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电厂厂级监控信息系统的功能与应用

信息来源:plantb2b.com  时间:2010-04-23  浏览次数:221

  摘要:
  随着电力体制改革的深入和电厂信息化建设的开展,为了在保障电厂安全生产的前提下,最大限度地发挥机组效能,提高生产管理水平,降低发电成本,取得上网优势,电厂厂级监控信息系统(Supervisory Ioformation System,SIS)近几年在国内得到了快速发展。
  SIS是主要为火电厂全厂实时生产过程综合优化服务的生产过程实时管理和监控的信息系统,属厂级生产过程自动化范畴。它以分散控制系统DCS为基础,以安全经济运行和提高电厂整体效益为目的,是连接DCS和管理信息系统MIS的桥梁,从而在全厂范围内实现信息共享和管控一体化。
  SIS在电厂自动化、信息化架构中所处的位置如图1所示。一方面,SIS采集下层所有机组级/车间级控制系统的生产实时数据,实现性能优化、故障诊断、负荷分配等功能;另一方面,将机组状态信息和性能信息发送给上层的MIS。SIS处于具有高精度、高速度、高可靠性要求的DCS与实时性要求不高的MIS之间,是电厂自动化、信息化架构中的过渡层面,起到隔离作用。
  简单从系统架构上讲,SIS主要由下层数据采集、实时/历史数据库,以及基于数据库之上的各种功能软件组成。对于SIS应该包含的主要功能,经过几年的探索与实践,目前虽然没有形成最终的严格界定,但各方面意见基本趋向一致:即包括生产过程信息监测和统计、性能监测和优化、经济性分析和优化、设备状态监测和故障诊断、设备寿命监测和管理、优化负荷分配、负荷裕度预测、运行方式诊断指导等。而且,SIS功能软件的研制开发是根据监控和管理的需要及开发应用的实践,不断充实和完善的;电厂在产品选型时也须根据本厂实际情况确定所需功能软件。总之,随着测量技术与信息技术的不断发展,系统计算模型精确度的不断提高,人工智能技术的不断应用,电力市场的不断完善,SIS的功能也必将逐步成熟与完备,从而形成一个相对统一的模式,以更好地服务于电厂信息化建设。
  2002年初,北京同方电子清化能源仿真公司正式承接上海外高桥电厂二期工程厂级监控信息系统和高逼真度全仿真系统。在此项目的研制开发带动下,经过不断修改完善,现已形成具有自主知识产权的软件产品——电厂厂级监控信息系统TEC-SIS。
  TEC-SIS网络、软件架构
  TEC-SIS是北京同方电子清化能源仿真公司针对火电厂开发的具有自主知识产权的监控信息系统,是集实时/历史数据管理、过程监测、过程管理及优化控制为一体的厂级自动化信息系统。
  TEC-SIS主要通过3条途径实现其核心目标—“降低发电成本,提高整体效益”。一是量化设备、机组、全厂经济指标,优化过程控制,降低发电能耗;二是对各种设备进行全方位故障预测、寿命管理、变计划检修为状态检修,降低设备损坏率,延长使用寿命;三是优化负荷分配,降低上网电价,通过中长期负荷预测,提前统筹安排计划,优质、高效响应电网负荷要求,提高企业竞争力。
  TEC-SIS总体上包括三大部分:实时数据采集为系统提供生产信息来源,是整个系统的基础;实时/历史数据库是系统的核心;建立在数据库基础上的功能软件则是系统成功推广应用的关键。
  (1)TEC-SIS网络架构
  TEC-SIS网络架构采用分层分布式设计,如图2。下层为接口层网络,采用独立接口机连接各独立控制系统进行数据采集;上层为应用层网络,挂接各应用服务器和客户端。下层强调与各控制网络的互通性;上层强调开放性。这样有利于分散网络负荷、提高通讯效率和可靠性。
