分布式能源站數(shù)字化工廠建設(shè)方案分析

包曉軍

(上海華電閔行能源有限公司，上海 201108)

1 分布式能源站的特點(diǎn)

分布式能源是一種臨近用戶、冷熱電聯(lián)產(chǎn)的供能系統(tǒng)，具有小型、高效、環(huán)保、智能、安全可靠的特點(diǎn)，是未來能源利用的發(fā)展趨勢(shì)。在燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)的基礎(chǔ)上，通過余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽和熱媒水，用于區(qū)域的發(fā)電、供熱和制冷，實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用。冷熱電聯(lián)產(chǎn)將大電廠或熱電廠變成區(qū)域能源中心，減少了能源、電力等輸送的損失。冷熱電聯(lián)產(chǎn)的一次能源利用率可達(dá)75%以上，比單一發(fā)電高40%左右，比燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)高25%左右。因此，應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)，打造一個(gè)以“資產(chǎn)管理為中心，以設(shè)備全壽命周期管理為理念”的數(shù)字化工廠，有利于提升整個(gè)工廠的控制、維護(hù)、管理水平和經(jīng)濟(jì)效益。

2 建設(shè)數(shù)字化工廠的必要性

2．1 傳統(tǒng)發(fā)電企業(yè)的特點(diǎn)

目前，發(fā)電企業(yè)的生產(chǎn)管理和經(jīng)營管理模式基本沿用計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制下的傳統(tǒng)管理模式，其管理模式具有以下特點(diǎn):

(1)檢修維護(hù)模式大都沿襲傳統(tǒng)的定修模式，即不管設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)如何、基礎(chǔ)質(zhì)量有多大差異，只要到了檢修周期，便按規(guī)定進(jìn)行修理。而以預(yù)防性為主的狀態(tài)檢修模式則是依靠科學(xué)的監(jiān)測(cè)手段，針對(duì)故障隱患對(duì)設(shè)備施以維修。狀態(tài)檢修模式不僅增強(qiáng)了設(shè)備檢修的預(yù)見性、針對(duì)性，而且減少了維修量，從而達(dá)到降低維修成本的目的。因此，設(shè)備的維修應(yīng)從計(jì)劃檢修向狀態(tài)檢修發(fā)展。

(2)管理診斷技術(shù)落后。雖然各企業(yè)規(guī)章制度一應(yīng)俱全并具有管理信息系統(tǒng)(MIS)、廠級(jí)實(shí)時(shí)監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)等信息化平臺(tái)，但各部門之間的信息仍舊孤立，管理效率不高，影響生產(chǎn)運(yùn)營。

(3)成本控制意識(shí)淡薄，生產(chǎn)和經(jīng)營脫節(jié)，物資采購和設(shè)備實(shí)際狀況脫節(jié)，導(dǎo)致維修成本居高不下。

而數(shù)字化工廠則是以資產(chǎn)設(shè)備全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中應(yīng)用智能化設(shè)備對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真、評(píng)估和優(yōu)化，進(jìn)一步擴(kuò)展到整個(gè)產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式。

2．2 數(shù)字化工廠的管理特點(diǎn)

