燃气分布式能源站智能化建设思考

2019-01-13 01:47周金顺鞠明
综合智慧能源 2019年11期
关键词:全厂分布式机组

周金顺,鞠明

(上海华电闵行能源有限公司,上海 201108)

0 引言

燃气分布式能源站具有能源阶梯利用、能源转化效率高、负荷响应快等特点在国内得到广泛发展[1],但由于受制于天然气价格、上网电价等,在分布式能源行业普遍存在盈利能力低的问题。对分布式能源企业而言,开源节流成为企业发展的重要途径。对外开展综合能源服务,在提供电、蒸汽、冷水等多重能源的同时利用企业自身技术、管理优势为用能客户提供全面的能源套餐、资产服务、能源管理、工程服务等全方位的综合能源服务、对内进行深度挖潜提高能源利用率、减少生产管理成本是解决分布式能源企业盈利能力的必由之路。

信息、大数据、物联网、智能传感器、机组一键启停技术(APS)等[2]现代科技的发展为实现分布式能源企业开展综合能源服务和企业生产节能降耗提供有力保证。高效、智能是我国“十三五”明确规划的能源发展方向。智能化能源站的建设条件已经成熟,国内外对于分布式能源站智能化建设处于积极探索阶段,部分电力能源企业根据各自的需求进行了智慧型电厂的建设实践。但由于缺乏统一的标准和规范,难以形成广泛推行的示范效应,到目前为止还没有一个完整意义的智能化电厂。本文初步提出了分布式能源站智能化建设的总体架构和实施方案,希望为分布式能源站智能化的进一步发展提供参考。

1 分布式能源站智能化建设概述

总体来说,分布式能源站智能化建设是以信息处理、工业互联网、大数据分析等科技工具对能源站的生产、经营管理对象进行全面数字化,以此实现跨平台的数据资源实时共享,并利用数据分析技术和智能专家系统为机组的运行操作提供优化调度,为设备检修提供技术支撑,为经营管理提供决策,最终实现分布式能源站降本增效和节能减排的目标。

能源站智能化建设是一个全新的架构体系,不同于传统的管理信息系统(MIS)和厂级监控信息系统(SIS)的体系和概念[3-6]。智能化的分布式能源站在原MIS和SIS功能的基础上,对能源站生产经营对象全面数字化,实现信息高度集成、数据集中共享,使智能化能源站建设有了更为丰富的内涵。

分布式能源站智能化建设宜在项目可行性研究阶段明确是否实施,在初步设计阶段明确其基本架构、建设内容以及预算等。能源站智能化建设涉及仪表和设备选型、分散控制系统(DCS)选型、汽轮机数字式电液控制系统(DEH)设计、信息系统设计、安防(包含视频、门禁等)系统设计、三维图纸数字化设计与移交、转机监控系统(TSI)设计等各个方面,因此从企业实际需求出发,统筹考虑,以先进、实用为原则,选取适合自身特点的功能,以高速、大容量交换机和虚拟服务器搭建信息网络硬件为承载平台,以各类系统服务软件为信息处理软件承载平台,同时构建一个全厂一体化的信息应用综合平台。同时构建高速生产数据收集、存储和备份的生产实时数据库,为安全三区信息应用综合平台的全厂信息数据库服务器提供生产数据支持,以实现生产系统和管理信息的共享、融合、调用等。

2 能源站的智能化建设方案探讨

2.1 能源站智能化建设的体系架构

能源站智能化建设的体系架构由低到高可以分为4个层级:智能设备层、智能控制层、智能生产监管层、智能管理层。一般能源站智能化建设以数字化设计为基础,对体系架构的4个层级逐层进行针对性设计和实施。

2.1.1 智能设备层

智能设备层主要应用智能传感检测仪表和智能执行机构来实现对能源站燃机、锅炉、汽机、冷热供能等设备获取参数和工况控制。主要包括现场总线设备、智能检测仪表(智能变送器、智能传感器)与智能执行机构等。主要特征是具备对智能感知、对外通信、故障自诊断、远程参数设置等功能。

