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技术经济下的智能化水电站构想

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摘要:从技术经济的角度分析智能化水电站所带来的巨大经济效益,对智能化水电站的特征展开构想,提出了智能化终端、网络架构及工业应用软件三大突破口,加速推进智能化水电站建设。

关键词:技术经济;智能化水电站;建设构想

2008年的金融危机引发了全球对经济过度虚拟化反思,世界各国普遍掀起一股重新审视和定位实体经济的浪潮。在全球经济增长乏力、需求不足的低迷形势下,发达国家密集颁布了一系列的产业政策和振兴计划,加强重点领域的投资、研究和实践,寻找新的经济增长点。其中具有代表性且影响较大的有德国提出的工业4.0和美国提出的工业互联网[1]。工业4.0和工业互联网均是基于互联网发展引发的技术变革,从制造业价值链角度来看两者存在明显不同之处:工业4.0偏重价值链前端,注重过程的智能化,通过获取用户个性化需求,进而展开个性化设计,最后在智能工厂进行定制化生产,其主要技术难点在产品的设计与生产过程;工业互联网则偏重价值链后端,关注产品的智能化,借助互联网获得产品使用过程中的信息,利用获取的信息通过服务创造价值,其主要技术难点在信息处理和知识沉淀。工业4.0和工业互联网已然成为当下经济增长热点,两种战略催生的技术革命正在蓬勃发展。不难看出,发达国家已将目标锁定在工业4.0和工业互联网引领的技术革命上,致力于将制造业转型到附加价值更高的微笑曲线的两端,希望通过技术变革和创新,在第二产业生产模式与全球布局的新一轮调整中抢占先机。在此背景下,我国十六大正式提出“以信息化带动工业化,以工业化促进信息化”理念,“十二五”规划中确立的信息化与工业化两化深度融合战略并贯穿到将来的“十三五”规划纲要内。推动两化融合是破解当前发展瓶颈,实现工业转型升级的一项具有十分重要的意义的工作。“两化”深度融合,就是要顺应新一轮科技革命和产业变革的新趋势,破解我们所面临的产业竞争日趋激烈、核心竞争力不足、资源环境约束强化、要素成本上升等日益突出的矛盾。纵观历史,每一次技术革命都为后发国家成功实现赶超提供“契机”,我们正站在一个在新历史机遇面前,无可回避,不进则退。

1电力行业的智能化升级改造技术经济效益显著

电力行业无法置身信息技术革命浪潮之外,智能电网代表未来电力系统发展方向,是电力行业创新和发展的需要。为实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标,国家电网公司于2007年10月正式启动了智能电网可行性研究项目,并于2010-01-12日,发布《关于加快推进坚强智能电网建设的意见》,确定了建设坚强智能电网的基本原则和总体目标,将智能电网的建设上升至国家战略层面的高度,大力推进。在国家电网公司的强力推动下,近年来我国电网在输电、变电、配电、用电和调度等环节智能化升级改造发展迅速,并提出了全球互联网概念,集成体系标准,向世界输出。技术革新带来了能源效率的提升,同时创造了大量需求,2015年利润总额和利润率等指标逆势上扬,远超德国意昂集团、意大利国家电力、法国电力等世界同行营业水平,2016年在《财富》世界500强排名中名列全球第二。在当前中国电能过剩、火电成本高的背景下,发电企业也在积极谋划通过技术创新实现降本增效,国内发电集团开始推进发电环节智能化升级改造。2013年1月,华电集团投资建设了全国第一个全寿期三维数字化智能火电厂———莱州电厂一期工程。全寿期三维数字化电厂,就是通过三维设计,将电厂物理实体与数字模型完美结合,从设计到退役全生命周期均做到三维化、可视化和在线管控,一旦电厂部件老化或发生故障,系统可在第一时间通知操作员,防患于未然。为充分利用火电机组循环水的排放能量,莱州电厂通过技术攻关充,增加水力发电机组,循环水排水实现势能发电。投资近2000万元将循环水排水口改为水轮发电机房,安装了2台800kW小型水轮发电机,每年可多发电880万kW•h。在科技的支撑下,莱州电厂各项指标均居世界领先水平,成为“高效、节能、清洁、环保”智能化火电厂示范项目,发电煤耗仅为268.5g/kW•h;热效率达45.59%,供电厂用电率仅为4.98%,经济指标居世界领先水平。在排放方面,电厂采用封闭煤场,实现“零污染、零损耗”;高效静电除尘器效率达99.7%,脱硫效率达95%以上,采用干除灰、干除渣技术,灰、渣及脱硫石膏全部综合利用;厂内污水和废水经处理回用,实现污水“零排放”。通过试点项目积累的先进技术在其集团内部大力推广应用,效益显著[2]。华电集团在创新驱动战略引领下成功转型,坚持绿色、低碳发展道路,不断优化电源结构。积极发展高参数、大容量煤电项目,以及水电和风光电,因地制宜建设燃气发电机组,同时积极推进节能降耗工作。

