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如何打造大型煤气发电机组智能控制系统?科远用DCS+Intelligent点燃动力引擎
发布时间:2020-08-25
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分散控制系统(distributed control system)

现代工业的“大脑”和“神经中枢”

工业自动化“皇冠上的明珠”

在以科远为代表的中国自动化领军企业数十年的奋斗中,中国已走在了分散控制系统技术的最前沿,为国家电力、石化、冶金、建材等各类流程工业领域提供安全、可靠、自主的中枢神经控制系统。

随着工业4.0、互联网+浪潮的到来,工业互联网、大数据、人工智能等新技术的融入,为工业自动化行业发展带来新的机遇与挑战。

在此背景下,科远智慧通过不断创新与融合,赋予了DCS 更强大的功能,研发推出智能控制优化系统、智慧燃烧专家系统、智能运行辅助、智能预警等一系列智慧功能,并率先在煤气发电机组上成功应用,打造全新煤气发电机组智能控制系统,为推动能源企业安全可靠、清洁环保、高效经济发展注入更强劲的动力。

钢企煤气发电机组能效提升需求升级

在国家战略布局引导下,重点钢企工艺装备均已实现了大型化、现代化的转变,自动化水平得到显著提高。为应对新形势提出的深层次的节能要求,钢铁企业配套建设大型高效煤气发电机组,对高、中温气相余热(焦炉煤气、转炉烟气、高炉煤气等)进行回收利用,将产生的高炉/转炉/焦炉煤气完全燃烧用于发电。煤气发电机组的自动化系统和自动化装备的水平对能源利用效率影响较大,因此,现代化的钢企更加重视自动化技术的创新和应用,提升能源综合利用效率,通过智能化建设,不断实现降本增效。

更强大的智能控制系统

科远为众多大型煤气发电机组提供控制系统解决方案,为应对机组在安全、环保、经济方面的性能提升需求,以高度开放的NT6000 DCS 控制系统平台为基础,充分融合智能感知、大数据分析、先进控制等技术,不断拓展应用功能,打造智能控制优化系统、智慧燃烧专家系统、智能运行辅助、智能预警等智慧功能应用,实现煤气发电过程的智能控制与运行,大大提高系统监控性能、降低设备故障率,提升机组运行效率、减少机组非停,实现煤气机组智能监盘、少人值守,进一步助力实现企业安全、绿色、高效发展。

▲大型煤气发电机组智能控制系统网络拓扑图


四大智慧功能全面融合提升

01控制优化系统

自动回路品质优化

自动回路品质优化控制系统可将现有的工艺系统自动化水平进一步提高,完善设备功能,提高控制精度,辨识频繁操作步序;采用智能前馈、预测控制、模糊控制等先进控制技术与智能算法,通过数值分析软件,修改和完善优化控制策略,实现重要参数的有效控制,并保证较高的自动投入率。

煤气发电机组在蒸汽质量和锅炉运行稳定、减员增效方面还存在较大的优化空间,优化项目主要包括:机组协调优化控制、送风氧量优化控制、炉膛压力(引风)优化控制、蒸汽温度优化控制、汽包水位优化控制、主汽压力优化控制等。

投入运行后:

  1. 实现燃气锅炉的全自动优化运行:将锅炉燃烧所有回路全部投入自动运行,降低工人劳动强度,提高安全控制水平,长期可靠自控率大于90%以上;

  2. 实现锅炉稳定、安全运行:锅炉运行参数控制品质明显优于原操作方式,稳定锅炉运行,提高安全控制水平;

  3. 实现最经济运行:在保证锅炉负荷满足调度要求的前提下,实现煤气和送风、以及氧含量优化运行,以实现煤气锅炉的最经济运行;

  4. 实现锅炉环保运行:满足燃料充分燃烧,在一定程度上解决煤气不完全燃烧带来的环保问题并降低排烟温度。

送风氧量优化控制投入之前,送风机为运行人员手动控制。送风氧量优化控制投入之后,正常情况下炉膛出口氧量波动范围由之前的2.245‬%缩小至1.454‬%;在负荷发生剧烈变化的情况下,炉膛出口氧量波动范围由之前的6.621%缩小至1.624‬%。在煤气总管压力发生大幅变化时,负压氧量也能够得到及时的控制,并且不需要运行人员进行手动操作,减少运行人员工作量。

