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智慧电厂建设研究

时间:2021-08-22 来源:乌哈旅游
第4O卷第5期 2017年10月 四川电力技术 Sichuan Electric Power Technology Vo1.40,No.5 Oct.,2017 智慧电厂建设研究 钱澄浩。张静 (中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司,四川成都摘610021) 要:建设智慧型电厂逐渐成为了新时代的追求目标和发展趋势,但目前仍处于探索研究阶段。基于当前智慧电 厂的发展现状,对智慧电厂智能感知、智能控制、智慧管控3层架构进行了规划和诠释,并提出了一种电厂二三维联动 监控的实现方法。此外,根据国家”互联网+”智慧能源发展战略重点推行的多能流协同供应和梯级利用要求,对首 次在工程中运用和实施的多能流管控系统架构进行了研究,分析和总结了工程设计特。羔,并对其具备的功能进行了 展望。 关键词:智慧电厂;管控;联动监控;多能流 Abstract:The construction of smart power plant has gradually become the goal and trend of the new era.Based on the current development of snlal't power plant,the three layer architecture of smart power plant,that is,ntelligent perception,intelligent control and smart management and contro1.is programmed and interpreted.A method of two—dimensional and three—dimen- sional linkage monitoring for smart plant is proposed.Besides that,according to national development strategy of”Interuet plus”for wisdom energy,coordinated supply and cascade utilization of multi—energy flow ale the key points.The architecture f omuli—energty flow management and control system is studied,which is firstly applied and implemented in engineering pro— ject.The characteristics of engineering design ale analyzed and summarized,and the possessed functions ale described. Key words:smart power plant;management and contol;linkage monirtoring;multi—energy flow 中图分类号:TM62文献标志码:A文章编号:1003—6954(2017)05—0087—04 分布式能源采用清洁能源或可再生能源为用户 0 引 言 2010年以后,随着中国“智慧中国”、“智慧城 市”、“智慧园区”建设的蓬勃发展,智慧化建设逐 渐从社会公共服务、市政建设向基础工业领域拓 展。在“互联网+”时代发展的大背景下,云计算、 大数据分析、移动互联网等优势技术不断进入人 供能,分布式能源站通常分布在集中负荷点附近,具 有负荷响应迅速、能源供应直接等特点。