华婷婷燃气轮机联合循环节能高效数字化电厂-发电人

华婷婷


近年来，数字化电厂发展迅速，普遍建立了SIS/MIS网架，配置了实时数据库、故障诊断、状态检修、性能优化、设备管理等监控和管理等软件。数字化电厂是当下发展趋势，可进一步提高运行的安全可靠性，适应现代化管理的要求，减少运行维护成本，降低工程造价，在电力市场竞争中立于不败之地。

数字化电厂的定义
(1)数字化电厂是以智能P&ID及三维技术等数字化设计手段建立的虚拟化数字模型电厂为基础、以电厂自动控制系统为手段，以综合信息管理系统为运营平台的大集成，数字化电厂的先进信息技术可以归纳为：现场总线技术+三维模型+大数据平台。
(2)从电厂信息化管理者的角度出发，数字化电厂可以理解为生产数字化、管理信息化和全息可视化的综合体现，范畴覆盖生产、经营管理、安全、健康和环境等全业务范围。
数字化电厂的现状
目前国内数字化电厂建设进入新阶段，根据国内几家数字化电厂的建设情况，主要包括：企业资源基建生产一体化系统（ERP）、基建期构建及完善全厂KKS编码体系、创建二维及三维信息化模型（三维模型包括地下管网和隐蔽工程标记）、进行多专业综合碰撞检查、三维电缆敷设、实现各类材料精准统计、辅助现场基建过程施工及设计优化、最大范围采用现场总线技术、最终通过三维数字化信息管理平台移交全部的数据、模型和过程文档，并制作全厂厂区漫游视频。运维期集成智能两票系统、搭建大数据平台、虚拟仿真系统、企业云文档资料管理系统。无人机机器人工业摄像头的立体巡检系统、人员及车辆定位系统、光纤测温系统，同时通过三维数字化信息管理平台与大数据平台、视频监控、门禁、SIS、点巡检等系统的集成与各系统的数据进行关联，深度挖掘和分析利用，实现全厂数字化管理、生产和经营。
目前数字化电厂的主要特点：
三维建模+现场总线技术+大数据平台+机器人
数字化电厂结构
（1）管理决策层
在ERP系统、三维基础上开发扩展智能专家系统和辅助决策系统，主要数据来源于过程级的实时和非实时数据库，积累、汇总相关信息，进行综合分析和加工，帮助企业优化资源配置，为企业生产经营管理、人力资源信息管理、财务信息管理、设备维护管理、仓储管理、基建管理、技改及技术成果管理等提供分析报告和决策依据，本层主要相关软件为ERP。
（2）运营管理层
该曾通过数字化电厂平台，集成电厂ERP、OA等系统，以安全运行为重点，以设备检修为基础，以完成发电量为目标，计划管理、设备管理、物资管理、燃料管理、项目管理、质量管理、安全管理、财务管理、档案管理、人力资源管理，优化电厂的生产计划和策略，协调各部分运转，实现电厂高效、安全、经济运行。
其中运营管理层中的数字化电厂管理平台需实现全厂三维模型的建模工作，实现二维、三维数字化电厂基础信息模型与生产专有系统（SIS、ERP、OA、工业控制系统、门禁系统、工业电视系统、现场作业管理系统等）的信息关联管理，信息（如两票、缺陷等）能在各系统间流转。在三维平台上，按照移交规范的要求，提供所有设备、管道、结构等图纸文档资料以及音频、视频、图片等资料，汇集成完整的设备台账，按照设备、系统进行关联，方便查阅使用。以设计院提供的图纸为基础建立二、三维基础信息模型，指导现场施工管理(包括碰撞检查、电缆敷设、系统关系查询、进度管理等)。利用三维模型模拟现场的实际施工进度，动态化查看三维施工进度，以三维数字化电厂信息模型为基础，实现对电厂运维业务的支持和应用。
（3）生产监控层
