創(chuàng)新創(chuàng)值打造“無(wú)人監(jiān)盤，少人值守”為基礎(chǔ)的智慧發(fā)電

華潤(rùn)電力鄭州航空港智慧能源有限公司 辛文達(dá) 司宏光 杜軍林 馬 瑞 王永濤

信息技術(shù)的迅猛發(fā)展為電力工業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，特別是通訊技術(shù)的發(fā)展突破數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)束縛，如何在電力行業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用數(shù)子信息技術(shù)，使發(fā)電效益最大化，已成為天然氣分布式能源建設(shè)的目標(biāo)和任務(wù)。航空港項(xiàng)目以“信息化帶動(dòng)工業(yè)化，工業(yè)化促進(jìn)信息化”的方針，設(shè)計(jì)建設(shè)高度技術(shù)化、高度智能化、“無(wú)人監(jiān)盤，少人值守”為基礎(chǔ)的智慧能源站，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的數(shù)字化、信息化、智慧化。

1 建設(shè)總體目標(biāo)

設(shè)計(jì)建設(shè)階段要實(shí)現(xiàn)全廠APS+全部自動(dòng)投入+智能運(yùn)行系統(tǒng)（如圖1所示），同步實(shí)現(xiàn)全廠閉路電視監(jiān)視及安防系統(tǒng)一體化，并在運(yùn)營(yíng)實(shí)踐中不斷優(yōu)化、持續(xù)改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)“無(wú)人干預(yù)，少人值守”，乃至“無(wú)人值守”的智慧電廠目標(biāo)。

圖1 設(shè)計(jì)建設(shè)總體目標(biāo)

1.1 鄭州航空港項(xiàng)目智慧電廠建設(shè)分四個(gè)階段

APS+全部自動(dòng)投入+智能運(yùn)行系統(tǒng)能夠報(bào)警：機(jī)組能夠APS 運(yùn)行，機(jī)組自動(dòng)全部投入，部分啟停機(jī)及其少量的調(diào)節(jié)人工干預(yù)。

少人干預(yù)：整套系統(tǒng)正常情況下由控制系統(tǒng)執(zhí)行自動(dòng)運(yùn)行、無(wú)需操作人員干預(yù)。同時(shí)系統(tǒng)配套智能智能運(yùn)行系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)備或系統(tǒng)出現(xiàn)故障隱患時(shí)，報(bào)警自動(dòng)點(diǎn)亮畫面，通知相關(guān)人員進(jìn)行干預(yù)。

無(wú)人干預(yù)，少人值守：即系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)到故障或故障隱患后，自動(dòng)執(zhí)行到機(jī)組安全狀態(tài)，并通過設(shè)備管理人員進(jìn)行消缺。在運(yùn)營(yíng)過程中實(shí)現(xiàn)可預(yù)測(cè)、可控制及全流程優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)在“無(wú)人干預(yù)，少人值守”情況下的安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保運(yùn)營(yíng)。效果：在報(bào)警發(fā)出前，無(wú)人工操作。

無(wú)人值守階段：機(jī)組全自動(dòng)運(yùn)行。效果：機(jī)組啟停流程內(nèi)，無(wú)任何操作。

1.2 實(shí)現(xiàn)無(wú)人干預(yù)，少人值守目前階段需要以下幾個(gè)控制過程

建設(shè)階段目標(biāo)按照APS+機(jī)組全自動(dòng)化+智能運(yùn)行系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)置。

參考國(guó)內(nèi)領(lǐng)先經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)智能制水，取消制水車間控制室。

要求在設(shè)備選型時(shí)要確保設(shè)備操作性好、穩(wěn)定性高、故障率低。在設(shè)備選型階段充分考慮機(jī)務(wù)設(shè)備的被控性、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的線性度及其整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性。實(shí)現(xiàn)主要設(shè)備、工藝流程、重點(diǎn)閥門、重要測(cè)點(diǎn)及開關(guān)量保護(hù)的智能預(yù)警。

