和利時助力用戶實現(xiàn)全流程智慧電廠建設

★杭州和利時自動化有限公司朱珂

1　項目背景和概況

陜投新疆吉木薩爾北三電廠1號2號機組工程（2×660MW），是第二條疆電外送線路“準東-皖南±1100kV”特高壓直流輸電工程配套電源項目，是綜合開發(fā)準東煤炭資源，推動新疆能源、經(jīng)濟環(huán)境和諧發(fā)展的綠色工程。電廠項目建設規(guī)模為2臺660兆瓦高效超超臨界燃煤間接空冷發(fā)電機組，三大主機由哈爾濱電氣集團提供，DCS采用杭州和利時自動化的HOLLiAS-MACS系統(tǒng)。

2　項目實施與應用介紹

陜投吉木薩爾北三電廠1號2號機組工程（2x660MW）智慧電廠項目于2020年8月簽約，2021年6月完成基礎(chǔ)建設，2022年12月進行各模塊調(diào)試并完成上線試運行，2023年11月完成項目全部分項驗收工作。

該項目作為和利時主機、輔網(wǎng)一體化+全廠現(xiàn)場總線+全流程智慧電廠標桿項目，建成的“全流程智慧協(xié)同中心”涵蓋“智能發(fā)電平臺、智慧管理服務平臺、智能設施應用、信息主動安全防御”四大功能模塊。并將新一代信息技術(shù)與現(xiàn)場生產(chǎn)工藝相結(jié)合，通過人、技術(shù)、經(jīng)營目標和管理的集成，進而實現(xiàn)人機協(xié)同、能效閉環(huán)。把陜投吉木薩爾發(fā)電打造成為低碳環(huán)保、技術(shù)領(lǐng)先、世界一流的智能化電站，為國內(nèi)火電行業(yè)全流程智慧電廠建設提供新的樣板案例。整體方案架構(gòu)如圖1所示，模塊分區(qū)布置如圖2所示。

圖1 方案架構(gòu)

圖2 模塊分區(qū)布置

2.1　和利時智能發(fā)電平臺（ICS）

ICS是全廠生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)平臺和運行指揮調(diào)度中心，平臺以智能分散控制系統(tǒng)（DCS）為核心，部署智能AGC、智能燃燒、智能報警、故障溯源、智能吹灰、智能空冷、機組性能尋優(yōu)與輔助運行、智能噴氨優(yōu)化等先進控制優(yōu)化應用，覆蓋了發(fā)電工藝的全流程。實現(xiàn)在極少人干預的情況下，讓系統(tǒng)實現(xiàn)精確感知、精準控制和精明決策，達成更加經(jīng)濟、高效、清潔、低碳、靈活的發(fā)電生產(chǎn)目標。

和利時智能發(fā)電控制平臺中的智能尋優(yōu)系統(tǒng)結(jié)合先進的人工智能與控制技術(shù)，通過智能算法+機理復合建模，搭建動態(tài)標桿值數(shù)據(jù)庫體系，使用大數(shù)據(jù)技術(shù)挖掘機組歷史最優(yōu)工況進行尋優(yōu)；運用新型仿真模型技術(shù)建立數(shù)字孿生體模型進行在線尋優(yōu)；使用操作量化技術(shù)實時指導運行人員生產(chǎn)；將精益六西格瑪管理手段應用于生產(chǎn)管理，降低了操作員勞動強度。在火電廠運行優(yōu)化方面，采用聚類與概率密度統(tǒng)計相結(jié)合的多維度邊界劃分方法，通過數(shù)據(jù)與機理復合建模技術(shù)，建立動態(tài)標桿值數(shù)據(jù)庫體系，以構(gòu)建一套普適有效的全廠實時操作指導機制。實現(xiàn)了火電廠運行經(jīng)驗數(shù)字化轉(zhuǎn)化、存儲、繼承和應用。輔助尋優(yōu)模塊界面如圖3所示。