其中,天然 气分布式能源站对外输出通常存在着冷、热、电、蒸 汽等多种能流形式,根据用户端对能源的不同需求, 实现能源的对口供应,在实现能源效能最大化的同 时,将输送环节的损耗降至最低,这符合中国现行负 荷使用和调度模式,也是国家“十三五”期间能源规 划的发展趋势。同燃煤电厂相比,天然气分布式能 源站机组类型更小、工艺流程更简单,使其更具备智 慧电厂的建设条件。近年来,针对天然气分布式能 们视线,将先进科学技术与复杂电力能源系统进 行有效结合,进而提升生产经营的管控力度,已成 为电厂建设所追求的新兴目标,智慧电厂的概念 也因此应运而生。但毕竟智慧电厂概念引入时间 源站多能流高度耦合供应的特点,以及如何快速响 应负荷需求,有学者提出了综合能源系统多能流的 较短,对智慧电厂建设的构架和模式尚缺乏相应 规范和标准,目前有业内人士认为智慧电厂是传 统电厂建设的基础上增加一套智能系统¨ ,也有 计算方法,并进行了相应的建模研究 J,已具备了 在工程中应用的能力。在成都某分布式能源站工程 的认为智慧电厂的建设应与德国“工业4.0”理念 对接 ]。基于此,通过分析当前研究热点及各技 术流派特点,规划了智慧电厂的整体架构,设想了 相关功能,并对功能实施进行了阐释。 中首次落地实施多能流管控系统,这里将针对工程 实施方案进行总体设计和分析,为实现分布式能源 站的智慧运营提供有力的支撑。 第40卷笫5期 四川电力技术 VIlI.40.N‘).5 2017年10 J】 1 智慧电厂的架构 智慧电厂的架构应用一方面仍依赖l丁T艺系统 中基础仪控测点提供数据的准确性及控制系统的可 靠性;另一方面离不开对全厂进行 维精细化的建 模。在此基础上,通过大量智能设备和网络设备的 应用对电厂人、机、料、环、法进行全面地管控,Jt-il 进入能源互联网实时进行分析和决策。智慧电厂的 架构应包括智能感知层、智能控制层、智慧管控层, 如图1所示。 舅 图I 智慧电厂架构示意图 1.1 智能感知层 智能感知属于物联网范畴,是覆盖面更广、颗粒 度更细、更精深的感知。对智慧电厂而言,智能感知 的范畴包括生产领域和非生产领域 、 对生产领域的感知,现场总线技术在口前热工 自动化领域的应用已口趋成熟,除可靠性要求较高 的保护系统以及实时 要求较高的控制 路外.现 场总线的适用范 呵包含大部分的仪控和电,_c设 备。采用现场总线技术除能获取采集的过程信息 外,还能为控制系统提供丰富的设备状态、管理不11诊 断信息。 而借助于数字摄像头、无线定位传感器、RFID 射频芯片等新型传感器技术,智慧电厂将数字化和 智能化延伸到_rl电厂的非生产领域。采集的数据范 同包括:实时视频信号、实时环境数据、实时安防数 据、人员位置坐标、建构筑物数据、生产管理信息等。 智能感知层的典型功能应用是可实现电厂人员的定 位及智能巡检,即在i维虚拟电』巾预先设定巡检 路线,巡检人员可借助手机Al P对设备二维码进行 .8R. t)( t.201 7 码完成巡检记录。当叭值K可在 维虚拟电厂 巾, 看全厂运维人员的行走轨迹并调…视频画面, 当人员接近危险源区域会自动提醒该人员远离危险 源, 在虚拟电厂中发ffj报警 呵看H{,智能感知的卜1的是通过遍布全厂的智 能仪控设备干¨传感器构建全厂物联网,可测量和感 知、IJ丁识别与定位,最终形成信息、物理融合的一体 化数据平台 。 1.2智能控制层 智慧电厂在控制层面,除采用已具备成熟技术 的厂级分散控制系统(厂级DCS) 。和机组无断点 F1启停控制系统(APS)。系统的智能化还体现在智 能的运行优化、逼真的在线仿真、二三维联动监控等 儿个方面。 对建立的大数据平台运川模糊神经元等人丁智 能分析和自学习技术 】,从『11发掘H{有价值的信 息,町以使数据平台从被动数据系统变成主动表达 的智能数据系统,控制系统能实现对机组运行的优 化控制。