火电厂经济运行及在线生产管理系统的研究与应用

一、课题背景概述
    近年来，国内SIS以其在发电企业经济运行方面发挥的明显作用受到业内广泛重视。为此，华电国际电力股份有限公于2004年1月份成立了SIS规划研究领导小组和工作小组，组织开展调研、交流、论证、制定规范、编写可行性研究报告等项工作。2004年底选定华电国际莱城发电厂为公司SIS试点单位，并以火力发电厂经济运行及在线生产管理系统的研究与应用为课题，经招标，西安热工研究院有限公司、青岛华迪信息工程有限公司、山东鲁能智能技术有限公司被确定为课题协作单位，与莱城电厂（包括华电国际SIS专家组）共同组成课题组。工程于2005年7月正式启动，于2006年6月投入正式运行。
    本课题的设计目标是通过借助现代化的信息技术和管理方法，建设一个面向生产过程管理，实时、客观、有效的厂级生产信息管理平台，实现生产和管理的科学化、精细化、标杆化，达到降低火力发电企业能耗、提升企业生产管理水平的目标。2005年国家经贸委会颁布《火力发电厂厂级监控信息系统技术条件》（DL/T 924-2005）后，国内涌现出许多优秀的案例，为SIS发展起到很大的推动作用，但SIS建设仍处起步阶段，诸案例中还存在明显不足，如：实时数据在跨越物理隔离装置传输时缺乏容错机制；低安全区向高安全区以安全方式录入数据尚为空白；对不起实时/历史数据库资源利用不足等。鉴于上述不足，本课题致力于研究出一套能安全、可靠、准确采集与传输实时数据，能安全的从MIS侧获取人工录入数据，能够更充分发挥在线实时数据的及时与客观特征，能够有效提升电厂经济运行和精细化管理的新SIS，构造完整的集控制系统、优化运行系统、MIS于一体的企业级生产信息网络系统。
二、课题研究思路与设计要点
1、着眼于建设数字化电厂全局，给予SIS合理定位
    近年来，国内SIS以其在发电企业经济运行方面发挥的明显作用受到业内广泛重视。为此，华电国际电力股份有限公于2004年1近年来，国内SIS以其在发电企业经济运行方面发挥的明显作用受到业内广泛重视。为此，华电国际电力股份有限公于2004年1华电国际电力股份有限公司本部及所属电厂在策划本课题之前已经建立了基于PI数据库的实时生产管理系统，建设莱城发电厂SIS系统首先要满足公司对基础数据的要求，为公司提供更稳定、准确、完整的数据，并与公司统一规划实施的FAM及电厂MIS构成信息化整体。为此目的，课题组在实施项目工作中着眼于建设数字化电厂全局，注重遵守公司制定的KKS编码规范，紧密结合电厂现场环境和信息建设规划，且给予SIS合理定位。SIS是电厂全面信息化的组成部分，SIS处于机组（车间）级自动化系统和全厂非实时生产过程管理及管理信息系统之间，在管理流程和数据传送链路中起着承上启下的桥梁作用。 SIS定位关系到网络的拓扑结构，关系到安全区域的划分，安全防线的布置，及系统的管理归属。莱城厂SIS 是按生产信息化管理的三层梯形结构进行定位的，第一层是设备运行控制层，第二层是生产运行管理层；第三层是经营管理层。定位结构见下图表：
       
2、SIS网络结构与设计要点
    华电国际莱城发电厂火力发电厂经济运行及在线生产管理系统，由实时/历史数据库服务器群集（含磁盘阵列）、磁带备份系统、交换机、网络安全物理隔离装置（网闸）、计算分析站、综合管理站、工程师站、接口机、值长站、客户端等硬件组成。
