和利時(shí)助力用戶(hù)實(shí)現全流程智慧電廠(chǎng)建設

★杭州和利時(shí)自動(dòng)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(chǎng)1號2號機組工程（2×660MW），是第二條疆電外送線(xiàn)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(kāi)發(fā)準東煤炭資源，推動(dòng)新疆能源、經(jīng)濟環(huán)境和諧發(fā)展的綠色工程。電廠(chǎng)項目建設規模為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(shí)自動(dòng)化的HOLLiAS-MACS系統。

2　項目實(shí)施與應用介紹

陜投吉木薩爾北三電廠(chǎng)1號2號機組工程（2x660MW）智慧電廠(chǎng)項目于2020年8月簽約，2021年6月完成基礎建設，2022年12月進(jìn)行各模塊調試并完成上線(xiàn)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(shí)主機、輔網(wǎng)一體化+全廠(chǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)+全流程智慧電廠(chǎng)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(wù)平臺、智能設施應用、信息主動(dòng)安全防御”四大功能模塊。并將新一代信息技術(shù)與現場(chǎng)生產(chǎn)工藝相結合，通過(guò)人、技術(shù)、經(jīng)營(yíng)目標和管理的集成，進(jìn)而實(shí)現人機協(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，為國內火電行業(yè)全流程智慧電廠(chǎng)建設提供新的樣板案例。整體方案架構如圖1所示，模塊分區布置如圖2所示。

圖1 方案架構

圖2 模塊分區布置

2.1　和利時(shí)智能發(fā)電平臺（ICS）

ICS是全廠(chǎng)生產(chǎn)實(shí)時(shí)數據平臺和運行指揮調度中心，平臺以智能分散控制系統（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?chē)姲眱?yōu)化等先進(jìn)控制優(yōu)化應用，覆蓋了發(fā)電工藝的全流程。實(shí)現在極少人干預的情況下，讓系統實(shí)現精確感知、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(shí)智能發(fā)電控制平臺中的智能尋優(yōu)系統結合先進(jìn)的人工智能與控制技術(shù)，通過(guò)智能算法+機理復合建模，搭建動(dòng)態(tài)標桿值數據庫體系，使用大數據技術(shù)挖掘機組歷史最優(yōu)工況進(jìn)行尋優(yōu)；運用新型仿真模型技術(shù)建立數字孿生體模型進(jìn)行在線(xiàn)尋優(yōu)；使用操作量化技術(shù)實(shí)時(shí)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(dòng)強度。在火電廠(chǎng)運行優(yōu)化方面，采用聚類(lèi)與概率密度統計相結合的多維度邊界劃分方法，通過(guò)數據與機理復合建模技術(shù)，建立動(dòng)態(tài)標桿值數據庫體系，以構建一套普適有效的全廠(chǎng)實(shí)時(shí)操作指導機制。實(shí)現了火電廠(chǎng)運行經(jīng)驗數字化轉化、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峰頻繁、燃料多變和環(huán)境溫度差異大的現狀，以及傳統火電廠(chǎng)普遍存在的設計、制造和運行等方面的缺陷和問(wèn)題，和利時(shí)智能發(fā)電控制平臺研發(fā)了智能控制優(yōu)化系統，通過(guò)采用理論分析、實(shí)驗研究以及數值模擬等方法，建立基于單元過(guò)程的火電機組熱力設備計算模型，獲得深度調峰工況及瞬態(tài)過(guò)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多因素耦合工況及機組快速升、降負荷等典型瞬態(tài)過(guò)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(shí)變特性，從設計、運行及余熱深度回收利用等三個(gè)方面建立火電機組熱力系統全工況優(yōu)化與能耗控制策略。作為實(shí)現機組安全經(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(shí)可以提高電廠(chǎng)在生產(chǎn)運行中的效率和安全性。參數波動(dòng)趨勢界面如圖4所示。

圖4 參數波動(dòng)趨勢界面

2.2　和利時(shí)智慧管理服務(wù)平臺（ISS）

ISS平臺將應用系統、數據資源、網(wǎng)絡(luò )資源進(jìn)行集成，打通全廠(chǎng)數據通道，消除信息孤島，建立全廠(chǎng)數據中心；ISS平臺是企業(yè)信息資源統一訪(fǎng)問(wèn)的入口，實(shí)現統一的“人的集成、界面集成、流程集成、業(yè)務(wù)集成、消息集成、應用集成”?；谄脚_建設智慧巡檢、智能設備在線(xiàn)監測、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(yíng)管理應用，“平臺+應用”的管控一體化模式，大大提升了企業(yè)的數字化、智能化。和利時(shí)智慧管理服務(wù)平臺界面如圖5所示。