例_曼fJ在燃煤电厂巾,每层每路燃烧器的JxL 煤配比一直是控制系统调节的重点和难题,但综合 负荷需求、燃料状态并结合炉膛内部激光传感器获 得实时数据,智能控制系统能运用优化算法对风门 开度、风粉浓度和煤粉细度等输出最优控制。 传统电厂仿真功能由于仿真数据与电厂实际丁 艺系统热力特性差异较大,lJ大此常用于培圳使川,但 智慧电厂通过在线仿真系统,可接受0Ltft的实时运 行数据,能埘机绀运行过程进行回放,对于已通过仿 真验证适用的逻辑组态,可下载至控制系统,指导优 化控制。 在操作台上实现操作的二维I面面和对应J二维模 的联动,达钊州透视的眼光,观察设备运行状态, 并在需要时渊 现场视频 而,已成为智慧电厂运 行人员的希 。一种可行的技术解决方案为:电厂 i维模型接入令厂一体化数据平台,并与生产监视 系统(SIS)、全厂}见频监控系统(CCTV)进行数据关 联,通过数据接口将DCS操作指令实时传输至一体 化数据平台。此外,在操作俞上的双屏应分别接至 DCS操作员站和一体化数据平台操作员站..二i维 联动监控的实施方案如图2所示。 1.3智慧管控层 智慧电厂‘管控层的根本目的是实现电厂的智能 运营,主要体现在智能运维、智能诊断、智能安防、智 筇4()咎 5 19j 四川电力技术 V『1I.40.Nfl_5 2017{} 10 J J 厂级DCS以太网 图2 二三维联动监控示意图 能决策4个方而 1)智能运维:将基于时问周期或 使川频率的 传统没备检修方式,改进为以大数据为 {i:Ij,实现以 设备IIJ‘靠惟为巾心的维护策略 通过制定基丁}殳备 健康状态的检修实施汁划,能最大限度地防止设备 过修或欠修,进 冉对电厂备件库存进行优化管理 、 2)智能诊断:结合 家规则推理及建 辨识模 型,辨ijl电厂巾天键没备 稳态、变T况和异常情况 下的性能.给{“控制参数调 方案。对异常数据的 相关性分析,形成卡涩、粘滞、堵塞或泄漏故障的辨 识模型,制定故障云策略库,进而达到能辨识某台设 备的某个元件jfI观‘r问题,以及应该采取何种措施 去处理 、 3)智能安防:将全厂火灾报警和消防控制系 统、门禁一 通系统、电厂删界防范及电子巡更系 统、安保数字视频监视系统进行整合..改变以往各 系统之问功能J 关联互助、信息不共亭 换的孤 岛状态,各系统之间可根据报警级别预定义多种成 急预案,依据触发条件实现如消防联动、安防联动、 应急处置等功能 4)智能决策:其一可通过对大数据的分析并结 合 家系统诊断结沦,对厂内没备、系统进行状态评 估、 险评什,给…预知保养方案,行能对设备和系 统能耗进行建模分析.找ffJ具有节能空问的设备进 行优化改造;其二能存大数据平俞 1:发 机组f叮 川性模 、发电成本模型、负荷需求预测模型等,辅 助电厂制定生产汁划及报价决策,指导电厂的经营 驾驶 2 分布式智慧能源站多能流管控 人然气分布式能源站作为由专适合智慧电厂建设 ()¨..20 J 7 条什的发『乜站, 建没办阳通 纳入到所 钾慧 划『Il,这他得分布式能源站需智慧感知其终端 负衙需求随季节、昼仪和使川时间呈现多周期的变 化规律, 对能源供庸提…了 严格的要求 多能流管控系统正是嘣向智慧冈 这 对象 提¨{ 的,与咆厂本身的控制系统不同,多能流管控系统控 制对象包括咀厂、厂外电/热网管线、川r1负衙以及 储能装置等,能通过远程 线 测供能侧运行I 7兄 及川能侧俯息,实现智能化分配凋控 。 2.1 多能流管控系统架构 多能流管控系统需要一套适应调度系统及川户 侧需求的数据平台,并同时满足电、热、冷、天然气、 蒸汽等多能流的综合能量管理。系统 络架构可以 分为J:卜两层,f』u 3所,J j可以看fJJ.整个系统的 硬件包括.『 I川服务器、数据库服务器、磁盘阵列、核 心交换机等。多能流管控系统的上层架构,能通过 公司々 卡¨网络两种方式获取外部数据,根据上级 公司的调度要求以及负荷侧需求,结合对智慧能源 站的综合坪估,实现多能流的能源交易、能源调度和 能耗分析 多能流管控系统与能源站的接【_I任系统下层网 络..