此层主要通过大数据管理平台将现有SIS系统、智能设备管理平台基础上开发整合，主要功能包括收集来源于现场实时采集的数据库和历史数据库，开展设备故障诊断、设备寿命预测、机组优化监控、厂级性能计算等，SIS系统能最大程度地获得信息，有效地、经济地发挥设备、系统作用。
大数据平台
也称数据管理平台。和数字化电厂平台不同，大数据平台侧重预警分析，采集来自设备智能管理平台、SIS系统、移动终端等相关数据，各个数据源的数据格式也不相同，大数据平台可以整合设备智能管理平台的数据并对数据进行筛选、分类、整理并且经过对大量数据经过分析清理，提供给上层系统进行数据统计，通过数据挖掘，对现场设备运行状态进行预测分析。具备将电厂动态数据、静态数据、各种形态数据接入能力。
智能设备管理系统
为实现对工程设备的预防性维修而开发的系统，具有在线组态、状态检测及诊断，基本校验管理、报警监视、数据库文档自动记录、导压管堵塞诊断、阀门管理以及一些其他开放功能。
电厂点巡检系统
该系统能利用全厂WIFI及时将数据回传，具备点检数据实时传输，通讯不畅时能等待打包传输，具有历史数据、报警限值、数据曲线等查询能力。对点检路线和设备有很好的引导性。用户可根据点巡检系统访问数字化电厂数据管理平台中的全部数据信息，为现场点检提供问题排查数据基础。
DCS与工业电视联动系统
该系统获取现场设备的运行状态和生产一线的生产情况等直观信息，实现对电厂设备的日常巡视检查、现场设备操作远方双重监护、事故报警录像的要求。
摄像头、无人机、机器人立体巡检系统
通过布置工业摄像头监控、机器人及无人机形成无死角全方位立体巡检，其中无人机构建的是一个空中平台，加强对基建设备的安全检查和实时监测、航空摄影、防火、安全监控等。机器啊人巡检主要完成对发电厂内的重要设备的巡检，并自动上传数据，若检测到异常，自动报警，实现对电厂的智能化监控。机器人主要功能：智能巡检、智能识别、环境监测、远程管理、语音对讲、操作开关（取代人工进行6kV或380V开关由热备用转检修或由检修转热备用的操作）
能源使用分析系统
从海量无序数据中找到生产、经营有关数据，构建能源使用分析平台，识别能进行能源绩效改进的机会，实现精细化管理。确定能源使用种类、设备、位置等，确定各区域重要能耗设备、设施和系统清单，识别影响能源使用的因素，评价能源绩效现状(绘制全厂能流图、鱼骨图、采用数学图解方法进行评价和分析)，如公司单位产品综合能耗、中央空调机组日电耗等。识别改进能源绩效的机会，并对这些机会进行分析评价，根据重要性、可实现程度进行排序。
（4）生产过程控制层
它包括炉、机、DCS、AGC/AVC和辅助车间集中网络化的辅助车间控制系统，主要完成对设备运行实施数据的采集、转换、存储，监视、操作系统及设备，侧重点为操作和监视；形成SIS所需的数据信息，收集并上传。该层数字化电厂主要应用：机组一键启停APS、升压站监控系统NCS及厂内电气监控管理系统ECMS的数字化及一体化。
APS
一键启停是单元机组的最高级自动控制技术，是DCS所有常规子系统的统领。总体原则：机组实现从循环水、开闭式水等辅助系统启动至汽轮机并网、机组并汽的一键启动；从降负荷、退汽、解列至盘车的一键启停。
要实现APS，必然要求机、炉、电气侧蹬所有常规子系统的正确与完善，硬件设备和控制系统都能满足机组安全运行的要求，提前和主机厂家、热工逻辑设计人员、设计院、调试所等各方做好沟通工作。
升压站监控系统NCS及场内电气监控管理系统的数字化及一体化
