電廠智能化管控技術研究

張寶松，凌 海

（1.廣州和粵人力資源有限公司，廣東廣州 510725；2.中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東廣州 510663）

0 引言

按國家政策的要求，各電廠必須實現(xiàn)集約化管理，在實現(xiàn)節(jié)能減排的同時，保障工藝的穩(wěn)定性?？紤]到影響電廠智能化轉變、增加管控難度的因素較多，工作人員必須結合實際情況，針制定對性的解決方案，為行業(yè)發(fā)展奠定基礎。

1 整體管控系統(tǒng)架構

隨著電廠逐漸實現(xiàn)智能化，電廠智能化管控系統(tǒng)的整體結構也在不斷落實和優(yōu)化過程中趨于完善，其功能架構主要通過運營系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和硬件設備系統(tǒng)等相互聯(lián)動工作完成任務目標。

1.1 智能運營系統(tǒng)

智能運營系統(tǒng)主要使用的是大數(shù)據(jù)分析技術和云平臺，工作原理是：由監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)先對各項工藝的參數(shù)和運行指標進行收集，并儲存到云平臺數(shù)據(jù)庫中，需要進行數(shù)據(jù)分析時部門調用各項數(shù)據(jù)結合實際情況分析設備的運行穩(wěn)定性，獲取運營結果。這項技術由傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)儲存和分析技術優(yōu)化而來，但傳統(tǒng)的體系通過計算機的儲存能力合理收集和簡要分析階段性的目標參數(shù)，無法結合歷史數(shù)據(jù)且極易出現(xiàn)分析結果不準確的現(xiàn)象。借助于大數(shù)據(jù)分析體系和云平臺手段，可以確保各項數(shù)據(jù)分類儲存，調用數(shù)據(jù)時可以減少時間損耗，可以通過歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)階段的數(shù)據(jù)相對比分析，獲取直觀的數(shù)據(jù)結果。這樣的工作體系可以減少時間浪費且不會遺失數(shù)據(jù)，能實時儲存很多歷史數(shù)據(jù)，大幅減少后續(xù)工藝的調取和分析工作量。

1.2 智能管理系統(tǒng)

智能管理系統(tǒng)具有更強的聯(lián)動性，其內部包含多項工作內容且技術含量較高，各系統(tǒng)工程之間獨立運行并具備聯(lián)動工作的特點。其內部最常規(guī)的系統(tǒng)組成有能源管理、設備預警、SIS 系統(tǒng)、MIS 系統(tǒng)、調度系統(tǒng)和質量監(jiān)測系統(tǒng)等。不同的系統(tǒng)各司其職，但工作數(shù)據(jù)相互交接后可以代入云平臺執(zhí)行大數(shù)據(jù)分析。

首先，能源管理系統(tǒng)主要是分析設備運行穩(wěn)定性。電力企業(yè)的任何設備穩(wěn)定運行都需要電能穩(wěn)定供應，而實現(xiàn)智慧化管理主要是對線路進行實時監(jiān)測，對可能存在的安全風險進行及時預測，并上報工作人員立刻進行維護和檢修，如絕緣層破損或電壓不穩(wěn)定的現(xiàn)象，如果在實際工作過程中該系統(tǒng)出現(xiàn)隱患問題很容易影響工藝穩(wěn)定性，甚至危及工作人員生命財產安全。

其次，設備預警系統(tǒng)是基于能源管理所引申出的分支系統(tǒng)，可以實時收集設備運行中的各項指標，記錄到數(shù)據(jù)庫并與歷史數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)波動后要立刻溯源，明確問題源頭、分析原因：因為工藝改進或能源供應不穩(wěn)定則需要立刻維修設備，因為人為失誤或工藝不穩(wěn)定的則要根據(jù)實施情況進行調整。

然后是SIS 和MIS 系統(tǒng)。這兩個系統(tǒng)是保障工藝運行的重要技術，通過智能化和信息化技術對各項數(shù)據(jù)進行精準采集，并改變現(xiàn)有設備的運行方式，通過調整能源供應等客觀條件來實現(xiàn)工藝穩(wěn)定。

最后，質量監(jiān)管系統(tǒng)和調度系統(tǒng)是聯(lián)動工作的兩個系統(tǒng)，主要是對設備運行時的各項指標和物料質量進行抽樣檢查，當發(fā)現(xiàn)問題時，要分析周邊系統(tǒng)是否受到影響，確?？梢元毩⑦\行的前提下，關閉設備進行詳細的維修。當風險監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)突發(fā)狀況時，要合理對設備進行調停，并對工藝順序進行調整，二者聯(lián)動工作的目的是保障工藝穩(wěn)定性、避免出現(xiàn)突發(fā)狀況。

