火力发电企业节能减排信息化管理系统模型

陈吟颖，葛 鑫，侯学良

(1.中国大唐集团 科学技术研究院，北京100033;2.华北电力大学 工程技术与管理研究所，北京102206)

随着我国经济的持续快速发展，环境保护和能源安全的压力日益增大。发电行业作为我国一次能源的消耗大户，正面临严峻考验。2013 年底，全国发电装机容量124 738 万kW，同比增长9.3%，火电装机容量86 238 万kW，占全部装机容量的69.1%。2013 年，全国发电设备累计平均利用小时为4 511 h，火电设备平均利用小时为5 012 h［1］。火电装机容量的增长导致煤炭需求不断增长，污染物排放量逐年增加。节约能源，降低能耗，减少污染物排放已迫在眉睫。

发电行业节能减排是一项系统工程。首先，要通过调整电力产业结构，提高水电、核电等新能源的比例，降低火电的比例，从而减少煤炭消耗，结构上实现节能减排［2］;其次，通过改善工艺流程，采用新技术，提高能源转换效率，降低污染物排放;最后，通过转变管理机制，推行有效的政策及法规，促使发电行业节能减排工作有效推进。

当前，信息技术应用是推进产业结构优化升级、促进资源整合的一支重要力量［3］。信息化建设为电力企业的生产、经营、管理提供了有力支撑，成为电力企业生产运营不可缺少的部分。电力企业生产过程控制要求严格，质量控制具有复杂性，电力需求具有周期性等运营特性，因此对信息化的水平也提出了更高的要求。

在节能减排指标研究方面，张才稳［4］等研究了节能减排系统指标报送体系、指标统计分析体系。孙林旺［5］构建了厂级节能减排综合指标和机组级经济指标两级指标体系，并以此为基础完善了电站的绩效考核机制。FANG［6］等从节能减排的动力系统得到随时间变化的能源强度公式，获得节能减排的主要影响变量，并指出全面开展节能减排越早，排放的峰值也会越早达到，系统越容易控制，减少碳排放的目标越容易实现，越容易将能源强度控制在理想范围内。在系统管理模型构建方面，姜海洋［7］构建了节能减排目标下发电商之间、区域发电之间的合作博弈优化模型，并建立了ShaPley 利益分配模型。HEMAMALINI［8］等分析了机组的煤耗成本和污染物排放成分，确定了考虑机组阀点效应的煤耗成本函数和污染气体综合排放函数，建立节能减排发电调度模型。在信息系统建设方面，曾广辉［9］等提出了一种考虑节能减排指标的发电企业绿色ERP 管理信息系统，在现有ERP 系统基础上，增强对厂用电和机组排放的检测和管控，并将其实施效果纳入部门绩效考核。李文君［10］等指出企业信息化仅强调信息系统本身的标准化、产品化，而没有充分关注管理流程的标准化、信息系统建设过程中随意性大等问题，需要建立标准化的基础地位。董伟［11］等指出SIS 的核心功能需要运行分析技术的支持，通过参数实时监测技术、试验分析技术、故障诊断技术、运行优化技术，以及设备状态检修技术等分别完成计算、评价、分析，以及诊断等工艺环节，得到控制系统所没有的信息。

目前绝大部分文献研究的是机组运行优化系统，注重机组的经济性能，对于减排及其信息化管理方面的研究较少，也鲜有从发电行业全局角度出发，对节能减排的路径流程进行系统分析，探究节能减排的管理机制。在分析发电行业节能减排信息化管理现状及其问题的基础上，提出针对性的改进思路，并通过研究发电系统的输入、输出流，从系统角度分析系统节能减排的信息化管理方法机制，建立节能减排信息化管理模型。

1 火力发电信息化管理现状及问题

我国火力发电信息化起始于1960 年左右，其功能是进行电力系统的计算，设备发电运行的监控管理。20 世纪80 年代，开始建设电厂管理信息系统。20 世纪末，信息化管理向专业职能化方向发展，建立了生产管理和设备管理等专业化的功能系统。21 世纪初，电力企业改革，促使电力集团加强管理的集约化、集中化来提高经济效益，建设了资产管理系统、机组经济运行专家系统、实时成本核算系统、竞价上网辅助决策系统等信息管理系统。然而，目前发电行业信息化管理还存在着诸多问题，节能减排信息化管理由于近年来的环境问题才受到重视，因此起步晚，存在较多认识上的误区及问题。