智慧燃烧专家优化系统

煤气发电机组智慧燃烧专家系统是以锅炉温度场激光在线测量技术、锅炉燃烧CFD数值分析为基础,建立的锅炉燃烧实时专家指导系统,通过每只燃烧喷嘴调节,实现锅炉的优化智能燃烧,以实现锅炉高效、安全、环保、经济地运行。

智慧燃烧专家系统实现以下功能:

  • 燃烧状态实时监测

  • 燃烧优化运行指导

  • 燃烧状态实时优化

煤气锅炉炉膛CT装置可以安全、可靠、稳定地在线实时测量燃烧区域的温度和气体组分浓度数据,实时监视炉膛燃烧状态,提供炉膛横截面温度分布图像,实时显示锅炉温度场测量、炉况运行参数、炉况热力分析、运行参数曲线。优化指导操作人员运行调整,给锅炉燃烧优化控制提供数据。

锅炉CT在线测控系统与DCS系统网络相连,实现数据共享,利用成像分析软件,可在操作员站以直观可视化的方式,实时显示炉膛测量截面温度场及气体组分浓度场。智能燃烧优化系统提供数据可参与燃烧工况参数调节,还对二次风配风及氧量进行实时优化,提供二次风风门建议开度。以达到均衡优化燃烧,有效监测与防止锅炉结焦、局部超温对水冷壁管的损伤、减少爆管事故发生,减少因非计划停炉而造成的损失等,提高锅炉燃烧效率。

▲锅炉CT在线测控系统框图

▲炉膛截面温度成像

▲智慧燃烧专家优化系统界面

定期工作自动执行功能

为保证设备健康度,需对一些设备进行定期切换运行,设备的启停时间、运行天数等常常会被忽略,导致切换不及时,需查阅运行日志、调阅曲线,对运行人员存在工作负担。

按照设备轮换管理要求,根据设备的运行时间、运行顺序,自动实现设备的定期轮换启动运行。定期切换试验范围包括:凝泵切换、循泵切换、真空泵切换、EH油泵切换、火检冷却风机切换、密封风机切换、辅机油泵切换、定子冷却水泵切换)

在系统帮助下,运行人员仅需根据规程设定好设备定期切换周期即可,系统会按照运行人员设定,自动实现切换运行,并能够记录设备启动时间、连续运行时间等,方便运行人员查看。系统减轻了运行人员工作负担,保证设备切换过程安全、稳定、准确。

给水泵自动倒泵、定期并泵试运功能

为降低运行人员在给水泵切换过程中的操作风险及操作难度,结合运行人员手动倒泵流程经验以及自身对工艺的理解和优化控制的策略,在DCS平台实施给水泵自动切换功能,实现一键倒泵(包括工-变和变-工),这将有效减少运行人员倒泵时的操作,并保证机组工况稳定运行,减少误操作带来的危害。切泵后,给水调节方式控制策略自动切换,即变频泵运行时,变频调节汽包水位,工频泵运行时,主路调节阀调节汽包水位。

备用给水泵如果长时间不用,碳钢材质的泵体、泵盖等容易查收腐蚀,机械密封也容易失效。为确保备用泵处于正常状态,也需要对给水泵定期并泵试运。

厂级集控平台与智能调度

◆ 厂级集控平台

部分钢厂、使用的控制设备及系统较多,且各控制系统相互独立,运行监控分散,给现场人员岗位流动造成阻碍,人员劳动效率相对较低;控制系统维护人员水平要求较高,控制系统备品备件消耗量、库存量居高不下,检修成本控制难度较大。

通过改造、升级、整合使多台煤气机组中控室高度集中为一个集控室,实现厂级集中监控;通过软、硬件改造,实现远程控制及自动控制。整合工序流程,提高自动化水平、提升劳动效率。针对每台机组的独立设备、独立生产过程进行数据分析与建模,形成机组级的优化控制。