在智能设备层,对不涉及自动调节和保护的工艺系统应较大规模的选用总线型仪表、设备等,在生产设备层实现数字化,为能源站智能化建设奠定物理基础。对机组安全运行至关重要且回路处理速度要求高的汽机数字电液控制系统(DEH)中涉及转速、应力和负荷控制的基本控制部分、汽机本体紧急跳闸系统(ETS),以及旁路控制系统(BPC)、机组重要顺控系统和自动调节系统等宜采用非总线控制方式。

2.1.2 智能控制层

智能控制层的主要任务是利用智能控制技术和先进算法[7]完成各种数据采集、程序控制、自动控制、优化运行和保护功能等,其中APS是智能控制层的重要组成部分。

智能控制层主要是实现实时生产过程控制,一般为采用以微处理器为基础的DCS,在总体规划上,为实现各子系统的整合以及减少系统复杂性,宜采用全厂控制系统一体化设计方案。一般来说燃机控制系统随燃机主设备配供,其必须采用供货商自身提供的系统,无法变更,机组DCS、公用系统、辅助控制系统、DEH/ETS、调压站控制系统等则可以采用同一品牌的一体化DCS。

2.1.3 智能生产监管层

智能生产监管层主要面向生产管理,以SIS为基本物理架构,实现全厂生产实时数据采集和历史数据存储、厂级生产过程监视和性能计算等基本应用功能,同时SIS数据通过镜像数据库接入全厂云平台数据库,由全厂云平台数据库实现全厂生产、管理数据的集成。智能生产监管层主要是对生产数据进行深度分析、挖掘、利用,为生产管理人员提供决策依据。

2.1.4 智能管理层

智能管理层主要包括智能管理与辅助决策。智能管理层建立可视化、图形化的决策系统。智能决策系统通过对数据全方位的统计、查询,为企业的各方面管理者提供一个有效的中心分析手段,及时了解企业各方面业务的进展情况,实时分析企业的实际运转状况,并提供一个直观的全景式数据统计分析的展现方式。

2.2 能源站智能化系统建设及主要功能

燃气分布式能源站的智能化系统由智能管控一体化平台+大数据中心+应用系统构成。智能管控一体化平台通过集群虚拟化服务器的建设完成各应用系统的资源分配和调度,承载各应用系统的运行,并为客户提供个性化的工作平台。大数据中心完成全厂生产和管理数据的存储及加工整理。应用系统实现分布式能源站各项智能化功能。

2.2.1 智能管控一体化平台

构建以冗余万兆以太网交换机、数据库和集群虚拟服务器为中心的全厂信息应用一体化平台,为智能化的分布式能源站提供了硬件、软件基础,实现全厂所有信息系统数据的互通和融合,达到智能生产监管、智能经营管理的目的。通过智能一体化平台,可实现故障诊断和预警模块、智能定位系统、智能巡检、智能安全两票(工作票、操作票)管理系统、大数据中心、三维可视化数字档案系统、智能安防系统、三维可视化在线智能培训仿真系统、集团生产管理系统(ERP)等全厂各系统的统一认证与单点登录,完成了发电企业智能生产监管与智能管理决策环节的有效互通,实现发电企业智能生产监管、经营、管理决策的集中化。

2.2.2 大数据中心

大数据中心以数据库服务器、磁盘阵列、冗余交换机、单向物理隔离装置、不间断电源等物理设备及相应软件为基础进行建设。大数据中心一方面完成面向全厂生产过程的数据采集,以基本形式(控制系统采集的时间间隔、精度等)保存并在功能站进行二次加工整理,整理后的计算结果存入实时数据库,形成共享的大数据库,以满足包括生产过程监视和管理、厂级性能计算和分析、生产过程回放、智能化分析、设备故障诊断和预警、运行优化系统等应用程序对生产基础数据和历史数据的需求,同时在管理层面通过数据加密、数据容灾、全面监控审计、身份认证等技术手段实现核心数据的安全。