(1)自动化生产控制信息化水平高，但管理信息化建设相对滞后。节能减排相关指标的监控还没有单独专业的信息化平台，有的从属于电厂的生产控制自动化信息系统，有的独立在环保信息化系统中，电厂、分(子)公司的运行或安全生产人员可以监测到表征能耗和污染物排放指标的实时值和限定值，根据实际运行状况提出问题的解决措施、方案，但其针对性的解决方案和管控措施未能分类共享到管理信息化系统，无法分析其共性规律，难以实现信息化管理的知识化及决策支持功能。

(2)信息化技术人员缺少，机构建设不完善。在基层发电企业一级，缺乏信息化的建制和岗位，信息系统的建设没有专门的执行负责机构。节能减排信息化作为一项系统工程，需要专门的机构来协调与推进企业间各部门的协同合作。

(3)信息化管理软件设计不符合企业生产运营实际。目前，大部分发电企业仅强调信息系统本身的标准化、产品化，而没有充分关注管理流程的标准化。一些软件设计者未经很好的调研、设计，造成管理系统软件内在结构不合理，与企业生产运营不能完全相融，缺乏实用性。部分电厂存在信息失真和缺失等现象，如煤耗超标就不能上传数据，必须将实际的煤耗值修改到软件要求的范围才能上传提交，违背了信息化支持决策的初衷。

(4)存在信息孤岛，信息资源无法共享。电力企业及其部门根据各自需要在信息化管理的发展过程中建立了各种信息化系统。这些系统在建立时缺乏整体规划，没有统一的标准及信息编码，各系统之间缺乏联系，相互间的数据及信息资源的交换和共享十分不便，业务不能协同开展。不同企业的信息化系统中表征节能减排的主要指标、限值也不同，即使是企业内部各电厂信息系统中表征节能减排的主要指标、限值相同，可以共享其相关指标的数据，对其指标数据产生偏差的原因分析及针对性的解决方法方案不能通过信息系统共享交流，经验教训不能及时相互借鉴。

(5)信息化的数据挖掘与决策支持水平较低。电力企业和环保机构通过信息化，仅对节能减排的主要指标进行实时监测、管控，缺乏数据的整体规划及其整合，部分相关决策数据不能录入信息化管理平台，信息化对数据的挖掘分析十分有限。

2 针对主要问题的改进思路

2.1 优化流程促进信息化管理

通过统计分析，电力企业信息化管理软件大多仅限于原有的工作方式和基层一线，如人力资源管理系统、财务管理系统和OA 等功能较为单一的信息化管理应用层面;也有电力企业尝试建立ERP系统，但并未成功。因此，电力企业信息化需要通过流程优化，打破职能型流程，建立过程型流程，理顺各个孤立系统之间的关系，将燃料信息系统、生产控制系统、环境监测系统等多个孤立的系统进行集成，使其起到监测、管控和决策的作用。

2.2 明确系统目标，强化应用整合

发电企业中某些部门其本身并不是专门的数据处理部门，数据的信息化不能为其带来直接的便利，但其上级单位需要这些指标数据进行管理决策，即信息化管理存在应用目标隐蔽的问题，尤其是电力行业进入了大电厂、大机组、高自动化、高电压的时代。因此，应着眼全局，明确整体、局部应用目标，从行业层面、集团公司层面对信息化管理进行标准化的应用整合。先要对管理信息系统等信息化应用系统内部进行整合，同时还需要对各系统间进行平台及内部工作流程的整合与统一。通过整合可降低运营及维护成本，提高企业的信息反馈及决策效率。

2.3 提高信息化人员的专业水平和决策地位

建立健全信息化的组织机构，通过加强对信息化专业人员的培训及开展系统内外技术交流合作等方式培养专门的信息化人员，不断创新，以技术带动管理，以管理促进技术的应用，为决策层提供全面的、统一的、前瞻性强的事实依据。同时，在流程优化过程中涉及到权力的重新调配，因此需要上级从整体出发，给予支持。

2.4 加强数据分析，实现决策系统智能化

管理信息化过程中应该注意对系统的底层数据库架构及接口进行优化，为跨数据库平台的数据共享及数据挖掘等提供支持。以此为基础进行各类复杂指标数据的计算，建立各类分析及预警系统及知识库，为决策提供支持。

