基于DCS平臺數據整合，提升機組監控水平的研究與應用

陳海文，黃月麗，胡程斌，徐龍魏，胡海航

（華電浙江龍游熱電有限公司，浙江 龍游 324400）

0 引言

華電浙江龍游熱電有限公司建設有一套STAG209E 燃氣--蒸汽聯合循環發電機組，它由2 臺燃氣輪機發電機組，2 臺余熱鍋爐，1 臺抽凝式蒸汽輪機發電機組和1 臺背壓式蒸汽輪機發電機組組成。燃氣輪機發電機組和蒸汽輪機發電機組為二拖一分軸布置。

機組調壓站天然氣系統采用PLC 控制，燃機采用MARK VIe 控制系統，汽機鍋爐及相關輔助系統采用maxDNA 控制系統（即本文所指DCS 系統）。

整套機組2016 年投入商業運行，截至2019 年歷年發電運行小時數未超過900h。近兩年，整套機組啟停次數分別85 次、100 次，商運后，機組運行呈現發電運行時間短、啟停次數逐漸增多的特點。

1 課題研究背景

1.1 現狀介紹

機組投運以來，基本為日開夜停的調峰運行。間斷性的運行方式，對機組運營以及監督統計分析工作提出了更高的要求。由于二拖一分軸機組運行方式較為靈活，所以對不同運行方式下的日、月、季、年的監督統計，對標管理等數據積累、提煉提出了新的要求。受制于信息化、專業化認識與系統部署的局限性，機組運行過程狀況的原始數據分析工作，以人工統計居多，存在統計工作量大、費時且數據統計不夠精確的情況。

機組運行設計方面，從整套機組的啟動準備、啟機、正常運行、停運到停備的各階段，除燃機啟停基本為全過程自動運行外，余熱鍋爐、汽機、GIS 及輔助系統等整體自動化水平不高，運行人員操作量較多；其次，受制于有限的運行小時數，人員操作鍛煉機會不多，導致機組啟停運行存在較大差異。機組全過程控制自動化、標準化管理水平不高的現狀，影響了機組運行的安全經濟性能。

1.2 問題與分析

結合當前現狀，提升機組系統監督、統計與自動化水平，有著重要的意義。

機組系統數據龐大、機組分系統設計平臺的差異，為后續數據的整合帶來不便；從大數據管理角度出發，打通數據鏈，建立基礎數據統一平臺是開展數據開發利用的先決條件。

從機組運行系統設計的實際情況分析，相對于燃機、電氣控制系統，基于DCS 系統的數據平臺整合具有先天的優勢：一方面，DCS 系統開放性較好，具備模件通訊功能，便于整合其他系統數據，同時具備數據輸出功能，為信息化與遠程監督提供基礎，并擁有強大靈活的邏輯自主編輯功能，滿足監督統計與自動化控制提升需求；另一方面，DCS 系統的設計是從全廠范圍控制角度出發的，作為底層數據整合平臺，便于持續開展數據挖掘與管理提升工作。

1.2.2 平衡指數測定方法 儀器采用以色列Sunlight醫療器械公司Tetrax平衡測試系統。平衡指數是由Tetrax測得的平衡參數計算出的一個用以表示患者跌倒風險的數值，這個值基于各種影響患者平衡的因素。測定方法簡單無傷害，患者站在平衡測定儀上，通過8種姿勢對患者進行測量，包括在自然站立情況下睜眼、閉眼、頭左右和前后專向，左右腳步同步性和腳下墊有泡沫橡膠腳墊等，5～10 min測定完畢，由專職治療師完成所有的檢測。檢查前向受檢者充分解釋檢查目的和注意事項，檢查時盡量保持檢測環境的安靜。測定結果以姿勢的總結表(BSS)和平衡指數的形式表示。

從機組運行控制實際情況分析，機組主重要系統的自動投退設計為正常運行方式下的操作，涉及到啟停階段運行的手動操作。工作量較大，存在操作遺漏風險，不利于機組運行中的可靠性、經濟性。

針對機組頻繁啟停的實際運行狀況，啟停階段自動化水平的提升，將有助于機組運行標準化水平的提高。在能耗控制方面，也有利于節省機組天然氣量、廠用電量，有助于可持續提升機組運行安全性、經濟性。

1.3 課題研究意義

將電廠模塊化分析，輸入原料為天然氣、電能、原水等資源，輸出產品為電能，輸出輸入比即能源綜合利用效率，從提升能源利用效率這一方面來講，對于電廠管理意義重大。而作為調峰運行的燃氣蒸汽聯合循環發電機組，啟、停階段能耗水平直接關乎到能源利用效率與發電效益。

課題研究工作，從提升監督、統計與自動化管理水平著手，提升機組一拖一、二拖一方式下，冷、熱態啟停/運行的操作水平，通過DCS 系統數據平臺的搭建，整合機組系統相關參數，開展數據的挖掘與分析利用。這將有助于機組管理水平提升，同時將帶來一定的安全經濟效益；長遠來看，隨著大數據與智控應用的發展，本次課題研究工作有助于推進智慧電廠的建設。

2 課題研究與實施

2.1 課題研究基礎

對機組運行狀況涉及數據信息進行統計分析，調壓站及燃機控制系統采用通訊方式與DCS 進行數據單向傳輸；針對機組天然氣監督研究，涉及數據可通過通訊配置進行添加，滿足統計管理需要。

通過機組各階段的判據研究與數據完善，實施DCS 系統邏輯組態，能夠滿足對機組各工況狀態的判斷，涉及到天然氣量、發電量、時間等統計功能的需求，并進一步開展自動化提升的研究應用工作。