华电发展迅速,从表1中也可看出,2015年企业利润和利润率等经济指标名列五大发电集团之首。我国已进入速度变化、结构调整、动力转换的经济发展新常态,作为国民经济的支柱产业,电力产业必须按照习近平总书记提出的“四个革命、一个合作”能源战略构想,以党的十八届五中全会审议通过的“十三五”规划为引领,深入贯彻创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念,主动适应和引领新常态,全面深化改革,实施创新驱动战略,是新常态下我国经济社会发展的主要动力来源。国家电网和华电集团借助技术创新成功踏上转型之路,从局部创新到系统集成,为企业的发展带来了显著的变化,企业利润率世界领先,成为电力企业标杆。水电行业是一次性投入大,后期运营成本低的优质资产,因自身经营状况较好而缺乏革新的动力,需要行业领军企业高瞻远瞩的开拓进取,积极推进传统水电站的智能化升级改造。参考文献[3]中,笔者以洛阳供电区某常规变电站的智能化改造工程为样本进行技术经济数据分析:智能化升级改造项目有着巨大的技术经济优势。智能化升级改造后,变电站的可靠性大大提高,维护工作量统计相比常规变电站减少90%,智能化组合设备设计要求为15年免维修,大大节约了人力成本,其经济指标的优越性主要体现在节省人力,运行维护成本急剧降低、并使得设备故障率降低,减少全年事故、检修停电时间,供电质量更加可靠优质,从而在可靠性效益以及社会效益方面体现出了更大的优势。与普通110kV变电站相比,大幅提高了设备智能化水平和设备运行可靠性,实现无人值班和设备操作的自动化,提高资源使用和生产管理效率,使得运行更加经济、节能和环保。按照设备全寿命周期15年计算,可节约成本1000余万元。智能变电站是坚强智能电网建设中实现能源转换和控制的核心平台之一,是智能电网的重要组成部分,也是实现水能、风能等可再生能源接入电网的重要支撑。改造后的该110kV变电站,不论是外貌还是内在功能,较之前的数字化变电站有了质的飞跃:全站取消了95%以上的二次电缆和接线端子(减少二次电缆33km),减少90%以上的设备组屏(由原來的38屏减少至3屏),极大精简二次回路;减少了近的40%电站占地面积(节约占地约1.93hm2),缩减了70%的室内建筑面积,使变电站更加小型紧凑。据实际测算:该千伏变电站智能化改造较常规电站节约建设成本62%,二次系统全寿命周期内节约运行维护成本90%,二次系统节约总费用达68%[3]。

2智能化水电站特征构想

信息技术正加速向各个行业渗透,在其作用下人类社会将会在未来的二三十年演变成为一个智能社会,其广度与深度难以想象。智能化水电站也必将成为水力发电企业现代化管理和技术的发展方向,其现有组织机构性质也将在技术的作用下发生深刻的改变。两化融合为传统水电站改造升级提供了一个良好的思路,彰显信息化的重要性。智能电站的信息化特征主要包含2层含义:①生产过程监控和企业管理需要的所有必要信息均应无重复的得以采集和通过数字网络共享。②采集和存储的海量信息必须经过智能化数据挖掘技术,使信息浓缩并进行统计分析,为电厂管理提供决策。信息化是智能化的基础,构建新型一体化信息控制平台,将电站信息系统与智能电网系统对接,实现系统一体化控制,将智能控制理论如模糊控制、神经网络控制、专家控制系统、遗传算法等智能控制方法广泛应用于水电站自动控制,主动超前适应电网对负荷控制的要求,使机组能够运行在最佳参数曲线附近,大大促进水电站设备设施运行调度与操作控制的智能自动化,从而达到安全、高效、节能、降耗的目的。在设备维护管理方面,数字化、信息化技术为设备的状态监测和智能诊断提供基础,持续提高发电厂设备可靠性。状态监测是为了实现对设备状态跟踪而进行的采集、识别、分类和解译的活动。通过连续监测反映设备状态变化的预警参数,就可以获得故障初期的信息。智能诊断包含状态故障诊断和设备性能衰退趋势预测两部分内容。状态故障诊断是一种分析设备安全和性能状况的过程。它的主要目是探察隐患和早期故障,识别并定位故障根源。状态故障诊断的主要任务是探察设备异常状态、识别症状、分析症状信息和确定影响生产的故障原因。设备性能衰退趋势预测通过预告与设备性能衰退相关的症状信息而实现有计划的维修活动,即应该什么时候和在什么部位对设备进行维修。它也可以从多方面对维修决策提供良好的支持:①组织各种各样的维修资源(如人工、材料、工具和信息指导);②决策维修活动的内容和频度;③集成维修活动和生产过程。水电站智能化将深刻影响传统水电站的组织管理模式,大大减少现场运行操作和维护人员,普及无人值班(少人值守),原有的技术分工将发生深刻变化,专业之间交叉融合,界限不再清晰。