    TEC-SIS和MIS的互联采用防火墙策略,将应用层网络通过防火墙连接到MIS骨干网,在防火墙上设置各种安全策略。这样有利于满足SIS应用层的安全性和可靠性,方便SIS各种功能软件从MIS网上获取数据,以满足MIS网上用户访问实时数据的需要。
  (2)TEC-SIS软件架构
  TEC-SIS软件架构自下向上由接口软件、数据库软件、计算引擎、功能模块和客户端软件组成,如图3所示。
  实时/历史数据库是整个系统的核心,是电厂生产运行的“黑匣子”,其存储容量和存储效率直接关系到数据采集范围和精度。由于电厂生产过程数据海量、无序、精度要求高、带有时标,常见的关系型数据库不能很好地满足要求,使用适用于流程行业的实时/历史数据库是常见的选择。国外已有几种这类成熟软件产品,国内一些公司也开发出了自己的类似软件产品。目前,TEC-SIS采用在国内SIS中应用较多的美国OSI Software公司的PI实时/历史数据库。它主要提供3种接口方式:世界多数著名DCS厂家专用接口、基于OPC标准的通用接口和基于API开发的特殊接口。同时,本系统还无缝支持自主开发的DCOSE系统实时/历史数据库,该数据库性能已达到世界同类产品水平,并已成功应用于多台电厂仿真系统项目。
  各种功能软件运行效果的好坏很大程度上依赖于计算引擎高效有序的驱动管理。计算引擎能快速准确地检索实时/历史数据,并对其进行有效性检查、准确性校验、单位转换等预处理,按照一定时间周期高度功能模块的装载、运行、暂停、卸载等,并将计算分析结果进行必要的数据处理并输出到实时/历史数据库。TEC-SIS计算引擎主要包括数值计算引擎和专家系统揄引擎两部分。
  位于计算引擎上层的是为了满足相应功能需求的监测统计、性能计算、耗差分析、状态监测、寿命管理、故障诊断、负荷分配等功能模块。
  由于SIS主要应用对象是电厂生产技术层,采用PI系统成熟可行的选择。对有特殊人机交互要求的功能软件,像专家知识管理系统,采用Visual C++开发完成了Windows风格的客户端软件。当然,TEC-SIS同时也支持B/S结构的监控信息发布。
  TEC-SIS的主要功能
  由于国内SIS的开发、应用起步不久,对其功能范围还没有完全明确的界定,多数在建SIS项目仅停留在系统集成和数据库层面,深层次的功能软件开发还很欠缺,重硬件、轻软件的现象较普遍。目前,TEC-SIS已经开始应用一些人工智能技术,如专家系统、神经网络技术等,来完成一些深层次功能的研制开发,这样,SIS才能真正发挥其优化运行、节能降耗的作用。当前,TEC-SIS主要包括生产过程住处监测和统计、性能监测和优化、经济性分析和优化、设备寿命监测和管理、设备状态监测和故障诊断、厂级优化负荷分配共6个功能子系统。
  (1)生产过程信息监测和统计
  生产过程信息监测和统计子系统通过图、趋势曲线、棒图、表格等形式实时显示全厂各机组、车间、系统、设备的运行状态参数,为生产管理人员提供直观的实时生产过程信息,并对历史数据进行有效地统计整理,形成全厂各类生产统计报表。基于厂级SIS网络平台的生产过程信息监测功能使得生产管理人员在任何配有SIS客户端的地方获取生产过程信息,便于及时发现问题,快速做出调整;基于数据压缩的统一的实时/历史数据库便于生产管理人员将实时数据与历史数据统一考虑,提高决策质量;不同于DCS和车间级的监测,该功能集成全厂所有机组、车间、系统、设备的运行状态参数,给出的是完整的全厂信息总览;基于计算机办公自动化技术的自动统计功能和报表打印功能大大降低了生产管理人员的劳动量。
  (2)性能监测和优化
