石油化工企業熱電機組節能監控優化系統開發與應用

趙勇，王軍明

（1.中國石油化工股份有限公司化工事業部，北京 100728；2.中國石化集團資產經營管理有限公司齊魯石化分公司熱電廠，山東 淄博 255411）

隨著我國電力體制改革的持續推進，熱電企業逐漸進入充分的市場化競爭。原有的粗放式管理模式已經無法適應市場化競爭的需要，對精細化管理的要求則越來越高。在安全性和可靠性的約束條件下，提高設備利用率、提高管理水平、創新管理模式，降低成本，提高經濟效益是熱電企業新時期生存和發展的著力點。

石油化工企業根據行業政策和政府規劃，志存高遠、主動作為，立足煉化一體化轉型升級，以更高站位、更大擔當、更實舉措，推動煉油化工產業全面可持續發展。把創新貫穿于生產經營的全過程，大力推進管理、技術、產品、服務等方面的創新，引領市場發展，打造行業標桿，成就卓越品質。利用先進的信息技術，推行現代化管理，加速生產、經營、管理、決策和服務的熱電企業建設進程，并以信息化為載體推動標準化建設，提升熱電廠現代化管理水平，實現持續高效、跨越式發展。建立面向熱電機組生產管理層的熱電機組生產過程監控及運行優化系統，全面監測機組運行經濟性，及時分析經濟性變化趨勢，定量計算影響機組運行經濟性的主要因素以及對機組經濟性指標的影響程度，從而實現優化運行、節能增效的戰略目標。

熱電機組節能監控優化系統是以性能監控和運行優化為中心，以設備可靠性運行為前提，向運行管理層提供優化運行指導和輔助決策功能。應用軟件選用成熟產品，采用B/S 結構，業務流程基于圖形化工作流驅動，業務功能模塊基于統一平臺、統一登陸入口。系統從實時/歷史數據庫獲取必要的數據，滿足分析計算軟件的數據需求。節能監控優化系統逐步集成各類數據、各項業務、多種平臺的現有和未來應用，消除信息孤島現象，實現數據流、業務流、信息流的完整統一，滿足熱電企業“數據集成、業務協同、管理集中”的管理要求，使熱電企業信息化建設邁上一個新臺階。

1 項目概述

1.1 項目背景

某特大型石油化工企業熱電廠承擔著煉油化工裝置及周邊工業園區供電、供熱任務。熱電廠管理本部、煉油動力站、二化動力站和乙烯動力站等4 座熱電站，配備14 臺鍋爐、12 臺汽輪發電機組機及燃料、輸電、供電、脫硫、脫硝、除塵等系統，鍋爐蒸發量4740 噸/小時，裝機容量520 兆瓦，供汽能力3450 噸/小時。其中：本部4 臺60MW、2 臺65MW 抽凝機組（5#、6#機組）和6臺410t/h 煤粉爐；煉油動力站2 臺25MW 抽凝機組和2臺220 t/h CFB 鍋爐；二化動力站3 臺25MW 抽凝機組和3 臺240 t/h CFB 鍋爐；乙烯動力站1 臺25MW 抽背機組和2 臺410t/h 煤粉鍋爐。2017 年10 月，在役14臺燃煤鍋爐全部達到超低排放環保標準。

伴隨企業的發展、信息技術的更新，現代企業管理已全面進入信息化、科技化和智能化時代，石油化工企業熱電廠需要建設一個能支撐熱電業務發展戰略的，高度成熟的、業務全面的、能導入行業知識和經驗的管控平臺，滿足熱電廠對“面”的全面管控，又實現對“點”的規范化、精細化的管理。對于全面提高企業整體價值創造能力、電力系統運行效率，提升熱電業務智能管理水平，推動石油化工企業清潔、低碳、安全、高效、靈活、智能發展具有重要意義。

1.2 項目目標

石油化工企業熱電機組節能監控優化平臺建設的主要目標為：基于整體節能優化設計，建立一個服務于全廠節能監控優化平臺，建立基于設備和生產過程實時數據中心和管理信息平臺。通過對生產經營數據的提煉、挖掘、分析，實現集約化、實時化、精細化、專業化管理，提升生產效率和管理水平。

節能監控優化系統建設了完整統一的大數據中心和一體化節能監控優化系統平臺。通過對“一部三站” 的實時、生產、經營等數據進行實時采集，在熱電廠本部建立生產大數據中心，通過對反映生產狀態的實時關鍵數據進行提取、存儲、分析的要求，實現生產數據的監測、存儲和分析。在生產大數據中心基礎之上，借助計算機、互聯網+等現代先進技術，整合生產經營全過程、全范圍實時數據和管理信息，實現熱電廠生產、經營、管理工作的數字化、標準化、網絡化，為管理決策者及時、準確地提供高效服務。并滿足了輔助“一部三站”生產運營的集中指揮調度工作需求，更好實現各類資源合理配置，奠定了熱電企業生產信息平臺的數據基礎，提升對熱電廠的管理能力和管理水平。