    为确保《火力发电厂厂级监控信息系统技术条件》（DL/T 924-2005）所要求的SIS系统年可用率应能达到99.9%这一指标，网络按无“单点故障”设计，通信主干线双链路，主设备采用冗余和容错技术，并配套数据备份和网管系统。该系统以两台核心交换机（Cisco4503）组成冗余1000M主干网，PI数据库服务器、计算分析服务器、状态检修服务器、SIS-WEB服务器、系统备份服务器、工程师站直接与主干网连接，底层（自动化层）接口通过二级交换机或光纤收发器与骨干网连接，所采集的实时数据以足够的精度和密度集中存储到PI实时/历史数据库中，形成一个专用的SIS网络运行平台。PI实时/历史数据库服务器是SIS运行平台的核心，经对4台300MW机组及辅助系统的测点统计，PI数据库的标签点数确定为5万点，并以此规模参照OSI公司提供的服务器配置参考确定出服务器的CPU、内存配置，根据5万标签点秒间隔的年数据量计算出磁盘阵列的容量，同时为获得系统运行可靠性考虑了所需要的冗余配置。由于系统具有全厂生产过程监视、信息分析和统计、性能计算、性能试验、指标分析和诊断、优化运行、故障诊断、辅机状态检修、可靠性管理、技术监督等众多功能，在配套各应用服务器（计算分析服务器、状态检修服务器、SIS-WEB服务器等）的方案中充分考虑了任务属性、数据流向和负载均衡等因素，CPU、内存、硬盘、网卡等资源的配置也均考虑了与应用的匹配和运行可靠性。
    在接口机方面，考虑到数据传输的稳定性，充分发挥接口机数据缓存（buffer）功能的作用，各接口机均布置在采集现场前沿。若干相对临近（能形成小群体）的接口机（DCS接口机、DEH接口机、关口电量、RTU接口机、DAS接口机、吹灰优化接口机等）通过二级交换机（Cisco2950）与主干网连接，位于孤立场所的接口机（输煤接口机、化水接口机、煤质在线监测接口机等）直接与主干网连接。该系统所需的所有实时信息和过程参数均从下层控制网络中以通讯方式获取，数据单向传输。
    该系统在MIS侧有PI镜像服务器、状态检修镜像服务器、PI-To-PI接口机（指向华电国际电力公司PI服务器）、SIS-WEB服务器（MIS侧），通过二级交换机（DLink DES-1024R+）与MIS系统主干网连接。该系统与MIS之间设置正、反向物理隔离装置，物理隔离装置能够完全阻断外网对SIS的一切协议方式访问，以PI-To-PI（SIS侧）接口机通过正向网闸进行数据单向传输方式，实现MIS侧PI镜像服务器获取SIS侧PI数据库服务器数据；以文本方式通过反向网闸进行数据单向传输，实现SIS侧状态检修镜像服务器与MIS侧状态检修服务器的Oracle数据库同步，从而解决系统需要的MIS侧人工设定与录入数据。
    为了方便和有效地维护、管理SIS网络，为SIS设置了专用机房，属于SIS的所有服务器（包括MIS侧的服务器）、网络核心交换机、工程师站布置在SIS机房，机房配套具有自动切换功能的双路供电，配备5KV UPS电源（全部设备运行时负荷为70%），机房还安装了门禁系统，能自动记录人员活动情况。
三、主要创新点
    1、功能集成一体化，在SIS系统中将SIS基本功能、辅机状态检修、可靠性管理、技术监督管理等功能组成一个有机整体，形成完整的生产实时管理系统。在满足国家对电力生产自动化系统的安全要求前提下，实现了DCS、PLC、SIS、MIS 信息的合理整合，使电厂信息化系统各部分成为一个有机的整体；
    2、在物理隔离装置（网闸）隔离状态下，具有软件控制台监控功能及数据包监视分析功能的容错PI TO PI接口，解决了处于高安全区的SIS功能在低安全区的MIS侧的镜像同步展示问题；
    传统的单向传输软件从简便的角度考虑，往往采用单向UDP广播方式，将实时数据从II区广播到III区，而没有利用隔离装置设计的4字节状态回应功能，使得实时数据传输的可靠性无法保证。因为数据传输总是存在失败的概率，包括网络和隔离装置本身也存在故障的可能。按照传统单向传输软件的设计，在传输失败和连接故障期间的实时数据往往被丢弃而在III区的PI服务器中出现缺失。
    本课题研发了LNINT-生产实时数据网络安全传输系统软件，从实时数据的可靠性要求出发，采用TCP协议精心设计应答报文，利用隔离装置反向应答的1个字节状态信息在内外网两端实现传输可靠性的校验和重传功能。同时，在内网（II区）设置超大缓冲区，实现连接故障时的数据缓存和故障恢复时的数据重传，保证了实时数据单向同步的可靠性和连续性。 
