SIS在熱電冷聯(lián)供聯(lián)合循環(huán)電廠的應用

　　摘要：介紹廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS）在北京太陽宮燃氣熱電冷聯(lián)供聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中的應用情況。重點闡述針對聯(lián)合循環(huán)電廠開發(fā)的SIS各應用軟件模塊，如性能計算軟件實現(xiàn)了機組性能實時監(jiān)測、部件損耗計算，指導優(yōu)化運行；負荷與燃氣預測軟件對機組實時zui大出力進行預測，并進行天然氣用
　　
　　引言
　　
　　北京太陽宮燃氣熱電冷聯(lián)供工程是北京2008奧運配套項目，采用了具有先進水平的二拖一燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，實行熱、電、冷三聯(lián)供。全廠在設計工況下的發(fā)電出力為706.12MW，供熱能力為465.2MW。
　　
　　北京太陽宮燃氣熱電冷聯(lián)供工程采用了北京同方電子科技有限公司自主研發(fā)的廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)-TYG-SIS[1]。TYG-SIS針對太陽宮燃氣熱電冷三聯(lián)供工程的特殊性，以降低成本、節(jié)能減耗，成為電廠生產(chǎn)專家級助手為目標進行開發(fā)，以廠級性能計算和分析、負荷燃氣預測、燃氣輪機壽命管理等運行優(yōu)化軟件為支撐，在太陽宮電廠信息管理與自動控制一體化中起著重要作用。系統(tǒng)投運以來，指導優(yōu)化運行的效果已初步顯現(xiàn)，現(xiàn)已成為將太陽宮電廠建設成為綠色、節(jié)能、環(huán)保的數(shù)字化電廠的好幫手。
　　
　　一、TYG－SIS及其功能
　　
　　作為電廠信息化建設的紐帶和橋梁，TYG－SIS系統(tǒng)首先要保證自身系統(tǒng)的安全、可靠[2]，主要途徑為：（l）采用正向隔離網(wǎng)閘進行有效的物理隔離（隔離參數(shù)為lb）：對底層控制系統(tǒng)、廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)進行隔離，有效保證控制系統(tǒng)及SIS的安全性；（2）部署Symante。防病毒軟件進行有效的網(wǎng)絡安全防護；（3）選用高可靠性的網(wǎng)絡設備和的網(wǎng)管系統(tǒng)保證系統(tǒng)的可靠性等。
　　
　　有了良好的安全性、可靠性保證，SIS才能穩(wěn)定、地進行數(shù)據(jù)采集、存儲、分析和傳輸。TYG-SIS首先采用標準的網(wǎng)絡接口及通信協(xié)議進行實時數(shù)據(jù)采集；然后采用PI實時歷史數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲；zui后通過具有針對性的燃氣輪機電廠應用軟件[3-4]實現(xiàn)各種功能，并將通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾硇畔⑾到y(tǒng)。TYG-SIS系統(tǒng)針對熱電冷三聯(lián)供的聯(lián)合循環(huán)電廠開發(fā)了包括廠級性能計算、負荷與燃氣預測、燃氣輪機壽命管理等功能模塊，為全廠生產(chǎn)過程的運行和管理提供決策依據(jù)。
　　
　　1.1性能計算和分析
　　
　　TYG-SIS采用上聯(lián)合循環(huán)機組性能監(jiān)測和損耗分析軟件，在線監(jiān)測每臺機組的燃氣輪機、蒸汽輪機和輔助設備的性能，并將實際數(shù)據(jù)與根據(jù)性能驗收試驗（或設計數(shù)據(jù)）推導出來的基準值相比較，計算出所有可計算的損耗。追蹤電廠較長一段時間的主要損耗或增益，并給運行人員提供這些損耗所造成的輸出損失，從而指導電廠的優(yōu)化運行，提高經(jīng)濟效益。
