数字化电厂设计

数字化电厂设计
引言
数字化电厂是通过采用先进的信息技术，实现生产和管理数字化，实现人、技术、经营目标和管理方法的集成，是企业管理思想的一个新突破。

数字化管理将信息技术贯穿于企业的整体管理流程，可为管理者及时提供过去和现在的数据，并能够预测未来和引导企业人员的工作，使信息技术与电力工业技术、现代管理技术有机融合，全面提升电厂的生产技术和经营管理水平，增强电厂的竞争能力。

为适应我国电力体制改革和不断发展的信息技术，按照一流电力企业的标准，平朔电厂以建设"高效率、环保型、数字化"电厂为目标，高标准、高定位，引进和倡导先进的经营理念、管理方法和数字技术，全面打造数字化发电企业，以先进的管理理念，快捷的数字化管理流程，扁平化管理层次，提高企业运行效率，提升企业核心竞争力。

按照这样的思路，设计了平朔电厂的数字化电厂模型，按照该模型的架构，正在分步实施。

一、数字化电厂模型
按照发电企业管控一体化模型的思路，提出了一个具有3个层次、2个支持系统的数字化电厂层次结构模型(如图1所示)。

3个层次分别是直接控制层、管控一体化层、生产经营辅助决策层，2个支持系统是数据库支持系统和计算机网络支持系统。

1.1 直接控制层
该层是模型的第1层，完成生产过程的数据采集和直接控制，包括单元机组主控系统(DCS)、汽轮机数字电液控制系统(DEH)、脱硫控制系统(DCS)、汽轮机数字管理系统(TDM)及辅助控制网(水处理、输煤、除灰渣、除尘)等辅助设备的控制系统。

目前控制技术的发展是以现场总线为基础的机、炉、电一体化的先进控制系统，该层直接与生产设备关联，现在一般都随设备直接集成，主要提供设备的运行实时信息及状况，属生产基础数据提供层，是其他2层的基础。

1.2 管控一休化层
该层是模型的第2层，即为厂级监控信息系统(SIS)，它完成厂级生产过程的监控，结合管理层的信息和直接控制区提供的生产基础数据，对控制系统和机组性能进行整体优化和分析，为过程控制层提供操作指导，同时为生产经营辅助决策层提供所需的分析、统计信息。

该层是管理和控制之间联系的桥梁。

1.3 生产经营辅助决策层
该层是模型的第3层，它是生产经营辅助决策系统。

以董事会经营计划为主线，以物资管理、燃料管理和设备运行检修管理为基础，是以安全、经济运行管理为重点，通过事前预算计划的编制、事中计划实施过程的控制以及事后的总结分析和考核来实现生产经营的闭环管理。

该层可确保电厂的运营规范化、科学化和效益化;优化电厂的生产计划和策略，协调各部门的运转，实现全厂的安全、高效、经济运行机制。

1.4 数据库支持系统
该系统以关系数据库和实时数据库为基础，通过面向数据主题的电厂数据仓库，构成数字化电厂的数据库支持系统和技术支撑平台。

电厂数据仓库可对电厂各类数据进行分析、提炼、集成，为电厂的分析和决策提供支持。

1.5 计算机网络支持系统
以ATM和千兆以太网为代表的先进组网技术，结合系统-网络-终端3级安全策略、目录管理统一认证等先进技术，构成数字化电厂的计算机网络支持系统。

二、数字化电厂的设计
2.1 直接控制层设计
直接控制层是整个数字化的基础，随着计算机网络技术的发展及可靠性的提高，现场总线系统(FCS)在电厂的应用已成为发展方向，而且现场总线仪表已基本齐全，在电厂中使用日益增多。

现场总线仪表都为智能型仪表，它们所提供的丰富的数据都可通过总线上传到DCS或PLC，增加了现场数据的信息量，提高了数据采集精度，为SIS提供更加丰富的现场数据，为发挥SIS强大的数据分析、优化功能奠定基础。

工程师或操作员站的显示屏(LCD)上能够容易地查看仪表工作情况，对仪表进行调校及参数修改，大大减轻了维护工作量，减少了维护人员。

目前电厂使用现场总线控制系统的条件已经具备。

主要的现场总线仪表有以下几种类型:
(1)执行器:进口产品SIPOS或AUMA等都有冗余的PROFIBUS-DP总线接口，国产天津仪表七厂和扬州电力修造厂都有PROFIBUS-DP总线接口。

