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张晋宾:解读数字化电厂
  • 作者:宋慧欣
  • 点击数:5981     发布时间:2013-12-06 15:21:00
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当前电力企业正面临着前所未有的挑战,如电力市场化、节能减排、产能效率,另一方面,新技术不断涌现并迅速应用于电力行业,如现场总线技术、物联网、信息技术等,这使得数字化电厂应运而生。
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活动链接:2014年控制网行业专题---打造有中国特色的智能电网

   当前电力企业正面临着前所未有的挑战,如电力市场化、节能减排、产能效率,另一方面,新技术不断涌现并迅速应用于电力行业,如现场总线技术、物联网、信息技术等,这使得数字化电厂应运而生。数字化电厂可以解决火力发电厂管理粗放水平低下、发电能耗高、污染物排放严重、辅助系统运行不稳定、设备故障率高等众多问题,最终实现火力发电站现代化的运营和管理,从而降低企业运营成本、发电能耗、污染物排放,提高企业经济效益和社会效益。本刊专题策划特别邀请西南电力设计院设计总工程师张晋宾教授全面解读“数字化电厂”的理念和发展现状,以及给自动化技术带来的机遇和挑战。

   能否解释下“数字化电厂”的概念?数字化电厂有何特点? “数字化”包括哪些层面?

   张晋宾:

  尽管“数字化工厂”耳熟能详,但全世界并没有形成其公认的统一定义。

  “数字化电厂”的概念

   提到“数字化工厂或电厂”,需先阐述下“数字经济”的概念。所谓数字经济,是指在经济的各个方面,包括每一组织(如政府、各类企事业单位、非赢利机构或团体等)的内部运作、组织间或组织与个人间或个人与个人之间的事务,广泛采用IT信息技术(硬件、软件、应用和通信等)。而主要是在上世纪末本世纪初开始出现的“数字化工厂”现象,正是数字经济环境下的产物,是当今全球最吸引人眼球的热点技术和流行技术。

   尽管“数字化工厂”耳熟能详,但全世界并没有形成其公认的统一定义。国际上,有的学者将其定义为用于表示工厂的模型和用于生成该模型的工具;有的学者将其与虚拟工厂相区别,定义为已有真实工厂静态内容(包括静止的所有物、资源、媒介供应)的映像;也有的学者干脆认为就是虚拟生产制造,即是生产制造位置的逼真的、集成的计算机模型,该模型包括每一流程和具有支持规划、仿真、开发、生产控制和维修等全部必要功能的整个工厂。有关数字化工厂的构成,有的专家认为是由建模和可视化、仿真和评价、数据管理和通信三部分构成;也有的专家认为是由3D设备系统可视化、事件仿真、制造过程仿真和人机工程仿真四部分组成。在国内,有的专家认为数字化电厂包括电厂管理数字化、生产过程控制数字化、现场设备级控制与管理数字化、电厂信息高质量数字化和电厂设计数字化;有的专家认为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;也有的专家认为电厂的数字化实际上是指在电厂从建设到运行的整个生命周期过程中,实施完整的数字化设计、数字化采购、数字化工程建设以及数字化移交,同时在电厂监控系统的各个层次采用智能化、数字化的设备,在信息系统中采用相应的智能控制软件和管理软件,从而使得对整个电厂的监控和管理都是智能化、数字化和透明化的。在我国电力行业标准《火力发电厂热工自动化术语》DL/T701-2012中,将“电厂数字化”定义为:利用计算机技术及微处理器技术把反映火电厂生产过程和管理过程对象的现象、特征、本质及规律的声音、文字、数字、符号、图形和图像等模拟信号转换为数字信息的过程。将“数字化电厂”定义为:数字化电厂是电厂数字化达到一定程度后的概念。电厂各级控制和管理系统(包括现场设备等基础单元)均进入数字化后称为数字化电厂。国际电工委员会IEC/TC65则将“数字化工厂”定义为:表现工厂基本组成单元、自动化资产、它们的行为和关系的类模型。德国工程师学会在其VDI 4499导则中将其定义为:“数字化工厂”是一个由数字模型、方法和工具(包括仿真和3D可视)全部交织在一起的、由连续的数据管理将其集成在一起的综合网络所形成的超常概念。