　　
　　1.1.1性能監(jiān)測
　　
　　性能監(jiān)測不僅監(jiān)測機組的總體性能，而且還對燃氣輪機、燃氣輪機各部件（進口空氣進氣濾、壓氣機、燃氣透平）的性能進行監(jiān)視，同時對汽輪機、凝汽器、冷卻塔進行監(jiān)測，在線計算各部件的效率和熱耗率。燃氣輪機和汽輪機性能監(jiān)測見圖1、2。
　　
　　1.1.2損耗分析
　　
　　TYG-SIS不僅對燃氣輪機各部件進行詳細的損耗分析，還對廠用電、凝汽器損耗進行分析，對聯(lián)合循環(huán)機組可能存在的損耗進行的計算和分析。圖3為燃氣輪機損耗分析總圖，把進口空氣進氣濾、壓氣機、燃氣透平等性能參數(shù)與目標值進行比較，分別計算出各部分因性能下降造成的發(fā)電損失和經(jīng)濟損失，便于運行人員針對影響機組經(jīng)濟運行的主要設備，集中精力采取措施改進其性能。
　　
　　表1為某時刻的燃氣輪機損耗分析。系統(tǒng)對燃氣輪機各部件的參數(shù)目標值和實際值進行比較，得到各部件的實時發(fā)電損失，結(jié)合上網(wǎng)電價，得到實時貨幣損失，并以當前工況為前提估算出機組年度損失。借助于直觀的畫面和詳細的數(shù)據(jù)，運行人員能有效了解機組各部件的損耗情況，并根據(jù)當時的狀態(tài)及時對機組及設備進行優(yōu)化。
　　
　　1.2負荷和燃氣預測
　　
　　1.2.1負荷預測
　　
　　與常規(guī)火電廠汽輪機組不同，燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組發(fā)電負荷隨大氣環(huán)境（溫度、壓力、相對濕度）的變化而變化。如太陽宮電廠二拖一型聯(lián)合循環(huán)機組，冬季zui大負荷可達824.61MW（無供熱），而夏季zui大負荷為726.85MW（無供熱），如表2所示。
　　
　　圖4、5為聯(lián)合循環(huán)機組出力隨環(huán)境溫度和壓力變化的曲線，由圖可知，聯(lián)合循環(huán)機組發(fā)電負荷受環(huán)境因素的影響較大，因此，預測機組在當前大氣環(huán)境下的zui大發(fā)電出力，可避免由于不符合發(fā)電合同造成的不平衡費用，并對機組的優(yōu)化運行具有一定的操作指導作用。
　　
　　負荷預測以機組出力隨環(huán)境因素變化規(guī)律為依據(jù)，對當前大氣環(huán)境下的機組zui大出力進行估算，電廠運行人員根據(jù)調(diào)度指令，參考估算的負荷進行升、降負荷操作，避免機組長時間處于超負荷或低負荷工況運行，降低了機組的壽命損耗，初步實現(xiàn)機組的經(jīng)濟、優(yōu)化運行。
　　
　　1.2.2天然氣用氣量預測及報警
　　
　　燃氣電廠采用以氣定電／熱的方式，即需制定較詳細的日、周、月甚至年的天然氣用氣量計劃，若實際情況與計劃偏離較大，就會給天然氣公司造成一系列問題。如電廠實際用氣量遠低于計劃用氣量，就會造成燃氣存放空間緊張、壓力增大導致燃氣泄露等問題。目前，我國部分燃氣電廠和天然氣公司已制定了用氣量違約協(xié)議，對發(fā)生的天然氣超提或欠提等情況進行處罰。
　　
　　為實現(xiàn)全廠天然氣用氣量的實時監(jiān)視、用氣量超限報警提示，有效防止超提、欠提的發(fā)生，避免由此造成的經(jīng)濟損失，TYG－SIS開發(fā)了天然氣用氣量預測及報警軟件，積極為電廠運行人員提供參考和建議，天然氣預測及報警畫面如圖6所示。
　　
　　1.3燃氣輪機壽命管理
　　
