创新创值打造“无人监盘，少人值守”为基础的智慧发电

华润电力郑州航空港智慧能源有限公司 辛文达 司宏光 杜军林 马 瑞 王永涛

信息技术的迅猛发展为电力工业实现智能化提供了强大的技术支持，特别是通讯技术的发展突破数据传输延时束缚，如何在电力行业创新应用数子信息技术，使发电效益最大化，已成为天然气分布式能源建设的目标和任务。航空港项目以“信息化带动工业化，工业化促进信息化”的方针，设计建设高度技术化、高度智能化、“无人监盘，少人值守”为基础的智慧能源站，实现生产运营的数字化、信息化、智慧化。

1 建设总体目标

设计建设阶段要实现全厂APS+全部自动投入+智能运行系统（如图1所示），同步实现全厂闭路电视监视及安防系统一体化，并在运营实践中不断优化、持续改进，最终实现“无人干预，少人值守”，乃至“无人值守”的智慧电厂目标。

图1 设计建设总体目标

1.1 郑州航空港项目智慧电厂建设分四个阶段

APS+全部自动投入+智能运行系统能够报警：机组能够APS 运行，机组自动全部投入，部分启停机及其少量的调节人工干预。

少人干预：整套系统正常情况下由控制系统执行自动运行、无需操作人员干预。同时系统配套智能智能运行系统，当系统设备或系统出现故障隐患时，报警自动点亮画面，通知相关人员进行干预。

无人干预，少人值守：即系统自动检测到故障或故障隐患后，自动执行到机组安全状态，并通过设备管理人员进行消缺。在运营过程中实现可预测、可控制及全流程优化，实现在“无人干预，少人值守”情况下的安全、经济、环保运营。效果：在报警发出前，无人工操作。

无人值守阶段：机组全自动运行。效果：机组启停流程内，无任何操作。

1.2 实现无人干预，少人值守目前阶段需要以下几个控制过程

建设阶段目标按照APS+机组全自动化+智能运行系统运行设置。

参考国内领先经验，实现智能制水，取消制水车间控制室。

要求在设备选型时要确保设备操作性好、稳定性高、故障率低。在设备选型阶段充分考虑机务设备的被控性、执行机构的线性度及其整个系统的协调性。实现主要设备、工艺流程、重点阀门、重要测点及开关量保护的智能预警。

搭建设备诊断及运行优化模型，利用大数据分析，在运行过程中不断优化，提高机组运行和智能控制水平。

2 全厂APS 和控制控制范围

主要设计原则为全厂实现控制一体化的设计思路，全厂采用由分散控制系统（DCS）、燃机控制系统（TCS）、汽机控制系统（DEH）来实现集中监控，实现天然气分布式能源站“一键启停”（APS）。设计全厂APS 时参照思维导图设置全流程预设时间和实际时间，最终得到每一流程的合理最短时间。

2.1 APS 概述

从适用、可靠、先进的原则出发，本工程设置厂级顺序控制（APS）、功能组级及子组级顺序控制。厂级顺控根据机组特性和运行程序考虑设置必要的断点，使燃气—蒸汽联合循环机组在启动、停机和紧急事故处理过程中达到较高的控制水平。

本期工艺系统均采用DCS 进行控制，辅助系统根据工艺要求进DCS 不同的网络进行控制，发挥DCS 网络传输特点，以节省热工电缆及电缆桥架，减少安装工程量，缩短施工周期。

2.1.1 燃机发电机组部分

燃气轮机发电机组及燃机控制系统（TCS）随燃气轮机整体供货，包括控制柜、电源柜、TCS 操作员站、TCS 工程师站、TCS 历史站等设备，为燃气轮机及其辅助系统提供完整的控制、联锁和保护，燃机前置模块纳入TCS 监控。TCS 与DCS 之间设双向通讯接口，以实现DCS 和TCS 共享监视信息。DCS 和TCS 之间操控指令通过硬接线实现。

