基于“大数据+AI”技术的智能化燃气电站无人值守能力体系规划与探索

广东惠州天然气发电有限公司 徐韩昭 龙 涛 中国电子系统技术有限公司 苏森民

引言

智能化燃气电站是建立在可靠、高速的通信网络的基础上，通过应用先进的传感和测量技术、稳定的设备、可靠的控制方法及智能化的决策支持技术，实现发电厂的可靠、经济、高效、环境友好和使用安全的目标。以提高安全稳定性、资源利用率、节能经济运行水平、辅助决策能力、网厂协调能力为目标，满足社会经济发展的需要，提高供电可靠性和供电质量，更好地体现社会效益和企业效益。智能化电厂以网厂协调发展的“无人值班”（少人值守）模式为基础，以通信平台为支撑，以信息化、自动化、互动化为特征，实现电力流、信息流、业务流的高度一体化融合。目前国内燃气电站智能化应用方面，人员定位、工业互联网、巡检机器人等应用较为普遍，但均没有实现运行无人值守。

广东惠州天然气发电有限公司总装机容量255万千瓦，是国内大陆地区装机容量最大的天然气发电厂，也是广东能源集团旗下装机容量第二的发电企业，多项经济技术指标在行业领先，自投产以来积累了大量运行数据和经验。

1 无人值守能力体系建设与应用

1.1 智慧运行大脑

在数字空间建立物理对象的数字孪生子对运行分析对象进行描述，建立数字镜像和数据图谱，对知识和经验进行系统化和计算机化，建立知识图谱，通过数据库、算法库、知识库和模型库的四库联动，建立智慧运行的大脑。智慧运行的关键是建立一个智慧运行大脑，融合数据图谱、算法和知识图谱接收来自各方面数据信息，大脑综合加工后输出。通过这个大脑把静态的、零散的知识经验进行系统化、结构化，并与现场的实时运行自动关联起来。智慧运行大脑从不同维度，围绕运行分析对象对数据属性、含义等进行全面定义和描述，建立属性之间的关系。在此基础上可高效、快捷和贴近运行人员需求，提供数据给运行人员及相关系统。

1.2 智慧监盘

智慧监盘模拟现场工作人员在监盘时的行为和思考过程，旨在实现少人值守甚至无人值守，提高监盘的准确性和及时性。传统运行监盘的工作方式：人的经验—人工翻阅画面和抄表—分析—事故处理；智慧监盘的工作方式：历史数据训练形成经验模型—模型自动不间断扫描和计算—提前锁定区域，计算严重程度—通知运行人员—事前主动处理，计算机智能跟踪，保证全程可控。

1.3 智慧操盘

在智慧监盘的基础上建立一套智慧操盘系统，自主持续学习运行人员的日常操作，在积累一定经验后可对运行人员操作做出正确性评估，提出操作建议，可对错误操作做出报警，规避人为误操作。智慧操盘包含以下主要功能：

1.3.1 APS 机组自启停控制

APS 根据机组启、停的工艺流程和特性的基本原理，应用智能监测和控制技术，通过设备顺控和连锁、设备故障预置处理、全程控制等技术手段，优化机组自启停过程，实现智能、快速、节能的机组级智能自启停控制。APS 的目标是实现机组从全停工况到额定负荷的启动以及实现从带负荷到机组完全停止[1]。APS 在机组的控制系统中处于上层位置。在机组的启动和停止过程中，根据APS 内部顺序和逻辑判断或计算，向MCS、DEH、SCS、TCS等各控制系统发出相应命令，实现整个机组的启停控制。APS 作为基于MCS、SCS、DEH、ECS、TCS 之上的机组级指挥管理、调度系统，能可靠地实现APS 与这些底层系统的无缝连接，保证APS的顺利执行。

1.3.2 机组启停实时监督、评价与优化指导

APS 不具备分析评价功能也不优化启停过程，目前电厂缺乏机组启停过程的实时监督、分析和评价指导工具。对于电厂运行人员，在机组启停操作时由于操作票内容和步骤特别多，在监视各种系统画面设备参数的同时很难兼顾各种主、辅机的启动时间，各阀门的开关时间，有时候还会由于各种人为因素出现部分操作遗漏或误操作，导致发生人为启停故障。建设内容主要包括：

