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案例頻道1 智能化建設背景
科技創新作為提高社會生產力和綜合國力的戰略支撐，已擺在了國家發展全局的核心位置，從思想到戰略再到行動的完整體系逐步形成，“工業4.0”和“互聯網+”等創新理念深入人心，互聯網、大數據、人工智能等新技術與發電行業生產過程逐步深度融合，發電行業的建設與發展進入新的階段，面臨著新的機遇與挑戰。
2 鋼鐵企業煤氣發電機組能效提升需求升級
重點鋼企積極響應國家戰略布局，工藝裝備均已實現了大型化、現代化，自動化水平得到顯著提高。為應對新形勢提出的深層次的節能要求，還有很多細致的工作要做。配套建設大型高效煤氣發電機組，對高、中溫氣相余熱（焦爐煤氣、轉爐煙氣、高爐煤氣等）進行回收利用，將產生的高爐/轉爐/焦爐煤氣完全燃燒用于發電，煤氣機組的自動化系統和自動化裝備的水平對能源利用效率影響較大，因此，現代化的鋼企更加重視自動化技術的創新和應用，提升能源綜合利用效率，企業在智能化建設道路上不斷實現降本增效。
3 智能控制系統的目標與框架
科遠為多臺大型煤氣發電機組提供控制系統解決方案，為應對機組在安全、環保、經濟方面的性能提升需求，以高度開放的NT6000 V4 DCS控制系統平臺為基礎，充分融合智能感知、大數據分析、先進控制等技術，在應用功能上不斷拓展，提高了系統監控性能、降低設備故障率，打造煤氣發電過程的智能控制與運行，提升機組運行效率、減少機組非停，實現煤氣機組智能監盤、少人值守。
圖1 大型煤氣發電機組智能控制系統網絡拓撲圖
以DCS為基礎的智能控制系統是智慧型電廠重要組成部分，是承上啟下的中間層。科遠智慧不斷技術創新與積累，賦予了DCS更強大的功能，形成了以智能控制優化系統、智慧燃燒專家系統、智能運行輔助、智能預警等一系列智慧功能在煤氣發電機組上成功應用，打造出全新煤氣發電機組智能控制系統，以新技術創新引領和推動能源企業安全可靠、清潔環保、高效經濟發展。
4 智能控制系統功能介紹
通過控制及運行方式優化，使機組的啟停過程、正常運行、升降負荷階段能夠做到自動高效控制，減少人為干預，降低運行操作量。主要功能模塊如圖2所示。
圖2 主要功能模塊
4.1 控制優化系統
4.1.1 自動回路品質優化
自動回路品質優化控制系統可將現有的工藝系統自動化水平進一步提高，完善設備功能，提高控制精度，辨識頻繁操作步序，采用智能前饋、預測控制、模糊控制等先進控制技術與智能算法，通過數值分析軟件，修改和完善優化控制策略，實現重要參數的有效控制，并保證較高的自動投入率。煤氣發電機組在蒸汽質量和鍋爐運行穩定、減員增效方面還存在較大的優化空間，優化項目主要包括：機組協調優化控制、送風氧量優化控制、爐膛壓力（引風）優化控制、蒸汽溫度優化控制、汽包水位優化控制、主汽壓力優化控制等，投入運行后：
（1）實現燃氣鍋爐的全自動優化運行：將鍋爐燃燒所有回路全部投入自動運行，降低工人勞動強度，提高安全控制水平，長期可靠自控率大于90%以上；
（2）實現鍋爐穩定、安全運行：鍋爐運行參數控制品質明顯優于原操作方式，穩定鍋爐運行，提高安全控制水平；
（3）實現最經濟運行：在保證鍋爐負荷滿足調度要求的前提下，實現煤氣和送風、以及氧含量優化運行，以實現煤氣鍋爐的最經濟運行；
（4）實現鍋爐環保運行：滿足燃料充分燃燒，在一定程度上解決煤氣不完全燃燒帶來的環保問題并降低排煙溫度。送風氧量優化控制投入之前，送風機為運行人員手動控制。送風氧量優化控制投入之后，正常情況下爐膛出口氧量波動范圍由之前的2.245%縮小至1.454%；在負荷發生劇烈變化的情況下，爐膛出口氧量波動范圍由之前的6.621%縮小至1.624%。在煤氣總管壓力發生大幅變化時，負壓氧量也能夠得到及時的控制，并且不需要運行人員進行手動操作，減少運行人員工作量。