  性能监测和优化子系统依据ASME、国标和行标等电厂性能计算标准,利用高效有序的数值计算引擎,对面向具体设备、系统、机组搭建的性能数学模型模块进行在线计算,量化其各项性能参数,从而达到性能监测的目的,并且提供相应手段对机组进行性能优化。
  该子系统实现性能优化的具体形式是:实时计算机组及其主要辅机的各项性能参数,如功率、效率、热耗、出力、汽蚀度、端差、温升、传热系数、清洁度等,并将当前性能参数与基于数学仿真模型计算所得理想(期望)性能指标进行比较,给出每项偏差造成的损失,并指导应采取的运行或维护措施,以达到期望的性能状态。另外,该子系统不但能够使运行人员实时监测当前运行工况,而且,在机组变工况运行前,可提供离线试运行方式并预测变工况的各项性能参数,为运行人员提供特定工况运行的预学习手段,从而达到优化运行的目的。
  (3)经济性分析和优化
  经济性分析和优化子系统的目的在于降低机组运行可控损失,改进机组热耗。其主要方法是将主/再热蒸汽温度、压力,空预器排烟温度等主要可控参数的实时状态参数与其目标值进行计算、比较、分析。这些可控参数由于用户根据生产过程的需要进行选择,并能人为加以控制调节。而目标值的计算则主要基于设计数据、性能试验、运行历史数据等信息,利用高逼真度的数学仿真模型计算而来。这些信息可以由用户配置并且在权限许可下进行修改。可控参数对热耗率的影响由实际值与目标值的偏差计算而来,常称作耗差分析。对耗差超出允许范围的情况,系统可根据基于神经网络的专家系统工具诊断出造成大偏差的原因,并给出可供选择的操作指导意见。
  经济性分析和优化子系统通过优化机组运行,改进机组热耗,从而降低运行成本。同时,该子系统能帮助运行人员对吹灰、喷水、蒸汽状态、烟温及其他性能参数进行很好的判断、权衡,帮助他们很好地对影响经济性的主要原因进行监测、操作和控制,不断提高对机组设备的掌控能力,从而达到培训运行人员的目的。
  (4)设备寿命监测和管理
  设备寿命监测和管理子系统通过实时监测机组主要设备状态参数,像温度、压力、流量和负荷等,在机组启停过程和甩负荷等负荷激烈变化过程中,根据数学模型计算其机械应力和热应力,并根据交变应力转化为当前运行工况下的寿命损耗率,从而量化和评估锅炉、汽机等主要设备的寿命损耗,以达到维持机组运行可靠性,减少设备检修、更换费用,延长设备使用寿命,提高发电产出的目的。
  设备寿命监测和管理子系统使用户可以同时实时监测高温压力容器的蠕变和疲劳损伤。它所监测管理的设备主要包括锅炉过热器、再热器、汽包、主/再热汽管道、汽机转子、叶片、推力瓦、阀门汽室、给水加热器等。
  (5)设备状态监测和故障诊断
  设备状态监测和故障诊断子系统能监测电厂设备的运行状态,判断其是否正常,预测、诊断、消除故障,指导设备的管理和维修。它由状态监测和故障诊断两部分组成。
  状态监测是掌握设备运行状态的第一手信息,针对各种运行状态参数,结合其历史信息,考虑环境因素,采用专业的分析和判断方法,评估其是处于正常状态,还是异常或故障状态,并进行显示和记录,对异常状态作出报警,对故障状态为故障诊断提供信息。
  故障诊断是根据状态监测获得的信息,结合结构参数、物性参数、环境参数,对设备的故障进行预报、判断和分析,确定其性质、类别、部位、程度、原因,指出发展的趋势和后果,提出控制其继续发展和消除故障的对策措施,最终使设备恢复到正常状态。
  设备状态监测和故障诊断子系统所基于的技术原理包括高逼真度的设备数学模型、基于模糊推理机制的专家系统、具有自学习功能的神经网络技术等。
  设备状态监测和故障诊断子系统主要包括的应用范围有:基于高精度高实时性的锅炉全流程数学模型计算的锅炉清洁度监测、空预器漏风状态监测;锅炉受热面爆管/泄露监测、制粉系统状态监测及故障诊断;优化燃烧指导、炉膛结渣预报、大型旋转机械振动状态监测等。
