基于“大數據+AI”技術的智能化燃氣電站無人值守能力體系規劃與探索

廣東惠州天然氣發電有限公司 徐韓昭 龍 濤 中國電子系統技術有限公司 蘇森民

引言

智能化燃氣電站是建立在可靠、高速的通信網絡的基礎上，通過應用先進的傳感和測量技術、穩定的設備、可靠的控制方法及智能化的決策支持技術，實現發電廠的可靠、經濟、高效、環境友好和使用安全的目標。以提高安全穩定性、資源利用率、節能經濟運行水平、輔助決策能力、網廠協調能力為目標，滿足社會經濟發展的需要，提高供電可靠性和供電質量，更好地體現社會效益和企業效益。智能化電廠以網廠協調發展的“無人值班”（少人值守）模式為基礎，以通信平臺為支撐，以信息化、自動化、互動化為特征，實現電力流、信息流、業務流的高度一體化融合。目前國內燃氣電站智能化應用方面，人員定位、工業互聯網、巡檢機器人等應用較為普遍，但均沒有實現運行無人值守。

廣東惠州天然氣發電有限公司總裝機容量255萬千瓦，是國內大陸地區裝機容量最大的天然氣發電廠，也是廣東能源集團旗下裝機容量第二的發電企業，多項經濟技術指標在行業領先，自投產以來積累了大量運行數據和經驗。

1 無人值守能力體系建設與應用

1.1 智慧運行大腦

在數字空間建立物理對象的數字孿生子對運行分析對象進行描述，建立數字鏡像和數據圖譜，對知識和經驗進行系統化和計算機化，建立知識圖譜，通過數據庫、算法庫、知識庫和模型庫的四庫聯動，建立智慧運行的大腦。智慧運行的關鍵是建立一個智慧運行大腦，融合數據圖譜、算法和知識圖譜接收來自各方面數據信息，大腦綜合加工后輸出。通過這個大腦把靜態的、零散的知識經驗進行系統化、結構化，并與現場的實時運行自動關聯起來。智慧運行大腦從不同維度，圍繞運行分析對象對數據屬性、含義等進行全面定義和描述，建立屬性之間的關系。在此基礎上可高效、快捷和貼近運行人員需求，提供數據給運行人員及相關系統。

1.2 智慧監盤

智慧監盤模擬現場工作人員在監盤時的行為和思考過程，旨在實現少人值守甚至無人值守，提高監盤的準確性和及時性。傳統運行監盤的工作方式：人的經驗—人工翻閱畫面和抄表—分析—事故處理；智慧監盤的工作方式：歷史數據訓練形成經驗模型—模型自動不間斷掃描和計算—提前鎖定區域，計算嚴重程度—通知運行人員—事前主動處理，計算機智能跟蹤，保證全程可控。

1.3 智慧操盤

在智慧監盤的基礎上建立一套智慧操盤系統，自主持續學習運行人員的日常操作，在積累一定經驗后可對運行人員操作做出正確性評估，提出操作建議，可對錯誤操作做出報警，規避人為誤操作。智慧操盤包含以下主要功能：

1.3.1 APS 機組自啟停控制

APS 根據機組啟、停的工藝流程和特性的基本原理，應用智能監測和控制技術，通過設備順控和連鎖、設備故障預置處理、全程控制等技術手段，優化機組自啟停過程，實現智能、快速、節能的機組級智能自啟停控制。APS 的目標是實現機組從全停工況到額定負荷的啟動以及實現從帶負荷到機組完全停止[1]。APS 在機組的控制系統中處于上層位置。在機組的啟動和停止過程中，根據APS 內部順序和邏輯判斷或計算，向MCS、DEH、SCS、TCS等各控制系統發出相應命令，實現整個機組的啟停控制。APS 作為基于MCS、SCS、DEH、ECS、TCS 之上的機組級指揮管理、調度系統，能可靠地實現APS 與這些底層系統的無縫連接，保證APS的順利執行。

1.3.2 機組啟停實時監督、評價與優化指導

APS 不具備分析評價功能也不優化啟停過程，目前電廠缺乏機組啟停過程的實時監督、分析和評價指導工具。對于電廠運行人員，在機組啟停操作時由于操作票內容和步驟特別多，在監視各種系統畫面設備參數的同時很難兼顧各種主、輔機的啟動時間，各閥門的開關時間，有時候還會由于各種人為因素出現部分操作遺漏或誤操作，導致發生人為啟停故障。建設內容主要包括：

