關于瓦斯發電數字化管理平臺的研究與應用

熊鵬輝 田少國 田濤 陳龍

摘 要： 為提升瓦斯發電站管理自動化水平，基于當前瓦斯發電管控的主要問題，設計了一套適用于瓦斯發電站的數字化管理平臺，并詳細闡述了該平臺的設計目標、關鍵技術、技術構架等內容，最后進行了系統實施和應用驗證。該平臺利用物聯網、大數據分析和人工智能等先進技術，實現了對瓦斯發電站關鍵數據的實時監測、智能分析和決策支持。

關鍵詞： 瓦斯發電站 數字化管理 技術架構 環保

中圖分類號： TM73文獻標識碼： A文章編號： 1679-3567（2024）03-0001-04

Research and Application of a Digital Management Platform for Gas Power Generation

XIONG Penghui TIAN Shaoguo TIAN Tao CHEN Long

Shaanxi Coalbed Methane Development Co.， Ltd.， Xian， Shaanxi Province， 710000 China

Abstract： In order to improve the automation level of the management of gas power stations， this article designs a digital management platform suitable for gas power stations based on the main issues of the current control of gas power generation， elaborates the design objectives， key technologies and technical architecture of the platform， and finally carries out system implementation and application verification. This platform utilizes advanced technologies such as the Internet of Things， big data analysis and artificial intelligence to achieve the real-time monitoring， intel‐ligent analysis and decision support of the key data of gas power plants. This study provides important theoretical and practical guidance for the digital transformation of the gas power generation industry， and has practical applica‐tion value and promotion significance.

Key Words： Gas power station； Digital management； Technical architecture； Environment protection

近年來，瓦斯發電作為一種環保高效的能源生產方式，在能源行業中日益受到重視。然而，傳統的瓦斯發電站在運營管理中普遍存在著信息化程度低、決策依賴經驗等問題，導致運營效率和安全性無法得到充分提升。為了解決以上問題，研究和應用瓦斯發電數字化管理平臺變得迫切而重要。本文旨在對瓦斯發電數字化管理平臺進行深入研究，并將其應用于實際項目中。通過引入現代信息技術和管理理念，構建一個可靠、高效的瓦斯發電數字化管理平臺，以提升瓦斯發電站的運營管理水平，優化發電效率，降低安全風險，減少環境污染。

1 瓦斯發電管控主要問題分析

1.1 管控系統信息化程度低

瓦斯發電行業相對傳統，一些發電站設備和管控系統無法適應現代信息化需求。缺乏更新換代的資金和技術支持，導致信息化程度低。同時，一些瓦斯發電企業對信息化技術的認識和了解較少，缺乏推動信息化改革的意識和能力，存在對信息化投入成本高、技術實施復雜等擔憂。

1.2 瓦斯發電站不同部門間的管理系統多為獨立運行

在瓦斯發電站建設初期，各個部門可能是分別建設各自的管理系統，沒有進行系統整合和統一規劃，導致各系統獨立運行。不同部門的管理系統可能面向不同的業務需求，具有各自獨特的功能和特點。為了滿足特定部門的需求，開發和采用獨立的管理系統更為方便和高效。

1.3 缺乏輔助決策與智能分析系統

當前，瓦斯發電站管控多是依靠經驗進行決策判斷，缺乏對獲取到的信息進行智能分析，不能給瓦斯發電站管理層以及上級管理部門提供可靠的決策支持。

2 智慧瓦斯電廠

2.1 智慧瓦斯電廠的定義

智慧瓦斯電廠是一種基于數字化管理平臺、物聯網和人工智能等技術手段的先進瓦斯發電站，旨在通過整合多種先進技術手段，優化瓦斯發電站的生產運營流程，實現精細化管理，提高生產效率和能源利用效率。智慧瓦斯電廠的建設需要依賴于各類信息系統和設備的支持，如制造執行系統（MES）、監控和數據采集系統（SCADA）、分布式控制系統（DCS）等，以及傳感器、智能儀表等設備。