启停实时监督：在实际启停操作过程中需要一个动态的启停过程网络图，以便让运行人员实时掌握当前节点在整套启停过程中所处的位置和后续重要节点。建立标准启停模型，计算节点的时间和物料消耗，提示节点重点关注的风险内容。实时掌握当前所处的节点位置及后续的启停节点。实现启停过程的标准化，实时进行启停步骤的指导，避免人为原因导致部分操作步骤遗漏、延误或操作不到位的情况。

启停过程实时分析和优化指导：通过历次启停数据的挖掘分析、找出最佳的启停机过程。实际启停时重复启停过程的最佳实践；建立启停知识库，并且将知识库与实时的启停过程结合起来，辅助指导机组启停过程中的主、辅机设备的运行方式优化，是一个提高启停经济性和安全性的有效途径；启停后自动评估并出具报告：目前的启停过程总结评价完全靠个人的主观能动性，比较随意和零散。写评价报告需要花费大量时间查询和分析数据。通过系统在启停过程中进行自动的完整记录，便于在启停结束后进行评估总结；逐步丰富启停知识库，并在下次启停过程中参与优化指导。这样就可形成一种自动评估和积累的机制，不断推动启停水平的提高。

1.3.3 智能运行调控

在电厂机组运行指标中的参数出现异常时，启动调控程序，程序会从稳定模式库中搜索调控目标，返回距离当前状态最近的点作为待选工况。比较当前状态与待选工况的差异，统计当前状态调至待选目标时需要调控的参数、需要调控的幅度以及调控参数个数，按照设定的调节幅度进行参数调整，直到参数达到目标值。在调控过程中会监测稳定指标的变化走势，如指标没有回归正常可随时切断调控进程，进入人工调控环节[1]。

1.3.4 机组自动定期试验

在机组DCS 系统自主开发机组定期试验功能模块，优化控制逻辑，根据系统设定规则自动开展真空严密性、阀门活动、发电机漏氢等定期试验，自动计算分析试验数据，试验结果自动存档。如：利用机组停机时间，定期自动对主要辅机进行启动实验并记录启动时的电流、油压等参数，并与以往实验数据进行比对分析；在停机期间可选择发电机漏氢试验，并自动记录试验数据；在机组长周期运行期间可定期自动进行汽机主汽门活动实验，并记录试验时间；在机组大修后或长周期运行后，机组启机过程中可选择主汽门严密性实验并记录试验数据。1.3.5 辅机自动定期切换

在DCS 系统自主开发机组辅机定期自动切换功能模块，利用现场智能摄像头、巡检机器人等视频及音频信号与系统实时通讯，完成机组运行期间定期工作的无人干预，自动执行。如：统计各台低压辅机运行时间（包括主机润滑油泵、EH 油泵、排烟风机、密封油泵、顶轴油泵、罩壳冷却风机、FG单元冷却风机等设备）；根据设备状态预警信息和设备运行时间提示运行人员进行切换操作，并定期提示运行人员对备用设备进行绝缘检测；对于长周期运行机组，各台辅机执行定期切换操作。

1.3.6 故障自恢复

针对主要大型辅机设备（如高压给水泵、循环水泵、中压给水泵、闭式水泵等）设计并退泵顺控，当运行设备出现故障需要进行设备切换时，可立即启动顺控完成设备的无扰切换，不影响机组正常运行，并在切换完成后进行系统参数的比对，确认备用设备是否正常。对系统智能判断出的异常，经过充分验证准确无误后，在运行操作中自动做出相应动作，提前规避故障的发生；或自动填缺陷单发给维护检修人员处理。对生产流程中的设备进行劣化度评估，对冗余设备动态管理，根据条件判断并执行自动轮换。

