錢澄浩，王 忠，李貴東，李昆侖，鄭 強(qiáng)，劉自愿，謝立國(guó)， 趙忠玲

(1. 中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021；2. 華電福新廣州能源有限公司，廣東 廣州 511300；3. 西門子能源有限公司，上海 200082)

0 引言

廣州華電增城工程采用2臺(tái)西門子SGT5—8000H重型燃?xì)廨啓C(jī)，配套兩臺(tái)西門子SST5—5000汽輪機(jī)，組成兩套“一拖一”多軸燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，和常規(guī)機(jī)組相比，本工程H級(jí)燃機(jī)機(jī)組的成功應(yīng)用使機(jī)組節(jié)能高效、運(yùn)行靈活、環(huán)保減排、可靠性高，是我國(guó)新一代先進(jìn)高效環(huán)保型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的主要發(fā)展方向[1-2]。

作為國(guó)內(nèi)首臺(tái)9H燃機(jī)示范工程，項(xiàng)目提出了打造數(shù)字化智能電廠的建設(shè)目標(biāo)，其中對(duì)H級(jí)機(jī)組的智能運(yùn)行監(jiān)控是重要環(huán)節(jié)。西門子作為本項(xiàng)目主機(jī)廠，隨主機(jī)配套提供了故障早期趨勢(shì)預(yù)警模塊和熱力性能分析優(yōu)化模塊，但此兩個(gè)智能化模塊在國(guó)內(nèi)均屬于首次應(yīng)用，設(shè)計(jì)上無(wú)任何參考借鑒?；诖耍疚膶?duì)增城項(xiàng)目智能運(yùn)行監(jiān)控的方案進(jìn)行了研究，將為國(guó)內(nèi)后續(xù)類似工程提供技術(shù)支持和儲(chǔ)備。

1 西門子智能化模塊

燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組具有頻繁啟停、工況多變的特點(diǎn)，考慮到運(yùn)行方式的多樣性和復(fù)雜性，傳統(tǒng)方式基于固定上下限的報(bào)警和基于SIS系統(tǒng)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的性能分析，已經(jīng)不能很好地滿足設(shè)備健康可靠性分析和機(jī)組性能分析的需求。針對(duì)智能運(yùn)行監(jiān)控的需求，西門子為H級(jí)燃機(jī)機(jī)組配套提供了基于大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)相結(jié)合的智能化模塊。

1.1 故障早期趨勢(shì)預(yù)警

西門子故障早期趨勢(shì)預(yù)警系統(tǒng)以神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)加上人工智能算法的自動(dòng)建模技術(shù)，建立模型并進(jìn)行必要的歷史數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，可自動(dòng)分析計(jì)算出電廠設(shè)備在當(dāng)前工況下的正常運(yùn)行區(qū)間，當(dāng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)超出了這個(gè)正常運(yùn)行區(qū)間系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警。其目的是能夠及早發(fā)現(xiàn)監(jiān)視設(shè)備的潛在故障，從而盡早進(jìn)行分析處理，確定必要的運(yùn)行或者檢修措施，從而盡可能地減少損失，防止非停事故的發(fā)生。

西門子趨勢(shì)預(yù)警與故障診斷系統(tǒng)中集成了包含電廠主輔系統(tǒng)和設(shè)備在內(nèi)的50多類模型，并將重點(diǎn)放在了電廠設(shè)備的預(yù)警診斷上，增城項(xiàng)目西門子提供的主要預(yù)警診斷模型如圖1所示。

圖1 增城項(xiàng)目主要預(yù)警診斷模型

西門子趨勢(shì)預(yù)警與故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用主要包括5個(gè)階段。

1)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

不合格的信號(hào)對(duì)模型的訓(xùn)練和監(jiān)視沒(méi)有意義，因此數(shù)據(jù)驗(yàn)證可以剔除不合格信號(hào)對(duì)模型的影響，西門子提供的數(shù)據(jù)驗(yàn)證方案是基于密度的粗大誤差剔除法，該方法是利用數(shù)據(jù)間的距離以及范圍內(nèi)樣本個(gè)數(shù)來(lái)決定是否為粗大誤差點(diǎn)。

2)模型創(chuàng)建與訓(xùn)練

系統(tǒng)對(duì)所需監(jiān)視的重要設(shè)備或者系統(tǒng)建立模型，并采用正常運(yùn)行工況時(shí)大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，在模型訓(xùn)練完成后，預(yù)警診斷系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視設(shè)備或系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況和正常運(yùn)行狀態(tài)(期望值)的任何偏差。

