發電企業數字化轉型實踐

［摘 要］數字經濟時代，數字化轉型已成為關乎企業生存和長遠發展的“必修課”。作為國內首批重型燃機發電企業，北京京豐燃氣發電有限責任公司以燃氣發電機組DCS（集散控制系統）一體化改造為突破口，通過構建數字化全過程管理體系，統一規劃、分步實施數字化建設，按需定制DCS改造方案，推進關鍵核心技術自主研發等舉措，全面推進企業數字化轉型升級，在實現DCS系統一體化、數字化、智能化集中管理的同時，提升了企業數字化能力和機組運行效能。

［關鍵詞］電力企業；燃氣發電機組；DCS 一體化改造；數字化轉型

一、公司簡介

北京京豐燃氣發電有限責任公司（簡稱“京豐燃氣”）是一家有著60 余年歷史的發電企業，前身為原北京第三熱電廠，坐落于北京市豐臺區云崗，距中心城區僅30 公里，肩負著為首都電網供電、為周邊地區供熱及為企業供汽的重要任務。

京豐燃氣系北京能源集團有限責任公司（簡稱“京能集團”）的清潔能源平臺，是以天然氣為燃料的新型發電企業。公司先后經歷六期改擴建工程，現役1臺三菱M701F3型410MW燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組。該機組于2006 年5月1日投入商業運行，是國內首批、華北地區首臺9F級重型燃機。

2008年初，京豐燃氣落實北京市政府要求，關停2臺燃煤機組，并對聯合循環機組進行供熱改造，使之成為地區唯一熱源，負責為周邊約280萬平方米區域供熱。

隨著北京市DB11/847-2011《固定式燃氣輪機大氣污染物排放標準》的發布實施，2013年，京豐燃氣對燃氣機組實施脫硝改造，使機組煙氣氮氧化物排放濃度小于15mg/Nm3，走在環保限排的前列。

近年來，作為國內首批重型燃機發電企業，京豐燃氣積極響應國家“雙碳”戰略，認真貫徹落實電力體制改革要求，不斷加大科技創新力度，深入推進企業數字化建設，為企業高質量發展奠定了堅實基礎。

二、實施背景

（一）“雙碳”背景下提升核心競爭力的需要

“雙碳”背景下，傳統火電企業信息孤島、安全隱患、管理落后、能效不高等問題日益凸顯。另外，隨著全球能源資源供應趨緊與能源需求增長矛盾的進一步擴大，廉價一次能源時代已一去不復返，火力發電企業發展也面臨一系列挑戰。

一是燃料價格上漲，環保壓力陡增，使得企業運行成本居高不下。

二是新能源全額上網擠占電量，加上風電、光伏、潮汐等間歇性能源的出現， 造成電網調度難度增大，也使得調峰任務更多地轉移到火電上。這對火電機組穩定性提出了更高要求。

三是隨著競價上網方案的進一步推行，發電行業競爭逐漸加劇并進入微利時代，降低發電成本已成為火電企業取得競爭優勢的關鍵。

基于上述問題與挑戰，火電企業亟須加快推動數字技術與業務需求進行深度融合，加快數字化轉型，不斷提高企業核心競爭力。

（二）保障機組安全、高效運行的需要

作為國內首批重型燃機發電企業，京豐燃氣的燃氣發電機組于2005年投產運行。當時DCS系統以進口設備為主、且CPU多為集中布置。由于設備成本高及集中布置所限，很多獨立分散的PLC系統和外圍設備都是在子站或就地進行操作。

近年來，隨著運維人員的減少，亟須提高控制系統的自動化水平，以縮減巡檢范圍、降低巡檢頻次、減少人工干預操作，最大限度地實現機組的安全、經濟、高效、環保運行。這也是企業數字化轉型的一個重要部分。

（三）實現價值最大化、最優化的需要

目前，我國發電企業設備檢修機制普遍采用計劃性檢修和定期預防性檢修。隨著機組不斷向高參數、大容量、高度自動化發展，其經濟效益和社會效益的實現，均以設備的可靠度和可用率為保障。另外，機組控制系統多為進口設備，維護費用高、采購周期長，采用原有的計劃檢修方式，會造成設備維修費用始終居高不下。

在保證控制系統可靠性的前提下，最大限度地降低發電成本，實現價值最大化、最優化，是發電企業高質量發展的客觀需求。

三、主要做法

（一）構建數字化全過程管理體系

京豐燃氣數字化轉型分四個階段推進，通過構建“143”數字化全過程管理體系（即1個目標、4個階段、3種保障措施），推動各環節依序影響、動態循環，實現全過程閉環管理。

