建設智慧電廠的典型技術路線與應用效果分析

張冠洲，馬 成

（1.廣東電網有限責任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000；2.國家能源集團國電電力邯鄲東郊熱電有限責任公司，河北 邯鄲 056000）

0 引 言

當前，智慧化和人工智能成為火電企業發展的方向，而數字化是智慧化的基礎。在數字化階段主要完成基礎數據的積累，是電廠的數據儲備階段。對電廠設備的智能控制屬于電廠的數據控制階段，當有了足夠的數據并且將數據與電廠實體對象進行了關聯之后，便可以分析判斷收集到的數據，并進入到智能化階段。這個階段里人工智能技術的自我學習能力起到了關鍵作用，通過人工智能技術將大幅度提高計算機分析效率，可以更快、更準地做出判斷并響應[1-3]。

某火電公司剛剛新建投運不到兩年時間，在前期設計、基本建設和生產運營各階段都高度重視電廠的信息化、數字化以及智慧化建設，并在智慧燃料系統、全廠現場總線系統、三維模擬電纜敷設、輔助車間一體化管控與永磁電機變頻調速等方面的建設取得了良好的使用效果，以下對其中幾部分內容進行詳細分析。

1 智慧燃料系統

傳統的燃料管理存在多方面弊端，一是入廠煤數量、原煤采樣以及化學分析等各個環節均由人工操作，工作效率低且人為干擾環節多。二是各化驗設備獨立運行，化驗數據無法實時傳輸，不能實現在線監控及自動生成化驗報告，網絡化技術應用滯后，化驗室建設未實現標準化和規范化。三是燃料入廠計量、質量化驗、結算及統計報表系統始終處于孤島運行狀態，在具體的數據錄入及核對環節離不開人工操作，不支持自動傳輸，無法實現系統數據的精準高效統計和分析利用，管理層面信息化水平較低。

為解決燃料管理存在的弊端，提高火電企業的核心競爭力，邯鄲東郊熱電建設了智慧燃料系統，優化了燃料智能化整體流程。在入廠車輛識別系統、全自動制樣系統、氣動傳輸存樣系統、燃料DCS管理系統、煤質無人化驗系統、智慧煤場以及煤質在線快速測定系統這7大系統中均實現了自動化、數字化與無人值守，節約了人力資源，簡化了生產流程，提高了工作效率，加快了智慧電廠建設的步伐[4-6]。

1.1 系統介紹

從組織部分計劃、采購、調運、廠前候場、廠內入廠、重車過衡直至廠外的這條線稱為運輸自動化處理線。其中廠內部分的入廠、重車過衡、采樣、卸車、輕車過衡與離廠等主要利用車輛的自動識別、精確定位及一些新技術來實現車輛出入廠驗收的無人值守。從組織部分的調運、廠前的調場、廠內入廠、重車過衡、采樣、卸車、倒噸、扣噸直至煤場、入爐整個環節稱為煤流處理線。其中入廠、重車過衡、采樣、卸車、扣噸等需實現數字化煤場接卸管理和實時監控。管理樣品的這條線稱為樣品流處理線，其中包括集樣、送樣、制樣、存樣、取樣以及化驗等部分，利用制樣系統、封樣、氣動傳輸等實現樣品分離，建設標準化實驗室。

整個項目建設過程中，運輸線、燃煤線、樣品線以及成本核算環節需要隨時監控一些關鍵點的運行狀態。所有監控點的信息通過運行監控系統傳輸到業務管理系統，各環節中發揮技術優勢，以帶來燃料管理流程的簡化和優化梳理，減少管理中的漏洞風險，也提高進煤率，使得鍋爐燃燒更充分，確保電廠燃燒管理處于高水平階段。基于燃料智慧化整體流程，構建智慧化燃料管控系統，并下設車輛識別系統、自動制樣系統、自動傳輸系統、燃料DCS管理系統、煤質無人化驗系統、智慧煤場以及煤質在線快速測定系統這7大子系統。