2.2.3 经营管理智能决策系统

经营管理智能决策系统主要包含运营监控、绩效分析、利润预测、财务管理、自动报表体系设计等功能,使管理者对自己企业的生产、经营情况有实时动态的了解。决策系统通过对全厂生产经营数据库中已有数据的诊断、分析形成有效的经营管理决策,实现对企业科学管理。

该系统以主题分析和指标为手段。通过对每个主题的全方面的数据统计、分析,为经营管理者提供有关企业实时运转状况直观、图像化、全景式数据统计分析的展示。

2.2.4 APS技术

联合循环机组宜配置机组自启停功能,通过采用少量断点控制方式,使整套联合循环机组按照规定的程序进行设备的启、停操作[8]。APS涉及多种复杂控制策略,实质是对能源站运行规程和运行人员操作流程的程序化实现,通过APS提高生产过程的自动化水平,保证机组主、辅机设备的启停过程严格遵守运行规程,减少运行人员的工作量和误操作,保证了机组设备运行的安全性,提高了机组的自动控制能力和自适应水平,缩短了机组启、停设备时间,提高了经济效益[9-10]。

机组监视测控和执行机构的完善设计是实现APS的先决条件。在工程可行性研究阶段明确APS项目实施方案,设计院及主设备厂家在设计和生产时按照APS系统要求进行工艺系统和监控系统设计,对于启停机过程中需要监控的数据一定要远传到DCS,重要信号要实现冗余配置,以便在APS组态中有一定自适应能力。

2.2.5 故障诊断和预警系统

依托于SIS建立的数据平台,通过连续在线监测设备或系统运行的重要状态参数,及时了解设备或系统的运行状况,为事故征兆的预诊断提供重要的基础数据,对已发生的故障进行快速的分析与诊断,及时指出故障原因,提醒运行人员采取必要的措施,为设备或系统的安全运行提供可靠的保障。

故障诊断和预警由数据采集模块、数据支撑平台和数据分析等组成:数据采集模块负责对现场设备信号进行采集处理和分析,该模块不仅可以接入常规的过程数据,还可以接入各种检测诊断模块数据,如旋转机械振动采集设备、发电机诊断系统等。故障诊断和预警数据支撑平台通过标准数据采集接口将现场的测点进行标准化和规范化,方便数据中心的调用、显示、专业分析等二次开发。数据分析模块在结合DCS过程数据和数据采集模块中数据的基础上,嵌入专业分析模块,在特征提取、数据挖掘等方法的基础上引入专家系统协助进行决策,并通过评估系统进行自适应改善。最终实现设备全周期的状态检测、故障早期预警、设备故障诊断、振动分析等功能[11]。

2.2.6 智能定位系统

通过全厂三维数字化建模,建立能源站的三维数据模型,在三维模型中通过对互联网+的应用,实现人员定位功能。人员定位系统将发电企业对安全生产管理的技术手段从被动式监控全面升级为主动式监控,完全实现全自动、全区域、全天候、全目标覆盖的主动式安全控制模式,针对“人、车、物”,无论是在复杂的室内建筑物环境下还是在室外环境都能完成精准的定位、追踪和监控,同时与传统的视频监控、周界报警等安防系统实现无缝联动。

2.2.7 智能安防系统

在全厂闭路电视系统、消防报警、身份识别(含门禁控制和出入口控制)、周界防护等系统基础上,以可靠、适用、开放、扩展为原则,利用三维可视化技术,构建三维智能安防平台,并接入火灾自动报警系统数据,实现各系统间数据的共享和联动,提高能源站数字化、信息化、可视化水平。通过“报警自动定位、与火灾自动报警系统联动、与身份识别的联动”实现各安防单元的有机互联,形成安全防御与监控、应急预案与快速响应的全面安全防护体系,整体上提高系统的智能化程度,提升能源站安防业务能力。