搭建設(shè)備診斷及運(yùn)行優(yōu)化模型，利用大數(shù)據(jù)分析，在運(yùn)行過程中不斷優(yōu)化，提高機(jī)組運(yùn)行和智能控制水平。

2 全廠APS 和控制控制范圍

主要設(shè)計(jì)原則為全廠實(shí)現(xiàn)控制一體化的設(shè)計(jì)思路，全廠采用由分散控制系統(tǒng)（DCS）、燃機(jī)控制系統(tǒng)（TCS）、汽機(jī)控制系統(tǒng)（DEH）來實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)天然氣分布式能源站“一鍵啟停”（APS）。設(shè)計(jì)全廠APS 時(shí)參照思維導(dǎo)圖設(shè)置全流程預(yù)設(shè)時(shí)間和實(shí)際時(shí)間，最終得到每一流程的合理最短時(shí)間。

2.1 APS 概述

從適用、可靠、先進(jìn)的原則出發(fā)，本工程設(shè)置廠級(jí)順序控制（APS）、功能組級(jí)及子組級(jí)順序控制。廠級(jí)順控根據(jù)機(jī)組特性和運(yùn)行程序考慮設(shè)置必要的斷點(diǎn)，使燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組在啟動(dòng)、停機(jī)和緊急事故處理過程中達(dá)到較高的控制水平。

本期工藝系統(tǒng)均采用DCS 進(jìn)行控制，輔助系統(tǒng)根據(jù)工藝要求進(jìn)DCS 不同的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，發(fā)揮DCS 網(wǎng)絡(luò)傳輸特點(diǎn)，以節(jié)省熱工電纜及電纜橋架，減少安裝工程量，縮短施工周期。

2.1.1 燃機(jī)發(fā)電機(jī)組部分

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組及燃機(jī)控制系統(tǒng)（TCS）隨燃?xì)廨啓C(jī)整體供貨，包括控制柜、電源柜、TCS 操作員站、TCS 工程師站、TCS 歷史站等設(shè)備，為燃?xì)廨啓C(jī)及其輔助系統(tǒng)提供完整的控制、聯(lián)鎖和保護(hù)，燃機(jī)前置模塊納入TCS 監(jiān)控。TCS 與DCS 之間設(shè)雙向通訊接口，以實(shí)現(xiàn)DCS 和TCS 共享監(jiān)視信息。DCS 和TCS 之間操控指令通過硬接線實(shí)現(xiàn)。

2.1.2 余熱鍋爐（HRSG）部分

余熱鍋爐（HRSG）、給水泵等設(shè)備的儀表和控制，余熱鍋爐納入DCS 監(jiān)控。

2.1.3 機(jī)組控制系統(tǒng)、熱力循環(huán)系統(tǒng)及輔助車間部分

汽輪發(fā)電機(jī)組及汽機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）、汽機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)（ETS）、汽輪機(jī)安全監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)（TSI）隨汽輪機(jī)整套提供，且與全廠DCS 保持一體化；旁路系統(tǒng)、電氣ECS 及PECS、儀用/廠用空壓機(jī)系統(tǒng)、天然氣調(diào)壓站系統(tǒng)、鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)、循環(huán)水及循環(huán)水加藥系統(tǒng)、汽水取樣及加藥系統(tǒng)、暖通空調(diào)系統(tǒng)均納入DCS 控制，在集控室實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。

2.2 APS 范圍

控制設(shè)計(jì)達(dá)到廠級(jí)，并考慮設(shè)置有若干個(gè)斷點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組一鍵啟停功能（APS）。工程設(shè)計(jì)中應(yīng)全面考慮被控對(duì)象的所有啟停允許條件和聯(lián)鎖保護(hù)條件。

