發(fā)電企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型實踐

[摘 要]數(shù)字經(jīng)濟(jì)時代，數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成為關(guān)乎企業(yè)生存和長遠(yuǎn)發(fā)展的“必修課”。作為國內(nèi)首批重型燃機(jī)發(fā)電企業(yè)，北京京豐燃?xì)獍l(fā)電有限責(zé)任公司以燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組DCS（集散控制系統(tǒng)）一體化改造為突破口，通過構(gòu)建數(shù)字化全過程管理體系，統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施數(shù)字化建設(shè)，按需定制DCS改造方案，推進(jìn)關(guān)鍵核心技術(shù)自主研發(fā)等舉措，全面推進(jìn)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，在實現(xiàn)DCS系統(tǒng)一體化、數(shù)字化、智能化集中管理的同時，提升了企業(yè)數(shù)字化能力和機(jī)組運(yùn)行效能。

[關(guān)鍵詞]電力企業(yè)；燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組；DCS一體化改造；數(shù)字化轉(zhuǎn)型

一、公司簡介

北京京豐燃?xì)獍l(fā)電有限責(zé)任公司（簡稱“京豐燃?xì)狻保┦且患矣兄?0余年歷史的發(fā)電企業(yè)，前身為原北京第三熱電廠，坐落于北京市豐臺區(qū)云崗，距中心城區(qū)僅30公里，肩負(fù)著為首都電網(wǎng)供電、為周邊地區(qū)供熱及為企業(yè)供汽的重要任務(wù)。

京豐燃?xì)庀当本┠茉醇瘓F(tuán)有限責(zé)任公司（簡稱“京能集團(tuán)”）的清潔能源平臺，是以天然氣為燃料的新型發(fā)電企業(yè)。公司先后經(jīng)歷六期改擴(kuò)建工程，現(xiàn)役1臺三菱M701F3型410MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組。該機(jī)組于2006年5月1日投入商業(yè)運(yùn)行，是國內(nèi)首批、華北地區(qū)首臺9F級重型燃機(jī)。

2008年初，京豐燃?xì)饴鋵嵄本┦姓?，關(guān)停2臺燃煤機(jī)組，并對聯(lián)合循環(huán)機(jī)組進(jìn)行供熱改造，使之成為地區(qū)唯一熱源，負(fù)責(zé)為周邊約280萬平方米區(qū)域供熱。

隨著北京市DB11/847- 2011《固定式燃?xì)廨啓C(jī)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的發(fā)布實施，2013年，京豐燃?xì)鈱θ細(xì)鈾C(jī)組實施脫硝改造，使機(jī)組煙氣氮氧化物排放濃度小于15mg/Nm3，走在環(huán)保限排的前列。

近年來，作為國內(nèi)首批重型燃機(jī)發(fā)電企業(yè)，京豐燃?xì)夥e極響應(yīng)國家“雙碳”戰(zhàn)略，認(rèn)真貫徹落實電力體制改革要求，不斷加大科技創(chuàng)新力度，深入推進(jìn)企業(yè)數(shù)字化建設(shè)，為企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。

二、實施背景

（一）“雙碳”背景下提升核心競爭力的需要

“雙碳”背景下，傳統(tǒng)火電企業(yè)信息孤島、安全隱患、管理落后、能效不高等問題日益凸顯。另外，隨著全球能源資源供應(yīng)趨緊與能源需求增長矛盾的進(jìn)一步擴(kuò)大，廉價一次能源時代已一去不復(fù)返，火力發(fā)電企業(yè)發(fā)展也面臨一系列挑戰(zhàn)。

一是燃料價格上漲，環(huán)保壓力陡增，使得企業(yè)運(yùn)行成本居高不下。

二是新能源全額上網(wǎng)擠占電量，加上風(fēng)電、光伏、潮汐等間歇性能源的出現(xiàn)，造成電網(wǎng)調(diào)度難度增大，也使得調(diào)峰任務(wù)更多地轉(zhuǎn)移到火電上。這對火電機(jī)組穩(wěn)定性提出了更高要求。

三是隨著競價上網(wǎng)方案的進(jìn)一步推行，發(fā)電行業(yè)競爭逐漸加劇并進(jìn)入微利時代，降低發(fā)電成本已成為火電企業(yè)取得競爭優(yōu)勢的關(guān)鍵。

