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智能发电运行控制技术

2020-01-14
来源: 礼德动力
  我国的能源消费总量连续多年位居世界前列,据国家统计局初步核算,2017年能源消费总量为标准煤44.9亿t,比2016年增长2.9% 。其中传统煤炭的消费比重为60.4%,在国民经济中仍占据重要地位。针对我国逐年上涨的能源需求,以及提高能源利用率和减轻环境污染的发展战略,2015年国家战略《中国制造2025》发布,与发电行业密切相关的制造业明确提出要“以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线,以推进智能制造为主攻方向”,基于信息物理系统的智能装备、智能工厂等智能制造正在引领制造方式变革,并通过“三步走”实现制造强国的战略目标。2016 年我国在《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》
  
  中明确提出促进能源和信息深度融合以及“智慧建设”“智能发电”的概念。
  
  通过近些年信息技术、通信技术、计算机技术和控制技术的不断发展,国内的各个发电厂在不同程度上完成了数字化和信息化改造,但也必须清醒地认识到现在的数字化和信息化发电厂离真正的智能化电厂还存在一些差距,主要反映在以下5个方面。
  
  1)安全生产要求日趋严格,现有电厂安全管理手段不能满足安全生产要求。现阶段,主要依靠管理制度和人员监督进行安全生产管理,对人员的主观意识依赖性较强。随着工业信息化逐渐深入,工控系统信息安全要求越来越高,系统自身信息安全防护能力需要全面提升,才能避免出现安全生产问题。
  
  2)生产控制环节仅停留在数字化和信息化阶段,现代智能技术应用不多。当前外部负荷需求多变,要求火电机组大量参与深度负荷调节,复杂工况下锅炉燃烧、风烟、汽水、环保等分系统的运行适应性不能满足要求。关键参数控制品质差已成为制约当前机组灵活调峰能力的重要因素,而灵活性正是火电机组智能化的重要组成部分。生产控制环节的智能化直接关系火电机组的运行效能。
  
  3)基础设备和机组控制设备的数字化、智能化程度不够,无法满足数据分析与数据挖掘需求。
  
  智能传感器和智能调节机构数量的不足,导致对重要设备的检测控制过于粗放。发电厂内仍然存在大量自动化、信息化孤岛,各系统的运行数据和信息难以在厂区范围内顺畅流动。数据资源分散,缺乏连贯性,管理与运行人员很难从冗杂的数据中得到有用的信息并做出正确决策。
  
  4)燃料管理方面,现代智能技术应用较少,控制水平与管理水平尚有较大提升空间。火电厂燃料主要以煤炭为主,燃料成本占火电厂总成本的,火电厂燃料管理在燃料入厂斗轮机无人控制堆取物料、运煤信息自动采集、汽车运煤实时检测煤质、精准配煤等方面均需要进一步实现智能化管理。随着高科技、智能化的发展,使用智能监控辅助人工生产,智能化管控企业生产中的相关细节,跟踪实时数据,可以有效减少危险发生,优化生产过程,提高工作效率。
  
  5)企业经营管理方面,全局数据分析与最优资源配置能力尚待完善。发电企业的经济效益是企业运营的核心内容。随着电力体制改革的不断深入,国家去产能政策等影响,发电企业经营管理也面临严峻形势,急需建设智能化利润分析及决策系统,提升管理水平,降本增效,提高企业竞争力。
  
  因此,建设更加清洁、高效、可靠的智能火电厂是传统燃煤电厂在电力行业新形势下发展的必然趋势,也是新时代智能火电厂建设的必然要求。
  
  充分运用大数据、云计算、物联网、移动应用、人工智能等技术,将电力工业技术与电子信息技术、企业管理技术高度融合,使发电生产实现自学习、自适应、自趋优、自恢复、自组织,促进电力生产更安全、更高效、更清洁、更低碳、更灵活,进一步提升质量效益,增强核心竞争力。
  
