淺析鄭州（南部）環保能源工程智慧電廠建設

王 磊，楚新磊，郭慧芳，王文杰，劉慧超

（1.鄭州正興環保能源有限公司，河南 新鄭 451100；2.中城院（北京）環境科技股份有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著電廠的不斷擴建，傳統的管理方式已無法滿足當前生產要求。在信息化技術高速發展的今天，智能技術已逐漸滲透至各個領域。目前電廠的建設也逐漸向智能化發展，通過計算機技術對電廠運行中的實時信息進行采集搜索等方式來實現其自動化控制與管理，從而可以提高電廠的智能化水平[1]。

目前垃圾焚燒發電廠正處于發展階段，由于其結構復雜，燃料成分多變，發電效率偏低，因而解決當前難題，建設垃圾焚燒智慧電廠，提高垃圾焚燒發電效率迫在眉睫[2]。智慧垃圾焚燒發電廠可以通過三維數字技術、計算機技術等實現電廠的智能監測、維護等，通過數據信息交換等技術實現電廠的智能控制，通過建設智慧焚燒垃圾發電廠，實現其更優控制，更全面管理，更高效的垃圾發電，促進垃圾焚燒發電廠健康發展[3]。

本文以鄭州（南部）環保能源工程的垃圾焚燒發電廠為例，簡要分析了智慧電廠的建設。本項目采用爐排爐焚燒發電工藝處理城市生活垃圾，選用“三爐兩機”方案，處理垃圾量2000t/d，年處理量為88.23×104t。配有兩套抽凝式汽輪發電機組，煙氣凈化系統均采用“SNCR[尿素]＋半干法[Ca(OH)2]＋干法[NaHCO3]+活性碳吸附＋袋式除塵器+濕法[NaOH 溶液]＋SCR[尿素]”的凈化工藝。滲瀝液處理規模為900m3/d，滲瀝液處理系統產生的污泥入爐焚燒處理。依據電廠生產經營的實際需求和電廠的具體特點，將先進的傳感測量、信息通信、人工智能、云計算、大數據、三維可視化等信息技術和垃圾發電生產過程的工業化技術、電廠管理技術相結合，并與電廠的基礎設施高度集成實現具有智能、安全、經濟、環保等特征的新型現代化電力企業。

1 三維數字技術

三維數字技術就是指將生產運行中的某些物體通過圖形學的方式轉換為計算機中的數字化三維格式。通過對這種數字化格式進行成像，顯示在不同的屏幕上。通過這種模擬與可視化的處理，從而實現了現實中物體的三維成像。三維數字技術中包括了很多不同的技術，由于其展現的畫面更加準確、更加直觀且可以操作，目前被應用在各個領域，且受到了大部分用戶的喜愛[4]。在電廠的運行與維護過程中，電廠的全貌、運行狀態以及文件信息對電廠穩定運行有著重要的影響。三維數字技術可以通過對電廠的不同部分進行虛擬建模，通過導入不同的現場真實參數，從而實現對于電廠的數字化管理[5]。

此三維虛擬電廠系統是面向電廠營運管理的三維虛擬可視化系統。在三維虛擬可視化系統中，三維引擎設計是整個系統的核心和基礎，合理的引擎設計對改善整個三維虛擬系統的渲染速度、真實感以及三維應用的開發起著至關重要的作用。在三維引擎設計方面，提出一種三維虛擬數字電廠可視化系統的體系結構，并設計了一種能夠靈活高效地展示二維矢量圖表、三維場景、動態視頻畫面等多形態信息的可視化組件渲染引擎SyncEngine。在此基礎上，實現與電廠現有業務應用系統的深度融合。模擬圖如圖1所示。

圖1 不同場景三維結構模擬圖Fig.1 3D structure simulation of different scenes

2 全廠總線儀表和控制系統

本工程采用現場總線型智能儀表及智能一體化執行機構，儀表總線采用PA 協議，閥門采用DP 協議，并隨分散控制系統（DCS）配置相應的智能設備管理系統。涉及到停機停爐的或其他對可靠性要求極高的遠傳儀表及執行機構仍采用傳統的硬接線方式，此類儀控設備需具備帶HART 協議功能。通過通訊收集現場各類儀表的運行狀態等信息，并實施有效管理，以提供有效信息給其它智能元素?，F場設備層包括完成對電廠中所有生產、管理過程進行檢測、監視和控制的現場設備，以及對信息進行儲存、傳輸和分析等處理的基礎設備。