    3、在反向物理隔离装置（反向网闸）隔离状态下实现Oracle数据库同步，解决了在低安全区向高安全区安全可靠的录入数据的问题；
    方法是在MIS网中修改Oracle数据库中表数据后，“同步服务器”将定期或手动把数据库数据备份为TXT文件，通过反向网栅自动传输至SIS网中，这一过程为“数据同步备份”；在SIS端，“辅机服务器”自动监测，如果由MIS传输过来新数据文件则停止“辅机服务器”并且调用“同步服务器”，通过“同步服务器”将由MIS传输过来的TXT数据文件恢复至数据库中，这一过程为“数据同步恢复”。
    4、结合SIS平台开发了火电机组主、辅机可靠性指标在线计算功能，形成了完整的可靠性管理系统，为实现了华电国际可靠性的标竿管理提供了技术支持。
    采集现场实时数据进行统计，客观评价可靠性。具有主/辅机设备信息管理、设备测点信息管理、事件统计、降低出力事件统计、启动失败次数统计、标杆管理等功能。
    5、结合SIS平台开发了完整的在线金属、锅炉及压力容器、热工、化学、继保、电测、高电压、环保和节能监督九项监督管理系统；
    采集现场数据，提供9项监督指标报表自动生成。金属监督利用仿真画面、表格、曲线、棒图对金属部件进行全过程全方位的监督管理，包括：炉管壁温监视、主汽管道汽温汽压监视、再热器管汽温汽压监视、高压加热器汽温汽压监视、除氧器汽温汽压监视、烟汽温度在线监视、超温超压报警等。
    6、开发的辅机状态检修应用功能，一方面及时有效地诊断辅机故障，一方面指导运行人员将辅机运行在最安全、经济区域。
基于模糊专家系统的故障诊断辅助决策系统具有先进性和有效性，可对机组常见故障进行实时的自动诊断。诊断系统采用不精确推理的的方式来实现状态诊断，系统根据的事实可能是不充分的，依据的知识也可能是不完整的经验性知识，这必然将导致这种推理远不精确推理复杂得多。因此，专家诊断系统是用不确定的因果关系和不精确的推理最终得出近乎合理结论的诊断方式。软件系统采用三层分布式结构及多个运行组件，内置分析模型（由西安热工研究院常年进行现场服务的资深专家提供）。
    7、可动态高精度地进行机组经济运行分析，如耗差分析、性能和经济指标计算、运行故障诊断等，实现机组安全、经济指标的在线统计与分析；开发的能耗管理、运行管理等基本功能，用以实现生产精细化管理，保证机组安全运行，科学地指导机组经济运行、节能降耗以及检修、技术改造管理等工作。
    8、单向网络安全传输软件的网络对时功能，以内网PI系统时钟为基准，定时对外网系统平台（Windows平台）的时钟进行校准，以保证两端PI的正常通讯和数据的准确性。
四、应用效益分析
    SIS是以安全生产为前提，强化细化管理，着重节能降耗，追求最大经济利益而发展起来的系统。SIS的优化运行、负荷分配等功能可直接帮助企业在节能降耗、压上边界运行、优化机组出力组合等多方面获取直接经济效益，还能提供生产管理的高可见度，为强化细化管理、防患于未然提供有效帮助。该系统于2006年6月投入运行，到目前为止虽然仅有1年多，其收效已很可观，主要体现在以下几方面：
1、在机组安全运行方面
    该系统全面采集了机组实时数据，并具有报警和设备运行状态实时分析功能，为机组运行提供了可视管理手段，使机组在安全运行的“可控、在控”方面实现了新突破。
    实例1：＃2机组A引风机负荷侧轴承失效诊断
    ＃2机组A引风机自2006年8月28日1：09机组启动后，负荷侧轴承温度一直偏高（70℃左右）左右。
    由引风机电机电流趋势可见，A引风机电机电流波动幅度和频率较B都明显偏大，表明电机A的负荷频繁变化且波动较大（一般电机负荷与电流有较好的线性关系），而由于B电机电流变化比较平滑，说明A风机负荷波动并不是由于机组负荷的变化引起的，再结合现场A风机轴颈温度较高情况，由此推断负荷侧轴承与轴颈碰磨是造成A电机负荷波动的主要原因。