1.3 智能控制系統(tǒng)

電廠需要合理控制的設備主要是鍋爐，其中最重要的是燃燒效果和運行穩(wěn)定性。為實現(xiàn)該設備的智能化控制，電廠引進了三維可視化的燃燒效果監(jiān)控體系和環(huán)保島智能控制，這二者主要的工作方向是確保能源不被浪費，避免不必要的成本損耗，提升燃燒效果，確保凈化效果達到國家標準后方可排放，避免污染環(huán)境。其主要的工作原理是依靠信息化技術監(jiān)控分析運行指標，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)波動異常就要立刻溯源，明確其原因。

1.4 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要通過構建智能三維立體模型，最常見的模型種類分為三維數(shù)字、智能控制、仿真模型和流程模型。這些數(shù)據(jù)庫具有實時化的特點，鍋爐等設備運行中會不斷產生運行參數(shù)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)只能對短期數(shù)據(jù)歸檔，時間一長會自動清理，否則設備原有的儲存空間無法合理運行。這種模式也使得后續(xù)電廠系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，沒有歷史數(shù)據(jù)可以進行回溯，很難明確具體的故障原因，同樣的故障問題會頻繁出現(xiàn)，帶來不必要的成本損耗。

應用智能電廠控制模型后，借助三維數(shù)字智能控制等先進的技術手段，可以確保數(shù)據(jù)庫實時收入數(shù)據(jù)，并分類歸檔虛擬數(shù)據(jù)庫存空間，對歷史數(shù)據(jù)進行收集并不需要定期刪除，除后續(xù)工藝所需要的資源交互和運行系統(tǒng)聯(lián)動關系，都可以通過現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫進行模型分析，明確可能出現(xiàn)的突發(fā)狀況，針對性地制定解決方案，實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

1.5 智能設備系統(tǒng)

智能設備主要包括儀器儀表、信息化設備、DCS 和PLC 設備等，主要是幫助電廠更好地執(zhí)行相關工藝，減少客觀因素的影響及人為失誤等現(xiàn)象，以確保系統(tǒng)長期處于穩(wěn)定運行的狀態(tài)，出現(xiàn)不必要的成本損耗。但在設備運行過程中，工作人員需要注意各系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，出入現(xiàn)場時必須佩戴全套的勞保設備，并利用監(jiān)控進行實時檢查，著裝不合格者不能進入現(xiàn)場。另外，每個設備都要張貼條碼，條碼內容包括設備出產地、運行方式、參數(shù)穩(wěn)定區(qū)間等。

2 設計原則

首先，工作人員要以可持續(xù)發(fā)展理念為核心，以節(jié)能減排實現(xiàn)安全生產為核心目標，積極引進智能化控制手段，保障鍋爐燃燒充分，同時對設備的風險情況進行預警，針對性的制定解決方案，為企業(yè)發(fā)展帶來助力。

其次，要積極引進先進的技術手段，利用仿真模型和人工智能技術支撐工藝穩(wěn)定運行，實現(xiàn)機組全過程監(jiān)察，并配備人工智能作為智能電廠穩(wěn)定運行的理論支撐，實現(xiàn)整體智能化。

最后，借助技術手段支撐的同時，要確保鍋爐等基礎設備的穩(wěn)定運行及燃料燃燒充分，并根據(jù)實際情況制定針對性的能源分配方案，保障安全和節(jié)能，實現(xiàn)一體化管控。

3 智能化管控技術

3.1 三維可視化的鍋爐燃燒優(yōu)化

明確燃煤機組機理，實現(xiàn)鍋爐燃燒優(yōu)化可以確保工藝穩(wěn)定，也是機組優(yōu)化運行的前提條件，為此工作人員應全面、準確收集燃燒工藝相關的各項指標特別是溫度，并確保其時間對照工整（圖1）。由于電廠鍋爐內部環(huán)境惡劣、溫度極高，很多設備難以穩(wěn)定運行，致使測量工作很容易受到客觀因素的影響、無法保障精確性。因此，工作人員在鍋爐爐膛出口屏式過熱器下方安裝煙氣聲波測溫系統(tǒng)，來測量鍋爐內的溫度，以精確掌控設備運行時的煙氣溫度。該測溫系統(tǒng)主要采用電動聲源螺旋線聲波導管和功率放大器互聯(lián)的工作方式，具有功率較大、穩(wěn)定性強的特點，即使爐內出現(xiàn)故障問題或噪聲污染也可以運用工藝計算獲取極為接近的間接估值?，F(xiàn)階段該系統(tǒng)主要安裝在爐膛二維截面，通過計算機三維立體成像的方法，對現(xiàn)場溫度情況進行直觀分析，有需求時也可以對某一特定點位進行監(jiān)測，可以幫助工作人員更好地執(zhí)行燃燒工藝，減少氮氧化物等氣體的產生，提高工作效率。