2.1.2 余热锅炉（HRSG）部分

余热锅炉（HRSG）、给水泵等设备的仪表和控制，余热锅炉纳入DCS 监控。

2.1.3 机组控制系统、热力循环系统及辅助车间部分

汽轮发电机组及汽机数字电液控制系统（DEH）、汽机紧急跳闸系统（ETS）、汽轮机安全监测保护系统（TSI）随汽轮机整套提供，且与全厂DCS 保持一体化；旁路系统、电气ECS 及PECS、仪用/厂用空压机系统、天然气调压站系统、锅炉补给水系统、循环水及循环水加药系统、汽水取样及加药系统、暖通空调系统均纳入DCS 控制，在集控室实现集中监控。

2.2 APS 范围

控制设计达到厂级，并考虑设置有若干个断点，实现燃气—蒸汽联合循环机组一键启停功能（APS）。工程设计中应全面考虑被控对象的所有启停允许条件和联锁保护条件。

APS 系统控制的范围原则为：在机组启停过程中所涉及到的设备及操作均应纳入APS 系统控制，但在设计过程中应将自动联锁、模拟量控制与APS程序无缝衔接起来，务必使APS 程序逻辑结构清晰简洁、涵盖所有系统接口且便于维护。

2.2.1 APS 涵盖的系统

循环水系统、开式水系统、闭式水系统、润滑油系统、盘车系统、EH 油系统、凝结水系统、除氧器上水、低压汽包上水、高压汽包上水、疏水系统、燃机启动并网、锅炉升温升压、轴封系统、真空系统、汽轮机启动并网、升负荷等。

APS 启动过程初步拟设置3个断点，停止过程初步拟设置3个断点。

启动过程断点：燃机启动断点；汽机启动并网断点；机组升负荷断点。

停机过程控制断点：汽轮发电机组停运断点；燃气轮发电机组停运断点；联合循环机组停运断点。

2.2.2 燃机主要顺控

启动装置通电、点火、启动装置脱离和断电、加速到同期转速、调整转速进行同期、自动和人工同期、升负荷、卸负荷、停机、减速/自动盘车、吹扫。

2.2.3 DCS 主要顺序控制子系统

循环水系统子组、闭式水系统子组、开式水系统子组、凝结水系统子组、汽机疏放水系统子组、锅炉疏放水子组、除氧给水系统子组、辅助蒸汽系统子组、凝汽器真空系统子组、旁路控制功能组、供热系统子组。

2.2.4 汽轮机主要顺控

盘车、启动、运行、停机。

汽轮机自动启停系统控制系统（ATC）实现汽机从油系统启动、盘车、冲转、并网到升负荷及正常运行的监视与控制；操作人员可以通过操作员站对汽机的目标转速、目标负荷、升速率和升负荷率进行设定，并对阀门进行手动操作。DEH 系统的基本功能和运行方式如下：

2.2.4.1 DEH 基本功能

DEH 基本功能的包括转速控制；负荷控制和负荷限制；主汽压力控制；阀门管理、阀门限制和阀门试验；根据热—电负荷要求，参与调频；转子热应力计算及寿命消耗计算；汽轮机自动启停控制（ATC）；自动同期控制；汽轮机超速保护、甩全负荷及甩部分负荷保护等。

2.2.4.2 DEH 运行方式

包括操作员手动方式，操作员自动方式（ATC监视）和汽轮机自动方式（ATC 控制）。系统应有足够的冗余度以确保运行可靠性。DEH、ATC 系统应与旁路系统紧密结合，并结合定压和滑压两种方式实现全自动运行。