APS 系統(tǒng)控制的范圍原則為：在機(jī)組啟停過程中所涉及到的設(shè)備及操作均應(yīng)納入APS 系統(tǒng)控制，但在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)將自動(dòng)聯(lián)鎖、模擬量控制與APS程序無(wú)縫銜接起來，務(wù)必使APS 程序邏輯結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)潔、涵蓋所有系統(tǒng)接口且便于維護(hù)。

2.2.1 APS 涵蓋的系統(tǒng)

循環(huán)水系統(tǒng)、開式水系統(tǒng)、閉式水系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、盤車系統(tǒng)、EH 油系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、除氧器上水、低壓汽包上水、高壓汽包上水、疏水系統(tǒng)、燃機(jī)啟動(dòng)并網(wǎng)、鍋爐升溫升壓、軸封系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、汽輪機(jī)啟動(dòng)并網(wǎng)、升負(fù)荷等。

APS 啟動(dòng)過程初步擬設(shè)置3個(gè)斷點(diǎn)，停止過程初步擬設(shè)置3個(gè)斷點(diǎn)。

啟動(dòng)過程斷點(diǎn)：燃機(jī)啟動(dòng)斷點(diǎn)；汽機(jī)啟動(dòng)并網(wǎng)斷點(diǎn)；機(jī)組升負(fù)荷斷點(diǎn)。

停機(jī)過程控制斷點(diǎn)：汽輪發(fā)電機(jī)組停運(yùn)斷點(diǎn)；燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組停運(yùn)斷點(diǎn)；聯(lián)合循環(huán)機(jī)組停運(yùn)斷點(diǎn)。

2.2.2 燃機(jī)主要順控

啟動(dòng)裝置通電、點(diǎn)火、啟動(dòng)裝置脫離和斷電、加速到同期轉(zhuǎn)速、調(diào)整轉(zhuǎn)速進(jìn)行同期、自動(dòng)和人工同期、升負(fù)荷、卸負(fù)荷、停機(jī)、減速/自動(dòng)盤車、吹掃。

2.2.3 DCS 主要順序控制子系統(tǒng)

循環(huán)水系統(tǒng)子組、閉式水系統(tǒng)子組、開式水系統(tǒng)子組、凝結(jié)水系統(tǒng)子組、汽機(jī)疏放水系統(tǒng)子組、鍋爐疏放水子組、除氧給水系統(tǒng)子組、輔助蒸汽系統(tǒng)子組、凝汽器真空系統(tǒng)子組、旁路控制功能組、供熱系統(tǒng)子組。

2.2.4 汽輪機(jī)主要順控

盤車、啟動(dòng)、運(yùn)行、停機(jī)。

汽輪機(jī)自動(dòng)啟停系統(tǒng)控制系統(tǒng)（ATC）實(shí)現(xiàn)汽機(jī)從油系統(tǒng)啟動(dòng)、盤車、沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)到升負(fù)荷及正常運(yùn)行的監(jiān)視與控制；操作人員可以通過操作員站對(duì)汽機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速、目標(biāo)負(fù)荷、升速率和升負(fù)荷率進(jìn)行設(shè)定，并對(duì)閥門進(jìn)行手動(dòng)操作。DEH 系統(tǒng)的基本功能和運(yùn)行方式如下：

2.2.4.1 DEH 基本功能

DEH 基本功能的包括轉(zhuǎn)速控制；負(fù)荷控制和負(fù)荷限制；主汽壓力控制；閥門管理、閥門限制和閥門試驗(yàn)；根據(jù)熱—電負(fù)荷要求，參與調(diào)頻；轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力計(jì)算及壽命消耗計(jì)算；汽輪機(jī)自動(dòng)啟?？刂疲ˋTC）；自動(dòng)同期控制；汽輪機(jī)超速保護(hù)、甩全負(fù)荷及甩部分負(fù)荷保護(hù)等。