3)模型參數(shù)和規(guī)則設(shè)定

模型創(chuàng)建完成后，系統(tǒng)可以通過(guò)數(shù)據(jù)訓(xùn)練自動(dòng)獲得殘差初始值以及其它重要默認(rèn)設(shè)定參數(shù)，以允許模型迅速投入使用。

4)告警管理

告警管理模塊功能包括：告警監(jiān)測(cè)、告警合并與推送、告警處理流程、告警分級(jí)、告警分析、歷史告警查詢等子功能。

5)模型調(diào)整與優(yōu)化

預(yù)警模型中重要設(shè)備的正常老化不僅會(huì)影響機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性下降，還將引起安全生產(chǎn)事故，再加上由于機(jī)組檢修和技術(shù)改造過(guò)程，預(yù)警模型將會(huì)重新調(diào)整訓(xùn)練降低誤報(bào)率。

增城項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)劃故障早期趨勢(shì)預(yù)警擬達(dá)到的建設(shè)目標(biāo)可總結(jié)如表1所示。

表1 故障早期趨勢(shì)預(yù)警擬達(dá)到的建設(shè)目標(biāo)

1.2 熱力性能分析與優(yōu)化

西門子熱力性能分析與優(yōu)化模塊(thermodynamic, TDY)以熱力學(xué)模型為核心，根據(jù)設(shè)備特性和系統(tǒng)邏輯建立性能分析模型，并利用實(shí)時(shí)、歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和熱力模型的仿真數(shù)據(jù)，進(jìn)行設(shè)備和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析、診斷和預(yù)測(cè)，提供運(yùn)行方式和技術(shù)改進(jìn)的決策支持，最終幫助電廠、機(jī)組和設(shè)備維持在其較高的性能水平，其模塊工作原理如圖2所示。

圖2 熱力性能分析與優(yōu)化模塊工作原理

由圖2中可以看出，該模塊通過(guò)將測(cè)量值與已驗(yàn)證的值及預(yù)期值相比較，實(shí)現(xiàn)以熱力學(xué)模型為基礎(chǔ)并基于事件的數(shù)據(jù)偏差分析，主要可以實(shí)現(xiàn)指標(biāo)計(jì)算與驗(yàn)證、性能偏差分析、性能離線分析三大功能。

1)指標(biāo)計(jì)算與驗(yàn)證

全廠指標(biāo)概覽，全廠指標(biāo)概覽可以展示廠級(jí)的熱力系統(tǒng)圖，以及重要的性能指標(biāo)和關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)，并能通過(guò)不同的字體和背景顏色來(lái)區(qū)分不同類型的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2)性能偏差分析

機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)提示，對(duì)機(jī)組某一時(shí)刻處于的運(yùn)行模式進(jìn)行提示。損失分析，對(duì)電廠運(yùn)行中各個(gè)參數(shù)偏差對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響進(jìn)行分析并展示，其中經(jīng)濟(jì)性影響包含出力偏差和效率偏差。

3)性能離線分析

支持用戶改變輸入數(shù)據(jù)，如環(huán)境溫度、大氣壓力、環(huán)境濕度、凝汽器壓力、循環(huán)水進(jìn)口溫度、燃料進(jìn)口溫度、燃料低熱值、輔機(jī)耗電，利用熱力學(xué)模型計(jì)算出不同輸入數(shù)據(jù)下的各類指標(biāo)，如循環(huán)效率、循環(huán)凈效率、循環(huán)總出力和凈出力、循環(huán)總熱耗和凈熱耗。

增城項(xiàng)目熱力性能分析與優(yōu)化擬達(dá)到的建設(shè)目標(biāo)可總結(jié)如表2所示。

表2 熱力性能分析與優(yōu)化擬達(dá)到的建設(shè)目標(biāo)

2 增城項(xiàng)目部署設(shè)計(jì)

故障早期趨勢(shì)預(yù)警模塊和熱力性能分析優(yōu)化模塊屬于電廠人工智能的應(yīng)用范疇，其功能應(yīng)用離不開(kāi)對(duì)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期訓(xùn)練和建模分析，因此針對(duì)其技術(shù)特點(diǎn)，增城項(xiàng)目進(jìn)行了部署設(shè)計(jì)。