　　燃氣輪機是聯(lián)合循環(huán)機組的核心設備，因此，對于燃氣輪機設備的檢測和壽命管理就尤為重要。燃氣輪機壽命管理軟件用于驗證燃氣輪機制造商的當量運行時間，并計算2次大修間燃氣輪機和其他部件的運行時間，監(jiān)測設備部件使用情況和狀態(tài)，保持合理的備品備件量及采用安全、經(jīng)濟的檢修模式，對部件進行合理調(diào)配，變計劃檢修為狀態(tài)檢修，實現(xiàn)了優(yōu)化燃氣輪機檢修、降低維護費用的目的。
　　
　　1.3.1狀態(tài)監(jiān)測
　　
　　狀態(tài)監(jiān)測是對用戶關(guān)心的系統(tǒng)主、輔設備狀態(tài)進行顯示，實現(xiàn)對設備狀態(tài)檢測查詢功能。如對設備運行小時數(shù)、啟動次數(shù)、累計運轉(zhuǎn)時間等的檢測、查詢，可使檢修人員方便、清晰地查看設備運行狀況，并根據(jù)設備狀態(tài)進行設備的更換和檢修，初步實現(xiàn)變計劃檢修為狀態(tài)檢修。表3為對機組部分設備的運行參數(shù)統(tǒng)計。
　　
　　1.3.2壽命管理
　　
　　影響燃氣輪機設備壽命的因素很多，如啟動周期、功率設定、燃料和注人的蒸汽或水的量都是決定維護間隔的關(guān)鍵因素，因為這些因素直接影響燃氣輪機及關(guān)鍵零件的壽命。參考GE的規(guī)定，燃氣輪機壽命管理軟件把不注人水或蒸汽的連續(xù)作業(yè)的燃氣機組確立為設定zui大推薦維護間隔的基本條件。燃氣輪機各部件的基本檢修間隔和更換間隔如表4所示，可見，各部件的基本檢修間隔及更換間隔都不盡相同。
　　
　　機組的實際運行工況多受啟動周期、功率設定、燃料和注人的蒸汽或水的量等眾多因素的影響，因此，對不同于基本條件的實際運行工況，需確立維護系數(shù)以決定如何提高維護水平，從而得到根據(jù)機組實際運行情況得出的計算運行時間和計算剩余檢修時間等。以計算燃燒系統(tǒng)檢修間隔（以運行小時數(shù)為基準）為例：
　　
　　ha=f（i）（l）
　　
　　hi＝f（ki×fi×pi×ti）（2）
　　
　　式中：ha為實際小時數(shù)；i為離散運行模式（或操作規(guī)程或時間間隔）;hf為系數(shù)小時數(shù)；ki為水／蒸汽注入嚴酷性系數(shù)沃為燃料嚴酷性系數(shù)（干式）;Pi為負載嚴酷性系數(shù)；ti為給定運行模式下負載運行小時數(shù)。
　　
　　系統(tǒng)以機組的實際運行參數(shù)和計算運行參數(shù)為基礎，對各部件的狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并提示維護人員進行設備檢修和更換。燃氣輪機部件運行參數(shù)如表5所示。
　　
　　系統(tǒng)還提供了對燃氣輪機個別部件進行檢修或更換的處理方式，如當燃氣輪機的第3個火焰筒部件更換后，負責人員僅需點擊對應的“更換’，按鈕，即可對此部件的運行參數(shù)重新計算。
　　
　　二、TYG－SIS的創(chuàng)新
　　
　　2.1理念創(chuàng)新
　　
　　TYG－SIS針對2008年奧運配套項目——北京太陽宮l×700MW級二拖一聯(lián)合循環(huán)電站燃氣熱電冷聯(lián)供工程，以降低成本、節(jié)能減耗，成為電廠生產(chǎn)專家級助手為目標進行開發(fā)，現(xiàn)已成為國內(nèi)*基于9F*燃機的燃氣熱電冷聯(lián)合循環(huán)機組的廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)，并成為切實體現(xiàn)“綠色奧運”理念，將太陽宮電廠建設成為綠色、節(jié)能、環(huán)保的數(shù)字化電廠的重要手段。
　　
　　2.2軟件創(chuàng)新
　　
