李霄飛,朱梓傲
(1.中國大唐集團(tuán)有限公司,北京 100033;2.沈陽航空航天大學(xué),遼寧 沈陽 110136)
21世紀(jì)初,各國先后提出“智能工廠和智能制造”的概念,美國和德國分別提出了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”和“工業(yè)4.0”的概念,人類進(jìn)入以信息物理融合系統(tǒng)(CPS)為基礎(chǔ),以高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化為標(biāo)志的第四次工業(yè)革命時(shí)代。2015年,中國提出“中國制造2025”戰(zhàn)略,將信息化與工業(yè)化深度融合,大力發(fā)展數(shù)字化、智能化,隨后,發(fā)布了《深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見》《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2018—2020年)》《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)APP培育工程實(shí)施方案(2018—2020年)》等系列文件,制定了人工智能三大戰(zhàn)略目標(biāo)。隨著對(duì)信息化、智能化等理論研究的深入及人們對(duì)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的應(yīng)用探索,工業(yè)生產(chǎn)過程實(shí)施智能化的關(guān)鍵技術(shù)已日臻成熟。
在智能制造與智慧能源的發(fā)展框架下,國家能源局發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》,實(shí)施能源領(lǐng)域的國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略,積極拓展能源大數(shù)據(jù)的采集范圍,實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域能源大數(shù)據(jù)的集成融合。隨著發(fā)電領(lǐng)域智能發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展,建設(shè)智慧電廠被逐步提上日程,復(fù)雜程度最高、涉及范圍最廣的火力發(fā)電廠的智慧化成為研究的最重要內(nèi)容。
智慧電廠不是簡單歸結(jié)為一個(gè)軟件或一個(gè)系統(tǒng),而是一種管理理論和方法。建設(shè)智慧電廠是發(fā)電行業(yè)管理思想的重大變更,是實(shí)現(xiàn)火力發(fā)電廠高質(zhì)量發(fā)展的必由之路,體現(xiàn)了“工業(yè)4.0”和“中國造2025”的發(fā)展理念。
智慧電廠是數(shù)字化電廠結(jié)合智能化后進(jìn)一步發(fā)展的目標(biāo),是現(xiàn)代電廠信息化發(fā)展的新階段,是信息技術(shù)與發(fā)電技術(shù)的深度融合,采用新一代信息通信技術(shù)、人工智能(AI)技術(shù)、檢測控制技術(shù),以發(fā)電系統(tǒng)為載體,利用大數(shù)據(jù)和現(xiàn)代通信技術(shù),采用智能控制系統(tǒng),具有一定自主性的感知、分析、學(xué)習(xí)和決策能力,能動(dòng)態(tài)適應(yīng)發(fā)電環(huán)境變化,解決發(fā)電廠工程管理、運(yùn)行維護(hù)等問題,減少生產(chǎn)過程中的人工干預(yù),提高生產(chǎn)效率,構(gòu)建高效節(jié)能、綠色環(huán)保的發(fā)電廠。
智慧電廠的概念一經(jīng)提出,建設(shè)者們紛紛提出自己的建設(shè)內(nèi)容,主要圍繞智能管理、智能控制和智能設(shè)備等要素開展了規(guī)劃和設(shè)計(jì),在各個(gè)要素上深度融合各種先進(jìn)智能技術(shù),充分利用火力發(fā)電廠內(nèi)的各種資源,最大限度地提高發(fā)電效率。
智能管理:應(yīng)用人工智能(AI)、工業(yè)大數(shù)據(jù)等新一代技術(shù)手段,對(duì)信息資源進(jìn)行提煉、分析、判斷,以經(jīng)濟(jì)效益為中心,以生產(chǎn)管理為主線,以設(shè)備管理為重點(diǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)電廠的管理,如智慧經(jīng)營、智慧燃料管理、構(gòu)建三維數(shù)字可視化設(shè)備模型、人員定位與安全管理、智慧物資管理、工藝仿真和人員培訓(xùn)、智能巡點(diǎn)檢等。
智能控制:基于先進(jìn)控制系統(tǒng)平臺(tái),采用智能控制策略,對(duì)所有運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行全過程監(jiān)測,對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、查詢、匯總、分析等深度挖掘,形成具備“自分析、自診斷、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)”的運(yùn)行優(yōu)化系統(tǒng),利用機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能技術(shù),實(shí)現(xiàn)機(jī)組高效環(huán)保運(yùn)行、靈活調(diào)節(jié)、少人或無人值守、智能監(jiān)視。如鍋爐燃燒優(yōu)化控制、鍋爐智能吹灰優(yōu)化控制、AGC優(yōu)化控制、機(jī)組自啟停控制、主再熱汽溫控制、冷端優(yōu)化控制、脫硫脫硝控制等。