基于上述問題與挑戰(zhàn)，火電企業(yè)亟須加快推動數(shù)字技術(shù)與業(yè)務(wù)需求進(jìn)行深度融合，加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型，不斷提高企業(yè)核心競爭力。

（二）保障機(jī)組安全、高效運(yùn)行的需要

作為國內(nèi)首批重型燃機(jī)發(fā)電企業(yè)，京豐燃?xì)獾娜細(xì)獍l(fā)電機(jī)組于2005年投產(chǎn)運(yùn)行。當(dāng)時DCS系統(tǒng)以進(jìn)口設(shè)備為主、且CPU多為集中布置。由于設(shè)備成本高及集中布置所限，很多獨(dú)立分散的PLC系統(tǒng)和外圍設(shè)備都是在子站或就地進(jìn)行操作。

近年來，隨著運(yùn)維人員的減少，亟須提高控制系統(tǒng)的自動化水平，以縮減巡檢范圍、降低巡檢頻次、減少人工干預(yù)操作，最大限度地實現(xiàn)機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保運(yùn)行。這也是企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一個重要部分。

（三）實現(xiàn)價值最大化、最優(yōu)化的需要

目前，我國發(fā)電企業(yè)設(shè)備檢修機(jī)制普遍采用計劃性檢修和定期預(yù)防性檢修。隨著機(jī)組不斷向高參數(shù)、大容量、高度自動化發(fā)展，其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的實現(xiàn)，均以設(shè)備的可靠度和可用率為保障。另外，機(jī)組控制系統(tǒng)多為進(jìn)口設(shè)備，維護(hù)費(fèi)用高、采購周期長，采用原有的計劃檢修方式，會造成設(shè)備維修費(fèi)用始終居高不下。

在保證控制系統(tǒng)可靠性的前提下，最大限度地降低發(fā)電成本，實現(xiàn)價值最大化、最優(yōu)化，是發(fā)電企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的客觀需求。

三、主要做法

（一）構(gòu)建數(shù)字化全過程管理體系

京豐燃?xì)鈹?shù)字化轉(zhuǎn)型分四個階段推進(jìn)，通過構(gòu)建“143”數(shù)字化全過程管理體系（即1個目標(biāo)、4個階段、3種保障措施），推動各環(huán)節(jié)依序影響、動態(tài)循環(huán)，實現(xiàn)全過程閉環(huán)管理。

1.策劃階段

全面分析評估系統(tǒng)現(xiàn)狀，形成頂層設(shè)計。

2.規(guī)劃階段

制定目標(biāo)、路線和方法，形成總體規(guī)劃和專項規(guī)劃。

3.實施階段

對規(guī)劃進(jìn)行分解和細(xì)化，制定有效的落地措施，確保達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

4.評估階段

全面綜合評估實施成效。

通過采取組織、制度和技術(shù)等方面的保障措施，為目標(biāo)落地提供有力的后臺支撐，確保規(guī)劃實施全過程可控、全方位落地。

（二）統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施數(shù)字化建設(shè)

京豐燃?xì)猬F(xiàn)僅有1臺燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組服役運(yùn)行。降低機(jī)組非停事件發(fā)生，需要提高控制系統(tǒng)的設(shè)備可靠性與可用率。

DCS一體化改造可實現(xiàn)機(jī)組“少人、無人”值守且高效運(yùn)這也是電廠數(shù)字化、智能化發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

2016年，公司燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)故障率明顯增加。同時，PLC子系統(tǒng)多而雜造成的維護(hù)困難、CPU等重要備件采購困難、控制系統(tǒng)維護(hù)成本增加等問題也是日益突出。

對此，公司對數(shù)字化建設(shè)進(jìn)行總體規(guī)劃，根據(jù)各子系統(tǒng)實際情況和需求制定改造方案，采用分步實施的方式推進(jìn)DCS一體化改造。（如圖1所示）

1. 2017年，完成DCS升級改造，實現(xiàn)圖形化組態(tài)，維護(hù)方式變得簡單、直觀；優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、預(yù)留充足的擴(kuò)容接口，為DCS一體化改造奠定基礎(chǔ)。

2. 2019年，完成燃機(jī)控制系統(tǒng)升級改造，提高控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

3. 2017年至2021年，陸續(xù)將熱網(wǎng)控制、脫硝控制、調(diào)壓站控制、空壓機(jī)控制、熱網(wǎng)抽汽調(diào)門控制、循泵液控蝶閥控制、屋頂風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)接入DCS系統(tǒng)，逐步擴(kuò)大DCS的監(jiān)控范圍。