3 节能减排管理信息化系统模型的构建

根据上述分析，构建火力发电企业节能减排管理信息化系统模型。模型构建的重要基础之一是要理清火力发电过程的输入流与输出流模式。在发电过程中，其主要的能源输入为煤炭、水、电、油，通过水汽热的循环利用，产生三废和能量。对于粉尘灰渣可回收进行建筑材料等的生产，废水经处理后一部分可进入生产系统继续利用，废气经脱硫脱硝及除氮，同时进行碳捕捉、碳封存后排出，产出的电能和热能对外供应。其过程如图1 所示。

图1 火力发电过程的输入流与输出流模式

该模型是基于电厂DCS 和SIS 系统进行开发的，采集所需的运行数据，这样就可以免除许多硬件设备的开支，可以保证数据采集的稳定性。

3.1 面向对象的模型

节能减排管理信息化应注意的不仅是某个部门或某个职能，而应立足于集团层面和行业层面，并注重外部监管对节能减排的促进作用。因此面向对象的节能减排管理信息化系统模型包括厂级、集团公司、政府机构3 个层面，如图2 所示。

图2 面向对象的节能减排管理信息化系统模型

节能减排管理的信息化能够夯实节能减排的工作基础，完善能源数据的计量核算体系。集团公司根据基层企业的数据制定标杆，总结各种方案知识库，促进企业节能减排新技术和管理方法的推广和交流，实现管理的数字化、知识化。政府相关机构通过系统模型对节能减排信息进行采集，以此为基础明确节能减排工作的改进和控制方向，制定正确的节能减排政策，合理监管和布置节能减排工作。由此实现基层企业、集团公司、相关政府机构一体化的管理机制。

3.2 模型流程模块的构建

从项目管理角度出发，对节能减排目标系统流程进行再梳理，形成集成化的管控模式。模型内部分为4 个流程模块，依次为数据获取、对标分析诊断、偏差控制优化和智能分析系统。

(1)数据获取模块以DCS 系统作为信息源采集各类运行数据，经筛选保存有效数据，并计算不可直接测得的指标，实时显示，支持查询功能。

(2)对标分析诊断模块将指标参数与标杆进行对比，判断是否存在偏差，若为正偏差(即超耗超排)则进入诊断过程，模块支持远程分析诊断和试验分析诊断。远程分析诊断可以把各类数据实时传输给专家进行远程诊断分析;试验分析诊断通过调整机组运行方式、燃料掺烧比等试验来分析偏差出现的原因。对于负偏差，系统自动记录识别各种运行数据，作为出现正偏差分析时的对照参数。

(3)偏差控制优化模块根据诊断结果进行偏差的控制，主要从设备、运行方式、能源输入这3个层面进行优化。寻找设备性能存在的问题，确定检修改造对象，优化设备的运行方式，调整能源输入来控制超耗超排，使指标回归到标杆范围。

(4)智能分析系统，其功能的发挥主要是基于以上3 个流程模块而进行的知识集成与学习。聚类分析系统，能够将30 万、60 万、100 万级别机组及超超临界、超临界、亚临界等不同的新老机组的指标分类进行对比，分析总结不同种类机组的节能减排特性及针对性的优化方法措施。节能减排潜能评估系统旨在动态确定当前工况下可能达到的最佳运行水平和相应的参数指标。预警系统依据趋势分析和相关分析对运行中主要参数和特征量的异常变化进行报警和提示。模型的构建如图3 所示。

图3 节能减排信息化管理系统模型

4 结论

通过节能减排信息化管理，对燃料掺烧比例、燃烧工况、设备性能、污染物排放等实现实时监测，以系统提供的数据为基础，通过对标、诊断，分析可控参数变化的原因，建立模型，促进生产管理过程的优化;分析生产经营集成过程中节能减排量与节能减排成本间的关系，不断优化方法机制，实现能耗低、污染物排放少、节能减排成本低的综合效益。同时，对排放的数据化管理，能够促进合同能源管理的实施，为碳捕捉的定量化，碳税的征收和碳排放交易权的实施提供了一个便利的操作平台，也对未来更好地进行CO2封存的源汇规划提供数据支持［12］。在集团公司层面，实现对各级公司节能减排各项指标的监测和对标分析，便于对不同类型机组主要指标实施分类管控，达到集中有度、分权有序的集团管控效果。节能减排信息化系统的应用，便于环保部门和能源部门强化监督，进而有效保证节能减排目标的实现。

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