傳統(tǒng)電廠的數(shù)字化建設(shè)

1、傳統(tǒng)電廠的數(shù)字化建設(shè)-機(jī)電論文傳統(tǒng)電廠的數(shù)字化建設(shè)韓平1張戰(zhàn)強(qiáng)2舒茂龍2張凱3方海泉4（1神華國能集團(tuán)有限公司科技信息環(huán)保部，中國北京100033；2神華國能寧夏煤電有限公司，寧夏銀川750409；3.航天神潔寧夏環(huán)?？萍加邢薰荆瑢幭你y川750001；4.北京信息控制研究所，中國北京100048）【摘要】分析了數(shù)字化電廠的定義、特點(diǎn)和體系結(jié)構(gòu)，明確了傳統(tǒng)電廠向數(shù)字化電廠發(fā)展需建設(shè)的內(nèi)容，闡述了傳統(tǒng)電廠數(shù)字化建設(shè)面臨的問題和建設(shè)方法，其中建設(shè)方法包括生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)字化、生產(chǎn)管理及經(jīng)營決策的數(shù)字化，提出傳統(tǒng)電廠數(shù)字化建設(shè)需分階段實(shí)現(xiàn)的設(shè)想，重點(diǎn)介紹了分散控制系統(tǒng)（DCS）一體化建設(shè)，并給出了兩個電廠

2、DCS改造的成功案例。關(guān)鍵詞數(shù)字化電廠；DCS改造；廠級DCS作者簡介：韓平，神華國能集團(tuán)有限公司科技信息環(huán)保部，高級工程師，從事火力發(fā)電集團(tuán)科技信息環(huán)保管理工作。0引言對于已建成并運(yùn)營了一定年限的火力發(fā)電廠（稱為傳統(tǒng)電廠），為了提高其發(fā)電效率、降低發(fā)電成本，需要運(yùn)用系統(tǒng)論方法，把電廠的數(shù)字化建設(shè)進(jìn)行逐層剖析，從整體出發(fā)進(jìn)行設(shè)計，使電廠數(shù)字化建設(shè)全面有序展開，提升整個電廠運(yùn)營效率。1數(shù)字化電廠的概念數(shù)字化電廠的定義大致可分為兩類：一類是狹義的、淺層次的、初級的，即認(rèn)為數(shù)字化電廠就是指電廠生產(chǎn)，乃至管理的數(shù)字化，只要電廠監(jiān)控系統(tǒng)（包括現(xiàn)場儀表）和管理系統(tǒng)的各個層面都實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化,就認(rèn)為建成了數(shù)字

3、化電廠；而另一類是廣義的、深層次的、高級的，即認(rèn)為數(shù)字化電廠包括電廠設(shè)計、建設(shè)、營運(yùn)、管理等電廠全生存周期各個過程的數(shù)字化，重要的是應(yīng)建立有電廠的數(shù)字模型，并充分利用系統(tǒng)集成、專家系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)等現(xiàn)代信息處理和管理決策技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電廠管控真正意義上的信息化、智能化，最大限度地達(dá)到電廠安全、高效、環(huán)保的運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)際上，后一種定義更為全面、系統(tǒng)，也與國際上主流的數(shù)字化工廠觀點(diǎn)相吻合。1從電廠生存周期全過程綜合來看，電廠的數(shù)字化不僅體現(xiàn)在建立有相應(yīng)的數(shù)字化電廠模型，而且也應(yīng)包括在其各個生存過程的數(shù)字化，即電廠規(guī)劃和設(shè)計的數(shù)字化、電廠建設(shè)的數(shù)字化、電廠運(yùn)行的數(shù)字化、電廠運(yùn)營管理的數(shù)字化等各個層面，如此

4、才可稱得上是全面的數(shù)字化電廠。2數(shù)字化電廠體系結(jié)構(gòu)通過對發(fā)電企業(yè)管控一體化模型的研究并結(jié)合火力發(fā)電廠的特征，將數(shù)字化電廠分為四個層次、四個支持系統(tǒng)的數(shù)字化電廠層次結(jié)構(gòu)模型。數(shù)字化電廠的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。2四個層次分別是：現(xiàn)場設(shè)備層、廠級監(jiān)控層、生產(chǎn)管理層、經(jīng)營決策層。四個支持系統(tǒng)分別是：數(shù)據(jù)庫支持系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)支持系統(tǒng)、三維模型支持系統(tǒng)、電廠標(biāo)識系統(tǒng)KKS。3傳統(tǒng)電廠數(shù)字化建設(shè)面臨的問題傳統(tǒng)的設(shè)計模式與數(shù)字化設(shè)計的要求相差很遠(yuǎn)由于傳統(tǒng)的設(shè)計機(jī)制沒有針對數(shù)字化電廠的特點(diǎn)進(jìn)行提升和變革，加之由于設(shè)計人員的設(shè)計理念還局限于傳統(tǒng)電廠的設(shè)計,沒有深入理解數(shù)字化電廠的特點(diǎn)，造成數(shù)字化電廠設(shè)計的目的僅僅

