智能发电技术应用探讨

张一驰，丁国栋，亓俊波

（1.河北水利电力学院，河北 沧州 061000；2.山西鲁晋王曲发电有限责任公司，山西 长治 047500）

0 引言

信息化与智能化技术的不断发展为智慧电厂的建设创造了有利条件。这一趋势主要体现在大数据、物联网、可视化、先进测量和智能控制等技术在燃煤发电厂生产运行与管理维护中的系统化应用［1］。同时，中国电力企业联合会、中国电力技术市场协会等组织发布的标准在智能发电领域紧跟技术发展步伐，并逐渐趋于完善。这些标准具有引导性和前瞻性，为燃煤发电厂智能化发展提供了必要的依据。

本文对当前智能发电技术研究进行总结，从智能发电技术、智能控制和智能管理等方面展开探讨，分析智能发电技术特征，研究工业互联网的创新发展，旨在实现燃煤发电过程的多方面优化，包括清洁低碳、安全充裕、经济高效、供需协同及灵活智能等。

1 智能发电技术简介

以发电过程的数字化、自动化、信息化和标准化为基础，结合管控一体化、大数据、云计算、物联网等平台，融合智能传感与执行、智能控制与优化、智能管理与决策等技术，形成一种自学习、自适应、自趋优、自恢复、自组织的智能发电运行控制管理模式，以实现更加安全、高效、清洁、低碳和灵活的生产目标。智能发电技术涵盖了现场总线、检测设备、智能终端、一键启停、优化控制、智能监控、智能运维、智能安全、智能燃料生产等方面。

2 智能发电技术特征

2.1 可监测

通过应用传感测量、大数据计算及网络通信技术，实现对发电过程中状态、环境、位置等各方面信息的全方位监测，并以数字化的方式进行信息存储和应用。

2.2 可控制

控制系统逐步实现智能化的控制策略，以满足发电机组自动运行的需求，确保机组在全范围、全过程中处于受控状态。

2.3 自适应

采用智能控制技术，根据环境条件、运行状况、运行指标等的变化，自动调整控制策略和管理方式，以适应各种工况，使电厂生产过程和管理流程能够长期处于安全环保和节能高效的运行状态。

2.4 自学习

系统通过自动分析生产运行数据和经营管理数据，识别关键参数、关键指标以及与其他数据的关联性及内在的逻辑，获取生产运行和经营管理的有效知识。

2.5 自寻优

自动处理和分析生产运行及经营管理信息，根据分析结果对机组控制策略、运行方式、电力交易行为等进行持续自动优化。

2.6 分析与决策

基于泛在感知获取的信息资源，利用通信和数据处理技术对多源数据进行处理、分析和集成。利用机器学习和数据挖掘技术，识别潜在风险并评估管理策略的效果，为决策提供可靠依据。

2.7 互动化

通过设备与设备、人与设备、人与人的实时互动，提升电厂信息获取、实时反馈和智能控制的能力，确保生产和管理过程的安全、高效。

2.8 信息安全

将信息通信技术与燃煤发电厂运营紧密结合，构建实时智能、高速宽带的信息通信系统。在“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的模式下选用信息安全策略及措施，合理设计、建设、维护、管理网络通信系统，确保系统具有在线监测、主动防御和信息高效交互等特点。

3 智能检测及故障诊断技术

3.1 智能检测技术

3.1.1 技术特点

基于微波、激光、光谱、静电、声波等先进测量技术，实现发电过程参数的在线检测，为运行控制优化、设备及系统故障诊断、智能决策等提供支撑数据［2］。

3.1.2 功能推荐

1）入炉煤质在线检测宜选用近红外技术、激光诱导击穿光谱、火焰特征煤种识别技术、软测量技术等，以实现对入炉煤质的在线检测。

2）锅炉风粉在线测量宜选用静电法、微波法、超声波法等，实现对磨煤机出口一次风输粉管道中的煤粉流速、质量流量的在线测量。采用自动抽取式的图像识别等技术，实现磨煤机出口煤粉粒度分布或煤粉细度的在线测量。