圖3 輔助尋優(yōu)模塊界面

針對我國火電機組調(diào)峰頻繁、燃料多變和環(huán)境溫度差異大的現(xiàn)狀，以及傳統(tǒng)火電廠普遍存在的設計、制造和運行等方面的缺陷和問題，和利時智能發(fā)電控制平臺研發(fā)了智能控制優(yōu)化系統(tǒng)，通過采用理論分析、實驗研究以及數(shù)值模擬等方法，建立基于單元過程的火電機組熱力設備計算模型，獲得深度調(diào)峰工況及瞬態(tài)過程熱力設備的性能，查清燃煤機組、燃氣聯(lián)合循環(huán)機組及供熱機組熱力系統(tǒng)多因素耦合工況及機組快速升、降負荷等典型瞬態(tài)過程的能耗特性，綜合考慮負荷、燃料和環(huán)境等外部因素的時變特性，從設計、運行及余熱深度回收利用等三個方面建立火電機組熱力系統(tǒng)全工況優(yōu)化與能耗控制策略。作為實現(xiàn)機組安全經(jīng)濟高效運行目標的有效手段，控制優(yōu)化體系不僅能降低火電機組能耗，同時可以提高電廠在生產(chǎn)運行中的效率和安全性。參數(shù)波動趨勢界面如圖4所示。

圖4 參數(shù)波動趨勢界面

2.2　和利時智慧管理服務平臺（ISS）

ISS平臺將應用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)資源、網(wǎng)絡資源進行集成，打通全廠數(shù)據(jù)通道，消除信息孤島，建立全廠數(shù)據(jù)中心；ISS平臺是企業(yè)信息資源統(tǒng)一訪問的入口，實現(xiàn)統(tǒng)一的“人的集成、界面集成、流程集成、業(yè)務集成、消息集成、應用集成”。基于平臺建設智慧巡檢、智能設備在線監(jiān)測、三維安全管控、智慧倉儲、智慧決策等豐富全面的生產(chǎn)運營管理應用，“平臺+應用”的管控一體化模式，大大提升了企業(yè)的數(shù)字化、智能化。和利時智慧管理服務平臺界面如圖5所示。

圖5 和利時智慧管理服務平臺界面

和利時以“設備智能運維”為核心，結(jié)合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、邊緣計算以及5G應用等技術(shù)手段，為吉木薩爾發(fā)電構(gòu)建了一套集智能點巡檢、機器人巡檢、設備在線監(jiān)測等功能融合于一體的大型火電廠智能運維管控平臺。其開放、共享、互通的智能設備運維體系，幫助電廠實現(xiàn)了設備的高度互聯(lián)、設備狀態(tài)的實時在線監(jiān)測、設備故障智能分析，最終完美達到設備巡檢全過程的智能控制、全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合、以及全生命周期的高效管理。在陜投吉木薩爾智慧電廠對和利時“智能設備運維體系”的應用，進一步深化了“機器人巡檢+核心裝備運維”在電力行業(yè)的應用。

和利時智慧運平臺建設覆蓋電廠安全、運行、設備、應急、經(jīng)營、營銷、燃料、物資、風險、行政管理等業(yè)務的管理體系，實現(xiàn)對全廠設備資產(chǎn)數(shù)字化、可視化、智能化的監(jiān)控與管理，以及生產(chǎn)經(jīng)營各環(huán)節(jié)的智能預測、智能分析、智能診斷及智能決策。智能生產(chǎn)應用以數(shù)據(jù)為核心資產(chǎn)，以積累有效數(shù)據(jù)的重要支撐，在管理層面消除電廠信息孤島，實現(xiàn)業(yè)務和信息、數(shù)據(jù)高度統(tǒng)一，使企業(yè)內(nèi)部協(xié)同達到高水平，最大程度夯實管理，發(fā)揮管理價值和效益。