2.1 智能化模塊部署網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

增城項(xiàng)目西門子為其H級(jí)燃機(jī)、汽機(jī)及其發(fā)電機(jī)配套提供了燃汽機(jī)控制系統(tǒng)（turbine control system，TCS），其與聯(lián)合循環(huán)機(jī)組部分的分散控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）共同組成了電廠安全一區(qū)，實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)機(jī)組的工程控制、現(xiàn)場(chǎng)操作及連鎖保護(hù)。另一方面，增城項(xiàng)目為減少計(jì)算機(jī)硬件重復(fù)設(shè)置和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性，將廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)（supervision information system，SIS） 和管理信息系統(tǒng)（management information system，MIS）進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)，電廠安全二和三區(qū)的整合也將打破數(shù)據(jù)壁壘，使數(shù)據(jù)更為互通融合。

西門子對(duì)智能化模塊部署的應(yīng)用服務(wù)器硬件提出了要求，如表3所示。

表3 智能化模塊應(yīng)用服務(wù)器硬件要求

針對(duì)增城項(xiàng)目全廠DCS/TCS+SIS/MIS的兩層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，部署西門子提供的智能化模塊有如下兩種設(shè)計(jì)方案：

1)方案一：部署在安全一區(qū)

西門子智能化模塊的網(wǎng)絡(luò)部署依托一組應(yīng)用服務(wù)器，方案一將應(yīng)用服務(wù)器組分別布置在#1燃機(jī)/汽機(jī)控制系統(tǒng)TCS網(wǎng)絡(luò)和#2燃機(jī)/汽機(jī)控制系統(tǒng)TCS網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 安全一區(qū)部署智能化模塊網(wǎng)絡(luò)示意圖

由圖3可知，將智能化模塊設(shè)計(jì)為專用服務(wù)器并部署在安全一區(qū)，可以直接從西門子燃機(jī)/汽機(jī)控制系統(tǒng)TCS中獲取機(jī)組運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，由燃機(jī)/汽機(jī)TCS控制系統(tǒng)操作員站獲得智能化模塊診斷、分析和優(yōu)化的結(jié)果。

2)方案二：部署在安全二和三區(qū)

方案二設(shè)計(jì)將智能化模型的應(yīng)用服務(wù)器部署在SIS/MIS一體化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，由于SIS/MIS系統(tǒng)已有電廠其它類應(yīng)用服務(wù)器，因此該方案只需要利用電廠已有應(yīng)用服務(wù)器的虛擬服務(wù)器即可。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 安全二和三區(qū)部署智能化模塊網(wǎng)絡(luò)示意圖

由圖4可知，方案二智能化模塊虛擬應(yīng)用服務(wù)器通過(guò)調(diào)用SIS系統(tǒng)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取全廠機(jī)組運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用于模型訓(xùn)練的歷史數(shù)據(jù)可調(diào)用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，最終為MIS系統(tǒng)中管理者客戶端提供智能化模塊的應(yīng)用。

3)方案對(duì)比

針對(duì)所提出的兩種設(shè)計(jì)方案，增城項(xiàng)目從數(shù)據(jù)獲取、硬件配置、安全可靠等幾方面進(jìn)行了對(duì)比，如表4所示。

表4 智能化模塊設(shè)計(jì)方案對(duì)比表

西門子故障早期趨勢(shì)預(yù)警模塊和熱力性能分析優(yōu)化模塊，都需要獲取機(jī)組運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，但其基于人工智能算法的模型訓(xùn)練需要長(zhǎng)達(dá)30 d的歷史訓(xùn)練，因此西門子智能化模塊給管理者提供性能診斷和決策支持是基于機(jī)組長(zhǎng)期的運(yùn)行數(shù)據(jù)。由對(duì)比表可知，方案二較方案一，雖然其采取了間接獲取方式，但其可調(diào)用除西門子主機(jī)外的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)作為輔助決策，且其硬件投資更少、功能擴(kuò)展性更好。

2.2 增城項(xiàng)目擴(kuò)展為遠(yuǎn)程診斷中心方案

隨著各大發(fā)電集團(tuán)投資建設(shè)的大型燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的增多，發(fā)電業(yè)主都渴望實(shí)現(xiàn)對(duì)于各電廠機(jī)組的遠(yuǎn)程診斷，同時(shí)西門子提供的故障早期趨勢(shì)預(yù)警和熱力性能分析優(yōu)化兩個(gè)智能化模塊支持多電廠的遠(yuǎn)程應(yīng)用。因此，增城項(xiàng)目設(shè)計(jì)上考慮了將增城電廠擴(kuò)展為遠(yuǎn)程診斷中心，為后續(xù)其他電廠提供應(yīng)用服務(wù)，在設(shè)計(jì)上增加了外部訪問(wèn)客戶端，如圖5所示。