智能設(shè)備:采用自身感知或在輔助系統(tǒng)、設(shè)備的協(xié)助下,具備自管理、自診斷能力的現(xiàn)場裝備,如現(xiàn)場總線、智能照明、高壓電氣設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)等。
目前,行業(yè)內(nèi)關(guān)于智慧電廠的定義、特征還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),也沒有成熟的設(shè)計(jì)規(guī)范。電廠在市場競爭日益激烈的形勢(shì)下,常規(guī)燃煤火力發(fā)電廠面臨著生存的考驗(yàn),建設(shè)者在建設(shè)過程中不斷優(yōu)化設(shè)計(jì),降低工程造價(jià),同時(shí)提高自動(dòng)化水平,推動(dòng)自動(dòng)化和信息化的深度融合;在生產(chǎn)期不斷提高設(shè)備自動(dòng)化水平,優(yōu)化管理資源,降低生產(chǎn)成本,提高市場競爭力,智慧電廠建設(shè)為火力發(fā)電廠進(jìn)一步提升自動(dòng)化水平,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,降低人工成本等方面提出了新的要求,筆者們認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)火力發(fā)電廠的智慧化主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行探索和研究。
智慧電廠的數(shù)據(jù)通過各個(gè)采集設(shè)備傳送到控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)中,系統(tǒng)將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工和整理,形成控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的功能,同時(shí)向管理人員提供管理信息,并通過頁面形式展現(xiàn)出來。因此,智慧電廠最重要的是數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、基于數(shù)據(jù)的反饋。當(dāng)前,火力發(fā)電廠的數(shù)據(jù)是呈“金字塔”形自下而上由生產(chǎn)層向管理層進(jìn)行傳輸,生產(chǎn)和管理之間的數(shù)據(jù)傳輸是單向的,數(shù)據(jù)只能由生產(chǎn)層向管理層傳輸,管理層數(shù)據(jù)不能向生產(chǎn)系統(tǒng)傳輸,生產(chǎn)數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)分別在不同的數(shù)據(jù)平臺(tái)上運(yùn)行。在生產(chǎn)層,普遍存在多種控制系統(tǒng),底層數(shù)據(jù)不能被有效整合利用。另外,控制過程是基于實(shí)時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù),控制過程絕大多數(shù)采用的是基于傳統(tǒng)的經(jīng)典控制理論,對(duì)于歷史數(shù)據(jù)的分析、判斷以及對(duì)歷史數(shù)據(jù)分析的結(jié)果還沒有被真正應(yīng)用到控制系統(tǒng)中,可以說控制系統(tǒng)沒有根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行“思考”和“學(xué)習(xí)”的能力。因此,要實(shí)現(xiàn)發(fā)電過程的智慧化,必須要建立智能控制平臺(tái),構(gòu)建控制層的數(shù)據(jù)庫,建立實(shí)現(xiàn)電廠自分析、自診斷、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
通過構(gòu)建智能控制平臺(tái),進(jìn)一步擴(kuò)大生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集范圍、完善生產(chǎn)過程控制功能,在生產(chǎn)層設(shè)計(jì)智慧發(fā)電的“大腦”,把目前部分操作人員的操作能力移植到智慧發(fā)電的“大腦”中,同時(shí),在智能控制平臺(tái)上根據(jù)大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)構(gòu)建發(fā)電設(shè)備、系統(tǒng)的精確模型,充分掌握被控對(duì)象的特征,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度開發(fā)利用,對(duì)不同的控制設(shè)備采用有針對(duì)性的控制策略,使其具備分析、診斷、學(xué)習(xí)、決策和提高的能力,從而實(shí)現(xiàn)智慧化發(fā)電目的。另外,在智能控制平臺(tái)上,應(yīng)用先進(jìn)的高級(jí)控制策略及控制算法,使得發(fā)電過程的控制效果更理想,最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器操作代替人工操作。