保证机组安全经济运行和全厂能源的供应输出稳定的前提下,改变操作孤岛现状,构架数据一体化平台,提升设备自动化程度,完善智慧制造需求的功能,通过对设备管理、安全管理、生产管理、培训管理等的集成和数据挖掘,形成全厂完整的数据链条,为公司决策层提供可靠的数据来源,实现智能控制、智慧生产的目标。

◆ 厂级智能调度

不同煤气发电机组的能耗、效率不同,普遍存在着调节滞后、响应速度不一等问题,且机组之间运行相互独立,生产额度分配依靠手动方式调整,全厂机组运行能效无法达到最优;

▲厂级能源分配与智能调度架构

负荷智能分配与管理平台,可以协调实现变化的外部煤气波动、负荷生产需求在不同机组之间的最佳分配。可对煤气变化、外部负荷的规律性变化或者正常排产调度进行预测,提前对发电系统参数进行控制,可减小蒸汽、电量的波动和能源的浪费。对非计划负荷波动,可以对参数进行预判,采取不同调节措施,以快速响应外部负荷变化。外部负荷(蒸汽、煤气、电)非正常大幅波动时,也不会对机组运行工况造成很大的冲击,智能管控平台能够及时消除内外部扰动所产生的负荷波动,确保系统对负荷变化的快速响应,最终实现厂内生产过程与末端需求智能平衡。

02智能顺控系统

功能组自启停(APS)

通过APS控制,取代在机组启动和停运过程中大量复杂的人工操作,不仅大大减轻运行人员的工作强度,尽可能的避免了人工操作发生的误操作事故,消除了其中的安全隐患,提高了机组启停的正确性和规范性,APS实现了准确快速的机组的启停,缩短了机组启停时耗费的时间,降低了机组启停过程中的能耗,提高了机组效率,为电厂节省能源,创造经济效益发挥了巨大的作用。

煤气发电机组启动过程可设计4个断点:锅炉/汽机准备、锅炉点火升温升压、汽机冲转、机组并网升负荷;停止过程可设计2个断点:锅炉/汽机降负荷、机组停机;

▲APS功能组示意图

▲APS功能组画面

03智能运行优化系统

性能计算与耗差分析

性能计算与耗差分析是以实时数据为依据,通过对电厂设备及系统参数进行实时监测、计算与分析,全面、直观反映机组运行状况,明确给出其节能降耗潜力,使运行人员在这些结果的支持与指导下进行合理调整,达到提高机组效率、降低能耗的目的。通过对影响机组安全性、经济性的关键性指标进行偏差在线计算,对其发展变化趋势进行提前预测,产生预测性报警,以便于运行人员提前采取措施,最大限度地避免参数越限情况的发生。

实时性能计算包括设备级、机组级、全厂级的各性能指标计算,而且根据煤价、电价等经济性信息计算单个机组及全厂相关的各个成本指标,电厂的决策人员可以随时了解当前机组的性能及发电成本信息。

耗差分析可在线显示可控参数的当前值和基准值,计算并列出这些可控参数的偏差引起的成本偏差,并根据偏差分布情况诊断出造成偏差的主因,给出可供选择的操作指导意见,为运行人员提供直观的运行指导。技术方法包括修正曲线法、等效焓降法、单因素分析法等。

智能优化运行

确保机组运行安全性与环保性的同时,需进一步降低发电成本与管理成本,故机组的节能降耗与优化运行管理的需求也越来越突出。优化运行系统以机组运行数据分析为基础,通过对运行参数的计算,确定机组运行状态和部件性能对机组经济性的影响,从而揭示机组经济性低的各种因素。通过对设备性能状态分析和运行参数分析,给出最优经济运行指导。

自动寻优确定:各工况在不同的边界(如循环水温、氧量等)有不同的应达值曲线,曲线由系统自动统计机组的最佳运行状态而形成,如:机组滑压运行时,一般采用变工况热力计算或热力实验的方法获得不同负荷下主蒸汽压力的应达值;在保证锅炉负荷满足调度要求的前提下,实现煤气和送风、以及氧含量优化运行,以实现煤气锅炉的最经济运行。