4. 2022年，調(diào)壓站電氣控制、中央空調(diào)控制、微機(jī)五防系統(tǒng)實現(xiàn)DCS遠(yuǎn)程監(jiān)控，為機(jī)組的長周期安全運(yùn)行奠定良好的設(shè)備基礎(chǔ)。

5. 為實現(xiàn)全廠DCS系統(tǒng)一體化、數(shù)字化、智能化集中管理，2022年開展“DCS一體化及數(shù)字化維護(hù)與報警管理平臺的應(yīng)用研發(fā)”，項目預(yù)計于2024年完成。

（三）按需定制DCS改造方案

DCS一體化改造在進(jìn)行方案設(shè)計時，首先立足實際需求，從消除系統(tǒng)安全隱患、滿足工藝運(yùn)行需求、提高維護(hù)水平、后期維護(hù)、系統(tǒng)擴(kuò)展功能等方面進(jìn)行綜合評估，并根據(jù)需求定制相對最優(yōu)的改造方案。

再從改造工期、改造費(fèi)用等方面進(jìn)行評估，并確定改造方式和改造時間。（如圖2、圖3所示）

（四）推進(jìn)關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控

1.取消獨(dú)立PLC

將固化程序轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放可維護(hù)系統(tǒng)，提高控制系統(tǒng)的維護(hù)水平和工藝系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

2.進(jìn)行系統(tǒng)整合和優(yōu)化

調(diào)壓站內(nèi)的控制系統(tǒng)主要包括：壓縮機(jī)控制系統(tǒng)、調(diào)壓站站控系統(tǒng)、ESD控制系統(tǒng)、啟動爐、燃?xì)庥嬃壳恕⒄{(diào)壓站電氣系統(tǒng)等，各子系統(tǒng)設(shè)備型號不統(tǒng)一、相互獨(dú)立，且只能在就地進(jìn)行監(jiān)控操作。

通過以現(xiàn)有DCS系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將原有相互獨(dú)立分散的PLC子系統(tǒng)接入DCS系統(tǒng)。同時，整合各子系統(tǒng)、統(tǒng)一界面和數(shù)據(jù)格式，通過DCS集成所有生產(chǎn)數(shù)據(jù)，升級運(yùn)行監(jiān)控的管理能力。（如圖4所示）

3.提升運(yùn)行監(jiān)控管理效率

第一，各子系統(tǒng)的整合為DCS報警數(shù)據(jù)庫的建立和優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

第二，通過增加邏輯規(guī)則與故障進(jìn)行關(guān)聯(lián)逐步完善報警系統(tǒng)、快速定位報警源頭，降低運(yùn)行人員疏忽犯錯的問題。

第三，對報警信號進(jìn)行整合和優(yōu)化，提高報警系統(tǒng)的及時性和準(zhǔn)確性，避免過度報警或遺漏報警。經(jīng)過梳理后優(yōu)化報警1004個、增補(bǔ)重要報警44個，有效提升運(yùn)行監(jiān)控的管理效率，確保了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

后續(xù)還將深入開展智能預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用研發(fā)，輔助指導(dǎo)運(yùn)行人員進(jìn)行故障處理。如：偶發(fā)類報警（無明顯征兆、觸發(fā)較快的報警）、缺陷類報警（有征兆、長期存在、間斷觸發(fā)的報警）、參數(shù)劣化后的長后期監(jiān)控（濾網(wǎng)差壓）、變工況時的參數(shù)特征監(jiān)視等。

4.實現(xiàn)系統(tǒng)快速啟停，降低過程損耗

熱網(wǎng)系統(tǒng)與機(jī)組抽汽系統(tǒng)自動聯(lián)鎖功能，不僅能實現(xiàn)熱網(wǎng)系統(tǒng)的快速啟停，降低過程損耗，還能大幅提高熱網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

其中，熱網(wǎng)系統(tǒng)新增的4套自動調(diào)節(jié)，自動投入率100%，自動調(diào)節(jié)過程快速、穩(wěn)定、品質(zhì)良好，在冬季供熱期（連續(xù)4個月）能滿足熱網(wǎng)各種工況的運(yùn)行需求，有效減少運(yùn)行人員的調(diào)整操作頻次。