在生產(chǎn)管理層構(gòu)建生產(chǎn)管理平臺(tái),是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的智慧電廠的必要條件。目前,火力發(fā)電廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)中存在信息壁壘和信息孤島,雖然部分信息化系統(tǒng)初步對(duì)相關(guān)的系統(tǒng)進(jìn)行了整合,實(shí)現(xiàn)了部分生產(chǎn)、管理和經(jīng)營業(yè)務(wù)間的協(xié)同,但各個(gè)管理系統(tǒng),如設(shè)備管理系統(tǒng)、巡檢系統(tǒng)、缺陷管理系統(tǒng)、物資管理系統(tǒng)等之間的數(shù)據(jù)還不能完全共享和相互協(xié)同,不能運(yùn)用工業(yè)大數(shù)據(jù)處理手段對(duì)積累的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析,從而為生產(chǎn)管理者提供智能決策服務(wù),因此,要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的智慧電廠,就必須在生產(chǎn)管理層構(gòu)建生產(chǎn)管理平臺(tái)。在這個(gè)平臺(tái)上設(shè)計(jì)統(tǒng)一的開放的數(shù)據(jù)庫,只有這樣才能實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理、安全管理、檢修管理、物資管理等系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的共享和協(xié)調(diào)互動(dòng),才能對(duì)電廠的工藝過程和各設(shè)備進(jìn)行大數(shù)據(jù)智能深度分析,為生產(chǎn)管理者提供更加全面的決策服務(wù)。
要構(gòu)建智慧電廠智能控制平臺(tái),使控制系統(tǒng)具有自分析、自診斷、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的能力,必然要對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析、對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)的性能進(jìn)行計(jì)算、對(duì)各個(gè)系統(tǒng)的耗差進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析,才能對(duì)各設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)設(shè)備和系統(tǒng)具有自分析、自診斷、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力的目的。目前,火力發(fā)電廠的這些分析功能都是在廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的,根據(jù)當(dāng)前分散控制系統(tǒng)和廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)定,這些對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算的結(jié)果是不能傳輸?shù)娇刂茖訁⑴c自動(dòng)控制的,對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化是通過人員干預(yù)來實(shí)現(xiàn)的。因此,要使控制系統(tǒng)具有“思考”的功能,必須對(duì)分散控制系統(tǒng)和廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)劃,將性能計(jì)算、耗差分析、設(shè)備的運(yùn)行優(yōu)化等功能移植到生產(chǎn)控制系統(tǒng)中去,使得通過大數(shù)據(jù)智能分析的結(jié)果參與機(jī)組的自動(dòng)控制當(dāng)中,從而使得發(fā)電的“大腦”更加智慧。
要實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、查詢、匯總、分析等深度挖掘,形成具備“自分析、自診斷、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)”的運(yùn)行優(yōu)化系統(tǒng),保證機(jī)組高效環(huán)保運(yùn)行、靈活調(diào)節(jié)、少人或無人值守等目標(biāo),在火力發(fā)電廠工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)上要從以下幾方面進(jìn)行深入的研究和創(chuàng)新。
4.4.1 對(duì)發(fā)電設(shè)備和工藝系統(tǒng)進(jìn)行智能化完善