能源站汁h±系统、控制系统、电气监控系统和远 动没备通过约定的通讯协c义,将数据以冗余通讯方 式进行J 仃传送; 『l、f,多能流管控系统服务器、f: 位机、T程帅站,能埘接收的数掂进行监视、存储和 管理 需注意的足 1.j能源站控制系统的接口,上仃 通讯传输须经过接口机和 阳隔离装置,而下行传 输则能通过RTU装皆将系统分析的结果转为硬接 线信号接至厂 线DCS系统,F达信 主要包括:机 组发电醚、发热缱、制冷量等衍号,再由能源站控制 系统实现相应的运行‘1 . .2.2多能流管控系统设计特点 传统电厂相比,分布式智慧能源站 进行多 能流管控系统T程设汁时,具备以下两个特点: 1)额外的测点要求 多能流的电网和热网系统潮流建模及解耦算 法Ll前 自‘成熟技术 ,但模型功能的 观除捩取 没汁和运行参数外,还需在1 艺系统上设 额外的 洲 c 。辛要包括冷、热、天然气主管道及支管道白 术 端设置管内瞬时流量、 力、温度测点;燃 轮机、发 电机、余热锅炉、汽轮机、燃气锅炉、制冷机、蓄热罐 设 I 作物质进 口流 、温度、压力;厂内主要断 .Rq. 第4()卷第5期 20I7年l0』j 四川I电力技术 S f・}1lJan Eh・f I’flw ‘・bnol ̄g3 V【I1.40.Nt,5 ()(- .21)17 能源交易站 。 ■; 能源尘易蚺 一 能源变易站 能源调度站 。 能耗分析站 。 一i 。:■ 路由器 防火墙 T业干兆以太网 冗余通讯 冗余应用 照务墨 萤 一—强图瀚 薹霸基两 : 墙 。一~一 ‘要蚕 j斗一—冉r一一—斟一~——_上+一一 母一~ 日}一 4…~一一 a n 0 务曼一 臻一 ; j 生产l监控 f— 生产l监控 能源汁量站 工程师站 历史站 !l— }一 !■ ‘一…’ ・ ;●l 舟~ f 一~—A一一一冉-n n , 工业千兆以太网1 。下行冗佘通讯 上行冗余通讯 上行冗余通讯 黼禳_l_星机 t RnJ 装置 上行冗余通讯 上行冗余通讯 行 下行硬接线 纵向加 密装置 冗 余 通 GPs标准时钟系统电 嘉隆髫、 汛 电气 竺 竺系统 机组远动通讯设备 (EcMS+NCS) ……一… 图3 多能流管控系统网络架构示意图 路器和开火开合状态、 侧瞬时电压、电流测点。 2)特殊的监控方式 果, ̄i]JlJ不 类型的储能设备,能对能源站内部资源 进行实时调度,达到削峰填 的目的。 多能流管控系统 控l}1心位丁:分布式智慧能源 站内,有钏 的控制 、1 程师室、人肼 示墙、电子 设备问及配套公 川房,虽独立于能源站集II1控制 多能流管控系统为用能侧提供的优势功能 r 点能价,即通过最优潮流算法,推导多能流模型ff1 点电价、热价,引导园 用户对用电J}J热进仃选择 中心,但相互之M义行密切的联系。成都某分布式 能源站T程,在集rfJ控制窀操作台和值长台上,分别 布置了2台多能流管控系统操作员站和值长站,同 时集巾控制室和多能流控制室大屏进行信号通汛, 实现i面面的互相调收 、 2.3 多能流管控系统功能展望 3 总 结 智慧电厂的建没以自动化、信息化、数字化、斜 能化为 础,并辅以先进的智能设备和移动互联网 技术,对电厂生产能力进行分析和优化, 卡 会多 能流负筒需求相结合提升生产经营的智慧管控 、 智慧电厂建设目标可以总结为:1)将事后处理 移到事前预警、事中控制,从而有效提高电厂运行管 多能流管控系统能 供能侧实现: 1)多能流数据采集及监控,包括实时数据采集 和处理、事件和告警处理、网络拓扑着色等,主要用 于实现完整的、高性能的、稳态实时数据采集和监控 功能,是后续所有预警、控制等功能的基础 。 2)多能流的状态感知是多能流管控系统的核 心功能,通过对多能流的状态与量测维护、网络拓扑 理和经济效益;2)通过借助于人二l 智能等先进算法, 实现电厂的优化控制、优化渊度;3)利用能源物联I舣J 实现跨仃业卡lJ关信息和数据的优化利朋。