圖5 和利時(shí)智慧管理服務(wù)平臺界面

和利時(shí)以“設備智能運維”為核心，結合大數據、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)電構建了一套集智能點(diǎn)巡檢、機器人巡檢、設備在線(xiàn)監測等功能融合于一體的大型火電廠(chǎng)智能運維管控平臺。其開(kāi)放、共享、互通的智能設備運維體系，幫助電廠(chǎng)實(shí)現了設備的高度互聯(lián)、設備狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測、設備故障智能分析，最終完美達到設備巡檢全過(guò)程的智能控制、全系統的數據融合、以及全生命周期的高效管理。在陜投吉木薩爾智慧電廠(chǎng)對和利時(shí)“智能設備運維體系”的應用，進(jìn)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(shí)智慧運平臺建設覆蓋電廠(chǎng)安全、運行、設備、應急、經(jīng)營(yíng)、營(yíng)銷(xiāo)、燃料、物資、風(fēng)險、行政管理等業(yè)務(wù)的管理體系，實(shí)現對全廠(chǎng)設備資產(chǎn)數字化、可視化、智能化的監控與管理，以及生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)各環(huán)節的智能預測、智能分析、智能診斷及智能決策。智能生產(chǎn)應用以數據為核心資產(chǎn)，以積累有效數據的重要支撐，在管理層面消除電廠(chǎng)信息孤島，實(shí)現業(yè)務(wù)和信息、數據高度統一，使企業(yè)內部協(xié)同達到高水平，最大程度夯實(shí)管理，發(fā)揮管理價(jià)值和效益。

和利時(shí)部署的智能安防一體化平臺，將北三電廠(chǎng)已建成智慧門(mén)禁、AI視頻、電子周界防護、環(huán)境監控等安防實(shí)況進(jìn)行集成，實(shí)現系統間“一點(diǎn)觸發(fā)、全面聯(lián)動(dòng)”，形成預防、監控、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(chǎng)深度融合提供研發(fā)、集成測試與應用示范的一站式服務(wù)。

3　項目創(chuàng )新性和建設意義

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

采用與常規DCS一體化的智能DCS，集成到原DCS畫(huà)面中，消除“黑匣子”，實(shí)現維護透明化和持續擴展優(yōu)化能力。智能控制環(huán)境、智能計算環(huán)境、數據分析環(huán)境和開(kāi)放的應用開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)現智能檢測、智能控制、智能運行、智能監控等功能；系統安全性更高，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、大數據尋優(yōu)、模糊預測等先進(jìn)算法實(shí)現對機組運行狀態(tài)的整體評估，通過(guò)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(shí)現人機協(xié)同監盤(pán)。通過(guò)能耗實(shí)時(shí)計算，經(jīng)過(guò)多目標尋優(yōu)等智能控制算法及策略，對機組進(jìn)行高品質(zhì)控制，保持全局的最優(yōu)狀態(tài)，實(shí)現生產(chǎn)過(guò)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(wù)平臺，實(shí)現全流程協(xié)同辦公

平臺改變傳統數據中心信息條塊分割，消除信息孤島，實(shí)現數據的標準化、統一化、一體化，管理數據資產(chǎn)，實(shí)現資產(chǎn)數字化移交，內部信息共享與集成，數據統計分析；建立有效的信息可視化模型，為用戶(hù)提供自主創(chuàng )新開(kāi)發(fā)手段和按需部署應用的環(huán)境，具備自動(dòng)化和信息化結合的分析決策功能，為管理決策提供有力保障，真正實(shí)現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)現場(chǎng)巡檢工作模式

使用機器人+視頻圖像結構化技術(shù)，實(shí)現關(guān)鍵區域巡檢及故障預警，智能機器人對關(guān)鍵區域巡檢（輸煤、制粉、變壓器、GIS室、汽機、化水車(chē)間、脫硫等），對設備狀態(tài)識別，對設備表盤(pán)和狀態(tài)燈等設備讀取，發(fā)生異常自動(dòng)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(dòng)識別。

