淺析鄭州（南部）環(huán)保能源工程智慧電廠建設

王 磊，楚新磊，郭慧芳，王文杰，劉慧超

（1.鄭州正興環(huán)保能源有限公司，河南 新鄭 451100；2.中城院（北京）環(huán)境科技股份有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著電廠的不斷擴建，傳統(tǒng)的管理方式已無法滿足當前生產要求。在信息化技術高速發(fā)展的今天，智能技術已逐漸滲透至各個領域。目前電廠的建設也逐漸向智能化發(fā)展，通過計算機技術對電廠運行中的實時信息進行采集搜索等方式來實現(xiàn)其自動化控制與管理，從而可以提高電廠的智能化水平[1]。

目前垃圾焚燒發(fā)電廠正處于發(fā)展階段，由于其結構復雜，燃料成分多變，發(fā)電效率偏低，因而解決當前難題，建設垃圾焚燒智慧電廠，提高垃圾焚燒發(fā)電效率迫在眉睫[2]。智慧垃圾焚燒發(fā)電廠可以通過三維數(shù)字技術、計算機技術等實現(xiàn)電廠的智能監(jiān)測、維護等，通過數(shù)據(jù)信息交換等技術實現(xiàn)電廠的智能控制，通過建設智慧焚燒垃圾發(fā)電廠，實現(xiàn)其更優(yōu)控制，更全面管理，更高效的垃圾發(fā)電，促進垃圾焚燒發(fā)電廠健康發(fā)展[3]。

本文以鄭州（南部）環(huán)保能源工程的垃圾焚燒發(fā)電廠為例，簡要分析了智慧電廠的建設。本項目采用爐排爐焚燒發(fā)電工藝處理城市生活垃圾，選用“三爐兩機”方案，處理垃圾量2000t/d，年處理量為88.23×104t。配有兩套抽凝式汽輪發(fā)電機組，煙氣凈化系統(tǒng)均采用“SNCR[尿素]＋半干法[Ca(OH)2]＋干法[NaHCO3]+活性碳吸附＋袋式除塵器+濕法[NaOH 溶液]＋SCR[尿素]”的凈化工藝。滲瀝液處理規(guī)模為900m3/d，滲瀝液處理系統(tǒng)產生的污泥入爐焚燒處理。依據(jù)電廠生產經(jīng)營的實際需求和電廠的具體特點，將先進的傳感測量、信息通信、人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)、三維可視化等信息技術和垃圾發(fā)電生產過程的工業(yè)化技術、電廠管理技術相結合，并與電廠的基礎設施高度集成實現(xiàn)具有智能、安全、經(jīng)濟、環(huán)保等特征的新型現(xiàn)代化電力企業(yè)。

1 三維數(shù)字技術

三維數(shù)字技術就是指將生產運行中的某些物體通過圖形學的方式轉換為計算機中的數(shù)字化三維格式。通過對這種數(shù)字化格式進行成像，顯示在不同的屏幕上。通過這種模擬與可視化的處理，從而實現(xiàn)了現(xiàn)實中物體的三維成像。三維數(shù)字技術中包括了很多不同的技術，由于其展現(xiàn)的畫面更加準確、更加直觀且可以操作，目前被應用在各個領域，且受到了大部分用戶的喜愛[4]。在電廠的運行與維護過程中，電廠的全貌、運行狀態(tài)以及文件信息對電廠穩(wěn)定運行有著重要的影響。三維數(shù)字技術可以通過對電廠的不同部分進行虛擬建模，通過導入不同的現(xiàn)場真實參數(shù)，從而實現(xiàn)對于電廠的數(shù)字化管理[5]。

此三維虛擬電廠系統(tǒng)是面向電廠營運管理的三維虛擬可視化系統(tǒng)。在三維虛擬可視化系統(tǒng)中，三維引擎設計是整個系統(tǒng)的核心和基礎，合理的引擎設計對改善整個三維虛擬系統(tǒng)的渲染速度、真實感以及三維應用的開發(fā)起著至關重要的作用。在三維引擎設計方面，提出一種三維虛擬數(shù)字電廠可視化系統(tǒng)的體系結構，并設計了一種能夠靈活高效地展示二維矢量圖表、三維場景、動態(tài)視頻畫面等多形態(tài)信息的可視化組件渲染引擎SyncEngine。在此基礎上，實現(xiàn)與電廠現(xiàn)有業(yè)務應用系統(tǒng)的深度融合。模擬圖如圖1所示。

