分布式能源站数字化工厂建设方案分析

包晓军

(上海华电闵行能源有限公司，上海 201108)

1 分布式能源站的特点

分布式能源是一种临近用户、冷热电联产的供能系统，具有小型、高效、环保、智能、安全可靠的特点，是未来能源利用的发展趋势。在燃气－蒸汽联合循环的基础上，通过余热锅炉产生蒸汽和热媒水，用于区域的发电、供热和制冷，实现能源的梯级利用。冷热电联产将大电厂或热电厂变成区域能源中心，减少了能源、电力等输送的损失。冷热电联产的一次能源利用率可达75%以上，比单一发电高40%左右，比燃气－蒸汽联合循环高25%左右。因此，应用现场总线技术，打造一个以“资产管理为中心，以设备全寿命周期管理为理念”的数字化工厂，有利于提升整个工厂的控制、维护、管理水平和经济效益。

2 建设数字化工厂的必要性

2．1 传统发电企业的特点

目前，发电企业的生产管理和经营管理模式基本沿用计划经济体制下的传统管理模式，其管理模式具有以下特点:

(1)检修维护模式大都沿袭传统的定修模式，即不管设备的实际运行状态如何、基础质量有多大差异，只要到了检修周期，便按规定进行修理。而以预防性为主的状态检修模式则是依靠科学的监测手段，针对故障隐患对设备施以维修。状态检修模式不仅增强了设备检修的预见性、针对性，而且减少了维修量，从而达到降低维修成本的目的。因此，设备的维修应从计划检修向状态检修发展。

(2)管理诊断技术落后。虽然各企业规章制度一应俱全并具有管理信息系统(MIS)、厂级实时监控信息系统(SIS)等信息化平台，但各部门之间的信息仍旧孤立，管理效率不高，影响生产运营。

(3)成本控制意识淡薄，生产和经营脱节，物资采购和设备实际状况脱节，导致维修成本居高不下。

而数字化工厂则是以资产设备全生命周期的相关数据为基础，在计算机虚拟环境中应用智能化设备对整个生产过程进行仿真、评估和优化，进一步扩展到整个产品生命周期的新型生产组织方式。

2．2 数字化工厂的管理特点

与传统发电企业相比，数字化工厂具有以下特点:通过以资产为中心的资产台账管理，达到摸清家底、有效了解公司资产使用情况的目的。通过标准作业计划管理，细化、规范化管理，提高总体效率。通过设备故障监控体系，降低设备故障率，提高设备可靠性，延长生命周期，从而向设备本安型目标又迈进了一步。逐步实现以预防性为主的状态检修，通过采购、库存管理，降低库存成本，实现高效的物资管控，从而加强成本管理，降低维修、运营成本。通过高效的燃料管理系统，降低燃料成本与厂用电率，降低发电成本。“运行优化技术”是机组在负荷允许的条件下获得最大的经济效益，采用统一的实时共享数据库，为运行指导、考核及成本核算提供了统一、标准的依据。对于企业管理，通过网络与现场机组的有机结合，既实现了办公自动化与现场机组的隔离，又在企业管理层与现场机组之间架起了一道桥梁，使得企业管理层可随时随地通过企业内网、外网、移动通信设备了解机组的运行情况，获得决策所需要的各种支持信息，从而实现机组过程监控、电厂经济信息管理、在线成本计算、报价系统、机组经济负荷调度、经济分析和最佳运行操作指导。

因此，数字化工厂的建设将使发电企业产生革命性的变化，它可实现从部分调节机组的特性到较全面地控制机组安全性与发挥机组最佳经济效益的转变。

3 建设数字化工厂的可行性

建设数字化工厂主要包括以下3部分内容:一是通过智能化传感器连接资产和设备，提高数字化程度;二是数据的整合体系和数据的收集体系;三是进行分析的能力，即依据已经掌握的数据进行相关分析，以优化运行和管理，从而实现工厂控制、管理的一体化。