  1 智能发电运行控制技术特点现阶段大数据、云计算、物联网、移动应用、人工智能等技术的应用正处于蓬勃发展阶段,然而发电厂运行控制仍处于最基本的数字化和信息化阶段,并没有有效地利用当今不断发展的新技术,发电厂智能化还处于较低的水平。结合当前我国火电机组的现状和当前智能化发展,所谓智能发电运行控制技术应具备以下特点:
1)应整合全厂的生产过程数据,提供全厂一体化监控的基础平台。广泛收集过程数据并进行集中高效地存储、梳理和通用计算,为生产过程深度分析及指导全厂运行控制提供统一的数据基础;
2)应在全厂统一的数据平台上,提供丰富的智能算法及其应用环境供运行控制调用,能完成包含机器学习、能效计算、运行优化、智能控制等各种生产环节的计算,并且能够提供数据分析训练;
3)应在底层控制器和上层应用软件层面均提供高度开放的接口供第三方调用。这样可使其更加专注于专业技术核心功能的研究,并充分保护其知识产权,推动先进技术研究的良性发展。
  
  2 智能发电运行控制技术架构智能发电运行控制技术架构如图 1 所示,可以用“1、2、3”来概括。
  
  “1”是指一套统一的底层生产数据汇聚和计算中心。由一套高性能实时历史站为核心,搭配多台计算服务器形成集群计算架构,对全厂生产实时数据、环境数据、工业物联数据、设备资料信息等感知信息进行统一高效地梳理、存储和发布,为智能分析和控制打好坚实基础。
  
  “2”是指两大技术序列,分别是“先进控制技术序列”和“数据分析技术序列”。前者采用经典和现代控制理论和技术,完成生产过程的机理分析、建模和先进控制;后者采用智能数据分析算法,如数据挖掘、机器学习、深度学习算法等,从数据分析角度对机组运行工况进行建模和深层信息提取,给出基于数据驱动的优化建议。
  
  “3”是指三大功能群组,分别是“智能诊断与预警功能群”“智能运行与控制优化功能群”“智能安全管控功能群”。“智能诊断与预警功能群”主要提供机组运行中系统或设备的状态监测、故障诊断、故障根源分析与预警的一套智能化功能群组,保障机组运行的高可靠性;“智能运行与控制优化功能群”主要提供对机组运行过程的智能分析、智能优化指导和先进控制,研究如何“让更少的煤发更多的电”;“智能安全管控功能群”主要采用现代智能技术手段有效识别存在的危险因素,防止操作失误,规避潜在风险,让技术保障成为安全管控的有力工具,进一步提升安全管理水平。
  智能发电运行控制技术
  图 1 智能发电运行控制技术架构
 
3 智能发电运行控制技术应用
3.1 智能诊断与预警当前,机组大型化和复杂化,加之报警系统设计随意性较大,产生的报警数据中存在大量的冗余和虚假信息,成为无效的滋扰报警,而真正有效的报警信息淹没其中,异常情况发生时运行人员无法第一时间发现报警和定位报警源头,或者报警信号产生时留给运行人员应急处理时间太短,造成非停事故。
  
  为了提高火电机组报警的可靠性、智能性、易用性,北京国电智深控制技术有限公司设计并研发了一套适于现有火电机组的智能报警系统(图 2)。
  
  其主要通过自动或者运行人员手动抑制一些无效的冗余滋扰报警(图 3),将真正有效的报警体现出来。并通过数据训练得到重要参数的标准值,对参数进行预警,使运行人员能够提前发现异常。高效智能化的报警系统能确保报警的展现方式和负荷不超过运行员的处理能力,有助于操作人员快速识别关键报警,及时采取积极的措施。
 智能发电运行控制技术 
图 2 智能报警系统界面
图 3 冗余滋扰抑制界面
智能报警系统还可以利用机器学习算法进行分类、回归、聚类等数据模式识别,利用因果图、知识图谱技术实现故障诊断与异常状况的根源自动分析,依靠服务器的超强计算能力覆盖大范围数据,为运行员提供全面解读特征信息的可能性,实现基于数据的智能报警和预警。应用智能报警系统,电厂关键设备的运行状态、关键参数的实时值、变量趋势由智能算法实时监控,在无需提高运行员经验值和反应速度的前提下大幅提升对故障工况的预测、识别、定位、处理能力,显著提高机组的监控品质。智能报警系统投运后,以330MW机组为例,预计能为机组每年减少 1~2 次非停损失,为电厂减少约 200 万元/年的停机损失。
 