5、是數(shù)據(jù)共享和實(shí)時可查。由于采用的應(yīng)用軟件平臺不同，缺乏規(guī)范統(tǒng)一性使大量的有用信息無法真正共享造成資源浪費(fèi)。5軟件不能合理利用盲目引進(jìn)造成浪費(fèi)近幾年隨著國外設(shè)備的引進(jìn)，有些電廠就像引進(jìn)設(shè)備那樣來引進(jìn)軟件，沒有對整個電廠的信息系統(tǒng)進(jìn)行總體規(guī)劃使數(shù)據(jù)傳遞不暢，結(jié)果使引進(jìn)的軟件不能發(fā)揮應(yīng)有的作用。同時由于沒有系統(tǒng)規(guī)劃,還造成了許多軟件功能的重復(fù)，引起數(shù)據(jù)冗余,造成浪費(fèi)。企業(yè)技術(shù)人員缺乏國內(nèi)的不少企業(yè)已經(jīng)引入了國外先進(jìn)的軟件，但是技術(shù)人員缺乏，不能使軟件功能最為有效的發(fā)揮成為一個不可回避的問題。其他問題在現(xiàn)在的數(shù)字化電廠中,還普遍存在系統(tǒng)目標(biāo)不明確，系統(tǒng)規(guī)劃不合理，以及設(shè)計階段缺少統(tǒng)一的編碼等問題。4傳

6、統(tǒng)電廠數(shù)字化建設(shè)方法全面實(shí)現(xiàn)電廠數(shù)字化工作，在國內(nèi)外均處于剛起步階段，對于20世紀(jì)90年代建設(shè)的傳統(tǒng)電廠的數(shù)字化建設(shè)，建議分階段進(jìn)行，第一階段是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)字化，包括全廠DCS一體化、智能保護(hù)及智能安防、一鍵啟?？刂葡到y(tǒng)、無人值守、升壓站監(jiān)控系統(tǒng)、智能化調(diào)度，重點(diǎn)是對分散控制系統(tǒng)（DCS）進(jìn)行升級改造，建成全廠DCS一體化，也稱為廠級DCS。第二階段是生產(chǎn)管理與經(jīng)營決策數(shù)字化。生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)字化廠級DCS的概念廠級DCS是在各單元機(jī)組、公用、輔控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，設(shè)置一個整合統(tǒng)一的控制網(wǎng)絡(luò)平臺，它實(shí)現(xiàn)對廠內(nèi)所有生產(chǎn)系統(tǒng)的監(jiān)視和控制。在廠級DCS控制平臺上可根據(jù)實(shí)際情況引入故障診斷、智能設(shè)備狀態(tài)管理

7、、振動分析系統(tǒng)、煤質(zhì)在線分析、鍋爐壽命在線監(jiān)測及管理等專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高級智能監(jiān)控、智能保護(hù)和智能管理任務(wù)。3廠級DCS設(shè)置全功能操作員站，全能值班員可根據(jù)權(quán)限通過任一全功能操作員站實(shí)現(xiàn)對各機(jī)組及公用系統(tǒng)的監(jiān)視和操作，使一人監(jiān)控全廠，在技術(shù)上成為可能。同時，各單元機(jī)組及公用、輔助系統(tǒng)的各自正常監(jiān)視和操作也不會受到影響。由于廠級DCS網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)作用，在正常情況下，各單元及公用控制網(wǎng)絡(luò)的操作員站還能實(shí)現(xiàn)交叉監(jiān)視和操作，便于在某些特定情況下實(shí)現(xiàn)運(yùn)行人員與人機(jī)接口設(shè)備的資源整合。DCS改造案例1)案例1大唐洛陽首陽山發(fā)電廠3號機(jī)組為國產(chǎn)300MW發(fā)電機(jī)組，于1995年10月投產(chǎn)運(yùn)行，熱控系統(tǒng)主要由四部分組

8、成，其中，主控系統(tǒng)為ABB公司的INFI-90控制系統(tǒng)；給水泵小汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)(MEH)為西屋公司的WDPF-口控制系統(tǒng)；汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)。川為日立公司的HITACHI-3000控制系統(tǒng)；旁路控制系統(tǒng)(BPC)為西門子公司的TELEPERM-ME控制系統(tǒng)，各系統(tǒng)之間采用硬接線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。4改造原因：這幾個系統(tǒng)采用的是上世紀(jì)80年代末DCS的設(shè)計思想，硬件龐大,功能雖然在當(dāng)時比較先進(jìn)，但現(xiàn)在已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。四大子系統(tǒng)采用不同廠家的控制系統(tǒng)，相互獨(dú)立，接口復(fù)雜，子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換采用硬接線方式，數(shù)據(jù)及記錄不能自由共享，也沒有能參考的統(tǒng)一時間標(biāo)簽，進(jìn)行事故分析時極為不便。另外還有系統(tǒng)設(shè)備老化