可以说,智 慧电厂的建没将是“智慧园 、智慧城市”巾必不可少 的一环,其成功营运将会具有划时代的意义。 参考文献 分析、参数辨识 估计等,能实现机组在多种运行模 式下多能分配的效率 。 3)多能流的优化 度 智慧园 及能源互联 微网的发展需求,通过协同iq调控的分布式资源,实 [1 J 李彦斌,陈文姣,杨静.智慧型电厂[Jj.巾 、 I管 ,2012(5):47—49. 力 现不同能源类型的耦合互补与最优流动,达到能源 使用效率的提升 .[21 口¨:.智慧电厂顶层设计的研究[D].秦 岛:燕… 问时,根据用户负荷预测的结 大学,2016. (下转第94页) 00. 第40卷第5期 2017年1O月 四川电力技术 Sichuan Electric Power Technology Vo1.40。No.5 Oct.,2017 碎系统。 3I.枷 目前电厂平均日上煤量约6 000 t/d。在二级 碎煤机锤头更换初期,且煤质变化小、二级筛筛条正 常的情况下,每天抛弃物料约10 t,占总上煤量的 0.167%。当二级碎煤机锤头出现磨损、煤质较差、 卜 r’I l a==日 rL _1 A 二级筛筛条局部破损等情况下,每日抛弃物料约20 t,占总上煤量的0.333%。 电厂锅炉对输煤系统的要求是人炉煤粒度为 8mm以上的不超过5%。电厂输煤运行人员每班对 人炉煤进行人工取样,分析人炉煤粒度,据此调整碎 S50。 煤机间隙,更换破损筛条控制人炉煤粒度。 600 MW CFB白马机组在采用三级筛后,对人 阳[] 函I -= 炉煤粒度级配控制起到了积极作用,特别是大颗粒 部分得到了有效控制,确保了CFB锅炉炉内流化, l、 _ 山  l。 两湖 I  ‘I。 妒一 捌 床温分布较为均匀,排渣顺畅,有效减少了炉膛因局 部流化不好造成的炉膛结焦。  lI \  l| l /I l I\ l / t  ‘ll I 图5 600 MW CFB白马示范电站二级碎煤机室布置图 6结论 该电站采用GFS一2060型高幅振动筛作为三 级细筛,额定出力为600 t/h,筛面尺寸为2 000 mm 燃烧低劣质煤是循环流化床锅炉的一个最大的 优点。入炉煤颗粒是循环流化床锅炉一个关键问 题。在工程设计中,优化的筛碎系统、正确的选择筛 碎设备,使锅炉燃烧的煤粒更趋近于锅炉的设计值, 从而使锅炉的燃烧达到最佳效果。采用三级筛分系 统可有效地控制了人炉煤粒度,并对人炉煤粒度级 配控制起到了积极的作用;但三级细筛增加了工艺 系统环节,增加了检修维护工作量,具体工程是否设 置三级细筛,应根据循环流化床锅炉对燃煤粒度的 要求确定。 作者简介: ×6 000 mm,筛孔尺寸为16~20 mm,筛面倾角为 2O。、18。、l6。,振幅为l5—25 mm。来煤经过三级筛 后,仍然不符合粒度的筛上物将进人集料斗集中处 理。 白马电厂600 MW示范机组于2013年4月正 式投运,二级筛碎系统运行情况良好,未发生堵煤情 况。电厂每周定期清理二级煤筛和三级煤筛表层, 清理二级碎煤机室落煤管。运行至今,二级筛碎系 统未出现堵煤情况。电厂安装的三级筛筛孔尺寸为 l6~20 mm,三级筛抛弃的物料基本为20 mm以上 的颗粒。由于抛弃的物料大部分仍为原煤,每天电 厂用拖斗车将其拉至煤场再利用。 (上妆第9O页) [3]赵日浩,彭克,徐丙垠,等.综合能源系统分层分布式 协调控制方法[J].电力自动化设备,2017,37(6): 253—259. 冯颖(1972),大学本科、高级工程师,从事火力发电 (收稿日期:2017—06—27) 厂运煤设计。 化集成模型研究[D].武汉:武汉理工大学,2011. 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