  下面对锅炉清洁度监测作以简要介绍。由于锅炉烟气中灰粒污染锅炉受热面,使得排烟温度增高,锅炉效率降低;腐蚀、磨损等缩短设备使用寿命;松散性积灰塌落易引起突然灭火等。因此,电厂运行中都要对锅炉受热面定期进行吹灰操作,目前通常做法是计划吹灰。由于积灰程序无法直接测量,计划吹灰具有很大盲目性,吹灰不足和吹灰过度经常发生。
  基于锅炉清洁度监测的优化吹灰策略是:量化污染程序,确定受热面清洁度;清洁度低于设定值,进行吹灰操作,从而变计划吹灰为适时吹灰。该功能以燃烧计算、传热计算为基础,对全锅炉的汽水、风烟系统进行精确的数值计算,根据现有的测量数据推算无法直接测量的设备状态参数,像空气/烟气流量、燃料量、空预器漏风计算、炉膛/过热器/再热器/省煤器/空预器清洁度等。
  锅炉清洁度监测可以帮助用户通过降低吹灰频率减少20%~30%的吹灰工质耗量;降低受热面磨损,延长设备寿命;监测炉膛出口温度,防止结渣;降低锅炉排烟温度1~3℃,提高锅炉效率;优化再热器出口汽温特性;降低磨损机、风机电耗;提高机组运行安全性、可靠性。
  (6)厂级优化负荷分配
  电力负荷调度中,“调度到机”的AGC方式是目前普遍采用的方式。随着“厂网分开,竞价上网”的来临,为了提高电厂的安全生产管理水平与经济效益,以及更加符合电力调度分级管理的原则,“调度到厂”的AGC方式将普遍推广应用。
  TEC-SIS中,厂级优化负荷分配子系统接受电网调度中心EMS的全厂负荷指令,然后采用人工神经网络优化算法进行优化负荷分配,并将分配结果以指令形式发送到各机组协调控制系统,在使全厂负荷及时响应电网要求的同时,保证每台机组运行安全、稳定、经济。
  优化负荷分配的基础是优化机组供电煤耗。由于性能监测与经济性分析功能的有力支持,优化负荷分配能够充分优化机组的供电煤耗,同时充分考虑到了机组效率、热耗率、频率响应和其他损失的优化,而且,对机组调节允许范围、调节裕量、负荷闭锁增/减、机组爬坡、RUNBACK、MFT、磨煤机启停等约束条件进行了充分考虑和处理,在保证机组运行安全的前提下,降低机组负荷调节频度,提高机组稳定性,延长主、辅机组设备寿命,合理调配各台机组负荷,降低全厂供电煤耗,从而提高全厂经济效益。
  为了满足不同运行需求,厂级优化负荷分配子系统的运行方式包括手动、96点由线、AGC共3种。
  项目实施简介
  北京同方电子清化能源仿真公司于2002年初正式承接上海外高桥电厂二期2×900MW厂级监控信息系统。2002年底,该项目完成厂内测试验收,目前正处于实施调试阶段。
  该项目中,TEC-SIS与2台机组DCS、500kV NCS网控系统实现双向通讯,与煤场监测系统实现单向通讯。用户通过TEC-SIS客户端,可获得全厂所有的实时/历史运行数据。通过网络互联以及必要的安全校验,MIS可通过TEC-SIS获得所有机组实时/历史信息。通过与网控系统的通讯,TEC-SIS可获得中调负荷指令并通过负荷分配实现AGC功能,同时向中调发送机组运行信息。
  TEC-SIS网络环境为100M快速以太网,由2台互为热备的服务器、磁盘阵列柜、5台终端工作站、6台网关机、2台互为热备的核心交换机、5台交换机组成。监控点及计算点总计超过30000点。
  小结
  建立电厂厂级监控信息系统将有助实现信息的共享和自动化系统的集成,有利于生产管理人员对全厂所有机组的生产进行有效地监测、优化、调度、管理,促进电厂运行监控模式的转变,进而降低电厂发电成本,提高全厂经济效益

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