9、、硬件及軟件設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障等原因，需對系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。改造方案：取消原DEH、MEH、BPC三個子系統(tǒng)，整個DCS在原INFI-90系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行一體化升級改造，采用ABB公司最新推廣的IndustrialITSymphony系統(tǒng)替換原有系統(tǒng)，只更換非INFI-90系統(tǒng)的控制電纜及原INFI-90系統(tǒng)中極少數(shù)重要信號的電纜。改造效果：經(jīng)過改造實(shí)現(xiàn)了DCS、DEH、MEH、BPC、ETS、METS一體化，消除了不同系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)共享、時鐘同步等問題。一體化后，原本需要分別進(jìn)行管理的四大子系統(tǒng)可統(tǒng)一管理，極大減輕了熱工人員的維護(hù)工作量。2)案例2浙江北侖發(fā)電廠的一期二臺機(jī)組分別于1991年10月

10、和1994年11月建成投產(chǎn),其控制系統(tǒng)采用的是美國ABB公司1984年推出的MOD-300分散控制系統(tǒng)，是國內(nèi)較早采用DCS控制的機(jī)組之一。#1機(jī)組MOD-300分散控制系統(tǒng)包含機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(CCS)、燃燒器控制系統(tǒng)(BCS)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)、人機(jī)接口系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(完成數(shù)據(jù)存儲、打印功能)、事故追憶(SOE)、SCS網(wǎng)關(guān)接口等子系統(tǒng)。改造原因：一是系統(tǒng)設(shè)備明顯老化，可靠性大為降低，故障發(fā)生的頻度增大；二是備品備件購買困難,由于計算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展,國外的控制系統(tǒng)不斷進(jìn)行升級換代,老的控制系統(tǒng)備品備件不再生產(chǎn),現(xiàn)在MOD-300控制系統(tǒng)的顯示器、網(wǎng)關(guān)處理器、M/A站、I/O卡件等

11、一些備品已無處購買。改造方案：對DCS進(jìn)行徹底改造，采用上海西屋公司的OVATION系統(tǒng)。改造效果：原來吹灰系統(tǒng)的控制由ABB公司的PLC實(shí)現(xiàn)，本次改造設(shè)計了DCS與吹灰PLC之間的通訊接口，通過DCS操作員站對吹灰系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制。OVATION系統(tǒng)提供了一個與MIS系統(tǒng)的接口，為了保證DCS的安全性，在MIS系統(tǒng)一側(cè)專門配備了物理隔離設(shè)備和防火墻。對集控室布局進(jìn)行改造，將原來#1、#2機(jī)組獨(dú)立的集控室合二為一，即把#2機(jī)組的集控室并到#1機(jī)組來，以便于管理。智能保護(hù)及智能安防智能保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)保護(hù)邏輯的智能化，提高保護(hù)信號的可靠性，增強(qiáng)保護(hù)系統(tǒng)對不同工況適應(yīng)性。同時在現(xiàn)場設(shè)備數(shù)字化基礎(chǔ)上完

12、善了設(shè)備狀態(tài)管理功能后可引入相應(yīng)的專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能事故預(yù)測預(yù)控，切實(shí)提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性，確保安全運(yùn)行。安防系統(tǒng)采用數(shù)字化和智能化的前端監(jiān)控檢測設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸圖像和數(shù)據(jù)，保證了監(jiān)控畫面的品質(zhì)，提高了信號的及時性和準(zhǔn)確性，通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)聯(lián)動，為運(yùn)行設(shè)備的安全運(yùn)行及電廠的安全保衛(wèi)提供保障。一鍵啟停技術(shù)與應(yīng)用一鍵啟?？刂葡到y(tǒng)（即：機(jī)組自啟停控制系統(tǒng)，簡稱APS系統(tǒng)）可以使機(jī)組按照規(guī)定的程序進(jìn)行設(shè)備的啟停操作，不僅大大簡化了操作人員的工作，減少了出現(xiàn)誤操作的可能，提高了機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性，同時也縮短了機(jī)組啟動時間，提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益?？焖贉?zhǔn)確的機(jī)組啟動縮短了機(jī)組啟、停設(shè)備時間，優(yōu)化