其他品牌的执行器也都有自己开发的现场总线协议和接口。

(2)压力(差压)变送器:西门子、E+H、EJA都有PROFIBUS-DP或PA现场总线通信接口。

(3)智能温度变送器:带总线接口的温度变送器已开发出来，但由于价格较高，电厂中使用不多。

(4)液位、物位计:与压力变送器一样，基本都有PROFlBUS-DP或PA现场总线通信接口。

(5)特殊仪表:如氧量表、飞灰含碳表等已带有通信接口，但设备用量较少，仍采用硬接线形式。

(6)化学仪表:导电表、pH值表、纳表、硅表等分析仪表基本都带有总线接口。

(7)电气仪表:主要是以微机为基础的控制保护装置，都带有通信接口。

现场压力变送器基本都是分散布置在现场控制柜内，可采用有PA或DP协议的总线仪表，联网后进入DCS中;液位计、物位计比较分散，更适合使用现场总线进入DCS或PLC;热电偶、热电阻智能化变送器由于价格较贵(2000～3000元/台，普通的从200～300元/台)暂不考虑使用智能型，但在热电偶、热电阻比较集中的地方采用远程I/O;化学仪表全部采用有总线的仪表，连网后进入PLC或DCS，这在华能玉环电厂已有成功应用。

当今流行的现场级的控制网主要有PROFIBUS-DP和PA、FF、LON-WORK 及HART等协议。

在电气量方面，由于电机、变压器、开关等保护装置都是以微机为基础的产品，且具有通信接口，给实现现场总线控制打下了基础，把保护装置等相互联网后就可组成现今流行的电网控制系统(ECS)，作为DCS的子系统通过通信接口把数据传到DCS。

按上述设计，构成如图2所示的现场总线控制系统。

现今流行的西门子TXP3000、爱默生OVATION系统等就是以现场总线为基础的控制系统，大大促进了直接控制层数字化的发展。

2.2 管控一体化层设计
电厂管控一体化是构架在全厂厂级监控信息系统(SIS)上的，它把电厂主要生产过程中不同控制系统、不同的数据源的各种信息汇总，并进行加工处理，实现厂级生产过程实时数据处理、机组厂级性能计算和优化分析、设备综合管理和其他高层辅助决策等功能。

SIS有2个核心功能。

2.2.1 实时数据处理
电厂实时数据处理系统是用于对控制系统进行实时数据的采集、存储和管理，它是电厂SIS对发电生产监控管理的基础，在电厂控制系统和SIS之间起着桥梁作用，主要功能如下:
(1)采集下列电厂生产及电网系统的实时数据: DCS及FDG-DCS;煤、灰、水集中控制系统;电网控制系统;汽轮机管理系统;煤质分析数据等。

(2)海量数据存储:服务器容量标签量配置在3万点时，数据存储时间大于4a。

(3)数据接口:为其他应用系统(管理、经营等)提供实时数据。

(4)数据查询:可设置查询条件(如范围、时间段等)，通过浏览器进行查询。

(5)数据发布:系统数据可以通过网页发布。

(6)计算和统计分析:进行基本数据计算(如累加、平均、最大值、最小值、加权平均等)，对表示系统性能的参数值进行统计分析。

(7)数据一致性处理:对不同数据源采集到的实时数据进行有效性和一致性处理，在显示界面和与其他系统的交换界面一般采用KKS编码标准。

2.2.2 机组厂级性能计算和优化分析
厂级性能计算和经济分析对全厂的经济运行和有序管理有重要的指导意义。

使用专用的机组厂级性能计算和分析应用软件，并提供在线计算的能力，以计算整个电厂的各种效率(锅炉、汽轮发电机组及其辅助系统等)、损耗(煤、水、电、热耗等)及性能参数等。

优化分析系统指通过整个电厂运行进行优化评估，发现运行中的问题，并进行必要的操作指导，达到效益的最大化和成本的最低化。

(1)机组厂级性能计算的基本功能:性能计算的基本工具库包括:计算水、蒸汽、空气和烟气的湿度、焓、比容等物理性质;计算燃料、烟气的热量；将锅炉作为热交换器计算其热平衡;计算燃煤、燃油、燃气和混燃锅炉的热平衡及热效率;计算燃煤机组的毛效率与净效率(正、反平衡方法);计算汽轮机、凝汽器的效率;计算以液体、气体为介质的旋转机械的效率;计算发电机的效率。

性能计算的期望值与实际计算值相比较得出的偏差应以曲线和百分数显示在计算站和值长站的LCD 上。

值长可对显不结果进行分析，以使机组运行在最佳状态。

系统还有分析偏差产生原因和提出改进措施的功能。

(2)优化分析的基本功能:对过程数据和成本进行评估;实时数据有效性核实、过程监视、测量数据重新评估；优化操作运行条件并预测运行趋势;监视过程数据，比较目标和实时数据的差距;对某点缺陷进行分析，改进电厂操作;通过过程分析，用于计划和优化控制等。