▲最佳氧量运行寻优

04智能预警及故障诊断系统

现有的DCS报警系统普遍采用定值报警模式,只能满足事后诊断;且定值不随负荷变化,误报率较高,不能有效保障机组全负荷段安全运行。智能预警系统旨在全负荷段动态监测重要设备及工艺系统运行状态,在发生异常还未恶化为严重故障时即可预警,为运行人员留有足够的时间处理异常,避免事故的发生,使得处理风险的模式从传统的被动反应到主动规避、提前规划和准备、有效避免。

基于大数据分析的智能预警及故障诊断中心充分利用现已积累的海量数据和新增的运行数据,通过大数据分析和人工智能技术的应用,实现机组故障早期预警和诊断,提高设备的可利用率,为最终实现状态检修打下坚实的基础。

▲智能预警系统架构

智能预警系统涵盖了煤气发电厂的主要设备及工艺系统预警功能,可以大幅提高电厂预警的准确性,保证较低的误报率和漏报率。智能预警系统在设备或者工艺系统发生故障早期,通过数据分析及算法计算提前给出预警信息,帮助运行人员迅速锁定故障位置,及时采取干预措施,防止故障发生或缩小影响范围。对设备劣化、流程参数劣化,预警系统可以做出健康度诊断,以便及时采取运维措施,达到提高机组可靠性、保障设备运行安全、减少机组非停次数、延长设备使用寿命的效果。

应用案例

在节能减排政策的要求和企业高效管理需求的驱动下,南京南钢钢铁联合有限公司对智能工厂的建设有了更高的需求,打造智能化工厂实现生产过程智能控制成为所有生产及管理人员的共识。其动力车间#5机组是一台120MW超高温亚临界煤气发电机组,机组建设初期就按照智能化需求进行了整体规划,旨在打造具有特色的“传统产业+互联网”竞争新优势,进一步实现安全、绿色、高效发展。

科远智慧与南钢强强联合,通力合作打造出先进的南钢大型煤气发电机组智能控制系统应用平台。

  • 智能控制系统内集成智能控制算法,通过控制优化,提高自动调节系统的品质,使机组的启停过程、正常运行、升降负荷阶段能够做到自动控制,减少人为干预,降低运行操作量。#5机组日常采用协调控制模式运行,长期可靠自控率达95%以上,在煤气压力波动较大(3.5kPa~9.5kPa)等复杂工况下,机组负荷也能精确控制在±2MW,机组运行和管理水平明显提高。

  • 系统高级应用服务器实时处理生产运行中产生的大量数据,计算出机组安全、经济、环保等各项指标,在线评价机组运行状态;进行智能寻优,计算参数的最优标杆值,并实时给出当前偏差,指导运行消差或投入自动校正回路,使机组实现自趋优运行。

  • 智能预警系统指导运行操作人员对事故早期报警做出迅速有效的反应,实现了潜在故障的事前处理,变被动故障事后处理为事前主动预防,防患于未然,减少非停,提高电厂的经济效益。

  • 智能控制系统投入前后双方共同开展了经济效益的测算与分析,同等煤气条件下,智控系统的投用可实现机组单日发电量平均增加约5万KWh(单日累计发电量平均为280万KWh),发电量提升占比1.79%,单月发电增收可达100万元,智能控制系统整体提高了#5机组生产运行效率。

  • 同时也提高了系统监控性能,机组整体自控投入率达95%以上,目前#5机组每班运行人员仅4人(含值长与巡检),实现了煤气发电过程的智能控制与运行,持续助力南钢煤气机组实现智能监盘、少人值守。

以DCS为基础的智能控制系统是

智慧型电厂重要组成部分

是承上启下的中间层。

作为工业自动化、信息化领军企业

智慧电厂提出者和先行者,

科远智慧将致力以以新技术融合创新

积极推动工业企业智能化转型升级

不断为工业企业安全、绿色、高效发展

提供强劲“新动力”!


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