   综合分析归纳以上有代表性的概念或定义可知,数字化电厂的定义大致可分为两类,一类是狭义的、浅层次的、初级的,即认为数字化电厂就是指电厂生产,乃至管理的数字化,只要电厂监控系统(包括现场仪表)和管理系统的各个层面都实现了数字化,就认为建成了数字化电厂;而另一类是广义的、深层次的、高级的,即认为数字化电厂各类系统的数字化只是一个基础,或表象而已,而最重要的是应建立有电厂的数字模型,并在此模型基础上,充分利用系统集成、专家系统、虚拟现实等现代信息处理和通信技术、智能控制和管理决策技术,实现电厂管控真正意义上的信息化、智能化,最大限度达到电厂的安全、高效、环保运行状态。实质上,后一种定义,更为全面、系统,也与国际上主流的数字化工厂观点相吻合。

   数字化电厂的特点

   从前述数字化电厂的概念,可高度概括出全面、系统、完整的数字化电厂应具有以下六个特点:

   一是数字化,即利用计算机信息处理技术把电厂各个生存周期阶段所存在或发生或关联的模拟信息转换为数字信息。

   二是模型化,即建立有电厂完整的数字模型,其中不仅包括实体的物理模型,也应包括数学逻辑模型在内。如以汽轮机本体为例,一是应全面建立包括汽缸、隔板、隔板套、主汽阀、调节阀、进汽管、蒸汽室、喷嘴组、主轴、轴承、轴承座、联轴器、叶轮、动叶栅、轴封、轴封环、平衡盘等汽轮机全部组成部件的单个实体模型和由此组成的完整汽轮机实体模型;二是建立汽轮机的各种数学模型,如汽轮机热力特性模型、应力模型、调节特性模型等。

   三是可视化,即在所建立的电厂数字模型基础上,利用虚拟现实技术,将电厂各类实体及其特性以直观的、图形图像信息表示的、随时间和空间变化的物理现象或物理量(如三维立体形式)呈现于用户面前,实现与用户的交互,使之能够浏览、观察、模拟和计算,从而提高规划设计效率,也为规划设计的优化提供便捷,而且更便于实现电厂的运行、维护、检修的仿真,极大提高电厂的工作效率。

  四是互操作性,即数字化电厂中的各个构成部件(如不同的计算机系统、仪表等)具有协同工作,并共享信息的能力。如数字化工厂中的一些实体可和数字化工厂中的其它实体之间无缝交换信息。

   五是信息化,在我国《2006━2020年国家信息化发展战略》中指出,信息化是指充分利用信息技术,开发利用信息资源,促进信息交流和知识共享,提高经济增长质量,推动经济社会发展转型的历史进程。数字化电厂在电厂的设计、施工、生产、管理等各个环节广泛采用了信息技术,显然,信息化也是数字化电厂的主要特征之一,数字化电厂的建立也是我国信息化建设中的重要组成部分。

  六是智能化,数字化电厂广泛采用现代信息处理和通信技术、智能测量和控制技术,以及基于数据仓库、联机分析处理、数据挖掘、模型库、知识库等相结合起来的综合智能决策支持技术,最大限度地实现电厂的安全、经济、高效、环保、自治、智能运行。

  “数字化”包括的层面

  国际标准化组织在其ISO 15926标准中,将流程工厂(包括电厂在内)生存周期活动模型分为:概念流程设计,概念工程设计(前端),详细流程设计,详细工程设计,设备、材料及服务的采购和控制,施工,调试,试运,运行,工厂及设备的维护,退役,工厂拆除和场地恢复等过程。但该标准不涉及行政管理、商业、贸易等方面。