3）炉内燃烧在线检测可选用光学辐射法、声学法进行炉内燃烧温度场的测量与重建。也可采用可调谐二极管激光吸收光谱技术，实现炉内燃烧断面的温度与组分分布的检测。这些检测方法可以与计算流体力学数值模拟手段相结合，实现更广范围的炉内燃烧监测与预测。

4）锅炉烟气飞灰含碳量测量宜选用灼烧失重法、微波吸收法、微波谐振法等在线测量方法，以实现对锅炉烟气飞灰含碳量的准确监测。

3.2 智能巡检技术

3.2.1 技术特点

智能巡检系统整合图像识别、非接触检测、多传感器融合、导航定位、模式识别、机器人应用等先进技术，实现对电厂设备的自主检测。该系统主要由数据库服务器、应用服务管理系统、无线通信网络和移动智能终端组成。移动智能终端涵盖智能穿戴设备、手持智能终端、无人机和机器人等，通过全厂无线通信与三维可视化技术的有机结合，实现巡检过程的可视化、巡检路线的预设、巡检数据的自动记录和上传，并与两票管理系统紧密衔接，从而提升设备的可靠性。

3.2.2 功能推荐

1）在适宜操作条件的工作场景中，推荐使用机器人技术替代或辅助人员进行巡检。

2）根据巡检任务自动规划巡检路线，并能够在电厂三维模型中进行标注。

3）基于人员定位技术，实时监测并显示巡检人员的巡检位置，自动推送巡检要点及危险因素。

4）基于移动应用技术，为巡检人员提供巡检要点提示，以辅助实现无遗漏巡检。巡检问题可实时记录和上报。

5）应用增强现实可穿戴设备，拓宽巡检人员的感知范围，使设备信息实时可查阅、设备数据实时可视化，并以直观的方式展现工作票流程。

3.3 状态监测及故障诊断技术

3.3.1 技术特点

基于深度学习、模式识别和专家系统等最新的数据分析处理与状态监测技术，实现对工艺系统和大型设备运行状态的在线监测及故障诊断，以提高监控效率和生产安全性。

3.3.2 功能推荐

1）状态监测。根据设备的泛在感知信息，包括工艺过程参数、设备运行参数，以及振动、红外、油液等检测信息，采用机理建模、数据分析和智能视频等技术，实时识别工艺系统及设备的运行状态，并对其进行全方位的在线监测及可视化展示。

2）故障诊断。对工艺系统和设备的故障特征进行归纳总结，依据故障案例及专家经验建立故障诊断知识库，采用专家系统等方法进行自动推理，实现对故障的快速识别、定位和原因分析。这样的技术手段有助于对潜在问题进行迅速响应，提高系统的可靠性。

4 智能控制与优化技术

4.1 机组自启停优化控制技术

4.1.1 技术特点

基于检测技术和逻辑控制技术，通过向各自系统发出启停指令，实现对机组的顺序控制，包括“一键启动”“黑启动”和“一键停机”［3］。

4.1.2 功能推荐

单元机组自启停控制系统负责完成发电机组的生产过程管理和控制。在控制逻辑的设计上，主要采用模块化的设计思想和分层控制结构。在这种分层方法中，最上层为机组级，以下依次分别为功能组级、子功能组级和设备驱动级。根据机组的启动和停止过程，单元机组自启停控制的控制逻辑分为两个主要流程：自动启动顺序控制流程、自动停机顺序控制流程。单元机组自启停控制的设计应根据发电机组的运行特点，在机组自动启停过程中设置适当的断点，以适应发电机组在启停过程中工艺系统和设备运行的要求［4］。

4.2 智能优化协调控制技术

4.2.1 技术特点

为满足火电机组生产过程控制性能提升、经济性能改善和安全运行的需要，实现机组在不同工况下的快速、深度、稳定调节，采用机理分析、机器学习等多种方法建立工艺过程动态模型，深化工艺过程机理分析与应用，结合预测控制、自抗扰、自适应等先进控制策略，优化机组主要工艺过程的运行控制性能，提升机组自动发电控制（automatic generation control，AGC）和一次调频控制的品质。

