浅析郑州（南部）环保能源工程智慧电厂建设

2023-07-04楚新磊郭慧芳王文杰刘慧超

仪器仪表用户 2023年8期

王磊，楚新磊，郭慧芳，王文杰，刘慧超

（1.郑州正兴环保能源有限公司，河南新郑 451100；2.中城院（北京）环境科技股份有限公司，北京 100120）

0 引言

随着电厂的不断扩建，传统的管理方式已无法满足当前生产要求。在信息化技术高速发展的今天，智能技术已逐渐渗透至各个领域。目前电厂的建设也逐渐向智能化发展，通过计算机技术对电厂运行中的实时信息进行采集搜索等方式来实现其自动化控制与管理，从而可以提高电厂的智能化水平[1]。

目前垃圾焚烧发电厂正处于发展阶段，由于其结构复杂，燃料成分多变，发电效率偏低，因而解决当前难题，建设垃圾焚烧智慧电厂，提高垃圾焚烧发电效率迫在眉睫[2]。智慧垃圾焚烧发电厂可以通过三维数字技术、计算机技术等实现电厂的智能监测、维护等，通过数据信息交换等技术实现电厂的智能控制，通过建设智慧焚烧垃圾发电厂，实现其更优控制，更全面管理，更高效的垃圾发电，促进垃圾焚烧发电厂健康发展[3]。

本文以郑州（南部）环保能源工程的垃圾焚烧发电厂为例，简要分析了智慧电厂的建设。本项目采用炉排炉焚烧发电工艺处理城市生活垃圾，选用“三炉两机”方案，处理垃圾量2000t/d，年处理量为88.23×104t。配有两套抽凝式汽轮发电机组，烟气净化系统均采用“SNCR[尿素]＋半干法[Ca(OH)2]＋干法[NaHCO3]+活性碳吸附＋袋式除尘器+湿法[NaOH 溶液]＋SCR[尿素]”的净化工艺。渗沥液处理规模为900m3/d，渗沥液处理系统产生的污泥入炉焚烧处理。依据电厂生产经营的实际需求和电厂的具体特点，将先进的传感测量、信息通信、人工智能、云计算、大数据、三维可视化等信息技术和垃圾发电生产过程的工业化技术、电厂管理技术相结合，并与电厂的基础设施高度集成实现具有智能、安全、经济、环保等特征的新型现代化电力企业。

1 三维数字技术

三维数字技术就是指将生产运行中的某些物体通过图形学的方式转换为计算机中的数字化三维格式。通过对这种数字化格式进行成像，显示在不同的屏幕上。通过这种模拟与可视化的处理，从而实现了现实中物体的三维成像。三维数字技术中包括了很多不同的技术，由于其展现的画面更加准确、更加直观且可以操作，目前被应用在各个领域，且受到了大部分用户的喜爱[4]。在电厂的运行与维护过程中，电厂的全貌、运行状态以及文件信息对电厂稳定运行有着重要的影响。三维数字技术可以通过对电厂的不同部分进行虚拟建模，通过导入不同的现场真实参数，从而实现对于电厂的数字化管理[5]。

此三维虚拟电厂系统是面向电厂营运管理的三维虚拟可视化系统。在三维虚拟可视化系统中，三维引擎设计是整个系统的核心和基础，合理的引擎设计对改善整个三维虚拟系统的渲染速度、真实感以及三维应用的开发起着至关重要的作用。在三维引擎设计方面，提出一种三维虚拟数字电厂可视化系统的体系结构，并设计了一种能够灵活高效地展示二维矢量图表、三维场景、动态视频画面等多形态信息的可视化组件渲染引擎SyncEngine。在此基础上，实现与电厂现有业务应用系统的深度融合。模拟图如图1所示。

图1 不同场景三维结构模拟图Fig.1 3D structure simulation of different scenes

2 全厂总线仪表和控制系统

本工程采用现场总线型智能仪表及智能一体化执行机构，仪表总线采用PA 协议，阀门采用DP 协议，并随分散控制系统（DCS）配置相应的智能设备管理系统。涉及到停机停炉的或其他对可靠性要求极高的远传仪表及执行机构仍采用传统的硬接线方式，此类仪控设备需具备带HART 协议功能。通过通讯收集现场各类仪表的运行状态等信息，并实施有效管理，以提供有效信息给其它智能元素。现场设备层包括完成对电厂中所有生产、管理过程进行检测、监视和控制的现场设备，以及对信息进行储存、传输和分析等处理的基础设备。

