第二章 热电厂经营数字化工具及方法论

目前，在数字化浪潮下，我国能源工控系统日益成熟，国家的十四五计划中，明确要求：“重点研制分散式控制系统、可编程逻辑控制器、数据采集和视频监控系统等工业控制装备，突破先进控制器。能源工控系统的智能化是实现这一目标的关键”。

对于热电厂的运营来讲，主要是在安全管理、系统可靠性管理、系统运行的提效降本、系统环保管控、碳排放及碳资产管理等五方面应用智能控制系统，实现数字化转型，最终达到“持续安全的高效的转换”的目标。

2017年，刘吉臻院士提出，火电厂的智能化应由安全可靠性和应用服务功能相统一的智能控制系统（ICS）和智能服务系统（ISS）来实现，并指出ICS应具有自驱优、自学习、自恢复、自适应、自组织的特性。

落地到热电厂的日常运营，主要的数字化工具及方法，主要是“关键数据在线监测、自动化基础上实现智能控制、数据驱动决策、智能交互系统应用”四项应用。应用的场景包括上面我提到的五个场景：现场的安全管理、设备及系统的可靠性管理、设备及系统的高效运行、热电厂环保管控、热电厂碳排放及碳资产管理。

一、目前热电厂控制系统硬件现状及升级论述

目前热电厂的控制系统现状是全部采用了“DCS控制系统”，大部分热电厂建设安装使用了“SIS”或者“MIS”系统。但是后着的使用情况非常不尽如人意，仅仅是运行数据的搬运和传输，没有真正实现系统应有的价值。

（一） 在线化：

在如此的现场下，要推动实现数字化转型，第一步应该是对目前热电厂现场数据的梳理与技改，实现关键数据的“在线化”。经过多年热电厂的运营与整理，发现目前有三类数据还未完成实现“在线”。

1、 入炉煤热值：所有锅炉的入炉煤热值分析，都是线下进行的，这个问题可以通过量热仪与DCS数据库的联网来实现，自动获得每天至少三个入炉煤热值数据，以便于智控系统去应用；

2、 入炉煤量：大部分热电厂都是母管制运行，所以从煤棚输送过来的煤炭的计量一般只有一台输煤皮带秤，要实现每台锅炉的“耗煤量”的在线，可以通过“迭代分配方法”来进行计算，通过“软测量”方法相对精准的获得每台锅炉的耗煤量，并实现在线；

3、电动设备的耗电计量：这个可以通过技改，安装智能电表，将数据引入系统，实现在线化。

（二）  硬件扩充需求：

实现关键数据的“在线”后，就是增加服务器等硬件，实现ICS的配置需求，如下：

1、DCS原有硬件及网络系统（I/O模块、控制器、人机交互站、通信网络、服务器等）

2、安装智能传感器

1）  构成：智能传感器一般由传感器子系统、数据处理子系统、人机接口、通信接口、电源单元等构成；

2）功能：其主要功能除了普通的测量功能外，还要有组态、整定、自测试、诊断、环境测试、过程控制、趋势记录和数据存储的功能；同时要具有高可靠性，能够为系统提供准确、有效的数量。

3、 智能控制器

1） 构成：一般由微处理器、存储器、I/O接口、通信接口、控制功能模块、现实功能模块组成；

2）功能：参数软测量功能、信号处理功能、智能控制算法功能，以满足复杂热力过程控制要求。

4、 服务器

主要有“智能计算服务器、数据库服务器、智能分析服务器”三部分构成；智能计算服务器侧重对顺序算力的要求，数据库服务器侧重对存储容量、存取速率的要求，智能分析服务器注重并行计算力的要求。