4.2.2 功能推荐

1）机组AGC性能优化控制技术。以提高机组负荷的调节速度、精度并降低机组动态过程中的主要参数控制偏差为目标，通过机理分析、数据挖掘、智能算法的应用，构建锅炉燃料、送风、给水与汽轮机调节的协调优化控制策略，并通过汽轮机配汽优化、滑压优化、排挤低压加热器抽汽、排挤高压加热器抽汽等调节手段，加快机组响应速度，提升机组AGC品质，降低AGC 过程中机组运行能耗。对有深度调峰需求的机组，通过稳定燃烧、热电解耦、主要参数安全边界控制、干湿态自动转换、湿态协调控制、低负荷控制回路参数优化等手段，提升机组的调峰深度和低负荷段的调节性能［5］。

2）机组一次调频性能优化控制技术。以提高机组一次调频响应速度、精度并保障机组运行经济性为目标，确定汽轮机节流裕量，结合排挤低压加热器抽汽和高压加热器抽汽等调节手段，提升机组一次调频的快速响应能力。一次调频控制应优先于AGC控制，应当通过燃料量调节的优化配合保证一次调频的持续性。

3）主蒸汽温度优化控制技术。以减小主蒸汽温度的稳态和动态控制偏差为目标，通过协调燃水比控制与减温喷水控制，提升大范围快速变负荷时主汽温度的调节品质。通过减小汽温偏差，在机组安全运行范围内提高主蒸汽温度，提升机组效率。

4）再热蒸汽温度优化控制技术。以减小再热蒸汽温度的稳态和动态控制偏差并降低减温喷水量为目标，在锅炉燃烧控制的配合下，采用烟气调温挡板、燃烧器摆角、烟气再循环等主要调节手段，并将减温喷水作为最终调节手段，结合克服大迟延的先进算法，改善再热蒸汽温度的调节品质，在机组安全运行范围内提高再热蒸汽温度，减少减温喷水量，提升机组效率。

5 智能管理技术

5.1 智能燃料管理技术

5.1.1 技术特点

智能燃料管理涵盖从燃料入厂到煤粉入炉的全过程，实现对煤质、煤量、煤价的全流程监控，能够有效支撑生产安全和经营决策，提高电厂运行的可靠性，降低生产成本［6］。

5.1.2 功能推荐

1）智能化流程操作。采用射频、超声波定位、图像识别等相关技术，对燃料调度、入厂、采样、监卸各环节进行实时的有效管理，实现各环节的自动执行和自动记录，能够规避人为因素，有效提高燃料入厂的智能化水平，同时保证数据的可追溯性［7］。

2）智能煤场管理。智能煤场能够提高煤场数据的准确性、实时性，通过对卸煤、燃煤进耗存、斗轮机实现全面监控，达成精细的可视化管理。

3）配煤掺烧管理。配煤掺烧管理的目标是实现燃料配煤掺烧的精确计算、精益实施和精细管理。根据性能计算与耗差分析的反馈数据，系统能够自动进行优化配比闭环计算，形成以机组性能分析为基础的配煤掺烧优化方案，例如煤场配煤或者煤仓配煤及其比例，并通过数据可视化的方式展示配煤优化结果。

5.2 智能运行管理技术

5.2.1 技术特点

围绕运行管理制度进行标准化、流程化、信息化、智能化建设，目的在于规范运行管理，提升运行管理效率，降低人工操作风险，保障发电安全。同时，通过运行分析、运行优化、控制优化等能力建设，提升发电效率，降低各类能耗，实施节能减排，实现提质增效。通过大数据分析与挖掘，全面反映实际设备运行情况、运行性能以及人员工作情况，实现统计分析和决策支持，从而促进有序、高效的协同运作［8］。