圖1 完整統一的大數據中心

1.3 以先進技術和理念建設一體化平臺

隨著信息化不斷發展，系統能夠滿足后續新增業務二次開發，以消除信息化孤獨現象發生，逐步推進生產運行經營管控業務向一體化平臺方向發展。一體化平臺支撐戰略目標的高度統一、資源的統一配置調度、責權利的明確落實、多方的高效協同，支撐高效簡約的管理模式，以實現效益最大化，達到物流、資金流、信息流的統一。平臺建設充分考慮熱電廠當前實際和未來業務發展趨勢，通過平臺下的功能軟件實現全廠生產管理、資產管理、經營管理和行政管理并為各級決策者提供輔助決策功能，從而實現高效、經濟、科學的現代化管理，滿足以先進的管理模式來提高經濟效益和適應電力市場迅速發展的要求。平臺建設以發電生產為中心，以發電設備安全、可靠運行為前提，以經濟效益為核心。

技術架構設計基于先進的信息技術手段，充分體現發電企業各個環節的互動性和信息化，充分體現發電企業經營管理的集中化。以面向服務的設計理念，借助信息服務總線的業務應用柔性接入機制支撐未來業務的調整和發展需要，并以先進的技術手段實現靈活的展現形式通過技術手段保障業務、應用和數據領域涉及的信息安全。生產優化在性能計算、設備狀態感知、指標對標等環節對海量數據進行智能分析，挖掘數據價值，實現節能降耗，為企業創造利潤。

圖2 節能監控優化系統技術架構示意圖

1.4 在線診斷，實時掌握機組狀況

性能計算模塊實時高效計算“一部三站”中全廠、機組、設備等經濟指標，準確獲知機組、設備的運行效率以及整體經濟狀況。依托熱力學計算模型和工況庫，將所有指標的計算過程可視化，且具有智能自診斷功能，自動識別當前運行工況，追溯定位不合理擾動的輸入參數，提醒并輔助用戶修正有誤的測量參數，保障性能計算的精確性。廠級性能計算指標包括全廠發電煤耗率、全廠供電煤耗率、全廠供熱煤耗率、全廠廠用電率、鍋爐效率、汽輪機汽耗率、汽輪機熱耗率、汽輪機熱效率、熱化發電率、供熱標煤耗、發電標煤耗等。

圖3 鍋爐系統性能計算

機組性能試驗是掌握機組熱力特性的重要一環。在線性能試驗，依托工況庫和樣本數據分析模型，所獲得的數據準確性高，可有效地幫助運行及工程技術人員尋找最優運行工況，讓管理、運行人員提前掌握企業總體性能的優劣及變化趨勢。經用戶確認的機組運行最優工況和目標數據，將導入模型工況庫和樣本數據庫，從而更加完善模型和樣本，為保障模型與現場設備長期同步提供了有效手段。該功能可實現機組主要設備的離在線性能試驗，包括鍋爐，汽輪機，凝汽器，風機等主輔機，能根據廠方需要，只要滿足相關試驗條件，企業專工即可對相關設備進行熱力試驗，隨時掌握機組運行的經濟性，幫助運行及工程技術人員獲得可靠的機組運行目標數據，檢測機組設備的可靠性等，對機組在線性能進行修正，為優化機組性能提供大量基礎數據。

1.5 深挖數據價值，優化生產輔助決策

1.5.1 熱電負荷分配優化節能降耗

在保證滿足用戶用熱、用電需求的前提下，分配一部三站的電、熱負荷，使得熱電系統運行成本最低，保證熱電系統獲得最大的經濟效益；通過采集系統數據，以降低供電煤耗為目標，根據系統中各主、輔機設備運行狀況、性能等信息，充分考慮機組安全穩定因素，自動制定出最為合理的運行曲線，使各機組運行處于最好狀態，為企業創造更多的經濟效益。

圖4 運行優化指導

1.5.2 冷端優化對比分析降低電耗

冷端優化以節約能耗為目標，建立冷端系統優化模型，通過不同工況下循環水泵啟停方案的科學決策。冷端優化綜合考慮凝汽器、循環泵等設備的工藝邊界，從電耗最大的設備單元為切入點，耦合機理模型和高級算法，對機組冷端系統進行在線優化，為現場機組運行提供操作運行指導。冷端優化分別從汽器壓力與飽和溫度的對應關系，飽和溫度與凝汽器傳熱端差、冷卻水溫度、循環水進出口溫度差計算，冷凝器特征參數確定，汽輪機功率與凝汽器壓力的關系，以及循環水泵耗功增加等幾個方面，保證了最佳凝汽器壓力和最佳循環水流量。在此基礎上，通過計算得到不同工況條件下的凝汽器特征、機輪機功率增量數據，并以此為依據確定變工況條件下循環水泵的最優配置方式。