和利時部署的智能安防一體化平臺，將北三電廠已建成智慧門禁、AI視頻、電子周界防護、環(huán)境監(jiān)控等安防實況進行集成，實現(xiàn)系統(tǒng)間“一點觸發(fā)、全面聯(lián)動”，形成預防、監(jiān)控、應急和決策支持為一體的全面安防體系，為物聯(lián)網(wǎng)、智能產(chǎn)品與智慧電廠深度融合提供研發(fā)、集成測試與應用示范的一站式服務。

3　項目創(chuàng)新性和建設意義

（1）構(gòu)建人機協(xié)同，能效閉環(huán)的智能發(fā)電控制平臺

采用與常規(guī)DCS一體化的智能DCS，集成到原DCS畫面中，消除“黑匣子”，實現(xiàn)維護透明化和持續(xù)擴展優(yōu)化能力。智能控制環(huán)境、智能計算環(huán)境、數(shù)據(jù)分析環(huán)境和開放的應用開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)智能檢測、智能控制、智能運行、智能監(jiān)控等功能；系統(tǒng)安全性更高，功能更強大，橫向擴充，擁有更強大的計算、存儲能力。人工智能、大數(shù)據(jù)尋優(yōu)、模糊預測等先進算法實現(xiàn)對機組運行狀態(tài)的整體評估，通過人機正向知識交互，運行人員的經(jīng)驗和機器智能不斷迭代增強，實現(xiàn)人機協(xié)同監(jiān)盤。通過能耗實時計算，經(jīng)過多目標尋優(yōu)等智能控制算法及策略，對機組進行高品質(zhì)控制，保持全局的最優(yōu)狀態(tài)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的能效大閉環(huán)。

（2）依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺搭建智慧管控服務平臺，實現(xiàn)全流程協(xié)同辦公

平臺改變傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心信息條塊分割，消除信息孤島，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的標準化、統(tǒng)一化、一體化，管理數(shù)據(jù)資產(chǎn)，實現(xiàn)資產(chǎn)數(shù)字化移交，內(nèi)部信息共享與集成，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析；建立有效的信息可視化模型，為用戶提供自主創(chuàng)新開發(fā)手段和按需部署應用的環(huán)境，具備自動化和信息化結(jié)合的分析決策功能，為管理決策提供有力保障，真正實現(xiàn)IT和OT融合。

（3）智能機器人+視頻圖像識別技術(shù)發(fā)展，變革生產(chǎn)現(xiàn)場巡檢工作模式

使用機器人+視頻圖像結(jié)構(gòu)化技術(shù)，實現(xiàn)關(guān)鍵區(qū)域巡檢及故障預警，智能機器人對關(guān)鍵區(qū)域巡檢（輸煤、制粉、變壓器、GIS室、汽機、化水車間、脫硫等），對設備狀態(tài)識別，對設備表盤和狀態(tài)燈等設備讀取，發(fā)生異常自動報警，當設備發(fā)生變化，如漏水、漏油、溫度異常、設備附件變化等自動識別。

（4）通過創(chuàng)建基于綜合最優(yōu)工況判別技術(shù)下的動態(tài)標桿值數(shù)據(jù)庫體系，實現(xiàn)運行動態(tài)過程的綜合最優(yōu)工況尋優(yōu)

利用可控因子耗差分析技術(shù)實現(xiàn)運行操作量化評價，對運行操作指導與科學評價。通過對DCS系統(tǒng)參數(shù)的實時分析，輔助運行人員定時巡盤，監(jiān)視設備運行可靠性和系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。

（5）基于大數(shù)據(jù)的管理駕駛艙，實現(xiàn)一站式輔助決策

智慧管控平臺通過對數(shù)據(jù)進行抽取、清洗、聚類、挖掘、預測等處理來產(chǎn)生可透析的展示數(shù)據(jù)，從時間、縱向和橫向等維度進行分析，以總結(jié)歷史經(jīng)驗、預測未來發(fā)展趨勢，為管理決策提供支撐，使決策分析成為各級決策者獲取數(shù)據(jù)、知識的平臺，為各級決策者在經(jīng)營、采購、設備選型、運維效率和績效評價等方面提供輔助決策支持。