而瓦斯發電數字化管理平臺則是對上述信息系統和設備進行綜合管理和優化的平臺，旨在實現對瓦斯發電站的全局性監測和管控，并提供精準的數據分析和決策支持。瓦斯發電數字化管理平臺涵蓋了智慧瓦斯電廠所需的各項功能，如設備監測與維護、生產過程控制、短期調度和計劃、能源消耗統計和優化、安全管理等方面。

因此，智慧瓦斯電廠和瓦斯發電數字化管理平臺是相輔相成的。智慧瓦斯電廠依靠各種信息系統和設備來提高生產效率和運營效益，而瓦斯發電數字化管理平臺則對這些信息系統和設備進行有效的統一管理和優化，確保整個瓦斯發電站的生產運營處于最佳狀態。二者的協同作用，可以實現瓦斯發電站的數字化轉型和智能化升級，提高生產效率、降低成本，并為未來可持續發展奠定基礎。

2.2 智慧瓦斯電廠的優勢

2.2.1 設備監控方式

相較于傳統瓦斯電廠通過 DCS 就地控制室監控的方式，智慧瓦斯電廠可以借助互聯網技術實現遠程監控和管理。管理人員可以通過手機、平板電腦等終端設備隨時隨地監測設備狀態，不再局限于現場操作，從而提高響應速度，避免延誤處理故障的時間。

2.2.2 數據管理

智慧瓦斯電廠通過傳感器和監測設備實時采集各種設備和系統的數據，包括溫度、壓力、流量等運行參數。這些數據可以被集中管理，并存儲在數據中心或云平臺中，方便后續的數據分析和處理。智慧瓦斯電廠通過數據可視化技術，將采集到的數據轉化為直觀的圖表、報表或儀表盤形式，使管理人員能夠直觀地了解設備狀態、運行情況和能耗信息。通過實時監控，可以快速發現異常情況，并采取相應的措施。借助大數據技術和分析算法，對采集到的數據進行深度分析和挖掘。通過構建數據模型和應用機器學習算法，可以發現設備運行中的潛在問題、趨勢和規律。

2.2.3 報警與故障

智慧瓦斯電廠的智能化控制系統可以實時感知電廠各個環節的數據，并通過數據分析和處理，快速發現設備異常情況，如水溫、缸溫、軸承溫度超標，及時進行報警。智能化控制系統具備故障自動診斷功能，可以根據異常數據和設備運行狀態，提供一個基于規則和機器學習模型的自動故障診斷和分析服務，幫助管理人員快速定位問題。智能化控制系統還會將采集到的數據進行深入分析，包括歷史趨勢、維修周期、設備共性問題等，提供更全面、準確、智能的故障診斷結果，以便管理人員與檢修人員進行更加精細的維護操作。

2.2.4 檢修管理

智慧瓦斯電廠通過綜合考慮設備的維修需求、生產計劃、人力資源等因素，利用優化算法進行智能化的維修調度和排程，可以最大程度地提高維修效率和資源利用率，減少停機時間，保證生產計劃的順利執行。通過借助物聯網和遠程監控技術，可以實時監測設備運行狀態，掌握設備的健康狀況和維修需求。同時，遠程支持團隊可以通過遠程協助和指導，幫助現場維修人員進行故障診斷和維修操作，提高問題解決的速度和準確性。

智慧瓦斯電廠通過信息化系統對備件和維修資源進行統一管理和控制。系統可以實時監測設備維修歷史和備件庫存情況，根據需求進行自動化的備件采購和庫存補充。有助于避免備件過量或短缺的情況發生，提高備件的使用效率和降低庫存成本。

2.2.5 設備信息管理

智慧瓦斯電廠采用二維碼標識和智能化平臺手機App的方式進行設備信息管理，相較于傳統的資料存檔和查閱方式，具有以下優勢。

（1）電子化資料永久保存：通過將設備信息電子化，可以避免傳統紙質資料的損壞、遺失或磨損等問題。電子化資料可以長期保存，并且可以進行數據備份和災備措施，提高信息的可靠性和安全性。