通过电气一次设备信息数字化、二次设备网络化和统一的信息平台，实现NCS数字化，以变电站自动化系统的国际标准IEC61850通讯协议为统一信息平台，实现一、二次设备监控数字化，运行管理自动化。
电气控制系统采用升压站监控系统NCS及场内电气监控管理系统的一体化方案，其中厂内电气监控管理系统ECMS对单元机组和辅助车间所有电气设备（包括发电机、主变压器）进行监控，全厂电气系统设备不在DCS操作员上控制，而是直接在ECMS操作站实现监控。对于厂用电源系统，所有电气量全部采用通信方式接入ECMS系统进行监控，取消硬接线，电动机的监测管理信息进入ECMS，电动机的控制仍由机组DCS控制。ECMS充分运用现代网络通信技术和计算机技术最新成果，将负责信息采集、继电保护、电气控制等功能的现场电气智能设备通过通信网络进行连接，用通信方式实现对全厂电气系统监控，取消了厂用电源管理系统的绝大部分硬接线，使得ECMS方案具有以下特点：节省控制电缆、减少基建工程量、降低建设投资，减少DCS软、硬件，降低了DCS设备投资，电气控制系统完整、结构清晰、系统性强。
（5）设备原件层
包括现场总线应用，现场控制的被控对象，如电动机开关柜、电动门配电箱、变送器、热电阻、热电偶等，将过程参量转换成国际标准电流、电压信号或者采用现场总线方式把数字量信号直接送入DCS，从而满足运行人员对机组监控的要求。这一层是决定能否完全实现数字化目标的基础层、关键层，该层的设备选型和采购是各环节的重中之重。
PROFIBUS总线技术在国内外电厂中有过较多成功的应用，如德国的Niederaussem电厂、国内陕西杨凌热电厂、山东龙口电厂、河北三河电厂、广安电厂等。其中Niederauceem应用在如汽水循环、烟气系统和机组协调，陕西杨凌热电厂用于余热锅炉及其辅助设备、燃气轮机外围系统、蒸汽轮机及其辅助设备，山东龙口电厂用于输煤程控，浙江宁海电厂在汽机开、闭式水系统中采用了现场总线技术。
FF现场总线的产品主要在化工、医药、冶金、水厂等方面应用业绩较多，EMER-SON公司的Delta V系统在意大利的一家发电厂的水处理项目上也有应用。电厂辅助车间的控制对象类型与上述应用场合较为相似，具有一定的参考价值。
目前现场总线技术在新建电厂已广泛使用，燃气蒸汽联合循环机组现场总线设备的应用原则：掌握工程控制要点，明确现场总线的实施范围，以安全性和可靠性为实施依据，除DEH、机组主保护、重要的自动调节、连锁、氢站、调压站、燃气轮机控制系统外，满足安全前提下，运用范围尽量扩大。
现场总线设备的配置原则：对余热锅炉、汽轮机本身运行安全有重大影响的、参与重要调节回路的设备或仪表，仍采用硬接线方式；SOE采用常规DCS采集方式；全厂重要电机控制（如循环水泵、凝结水泵、高压给水泵等）采用硬接线方式，其他辅助系统电机均采用现场总线方式；常规4~20mA变送器的仪表宜选择具有HART协议的变送器；同类现场总线仪表和设备应避免采用不同公司的产品，选择在现场总线标准权威组织注册认证且在工业控制中有应用业绩的产品；采用心啊长总线仪表和设备的诊断、管理软件，对FCS网络、设备进行诊断和管理。
总结：
五层基本架构，整个数字化电厂以数字化电厂运维平台为中心，整合办公自动化OA、ERP企业管理、工程静态数据管理、虚拟仿真平台、SIS、大数据平台等多系统的数据进行统一的数据层呈现。

在大数据平台中整合了来自于SIS监控信息、DCS、PLC等控制系统、智能设备管理系统、移动点巡检系统、DTS测温系统、立体巡检、消防安防监控信息的数据，采用挖掘技术逐步形成主题数据库，采用合适的数据模型，形成有效的分析报告反馈给数字化电厂运维平台。