2.2 方案研究

基于DCS 系統平臺數據的整合，采用DCS 通訊模件功能的方式，將調壓站、燃機控制系統、電量采集系統部分數據傳輸至DCS 系統，可以實現DCS 平臺數據的底層整合，實現基于機組監督、統計、自動化升級等管理功能開發的研究與應用的基礎，應用DCS 系統強大豐富的自主化邏輯編輯功能，提升機組數據挖掘與利用水平。

通過機組運行實際情況，建立機組分階段的細分統計，主要包含：機組各運行階段判斷，時間、天然氣用量、發電量、發電氣耗統計，實現機組各運行階段數據的標準化統計，從而具備客觀評估啟停階段操作水平功能；并建立捕捉運行異常、步序時長、各階段能耗相關指標，清晰展現機組運行操控水平與能耗情況。對機組各階段運行狀態的判斷與統計，是開展后續工作的前提。功能的應用能有效解決運行氣耗分析的人為誤差，可有效針對現狀提供管理的指導性意見。

通過對啟、停各階段步序位的分析，結合運行狀態方位條件判斷，對機組設備全程自動化工作的開展有著積極的意義。通過奠定步序統一化歸類，提供自動標準化應用的狀態基礎。

2.3 方案實施

2.3.1 機組運行階段分類

圖1 機組全程監督統計畫面Fig.1 The overall monitoring statistics screen of the unit

根據整套機組運行階段進行分類，包含：啟機、滿負荷、停機、備用共4 種狀態；并對啟機、滿負荷、停機、整套啟停階段，共4 種運行分類進行數據統計歸類。各細分步序根據需要對“時長”“故障時長”“耗氣量”“故障耗氣量”“發電量”“發電氣耗”進行統計，實現類似EXCEL報表統計功能。

其中，啟機階段：按1 號燃機、2 號燃機、3 號汽機進行機組級歸類。燃機：從點擊“Start”開始進行統計，包含“Start 至點火”“點火至并網”“并網至滿負荷”3 個階段；汽機：從單臺燃機“Start”開始進行統計，包含“Start至沖轉”“沖轉至并網”“并網至旁路全關”“旁路全關至滿負荷”。

滿負荷階段：分AGC 投入、AGC 不投入兩種方式分類統計，用于分析AGC 運行方式對機組能耗的影響，根據不同負荷率對機組能耗的影響進行分析，積累基礎性數據。

停機階段：分為機組“停機至解列”“解列至無火”兩個階段。

備用階段：分為燃機試點火、無火至盤車全停、全停期間3 個階段。

2.3.2 機組天然氣等能耗監督

機組運行期間的天然氣量全程統計分為啟動、運行、停運3 個階段，包含3 個階段與機組單次運行期間的天然氣用量、發電氣耗，并對啟動、停運成本進行測算。

通過統計機組全程各節點運行時間、耗氣量、發電量、故障時間、故障氣耗，可實現燃料、氣耗等全程監督管理。主要實現的路徑：① 燃機至DCS 的數據傳輸，將開發系統中涉及燃機部分數據，采用通訊方式傳輸至DCS 系統；②調壓站至DCS 系統數據傳輸，原有PLC 系統已經實現所需數據的DCS 通訊；③ 對DCS 系統進行邏輯組態，依據機組全程步序分類說明實施。CRT 畫面顯示如圖1 所示，部分控制邏輯組態如圖2 所示。

2.3.3 機組全過程自動化改造

研究機組啟動、停機兩個階段分析系統設備，采用順控+全程自動、聯鎖方式，耦合啟停與正常運行階段全過程自動控制。

自動化改造工作圍繞汽輪機輔助系統設備開展，導入APS 模式，運用全程自控投入理念。其中，閥門類以順控+自動模式實施改造，泵與風機類以順控+全程聯鎖模式實施改造。

現階段主要實施的閥門類改造：軸封壓力閥組、潤滑油溫調節閥、真空破壞閥、除氧器透氣閥；泵與風機類改造：軸加風機、高壓啟動油泵、EH 油泵、真空泵、交流潤滑油泵。另外，對汽輪發電機組解并列進行了改造，機組解列功率控制在0.3MW 以下，汽機解列后轉速小于3010r/min，運行安全穩定性較之前大幅改善，并實現了全程AVC、一次調頻、AGC 投切等功能，較好地對接了新版“兩個細則”。

2.4 應用效果

圖2 部分控制邏輯組態Fig.2 Part of the control logic configuration

表1 運行統計表Table 1 Running statistics table

通過各運行狀態的標準化同口徑統計，分析了運行各值之間操作差異，為提升運行人員操作水平管理提供方向與依據。改進運行操作管理后，機組運營經濟效益同比大幅提升，機組首次冷態開機，即可實現邊際盈利。

啟停階段各輔機時間固化穩定，整套機組啟停時間、能耗指標趨于一致，啟停機用氣量、時間、氣耗提升顯著，節能效益較大；隨著啟停時間的相對縮短，余熱鍋爐啟停階段的NOx 排放超標時間相應縮減；通過建立健全啟停對標體系的建設，可固化相關成果，保證了啟停機安全可靠性。

通過DCS 系統平臺數據的整合與開發工作，提升了機組主重要參數的全程監督管理水平，實現機組啟停異常數據統計功能，有利于定向開展工作，年度整套機組一次啟機成功率提升至93%。本課題的研究可持續為機組安全經濟運行提供數據與開發支撐。

3 結束語

隨著省內新能源裝機容量、電網特高壓直流電量占比的增長，燃機作為電網調峰的重要方式，機組啟停的次數將顯著增加。啟停階段的能耗分析與自動控制的應用，對機組運行的安全性、經濟性有著重要的意義；完善機組全過程管控，通過機組啟停可靠性的提升，對保障電網安全也有著積極的作用與意義。