2.2.8 智能运行优化决策系统(IDOS)

该系统通过对能源站机组及辅助设备进行运行优化和全厂的能效管理、机组和设备实时效率计算、电厂指标统计计算、厂级综合性能计算和生产成本实时分析、设备状态和故障诊断评估、厂级负荷优化分配等,实现控制系统调节优化、机组和设备运行方式和调度优化、机组负荷的配置优化、设备运行参数和工况的优化[12-15]。该系统通过对天然气价格、上网电价以及蒸汽和冷热价格等边界条件进行综合分析,以能源站最大收益为终极优化目标,统筹协调发电指令、供冷热运行组合方式、机组和设备配合模式等,提供供热、供冷系统的最佳组合策略及其全年运行策略。

2.2.9 智能安全两票管理系统

两票管理是企业安全生产最基本的保障,互联网+中的两票管理业务融合三维模型、人员定位、全员移动智能终端等技术,对两票管理加强控制和提醒,最终实现智能安全两票管理系统。该系统在三维数字化模型中以时间要素和空间要素以工作票为管理目标,自动生成电子围栏,并形成自动报警区,借助人员定位和全员移动智能终端技术,对工作人员和非工作人进行有效的工作范围管理。

2.2.10 智慧型综合能源服务管家

以模块化、开放式、服务于客户的综合能源服务网络云平台(一体化管控平台的子项)为基础,建立高效优质的综合能源客户服务中心,对用户用能实行集中监测管理,加强用户行为分析理论在新一轮电改作用下的融入[16],分析用户行为特点及系统供能特点,为客户提供用能特性分析、套餐选择、用能策略优化等各类增值服务,改造用户用能设备,优化用户用能、实现需求侧响应,创造能源增值收益。通过管理创新形成以客户为中心的服务体系和管理体系,及时解决客户问题和困难;同时根据客户用能数据合理制定功能系统的运行方案,优化全厂机组的调度,实现能源供应的智能化。

2.2.11 三维可视化数字档案系统

建立设备台账及资产数据库,并通过能源站标志编码和三维设备绑定,实现设备台账的可视化及模型和属性数据的互查、双向检索定位,改变传统的以卷宗、图纸为载体的设备基础信息管理模式,信息的集成度更高,在查询过程中体现方式也更加直观。使用户能够快速找到相应的设备,并查看设备对应的现场位置、所处环境、关联设备、设备参数等真实情况。通过三维驱动引擎将三维设备模型与主要设备属性及设备相关文档的关联,形成三维数字化档案。数据全面涵盖工厂结构、属性、设备关联关系等各种业务结构化数据,以及记录、规范、工程图纸、程序、报告、电子邮件、设计和许可文档等非结构化数据等。

2.2.12 三维可视化在线智能培训仿真系统

通过三维数字化设计,建立虚拟能源站模型,对主、辅设备进行高精准的三维建模,实现从外形到内部结构各个方面与设备高度吻合。从而实现三维立体的展示整个工厂物理分布情况及设施的运行状态。通过全厂可视化导航与漫游、可视设备拆解与组装,以及工艺流程仿真和设备原理培训等功能,为检修人员打造直观生动的三维可视化作业指导,以提高工作效率。通过建立高精度3D设备模型数据库,在3D引擎平台的支持下,进行人机交互式训练及展示模型“从整到零,从零到整”拆解过程,从而帮助培训对象深化对设备结构的掌握程度,为其在以后设备维修作业中提供形象化的理论支持。

通过动画和特效,制作出工艺系统中设备运转、介质流动等效果,并和实时数据形成联动,实现工艺系统实时的三维工艺流程演示,实现能源站人员对流程工艺的立体化的学习。

3 结束语

以传感测量、物联网、大数据、云平台等为技术支撑,建设智能化的分布式能源站,实现科学、高效的企业经营管理具有重大意义。本文简要介绍分布式能源站智能化建设的现实需求、基本方案和整体架构,希望能为分布式能源站智能化建设提供借鉴。

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