值得肯定的是，作為國內首創煤制無人化驗系統，其實現了整個燃料智能化鏈條的一體化操控，從采樣、制樣到存樣、取樣以及化驗，實現了一站式運行。系統主要有樣品輸送裝置、樣品識別裝置、樣品破封裝置、煤樣微量添加稱量裝置、工業機器人、工業分析儀器、計算機控制系統以及通信傳輸裝置等組成。其中煤樣微量添加與稱量是該系統中至關重要的一環，也是國內首創榮獲國家專利的一項核心技術。整個無人化驗系統工作流程包括4步：一是自動化驗室控制單元根據“日化驗計劃表”發送命令至智能存樣柜，將樣品傳輸至無人化驗室；二是由煤樣微量添加與稱量裝置將樣品自動開封，并按煤質工業分析的要求將煤樣添加到高精度電子天平稱量若干份；三是機器人將樣品依次放置到托盤中，托盤經鏈板轉運至指定位置后，再根據煤樣類型依次抓取到對應的工業分析儀中，待最后一個煤樣放置完成后控制單發送指令開始化驗；四是同時稱取的煤樣重量值會自動傳輸到相應的分析儀系統中參與分析運算，得出煤樣的質量數據。在各項試驗完成后，機器人將燃燒后的坩堝依次從化驗設備取出放置在托盤，托盤經鏈板轉運至棄樣皮帶旁，再由機器人將坩堝放置到棄樣皮帶中運出。

1.2 成果評價

1.2.1 提高了工作效率

提升了工作效率，有效縮短了運煤車輛進廠和出廠的作業時間，對比之前的運輸時間，每車節約5 min，而且采樣機出車一次可以完成三點全斷面采樣。此外，單車采樣時間也比之前縮短了1～1.5 min，整個采樣效率提升25%左右，日最大接卸能力比之前增加了約4 500 t，且采樣流程中省去了中間采樣和制備化驗環節，支持條碼掃取識別，無需手工錄入，操作更快速準確。

1.2.2 提升了采樣代表性

通過智能化管理，進一步提高了批次采樣代表性，其中熱值波動降低了165 kcal/kg、硫份波動值降低了0.05%、水分波動值降低了0.4%、灰分波動值降低了1.6%。

1.2.3 降低了管理風險

引入燃料智能化管控系統后減少冗員問題，燃料入廠管理中出場管理、采樣管理、計量管理以及質量管理等完成人工到自動化操作的轉變，不僅可以提高處理效率，還可以規避人為操作的風險。此外，讓采制、化驗以及計量等各環節得到了動態實時監控，合理規避管理風險。

智慧燃料系統建設是火電企業規范燃料管理和提高經濟效益的有效手段，其機械化作業、自動化控制以及信息化管理可促進火電企業燃料管理的實質性轉變，充分發揮數字優勢，解放了人力資源，提高了工作效率，并有效規避了風險，極大促進了公司的燃料管理模式，同時為燃料管理平臺的大數據收集奠定了堅實基礎。

2 全廠現場總線系統

目前，火電公司執行的是DCS管理系統，這是由北京國電智深控制技術有限公司推出的新型生產系統，現場總線系統為FCS，其研發單位為北京華電天仁電力控制技術有限公司。DCS系統和FCS系統作為火電廠控制系統的核心部件，在火電公司設計初就應該明確必須使用我國國產化系統設備，為企業網絡安全打下基礎[7-10]。總線技術對應的是通信協議，其核心構成是控制器、光電轉換器、DP/PA轉換器、PA分線盒以及終端電阻等，FCS系統可以與DCS系統有效對接，進行數據的即時高效交換，支持信息互聯，真正將計算機控制的觸角延伸到電廠設備的每一個角落。

2.1 系統介紹

全廠現場總線部署實現了火電生產系統內主機與輔助車間系統的對接以及工序的鏈接，使得化水、脫硫、脫硝與除塵等操作有效銜接、連貫推進。可以說，除部分爐膛控制系統及部分高壓電氣系統外都支持現場總線控制。在執行機構分析儀表和熱電偶組綜合測控裝置的支持下，現場總線控制效果理想，以總線儀表及監控總線覆蓋率來說，高達95%以上，全場總線設備對應的分布情況見表1。