圖1 燃煤機組

3.2 鍋爐與環(huán)保島智能控制

現(xiàn)在設備很難實現(xiàn)穩(wěn)定控制，智能化轉變和持續(xù)性的工藝應用也存在落實難題。因此，工作人員通過分析燃煤機組原理，借助可視化鍋爐燃燒優(yōu)化體系的特點，配備專屬的數(shù)據(jù)分析算法，得出鍋爐與環(huán)保島穩(wěn)定運行所需要的參數(shù)，進而實現(xiàn)多層次的智能管控。其主要的控制方案是：通過智能控制器來實現(xiàn)磨煤機的自動啟動，并根據(jù)出口溫度、入口壓力差進行合理分析，優(yōu)化控制爐膛兩側的溫差，合理測算氧氣含量，實現(xiàn)風險平衡，幫助蒸汽機機組實現(xiàn)優(yōu)化控制。另外，脫硫脫硝控制器基于傳統(tǒng)的設備原理，開始嘗試以尿素流量計算污染物排放的數(shù)量，并優(yōu)化凈化系統(tǒng)，避免環(huán)保島運行不穩(wěn)定。

上述結構的優(yōu)勢非常明顯，首先可以明顯提升整個系統(tǒng)的自動化水平，從制粉階段包括磨煤機的停止和啟動都可以擺脫人工操作，通過不斷優(yōu)化體系，絕大部分工作已經可以實現(xiàn)一鍵啟動，大幅降低工作量。其次，工藝指標的穩(wěn)定性更高，通過科學合理的控制手段可以實現(xiàn)核心工藝指標的調控，細致把控爐管的蒸汽壓力、爐膛氣含量等指標，確保穩(wěn)定性。最后，通過對當前控制系統(tǒng)的詳細優(yōu)化，可以確保各項指標穩(wěn)定控制出口氧氣含量，也能合理調整熱效率，鍋爐的熱效率會明顯提升[1]。

3.3 智慧能源管理技術

智慧能源管理技術主要是將分散的各項數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯總，并借助電廠機理模型和人工智能算法得出有效結論，提升能源利用率（圖2）。

圖2 智慧能源管理

首先，工作人員要合理評價熱力性能，獲取相關指標分析鍋爐燃料利用系數(shù)，發(fā)電率和耗煤量之間的關系計算獲取發(fā)電熱效率，功耗和供熱效率等。借助動作數(shù)據(jù)的對照分析評價，預報系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，并明確優(yōu)化方向，制定針對性解決方案。

其次，要分析汽輪機熱力性能，借助信息化模型合理分析凝汽器性能，關注出樣器和高低壓加熱器是否存在異常，出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常波動時通過調整氣閥效率和高低壓及組效率來進行緩沖。

然后，需要對熱力進行合理分析，明確機械在做功時產生的熱能損失，借助化學原理提升預熱器清潔度，借助熱力性能模型，并對冷端損失率與汽輪機用汽濾發(fā)電用熱率等數(shù)據(jù)進行合理分析。

最后，通過工藝評價明確當前能源系統(tǒng)運行穩(wěn)定與否[2]。

3.4 預防性維修技術

設備預警和預防性維修技術是指，電廠通過三維立體模型和人工智能技術對設備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，對比各項數(shù)據(jù)的波動情況，提前預測可能出現(xiàn)的故障，并針對性地進行提前維修，建立完善的運維體系，提前解除風險，減少不必要的成本損耗。因此工作人員需要明確電廠安全問題會引發(fā)極其嚴重的后果，曾有很多電力企業(yè)因為鍋爐爐管泄漏導致人員亡慘重，甚至很多電廠都因為故障問題出現(xiàn)長時間的停運現(xiàn)象，與其他企業(yè)不同，電廠內部堆積很多物料，并且設備都在不間斷運行，如果長時間停運將會帶來高昂的成本損耗。因此，技術人員開始考慮如何實現(xiàn)系統(tǒng)集成化，促使多學科技術和先進的儀器設備聯(lián)動工作，明確爐管是否存在質量問題。

4 結論

綜上所述，通過分析智能電廠的功能架構，很多全新的仿真系統(tǒng)應運而生，大幅提升電廠運行結構的穩(wěn)定性。從控制層開始，實現(xiàn)三維可視化的鍋爐燃燒優(yōu)化，并借助環(huán)保島智能控制技術提升鍋爐熱效率。另外，智慧能源管理技術和預防式設備維修技術也使得電廠安全、節(jié)能水平更上一層樓，為實現(xiàn)電廠穩(wěn)定發(fā)展，提升經濟效益和社會效益提供助力。