圖1 不同場景三維結構模擬圖Fig.1 3D structure simulation of different scenes

2 全廠總線儀表和控制系統(tǒng)

本工程采用現(xiàn)場總線型智能儀表及智能一體化執(zhí)行機構，儀表總線采用PA 協(xié)議，閥門采用DP 協(xié)議，并隨分散控制系統(tǒng)（DCS）配置相應的智能設備管理系統(tǒng)。涉及到停機停爐的或其他對可靠性要求極高的遠傳儀表及執(zhí)行機構仍采用傳統(tǒng)的硬接線方式，此類儀控設備需具備帶HART 協(xié)議功能。通過通訊收集現(xiàn)場各類儀表的運行狀態(tài)等信息，并實施有效管理，以提供有效信息給其它智能元素?，F(xiàn)場設備層包括完成對電廠中所有生產、管理過程進行檢測、監(jiān)視和控制的現(xiàn)場設備，以及對信息進行儲存、傳輸和分析等處理的基礎設備。

近年來，測量技術、計算機技術和信息技術飛速發(fā)展，因此大量新型儀表、檢測設備和控制設備不斷涌現(xiàn)。這些儀器儀表設備可以實現(xiàn)全過程檢測，全類型信息和全天候巡檢，具體實現(xiàn)過程如下。

全過程檢測：通過收集整個生產過程所有直接相關信息的設備，例如：危險氣體檢測裝置、變壓器狀態(tài)監(jiān)測裝置、開關柜狀態(tài)監(jiān)測裝置等，來實現(xiàn)整個系統(tǒng)運行過程的檢測。

全類型信息：通過收集可以輔助生產管理的相關信息的設備，例如：智能儀表和總線儀表、煙感探頭、環(huán)境監(jiān)測設備、智能定位設備、安全防護設備等，來實現(xiàn)對于垃圾焚燒電廠的全類型信息的收集。

全天候巡檢：可以輔助巡檢人員在各種氣候和環(huán)境下工作的設備，例如：可穿戴設備、手持式移動設備和巡檢機器人等，通過這些設備，可以幫助巡檢人員進行全天候巡檢。

3 管控一體化

為實現(xiàn)本焚燒電廠在“無人干預，少人值守”情況下的安全、經(jīng)濟、環(huán)保運營，在傳統(tǒng)的管理信息系統(tǒng)和廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)的基礎上，結合設備設計、制造、調試、維護的經(jīng)驗與知識積累，運用新一代的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術，提供整套信息管控一體化平臺，實現(xiàn)電廠生產期的全過程、全范圍的信息管理，達到自動化、網(wǎng)絡化、無紙化及數(shù)字化，為電廠的生產管理者提供真實、準確、及時的生產管理信息。作為智慧電廠一體化信息系統(tǒng)支撐平臺、數(shù)據(jù)平臺、應用平臺和交互平臺，通過該平臺，用戶可構建基于數(shù)據(jù)自動流動的狀態(tài)感知、實時分析、科學計算的智能化應用。本項目建設內容包括企業(yè)門戶、廠級監(jiān)控系統(tǒng)、生產運行管理、設備資產管理、物資管理、安全管理、經(jīng)營管理、綜合管理系統(tǒng)、智能預警、智慧安防管理等功能模塊，實現(xiàn)電廠全過程、全范圍的信息管理，實現(xiàn)傳統(tǒng)平臺功能到信息管控一體化平臺的平穩(wěn)過渡。平臺采用B/S 架構，具備開放性、定制性、可擴充性及可維護性，具體設計圖如圖2 所示。