與傳統(tǒng)發(fā)電企業(yè)相比，數(shù)字化工廠具有以下特點(diǎn):通過以資產(chǎn)為中心的資產(chǎn)臺(tái)賬管理，達(dá)到摸清家底、有效了解公司資產(chǎn)使用情況的目的。通過標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)計(jì)劃管理，細(xì)化、規(guī)范化管理，提高總體效率。通過設(shè)備故障監(jiān)控體系，降低設(shè)備故障率，提高設(shè)備可靠性，延長生命周期，從而向設(shè)備本安型目標(biāo)又邁進(jìn)了一步。逐步實(shí)現(xiàn)以預(yù)防性為主的狀態(tài)檢修，通過采購、庫存管理，降低庫存成本，實(shí)現(xiàn)高效的物資管控，從而加強(qiáng)成本管理，降低維修、運(yùn)營成本。通過高效的燃料管理系統(tǒng)，降低燃料成本與廠用電率，降低發(fā)電成本?！斑\(yùn)行優(yōu)化技術(shù)”是機(jī)組在負(fù)荷允許的條件下獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益，采用統(tǒng)一的實(shí)時(shí)共享數(shù)據(jù)庫，為運(yùn)行指導(dǎo)、考核及成本核算提供了統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)。對(duì)于企業(yè)管理，通過網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場機(jī)組的有機(jī)結(jié)合，既實(shí)現(xiàn)了辦公自動(dòng)化與現(xiàn)場機(jī)組的隔離，又在企業(yè)管理層與現(xiàn)場機(jī)組之間架起了一道橋梁，使得企業(yè)管理層可隨時(shí)隨地通過企業(yè)內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)、移動(dòng)通信設(shè)備了解機(jī)組的運(yùn)行情況，獲得決策所需要的各種支持信息，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組過程監(jiān)控、電廠經(jīng)濟(jì)信息管理、在線成本計(jì)算、報(bào)價(jià)系統(tǒng)、機(jī)組經(jīng)濟(jì)負(fù)荷調(diào)度、經(jīng)濟(jì)分析和最佳運(yùn)行操作指導(dǎo)。

因此，數(shù)字化工廠的建設(shè)將使發(fā)電企業(yè)產(chǎn)生革命性的變化，它可實(shí)現(xiàn)從部分調(diào)節(jié)機(jī)組的特性到較全面地控制機(jī)組安全性與發(fā)揮機(jī)組最佳經(jīng)濟(jì)效益的轉(zhuǎn)變。

3 建設(shè)數(shù)字化工廠的可行性

建設(shè)數(shù)字化工廠主要包括以下3部分內(nèi)容:一是通過智能化傳感器連接資產(chǎn)和設(shè)備，提高數(shù)字化程度;二是數(shù)據(jù)的整合體系和數(shù)據(jù)的收集體系;三是進(jìn)行分析的能力，即依據(jù)已經(jīng)掌握的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，以優(yōu)化運(yùn)行和管理，從而實(shí)現(xiàn)工廠控制、管理的一體化。

近年來，我國電力行業(yè)大力加強(qiáng)基礎(chǔ)建設(shè)，同時(shí)密切關(guān)注國際電力技術(shù)發(fā)展的方向，重視各種新技術(shù)的研究創(chuàng)新和集成應(yīng)用，自主創(chuàng)新能力快速提升，電廠運(yùn)行管理的信息化、自動(dòng)化水平大幅提高，使科技資源得到優(yōu)化，為建設(shè)數(shù)字化工廠創(chuàng)造了良好條件。首先，智能設(shè)備與現(xiàn)場總線技術(shù)在國內(nèi)外電力行業(yè)的成熟應(yīng)用為數(shù)字化工廠的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)，創(chuàng)造了必要條件;其次，以資產(chǎn)為中心、設(shè)備全生命周期為理念的智能化檢修維護(hù)模式，高效的物資管理流程系統(tǒng)以及智能化資產(chǎn)管理系統(tǒng)在各大能源集團(tuán)的成功應(yīng)用，均為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠的建設(shè)提供了可能。

4 數(shù)字化工廠建設(shè)的解決方案

4．1 智能設(shè)備和總線技術(shù)

智能設(shè)備與現(xiàn)場總線技術(shù)是數(shù)字化電廠的基礎(chǔ)和必要條件，即采用總線的方式連接現(xiàn)場智能設(shè)備，將數(shù)字化和智能化延伸到變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備，以達(dá)到提升控制品質(zhì)、智能化設(shè)備管理、降低施工成本周期和未來的維護(hù)成本的目的。目前，在電力行業(yè)主流的智能設(shè)備與現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)有:基金會(huì)現(xiàn)場總線(FF)，Profibus DP，DeviceNet，智能儀表HART，Wireless HART，Modbus等。各種標(biāo)準(zhǔn)都有其產(chǎn)品類型范圍和不同的特點(diǎn)，在具體項(xiàng)目上，綜合采用多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到性能成本的最優(yōu)。