5.2.2 功能推荐

1）交接班管理的功能。系统支持自动排班，实现交接班信息化，将系统运行日志、安全分析等模块关联，自动生成交接班清单。在交班和接班阶段，各岗位人员进行分类检查并确认签字，以确保交接工作清晰明了。通过关联缺陷管理、设备停复役管理等模块，自动设置交接班检查的路线、范围和内容。利用可视化技术和智能设备，实现交接班现场检查的自动化及人员交接班情况的在线监测。

2）运行日志管理的功能。建立标准统一的运行日志数据库，包含各项业务，并实现分类管理、集中生成。交接班、运行方式、缺陷、指标、运行优化建议等各类信息能够被分类推送至相关岗位。通过关联生产实时监控系统，利用大数据分析功能，结合值际竞赛标准，进行本班主要指标及异常数据对标分析，生成指标绩效评价内容。运行优化与高级值班员管理模块关联，能够实现运行优化建议的自动生成。

3）定期工作管理的功能。系统可根据发电厂实际情况进行定期工作的策划、执行、记录和总结分析。系统能够指导工作人员执行定期工作的操作步骤及流程，并监督和查询定期工作的执行情况。

4）智能监视的功能。系统支持生产运行的可视化，通过大数据平台实现系统实时数据的共享，并挂接至三维可视化电厂模型上，例如展示基于三维漫游的生产实时数据及生产过程仿真。系统能够对主控、辅控、电气、脱硫、脱硝、除尘等控制系统的一级画面进行全幅展现。系统能够支持厂级数据的汇总与计算，包括机组运行小时数、实时发电量、累计发电量、负荷率、厂级发电煤耗、供热量等。此外，系统还能够对任意监视画面的历史状态进行回放，按照时间段和数据精度自由定义历史画面。

5）智能考核的功能。系统能够对实时数据的指标进行在线考核，提供考核建模平台，可根据最优值、正常值、最差值等区间进行设置。系统能够通过数据平台获取实时、历史测点数据，校验测点数据的有效性。在指标考核周期内，系统能够自动进行数据采集与处理、指标计算、考核评分及指标考核数据保存。此外，系统还支持统计查询功能，实现各个指标和指标总分的排名，可以按月查询或实时展示当月各个指标或指标总分的排名。

5.3 智能两票管理技术

5.3.1 技术特点

智能两票系统基于规范化的两票标准术语，完善逻辑闭锁安全防护功能，运用二维码技术对人员身份和设备标识码进行验证。依托覆盖全厂的无线网络，该系统能够将操作票中的各项操作和工作票中的安全措施就地通过移动设备执行，实现两票执行过程的全方位电子监察，有效防止了安全措施的误实施、漏操作和误操作，实现了对两票本质安全管控。

5.3.2 功能推荐

该系统能够全程管控开票、签发、接收、措施执行、审批、打印、许可开工、终结等流程，支持移动设备进行办票，同时还具有综合查询、统计汇总等综合管理功能。系统可根据时间顺序和不同区域对作业人员进行授权，以避免未经授权的人员误入间隔。在工作票许可和终结环节，系统与分布式控制系统实现联动，通过设置安措执行，实现对相关设备运行参数的校验。

5.4 智能安全管理技术

5.4.1 技术特点

智能安全管理体现了“物防、人防、技防”三大方面，运用人员定位、人脸识别、三维建模、大数据分析等先进技术，对人员不安全行为、设备不安全状态及环境不安全因素进行全面管理，实现作业现场的风险管控和实时违章告警，以规范生产作业行为，确保安全生产［9］。

5.4.2 功能推荐

1）现场作业人员的安全管理。结合三维虚拟平台实时呈现现场作业人员的位置和运动轨迹，对其行为进行监控和分析［10］。

2）安全检查的功能。支持建立安全检查规范库，自动生成检查任务清单，智能地对安全检查信息进行分解，将不合格项自动转化为缺陷和安全隐患，并生成整改计划，推送至相关岗位人员。