3打造智能化水电站三大突破口

3.1集成智能终端,让设备可知和可控

提高设备可知性和可控性关键在于提高设备的智能化水平,可大量采用智能化设备或对传统设备进行智能化改造,其原理基本是一次设备附加二次设备智能终端的模式。如技术先进且可靠性高的罗氏线圈和纯光纤电子式等新型互感器开始大量应用,智能化GIS开关站断路器或隔离开关采用与新型互感器组合安装,传统主变压器集成新型互感器取消本体各侧套管电流互感器,就实现了智能化升级。借助先进传感器技术,实现设备在线监测功能,进一步对传统设备进行智能化改造。通过科学研究,有步骤的选取关键设备安全运行的若干关键指标,结合实际对应开发在线监测技术解决方案。如在GIS组合开关及发电机出口断路器上增加SF6气体压力监测、分合阐线圈电流波形测量、储能电机电流监测、分合闸回路电阻及分合次数监测等功能;采用智能组件方式监测变压器油中溶解气体、含水量、压力及其温度。通过技术改造,即可以使关键设备具备在线检测功能。总之,通过信息技术介入提高设备可知性和可控性,首先要实现设备状态监测数字化,其次在数字化的基础上进一步实现智能设备信息的采集、处理和反馈应最大限度的自动化,减少繁重的人工信息采集、处理和反馈的工作量。当前,先进传感器技术、无线技术、网络技术、小型化技术、嵌入式技术的进步迅速,提供了众多智能终端解决方案可供选择。

3.2构建先进网络,实现信息互联共享

底层设备智能化的方法是配置智能终端,在此基础上实现所有智能终端互联和数据共享则是另外一层次的技术难题,它难在标准的建立。标准是基础的和有价值的工具,可以使企业更好的吸收和采用新技术并进行创新,提升产业生态系统关键能力。智能化水电站的网络架构标准可参考智能化变电站的标准,借鉴工业4.0和工业互联网体系架构框架(ArchitectureFramework,AF),首先要注重网络的扩展性,方便接入各种智能终端,实现即插即用;其次要便于设备互联和信息共享,通过互联实现人、设备系统和企业应用之间实现大量合作,提高生产力和可持续性;最后,要确保网络系统的安全性和可靠性。

3.3工业应用软件,支撑并定义智能化

两化融合的难点是将蕴含在运营技术中的水力发电企业核心知识、经验、方法等企业运营技术进行显性化表达,将人的隐性知识转化为机器语言,成为一种信息技术可执行的知识体系———应用软件,软件支撑并定义智能化。行业巨头通用电气(GE)坚定的认为APP才是工业的未来,2013年10月GE首次提出可以与IOS及安卓操作系统相提并论的Predix工业云平台,建立面向工业应用的GEStore,旨在将各类数据按照统一的标准进行规范化梳理,支持各种分布式计算、大数据分析、资产管理、M2M通讯、移动性在平台上扩展和叠加,工程师可以按照自己企业的需求灵活编写程序和应用。宏伟的工业互联网生态系统正在眼前生长,GE的科学家认为,在消费领域APP经济已经创造超过3000亿美元的市场价值,而工业领域的发展将远远超过这一数字[5]。大型水电站的设备设施种类繁多,各种设备重要性与优先级划分,各种系统建模(如设备运行模型、智能诊断模型、预测决策模型)以及状态变量、环境变量、控制变量、输出变量的选择等系列复杂问题都需要针对具体对象提炼出对应的运营技术知识体系,通过将运营技术知识体系模型化表达,在此基础上开发和驱动应用软件,集成互联、响应、预测之智,大规模将知识从人向智能系统迁移,创造运营价值。

4结语

企业战略是技术需求的导向,在转型升级过程中进行创新实践。水力发电企业引领智能化水电站升级改造的需求和市场,只有水力发电企业才有能力打造智能化水电站系统集成解决方案,优化技术经济指标提升企业竞争力,同时开辟出智能化水电站升级改造技术咨询服务的新业务,成为企业发展新动力。智能化水电站技术经济效益明显,亟待行业领军企业引领推动,做好顶层设计,积极整合水电企业、政府组织、行业协会、科研单位、设计院所、咨询机构、软件开发、解决方案厂家等各方面力量,选择试点项目,联合推进科研攻关,通过科技创新推动企业转型发展。水电领先企业应加快产业布局抢占先机,机不可失也责无旁贷。

参考文:

[1]王曦钊,刘胜军,王德军,等.智能电站框架研究与信息化工程实践[J].电信科学,2016,32(4):181-185

[2]王继强.火电厂三维数字化系统在山东莱州电厂的应用[J].上海电力学院学报,2014,30(5):443-446

[3]刘国辉.智能电站技术改造的技术经济分析及案例研究[D].北京:华北电力大学,2013

[4]陈世和,张曦.基于工业4.0的智能电站控制技术[J].自动化博览,2015(9):42-50

[5]杨涛.Predix:工业互联网的阶段性界碑[J].中国工业评论,2015(10):76-81

作者:黄福强;张辉;杨帆;张攀;赵本成 单位:溪洛渡水力发电厂

技术经济下的智能化水电站构想责任编辑:张雨    阅读:人次