4.1.2 智慧燃燒專家優化系統
煤氣鍋爐智慧燃燒專家系統是以鍋爐溫度場激光在線測量技術、鍋爐燃燒CFD數值模擬為基礎，建立的鍋爐燃燒實時專家指導系統，通過每只燃燒噴嘴調節，實現鍋爐的優化智能燃燒，以達到鍋爐高效、安全、環保、經濟地運行。智慧燃燒專家系統實現以下功能：
（1）燃燒狀態實時監測；
（2）燃燒優化運行指導；
（3）燃燒狀態實時優化。
煤氣鍋爐爐膛CT裝置實時監視爐膛燃燒狀態，提供爐膛橫截面溫度分布圖像，實時顯示鍋爐溫度場測量、爐況運行參數、爐況熱力分析、運行參數曲線。優化指導操作人員運行調整，給鍋爐燃燒優化控制提供數據。
鍋爐CT在線測控系統與DCS系統網絡相連，實現數據共享，可在操作員站以直觀可視化的方式，實時顯示爐膛測量截面溫度場及氣體組分濃度場。智能燃燒優化系統進行燃燒工況參數調節，以達到均衡優化燃燒，有效監測與防止鍋爐結焦、局部超溫對水冷壁管的損傷、減少爆管事故發生，減少因非計劃停爐而造成的損失等，提高鍋爐燃燒效率。
圖3 大型煤氣發電機組協調功能畫面
圖4 大型煤氣發電機組協調控制效果圖
圖5 優化后風壓氧量（變負荷）12h變化趨勢
紅色—風壓測量值；藍色—風壓設定值；墨綠——氧量設定值；
橙色—氧量測量值；黑色—鍋爐出口蒸汽流量。
圖6 鍋爐CT在線測控系統框圖
圖7 爐膛截面溫度成像
4.1.3 定期工作自動執行功能
為保證設備健康度，需對一些設備進行定期切換運行，設備的啟停時間、運行天數等常常會被忽略，導致切換不及時，需查閱運行日志、調閱曲線，對運行人員存在工作負擔。按照設備輪換管理要求，根據設備的運行時間、運行順序，自動實現設備的定期輪換啟動運行。定期切換試驗范圍包括：凝泵切換、循泵切換、真空泵切換、EH油泵切換、火檢冷卻風機切換、密封風機切換、輔機油泵切換、定子冷卻水泵切換）。
在系統幫助下，運行人員僅需根據規程設定好設備定期切換周期即可，系統會按照運行人員設定，自動實現切換運行，并能夠記錄設備啟動時間、連續運行時間等，方便運行人員查看。系統減輕了運行人員的工作負擔，保證設備切換過程安全、穩定、準確。
4.1.4 給水泵自動倒泵、定期并泵試運功能
為降低運行人員在給水泵切換過程中的操作風險及操作難度，結合運行人員手動倒泵流程經驗以及自身對工藝的理解和優化控制的策略，在DCS平臺實施給水泵自動切換功能，實現一鍵倒泵（包括工-變和變-工），這將有效減少運行人員倒泵時的操作，并保證機組工況穩定運行，減少誤操作帶來的危害。切泵后，給水調節方式控制策略自動切換，即變頻泵運行時，變頻調節汽包水位，工頻泵運行時，主路調節閥調節汽包水位。
備用給水泵如果長時間不用，碳鋼材質的泵體、泵蓋等容易查收腐蝕，機械密封也容易失效。為確保備用泵處于正常狀態，也需要對給水泵定期并泵試運。
4.1.5 典型設備異常自動處理功能
機組運行期間，當出現故障或某一系統局部出現問題時，根據機組當前運行工況，采用智能規劃方法，自動判斷需要隔離的工藝系統、設備或需要執行的操作，并自動將需要隔離的工藝系統或設備，按照安全的、標準的順序執行隔離操作流程或執行緩解當前工況的操作。當故障恢復或涉及的設備檢修完畢后，需要恢復系統時，通過運行人員確認，可以自動的按照標準執行流程恢復隔離的系統或設備。典型故障自動處理包括：水泵斷軸的自動處理、送風機動葉執行機構連桿斷裂的自動處理、引風機動葉執行機構連桿脫落的自動處理等。
4.1.6 廠級集控平臺與智能調度
（1）廠級集控平臺