1. 策劃階段

全面分析評估系統現狀，形成頂層設計。

2. 規劃階段

制定目標、路線和方法，形成總體規劃和專項規劃。

3. 實施階段

對規劃進行分解和細化，制定有效的落地措施，確保達到預期目標。

4. 評估階段

全面綜合評估實施成效。

通過采取組織、制度和技術等方面的保障措施，為目標落地提供有力的后臺支撐，確保規劃實施全過程可控、全方位落地。

（二）統一規劃、分步實施數字化建設

京豐燃氣現僅有1臺燃氣發電機組服役運行。降低機組非停事件發生，需要提高控制系統的設備可靠性與可用率。

DCS一體化改造可實現機組“少人、無人”值守且高效運這也是電廠數字化、智能化發展的重要基礎。

2016年，公司燃氣發電機組控制系統故障率明顯增加。同時，PLC子系統多而雜造成的維護困難、CPU等重要備件采購困難、控制系統維護成本增加等問題也是日益突出。

對此，公司對數字化建設進行總體規劃，根據各子系統實際情況和需求制定改造方案，采用分步實施的方式推進DCS一體化改造。（如圖1所示）

1. 2017年，完成DCS升級改造，實現圖形化組態，維護方式變得簡單、直觀；優化網絡結構、預留充足的擴容接口，為DCS一體化改造奠定基礎。

2. 2019年，完成燃機控制系統升級改造，提高控制系統運行可靠性。

3. 2017 年至2021 年，陸續將熱網控制、脫硝控制、調壓站控制、空壓機控制、熱網抽汽調門控制、循泵液控蝶閥控制、屋頂風機控制系統接入DCS系統，逐步擴大DCS的監控范圍。

4. 2022年，調壓站電氣控制、中央空調控制、微機五防系統實現DCS遠程監控，為機組的長周期安全運行奠定良好的設備基礎。

5. 為實現全廠DCS系統一體化、數字化、智能化集中管理，2022年開展“DCS一體化及數字化維護與報警管理平臺的應用研發”，項目預計于2024 年完成。

（三）按需定制DCS改造方案

DCS一體化改造在進行方案設計時，首先立足實際需求，從消除系統安全隱患、滿足工藝運行需求、提高維護水平、后期維護、系統擴展功能等方面進行綜合評估，并根據需求定制相對最優的改造方案。

再從改造工期、改造費用等方面進行評估，并確定改造方式和改造時間。（如圖2、圖3所示）

（四）推進關鍵核心技術自主可控

1. 取消獨立PLC

將固化程序轉變為開放可維護系統，提高控制系統的維護水平和工藝系統運行的可靠性。

2. 進行系統整合和優化

調壓站內的控制系統主要包括：壓縮機控制系統、調壓站站控系統、ESD控制系統、啟動爐、燃氣計量撬、調壓站電氣系統等，各子系統設備型號不統一、相互獨立，且只能在就地進行監控操作。

通過以現有DCS系統為基礎，將原有相互獨立分散的PLC子系統接入DCS系統。同時，整合各子系統、統一界面和數據格式，通過DCS集成所有生產數據，升級運行監控的管理能力。（如圖4所示）

3. 提升運行監控管理效率

第一，各子系統的整合為DCS報警數據庫的建立和優化奠定了基礎。

第二，通過增加邏輯規則與故障進行關聯逐步完善報警系統、快速定位報警源頭，降低運行人員疏忽犯錯的問題。

第三，對報警信號進行整合和優化，提高報警系統的及時性和準確性，避免過度報警或遺漏報警。經過梳理后優化報警1004個、增補重要報警44個，有效提升運行監控的管理效率，確保了機組運行的穩定性和可靠性。

后續還將深入開展智能預警系統的應用研發，輔助指導運行人員進行故障處理。如：偶發類報警（無明顯征兆、觸發較快的報警）、缺陷類報警（有征兆、長期存在、間斷觸發的報警）、參數劣化后的長后期監控（濾網差壓）、變工況時的參數特征監視等。

4.實現系統快速啟停，降低過程損耗

熱網系統與機組抽汽系統自動聯鎖功能，不僅能實現熱網系統的快速啟停，降低過程損耗，還能大幅提高熱網系統運行的安全性。

其中，熱網系統新增的4套自動調節，自動投入率100%，自動調節過程快速、穩定、品質良好，在冬季供熱期（連續4個月）能滿足熱網各種工況的運行需求，有效減少運行人員的調整操作頻次。

可以說，自動化水平的提高不僅提升了熱網系統運行的經濟性，還為熱網系統長周期穩定運行提供了有力的技術保障。（如圖5所示）

5.深入挖掘控制系統的改進和優化空間

空壓機和干燥器接入DCS系統后，可實現二者的遠程監控和自動聯鎖。空壓機定期（24小時）輪換時不再需要運行人員實地進行操作，通過空壓機系統，實現遠程自動運行、定期自動輪換、故障時自動切換，有效降低運行人員的巡檢時間和現場操作次數。

此外，子系統整合后便于開展數據分析、缺陷處理以及系統優化，有效提高空壓機系統運行的可靠性和安全性，為機組的經濟運行提供有力的技術支撐和監督手段。

2022 年底，#2空壓機當反吹系統運行時（每天投運半小時）多次出現問題。通過系統調取歷史數據、對比分析后發現，#2空壓機出力偏低，反吹投入時儀用空氣系統外部用氣量增加，要維持儀用空氣母管壓力0.75MPa的系統要求，#2儀用空壓機的轉速無法降低至72%以下（停運條件），所以造成設備不能自動停運；#2空壓機啟動后帶載時間較長，38-41s母管壓力才能達到0.65MPa（另外2臺空壓機35s可到目標壓力），所以會聯鎖備用空壓機啟動。