目前数字化电厂建设特点是：三维建模+现场总线技术+大数据平台+机器人。在基建期三维建模进行多专业综合碰撞检查、三维电缆敷设、实现各类材料精准统计、辅助现场基建过程施工及设计优化，为基建期节约成本；现场总线FCS采用开发的、全数字化和双向、多站的通讯网络，使自动控制系统的效能产生巨大飞跃，同时降低设计、施工、调试、维护和系统扩展等费用；利用大数据技术对海量数据深度挖掘，预测分析，提前预警，优化运行；机器人在危险区域巡检，智能巡检等发挥重要作用。
融合在数字化中的燃气轮机联合循环机组全阶段优化控制
燃气蒸汽联合循环电厂应充分吸收国内数字化电厂建设经验，建立机组全阶段优化控制系统，将电力生产工艺和先进信息技术充分融合，努力建设一个先进信息技术+机组全阶段优化控制的节能高效数字化电厂。
机组全阶段优化控制：融合在数字化中的，机组在168h试运前或技改前阶段、机组冷态时、部分负荷、满负荷、停机阶段的机组全阶段优化控制系统。包括燃气蒸汽联合循环机组在168h试运前或技改前用于逻辑、运行操作验证的激励式仿真系统，机组冷态时的快速启动的机炉一键预暖系统，部分负荷燃气轮机进气加热控制、各负荷下的燃气轮机实时能效监测及分析系统，机组停机不开或少开旁路的控制优化系统。
168h试运前或技改前用于逻辑、运行操作验证的激励式仿真系统
激励式(DPU)仿真机直接复制了DCS的全部功能，软件逼真度高，控制逻辑组态与机组实际控制逻辑组态一致，现场的修改可以更新至仿真机系统，适用于机组常规启停机操作训练、事故应急处理、对机组168h试运行前或技改前用于逻辑（APS、FCB等）、运行操作验证（燃气轮机进气加热冷却系统等新工艺流程、机组控制逻辑设计的准确性、合理性），实现机组168h试运前逻辑验证，极大减少调试过程因逻辑错误造成的异常停机，节约调试成本。
机组冷态时的快速启动的机炉一键预暖系统
采用暖缸系统后，提前暖机，并通过大数据平台优化最佳暖缸方式，另外通过协调余热锅炉底部加热系统，实现汽轮机、余热锅炉预暖系统集成，实现机炉一键预暖，实现温态或热态启动。
部分负荷燃气轮机进气加热控制
燃气轮机进气加热系统主要用于增加压气机进口空气温度，实现机组部分负荷时效率最优。
二班制运行机组停机不开或少开旁路控制系统优化
目前电力供大于求，许多燃气蒸汽联合循环机组在二班制运行，优化运行方式，机不开或少开旁路成为重要课题。如某燃气轮机电厂二班制运行停机时，原规程规定燃气轮机排气降至577℃时，高压主控阀逐渐关闭，该温度优化为566℃，增加进汽做功量，减少开旁路系统的时间。
燃气轮机实时能效监测及分析系统
燃气轮机实时能效监测及分析系统结合了SIS系统、激励仿真机系统，引入虚拟DPU系统，结合三维设计，对燃气轮机运行进行监控、分析，形成能效分析和优化的闭环管理，给出不同季节的最佳经济运行方式。其采用燃气轮机机理模型，建立细化的三维模型，准确表现燃气轮机实时运行情况；引入激励仿真手段，在仿真模型中验证，形成“采集、分析、解决”的闭环系统；通过能效分析作为燃气轮机状况分析的切入点，通过数据挖掘并利用高精度燃气轮机计算模型开展设备性能劣化分析，指导机组检修，提高设备安全性，使机组运行在最优状态，降低运营成本。
国内数字化电厂举例