部分鋼廠使用的控制設備及系統較多，且各控制系統相互獨立，運行監控分散，給現場人員崗位流動造成阻礙，人員勞動效率相對較低；控制系統維護人員水平要求較高，控制系統備品備件消耗量、庫存量居高不下，檢修成本控制難度較大。
通過改造升級、整合使多臺煤氣機組中控室高度集中為一個集控室，實現廠級集中監控；通過軟、硬件改造，實現遠程控制及自動控制。整合工序流程，提高自動化水平、提升勞動效率。針對每臺機組的獨立設備、獨立生產過程進行數據分析與建模，形成機組級的優化控制。
保證機組安全經濟運行和全廠能源的供應輸出穩定的前提下，改變操作孤島現狀，構架數據一體化平臺，提升設備自動化程度，完善智慧制造需求的功能，通過對設備管理、安全管理、生產管理、培訓管理等的集成和數據挖掘，形成全廠完整的數據鏈條，為公司決策層提供可靠的數據來源，實現智能控制、智慧生產的目標。
（2）廠級智能調度
不同煤氣發電機組的能耗、效率不同，普遍存在著調節滯后、響應速度不一等問題，且機組之間運行相互獨立，生產額度分配依靠手動方式調整，全廠機組運行能效無法達到最優。
圖8 廠級能源分配與智能調度架構
負荷智能分配與管理平臺，可以協調實現變化的外部熱負荷、電負荷生產需求在不同機組之間的最佳分配。可對外部負荷的規律性變化或者正常排產調度進行預測，提前對發電系統參數進行控制，可減小蒸汽、電量的波動和能源的浪費。對非計劃負荷波動，可以對參數進行預判，采取不同調節措施，以快速響應外部負荷變化。外部負荷（蒸汽、煤氣、電）非正常大幅波動時，也不會對機組運行工況造成很大的沖擊，智能管控平臺能夠及時消除內外部擾動所產生的負荷波動，確保系統對負荷變化的快速響應，最終實現廠內生產過程與末端需求智能平衡。
4.2 智能順控系統
4.2.1 功能組自啟停（APS）
通過APS控制，取代在機組啟動和停運過程中大量復雜的人工操作，不僅大大減輕運行人員的工作強度，盡可能的避免了人工操作發生的誤操作事故，消除了其中的安全隱患，提高了機組啟停的正確性和規范性，APS實現了準確快速的機組的啟停，縮短了機組啟停時耗費的時間，降低了機組啟停過程中的能耗，提高了機組效率，為電廠節省能源，創造經濟效益發揮了巨大的作用。
煤氣發電機組啟動過程可設計4個斷點：鍋爐/汽機準備、鍋爐點火升溫升壓、汽機沖轉、機組并網升負荷；停止過程可設計2個斷點：鍋爐/汽機降負荷、機組停機。
圖9 APS功能組示意圖
圖10 APS功能組畫面
4.3 智能運行優化系統
4.3.1 性能計算與耗差分析
性能計算與耗差分析是以實時數據為依據，通過對電廠設備及系統參數進行實時監測、計算與分析，全面、直觀反映機組運行狀況，明確給出其節能降耗潛力，使運行人員在這些結果的支持與指導下進行合理調整，達到提高機組效率、降低能耗的目的。通過對影響機組安全性、經濟性的關鍵性指標進行偏差在線計算，對其發展變化趨勢進行提前預測，產生預測性報警，以便于運行人員提前采取措施，最大限度地避免參數越限情況的發生。
實時性能計算包括設備級、機組級、全廠級的各性能指標計算，而且根據煤價、電價等經濟性信息計算單個機組及全廠相關的各個成本指標，電廠的決策人員可以隨時了解當前機組的性能及發電成本信息。
耗差分析可在線顯示可控參數的當前值和基準值，計算并列出這些可控參數的偏差引起的成本偏差，并根據偏差分布情況診斷出造成偏差的主因，給出可供選擇的操作指導意見，為運行人員提供直觀的運行指導。技術方法包括修正曲線法、等效焓降法、單因素分析法等。
圖11 機組熱力平衡圖
4.3.2 智能優化運行