4．2 工廠管控一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖1為某公司設(shè)計(jì)的數(shù)字化工廠管控一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具體內(nèi)容如下:

(1)輔助車間高度集中監(jiān)控，硬件與分散控制系統(tǒng)(DCS)一體化。隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，進(jìn)一步加強(qiáng)輔助車間的監(jiān)控功能，基本實(shí)現(xiàn)就地自動(dòng)控制，部分重要功能接入集控室，實(shí)現(xiàn)就地?zé)o人值守。

(2)電氣納入控制系統(tǒng)，以高可靠性的CRT和大屏幕監(jiān)控機(jī)組的運(yùn)行，減小集控室面積，減少操作人員。

提高控制系統(tǒng)的智能化程度，就地設(shè)備盡量采用智能化設(shè)備，應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)，可大大減少電纜的敷設(shè)和維護(hù)工作。

圖1 數(shù)字化工廠的管控一體化架構(gòu)示意圖

(3)進(jìn)一步提高自動(dòng)化水平，將控制任務(wù)減少，以功能組替代，減輕操作強(qiáng)度。由于采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫共享，通過隔離技術(shù)，值長、廠長等在辦公室就可對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)視，了解機(jī)組運(yùn)行情況。

(4)“資產(chǎn)管理功能”對(duì)設(shè)備進(jìn)行在線診斷和預(yù)測(cè)，可有效地控制設(shè)備檢修的工作量。但需要購置振動(dòng)監(jiān)視、油液分析、紅外分析等設(shè)備實(shí)現(xiàn)機(jī)械狀態(tài)診斷。

(5)設(shè)備可靠性分析可以和企業(yè)資產(chǎn)管理、計(jì)算機(jī)維護(hù)管理系統(tǒng)相結(jié)合，將設(shè)備狀態(tài)、檢修計(jì)劃、缺陷處理、備件庫存等信息進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)真正的狀態(tài)檢修應(yīng)用，如圖2所示。

圖2 數(shù)字化工廠信息化系統(tǒng)示意圖

5 數(shù)字化工廠建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益分析

圖3為傳統(tǒng)維修方式和預(yù)防性維護(hù)方式的比較。

預(yù)測(cè)性故障診斷系統(tǒng)的檢修維護(hù)方式，可及時(shí)掌握工廠的總體健康狀況及整個(gè)裝置的性能指標(biāo)，大大延長設(shè)備的生命周期。

國外電廠智能設(shè)備管理系統(tǒng)及資產(chǎn)優(yōu)化系統(tǒng)的應(yīng)用顯示，每年的總維護(hù)費(fèi)用可降低10%～20%，常規(guī)維護(hù)成本減少10%，每年的閥門維護(hù)費(fèi)用節(jié)省55%，非計(jì)劃停運(yùn)減少10%。因此，智能化設(shè)備管理系統(tǒng)的應(yīng)用可以降低維護(hù)費(fèi)用。

圖3 資產(chǎn)全生命周期增加值

6 建議

目前，電廠的現(xiàn)場總線應(yīng)用多用于局部，沒有全面展開。雖然技術(shù)的可行性毋庸置疑，但應(yīng)用規(guī)模與投資成本直接相關(guān)，所以，需要進(jìn)行綜合考慮，需要與常規(guī)的DCS進(jìn)行對(duì)比。具體哪些設(shè)備和工藝采用現(xiàn)場總線模式，則可通過綜合評(píng)價(jià)安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性來決定。

7 結(jié)束語

通過分析和比較可以看出:相比于常規(guī)DCS，采用現(xiàn)場總線后，整個(gè)機(jī)組控制系統(tǒng)、儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等相關(guān)設(shè)備的投資略有增加。但考慮到現(xiàn)場施工和調(diào)試時(shí)間的縮短、未來維護(hù)的便利性等有利因素，小幅度的投資增加是可接受而且非常值得的。因此，在分布式能源站建設(shè)數(shù)字化工廠是完全可行的。