啟停實時監督：在實際啟停操作過程中需要一個動態的啟停過程網絡圖，以便讓運行人員實時掌握當前節點在整套啟停過程中所處的位置和后續重要節點。建立標準啟停模型，計算節點的時間和物料消耗，提示節點重點關注的風險內容。實時掌握當前所處的節點位置及后續的啟停節點。實現啟停過程的標準化，實時進行啟停步驟的指導，避免人為原因導致部分操作步驟遺漏、延誤或操作不到位的情況。

啟停過程實時分析和優化指導：通過歷次啟停數據的挖掘分析、找出最佳的啟停機過程。實際啟停時重復啟停過程的最佳實踐；建立啟停知識庫，并且將知識庫與實時的啟停過程結合起來，輔助指導機組啟停過程中的主、輔機設備的運行方式優化，是一個提高啟停經濟性和安全性的有效途徑；啟停后自動評估并出具報告：目前的啟停過程總結評價完全靠個人的主觀能動性，比較隨意和零散。寫評價報告需要花費大量時間查詢和分析數據。通過系統在啟停過程中進行自動的完整記錄，便于在啟停結束后進行評估總結；逐步豐富啟停知識庫，并在下次啟停過程中參與優化指導。這樣就可形成一種自動評估和積累的機制，不斷推動啟停水平的提高。

1.3.3 智能運行調控

在電廠機組運行指標中的參數出現異常時，啟動調控程序，程序會從穩定模式庫中搜索調控目標，返回距離當前狀態最近的點作為待選工況。比較當前狀態與待選工況的差異，統計當前狀態調至待選目標時需要調控的參數、需要調控的幅度以及調控參數個數，按照設定的調節幅度進行參數調整，直到參數達到目標值。在調控過程中會監測穩定指標的變化走勢，如指標沒有回歸正常可隨時切斷調控進程，進入人工調控環節[1]。

1.3.4 機組自動定期試驗

在機組DCS 系統自主開發機組定期試驗功能模塊，優化控制邏輯，根據系統設定規則自動開展真空嚴密性、閥門活動、發電機漏氫等定期試驗，自動計算分析試驗數據，試驗結果自動存檔。如：利用機組停機時間，定期自動對主要輔機進行啟動實驗并記錄啟動時的電流、油壓等參數，并與以往實驗數據進行比對分析；在停機期間可選擇發電機漏氫試驗，并自動記錄試驗數據；在機組長周期運行期間可定期自動進行汽機主汽門活動實驗，并記錄試驗時間；在機組大修后或長周期運行后，機組啟機過程中可選擇主汽門嚴密性實驗并記錄試驗數據。1.3.5 輔機自動定期切換

在DCS 系統自主開發機組輔機定期自動切換功能模塊，利用現場智能攝像頭、巡檢機器人等視頻及音頻信號與系統實時通訊，完成機組運行期間定期工作的無人干預，自動執行。如：統計各臺低壓輔機運行時間（包括主機潤滑油泵、EH 油泵、排煙風機、密封油泵、頂軸油泵、罩殼冷卻風機、FG單元冷卻風機等設備）；根據設備狀態預警信息和設備運行時間提示運行人員進行切換操作，并定期提示運行人員對備用設備進行絕緣檢測；對于長周期運行機組，各臺輔機執行定期切換操作。

1.3.6 故障自恢復

針對主要大型輔機設備（如高壓給水泵、循環水泵、中壓給水泵、閉式水泵等）設計并退泵順控，當運行設備出現故障需要進行設備切換時，可立即啟動順控完成設備的無擾切換，不影響機組正常運行，并在切換完成后進行系統參數的比對，確認備用設備是否正常。對系統智能判斷出的異常，經過充分驗證準確無誤后，在運行操作中自動做出相應動作，提前規避故障的發生；或自動填缺陷單發給維護檢修人員處理。對生產流程中的設備進行劣化度評估，對冗余設備動態管理，根據條件判斷并執行自動輪換。