近年来，我国电力行业大力加强基础建设，同时密切关注国际电力技术发展的方向，重视各种新技术的研究创新和集成应用，自主创新能力快速提升，电厂运行管理的信息化、自动化水平大幅提高，使科技资源得到优化，为建设数字化工厂创造了良好条件。首先，智能设备与现场总线技术在国内外电力行业的成熟应用为数字化工厂的建设奠定了基础，创造了必要条件;其次，以资产为中心、设备全生命周期为理念的智能化检修维护模式，高效的物资管理流程系统以及智能化资产管理系统在各大能源集团的成功应用，均为实现数字化工厂的建设提供了可能。

4 数字化工厂建设的解决方案

4．1 智能设备和总线技术

智能设备与现场总线技术是数字化电厂的基础和必要条件，即采用总线的方式连接现场智能设备，将数字化和智能化延伸到变送器、执行机构等现场设备，以达到提升控制品质、智能化设备管理、降低施工成本周期和未来的维护成本的目的。目前，在电力行业主流的智能设备与现场总线标准有:基金会现场总线(FF)，Profibus DP，DeviceNet，智能仪表HART，Wireless HART，Modbus等。各种标准都有其产品类型范围和不同的特点，在具体项目上，综合采用多项标准，达到性能成本的最优。

4．2 工厂管控一体化网络架构

图1为某公司设计的数字化工厂管控一体化网络架构，具体内容如下:

(1)辅助车间高度集中监控，硬件与分散控制系统(DCS)一体化。随着自动化水平的不断提高，进一步加强辅助车间的监控功能，基本实现就地自动控制，部分重要功能接入集控室，实现就地无人值守。

(2)电气纳入控制系统，以高可靠性的CRT和大屏幕监控机组的运行，减小集控室面积，减少操作人员。

提高控制系统的智能化程度，就地设备尽量采用智能化设备，应用现场总线技术，可大大减少电缆的敷设和维护工作。

图1 数字化工厂的管控一体化架构示意图

(3)进一步提高自动化水平，将控制任务减少，以功能组替代，减轻操作强度。由于采用实时数据库共享，通过隔离技术，值长、厂长等在办公室就可对现场进行监视，了解机组运行情况。

(4)“资产管理功能”对设备进行在线诊断和预测，可有效地控制设备检修的工作量。但需要购置振动监视、油液分析、红外分析等设备实现机械状态诊断。

(5)设备可靠性分析可以和企业资产管理、计算机维护管理系统相结合，将设备状态、检修计划、缺陷处理、备件库存等信息进行集成，实现真正的状态检修应用，如图2所示。

图2 数字化工厂信息化系统示意图

5 数字化工厂建设的经济效益分析

图3为传统维修方式和预防性维护方式的比较。

预测性故障诊断系统的检修维护方式，可及时掌握工厂的总体健康状况及整个装置的性能指标，大大延长设备的生命周期。

国外电厂智能设备管理系统及资产优化系统的应用显示，每年的总维护费用可降低10%～20%，常规维护成本减少10%，每年的阀门维护费用节省55%，非计划停运减少10%。因此，智能化设备管理系统的应用可以降低维护费用。

图3 资产全生命周期增加值

6 建议

目前，电厂的现场总线应用多用于局部，没有全面展开。虽然技术的可行性毋庸置疑，但应用规模与投资成本直接相关，所以，需要进行综合考虑，需要与常规的DCS进行对比。具体哪些设备和工艺采用现场总线模式，则可通过综合评价安全性、可靠性和经济性来决定。

7 结束语

通过分析和比较可以看出:相比于常规DCS，采用现场总线后，整个机组控制系统、仪表、执行机构等相关设备的投资略有增加。但考虑到现场施工和调试时间的缩短、未来维护的便利性等有利因素，小幅度的投资增加是可接受而且非常值得的。因此，在分布式能源站建设数字化工厂是完全可行的。