圖2 管控一體化平臺設計圖Fig.2 Management and control integration platform design

信息管控一體化系統(tǒng)能實現(xiàn)整個焚燒廠范圍內信息共享和全廠生產過程的實時信息監(jiān)控及管理，提高機組運行的可靠性；信息管控一體化系統(tǒng)預留集團針對各個焚燒廠信息化管理功能接口；信息管控一體化系統(tǒng)為企業(yè)管理層的決策提供真實、可靠的實時運行數(shù)據(jù)，為市場運作下的企業(yè)提供科學、準確的經(jīng)濟性指標，使企業(yè)管理層的經(jīng)營決策更具科學性；系統(tǒng)實現(xiàn)了全廠范圍內的管控一體化，為實現(xiàn)全廠整體效益的提高，信息技術的提升和穩(wěn)定，經(jīng)濟運行的根本目的打下堅實基礎。

信息管控一體化系統(tǒng)具有如下特點：

1）安全可靠性。系統(tǒng)安全可靠運行是每一個成熟應用系統(tǒng)最基本的要求，通過采用冗余工業(yè)以太網(wǎng)以及合適的網(wǎng)絡配置和完善的自診斷功能，使其具有高度的可靠性。

2）實時性。監(jiān)測軟件與各系統(tǒng)的接口通訊程序，可實現(xiàn)秒級采集現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)。

3）易操作、維護性。人機界面方便、美觀、實用，操作簡便實用。

4）兼容與開放性。信息管控一體化系統(tǒng)網(wǎng)絡采用以太網(wǎng)，軟、硬件均較為成熟，具有良好的兼容性和開放性。

4 智能預警系統(tǒng)

現(xiàn)有的DCS 報警系統(tǒng)普遍采用定值報警模式，存在嚴重的事后診斷，且該定值不隨負荷變化，誤報率較高，不能有效保障機組全負荷段安全運行。本項目設置了智能預警系統(tǒng)，旨在全負荷段動態(tài)監(jiān)測重要設備及工藝系統(tǒng)運行狀態(tài)，在發(fā)生異常還未惡化為嚴重故障時即可預警，為運行人員留有足夠的時間處理異常情況，避免事故的發(fā)生，使得處理風險的模式從傳統(tǒng)的被動反應到主動規(guī)避，提前規(guī)劃和準備，有效避免這是未來故障診斷發(fā)展的新方向。因此，實現(xiàn)機組異常的早期智能預警對電廠生產的安全性、可靠性、經(jīng)濟性具有重要意義。

智能預警模塊基于大數(shù)據(jù)分析技術、人工智能技術、在線建模技術以及專家系統(tǒng)來構建。軟件應以電廠一個大修周期的運行數(shù)據(jù)作為大數(shù)據(jù)分析和挖掘的數(shù)據(jù)來源，給出針對不同負荷狀況下機組正常運行參數(shù)范圍，并據(jù)此整定出運行參數(shù)的動態(tài)報警閾值，并對應提示越限后果。以系統(tǒng)、設備、參數(shù)為主線，按重要程度進行分級分類，對過程報警進行整合，形成精確報警，避免大量誤報警。同時，提供越限預警、輔機設備及部件劣化趨勢、誤操作等報警提示信息，達到減少誤判，提高機組運行水平的目的，設計圖如圖3 所示。

圖3 智能預警系統(tǒng)設計圖Fig.3 Intelligent early warning system design drawing

通過對實時數(shù)據(jù)庫中存儲的海量歷史及實時數(shù)據(jù)進行自動挖掘，智能預警模塊可自動根據(jù)不同工藝系統(tǒng)的設備特征進行離線或在線建模，可將機組實時運行數(shù)據(jù)代入機組及工藝系統(tǒng)的工況預警模型中進行運算和分析，得出不同工藝段、設備參數(shù)及工藝子系統(tǒng)的運行故障診斷及事故預報信息，能夠自動對設備的健康狀態(tài)異動和潛在故障進行早期預警，能夠自動發(fā)現(xiàn)各種潛在的故障關聯(lián)點，并對外提供信息訪問及發(fā)布服務。

5 垃圾池熱成像和爐膛火焰溫度測定

垃圾儲坑紅外熱成像測溫系統(tǒng)、紅外掃描熱像儀能夠全方位自動巡航，檢測垃圾堆表面的溫度、圖像，實現(xiàn)24h 不間斷監(jiān)控，自動檢測垃圾堆表面高溫點溫度及高溫點位置，實現(xiàn)超溫自動報警，自動抓圖、錄像，可保存溫度流數(shù)據(jù)并回放。當探測溫度達到預設的報警值時，發(fā)出報警信息，提醒工作人員進行相應的處理，確保垃圾儲坑的安全環(huán)境狀況得到控制。