京西热电是北京最大的热电中心——西北热电中心的重要组成部分，是首都“十二五”规划的重点工程，同时也是北京市实施能源战略布局调整、优化能源结构的重大举措。京西热电选用3台西门子F级燃机（350MW），拥有一套“二拖一”和一套“一拖一”燃气蒸汽联合循环供热发电机组，整个厂区占地面积为9.8公顷，投资规模52.52亿元，分别于2014年8月和10月投产运营。燃气机组总装机容量为130.7万千瓦，年发电量为58.81亿千瓦时，供热能力达883兆瓦，折合供热面积约1800万平米。
京西公司积极将大数据、互联网和人工智能等数字技术引用到实际生产当中，成熟运用APS一键启停技术，“移动智能两票”、“点检一体化系统”，最大程度减少人为干预，真正实现现代燃气电厂运检的高度自动化，使安全保障系数大幅提升；辅之仓储管理智能化、电厂管网数字集成化，燃机经济性小指标分析系统、环保排放指标在线监测系统等，编织起周密而强大的数据网络，实现生产与效益的实时互联互通，为提供高效、及时、精准的运营决策提供有力支持，对于实现京津冀网络清洁能源发电网络的互联互通。

联合循环机组供热发电机组一键启停技术
成熟运用联合循环机组APS自启停技术，实现了从系统注水到并网全过程无断点自动控制。
国内外先进火电机组虽然被称为是全厂智能化运行，但是无法做到全过程自动化，一般会存在5-9个人工确认断点。针对燃气-蒸汽联合循环机组智能运行的关键环节，京西热电优化控制逻辑，开发控制程序，设计统一控制系统软硬件平台，逐一攻克自动并退汽、汽轮机旁路系统自动升压、辅助系统自动投用、辅助系统自动排空气、全厂闭环控制自动投入、负荷全协调控制、全过程无人干预一键启停等关键技术难题，最终实现了燃气-蒸汽联合循环发电机组全厂智能化运行，年节约人力成本300万元，启停成本100万元。
绿色数字化电厂建设
1.生产运营在线管控，全面打造数字化电厂。京西热电基于SSS离合器应用和供热大旁路技术，以增加机组供热量为出发点，研发了凝抽背式（可纯凝、可抽汽、可背压）汽轮机以及汽轮机全切供热方案，每年提升供热能力13%至39%，循环热效率平均提高5%。在相同能源消耗的前提下，背压供热比抽凝供热量每天可多供热1.17万吉焦。不仅有效解决了北京冬季尖峰备用供热能力不足的问题，为既满足冬季极寒天气和部分热源故障情况下的供热需求，同时提高了机组热电分配灵活性与裕度，实现供热资源配置的最优化。

2.物资智能仓储展现新面貌。公司通过信息技术手段应用，把传统的电厂库房升级为便捷可视的仓储平台，不仅可以实现仓库无人值守，还能全面了解物资库龄，强化物资积压事前控制。在集团内率先实现智能仓储系统的成熟运转，产生智能化变革，每年可节省管理成本36万元，获评“2016中国电力信息化推进示范项目”。
3.在全国火力电厂中首次应用总线式智能照明节能控制系统，不仅可以实现灯光系统的调控，还可以根据实际需要预设照明场景，通过对灯光进行自动或远程可视化遥控操作，每天可节省电能514kWh，达到国内领先水平。
4.成功运用地下管网地理信息系统。地下管线地理信息是集中利用了GIS技术、WebGIS技术、地理数据库等新兴技术，基于面向服务的SOA耦合构架建立的综合管网一体化解决方案。通过本项目的实施，能降低各类管网的管理成本，加快巡检维修养护工作的处理速度，提高电厂信息化水平。
5.“移动智能两票”及“点检一体化系统”广泛应用，能够有效防止运维人员误操作，同时供运维人员实时掌握设备运行状况，位居同行业一流水平，安全生产智能化管控水平更上层楼。

燃气轮机联合循环机组技术优化、数字化应用
要保证整个发电供热流程的节能减排与高速持续，除了关键的燃机、汽轮机、发电机、余热锅炉等核心部件，还需要各个技术环节、控制系统的密切配合，在鲜为人知的地方，一些看似不起眼的细节，一个看似简单的技术优化，都是支撑整个燃气电厂高效环保运行的关键所在。