智慧電廠需要更多設(shè)備數(shù)據(jù),由于測量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展,大量新型儀表和控制設(shè)備不斷涌現(xiàn),部分以往無法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測的電廠系統(tǒng)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)已經(jīng)可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測,在火力發(fā)電廠各個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用新型可靠儀表和設(shè)備,選擇更加可靠準(zhǔn)確的檢測手段,能為實(shí)現(xiàn)智慧化提供豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
智能設(shè)備是電廠的底層,將發(fā)電設(shè)備和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)直接數(shù)字化,數(shù)字信號(hào)使設(shè)備的信息量大大增加,精確度不斷提高,系統(tǒng)的可靠性大幅度提升?,F(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用,提升了儀表的智能化,可從現(xiàn)場設(shè)備和儀表取得更多的運(yùn)行數(shù)據(jù),還可對(duì)設(shè)備本身的健康狀況進(jìn)行檢測,具有一定的自診斷能力。
然而,目前針對(duì)發(fā)電設(shè)備和工藝系統(tǒng)的研究不夠,主要發(fā)電設(shè)備和工藝系統(tǒng)的智能化程度不高。這就需要對(duì)發(fā)電設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行智能化的重構(gòu),對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行模塊化劃分,分別劃分成不同的單元,并設(shè)計(jì)代表每個(gè)單元的控制特性、安全特性和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行特性的代表參數(shù),進(jìn)一步完善設(shè)備和工藝系統(tǒng)的參數(shù)檢測,為控制系統(tǒng)提供更多的數(shù)據(jù),控制系統(tǒng)通過這些數(shù)據(jù)進(jìn)行“思考”,得到單元的各種狀態(tài),從而能夠更加靈活地加以控制。
隨著自動(dòng)化水平的提高,火力發(fā)電廠“一鍵啟?!保ˋPS)的設(shè)計(jì),必將成為現(xiàn)代電廠高度自動(dòng)化、智能化的標(biāo)志,想要更好地實(shí)現(xiàn)火力發(fā)電廠發(fā)電過程的APS,所有參與APS的設(shè)備和系統(tǒng)必須具有“一鍵啟?!钡男阅埽瑫r(shí)對(duì)發(fā)電設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行智能化重構(gòu),使各個(gè)設(shè)備和系統(tǒng)具有“一鍵啟?!钡哪芰?,進(jìn)一步提升火力發(fā)電廠機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性。
4.4.2 對(duì)發(fā)電設(shè)備和工藝過程的控制系統(tǒng)進(jìn)行完善
對(duì)發(fā)電設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行智能化重構(gòu),劃分成單元,需在控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的控制單元,通過控制系統(tǒng)對(duì)這些單元運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析和診斷,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)這些單元的控制,確保運(yùn)行安全、經(jīng)濟(jì)。同時(shí),形成代表這些系統(tǒng)控制特性、安全特性和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行特性的數(shù)據(jù)參數(shù),為控制和管理提供數(shù)據(jù)。
智慧電廠需要更高的控制水平,對(duì)發(fā)電設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行了智能化重構(gòu),所對(duì)應(yīng)的控制策略也需要進(jìn)一步完善。在控制系統(tǒng)具有“思考”能力的前提下,就需要完善模擬量控制系統(tǒng)和順序控制系統(tǒng),進(jìn)一步減少人工操作,最終實(shí)現(xiàn)全過程的機(jī)器操作目標(biāo)。