近年來，測量技術、計算機技術和信息技術飛速發展，因此大量新型儀表、檢測設備和控制設備不斷涌現。這些儀器儀表設備可以實現全過程檢測，全類型信息和全天候巡檢，具體實現過程如下。

全過程檢測：通過收集整個生產過程所有直接相關信息的設備，例如：危險氣體檢測裝置、變壓器狀態監測裝置、開關柜狀態監測裝置等，來實現整個系統運行過程的檢測。

全類型信息：通過收集可以輔助生產管理的相關信息的設備，例如：智能儀表和總線儀表、煙感探頭、環境監測設備、智能定位設備、安全防護設備等，來實現對于垃圾焚燒電廠的全類型信息的收集。

全天候巡檢：可以輔助巡檢人員在各種氣候和環境下工作的設備，例如：可穿戴設備、手持式移動設備和巡檢機器人等，通過這些設備，可以幫助巡檢人員進行全天候巡檢。

3 管控一體化

為實現本焚燒電廠在“無人干預，少人值守”情況下的安全、經濟、環保運營，在傳統的管理信息系統和廠級監控信息系統的基礎上，結合設備設計、制造、調試、維護的經驗與知識積累，運用新一代的工業互聯網、大數據、人工智能技術，提供整套信息管控一體化平臺，實現電廠生產期的全過程、全范圍的信息管理，達到自動化、網絡化、無紙化及數字化，為電廠的生產管理者提供真實、準確、及時的生產管理信息。作為智慧電廠一體化信息系統支撐平臺、數據平臺、應用平臺和交互平臺，通過該平臺，用戶可構建基于數據自動流動的狀態感知、實時分析、科學計算的智能化應用。本項目建設內容包括企業門戶、廠級監控系統、生產運行管理、設備資產管理、物資管理、安全管理、經營管理、綜合管理系統、智能預警、智慧安防管理等功能模塊，實現電廠全過程、全范圍的信息管理，實現傳統平臺功能到信息管控一體化平臺的平穩過渡。平臺采用B/S 架構，具備開放性、定制性、可擴充性及可維護性，具體設計圖如圖2 所示。

圖2 管控一體化平臺設計圖Fig.2 Management and control integration platform design

信息管控一體化系統能實現整個焚燒廠范圍內信息共享和全廠生產過程的實時信息監控及管理，提高機組運行的可靠性；信息管控一體化系統預留集團針對各個焚燒廠信息化管理功能接口；信息管控一體化系統為企業管理層的決策提供真實、可靠的實時運行數據，為市場運作下的企業提供科學、準確的經濟性指標，使企業管理層的經營決策更具科學性；系統實現了全廠范圍內的管控一體化，為實現全廠整體效益的提高，信息技術的提升和穩定，經濟運行的根本目的打下堅實基礎。

信息管控一體化系統具有如下特點：

1）安全可靠性。系統安全可靠運行是每一個成熟應用系統最基本的要求，通過采用冗余工業以太網以及合適的網絡配置和完善的自診斷功能，使其具有高度的可靠性。

2）實時性。監測軟件與各系統的接口通訊程序，可實現秒級采集現場實時數據。

3）易操作、維護性。人機界面方便、美觀、實用，操作簡便實用。

4）兼容與開放性。信息管控一體化系統網絡采用以太網，軟、硬件均較為成熟，具有良好的兼容性和開放性。

4 智能預警系統

現有的DCS 報警系統普遍采用定值報警模式，存在嚴重的事后診斷，且該定值不隨負荷變化，誤報率較高，不能有效保障機組全負荷段安全運行。本項目設置了智能預警系統，旨在全負荷段動態監測重要設備及工藝系統運行狀態，在發生異常還未惡化為嚴重故障時即可預警，為運行人員留有足夠的時間處理異常情況，避免事故的發生，使得處理風險的模式從傳統的被動反應到主動規避，提前規劃和準備，有效避免這是未來故障診斷發展的新方向。因此，實現機組異常的早期智能預警對電廠生產的安全性、可靠性、經濟性具有重要意義。

智能預警模塊基于大數據分析技術、人工智能技術、在線建模技術以及專家系統來構建。軟件應以電廠一個大修周期的運行數據作為大數據分析和挖掘的數據來源，給出針對不同負荷狀況下機組正常運行參數范圍，并據此整定出運行參數的動態報警閾值，并對應提示越限后果。以系統、設備、參數為主線，按重要程度進行分級分類，對過程報警進行整合，形成精確報警，避免大量誤報警。同時，提供越限預警、輔機設備及部件劣化趨勢、誤操作等報警提示信息，達到減少誤判，提高機組運行水平的目的，設計圖如圖3 所示。