    该系统“状态检修”引风机运行状态分析软件的检测结果也印证了上述推断， A风机较B风机，随着轴承碰摩不断加剧，造成风机设备的效率明显下降，轴功率在电流变大的情况下反而变小的异常情况。
    9月2日在观察到风机设备效率急剧下降情况下，及时利用负荷低谷停运A风机并解体检查，发现风机轴颈凸肩与负荷侧轴承进油口碰摩，证实了以上推论，同时避免了由于轴承化瓦造成机组非计划降出力事件的发生。
    实例2：机组滑压运行安全性分析
    莱城电厂机组原来一直定压运行，通过经济运行及在线生产管理系统的实施，推行了滑压方式运行。从机组安全性来看，机组在低负荷工况时，滑压运行也优于定压运行。图1为高压缸排汽温度与负荷关系曲线。由图可见一方面机组低负荷各滑压运行工况的高压缸排汽温度相对于满负荷时变化幅度较小。从机组叶片和缸体热应力角度分析，滑压工况时缸体内温度场变化幅度很小或基本保持不变，使得机组部件所受的热应力冲击较小，减轻了机组所受的热疲劳，降低了设备的寿命损耗。另一方面由于低负荷滑压运行时，随着汽包及主汽压力的降低，延长了锅炉及汽机各承压部件寿命，保证了机组运行的可靠性和安全性，有利于长期运行。
       
2、机组经济运行方面的效益分析
    机组经济运行方面主要是通过实时优化部分利用SIS系统取到的原始数据，在系统内部通过各种算法，对影响机组经济运行的各种参数，如：锅炉热效率、氧量、排烟温度、飞灰含碳量、辅机单耗、汽机热耗率、厂用电率、高中压缸效率、高低加端差等参数进行在线计算，并将计算结果与目标值进行比较，利用偏差等计算出耗差。将耗差分为可控耗差与不可控耗差，并分别计算出各项耗差造成的费用损失。在机组性能计算的基础上进行厂级性能计算，例如，通过机组级的参数计算，从而计算出全厂水、煤、油耗用量、机组性能系数、发供电煤耗率、厂用电率、燃煤成本等。利用计算结果提出优化操作指导，指导运行人员及时进行参数调整，使机组运行在最佳的运行工况。
    自系统实时优化功能投运后，不但使全厂生产管理人员实时掌握了机组的运行情况，而且它的指导作用为生产管理人员科学决策提供了有力的依据。实时优化系统投运以来，已产生了很可观的经济效益，通过下面的实例可以看到SIS系统产生的效益：
（1）耗差分析指导经济运行的效益分析
    表1、表2为＃3机组负荷245MW时，习惯运行方式与优化运行方式下的经济性比较。
          
    经过对上表的耗差分析，结合机组实际运行情况，进行了优化操作调整：根据主汽压力目标值进行了压力调整，主汽压力耗差降低0.46 g/kWh，小机进汽流量耗差降低0.4 g/kWh；通过调整锅炉火焰中心和配风调整，再热蒸汽温度耗差降低0.18 g/kWh，再热减温水流量耗差降低0.16 g/kWh；通过燃烧调整，排烟温度耗差降低0.35 g/kWh，飞灰含炭量耗差降低0.02 g/kWh，抛去真空的影响（耗差降低2.53g/kWh），供电煤耗率耗差降低2.02g/kWh，如下表所示：
           
    这表明通过在线优化指导系统进行优化调整可提高机组的经济性，经济效益显著。
（2）循环水泵优化运行效益分析
    我厂循环水泵已进行了高、低速改造，循环水泵共有三种运行方式：单泵低速运行、单泵高速运行和双泵高速运行。根据机组负荷和季节的变化，要进行循环水泵运行方式的切换，以前我厂规定的循环水泵切换条件比较粗放且操作性不强。此次通过经济运行及在线生产管理系统的实施，依据循环水泵在低速运行、高速运行和两台高速运行方式时的流量、耗功和汽轮机微增功率的计算数值，考虑机组的极限背压，结合凝汽器变工况特性，给出了机组在不同循环水温度和不同负荷下的最佳运行背压，确定了较为合理的循环水泵切换方式（见图1）。通过执行以上循环水泵运行方式切换规定，每年循环水泵低速运行时间可延长一个半月，依照高速电机、低速电机1800/1250KW功率计算。