首先控制系統(tǒng)具備了“思考”能力,可以對(duì)智能化重構(gòu)的設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行先知和預(yù)判,從而使模擬量控制更加智能,特別是燃燒控制、汽溫控制等在傳統(tǒng)模擬量控制策略下控制品質(zhì)不太理想的系統(tǒng),構(gòu)建更加先進(jìn)的控制策略尤為重要;其次是構(gòu)建更加智能的順序控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)具有“思考”能力,使得開關(guān)量順序控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、判定能力具有操作人員一樣的“思維”能力,能夠更加靈活地自動(dòng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的順序控制功能;再次是模擬量控制系統(tǒng)和順序控制系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)?;鹆Πl(fā)電廠“一鍵啟停”(APS)功能的實(shí)現(xiàn),模擬量控制系統(tǒng)和順序控制系統(tǒng)之間必然要相互協(xié)調(diào)。在原有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,再設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的“大腦”,就像是在控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了操作人員一樣,用機(jī)器代替人的操作,這樣使得模擬量控制系統(tǒng)和順序控制系統(tǒng)之間的相互協(xié)調(diào)能夠更容易實(shí)現(xiàn)。
4.4.3 構(gòu)建完善的設(shè)備狀態(tài)分析系統(tǒng)
現(xiàn)階段,火力發(fā)電廠設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)主要有:汽輪發(fā)電機(jī)組故障診斷監(jiān)測、大型轉(zhuǎn)機(jī)的故障診斷以及電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)。系統(tǒng)主要采用傳統(tǒng)的周期性預(yù)防性的檢測,智慧化程度較低,準(zhǔn)確度不高,設(shè)備狀態(tài)管理系統(tǒng)也是基于傳統(tǒng)的設(shè)備監(jiān)視進(jìn)行固定的狀態(tài)分析,給出的分析結(jié)果只是參考性的。
智慧電廠需要對(duì)發(fā)電設(shè)備和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效分析和診斷,實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行性能、健康狀態(tài)等因素的全方位預(yù)判和診斷,實(shí)現(xiàn)智能化、精細(xì)化的控制和設(shè)備管理,必須在控制系統(tǒng)中構(gòu)建完善的設(shè)備狀態(tài)分析系統(tǒng),通過分析設(shè)備和系統(tǒng)啟停次數(shù)、啟停時(shí)間和運(yùn)行狀態(tài),為設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)行控制和設(shè)備管理提供依據(jù)。更高的設(shè)備控制水平需要準(zhǔn)確的設(shè)備和系統(tǒng)狀態(tài)檢測結(jié)果,在發(fā)電設(shè)備和系統(tǒng)智能化重構(gòu)的基礎(chǔ)上,構(gòu)建完善的設(shè)備狀態(tài)分析系統(tǒng),利用專業(yè)分析和大數(shù)據(jù)工具,針對(duì)各個(gè)發(fā)電設(shè)備單元的運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)分析,建立檢測數(shù)據(jù)庫。同時(shí),設(shè)備狀態(tài)分析系統(tǒng)可以提供包含運(yùn)行時(shí)間、備用時(shí)間、非計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間、計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間、可用小時(shí)、可用系數(shù)和計(jì)劃停運(yùn)系數(shù)等在內(nèi)的各種設(shè)備狀態(tài)信息,為設(shè)備管理提供決策依據(jù),實(shí)現(xiàn)早期發(fā)現(xiàn)征兆,提前采取措施,避免故障的發(fā)生,變被動(dòng)檢修為主動(dòng)檢修,變非計(jì)劃停機(jī)為計(jì)劃停機(jī)的管理需求。
智慧電廠建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程,是長期細(xì)致復(fù)雜的工作,目前仍然處于探索階段,在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、人員安全、設(shè)備安全、工程投資等方面還存在諸多問題,沒有哪一家發(fā)電企業(yè)能夠提供成熟的智慧電廠解決方案,但眾多火力發(fā)電廠的建設(shè)者、管理者針對(duì)智慧電廠建設(shè)進(jìn)行了積極探索和實(shí)踐,提出了自己寶貴的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。筆者們認(rèn)為智慧電廠建設(shè)必將不斷提升火力發(fā)電廠智慧化水平,為生產(chǎn)運(yùn)營提供決策和支持,最大限度地實(shí)現(xiàn)減員增效、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和進(jìn)一步提高企業(yè)運(yùn)營效率。