可以离线仿真优化，数据来源可以手工输入或通过文件方式将在线的实时数据导入，历史数据可通过EXCEL导入，优化后的目标数据可导入在线方式下的运行系统中。

SIS在电厂的使用已经很普遍，但在300MW级循环流化床机组上的使用经验及专家分析基本没有，可利用其强大的数据分析功能，逐渐对30OMW循环流化床锅炉的运行经验进行积累，形成一套本厂的流化床锅炉专家分析系统，可用于指导和优化机组的运行。

同时可再现机组历史运行数据，并进行离线仿真优化，成为对运行人员进行仿真培训的教材。

这样，对保障机组的安全稳定运行具有很大的现实意义，真正实现全厂管控一体化。

2.3 生产经营辅助决策层设计
山西平朔电厂厂级管理信息系统(MIS)的建设目标是，建设覆盖全厂的计算机网络系统，形成一个安全可靠、数字化的传输网络，实现信息资源共享。

系统包括全厂生产、经营、管理的各个环节。

MIS根据业务情况可划分成生产业务系统、企业资产管理系统(EAM)、综合信息查询系统、报价辅助决策系统(商业运营管理)、办公自动化系统、系统维护子系统，如图3所示。

本系统除具有常规MIS的功能外还具有如下特点:
(1)无纸化办公:以先进网络通信技术为基础，通过办公自动化OA系统，日常办公流程全剖在计算机中实现，包括日常报表、合同会签审批、采购审批单、通报公告等，全部以电子文档的形式通正计算机分发给相关人员，大大节约了办公用纸，提高了办事效率。

(2)数字档案室:公司所有图纸资料全部以电子文档的形式储存在MIS的数据库中，包括工程图纸、工程竣工验收、变更记录、设备说明书、库存备品备件、技术监督记录、检修记录及合同协议等，实现信息共享随时查询。

(3)视频监视:全厂重点防盗、防火部位采用视频监视系统，如主油箱、发电机氢冷区、电缆夹层、电缆沟油罐区、制氢站、主厂房、主要通道、大门和后门等，并有视频动态弹出功能及声光报警，视频数据压缩后保存在服务器中。

三、电厂组织结构模型
平朔电厂的组织结构采用扁平模式，职能部门数量缩减，功能集中，使人员配置最优化、人员的效率最大化。

图4为平朔电厂的扁平式组织结构模型。

图4中将现有电厂的许多职能部门合并，达到了部门简化、人员精干、效率提高、管理科学化的目标。

这种新的扁平式组织结构体现了管理多元化和设岗复合型2个方面。

分3个层次:监督决策层、策划协调层(分为5个部门，覆盖电厂的全部业务，兼顾各个方面的需要和最佳需求)、执行层。

3.1 监督决策层
包括厂级领导，由总经理和副总经理组成，实行例行、例外分开管理原则，常规工作由策划协调层的各部门代表处理，各项工作实行委托授权。

这样，各部门责、权、利相结合，领导有条件和精力考虑重要工作和企业发展的深层次问题。

3.2 策划协调层
设定为综合性的生产管理、经营管埋和专业性的发电设备运行技术管理、发电设备维修技术管理、燃料现场管理。

它涵盖了电厂的生产经营要素。

生产技术部:履行全厂生产监督职能，包括安全监察、检修计划管理、九项监督管理、技术创新、对发电部和检修部等各生产部门进行监督检查等。

经营部:履行以经营管理为中心的运筹管理职能。

包括财务管理、物资供应、燃料计量管理等。

经理部:履行以全厂信息资源管理为中心的经营管理职能。

包括运筹计划、劳动工资管理、教育培训、档案管理、信息管理、安全保卫、行政监察及后勤服务等。

发电部:履行以发电设备运行技术管理为中心的发电生产职能。

包括运行技术管理、运行调度管理、设备停复役管理、设备缺陷管理等。

检修部:履行以发电设备检修技术管理为中心的发电设备检修管理职能。

包括日常检修维护、抢修及完成本厂承担的大小修任务等。

3.3 执行层
完成个性职能要素——管人、管事、管思想三大任务。

各级岗位均要求复合型设置，员工要求一专多能型，运行人员要三专业、四专业合一;检修人员应具有多工种、善长管理的素质。

重视培养和使用复合型员工，以适应现代企业提高工作效率和经济效益的要求。

四、结语
新建电厂普遍建立了SIS和MIS网络架构，并配置了不少故障诊断、状态检修及性能优化等监控和管理软件。

但这些软件尚欠成熟，现场设备级自动采集的信息太少，使一些高级应用成了无米之炊。

如果依靠人工采集、录入，不仅工作量大，而且有些也较难实现。

这些问题不解决，SIS和MIS将不能发挥其效益。

因此，必须加快现场总线技术及智能数字设备的应用，并根据SIS和MIS需要增加采集的信息量，全面实现火电厂网络化，真正实现火电厂数字化，才能较好地完成火电厂信息化的目标。