爐膛火焰監(jiān)視系統(tǒng)集多光譜收集、光譜分幀處理、全視場溫度與圖像融合技術，實現(xiàn)爐內燃燒工況彩色視頻和燃燒溫度場全視場溫度實時監(jiān)測，為運行人員實時掌握被監(jiān)視區(qū)域的燃燒狀況、火焰形狀及物料的堆積、溫度變化等提供可靠的依據(jù)。系統(tǒng)主要由一體化成像測溫探頭、控制箱、耐高溫綜合線纜、空氣凈化裝置、燃燒溫度場紅外監(jiān)測系統(tǒng)平臺等組成。

6 安防系統(tǒng)下人員定位

全廠安防集中管理系統(tǒng)作為安全防范系統(tǒng)集成與聯(lián)網(wǎng)的核心，應包括集成管理、信息管理、用戶管理、設備管理、聯(lián)動控制、日志管理、統(tǒng)計分析、系統(tǒng)校時、預案管理、人機交互、聯(lián)網(wǎng)共享、指揮調度、智能應用、系統(tǒng)運維、安全管控等功能。除此之外，此系統(tǒng)還具有特殊的人員定位系統(tǒng)。為滿足電廠在指定區(qū)域對生產人員實時定位的要求，在全廠區(qū)布置高精度人員定位設備，滿足對人員區(qū)域管理的要求，人員定位如圖4 所示。

圖4 人員定位模擬圖Fig.4 Personnel positioning simulation diagram

結合當前最新的移動定位技術和通訊技術，通過無線通訊技術將所有的定位設備及各智能化設備集成在同一個網(wǎng)絡平臺上運行，不僅方便了系統(tǒng)集中的統(tǒng)一管理，又便于今后系統(tǒng)的分布式擴展，從而保證本系統(tǒng)真正地成為智能化管理系統(tǒng)。系統(tǒng)通過人員標簽卡與人員進行關聯(lián)，管理人員可以根據(jù)實際需要實時查看相關人員的實時位置、歷史軌跡、出入生產區(qū)門禁數(shù)據(jù)、人員基本信息等，通過圖形化的展示界面實現(xiàn)對廠區(qū)人員的整體管控，通過區(qū)域超員、禁區(qū)、滯留告警、電子圍欄、門禁出入管控、巡檢管理、一鍵報警呼救、數(shù)據(jù)化分析等功能。查看相應人員歷史軌跡示意圖如圖5 所示。

圖5 人員歷史軌跡示意圖Fig.5 Personnel history track diagram

通過對人員的不安全行為進行識別、警告、記錄、消息推送等，實現(xiàn)人員定位系統(tǒng)與三維建模系統(tǒng)的融合，將人員信息在三維模型進行展示，并與視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行聯(lián)動，實現(xiàn)軌跡回放功能。當人員處于某一區(qū)域時，可以調閱該區(qū)域的視頻攝像頭，查看實際情況，實現(xiàn)了對廠區(qū)的智能化管控，大幅提高廠區(qū)的安全性和管理效率，降低廠區(qū)生產安全隱患，降低人員安全生產風險。通過智能化功能與二道門出入系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、生產管理系統(tǒng)的精準互聯(lián)管控，實現(xiàn)對廠區(qū)人員、車輛的實時數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)智能分析管控，從而實現(xiàn)廠區(qū)智能化、數(shù)據(jù)化、信息化的管控目的。

7 結論

目前，國內數(shù)字化技術不斷發(fā)展，逐漸應用至各個生產生活領域。通過對智慧電廠進行建設，能夠提高垃圾焚燒發(fā)電廠的效益與管理水平。對電廠不同系統(tǒng)進行智能化設計，可以實現(xiàn)對電廠的信息共享、高效管理以及實時監(jiān)測，促進垃圾焚燒發(fā)電廠健康發(fā)展，建設具有智能、安全、經(jīng)濟、環(huán)保等特征的新型現(xiàn)代化電力企業(yè)。