圖5 冷端優化指導

1.5.3 運行優化指導，提升機組效率

計算求得機組主要參數及主要性能指標在當前工況下的可操作最優值，實現熱電機組的操作運行指導。以知識庫為依據，系統運行用深度學習算法，根據指標耗差分析結果，自動匹配相關影響因素和優化方案，輔助用戶進行優化操作。采用參數表格、棒圖、餅圖等形式顯示機組各分支耗差的基準值、當前值，形象反映各耗差值之間量的大小，直觀提示運行人員查找分析原因，指導運行操作，保證機組在最優工況下運行。

圖6 運行優化指導

1.5.4 決策輔助提升數據資產“隱形價值”

電廠除機、爐、電等有形資產外，電廠時刻產生的數據也是業主的核心隱形資產，這個資產在電廠未來25年的生命周期內，給業主帶來在投資、建設、運維等方面無限大的價值。運用數據倉庫、在線分析和數據挖掘來處理和分析數據，通過建立電廠大數據中心，形成全局數據倉庫，通過對數據進行抽取、清洗、聚類、挖掘、預測等處理來產生可透析的展示數據，從時間、縱向和橫向等維度進行分析，以總結歷史經驗、預測未來發展趨勢，為電廠管理決策提供支撐，使輔助決策系統成為電廠各級決策者獲取知識的平臺，為電廠各級決策者在投資、設計、采購、設備選型、運維效率和績效評價等方面提供輔助決策支持。

圖7 多緯度進行數據分析

1.6 狀態監測提升設備狀態感知能力

報警管理提供對生產運營中發生的設備故障、參數越限、異常報警等緊急事件的管理功能，利用該功能，可以對報警事件進行定義和設置，在“一部三站”運營過程中發生事故和緊急事件時，能迅速報警提示；提供對歷史事件的查詢、統計分析功能；通過對設備模型的重要參數設置預警規則，系統將實時動態監視該參數的變化趨勢，一旦觸發預警規則，進行實時彈框報警，提醒用戶及時進行查看和處理，為消除故障提供支持。用戶最終確認或解除報警，并填報消除故障的措施和處理結果，系統將自動記錄并納入知識庫。包括：報警定義、實時事件報警、參數異常預警、故障與越限統計分析、故障回放、事件報警的存儲、查詢和打印。

圖8 設備狀態監測

1.7 指標競賽績效管理助力企業發現薄弱偏差

指標競賽是發電廠運行中的基礎工作，是落實崗位責任制，提高運行治理水平的強有力手段；指標競賽可以充分調動運行人員的工作積極性，促進增產節約、節能降耗、優化經濟運行方式，提高熱電廠的綜合經濟效益。利用節能監控優化系統中的報表平臺模塊，可以很方便的進行數據組合和計算生成電子表格。參照熱電廠機組運行報表、全廠統計報表、班組五值競賽統計報表等報表格式和要求，生成多樣化、定制化報表，并可將報表導出、打印。報表平臺模塊可實現統計參數的在線配置，數據的自動統計、手工數據的錄入、報表模板的定制及發布等功能，整個開發過程無需任何代碼設計，業務設計人員也不需要任何編程知識，只需經過簡單培訓就可使用該業務設計工具。可以通過拖、拽的方式定義任何樣式的表單。

績效管理是發電廠運行中的基礎工作，是落實崗位責任制，提高運行治理水平的強有力手段；運行績效考核可以充分調動運行人員的工作積極性，促進增產節約、節能降耗、優化經濟運行方式，提高電廠的綜合經濟效益。績效管理模塊本著數據準確、過程公開、結果透明、設備敏感、指標創新五點要求，具有數據分辨率高，計算規則公開透明，結果可查詢追溯，友好的配置界面，高級的在線指令及豐富的對標管理圖形支持等特點。

1.8 數據駕駛艙應用帶來工作場景變革和管理效率提升

信息技術發展到今天，已經進入一個全面互聯的時代。伴隨著層出不窮的移動應用問世，人們也在逐步適應新的行為習慣和操作方式。移動端前所未有的實現了信息的精確傳達、消息的精準投遞、業務的精妙應用，移動端的功能建設業已被越來越多的企業置于整體戰略發展的重要或比較重要的位置。移動應用通過打破成熟的傳統模式，重構業務的經營模型和行為習慣，實現了顛覆式的業務變革，可以說，移動改變的不光是傳輸機制，更是整個業務形態。