  因此,从电厂生存周期全过程综合来看,电厂的数字化不仅体现在建立有相应的数字化电厂(包括设备、管道、设施等全部对象)模型,而且也应包括在其各个生存过程的数字化,即电厂规划和设计(包括概念设计和详细设计)的数字化、电厂建设(包括采购、施工、调试及建设管理等)的数字化、电厂运行(包括运行、维护和检修等)的数字化、电厂运营管理(包括生产经营管理、行政管理、设备管理、燃料管理、物资管理、财务管理等)的数字化等各个层面,如此才可称得上是全面的数字化电厂。

  数字化电厂成为未来电力行业的一大发展趋势,目前在我国的发展情况如何?取得了哪些突破?您认为其深入发展还需要哪些方面的发展和突破?

   张晋宾:

   数字化电厂的构建是一项复杂的系统工程,需要长期科学、严谨、细致、扎实的工作。国内相当多的单位误将数字化当成目的,而不是当作构建现代信息化企业的重要手段,单纯为了数字化而数字化。与国际上发达国家相比,我国在数字化的标准化、规范化方面差距尤其巨大。下面基于电厂生存周期,主要分析下设计、建设、运行和管理等主要过程的国内电厂数字化现状以及与国外同行的差距等。

  从数字化建设流程来看,设计(包括流程设计和工程设计)是其龙头,是电厂全面数字化的基础。目前国内的电力设计院基本上甩掉了图板,采用CAD计算机辅助设计技术(如AutoCAD)来进行电厂设计,达到了设计手段的初级数字化。此外,部分设计院采用国际通用的三维设计技术或协同设计平台(如AVEVA的PDMS、Bentley的Open Plant、Intergraph的Smart Plant、Siemens的Comos等),实现了电厂设计的较高质量的数字化。但与国际先进工程公司相比较,国内的设计数字化还处于较为基础的阶段,所建立的三维模型只是一个物理模型,还不能全面仿真真实的工艺流程,与所要求的虚拟电厂还有差距。另外,所使用的协同设计平台也不是真正意义上的全部协同,并未实现全面的工艺、土建、电气、仪控等多专业的信息共享和协同数字化设计。

   在电厂建设方面,国内建设单位大都配置有建设期管理信息系统(包括建设阶段的计划管理、进度管理、物资管理、财务管理、质量管理、安全管理、工程图纸文档管理等功能模块),如Primavera的P3或P6项目管理软件等,实现了对电厂建设阶段的合同、工程概算、工程投资、设备采购、工程施工、工程质量等信息的基本数字管理。但从深层次上看,施工方大都没有配置可与设计相兼容的工程管理信息平台,不具备从上游无缝接收数字设计产品的能力,加之绝大部分建设项目并没有从设计方获得全面完整的数字化设计产品,因而更谈不上基于数字化设计成果的数字化采购、基于数字模型的施工优化和虚拟化的机组调整、试验等,因此并未充分挖掘和利用数字产品的潜力,没有实现深层次的数字化建设规划和管理。

   在电厂运行方面,国内电厂基本上都配置有DCS/PLC等计算机控制系统,甚至有的还在上层配置有类似于国外MES制造执行系统的、国内称之为SIS的厂级监控信息系统,基本实现了过程控制及设备运行的初级数字化,具备了一定的控制优化和状态检修能力。在此值得多说的是,有的观点认为一定要在现场设备级全面应用了现场总线技术后,才能称之为“真正”意义上的电厂全面数字化。这种观点其实是对数字化建设的片面理解,实质上不论是采用常规型、智能型或现场总线型仪表与控制设备,只要能采集到被控对象足够的数字状态信息,并对之实施有效的数字监控,同时可对测控装置的可靠性状态实施数字化的管理,即可认为达到了数字化。何况片面强调仪表与控制设备的现场总线化,既不现实(如IEC 、ISO等国际标准化组织认可的现场总线类型就有几十种之多,且不是所有的仪表与控制设备都有商用的质量可靠的现场总线产品。另如国外某已投产的号称全面采用现场总线的电厂,也还采用有阀岛、Hart等并非真正意义上的现场总线产品)也不具有实质意义(电厂的数字化是手段,不是目的。只要能达到电厂的信息化、智能化,实现电厂的现代化运行和管理,达到电厂营运成本最低,发电能耗最小,污染物达标排放,设备可用系数高,使电厂效益最大化即可)。当然,我们并不否认现场总线产品在全数字化通信、互操作性、互用性等方面的优势,只是不要将其认为是电厂数字化的必要条件而已。实际上,IEC国际电工委员会在其TR62794技术报告中所提到的数字化工厂参考模型中,也并不完全排斥常规I/O采集方式。在电厂运行数字化方面,国内还应建立全面的基于被控对象的电厂数字化逻辑模型,并充分应用这些数字模型,实现对电厂的基于模型的状态预测控制、优化控制、智能控制、故障诊断、状态检修等。