3 机组全自动化

3.1 机组控制系统总体设计方案

采用DCS 实现全厂机组的数据采集、处理、智能预警、报表记录和性能计算，完成机组智能MCS、顺序控制和联锁保护。

3.2 模拟量控制

模拟量控制系统的设计拟将燃机、余热锅炉和蒸汽轮机作为一个统一的整体实施热电解耦控制，根据电网AGC 指令，使联合循环机组兼顾响应热、电负荷需求，在各种运行方式下，保证机组热—电参数满足外界需求，维持机组的经济运行工况。协调控制系统的设计将充分考虑热电联产工况下机组的运行特点。设置完善的无扰切换手段、保护措施、自动智能调节，满足机组控制的需求。

DCS 模拟量控制系统包括下列主要调节回路：智能制水、全程给水控制、旁路启动控制、主蒸汽温度压力控制、机组负荷协调控制等。

燃气轮机主要控制有：速度和负荷控制、温度控制、进口导叶控制等。

汽轮发电机组主要控制有：凝汽器热井水位控制、轴封压力及温度控制、供热压力及温度控制、旁路系统控制。

4 智能运行系统

整套系统正常情况下由控制系统执行自动运行、无需操作人员干预。同时系统配套智能运行系统当系统设备或系统出现故障隐患时报警自动点亮画面或通过手机APP 通知相关人员进行干预。

提供故障主因报警、测点故障诊断、速率报警和其他故障诊断，运用数学建模、大数据技术、专家系统和人工智能技术，以工艺子系统及设备历史运行工况为依据，基于故障诊断规则表及标准模型库，推导报警主因。利用智能报警技术，报警定值根据工况自动调整。

图2 智能运行系统网络拓扑结构示意图

4.1 参数波动主动监测

系统软件应能够实时获取机组运行数据，通过预警信息提示运行人员设备参数限值大小，实时计算出参数超限的时间余量，量化安全可靠性裕度，并通过可视化窗口、语音提醒、移动推送等报警方式主动推送给运行人员。

4.2 设备异动监测

系统软件应能够实时获取预警诊断信息，基于推断的设备故障，及时给运行人员相关设备异动的关注点提示，并可以根据设备运行中的实际情况，提醒运行人员有效、准确的排除设备异动，恢复设备正常运行状态。单个参数发生异动时，系统应能够结合“智能预警与诊断”系统分级列出影响单个参数的可能因素，提示影响联动诱因；多个参数发生异动时，系统应能够结合“智能预警与诊断”系统分析各参数间的关联性，确定关联性后能够快速锁定异常或故障的主要参数。

4.3 “波动趋势”监测

系统软件应能够满足对于已经明确异常但仍需继续带病运行的设备，其能够动态监测该设备的异动参数及相关指标的波动趋势及影响后果；能够进行持续劣化监测，主动判断是否存在劣化加剧的趋势，一旦确定劣化趋势加剧，其软件能够推送给运行人员预警信息。

4.4 “工艺系统”主动监测

系统软件应能够对全厂热力系统主动监测（不限于此）：锅炉高压给水蒸汽系统智能预警、锅炉低压给水蒸汽系统智能预警、汽机主汽系统智能预警、汽机油系统智能预警、凝汽系统智能预警、回热系统智能预警、给水泵智能预警、凝结水泵智能预警、循环水泵智能预警、闭式水泵智能预警等。

4.5 智能运行预控

提供实现全厂机组主系统（如给水控制系统、供热控制系统等）的智能运行控制，达到检查主系统异常时，在无人监盘干预的情况下，进行准确适度的干预控制。如：当供热系统用热流量大幅异常波动时，通过自动适度调节机组供热的出力达到系统的平衡状态。

5 结语

通过设计建设阶段实现全厂APS+全厂自动智能调节+智能运行系统，部分启停机及其少量的调节人工干预；整套系统正常情况下由控制系统执行自动运行、无需操作人员干预。同时系统配套智能运行系统，当系统设备或系统出现故障隐患时，自动执行到机组预设安全状态，报警自动点亮画面，发送报警信息通知相关人员进行干预，在运营过程中实现可预测、可控制及全流程优化，实现在“无人监盘，少人值守”基础下的安全、经济、环保运营，实现智慧发电。