近年来，测量技术、计算机技术和信息技术飞速发展，因此大量新型仪表、检测设备和控制设备不断涌现。这些仪器仪表设备可以实现全过程检测，全类型信息和全天候巡检，具体实现过程如下。

全过程检测：通过收集整个生产过程所有直接相关信息的设备，例如：危险气体检测装置、变压器状态监测装置、开关柜状态监测装置等，来实现整个系统运行过程的检测。

全类型信息：通过收集可以辅助生产管理的相关信息的设备，例如：智能仪表和总线仪表、烟感探头、环境监测设备、智能定位设备、安全防护设备等，来实现对于垃圾焚烧电厂的全类型信息的收集。

全天候巡检：可以辅助巡检人员在各种气候和环境下工作的设备，例如：可穿戴设备、手持式移动设备和巡检机器人等，通过这些设备，可以帮助巡检人员进行全天候巡检。

3 管控一体化

为实现本焚烧电厂在“无人干预，少人值守”情况下的安全、经济、环保运营，在传统的管理信息系统和厂级监控信息系统的基础上，结合设备设计、制造、调试、维护的经验与知识积累，运用新一代的工业互联网、大数据、人工智能技术，提供整套信息管控一体化平台，实现电厂生产期的全过程、全范围的信息管理，达到自动化、网络化、无纸化及数字化，为电厂的生产管理者提供真实、准确、及时的生产管理信息。作为智慧电厂一体化信息系统支撑平台、数据平台、应用平台和交互平台，通过该平台，用户可构建基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学计算的智能化应用。本项目建设内容包括企业门户、厂级监控系统、生产运行管理、设备资产管理、物资管理、安全管理、经营管理、综合管理系统、智能预警、智慧安防管理等功能模块，实现电厂全过程、全范围的信息管理，实现传统平台功能到信息管控一体化平台的平稳过渡。平台采用B/S 架构，具备开放性、定制性、可扩充性及可维护性，具体设计图如图2 所示。

图2 管控一体化平台设计图Fig.2 Management and control integration platform design

信息管控一体化系统能实现整个焚烧厂范围内信息共享和全厂生产过程的实时信息监控及管理，提高机组运行的可靠性；信息管控一体化系统预留集团针对各个焚烧厂信息化管理功能接口；信息管控一体化系统为企业管理层的决策提供真实、可靠的实时运行数据，为市场运作下的企业提供科学、准确的经济性指标，使企业管理层的经营决策更具科学性；系统实现了全厂范围内的管控一体化，为实现全厂整体效益的提高，信息技术的提升和稳定，经济运行的根本目的打下坚实基础。

信息管控一体化系统具有如下特点：

1）安全可靠性。系统安全可靠运行是每一个成熟应用系统最基本的要求，通过采用冗余工业以太网以及合适的网络配置和完善的自诊断功能，使其具有高度的可靠性。

2）实时性。监测软件与各系统的接口通讯程序，可实现秒级采集现场实时数据。

3）易操作、维护性。人机界面方便、美观、实用，操作简便实用。

4）兼容与开放性。信息管控一体化系统网络采用以太网，软、硬件均较为成熟，具有良好的兼容性和开放性。

4 智能预警系统

现有的DCS 报警系统普遍采用定值报警模式，存在严重的事后诊断，且该定值不随负荷变化，误报率较高，不能有效保障机组全负荷段安全运行。本项目设置了智能预警系统，旨在全负荷段动态监测重要设备及工艺系统运行状态，在发生异常还未恶化为严重故障时即可预警，为运行人员留有足够的时间处理异常情况，避免事故的发生，使得处理风险的模式从传统的被动反应到主动规避，提前规划和准备，有效避免这是未来故障诊断发展的新方向。因此，实现机组异常的早期智能预警对电厂生产的安全性、可靠性、经济性具有重要意义。

