS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺的搭建，整合機(jī)組系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，開展數(shù)據(jù)的挖掘與分析利用。這將有助于機(jī)組管理水平提升，同時將帶來一定的安全經(jīng)濟(jì)效益；長遠(yuǎn)來看，隨著大數(shù)據(jù)與智控應(yīng)用的發(fā)展，本次課題研究工作有助于推進(jìn)智慧電廠的建設(shè)。

2 課題研究與實施

2.1 課題研究基礎(chǔ)

對機(jī)組運(yùn)行狀況涉及數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計分析，調(diào)壓站及燃機(jī)控制系統(tǒng)采用通訊方式與DCS 進(jìn)行數(shù)據(jù)單向傳輸；針對機(jī)組天然氣監(jiān)督研究，涉及數(shù)據(jù)可通過通訊配置進(jìn)行添加，滿足統(tǒng)計管理需要。

通過機(jī)組各階段的判據(jù)研究與數(shù)據(jù)完善，實施DCS 系統(tǒng)邏輯組態(tài)，能夠滿足對機(jī)組各工況狀態(tài)的判斷，涉及到天然氣量、發(fā)電量、時間等統(tǒng)計功能的需求，并進(jìn)一步開展自動化提升的研究應(yīng)用工作。

2.2 方案研究

基于DCS 系統(tǒng)平臺數(shù)據(jù)的整合，采用DCS 通訊模件功能的方式，將調(diào)壓站、燃機(jī)控制系統(tǒng)、電量采集系統(tǒng)部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸至DCS 系統(tǒng)，可以實現(xiàn)DCS 平臺數(shù)據(jù)的底層整合，實現(xiàn)基于機(jī)組監(jiān)督、統(tǒng)計、自動化升級等管理功能開發(fā)的研究與應(yīng)用的基礎(chǔ)，應(yīng)用DCS 系統(tǒng)強(qiáng)大豐富的自主化邏輯編輯功能，提升機(jī)組數(shù)據(jù)挖掘與利用水平。

通過機(jī)組運(yùn)行實際情況，建立機(jī)組分階段的細(xì)分統(tǒng)計，主要包含：機(jī)組各運(yùn)行階段判斷，時間、天然氣用量、發(fā)電量、發(fā)電氣耗統(tǒng)計，實現(xiàn)機(jī)組各運(yùn)行階段數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計，從而具備客觀評估啟停階段操作水平功能；并建立捕捉運(yùn)行異常、步序時長、各階段能耗相關(guān)指標(biāo)，清晰展現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行操控水平與能耗情況。對機(jī)組各階段運(yùn)行狀態(tài)的判斷與統(tǒng)計，是開展后續(xù)工作的前提。功能的應(yīng)用能有效解決運(yùn)行氣耗分析的人為誤差，可有效針對現(xiàn)狀提供管理的指導(dǎo)性意見。

通過對啟、停各階段步序位的分析，結(jié)合運(yùn)行狀態(tài)方位條件判斷，對機(jī)組設(shè)備全程自動化工作的開展有著積極的意義。通過奠定步序統(tǒng)一化歸類，提供自動標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用的狀態(tài)基礎(chǔ)。

2.3 方案實施

2.3.1 機(jī)組運(yùn)行階段分類

圖1 機(jī)組全程監(jiān)督統(tǒng)計畫面Fig.1 The overall monitoring statistics screen of the unit

根據(jù)整套機(jī)組運(yùn)行階段進(jìn)行分類，包含：啟機(jī)、滿負(fù)荷、停機(jī)、備用共4 種狀態(tài)；并對啟機(jī)、滿負(fù)荷、停機(jī)、整套啟停階段，共4 種運(yùn)行分類進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計歸類。各細(xì)分步序根據(jù)需要對“時長”“故障時長”“耗氣量”“故障耗氣量”“發(fā)電量”“發(fā)電氣耗”進(jìn)行統(tǒng)計，實現(xiàn)類似EXCEL報表統(tǒng)計功能。

其中，啟機(jī)階段：按1 號燃機(jī)、2 號燃機(jī)、3 號汽機(jī)進(jìn)行機(jī)組級歸類。燃機(jī)：從點擊“Start”開始進(jìn)行統(tǒng)計，包含“Start 至點火”“點火至并網(wǎng)”“并網(wǎng)至滿負(fù)荷”3 個階段；汽機(jī)：從單臺燃機(jī)“Start”開始進(jìn)行統(tǒng)計，包含“Start至沖轉(zhuǎn)”“沖轉(zhuǎn)至并網(wǎng)”“并網(wǎng)至旁路全關(guān)”“旁路全關(guān)至滿負(fù)荷”。

滿負(fù)荷階段：分AGC 投入、AGC 不投入兩種方式分類統(tǒng)計，用于分析AGC 運(yùn)行方式對機(jī)組能耗的影響，根據(jù)不同負(fù)荷率對機(jī)組能耗的影響進(jìn)行分析，積累基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