1.4 智慧巡檢

通過智能巡檢機器人、定點式監控裝置等實現現場設備的智能巡檢、點檢工作，代替人員進行工業生產現場的巡檢和測量作業，借助機器人硬件平臺、先進傳感器、人工智能算法和后臺的軟件分析診斷系統，通過全天候、全方位、全自主智能巡檢和監測。智能識別設備汽水油泄漏、溫度異常升高、異常振動、噪聲等，數據傳輸至監盤系統，實現遠程監視及預警。機器人采用性能可靠的傳感器、預先設置的程序和算法，對就地設備采集的數據進行嚴密的實時分析和邏輯診斷報警。智慧巡檢可提高巡檢頻次和測量質量，避免因人為因素所導致的測量數據錯誤，有效降低了人員勞動強度，提高巡檢和測量作業的標準化水平。

1.5 深度控制優化

運行方式的優化對節能提效有較明顯作用，公司承擔著當地電網的調峰重任，利用大數據人工智能等技術對工藝流程各個環節控制進行深度優化，讓系統運行在歷史最優點，有效降低能耗和排放，通過機組的啟停方式優化、輔機運行優化、壓氣機水洗及其過程的優化、供熱方式優化、壓縮空氣供應方式優化、燃機清吹程序優化等一系列運行優化措施能有效降低能耗水平。結合公司實際應用情況，本廠深度控制優化包含廠級AGC負荷優化、脫硝控制優化。

廠級AGC 負荷優化。根據機組容量、運行情況、機組狀態，以及機組邊際貢獻等，統計動態發電評價指標和綜合評價結果，確定各個機組發電的優先級并支持排序展示。根據電量情況、當前各個機組實時負荷以及目標值，選擇需要優化的機組，根據機組運行方式和機組特性計算負荷變動情況下的利潤最大時的機組負荷分配情況。

脫硝控制優化。兼顧當下并著眼未來，提出新的寬負荷脫硝優化控制策略，不僅能應對當前深度調峰下NOx 排放控制需求，且在高負荷段及穩定負荷運行時，實現出口NOx 壓線控制運行，使其節能減排經濟效益最大化。實現SCR 系統始終投入自動控制，無需運行人員過多的進行干預，減輕運行人員的監盤壓力和勞動強度。

1.6 智慧運行管理

將交接班管理、定期工作、運行臺帳、缺陷管理、績效考核等每一項工作按既定工作流程節點有序進行，且必須逐步完成，無法跳過限制的節點，規范生產過程，同時將巡檢數據與DCS、SIS 既有數據有機結合，讓過程數據有效流轉且可通過異常對比，找出管理短板及知識盲點，進行提高改善。

2 無人值守能力體系應用的效果

智能燃氣電站運行無人值守。構建機組自分析、自診斷、自管理、自趨優、自恢復、自學習、自提升的能力體系，達到運行無人值守目的，具有引領示范意義，為推進全國燃氣-蒸汽聯合循環發電企業智能化轉型提供經驗和范例。實施成果對推動行業發展，提升企業在行業中的影響力具有重要意義。

社會及經濟效益顯著。提升監盤工作效率和質量，增強對故障的提前預警、識別、診斷和處置能力，可有效降低機組非停或停運檢修頻次。實現廠級AGC等控制優化，在保證電網穩定的同時，實現了全廠機組負荷的優化分配，可使機組運行在歷史最優工況附近，機組總體效能得以提升，節省天然氣、電、氨水等資源消耗，合理減少噴氨量，降低氨逃逸率。實現機組多維指標智慧監盤、簡潔高效的智慧報警、系統及設備異常的標準化識別與處理指導，有助于提高發電企業現代化運行管理水平，提高企業經濟效益，增強企業核心競爭力的目標，是能源產業智能轉型的重要驅動力。

規范管理推進可持續發展。促進公司實現生產過程的數字化轉型，實現流程自動化、應用場景化、業務數據化、數據資產化，實現全方位、立體化、一體化的智慧生產。當前，電力行業面臨人員年輕化、經驗流失和傳承不足的問題，新員工的培養需要一定周期。通過數據挖掘分析技術、知識圖譜技術，在提高運行人員預知預判能力的同時，通過軟件平臺把優秀的運行經驗積累傳承下來，不僅為企業創造了經濟價值，更是增強企業的知識管理、知識提煉和知識應用能力，同時也為后續更高階的智慧生產積累信息、沉淀知識和經驗。