5、 智能人机接口

除了传统交互方式外，还要支持语音、触屏等交互方式。

6、 大数据交互网

应该独立于控制级通信网络，专用于高性能服务器间海量实时/历史数据的交互。

二、数据先进监测与软测量

（一）  关键数据在线监测

1、 入炉煤质在线监测

2、 入炉煤量在线计算

3、锅炉烟气组份在线监测

4、 锅炉排污在线监测

5、 设备振动在线监测

6、 润滑油液健康度在线监测

7、 厂用电在线监测与分析

（二）  软测量技术应用

基于机理模型和可测变量建立软测量模型，实时实现对热能设备不可测关键状态的在线监测技术，即为“软测量”技术应用。

1、 流化床锅炉磨损在线软测量模型

2、 流化床锅炉“热流分布”在线计算与分析

3、 入炉煤水分在线监测

4、 烟气氧量的在线监测

5、 空预器堵塞与脏污在线监测

6、 催化剂健康度在线监测

7、 汽轮机排汽焓值在线计算

8、 锅炉灰渣含碳量在线监测

（三）  实现设备与系统的“时度健康”

通过关键性能参数的在线监测与分析，我们可是实现热电厂主要设备及整个系统的健康度的在线诊断，通过数字化技术应用，真正做到“实时的健康分析”，即实现“时度健康”，从而提高热电厂设备及系统的可靠性。

1、锅炉效率在线与健康度评价

2、汽轮机健康度评价

3、 供热系统健康度评价：参数评价、管损评价及回水率评价

4、冷端系统健康度评价

5、 厂用电系统分析与健康度评价

6、脱硫脱硝系统健康度评价

7、除盐水制备系统健康度评价

8、碳排放健康度评价

三、自动化基础上的智能优化控制系统应用

（一） 自动化控制

由于热电厂现场运行条件比较恶劣，以及控制原件的健康问题，基于工控思路的“自动化”程度是远远不够的，我认为首先要创造条件、改变思路，将应该、可以投入自动运行的设备或系统，坚决投入自动运行。

除此之外，利用现场的数据的在线监测，可以从以下方面对热电厂“自动化投入率”进行提升：

1、给水泵系统自动运行：加上变频器的应用，在满足系统可靠运行的前提下，大大降低厂用电率；

2、锅炉排渣系统自动运行

3、 循环水泵自动运行

4、凝结水泵自动运行

5、 设备定期轮换自动运行

6、 谷期设备自动优化运行

（二）  模拟量智能控制

1、主蒸汽参数的压红线优化运行

2、真空度优化运行

3、供热参数优化运行

4、主给水参数优化运行

5、锅炉风量优化运行

6、 脱硫脱硝在线排放参数优化运行

7、厂用电率在线优化监测与运行调整

四、数据驱动决策（数据取代经验）

根据重要参数的优化思路，实现设备和系统最优化控制：

1、锅炉自动燃烧优化控制系统

2、热电厂负荷优化分配与控制系统

3、 锅炉排污自动优化控制系统

4、 流化床锅炉吹灰系统精准优控控制系统

5、脱硫优控系统

6、 脱硝精准喷氨控制系统

7、 供热智能优化控制系统

8、 汽轮机冷端优化控制系统

9、基于尖峰谷电价差的优化控制系统

五、智能交互系统应用

（一） 可靠性监控与交互

1、 关键控制参数品质在线评估

主蒸汽参数、主给水参数、供热参数、真空度、厂用电率等参数

2、设备振动值在线评估

3、 关键设备的备件数量在线监控

4、 全厂设备及系统的健康度在线评价呈现

（二）  经济性监控与交互

1、 性能计算与耗差分析

2、 集团内或行业内对标分析

3、 热电厂经营关键指标分析

（三） 智能备件供应链交互

1、 备件库存在线

2、 主要供应商线上沟通

3、 零库存实现

六、技改及碳资产管理优化

利用在线的数字化系统，通过对热电厂日常运营的实时监测与分析，基于时度健康的数据，可以实现对热电厂的效能诊断，进而提出技改方案，同时对技改方案的效果给出评估，论证其可行性，最后核算碳排放的减少，实现热电企业碳资产管理的优化。

七、参考文献

1、2021年3月15日：《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》

2、高耀岿等：《火电厂智能控制系统体系架构及关键技术》

3、刘吉臻等：《智能发电厂的架构及特征》