改造前，3臺空壓機相對獨立，無法進行數據對比和分析。像空壓機這種因本身特性差異造成系統變工況時才會出現的問題，消缺時間有時會超過1個月，但本次改造后消缺處理時間只用了2天。除了修改空壓機切換的控制參數，還對3臺干燥器的切換邏輯一并進行了優化，徹底解決了#2空壓機不能自停的問題，快速消除安全隱患，確保空壓機系統運行的可靠性。（如圖6所示）

（五）向預測性維護發展，提升控制系統的檢修決策能力

1.研發設備狀態監測系統，夯實預測性維護的技術基礎

通過監測設備健康狀況以及表現效率，識別可能影響設備績效下降的因素，并提前預判設備健康狀態，來優化控制系統的檢修模式和周期，使控制系統始終處于受控和可控的狀態，在保證發電設備的可用率、可靠性、經濟性、可調性、可控性的條件下，合理安排控制系統的檢修計劃、優化檢修內容、降低檢修費用，切實降低發電成本。（如圖7所示）

2. 探索檢修新模式

相對于現有的計劃維護和定期維護，預測性維護可避免“過剩維修”，防止不必要的解體檢修、部件更換；通過大數據分析，在壽命周期內盡早發現故障隱患，避免“欠維修”造成故障擴大，有效減少設備消缺時間；合理預估設備的剩余壽命，使設備在保證安全的情況下合理超期服役，盡量延長DCS系統使用壽命。

3. 研發DCS數字化維護系統的應用

控制系統的維護和變更，由DCS自動記錄并形成電子版的維護記錄逐步取代紙質記錄，降低人為記錄的錯誤和疏漏，提高控制系統的維護水平。

（六）加強持續跟蹤評估，確保成果的實效性

1. 按要求開展性能測試和效果評估

通過性能測試和效果評估，對系統性能下降及時開展分析，并制定相應的改進措施；措施執行后進行試驗，確保改造達到預期效果。同時，對改造效果進行一段時間的跟蹤評估，確保成果有良好的持續性和時效性，能滿足各種工況的運行要求。

隨著電網調峰的需求日益增大，機組運行方式由長周期運行模式逐漸向調峰模式轉變，電網的二個細則考核也日趨嚴格。2019年，華北區域并網發電廠輔助修訂的服務管理實施細則，不僅要求一次調頻動作的正確率，還增加了性能指標的考核。實施細則發布后得2020年，機組的二個細則考核費用大幅增加。

為降低一次調頻考核，依據實施細則考核辦法，對調速系統開展系統優化：

一是對調速系統的控制設備進行升級，提高控制系統的性能參數和可靠性。

二是參與調速的執行器定期進行檢修、測試，確保閥門動作靈活可靠、調節精度準確。

三是AGC和一次調頻設有專人管理，每月通過一次調頻考核系統對一次調頻的動作情況進行分析，發現異常及時進行處理和調整。

四是通過一系列技術措施來確保調速系統運行良好，各種工況均能滿足二個細則的考核要求。（如圖8所示）

2. 按要求開展定期試驗

開展定期試驗，驗證系統在異常工況的調節效果。通過數據分析、制定措施、效果評估、優化改進來提高機組運行效率，降低異常工況下的安全風險。

（七）提升機組運行的可靠性

京豐燃氣通過DCS一體化改造，為控制系統實現預測性維護及智能化升級提供了技術支撐，能夠安全有效地延長控制系統的使用壽命，降低控制系統的維護成本，并提高控制系統的維護水平，提升機組運行的安全可靠性，為企業盈利奠定了堅實的基礎。

（八）提升機組運行的經濟性

通過完善設備狀態的實時監測、加強動態數據管理等措施，系統風險控制從“系統-設備-部件”日漸細化、可控，實現設備科學量化管理；通過探索“以狀態檢修為主，計劃檢修為輔”的檢修新模式，推動設備管理由事后處理向事先預控轉變，不僅提升了控制系統的本質安全能力，還降低了維護費用。

（九）提質增效成果顯著

1. 有效降低維護成本

控制系統一體化改造后，硬件設備的備件種類和數量大幅減少，每年至少可減少PLC備件費用10 萬元；軟件接口程序維護需求減少，每年可節約技術服務費用約10 萬元。

另外，軟件增加了設備健康狀態監測，便于維護人員有計劃地開展控制系統檢修，能有效降低系統維護成本，逐步實現提質增效的檢修目標。（如圖9、圖10 所示）

2. 縮短系統消缺時間

DCS一體化改造后，提高了子系統控制設備的可靠性；子系統整合后實現自動聯鎖功能，提高了機組的自動化水平，有效縮短了系統的消缺時間。

3. 提高企業競爭力

DCS一體化改造后，不僅達到人力資源優化，還最大限度地實現機組的安全、經濟、高效、環保運行，有效提高了企業的競爭力。