停機(jī)階段：分為機(jī)組“停機(jī)至解列”“解列至無火”兩個階段。

備用階段：分為燃機(jī)試點火、無火至盤車全停、全停期間3 個階段。

2.3.2 機(jī)組天然氣等能耗監(jiān)督

機(jī)組運(yùn)行期間的天然氣量全程統(tǒng)計分為啟動、運(yùn)行、停運(yùn)3 個階段，包含3 個階段與機(jī)組單次運(yùn)行期間的天然氣用量、發(fā)電氣耗，并對啟動、停運(yùn)成本進(jìn)行測算。

通過統(tǒng)計機(jī)組全程各節(jié)點運(yùn)行時間、耗氣量、發(fā)電量、故障時間、故障氣耗，可實現(xiàn)燃料、氣耗等全程監(jiān)督管理。主要實現(xiàn)的路徑：① 燃機(jī)至DCS 的數(shù)據(jù)傳輸，將開發(fā)系統(tǒng)中涉及燃機(jī)部分?jǐn)?shù)據(jù)，采用通訊方式傳輸至DCS 系統(tǒng)；②調(diào)壓站至DCS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸，原有PLC 系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)所需數(shù)據(jù)的DCS 通訊；③ 對DCS 系統(tǒng)進(jìn)行邏輯組態(tài)，依據(jù)機(jī)組全程步序分類說明實施。CRT 畫面顯示如圖1 所示，部分控制邏輯組態(tài)如圖2 所示。

2.3.3 機(jī)組全過程自動化改造

研究機(jī)組啟動、停機(jī)兩個階段分析系統(tǒng)設(shè)備，采用順控+全程自動、聯(lián)鎖方式，耦合啟停與正常運(yùn)行階段全過程自動控制。

自動化改造工作圍繞汽輪機(jī)輔助系統(tǒng)設(shè)備開展，導(dǎo)入APS 模式，運(yùn)用全程自控投入理念。其中，閥門類以順控+自動模式實施改造，泵與風(fēng)機(jī)類以順控+全程聯(lián)鎖模式實施改造。

現(xiàn)階段主要實施的閥門類改造：軸封壓力閥組、潤滑油溫調(diào)節(jié)閥、真空破壞閥、除氧器透氣閥；泵與風(fēng)機(jī)類改造：軸加風(fēng)機(jī)、高壓啟動油泵、EH 油泵、真空泵、交流潤滑油泵。另外，對汽輪發(fā)電機(jī)組解并列進(jìn)行了改造，機(jī)組解列功率控制在0.3MW 以下，汽機(jī)解列后轉(zhuǎn)速小于3010r/min，運(yùn)行安全穩(wěn)定性較之前大幅改善，并實現(xiàn)了全程AVC、一次調(diào)頻、AGC 投切等功能，較好地對接了新版“兩個細(xì)則”。

2.4 應(yīng)用效果

圖2 部分控制邏輯組態(tài)Fig.2 Part of the control logic configuration

表1 運(yùn)行統(tǒng)計表Table 1 Running statistics table

通過各運(yùn)行狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)化同口徑統(tǒng)計，分析了運(yùn)行各值之間操作差異，為提升運(yùn)行人員操作水平管理提供方向與依據(jù)。改進(jìn)運(yùn)行操作管理后，機(jī)組運(yùn)營經(jīng)濟(jì)效益同比大幅提升，機(jī)組首次冷態(tài)開機(jī)，即可實現(xiàn)邊際盈利。

啟停階段各輔機(jī)時間固化穩(wěn)定，整套機(jī)組啟停時間、能耗指標(biāo)趨于一致，啟停機(jī)用氣量、時間、氣耗提升顯著，節(jié)能效益較大；隨著啟停時間的相對縮短，余熱鍋爐啟停階段的NOx 排放超標(biāo)時間相應(yīng)縮減；通過建立健全啟停對標(biāo)體系的建設(shè)，可固化相關(guān)成果，保證了啟停機(jī)安全可靠性。

通過DCS 系統(tǒng)平臺數(shù)據(jù)的整合與開發(fā)工作，提升了機(jī)組主重要參數(shù)的全程監(jiān)督管理水平，實現(xiàn)機(jī)組啟停異常數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，有利于定向開展工作，年度整套機(jī)組一次啟機(jī)成功率提升至93%。本課題的研究可持續(xù)為機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供數(shù)據(jù)與開發(fā)支撐。

3 結(jié)束語

隨著省內(nèi)新能源裝機(jī)容量、電網(wǎng)特高壓直流電量占比的增長，燃機(jī)作為電網(wǎng)調(diào)峰的重要方式，機(jī)組啟停的次數(shù)將顯著增加。啟停階段的能耗分析與自動控制的應(yīng)用，對機(jī)組運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性有著重要的意義；完善機(jī)組全過程管控，通過機(jī)組啟?？煽啃缘奶嵘?，對保障電網(wǎng)安全也有著積極的作用與意義。