2.2.4.2 DEH 運(yùn)行方式

包括操作員手動(dòng)方式，操作員自動(dòng)方式（ATC監(jiān)視）和汽輪機(jī)自動(dòng)方式（ATC 控制）。系統(tǒng)應(yīng)有足夠的冗余度以確保運(yùn)行可靠性。DEH、ATC 系統(tǒng)應(yīng)與旁路系統(tǒng)緊密結(jié)合，并結(jié)合定壓和滑壓兩種方式實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行。

3 機(jī)組全自動(dòng)化

3.1 機(jī)組控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

采用DCS 實(shí)現(xiàn)全廠機(jī)組的數(shù)據(jù)采集、處理、智能預(yù)警、報(bào)表記錄和性能計(jì)算，完成機(jī)組智能MCS、順序控制和聯(lián)鎖保護(hù)。

3.2 模擬量控制

模擬量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)擬將燃機(jī)、余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)作為一個(gè)統(tǒng)一的整體實(shí)施熱電解耦控制，根據(jù)電網(wǎng)AGC 指令，使聯(lián)合循環(huán)機(jī)組兼顧響應(yīng)熱、電負(fù)荷需求，在各種運(yùn)行方式下，保證機(jī)組熱—電參數(shù)滿足外界需求，維持機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將充分考慮熱電聯(lián)產(chǎn)工況下機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)。設(shè)置完善的無(wú)擾切換手段、保護(hù)措施、自動(dòng)智能調(diào)節(jié)，滿足機(jī)組控制的需求。

DCS 模擬量控制系統(tǒng)包括下列主要調(diào)節(jié)回路：智能制水、全程給水控制、旁路啟動(dòng)控制、主蒸汽溫度壓力控制、機(jī)組負(fù)荷協(xié)調(diào)控制等。

燃?xì)廨啓C(jī)主要控制有：速度和負(fù)荷控制、溫度控制、進(jìn)口導(dǎo)葉控制等。

汽輪發(fā)電機(jī)組主要控制有：凝汽器熱井水位控制、軸封壓力及溫度控制、供熱壓力及溫度控制、旁路系統(tǒng)控制。

4 智能運(yùn)行系統(tǒng)

整套系統(tǒng)正常情況下由控制系統(tǒng)執(zhí)行自動(dòng)運(yùn)行、無(wú)需操作人員干預(yù)。同時(shí)系統(tǒng)配套智能運(yùn)行系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)設(shè)備或系統(tǒng)出現(xiàn)故障隱患時(shí)報(bào)警自動(dòng)點(diǎn)亮畫面或通過手機(jī)APP 通知相關(guān)人員進(jìn)行干預(yù)。

提供故障主因報(bào)警、測(cè)點(diǎn)故障診斷、速率報(bào)警和其他故障診斷，運(yùn)用數(shù)學(xué)建模、大數(shù)據(jù)技術(shù)、專家系統(tǒng)和人工智能技術(shù)，以工藝子系統(tǒng)及設(shè)備歷史運(yùn)行工況為依據(jù)，基于故障診斷規(guī)則表及標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)，推導(dǎo)報(bào)警主因。利用智能報(bào)警技術(shù)，報(bào)警定值根據(jù)工況自動(dòng)調(diào)整。

圖2 智能運(yùn)行系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

4.1 參數(shù)波動(dòng)主動(dòng)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)軟件應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)獲取機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過預(yù)警信息提示運(yùn)行人員設(shè)備參數(shù)限值大小，實(shí)時(shí)計(jì)算出參數(shù)超限的時(shí)間余量，量化安全可靠性裕度，并通過可視化窗口、語(yǔ)音提醒、移動(dòng)推送等報(bào)警方式主動(dòng)推送給運(yùn)行人員。