圖5 增城項(xiàng)目擴(kuò)展為遠(yuǎn)程診斷中心方案

由圖5可看出，外部訪問(wèn)客戶端布置在增城電廠，其同本地MIS系統(tǒng)客戶端一樣可以訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和智能化模塊的應(yīng)用服務(wù)器，同時(shí)通過(guò)防火墻后，可以通過(guò)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(virtual private network，VPN)來(lái)獲取外部其他電廠的機(jī)組運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)而為其他電廠提供智能化模塊的應(yīng)用服務(wù)。

2.3 西門子主機(jī)振動(dòng)分析診斷方案

對(duì)于H級(jí)燃機(jī)機(jī)組，其燃機(jī)、汽機(jī)、發(fā)電機(jī)的主機(jī)軸系振動(dòng)分析診斷是重點(diǎn)，西門子提供的故障早期趨勢(shì)預(yù)警模塊中包含了軸系振動(dòng)模型，其通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期訓(xùn)練，可以對(duì)機(jī)組運(yùn)行中軸系振動(dòng)的早期故障進(jìn)行識(shí)別判斷，但對(duì)于電廠可能發(fā)生的突變情況，仍需要配置一套主機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械振動(dòng)分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組、汽輪發(fā)電機(jī)組的瞬態(tài)振動(dòng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和故障診斷。

不同于常規(guī)機(jī)組配置的汽車診斷監(jiān)測(cè)及故障診斷分析系統(tǒng)（tubine dignosis managment，TDM）系統(tǒng)，西門子H級(jí)機(jī)組配置的振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)是WIN_TS。由圖6可知，WIN_TS服務(wù)器作為工程師站設(shè)計(jì)在其燃機(jī)/汽機(jī)控制系統(tǒng)TCS中，通過(guò)從TCS系統(tǒng)中獲取燃機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀表、汽機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀表以及燃機(jī)控制系統(tǒng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)振動(dòng)的數(shù)據(jù)記錄、過(guò)程可視化、渦輪分析診斷、事故追憶等功能。值得注意的是，由于振動(dòng)數(shù)據(jù)分析需要強(qiáng)大的后臺(tái)數(shù)據(jù)系統(tǒng)及專家系統(tǒng)支持，因此西門子不支持在廠內(nèi)單獨(dú)配置診斷數(shù)據(jù)中心，機(jī)組診斷數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送至其位于蘇州的數(shù)據(jù)診斷中心，并由數(shù)據(jù)診斷中心出具機(jī)組診斷報(bào)告。

圖6 增城項(xiàng)目主機(jī)振動(dòng)分析診斷方案

3 結(jié)論

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)首臺(tái)9H燃機(jī)機(jī)組運(yùn)用西門子提供的智能化模塊實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)行監(jiān)控進(jìn)行了闡述和研究，并與常規(guī)電廠中部分功能進(jìn)行了梳理和對(duì)比，常規(guī)電廠TDM與早期預(yù)警診斷模塊的對(duì)比詳見(jiàn)表5，常規(guī)電廠SIS性能分析與熱力性能分析優(yōu)化模塊對(duì)比詳見(jiàn)表6。

表5 常規(guī)電廠TDM與早期預(yù)警診斷模塊對(duì)比表

表6 常規(guī)電廠SIS性能分析與熱力性能分析優(yōu)化模塊對(duì)比表

通過(guò)對(duì)比可以看出，西門子基于自己的主機(jī)模型搭建的智能化模塊提供的適用范圍更廣、功能更為智能。根據(jù)其功能特點(diǎn)，本文針對(duì)增城項(xiàng)目部署設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，研究表明將其設(shè)計(jì)部署在SIS/MIS一體化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)更為合理，并提出了擴(kuò)展遠(yuǎn)程診斷中心的方案規(guī)劃，本文研究結(jié)果將為今后更多以西門子H級(jí)燃機(jī)機(jī)組建設(shè)智能/智慧電廠提供了的設(shè)計(jì)參考和借鑒。