   在电厂管理方面,相当多的国内业主建立有较为完善的,包括经营管理、资产管理、生产管理、行政管理等主要功能的MIS管理信息系统,甚至有的大型发电企业还建立有ERP企业资源计划系统(如基于SAP、用友软件等)。但从数据链看,仍没有彻底打通从设计、施工,直至运行的全部数据链,没有实现全部过程的数据共享。十分遗憾的是,国外在20世纪未就制订有较为完善的过程工业全过程数据移交标准规范(如欧洲EPISTLE组织于1997年就制订了“Process Industries DataHandover Guide”),但国内目前还没有一部涉及电力工程数据称交的标准。从电厂生产管理角度看,没有充分利用虚拟的数字化电厂模型,进行电厂的运行管理、安全管理、技术监督管理、大小修项目管理等;此外,也未充分利用已有的数据库、模型库,建立有以管理科学、运筹学、控制论和行为科学为基础,以计算机技术、仿真技术和信息技术为手段,具有智能决策作用的决策支持系统,从而不能为电力企业的各级管理者提供及时、有效的生产经营决策信息,不能达到对工程投资费用、进度、质量、生产的最大有效控制。

   对于数字化电厂的建设,自动化技术在其中发挥了怎样的作用?在自动化技术应用方面有何创新或突破?

  张晋宾:

   自动化技术是一门采用控制系统、IT信息技术等来提高生产力,优化生产和服务的质和量的综合性技术,它在数字化电厂建设中,特别是电厂运行数字化方面,发挥了极其重要的、不可替代的支撑作用。

   图1为IEC/TC65所给出的数字化工厂示例及其相关标准所涉及的IEC、ISO和ISA委员会总图。

   从该图中可以看出,自动化资产及其之间的关联和自动化资产与其它资产的关联,构成了数字化工厂(自动化资产)的参考模型。从该模型结构看,最下层由DCS/PLC(包括现场总线仪表、传感器、驱动装置、马达等)组成,中间层由MES、数据服务器、HMI等组成,最上层由厂级信息站、厂级维修站、公司级的生产数据服务器和SAP及其它各类诊断、安全站所构成。上述模型结构和国内的下层DCS/PLC、中层SIS(厂级监控信息系统)+MIS、上层公司级的ERP的信息化结构基本类同。
 
                    