3）隐患管理的功能。建立隐患管理库，按照隐患管理标准创建检查卡，利用手持终端等智能设备，将隐患排查相关信息实时反馈至系统中。系统将检查发现的隐患按类别自动汇总，向整改部门下发整改任务，通知相关岗位人员，并实时跟踪和提醒，形成隐患整改的闭环管理。

4）两措管理的功能。实现两措全流程管理，包括计划、发布、实施、闭环和反馈。在计划任务到期前进行提示和闭环反馈，确保整改项目、费用等信息的共享，每月定期进行评估。

5）安全事件管理的功能。具有对异常、障碍、事故和事件进行调查、分析、责任认定、级别认定、编制并执行防范措施和事故统计报表的全过程管控功能。

6）危险源管理的功能。建立重大危险源管理台账，按照危险辨识和风险评估流程辨识和评估风险，并制定有针对性的整改措施。对风险进行动态评估，及时备案和注销，并在各管理环节设置实时预警和提醒功能。

7）安全培训管理的功能。建立安全培训管理相关模块并进行分类管理，根据要素生成专项试题，内容包括国家法律法规、标准等安全生产知识，以及公司规章制度、管理流程等。将考试结果与门禁权限、两票三种人、特种作业权限等相关联，考试未通过者即刻取消相关权限。

8）特种设备管理的功能。具有特种设备缺陷定期检查、定期检验任务流程自动流转及信息自动推送功能。

9）安全工器具管理的功能。建立安全工器具电子台账，自动记录安全工器具的使用情况，并设置检查试验周期。周期结束时自动提醒，记录检查试验情况，并与其他系统数据共享，实现对安全工器具全生命周期的管理。

5.5 设备健康管理技术

5.5.1 技术特点

设备健康管理系统采用振动监测、超声波分析、红外探测、X 射线探伤等多种检测手段，实现对机组主辅机设备的动态监测。通过构建设备特征模型和建立设备健康状态知识库，实现设备故障诊断与预警。

5.5.2 功能推荐

1）设备状态实时识别功能。采用设备状态识别技术和智能视频分析技术，对关键系统和设备进行不间断在线监视。

2）故障预警功能。自动发出短信、声音提醒等警报，提供关键信息，以协助值班人员及时发现异常情况和安全隐患。

3）健康度评估功能。通过实时特征数据分析，生成健康诊断分析报告，从多个维度综合评估，为电厂运行、检修和管理提供生产决策支持。

4）状态检修功能。结合数据分析报告和设备健康评估报告，按照状态检修导则和检修决策标准库，生成状态检修报告，明确设备检修类别、检修内容及检修时间。

5）检修计划功能。根据状态检修报告，制定检修计划或大修技改项目计划。

6 发电技术智能化评估

在智能燃煤发电技术和智慧发电管理的实际应用中，首先需要明确项目的需求和目标。随后，确定具体的应用功能和范围，并进行相应的技术经济比较和分析［11］。在项目实施的过程中，根据技术经济分析的结果，将确定的技术指标、技术功能和实施范围在系统的技术需求中进行明确规定。

智能化程度评估的主要内容包括智能化技术在电厂中的应用范围和应用深度。这种评估还需要考虑智能化技术的应用对提升火力发电厂安全可靠性、节能环保成效的影响，不仅包括设备层、控制层，还包括管理层。火力发电厂的智能化程度应当随着科学技术的不断发展以及企业和社会需求的变化而逐步提升［12］。

7 结语

通过智能发电技术的技术特点分析和功能推荐，为发电企业智慧电厂建设和改造工作提供参考。智慧电厂的建设在国内能源集团的数字化转型中占据着至关重要的地位，是推动燃煤发电厂数字化转型的关键一环。智能既是目标也是手段，通过在基础理论、关键技术与工程应用方面不断探索与突破，顺应新一轮科技革命和产业变革趋势，以新一代信息技术与工业深度融合为主线，以数字化改造为主攻方向，以工业互联网创新发展为着力点，实现燃煤发电过程的清洁低碳、安全充裕、经济高效、供需协同和灵活智能。