13、的控制策略降低了啟停過程中的煤耗和油耗，提高了機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益。無人值守及運(yùn)行優(yōu)化通過光纖通訊、無線通訊等先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)全廠一點(diǎn)監(jiān)控，取消了輸煤、除灰、水務(wù)、脫硫、電除塵等監(jiān)控點(diǎn)，生產(chǎn)現(xiàn)場無人值守，大量減少了運(yùn)行值班人員。通過實(shí)施低負(fù)荷下機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化措施（包括機(jī)組滑壓參數(shù)優(yōu)化、機(jī)組冷端運(yùn)行優(yōu)化、輔機(jī)運(yùn)行方式優(yōu)化等），提高機(jī)組的整體效率和整體經(jīng)濟(jì)效益，對當(dāng)前的節(jié)能減排工作具有重要的意義。數(shù)字化的升壓站監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字化升壓站控制系統(tǒng)以一次設(shè)備信息數(shù)字化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化和統(tǒng)一的信息平臺為基礎(chǔ)，通過采用先進(jìn)的傳感器、電子、信息、通信、控制、人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)升壓站設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、程序化自動運(yùn)

14、行控制、設(shè)備狀態(tài)檢修、運(yùn)行狀態(tài)自適應(yīng)、智能分析決策、網(wǎng)絡(luò)故障后的自動重構(gòu)以及與調(diào)度中心信息的靈活交互等功能，實(shí)現(xiàn)一、二次設(shè)備監(jiān)控的數(shù)字化、運(yùn)行管理的數(shù)字化。智能化調(diào)度智能電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)在節(jié)能減排、適應(yīng)新能源接入、工業(yè)化和信息化深度融合等方面提出了更高的要求。電網(wǎng)智能調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)通過對電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)視、分析與仿真，采用智能化、數(shù)字化的手段自動跟蹤電網(wǎng)及電廠的變化情況，從而及時準(zhǔn)確、快速地解決電網(wǎng)及電廠運(yùn)行過程中的各種問題。電廠作為電網(wǎng)智能調(diào)度的對象之一，應(yīng)滿足電網(wǎng)調(diào)度的要求，適應(yīng)電網(wǎng)智能化調(diào)度運(yùn)行的需要。生產(chǎn)管理及經(jīng)營決策的數(shù)字化圖2是某一火力發(fā)電廠電廠信息系統(tǒng)大的框架，每個功能模塊下有大

15、量子模塊。（1）通過生產(chǎn)和設(shè)備管理系統(tǒng)，加強(qiáng)對全廠設(shè)備的監(jiān)控和管理，加強(qiáng)設(shè)備的缺陷管理，提高設(shè)備維修的有效性和經(jīng)濟(jì)性，延長設(shè)備使用壽命，提高設(shè)備可利用率，縮短檢修工期和降低檢修成本；（2）通過經(jīng)營管理系統(tǒng)，對全廠運(yùn)行和管理的成本實(shí)行動態(tài)的跟蹤分析以達(dá)到降低原材料消耗，減少運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，控制生產(chǎn)成本的目的，并及時向領(lǐng)導(dǎo)提供輔助決策信息，幫助領(lǐng)導(dǎo)做出正確決策，以適應(yīng)市場競爭的環(huán)境對領(lǐng)導(dǎo)的快速決策提出的更高的要求，同時也為競價上網(wǎng)和開展電子商務(wù)創(chuàng)造條件；（3）通過辦公管理系統(tǒng)，建立一個功能完善、使用便利和高度共享的管理系統(tǒng)，達(dá)到提高工作效率、減少管理人員，促進(jìn)管理現(xiàn)代化的目的；（4）通過電廠決策支持系統(tǒng)，及時向領(lǐng)導(dǎo)提供輔助決策信息，幫助領(lǐng)導(dǎo)做出正確決策，以適應(yīng)市場競爭的環(huán)境對領(lǐng)導(dǎo)的快速決策提出的更高的要求；（5）建立一個基于企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)和大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、能充分支持電廠各種應(yīng)用的先進(jìn)、穩(wěn)定和安全的計算機(jī)運(yùn)行平臺；（6）在實(shí)時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上通過數(shù)據(jù)挖掘，構(gòu)建面向數(shù)據(jù)主題的電廠數(shù)據(jù)倉庫，為電廠決策支持系統(tǒng)和高級應(yīng)用的專家系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。5結(jié)束語對傳統(tǒng)電廠進(jìn)行數(shù)字化升級改造是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要用系統(tǒng)工程技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃、頂層設(shè)計。綜合應(yīng)用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制技術(shù)和信息技術(shù)、數(shù)字化電廠的三維設(shè)計技術(shù)、現(xiàn)場設(shè)備智能化技術(shù)，才能把傳統(tǒng)電廠建成技術(shù)先進(jìn)