    年节电550×24×45×4=237.6万度。
    根据表3优化调整后机组增加的净收益，按平均负荷80%，循环水温平均15℃计算。 
        
    年可节省费用：531.61×24×45×4=229.65552万元。
（3）机组定滑压运行效益分析
    机组执行确定的定压－滑压－定压曲线运行后，经济效益明显，根据耗差报表的计算结果，降低供电煤耗约2.63g/kWh。按年供电量50亿kWh，标煤单价500元计算。
年节约费用：2.63×50×500=657.5万元
3、提升生产管理水平方面的效益分析
    火力发电厂经济运行及在线生产管理系统的投运，不但产生了显著的经济效益，而且对提高了我厂的生产管理水平也发挥着巨大的作用。
（1）建立了完善的生产实时管理系统
    实现功能创新集成一体化，并在国内首次在SIS系统中将SIS基本功能、辅机状态检修、可靠性管理、技术监督管理等功能组成一个有机整体，形成完整的生产实时管理系统；这项创新能加强集中化管理，充分发挥数据资源共享，减少和避免重复性工作，提高管理整体化和数据一致性。合SIS平台开发了完整的在线金属、锅炉及压力容器、热工、化学、继保、电测、高电压、环保和节能监督九项监督管理系统，提高了自动化和数据的客观性。为提高莱城电厂的生产管理水平，创造了良好的基础。
    实例1：实现金属监督的在线管理
    过热器管壁温度的在线实时查询图，属于莱城电厂火力发电厂经济运行及在线生产管理系统的技术监督中的金属监督。可以根据需要选择起止时间、机组号、管排号，并可以同时显示机组负荷曲线，这样为跟踪检查过热器管壁工作情况提供了很好的平台，也为异常或事故分析提供了重要的数据支持。
    金属监督功能中的机组超温、超压统计模块，通过此模块可以根据需要查询机组主、再热汽温及主汽压的超限情况（包括超限值和累计时间），这也为强化金属监督管理提供了重要的数据信息。
    实例2：实现了节能监督的在线管理
    莱城电厂火力发电厂经济运行及在线生产管理系统的技术监督中的节能监督，如分析锅炉飞灰含炭量高问题，可以运用节能监督中的在线跟踪分析模块，通过此模块，可以选择机组负荷、燃煤量和氧量等主要影响参数进行在线分析。
    实例3：实现了机组可靠性的在线实时管理
    结合SIS平台开发了火电机组主、辅机可靠性指标在线计算模块，形成了完整的可靠性管理系统，实现了华电国际可靠性的标竿管理。下图为机组主要可靠性指标在线标杆管理图，通过此图可以明显看出机组可靠性指标完成情况，并且可以与本厂、集团公司及行业最好值进行比较，便于及时发现问题。
（2）生产报表分析和统计
    生产报表是生产技术管理的重要工具，是管理者的“眼睛”，通过对生产报表的分析、研究、综合和挖掘，不仅可以掌握生产的实际现状，还可以提炼出很多有用的知识和信息，在提高企业的生产管理水平方面发挥着重要的作用。我们的SIS不但具有创新，对SIS的基本功能也做了大量的细化和深入化工作，例如：仅报表数量就从西安院原产品的23张扩充到124张，包括全厂经济指标月报、锅炉侧指标年报、汽机侧指标年报、锅炉风烟系统月报、锅炉制粉系统月报、汽机监督月报、汽机给水系统月报、汽机凝汽器真空系统月报、辅机电量月报表等。
    ① 报表的自动生成，可节省大量的人力、物力。需要四个人才能完成的工作，现在只要一个人便可以轻松完成，并且排除了人为干扰因素，报表的实时性和真实性更好，为指导生产和分析提供了最可靠资料。
    ② 完善、合理的报表系统有利于生产管理人员掌握全厂生产现状和对生产管理信息的分析、提炼。
    实例1：分析和解决＃1锅炉飞灰可燃物高问题
    针对＃1锅炉飞灰可燃物高问题，根据SIS系统锅炉《风烟系统月报表》进行了分析，分析情况如下表： 
          