確保機組運行安全性與環保性的同時，需進一步降低發電成本與管理成本，故機組的節能降耗與優化運行管理的需求也越來越突出。優化運行系統以機組運行數據分析為基礎，通過對運行參數的計算，確定機組運行狀態和部件性能對機組經濟性的影響，從而揭示機組經濟性低的各種因素。通過對設備性能狀態分析和運行參數分析，給出最優經濟運行指導。
自動尋優確定：各工況在不同的邊界（如循環水溫、氧量等）有不同的應達值曲線，曲線由系統自動統計機組的最佳運行狀態而形成，如：機組滑壓運行時，一般采用變工況熱力計算或熱力實驗的方法獲得不同負荷下主蒸汽壓力的應達值；在保證鍋爐負荷滿足調度要求的前提下，實現煤氣和送風、以及氧含量優化運行，以實現煤氣鍋爐的最經濟運行。
圖12 最佳氧量運行尋優
4.4 智能預警及故障診斷系統
現有的DCS報警系統普遍采用定值報警模式，只能滿足事后診斷；且定值不隨負荷變化，誤報率較高，不能有效保障機組全負荷段安全運行。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，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。
基于大數據分析的智能預警及故障診斷中心充分利用現已積累的海量數據和新增的運行數據，通過大數據分析和人工智能技術的應用，實現機組故障早期預警和診斷，提高設備的可利用率，為最終實現狀態檢修打下堅實的基礎。
智能預警系統涵蓋了煤氣發電廠的主要設備及工藝系統預警功能，可以大幅提高電廠預警的準確性，保證較低的誤報率和漏報率。智能預警系統在設備或者工藝系統發生故障早期，通過數據分析及算法計算提前給出預警信息，幫助運行人員迅速鎖定故障位置，及時采取干預措施，防止故障發生或縮小影響范圍。對設備劣化、流程參數劣化，預警系統可以做出健康度診斷，以便及時采取運維措施，達到提高機組可靠性、保障設備運行安全、減少機組非停次數、延長設備使用壽命的效果。
圖13 智能預警系統架構
5 大型煤氣發電機組智能控制系統應用案例
在節能減排政策的要求和企業高效管理需求的驅動下，南京南鋼鋼鐵聯合有限公司對智能工廠的建設有了更高的需求，打造智能化工廠實現生產過程智能控制成為所有生產及管理人員的共識。其動力車間#5機組是一臺120MW超高溫亞臨界煤氣發電機組，機組建設初期就按照智能化需求進行了整體規劃，旨在打造具有特色的“傳統產業+互聯網”競爭新優勢，以新技術創新引領和推動能源企業安全可靠、清潔環保、高效經濟發展。科遠智慧與南鋼強強聯合，通力合作打造出先進的南鋼大型煤氣發電機組智能控制系統應用平臺。
智能控制系統內集成智能控制算法，通過控制優化，調高自動調節系統的品質，使機組的啟停過程、正常運行、升降負荷階段能夠做到自動控制，減少人為干預，降低運行操作量。系統高級應用服務器實時處理生產運行中產生的大量數據，計算出機組安全、經濟、環保等各項指標，在線評價機組運行狀態；進行智能尋優，計算參數的最優標桿值，并實時給出當前偏差，指導運行消差或投入自動校正回路，使機組實現自趨優運行。
智能預警系統指導運行操作人員對事故早期報警做出迅速有效的反應，實現了潛在故障的事前處理，變被動故障事后處理為事前主動預防，防患于未然，減少非停，提高電廠的經濟效益。智能控制系統整體提高了系統監控性能、降低設備故障率，實現了煤氣發電過程的智能控制與運行，提升機組運行效率、減少機組非停，助力南鋼煤氣機組智能監盤、少人值守。
作者簡介：
仲從慶（1979-），男，江蘇南通人，工程師，現任南京科遠智慧科技集團股份有限公司經理，主要從事電力、冶金等工業自動化、信息化、智能化等方向的研究、推廣和實施工作。
摘自《自動化博覽》2020年10月刊
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號