圖3 智能預警系統設計圖Fig.3 Intelligent early warning system design drawing

通過對實時數據庫中存儲的海量歷史及實時數據進行自動挖掘，智能預警模塊可自動根據不同工藝系統的設備特征進行離線或在線建模，可將機組實時運行數據代入機組及工藝系統的工況預警模型中進行運算和分析，得出不同工藝段、設備參數及工藝子系統的運行故障診斷及事故預報信息，能夠自動對設備的健康狀態異動和潛在故障進行早期預警，能夠自動發現各種潛在的故障關聯點，并對外提供信息訪問及發布服務。

5 垃圾池熱成像和爐膛火焰溫度測定

垃圾儲坑紅外熱成像測溫系統、紅外掃描熱像儀能夠全方位自動巡航，檢測垃圾堆表面的溫度、圖像，實現24h 不間斷監控，自動檢測垃圾堆表面高溫點溫度及高溫點位置，實現超溫自動報警，自動抓圖、錄像，可保存溫度流數據并回放。當探測溫度達到預設的報警值時，發出報警信息，提醒工作人員進行相應的處理，確保垃圾儲坑的安全環境狀況得到控制。

爐膛火焰監視系統集多光譜收集、光譜分幀處理、全視場溫度與圖像融合技術，實現爐內燃燒工況彩色視頻和燃燒溫度場全視場溫度實時監測，為運行人員實時掌握被監視區域的燃燒狀況、火焰形狀及物料的堆積、溫度變化等提供可靠的依據。系統主要由一體化成像測溫探頭、控制箱、耐高溫綜合線纜、空氣凈化裝置、燃燒溫度場紅外監測系統平臺等組成。

6 安防系統下人員定位

全廠安防集中管理系統作為安全防范系統集成與聯網的核心，應包括集成管理、信息管理、用戶管理、設備管理、聯動控制、日志管理、統計分析、系統校時、預案管理、人機交互、聯網共享、指揮調度、智能應用、系統運維、安全管控等功能。除此之外，此系統還具有特殊的人員定位系統。為滿足電廠在指定區域對生產人員實時定位的要求，在全廠區布置高精度人員定位設備，滿足對人員區域管理的要求，人員定位如圖4 所示。

圖4 人員定位模擬圖Fig.4 Personnel positioning simulation diagram

結合當前最新的移動定位技術和通訊技術，通過無線通訊技術將所有的定位設備及各智能化設備集成在同一個網絡平臺上運行，不僅方便了系統集中的統一管理，又便于今后系統的分布式擴展，從而保證本系統真正地成為智能化管理系統。系統通過人員標簽卡與人員進行關聯，管理人員可以根據實際需要實時查看相關人員的實時位置、歷史軌跡、出入生產區門禁數據、人員基本信息等，通過圖形化的展示界面實現對廠區人員的整體管控，通過區域超員、禁區、滯留告警、電子圍欄、門禁出入管控、巡檢管理、一鍵報警呼救、數據化分析等功能。查看相應人員歷史軌跡示意圖如圖5 所示。

圖5 人員歷史軌跡示意圖Fig.5 Personnel history track diagram

通過對人員的不安全行為進行識別、警告、記錄、消息推送等，實現人員定位系統與三維建模系統的融合，將人員信息在三維模型進行展示，并與視頻監控系統進行聯動，實現軌跡回放功能。當人員處于某一區域時，可以調閱該區域的視頻攝像頭，查看實際情況，實現了對廠區的智能化管控，大幅提高廠區的安全性和管理效率，降低廠區生產安全隱患，降低人員安全生產風險。通過智能化功能與二道門出入系統、視頻監控系統、生產管理系統的精準互聯管控，實現對廠區人員、車輛的實時數據進行大數據智能分析管控，從而實現廠區智能化、數據化、信息化的管控目的。

7 結論

目前，國內數字化技術不斷發展，逐漸應用至各個生產生活領域。通過對智慧電廠進行建設，能夠提高垃圾焚燒發電廠的效益與管理水平。對電廠不同系統進行智能化設計，可以實現對電廠的信息共享、高效管理以及實時監測，促進垃圾焚燒發電廠健康發展，建設具有智能、安全、經濟、環保等特征的新型現代化電力企業。