圖9 移動應用

數據駕駛艙是電廠強化對生產管理的重要手段，通過企業LED 大屏進行電廠生產監視與調度，對生產過程大量有價值的信息進行集中管理、沉淀，達到對反應生產狀態的實時關鍵數據進行提取、存儲、分析，以輔助對電廠生產運營的集中指揮調度工作，更好實現電廠各類資源合理配置，提升對電廠的管理能力和管理水平。

節能監控優化系統要充分發揮應用平臺及大數據中心建設的優勢，落實共建共享，集約應用。有效整合信息化基礎資源、應用平臺資源與數據庫資源，實現全廠發電企業關鍵生產實時數據的集中存儲與處理，實現在對“一部三站”運行工況實時監視、分析、查詢，并向電廠管理層提供生產數據和計算分析結果，匯總各類報表以滿足對生產過程的管控要求，確保機組安全、穩定、高效運行。

圖10 煉油站大屏展示

2 智慧電廠建設基礎及目標

智慧電廠是指建立在數字化電廠的基礎上，通過引入大數據、云計算、物聯網、自動化控制等先進科學技術，實現對電廠生產運營的智能化調度、管理和控制的新型電廠。熱電機組新增節能監控優化平臺建設的基礎上，計劃分階段打造智慧熱電廠，將新一代信息技術融入公司全過程管理（水、電、汽、煤、灰等），構建數字化、信息化、智能化的管理平臺，全面提升發電生產、管理、運營的信息化、數字化、智能化水平。通過全面的信息感知、互聯、預判、響應和學習，提升科學的分析、決策和預判能力，提高設備可靠性，促進機組經濟運行，安全生產，減人增效，風險預控，為管理提升、高品質綠色發電、高效清潔近零排放電站建設提供技術支撐。通過創新、互聯和融合，讓全業務、全過程更透明，操作更簡潔，為業務發展帶來價值提升，實現綠色、集約、高效、協同的智能化發電企業。

根據智能發電建設總體目標，在發電廠控制及信息系統結構基礎上，整合拓展發電過程的實時數據處理和管理決策業務，構建智能發電運行控制支撐系統和智能發電公共服務支撐系統，實現發電過程的智能控制、智能安全、智能管理。面向發電生產運行控制過程，建立生產實時數據統一處理平臺，靈活運用各種人工智能算法、數據分析技術和先進控制技術，有效提升運行和控制環節的智能化水平，深入挖掘實際生產數據中蘊含的特征、信息和規律，使數據充分發揮價值。

實現電廠信息共享、業務協同、過程控制，從而實現三大目標:首先運營決策科學化。通過深化信息集成和大數據分析等應用，做到事前科學預測、事中動態改進、事后全面分析；其次運營管理協同化。通過完善生產經營指令和優化機制，做到流程高度集成、業務高度協同、價值全局最優；最后運行操作自動化。通過提升生產自動化控制和指揮中心監控協調等水平，做到過程自動控制、操作實時優化、指揮高效快捷。

加快推進智慧電廠建設，加強“運行數據的集成應用、日常數據的全面分析、異常問題的提前預見和共性問題的及時處理”，不斷提升發電企業的自動化和遠程控制水平，加速信息化深度數據融合，堅持把創新驅動擺在發展全局的核心位置，不斷集聚新動能、持續釋放新動力，以科技創新和智慧電廠建設支撐引領電力企業提質增效升級、持續健康發展。

圖11 智慧電廠內涵

3 結語

一體化節能監控優化平臺建設，以節能監控優化平臺建設為基礎，利用熱電機組生產過程監控和運行優化技術，滿足企業在保證安全生產的基礎上，實現了生產過程監控、優化控制、生產過程管理，最大限度的發揮機組性能，做好運行優化及節能降耗，降低發電成本，從而提高電廠安全經濟運行水平。平臺開發部署生產實時、報警管理、生產報表、指標考核、性能計算、耗差分析、冷端優化、熱電負荷分配、優化操作指導、數據管理駕駛艙、大屏展示等功能模塊，完成“一部三站”生產數據的實時采集、存儲，在電廠側實現了生產大數據中心的建設目的。

通過業務平臺的應用，實現“一部三站”生產工藝過程的可視化、數字化、規范化管理，快速故障定位，提高維護工作效率；優化業務模塊的應用，更好的對機組運行工況進行分析和診斷，挖掘生產過程中的節能潛力，發掘生產節能降耗空間，同時自動生成多角度多維度的統計分析報表，為領導決策提供準確、可靠的數據支持，優化資源配置、提高客戶滿意度的運營管理需求。

平臺的開發和應用也為電廠全面建設基于大數據、云計算、物聯網、自動化控制等先進科學技術，實現對電廠生產運營的智能化調度、管理和控制的新型智慧電廠奠定了良好的基礎。