表1 全廠總線設備分布表

目前，全場共計配備總線技術智能終端2 307臺，其中PA設備927臺，DP設備1 380臺，前者主要包括多個品牌的流量計、壓力表以及液位計，而后者主要對應多型號的馬達保護器、變頻器以及電動閥門等。從總線部署范圍來看，該火電公司項目智能化程度較高。

總線系統的組織架構主要包括管理層、設備監控層以及現場層3個不同層級。其中管理層扮演的是總控角色，相當于人的“大腦”，主要進行現場總線控制系統的統籌控制，是該系統的人機交互口，支持系統組態分析、運行狀態監控、參數設置及預警提示，也包括部分故障的識別與診斷。設備監控層的核心構成是DPU控制柜以及分布于現場的就地控制柜，其中就地控制柜又包括光電轉換器、冗余/單路轉換器（Y-Link）、Profibus DP/PA轉換器（耦合器）、終端電阻、電源模塊以及DP/PA電纜等。現場層主要對應系列智能終端設備，組成部分為變頻器、智能電動閥門以及就地儀表等。目前，該火電公司總線設備采取的是雙網運行模式，上位機可進行網絡的自主切換，輔助系統可以與設備層進行單網運行，大大節約施工成本，且保障系統運行的安全有效，具體的網絡架構如圖1所示。

圖1 現場總線網絡架構圖

大范圍使用現場總線后，不僅提高了火電廠的智慧化水平，實現了現場設備運行數據的便捷收集和實時信息的互聯互通，而且還具備了設備的遠程自診斷、自分析功能、自修復功能。

2.2 成果評價

2.2.1 建立輔助車間一體化管控中心

在DCS一體化設計和全面使用FCS總線技術的基礎上，化水、脫硫、脫硝、除塵、除灰以及壓縮空氣的控制系統實現輔網DCS一體化控制的效果，所有輔助車間的控制能夠均在輔控中心實現。就地不設值守人員，大大實現了集約化控制，降低了人員成本。輔控運行人員實現一專多能和全能值班，同時輔控中心與主控中心背靠背布置，便于便捷的溝通聯絡，全廠主、輔控兩大生產運行控制中心實現地理位置和系統運行的緊耦合、全能化以及集中式管理模式。

2.2.2 總線系統后期擴容更方便

設備接線簡單靈活，一對DP或PA電纜可支持多個就地設備的“掛接”，減少電纜使用量，也規避電纜接線安裝的風險。若后期需要增添新設備，無需考慮敷設新的控制電纜，截取一段總線信號線就可準確接入總線網段中。

2.2.3 總線系統可實現自診斷

現場總線系統采用全數字化技術，終端智能現場裝置可與DCS系統進行良好的信息交互，并發送多變量信息，還具備檢測信息差錯的功能。因此，工作人員坐在工程師站即可對全廠的總線設備裝置進行遠程診斷、維護以及組態，實現了對DCS系統控制組態功能的有效補充。

2.2.4 配置可靠性高的控制網絡

該火電廠總線系統對應的是雙網冗余配置，這意味著某個設備或單條網段出現故障，其可及時切換到無故障的另一網段中，不會對其他設備或網站運行造成干擾，減少損失，設備運行更穩定。

2.2.5 具備全數字化高性能的傳輸功能

總線系統對應的是全數字化系統，不需要進行D/A與A/D的變換。在通信協議之下，基于DCS系統準確對接、高度集成以及性能傳輸優勢明顯，且精確度更有保障。據粗略統計，精確度可提升0.1%～0.5%[11,12]。

3 三維模擬電纜敷設

3.1 系統介紹

工程建設過程中電纜采購是物資采購的重點內容，要想確保電纜采購的合理規范，可先于現有的場內設備三維立體模型模擬電纜線路敷設路徑，估算電纜長度和通道斷面，明確電纜鋪設的最佳路徑。在三模型中對電纜通道進行最優化布置、對電纜敷設路徑進行最優化計算、對各電纜統籌規劃定尺定盤，此外對每根電纜敷設順序及敷設工藝在三維模型中模擬布置，全程監督指導敷設過程。實現電纜及橋架從設計、優化、采購、到貨、領用、敷設（安裝）以及工藝制作全過程的精細化管理，提供給供應商優化后的電纜生產清冊。圖2為電腦三維模擬電纜敷設的立體圖。