4.2 設(shè)備異動(dòng)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)軟件應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)獲取預(yù)警診斷信息，基于推斷的設(shè)備故障，及時(shí)給運(yùn)行人員相關(guān)設(shè)備異動(dòng)的關(guān)注點(diǎn)提示，并可以根據(jù)設(shè)備運(yùn)行中的實(shí)際情況，提醒運(yùn)行人員有效、準(zhǔn)確的排除設(shè)備異動(dòng)，恢復(fù)設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)。單個(gè)參數(shù)發(fā)生異動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能夠結(jié)合“智能預(yù)警與診斷”系統(tǒng)分級(jí)列出影響單個(gè)參數(shù)的可能因素，提示影響聯(lián)動(dòng)誘因；多個(gè)參數(shù)發(fā)生異動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能夠結(jié)合“智能預(yù)警與診斷”系統(tǒng)分析各參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性，確定關(guān)聯(lián)性后能夠快速鎖定異常或故障的主要參數(shù)。

4.3 “波動(dòng)趨勢(shì)”監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)軟件應(yīng)能夠滿足對(duì)于已經(jīng)明確異常但仍需繼續(xù)帶病運(yùn)行的設(shè)備，其能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)該設(shè)備的異動(dòng)參數(shù)及相關(guān)指標(biāo)的波動(dòng)趨勢(shì)及影響后果；能夠進(jìn)行持續(xù)劣化監(jiān)測(cè)，主動(dòng)判斷是否存在劣化加劇的趨勢(shì)，一旦確定劣化趨勢(shì)加劇，其軟件能夠推送給運(yùn)行人員預(yù)警信息。

4.4 “工藝系統(tǒng)”主動(dòng)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)軟件應(yīng)能夠?qū)θ珡S熱力系統(tǒng)主動(dòng)監(jiān)測(cè)（不限于此）：鍋爐高壓給水蒸汽系統(tǒng)智能預(yù)警、鍋爐低壓給水蒸汽系統(tǒng)智能預(yù)警、汽機(jī)主汽系統(tǒng)智能預(yù)警、汽機(jī)油系統(tǒng)智能預(yù)警、凝汽系統(tǒng)智能預(yù)警、回?zé)嵯到y(tǒng)智能預(yù)警、給水泵智能預(yù)警、凝結(jié)水泵智能預(yù)警、循環(huán)水泵智能預(yù)警、閉式水泵智能預(yù)警等。

4.5 智能運(yùn)行預(yù)控

提供實(shí)現(xiàn)全廠機(jī)組主系統(tǒng)（如給水控制系統(tǒng)、供熱控制系統(tǒng)等）的智能運(yùn)行控制，達(dá)到檢查主系統(tǒng)異常時(shí)，在無(wú)人監(jiān)盤干預(yù)的情況下，進(jìn)行準(zhǔn)確適度的干預(yù)控制。如：當(dāng)供熱系統(tǒng)用熱流量大幅異常波動(dòng)時(shí)，通過自動(dòng)適度調(diào)節(jié)機(jī)組供熱的出力達(dá)到系統(tǒng)的平衡狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過設(shè)計(jì)建設(shè)階段實(shí)現(xiàn)全廠APS+全廠自動(dòng)智能調(diào)節(jié)+智能運(yùn)行系統(tǒng)，部分啟停機(jī)及其少量的調(diào)節(jié)人工干預(yù)；整套系統(tǒng)正常情況下由控制系統(tǒng)執(zhí)行自動(dòng)運(yùn)行、無(wú)需操作人員干預(yù)。同時(shí)系統(tǒng)配套智能運(yùn)行系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)備或系統(tǒng)出現(xiàn)故障隱患時(shí)，自動(dòng)執(zhí)行到機(jī)組預(yù)設(shè)安全狀態(tài)，報(bào)警自動(dòng)點(diǎn)亮畫面，發(fā)送報(bào)警信息通知相關(guān)人員進(jìn)行干預(yù)，在運(yùn)營(yíng)過程中實(shí)現(xiàn)可預(yù)測(cè)、可控制及全流程優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)在“無(wú)人監(jiān)盤，少人值守”基礎(chǔ)下的安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保運(yùn)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)智慧發(fā)電。