1.遵循绿色创新思维，最大限度节省天然气能源。京西热电首次对西门子SGT5-4000F新型燃机进行增容改造，优化燃机叶片、轮盘、扭力盘、密封面结构，成为崭新的SGT5-4000F(4+)型燃机，发电能力增加42MW，每年多发电2.061亿千瓦，为西门子同类燃机世界首创；联合循环机组年平均总毛热效率达到75%，冬季采暖期总毛热效率达到87.3%，具备“机组效率高、供热能力大”的显著特点。
2.主动出击研发最先进全方位轴系设计，保证汽轮机轴系运行稳定。在国内无同等成型案例的情况下，与传统汽轮发电机组相比，凝抽背汽轮机打破了传统汽轮发电机组设计理念，通过3S离合器，将汽轮机高中压转子与低压转子串联，在供热季热负荷需求大时，3S离合器脱开，低压缸转子与高中压缸转子解列，汽轮机实现背压运行；在热负荷较少时，3S离合器啮合，低压缸转子与高中压转子重新连接，汽轮机恢复为常规抽凝机组运行，实现了汽轮机在纯凝、抽凝、背压之间数字化无缝切换。特别是在汽轮机的轴系设计过程中，采用了三维建模仿真的先进数字化设计手段，便于对轴系进行稳定性评估。
3.提出了新型燃气轮机空气过滤方式，保证了机组长周期稳定运行。通过改进 燃气轮机空气过滤方式，提高机组运行的安全性与经济性。由于燃机供应商采用传统规范设计的进气系统，在北京地区长期雾霾天气的运行条件，特别是在供热季，在雾霾、雨雪天气条件下，产生了“水土不服”的现象，容易因进气系统差压过大而导致机组降负荷甚至停机。京西热电研发人员考虑实际情况，通过燃机进口空气过滤技术及燃机燃料稳压供应技术，提出了新型燃气轮机空气过滤方式，开发了天然气双冗余供气系统，每年减少了机组被迫停机次数0.66次，实现节能、节电多重收益，相比于国内外燃机运行数据，有效降低燃机热耗2.49kj/kWh，延长了空气滤芯寿命约4000h。
4. 多种运行方式燃气—蒸汽联合循环热电联产机组循环水及相关系统的优化设计研究，凝汽器结构优化为首创。京西热电根据燃气-蒸汽联合循环机组纯凝工况、抽凝工况、背压工况之间循环水用量巨大差异，开展思路、技术创新，将凝汽器结构由二分格改为四分格，将四水室分格凝汽器技术首次应用于燃气—蒸汽联合循环发电供热机组汽轮机组。并根据四水室分格凝汽器的特点，以安全长周期运行为基本原则、以节能降耗为出发点、以经济效益最大化为落脚点，使冬季进入凝汽器的循环水仅为纯凝工况时循环水量的1/8，既缓解了冬季机力塔结冰矛盾，减少循环水泵数量，有效降低了厂用电率，其每年的年总运行电费较之传统机组凝汽器采用双进水室方案，能节省约162.43万元，取得了显著成效。
5.京西热电成功开发并广泛应用了高效防腐烟气深度余热利用技术，平均降低排烟温度30℃，提高锅炉效率5%，实现全负荷范围烟气余热利用的最大化。与此同时，京西热电通过最优控制策略的二次开发，使机组在各运行方式下，均处于最佳安全经济运行状态。成为国内首家与华北电网实现实时调频、调峰、经济调度的电厂。
（参考文献：全面数字化电厂构想[J].电力勘测设计，2008（3）；燃气蒸汽联合循环机组建设节能高效数字化电厂初探[J].燃气轮机发电技术，2017（9）；北京京西燃气热电有限公司：京津冀数字化清洁能源热电工程的领航者，人民网2017.5）
（来源：燃气轮机动力之源，版权归原作者所有）
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