（6）構(gòu)建全方位的信息主動安全防御體系

遵循“網(wǎng)絡分區(qū)、安全專用，橫向隔離、縱向認證”的總體方針，融合工業(yè)控制特點，采用管理與技術(shù)相結(jié)合，建立覆蓋管理層、監(jiān)控層、控制層與部件層，結(jié)合功能安全、信息安全、操作安全，實現(xiàn)貫穿設計、運行、服務等全生命周期的信息安全主動防御體系，保障工業(yè)控制系統(tǒng)安全性、可用性、可靠性與穩(wěn)定性。

（7）以物聯(lián)網(wǎng)+人工智能識別技術(shù)為核心，實現(xiàn)安全風險主動預控

在電廠范圍內(nèi)建立廠區(qū)視頻、身份識別、門禁控制、電子圍欄、人員定位、人臉識別等功能，以可靠、適用、開放、擴展為原則，和三維可視化技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建三維智能安防平臺，實現(xiàn)電廠全面安全管控，保障運行、檢修、作業(yè)的安全性，避免安全事故發(fā)生。

（8）基于深度學習的技術(shù)，實現(xiàn)設備早期預警與診斷

整合全廠智能診斷中心，對主機及主要輔機采用可視化的狀態(tài)監(jiān)測及故障預警診斷系統(tǒng)，基于多變量狀態(tài)空間故障診斷技術(shù)，根據(jù)設備機理及內(nèi)在多參數(shù)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，實現(xiàn)多變量狀態(tài)空間上的設備運行狀態(tài)自學習。

4　項目效益分析

全部主要業(yè)務利用370個標準流程作為載體進行處理，導入433個法律法規(guī)、行業(yè)標準、公司制度，設計標準工作表單超過2955張，實現(xiàn)90%工作流程標準化，各類工作審批流轉(zhuǎn)效率提升90%以上，日常工作報表標準化覆蓋率達到90%以上，基本實現(xiàn)業(yè)務管理的流程化、標準化、數(shù)據(jù)化、信息化。具體如下：

·利用設備運行智能化，基本實現(xiàn)減員增效目標。實現(xiàn)減員7人，升壓站、輸煤棧橋?qū)崿F(xiàn)無人巡檢，實現(xiàn)設備巡檢工作少人化、無人化。

·冬季真空平均下降約1kPa，相當于標煤耗降低約1克每千瓦時。鍋爐效率提升約0.15%~0.2%。

·投入二次風門的自動，改善了燃燒狀態(tài)，解決了兩側(cè)汽溫偏差大問題，鍋爐出口氮氧化物排放降低30%左右，基本控制在170~200mg/m³，飛灰和大渣可燃物含量降低，鍋爐效率提升約0.15%~0.2%。

·全國同類型機組廠用電率最低：采用1臺100%容量的汽動給水泵、1臺100%容量的汽動引風機方案，結(jié)合智慧電廠燃燒調(diào)整方案較常規(guī)方案，廠用電率降低至3.94%，全年雙機運行可節(jié)約標煤16620噸，實現(xiàn)增收472.38萬元。

·全國同類型機組應用機器人巡檢覆蓋面最廣：采用機器人自動巡檢，覆蓋運行正常巡檢區(qū)域60%以上，100%覆蓋環(huán)境惡劣、危險性高、巡檢頻繁區(qū)域，切實發(fā)揮巡檢機器人熱成像測溫、有害氣體及粉塵檢測等功能，提前檢測預警有毒有害氣體，煤粉自燃等重大事故，極大提高現(xiàn)場運行安全性。

摘自《自動化博覽》2024年10月刊