    从上表可以看出，#1机组一次风份额明显偏高，占总风率的13.19%，飞灰可燃物也最高，达3.43%，分析主要因为一次风速高导致着火点推迟火焰中心上移炉内燃烧时间缩短的缘故。经过调整风烟控制系统参数，降低一次风率至10％，锅炉飞灰可燃物降至2.4％，降低煤耗约1.0g/kWh。
    实例2：分析和解决＃2、3、4机组给水温度偏低问题
    针对＃2、3、4机组给水温度偏低问题，通过SIS系统《给水月报》进行了分析，分析情况如下表：
         
    从上表明显可以看出＃2、3、4机组给水温度偏低主要因为高、低加系统运行不正常。经过有针对性的进行调整，＃2、3、4机组高、低加系统运行基本正常，给水温度提高了1.8℃，煤耗降低了0.18g/kWh。
（3）在线进行机组热力试验
    热力试验工作是电厂生产、节能管理的重要组成部分。通过开展热力试验工作，可以为设备检修提供指导，可以为节能技术改造提供依据，可以及时发现设备存在的隐患或缺陷，也可以发现设备或运行方式存在的节能潜力，可以说热力试验是电厂技术管理的重要工具，是技术管理的“医生”。但热力试验工作是一个即耗时又耗人力的工作，在热力试验人员少机组多的情况下，开展此项工作困难较大。但SIS系统在线热力试验功能的开发应用，成功的解决了这一问题，不仅可以减少人力，还可以随时或提取数据库中的数据进行试验分析，使热力试验工作变得实时、简单、快捷，具有很大的优越性。下面是利用SIS系统热力试验功能成功应用案例。
    实例1：
    2006年1月20日，通过SIS系统对四台运行机组进行常规检查时，发现#1机组凝汽器真空偏低，在相同的环境温度下，#1机组循环水温度比其他机组高约4℃左右。分别从循环水温升、凝结水过冷度、凝汽器端差、真空严密性和热力系统内漏等方面进行了排查，同时进行了循环水流量测量，找出了#1机组凉水塔进水旁路门内漏是引起循环水温度高真空低的主要原因。
经过处理后，#1机循环水旁路门漏量减少，循环水温度和凝汽器真空有了很大的改善。处理前后凝汽器性能参数对比见表1和表2，取得了显著的经济效益，凝汽器真空提高了1.14kPa，降低煤耗2.1g/kWh。
        
         
    实例2：
    2007年5月通过SIS系统#1、2、3、4炉性能试验发现，#2锅炉热效率明显降低，经过对数据分析发现，#2锅炉A侧排烟温度升高；于是分别对#1～4炉空预器出口烟道排烟温度场进行了测量。测试结果是空预器出口烟道的排烟温度由外向内温度逐渐升高，就地检查发现#2炉A侧的一只排烟温度测点向内侧偏移；造成排烟温度指示升高，排烟损失计算值增大，锅炉热效率降低。后经对此排烟温度测点的整改，#2锅炉A侧排烟温度指示正常。
    （4）在企业信息化、精细化管理方面
    莱城电厂火力发电厂经济运行及在线生产管理系统通过性能计算、生产报表自动统计查询、性能试验报告的自动生成等功能，实现了众多生产管理信息数字化、量化，建立了主要运行参数标杆值，这些功能的实现，可使管理人员随时、准确、客观的了解任意时段机组的各部分的运行状况，找出设备和生产管理中存在问题的环节，为人员考核提供有说服力的客观依据，为设备检修和技改提供决策依据，从而使企业精细化管理更加具体、更加科学。特别是去年以来，莱城电厂准确把握企业内、外部形势，结合在集团公司系统定位，围绕“建设百万千瓦等级示范企业”战略目标建立了安全牢固、指标先进、管理精细、机制超前、企业和谐等五个方面的考核评价体系，并依据该系统的统计报表功能，实现了示范企业指标体系自动统计，有效地推进了企业生产管理水平。
六、结束语
    目前，莱城电厂火力发电厂经济运行及在线生产管理系统投入运行已经一年有余，系统运行稳定，所采集的数据完整、准确，在多方面获得明显效果，为华电国际电力股份有限公司的SIS建设提供了成功案例，其多项创新与改进也可为国内同行提供参考。莱城电厂成功经验表明，在火力发电企业发展SIS是提高经济运行的有效途径。