（4）通過(guò)創(chuàng )建基于綜合最優(yōu)工況判別技術(shù)下的動(dòng)態(tài)標桿值數據庫體系，實(shí)現運行動(dòng)態(tài)過(guò)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(shí)現運行操作量化評價(jià)，對運行操作指導與科學(xué)評價(jià)。通過(guò)對DCS系統參數的實(shí)時(shí)分析，輔助運行人員定時(shí)巡盤(pán)，監視設備運行可靠性和系統運行的經(jīng)濟性。

（5）基于大數據的管理駕駛艙，實(shí)現一站式輔助決策

智慧管控平臺通過(guò)對數據進(jìn)行抽取、清洗、聚類(lèi)、挖掘、預測等處理來(lái)產(chǎn)生可透析的展示數據，從時(shí)間、縱向和橫向等維度進(jìn)行分析，以總結歷史經(jīng)驗、預測未來(lái)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據、知識的平臺，為各級決策者在經(jīng)營(yíng)、采購、設備選型、運維效率和績(jì)效評價(jià)等方面提供輔助決策支持。

（6）構建全方位的信息主動(dòng)安全防御體系

遵循“網(wǎng)絡(luò )分區、安全專(zhuān)用，橫向隔離、縱向認證”的總體方針，融合工業(yè)控制特點(diǎn)，采用管理與技術(shù)相結合，建立覆蓋管理層、監控層、控制層與部件層，結合功能安全、信息安全、操作安全，實(shí)現貫穿設計、運行、服務(wù)等全生命周期的信息安全主動(dòng)防御體系，保障工業(yè)控制系統安全性、可用性、可靠性與穩定性。

（7）以物聯(lián)網(wǎng)+人工智能識別技術(shù)為核心，實(shí)現安全風(fēng)險主動(dòng)預控

在電廠(chǎng)范圍內建立廠(chǎng)區視頻、身份識別、門(mén)禁控制、電子圍欄、人員定位、人臉識別等功能，以可靠、適用、開(kāi)放、擴展為原則，和三維可視化技術(shù)相結合，構建三維智能安防平臺，實(shí)現電廠(chǎng)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(xué)習的技術(shù)，實(shí)現設備早期預警與診斷

整合全廠(chǎng)智能診斷中心，對主機及主要輔機采用可視化的狀態(tài)監測及故障預警診斷系統，基于多變量狀態(tài)空間故障診斷技術(shù)，根據設備機理及內在多參數的內在關(guān)聯(lián)性，實(shí)現多變量狀態(tài)空間上的設備運行狀態(tài)自學(xué)習。

4　項目效益分析

全部主要業(yè)務(wù)利用370個(gè)標準流程作為載體進(jìn)行處理，導入433個(gè)法律法規、行業(yè)標準、公司制度，設計標準工作表單超過(guò)2955張，實(shí)現90%工作流程標準化，各類(lèi)工作審批流轉效率提升90%以上，日常工作報表標準化覆蓋率達到90%以上，基本實(shí)現業(yè)務(wù)管理的流程化、標準化、數據化、信息化。具體如下：

·利用設備運行智能化，基本實(shí)現減員增效目標。實(shí)現減員7人，升壓站、輸煤棧橋實(shí)現無(wú)人巡檢，實(shí)現設備巡檢工作少人化、無(wú)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(shí)。鍋爐效率提升約0.15%~0.2%。

·投入二次風(fēng)門(mén)的自動(dòng)，改善了燃燒狀態(tài)，解決了兩側汽溫偏差大問(wèn)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(lèi)型機組廠(chǎng)用電率最低：采用1臺100%容量的汽動(dòng)給水泵、1臺100%容量的汽動(dòng)引風(fēng)機方案，結合智慧電廠(chǎng)燃燒調整方案較常規方案，廠(chǎng)用電率降低至3.94%，全年雙機運行可節約標煤16620噸，實(shí)現增收472.38萬(wàn)元。

·全國同類(lèi)型機組應用機器人巡檢覆蓋面最廣：采用機器人自動(dòng)巡檢，覆蓋運行正常巡檢區域60%以上，100%覆蓋環(huán)境惡劣、危險性高、巡檢頻繁區域，切實(shí)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，極大提高現場(chǎng)運行安全性。

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年10月刊