智能预警模块基于大数据分析技术、人工智能技术、在线建模技术以及专家系统来构建。软件应以电厂一个大修周期的运行数据作为大数据分析和挖掘的数据来源，给出针对不同负荷状况下机组正常运行参数范围，并据此整定出运行参数的动态报警阈值，并对应提示越限后果。以系统、设备、参数为主线，按重要程度进行分级分类，对过程报警进行整合，形成精确报警，避免大量误报警。同时，提供越限预警、辅机设备及部件劣化趋势、误操作等报警提示信息，达到减少误判，提高机组运行水平的目的，设计图如图3 所示。

图3 智能预警系统设计图Fig.3 Intelligent early warning system design drawing

通过对实时数据库中存储的海量历史及实时数据进行自动挖掘，智能预警模块可自动根据不同工艺系统的设备特征进行离线或在线建模，可将机组实时运行数据代入机组及工艺系统的工况预警模型中进行运算和分析，得出不同工艺段、设备参数及工艺子系统的运行故障诊断及事故预报信息，能够自动对设备的健康状态异动和潜在故障进行早期预警，能够自动发现各种潜在的故障关联点，并对外提供信息访问及发布服务。

5 垃圾池热成像和炉膛火焰温度测定

垃圾储坑红外热成像测温系统、红外扫描热像仪能够全方位自动巡航，检测垃圾堆表面的温度、图像，实现24h 不间断监控，自动检测垃圾堆表面高温点温度及高温点位置，实现超温自动报警，自动抓图、录像，可保存温度流数据并回放。当探测温度达到预设的报警值时，发出报警信息，提醒工作人员进行相应的处理，确保垃圾储坑的安全环境状况得到控制。

炉膛火焰监视系统集多光谱收集、光谱分帧处理、全视场温度与图像融合技术，实现炉内燃烧工况彩色视频和燃烧温度场全视场温度实时监测，为运行人员实时掌握被监视区域的燃烧状况、火焰形状及物料的堆积、温度变化等提供可靠的依据。系统主要由一体化成像测温探头、控制箱、耐高温综合线缆、空气净化装置、燃烧温度场红外监测系统平台等组成。

6 安防系统下人员定位

全厂安防集中管理系统作为安全防范系统集成与联网的核心，应包括集成管理、信息管理、用户管理、设备管理、联动控制、日志管理、统计分析、系统校时、预案管理、人机交互、联网共享、指挥调度、智能应用、系统运维、安全管控等功能。除此之外，此系统还具有特殊的人员定位系统。为满足电厂在指定区域对生产人员实时定位的要求，在全厂区布置高精度人员定位设备，满足对人员区域管理的要求，人员定位如图4 所示。

图4 人员定位模拟图Fig.4 Personnel positioning simulation diagram

结合当前最新的移动定位技术和通讯技术，通过无线通讯技术将所有的定位设备及各智能化设备集成在同一个网络平台上运行，不仅方便了系统集中的统一管理，又便于今后系统的分布式扩展，从而保证本系统真正地成为智能化管理系统。系统通过人员标签卡与人员进行关联，管理人员可以根据实际需要实时查看相关人员的实时位置、历史轨迹、出入生产区门禁数据、人员基本信息等，通过图形化的展示界面实现对厂区人员的整体管控，通过区域超员、禁区、滞留告警、电子围栏、门禁出入管控、巡检管理、一键报警呼救、数据化分析等功能。查看相应人员历史轨迹示意图如图5 所示。

图5 人员历史轨迹示意图Fig.5 Personnel history track diagram

通过对人员的不安全行为进行识别、警告、记录、消息推送等，实现人员定位系统与三维建模系统的融合，将人员信息在三维模型进行展示，并与视频监控系统进行联动，实现轨迹回放功能。当人员处于某一区域时，可以调阅该区域的视频摄像头，查看实际情况，实现了对厂区的智能化管控，大幅提高厂区的安全性和管理效率，降低厂区生产安全隐患，降低人员安全生产风险。通过智能化功能与二道门出入系统、视频监控系统、生产管理系统的精准互联管控，实现对厂区人员、车辆的实时数据进行大数据智能分析管控，从而实现厂区智能化、数据化、信息化的管控目的。