1.4 智慧巡检

通过智能巡检机器人、定点式监控装置等实现现场设备的智能巡检、点检工作，代替人员进行工业生产现场的巡检和测量作业，借助机器人硬件平台、先进传感器、人工智能算法和后台的软件分析诊断系统，通过全天候、全方位、全自主智能巡检和监测。智能识别设备汽水油泄漏、温度异常升高、异常振动、噪声等，数据传输至监盘系统，实现远程监视及预警。机器人采用性能可靠的传感器、预先设置的程序和算法，对就地设备采集的数据进行严密的实时分析和逻辑诊断报警。智慧巡检可提高巡检频次和测量质量，避免因人为因素所导致的测量数据错误，有效降低了人员劳动强度，提高巡检和测量作业的标准化水平。

1.5 深度控制优化

运行方式的优化对节能提效有较明显作用，公司承担着当地电网的调峰重任，利用大数据人工智能等技术对工艺流程各个环节控制进行深度优化，让系统运行在历史最优点，有效降低能耗和排放，通过机组的启停方式优化、辅机运行优化、压气机水洗及其过程的优化、供热方式优化、压缩空气供应方式优化、燃机清吹程序优化等一系列运行优化措施能有效降低能耗水平。结合公司实际应用情况，本厂深度控制优化包含厂级AGC负荷优化、脱硝控制优化。

厂级AGC 负荷优化。根据机组容量、运行情况、机组状态，以及机组边际贡献等，统计动态发电评价指标和综合评价结果，确定各个机组发电的优先级并支持排序展示。根据电量情况、当前各个机组实时负荷以及目标值，选择需要优化的机组，根据机组运行方式和机组特性计算负荷变动情况下的利润最大时的机组负荷分配情况。

脱硝控制优化。兼顾当下并着眼未来，提出新的宽负荷脱硝优化控制策略，不仅能应对当前深度调峰下NOx 排放控制需求，且在高负荷段及稳定负荷运行时，实现出口NOx 压线控制运行，使其节能减排经济效益最大化。实现SCR 系统始终投入自动控制，无需运行人员过多的进行干预，减轻运行人员的监盘压力和劳动强度。

1.6 智慧运行管理

将交接班管理、定期工作、运行台帐、缺陷管理、绩效考核等每一项工作按既定工作流程节点有序进行，且必须逐步完成，无法跳过限制的节点，规范生产过程，同时将巡检数据与DCS、SIS 既有数据有机结合，让过程数据有效流转且可通过异常对比，找出管理短板及知识盲点，进行提高改善。

2 无人值守能力体系应用的效果

智能燃气电站运行无人值守。构建机组自分析、自诊断、自管理、自趋优、自恢复、自学习、自提升的能力体系，达到运行无人值守目的，具有引领示范意义，为推进全国燃气-蒸汽联合循环发电企业智能化转型提供经验和范例。实施成果对推动行业发展，提升企业在行业中的影响力具有重要意义。

社会及经济效益显著。提升监盘工作效率和质量，增强对故障的提前预警、识别、诊断和处置能力，可有效降低机组非停或停运检修频次。实现厂级AGC等控制优化，在保证电网稳定的同时，实现了全厂机组负荷的优化分配，可使机组运行在历史最优工况附近，机组总体效能得以提升，节省天然气、电、氨水等资源消耗，合理减少喷氨量，降低氨逃逸率。实现机组多维指标智慧监盘、简洁高效的智慧报警、系统及设备异常的标准化识别与处理指导，有助于提高发电企业现代化运行管理水平，提高企业经济效益，增强企业核心竞争力的目标，是能源产业智能转型的重要驱动力。

规范管理推进可持续发展。促进公司实现生产过程的数字化转型，实现流程自动化、应用场景化、业务数据化、数据资产化，实现全方位、立体化、一体化的智慧生产。当前，电力行业面临人员年轻化、经验流失和传承不足的问题，新员工的培养需要一定周期。通过数据挖掘分析技术、知识图谱技术，在提高运行人员预知预判能力的同时，通过软件平台把优秀的运行经验积累传承下来，不仅为企业创造了经济价值，更是增强企业的知识管理、知识提炼和知识应用能力，同时也为后续更高阶的智慧生产积累信息、沉淀知识和经验。