可以說，自動化水平的提高不僅提升了熱網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，還為熱網(wǎng)系統(tǒng)長周期穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的技術(shù)保障。（如圖5所示）

5.深入挖掘控制系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化空間

空壓機(jī)和干燥器接入DCS系統(tǒng)后，可實現(xiàn)二者的遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動聯(lián)鎖。空壓機(jī)定期（24小時）輪換時不再需要運(yùn)行人員實地進(jìn)行操作，通過空壓機(jī)系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動運(yùn)行、定期自動輪換、故障時自動切換，有效降低運(yùn)行人員的巡檢時間和現(xiàn)場操作次數(shù)。

此外，子系統(tǒng)整合后便于開展數(shù)據(jù)分析、缺陷處理以及系統(tǒng)優(yōu)化，有效提高空壓機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性，為機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供有力的技術(shù)支撐和監(jiān)督手段。

2022年底，#2空壓機(jī)當(dāng)反吹系統(tǒng)運(yùn)行時（每天投運(yùn)半小時）多次出現(xiàn)問題。通過系統(tǒng)調(diào)取歷史數(shù)據(jù)、對比分析后發(fā)現(xiàn)，#2空壓機(jī)出力偏低，反吹投入時儀用空氣系統(tǒng)外部用氣量增加，要維持儀用空氣母管壓力0.75MPa的系統(tǒng)要求，#2儀用空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速無法降低至72%以下（停運(yùn)條件），所以造成設(shè)備不能自動停運(yùn)；#2空壓機(jī)啟動后帶載時間較長，38-41s母管壓力才能達(dá)到0.65MPa（另外2臺空壓機(jī)35s可到目標(biāo)壓力），所以會聯(lián)鎖備用空壓機(jī)啟動。

改造前，3臺空壓機(jī)相對獨(dú)立，無法進(jìn)行數(shù)據(jù)對比和分析。像空壓機(jī)這種因本身特性差異造成系統(tǒng)變工況時才會出現(xiàn)的問題，消缺時間有時會超過1個月，但本次改造后消缺處理時間只用了2天。除了修改空壓機(jī)切換的控制參數(shù)，還對3臺干燥器的切換邏輯一并進(jìn)行了優(yōu)化，徹底解決了#2空壓機(jī)不能自停的問題，快速消除安全隱患，確保空壓機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。（如圖6所示）

（五）向預(yù)測性維護(hù)發(fā)展，提升控制系統(tǒng)的檢修決策能力

1.研發(fā)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，夯實預(yù)測性維護(hù)的技術(shù)基礎(chǔ)

通過監(jiān)測設(shè)備健康狀況以及表現(xiàn)效率，識別可能影響設(shè)備績效下降的因素，并提前預(yù)判設(shè)備健康狀態(tài)，來優(yōu)化控制系統(tǒng)的檢修模式和周期，使控制系統(tǒng)始終處于受控和可控的狀態(tài)，在保證發(fā)電設(shè)備的可用率、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、可調(diào)性、可控性的條件下，合理安排控制系統(tǒng)的檢修計劃、優(yōu)化檢修內(nèi)容、降低檢修費(fèi)用，切實降低發(fā)電成本。（如圖7所示）

2.探索檢修新模式

相對于現(xiàn)有的計劃維護(hù)和定期維護(hù)，預(yù)測性維護(hù)可避免“過剩維修”，防止不必要的解體檢修、部件更換；通過大數(shù)據(jù)分析，在壽命周期內(nèi)盡早發(fā)現(xiàn)故障隱患，避免“欠維修”造成故障擴(kuò)大，有效減少設(shè)備消缺時間；合理預(yù)估設(shè)備的剩余壽命，使設(shè)備在保證安全的情況下合理超期服役，盡量延長DCS系統(tǒng)使用壽命。

3.研發(fā)DCS數(shù)字化維護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用

控制系統(tǒng)的維護(hù)和變更，由DCS自動記錄并形成電子版的維護(hù)記錄逐步取代紙質(zhì)記錄，降低人為記錄的錯誤和疏漏，提高控制系統(tǒng)的維護(hù)水平。

（六）加強(qiáng)持續(xù)跟蹤評估，確保成果的實效性

1.按要求開展性能測試和效果評估

通過性能測試和效果評估，對系統(tǒng)性能下降及時開展分析，并制定相應(yīng)的改進(jìn)措施；措施執(zhí)行后進(jìn)行試驗，確保改造達(dá)到預(yù)期效果。同時，對改造效果進(jìn)行一段時間的跟蹤評估，確保成果有良好的持續(xù)性和時效性，能滿足各種工況的運(yùn)行要求。