（2）方便快捷的查詢方式：通過智能化平臺手機App掃描二維碼，可以輕松查詢設備的所有信息，大大節約查詢時間和人力成本。

（3）技術能力提升支持：通過智能化平臺手機App的使用，新員工可以更快地了解設備信息和工作流程。有助于個人技術能力的提升，加快適應新環境，并且降低培訓成本和時間。

2.2.6 組態實時監控

智慧瓦斯電廠通過組態實時圖監控技術能夠實現對生產過程的實時監測和控制，提高瓦斯發電的效率和安全性。通過圖形化的界面，操作人員可以直觀地看到瓦斯電廠的整個流程和設備狀態，如燃料輸送系統、發電機等，能夠更加準確地了解生產情況。組態實時監控能夠實時采集瓦斯電廠各種參數和狀態數據，包括燃氣濃度、溫度、壓力、流量等，保證操作人員能夠及時獲得重要信息。通過設置特定閾值和條件，組態實時監控能夠對異常數據進行判斷并觸發報警，如超溫、高壓、低水位等，及時提醒操作人員注意。智慧瓦斯電廠的組態實時監控還支持遠程訪問和操作，能夠實現在外地對設備和系統的監控和控制，提高生產管理的便捷性和靈活性[1-2]。

3 數字化管理平臺設計

3.1 預期設計目標

瓦斯電廠數字化管理平臺的設計目標為確保各個子系統之間的相互連通，解決原有的信息孤島問題，并實現集中監控和資源共享。為了達到這一目標，可以采取以下措施。

3.1.1 數據集成與共享

通過建立統一的數據接口和通信協議，將各個子系統中的數據進行集成，實現數據的共享和交互。從而實現不同子系統之間數據的無縫對接，方便信息的互通與管理。

3.1.2 統一監控與控制平臺

設計一個統一的監控與控制平臺，將各個子系統的監測點、傳感器、儀表等設備連接到該平臺上。通過該平臺，可以實現對不同子系統的集中監控和控制，方便操作人員對整個瓦斯發電站進行綜合管理和運行調度。

3.1.3 實時數據傳輸與處理

建立高效可靠的數據傳輸網絡，確保各個子系統的數據能夠實時傳輸到監控平臺，并進行實時處理和分析。通過實時數據傳輸與處理，能夠使管理人員及時發現設備異常、故障等問題，并采取相應的措施進行處理和修復。

3.1.4 告警與預測功能

在管理平臺中加入告警與預測功能，通過對各個子系統的數據進行分析和比對，及時發現潛在的故障風險，并提前預警，以避免事故的發生。同時，基于歷史數據和智能算法，可以進行設備運行狀態的預測，提供預防性維護的建議，優化設備的使用壽命和運行效率。

3.1.5 可視化界面與操作

設計直觀友好的可視化界面，將瓦斯發電站的相關信息、數據、狀態等以圖形化的方式展示出來，方便操作人員進行監控和操作。通過簡單直觀的操作界面，提高操作人員的工作效率和準確性。

3.2 關鍵技術

3.2.1 大數據采集與分析技術

建立完善的數據采集系統，對瓦斯發電站各個子系統、設備以及環境中的傳感器和監測點進行數據采集。可以采用現場總線技術、物聯網技術等手段，實時獲取各個子系統的數據，并將其傳輸到數據存儲設備或云平臺。將采集到的大數據進行存儲和管理，使用分布式數據庫、數據倉庫等技術，確保數據的高可靠性和高可擴展性。同時，采用合適的數據壓縮和索引技術，優化數據存儲和查詢效率。對采集到的原始數據進行清洗和預處理，包括去除異常值、填補缺失值、數據格式轉換等操作，確保數據的質量和準確性。利用數據分析和挖掘技術，對瓦斯發電站的大數據進行深入挖掘。采用統計分析、數據挖掘、機器學習等方法，從數據中發現隱藏的規律、趨勢和異常情況[3-4]。