3.2 机组能效实时分析和智能操作指导在生产实时控制层面,配置机组在线能效实时分析和性能诊断、智能操作指导功能。采用基于机组汽水分布方程、系统功率方程、系统吸热方程等系统工程计算方法,以及热力学机理建模仿真配合数据驱动校正的混合建模方法,建立全面、精确、直观地反映厂级、机组级、分系统级、设备级的多层次立体式能效分析体系,直观展示从机组到设备的性能指标和能损分布状况(图 4),明确给出不同工况下的节能降耗潜力和最佳控制目标。
  智能发电运行控制技术
  图 4 机组性能指标界面
以能效计算结果为基础,系统应用数据挖掘、机器学习和自寻优算法,实时给出当前工况下的最优操作目标值和最优运行方式,推荐给一线运行人员,同时还可应用智能语音运行助手的方式,提高人机交互的智能化水平。
  
  智能操作指导可提供制粉、燃烧、蒸汽温度、吹灰、喷氨、冷端系统、最佳氧量以及滑压指令偏置等一系列闭环优化指导建议,运行人员可根据建议自动或手动改变控制回路设定值和运行方式,使机组能效逐步趋优。控制回路辅以系统辨识、先进控制(预测控制、自抗扰、自适应等)算法进行控制性能优化。二者结合,形成发电生产过程的“能效大闭环”过程控制,既实现控制性能优化,又减小或消除机组、设备的运行能耗偏差,使机组运行效率时刻保持最优。
  
  3.3 协调与控制优化采用先进控制算法,优化机炉协调控制策略及控制参数,提升机组主/再热蒸汽温度、主蒸汽压力控制品质和负荷响应速度,满足 AGC、一次调频、灵活性调峰的要求。采用复杂过程建模方法、软测量、广义预测、内模、系统辨识、PID 自整定等先进控制技术,结合精准能量平衡控制,自动适应不同工况、煤质及工艺系统特性的变化,增强机组宽范围的负荷调节能力和 AGC 控制的品质 [20-22] 。
  
  同时,对锅炉送风、制粉系统、主/再热蒸汽温度、吹灰、冷端系统等设计控制优化策略(图 5),全面有效提升机组运行和控制品质。
  智能发电运行控制技术
  图 5 控制优化界面
 
3.4 智能安全管控火电企业日益大型化和复杂化,为保证生产中人员和设备的安全,已在运行规程、生产管理、安全教育等环节进行了大量的归纳总结、优化完善工作,但多是依靠制度、教育和人的自觉自律。智能安全管控研究采用现代智能技术手段有效识别存在的危险因素,防止操作失误,规避潜在风险,让技术保障成为安全管控的有力工具,提升安全管理水平。
  
  信息安全管控具备网络管控、设备加固、安全审计等功能,可以提高控制系统的稳定性,杜绝控制系统因病毒、非法入侵、第三方系统故障等原因导致的故障发生,降低因控制系统问题导致的停机、降负荷等事故的发生。
  
  信息安全管控具备生产大区网络内部入侵检测、主机加固、网络结构监管、安全审计和恶意代码防护等功能,使发电厂的生产系统安全防护措施达到国家监管部门对发电企业的硬性要求。其采用主动网络信息探测和网络节点设备安全强化相结合的安防技术和方法,通过层层主动监管、整体协作,组成一个完整的多层次的网络安全系统,为智能发电平台提供安全可靠的网络运行环境,保证业务的连续性和数据安全性。通过 DCS 主机操作系统安全防护、网络边界的安全防护、DCS 网络内部的主动安全防护,构建第二代 DCS 网络安全管控平台。主要包括 DCS 专用网络安全监控平台、DCS 关键设备和节点操作系统安全加固相关产品、研发 DCS 安全审计平台。实现从操作系统到 DCS 控制器的全自主安全可控,确保 DCS 内部通信数据经过合法审核,成为具有最高等级的信息安全强化型 DCS。
  
  4 结 语
智能发电运行控制技术目的是在安全运行的前提下,保障机组高效、灵活、环保运行。其通过能效实时计算得到煤耗、热耗率、耗差、锅炉效率等性能实时指标,经过多目标寻优等算法得到最优控制目标值,为运行人员提供最优的运行指导建议,使用预测控制、系统辨识等智能控制算法及策略,对机组进行高品质的控制,保持过程全局的最优状态,由信息安全管控提供全系统的信息安全保障,最终实现生产过程的“能效大闭环”。