                                           图1 数字工厂示意图

   20世纪末,随着控制技术、计算机辅助和集成技术、网络技术、管理技术、虚拟现实及其它信息技术的快速发展,出现了数字化工厂的雏形。在这十多年的数字化电厂建设中,国内电厂自动化应用技术也从中取得了长足的进步,现今的大型电厂普遍采用计算机系统实现了电厂的监视、报警、控制、保护、优化和管理。突出表面在以下四点:一是利用先进的计算机监控系统、网络集成技术、数据库集成技术、视觉系统等技术,将全厂监控系统一体化,实现了机组(包括锅炉、汽轮发电机组等)的少人全能值班和辅助车间的无人值守,有的甚至实现了燃煤机组的全自动启动和停止功能;二是利用先进的智能控制技术(如模型预测、空间辨识、神经网络、仿人智能等)和优化算法(如遗传算法、蚁群算法、粒子群算法等),大大提升了控制系统的调节性能、适应性和稳定性;三是逐渐扩大现场总线仪表与控制设备、无线网络及无线仪表、安全仪表系统、故障诊断系统(如旋转机械故障分析系统、炉管或阀门泄漏诊断分析系统等)的应用,利用新型的仪表与自动化技术,进一步提升电厂的信息、安全、可靠水平;四是利用新的建模技术、数据库技术、虚拟现实技术、数据采集和监视控制技术,建立了电力仿真系统(如整体煤气化联合循环电站仿真、超临界机组电站仿真等),基本实现了对建设过程和发电过程的仿真、运行的虚拟操作培训等功能。

   能否谈谈“三维数字化设计技术”在数字化电厂建设中的作用?目前的研究和应用情况?

  张晋宾:

  三维数字化设计技术是建立在数字化、虚拟化、智能化计算机辅助设计平台的基础上,让设计对象更立体化,更形象化的一种新型设计方式,是电厂设计的趋势之一。由此建立的三维虚拟空间,给大家以直观、逼真、身临其境之感,很多不易察觉的设计缺陷(如管道、设备的碰撞等空间布置问题)能够轻易地被发现,便于项目的规划设计、方案优化等,大大提高了规划和设计的质量和效率。三维数字化设计的优势不仅体现在规划和设计中,而且还体现在数字化电厂的施工、运维等后续电厂生存周期的各个阶段。如在施工安装阶段,利用三维数字化设计模型可以对不熟悉的复杂设备或部件进行虚拟安装,或进行工程项目的空间施工管理(如施工空间分配、施工进度模拟等);另如在电厂运行阶段,利用电厂的三维数字化模型,链接生产过程实时/历史数据库,可建立指导生产或检修的、具有高度沉浸感的三维虚拟仿真平台系统,实现可视化的、虚拟化的仿真运行、检修、安全培训或考核等。 将三维数字化设计数据库与电厂运行和管理数据库互联,建立集成的企业数据仓库平台,并与电厂ERP、MIS系统无缝对接,可形成运维一体化三维数字化管控系统。由此可见,三维数字化设计是数字化电厂建设的前端,它使得电厂对象直观形象,信息立体化,为后续的数字化电厂的打造和电厂全方位的信息化创造了便利的条件,奠定了坚实的基础。

   在国内,电力三维设计起源于上世纪90年代,经过近20年的建设,目前大的电力设计院已基本建成国际水平的电厂三维设计平台,其主要应用情况如下:

   (1)工艺设计:建立有完备的设备材料数据库(如ASME、GB、DL管规等),热机、除灰、脱硫、化水、供水、暖通等多专业的布置工具库。可以在三维设计平台上完成设备和管道的布置设计(含应力分析)、施工详细设计(含支吊架设计)。在设计过程中可以随时从三维数字化设计平台上抽取智能P&ID图、平面图、轴侧图、配管图,以及设备表、管线表、阀门表等各类材料统计表,以满足各阶段的采购和施工要求。

  (2)土建设计:建立有电厂内全部建、构筑物的模型,且建筑和结构设计均可在三维设计平台上完成。在同一设计平台上,实现了多专业间的结构荷载、孔洞、预埋件配合,在全厂碰撞检查过程中能发现并解决所有的碰撞问题。在结构的三维数字化模型中,可抽取钢结构的施工图(包括钢结构的加工图、节点图和精确的材料统计汇总清册等)。

  (3)电控设计:建立有包含设备参数的电气和仪控设备三维模型,可进行电气和仪控设备安装设计、电气主接线设计、三维防雷设计、电缆自动敷设等。也可在三维数字化设计平台上进行带电距离校验,抽取各类施工图以及材料统计表等。 

   摘自《自动化博览》2013年10期

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