3.2.2 節能環保技術

智慧瓦斯電廠應用先進的節能與環保技術，如余熱回收利用、瓦斯凈化處理、廢氣排放治理等，降低資源消耗和環境污染。瓦斯電廠在發電過程中會產生大量的余熱，通過煙氣余熱鍋爐等設備進行余熱回收利用，將煙氣中的熱能轉化為蒸汽或熱水，用于供暖、工藝用熱等其他用途，提高能源利用效率；瓦斯電廠會產生含有二氧化碳、硫化物等有害氣體的瓦斯，采用先進的凈化設備進行脫硫、脫硝和除塵處理，將廢氣排放中的有害物質降低到國家標準以內，減少對大氣環境的污染；如果余熱無法完全回收利用，瓦斯電廠采用廢熱發電技術，通過廢熱鍋爐和蒸汽渦輪機等設備將余熱轉化為電能，提高瓦斯發電廠的整體能源利用效率。

3.2.3 遠程監控與通信技術

智慧瓦斯電廠的遠程監控系統通過傳感器、數據采集設備和監控終端實現對電廠各個環節的實時監測和數據采集。例如：通過溫度、壓力、流量等傳感器獲取關鍵設備（如燃氣渦輪機、鍋爐）的運行參數，同時采集電力輸出、能耗數據等重要指標，并通過網絡傳輸到監控中心，實現對電廠運行狀態和設備性能的遠程監控。智慧瓦斯電廠采用可靠的數據通信網絡，如局域網（LAN）、廣域網（WAN）和互聯網等，實現電廠內部不同設備之間以及電廠與遠程監控中心之間的數據傳輸和共享。常用的通信協議包括以太網、Modbus、OPC等，確保數據的安全傳輸和實時性。遠程監控系統還可以通過遠程操作與控制功能對電廠設備進行遠程調試、參數設置和故障排除。運維人員可以通過監控終端對設備進行遠程控制，提高電廠的響應速度和運行靈活性。

3.3 平臺技術架構

本項目構建的瓦斯發電數字化管理平臺技術架構圖如圖1所示。

4 實際應用案例

本項目研發的瓦斯發電數字化管理平臺已正式落地并上線運行，該智慧化電廠也正式投入使用。本項目的智慧化電廠管理平臺主要包括：一體化SIS/MIS管理系統、設備故障診斷與預警系統、基于互聯網+的安全管理系統、手機App移動應用以及硬件支撐系統等功能模塊，在PC端與可視化大屏聯動，實現全廠自由導航、生產經營數據實時監控、生產運行實時監控，全廠人員定位及危險區域管理、智能巡檢、生產異常及安全預警、設備故障診斷及智能培訓、移動辦公、設備預保養及維修管理、物資管理等全業務流程管控。

該平臺的正式運行，可以減少85%的設備故障率，提高機組10%的有效利用小時數，大幅降低工作人員的勞動強度[5]。

5 結語

瓦斯發電是一種重要的能源生產方式，其具有環保、高效等優點，在能源領域中扮演著重要的角色。隨著信息技術的不斷進步，數字化管理平臺正在逐漸應用于瓦斯發電行業中，并且取得了顯著的成果。文章通過對現有瓦斯發電站運營中存在的問題和需求進行分析，設計了一套瓦斯發電數字化管理平臺并進行了實際應用。在該平臺中，引入了先進的信息技術，如物聯網、人工智能、大數據等，以支持瓦斯發電站的管控和決策。

參考文獻

[1]付華雯.論智慧瓦斯電廠的優越性[J].現代工業經濟和信息化，2019，9（8）：49-50.

[2]麻磊.瓦斯發電站監測監控系統設計與應用[J].機械管理開發，2021，36（10）：259-260.

[3]郭志寶，孫大雙.基于AHP方法的瓦斯發電項目綜合效益評價體系權重構建：以汾西礦業為例[J].商業會計，2023（17）：48-51.

[4]黃克海.瓦斯發電提效裝置監控系統設計[J].化工管理，2023（21）：132-136.

[5]祝彥.低濃度瓦斯利用技術現狀綜述與展望[J].能源技術與管理，2022，47（4）：32-34.