圖2 三維模擬電纜敷設

進行電纜的阻盤處理，產生電纜訂貨單并及時傳輸給供貨商進行電纜生產，根據“定尺定盤”要求，確保每一盤電纜有清晰的電纜根數和電纜長度的標記。在電纜敷設過程中若出現敷設情況的調整，系統也能及時捕捉變化，調整電纜長度和通道斷面數據，做好電纜敷設清單的編寫。

3.2 成果評價

通過“三維模擬，定尺定盤”這一手段，有效控制了電纜供應中的“跳碼短碼”現象，同時也實現了對施工過程中電纜浪費的有效控制，減少了施工的人力成本。

該火電公司項目建設中，總共對12個批次的電纜和28個批次的電纜橋架進行了優化設計施工。電纜的設計長度為1 365 736 m，經優化后為1 284 121 m，優化量達到81 615 m。電纜橋架優化后實際使用量為1 169.4 t，優化量達到278.6 t。該過程也完成了全廠設備位置電纜敷設長度等海量數據的采集與記錄，并以此作為生產運營的分析依據。此外，在物資倉儲方面也做到了工程結束基本無庫存剩余，大大的壓縮了工程的建設成本。表2為電纜敷設優化數據統計表。

表2 電纜敷設優化數據統計表

4 永磁電機變頻調速系統

4.1 系統介紹

區別與使用常規異步電動機，以高效節能永磁同步的電動機為原始驅動，其最大的優勢在于電動機的轉子為永磁體，使得電動機定子和轉子轉速一致，大大減少了銅損耗與鐵損耗，有效解決了能量損耗問題。

目前，系統對永磁電機的控制更精準，支持與變頻器配合下的PID反饋全矢量控制以及精準調速。這也就說，一根弦變線可以將電機實時轉速及時反饋到變頻器上，變頻器獲得運行指令進行協調控制，完成轉距和速度的合理調整，使得其保持精準轉速。由于變頻器的控制屬于總線控制范疇，因此對應實現了DCS對永磁電機的精準調節。

4.2 成果評價

永磁電機構造如圖3所示，其材料具有特殊性，應用優勢包括以下幾個部分。一是能合理滿足輸煤皮帶承載啟動需求；二是無需減速箱可帶來皮帶的直接驅動，低速電機運行可靠程度更高，且支持免維護；三是在變頻驅動情況下支持低速、大轉矩，啟停更平穩，支持過載啟動，這是異步電機所不具備的優勢；四是減少轉子電阻損耗，定子繞組的無功電流忽略不計，同體積和同重量的條件下，永磁電機功率能提升30%左右，而所需材料能同步減少30%左右，永磁同步電機功率因數趨近于1；五是永磁同步電機皮帶驅動系統，對應的是軟啟動技術，其主要的優勢是小電流、緩加速以及大轉距輸出，能減少皮帶打滑的概率，張力較小，可有效保護設備。

圖3 永磁電機構造圖

5 結 論

該火電公司的智慧企業建設中采用了包括智慧燃料系統、全廠現場總線系統、三維模擬電纜敷設以及永磁電機變頻調速系統等在內的技術方案取得了良好的效果，不僅實現了經濟效益，還讓企業步入了智慧化的道路。在此基礎上，公司將繼續依托于國家能源集團有關的技術指導，在建立“兩平臺三網絡”（智能發電平臺、智慧管理平臺、生產控制網、管理信息網、工業無線網）以及實現企業整體架構的改進上繼續深入開展智慧企業的建設道路。最終目標在于通過智能計算、數據分析、大數據平臺及機械算法等模塊調整核算升級，實現建立一套具有“自分析、自診斷、自管理、自趨優、自恢復、自學習、自提升”特征的智慧火電企業生態系統。