隨著電網(wǎng)調(diào)峰的需求日益增大，機(jī)組運(yùn)行方式由長周期運(yùn)行模式逐漸向調(diào)峰模式轉(zhuǎn)變，電網(wǎng)的二個細(xì)則考核也日趨嚴(yán)格。2019年，華北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助修訂的服務(wù)管理實施細(xì)則，不僅要求一次調(diào)頻動作的正確率，還增加了性能指標(biāo)的考核。實施細(xì)則發(fā)布后得2020年，機(jī)組的二個細(xì)則考核費(fèi)用大幅增加。

為降低一次調(diào)頻考核，依據(jù)實施細(xì)則考核辦法，對調(diào)速系統(tǒng)開展系統(tǒng)優(yōu)化：

一是對調(diào)速系統(tǒng)的控制設(shè)備進(jìn)行升級，提高控制系統(tǒng)的性能參數(shù)和可靠性。

二是參與調(diào)速的執(zhí)行器定期進(jìn)行檢修、測試，確保閥門動作靈活可靠、調(diào)節(jié)精度準(zhǔn)確。

三是AGC和一次調(diào)頻設(shè)有專人管理，每月通過一次調(diào)頻考核系統(tǒng)對一次調(diào)頻的動作情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)異常及時進(jìn)行處理和調(diào)整。

四是通過一系列技術(shù)措施來確保調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行良好，各種工況均能滿足二個細(xì)則的考核要求。（如圖8所示）

2.按要求開展定期試驗

開展定期試驗，驗證系統(tǒng)在異常工況的調(diào)節(jié)效果。通過數(shù)據(jù)分析、制定措施、效果評估、優(yōu)化改進(jìn)來提高機(jī)組運(yùn)行效率，降低異常工況下的安全風(fēng)險。

（七）提升機(jī)組運(yùn)行的可靠性

京豐燃?xì)馔ㄟ^DCS一體化改造，為控制系統(tǒng)實現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)及智能化升級提供了技術(shù)支撐，能夠安全有效地延長控制系統(tǒng)的使用壽命，降低控制系統(tǒng)的維護(hù)成本，并提高控制系統(tǒng)的維護(hù)水平，提升機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性，為企業(yè)盈利奠定了堅實的基礎(chǔ)。

（八）提升機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性

通過完善設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)測、加強(qiáng)動態(tài)數(shù)據(jù)管理等措施，系統(tǒng)風(fēng)險控制從“系統(tǒng)-設(shè)備-部件”日漸細(xì)化、可控，實現(xiàn)設(shè)備科學(xué)量化管理；通過探索“以狀態(tài)檢修為主，計劃檢修為輔”的檢修新模式，推動設(shè)備管理由事后處理向事先預(yù)控轉(zhuǎn)變，不僅提升了控制系統(tǒng)的本質(zhì)安全能力，還降低了維護(hù)費(fèi)用。

（九）提質(zhì)增效成果顯著

1.有效降低維護(hù)成本

控制系統(tǒng)一體化改造后，硬件設(shè)備的備件種類和數(shù)量大幅減少，每年至少可減少PLC備件費(fèi)用10萬元；軟件接口程序維護(hù)需求減少，每年可節(jié)約技術(shù)服務(wù)費(fèi)用約10萬元。

另外，軟件增加了設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測，便于維護(hù)人員有計劃地開展控制系統(tǒng)檢修，能有效降低系統(tǒng)維護(hù)成本，逐步實現(xiàn)提質(zhì)增效的檢修目標(biāo)。（如圖9、圖10所示）

2.縮短系統(tǒng)消缺時間

DCS一體化改造后，提高了子系統(tǒng)控制設(shè)備的可靠性；子系統(tǒng)整合后實現(xiàn)自動聯(lián)鎖功能，提高了機(jī)組的自動化水平，有效縮短了系統(tǒng)的消缺時間。

3.提高企業(yè)競爭力

DCS一體化改造后，不僅達(dá)到人力資源優(yōu)化，還最大限度地實現(xiàn)機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保運(yùn)行，有效提高了企業(yè)的競爭力。

編輯/車玉龍 統(tǒng)籌/李蘇