　　TYG－SIS針對*臺二拖一燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電冷聯(lián)供機組，進行了創(chuàng)新性的軟件開發(fā)：
　　
　　（l）采用上聯(lián)合循環(huán)機組性能監(jiān)測和損耗分析軟件，實時地為生產(chǎn)運行、檢修決策和生產(chǎn)管理提供機組當前和過去的性能情況，及機組各部分性能的相關(guān)參數(shù)，有效幫助生產(chǎn)人員診斷問題，作出決策。
　　
　　（2）針對燃氣輪機的特殊性，開發(fā)燃氣輪機壽命管理及設備狀態(tài)監(jiān)測模塊，有效地對燃氣輪機整體及部件的運行狀況進行監(jiān)測，變計劃檢修為狀態(tài)檢修，降低設備維護成本。
　　
　　（3）針對燃氣輪機受環(huán)境影響的特性及天然氣用量限制的特殊性，開發(fā)了負荷與燃氣預測模塊，負荷預測對聯(lián)合循環(huán)機組的實時zui大負荷進行預測，有效預防機組的超限或低負荷運行，優(yōu)化運行調(diào)度，響應電網(wǎng)負荷要求；對天然氣實時用量進行監(jiān)測和預警，有效防止超提和欠提，根據(jù)剩余天然氣量，預測機組在當天剩余時間的可運行時間，也能積極地為運行人員提供參考和建議，具有很強的實用性。
　　
　　（4）針對天然氣燃料價格的實時性，開發(fā)了燃料成本分析模塊，對日、周、月、年的發(fā)電成本進行實時統(tǒng)計和監(jiān)測，為燃料結(jié)算、企業(yè)資金的運作，為全面的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析提供基礎信息和依據(jù)。
　　
　　2.3硬件創(chuàng)新
　　
　　TYG-SIS由獨立的通信工作站采用GSM（GEIndustrialSsystemsStandardMessages）規(guī)約與MarkVI系統(tǒng)的PDH（PlantDataHighway）進行通信。GSM規(guī)約是基于TCP/IP、面向連接的以太網(wǎng)應用層通信協(xié)議，描述了MarkVI燃氣輪機控制系統(tǒng)與廠級DCS之間的通信過程及各種信息格式。TYG-SIS針對GSM規(guī)約進行了專門開發(fā)，實現(xiàn)了SIS與MarkVI系統(tǒng)之間的可靠通信，通信工作站接收GSM格式的數(shù)據(jù)報文，經(jīng)格式轉(zhuǎn)換及相應處理后，以TCP方式穿越隔離網(wǎng)閘，再由專門的通信工作站接收處理后，寫入SIS的PI數(shù)據(jù)庫。實際運行情況表明，該通信方式實時、可靠，既實現(xiàn)了SIS的數(shù)據(jù)完整性、一致性，又保證了通信過程中MarkVI系統(tǒng)的安全性，尤其是針對GSM規(guī)約的開發(fā)．在國內(nèi)同類燃氣輪機電站的515實現(xiàn)中尚屬。
　　
　　三、結(jié)語
　　
　　經(jīng)北京太陽宮電廠聯(lián)合循環(huán)機組的實際運行驗證，TYG－SIS能*達到預期的效果，有效地指導了機組及全廠的優(yōu)化運行，已成為電廠生產(chǎn)的專家級助手，真正實現(xiàn)了優(yōu)化運行、節(jié)能降耗、降低發(fā)電成本、提高整體效益的目的。
　　
　　[參考文獻]
　　
　　[1]侯子良．再論火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)[J]．電力系統(tǒng)自動化，2002,26（15）:l-3.
　　
　　[2]茍建兵．電廠sis系統(tǒng)安全可靠性設計探討[EB/OL].[2004－07－12].http://.cn
　　
　　[3]馬欣欣．火電廠優(yōu)化軟件的應用及前景[J]．中國電力，1999,32（6）41-44.[4]馬欣欣．火電廠優(yōu)化軟件的應用及前景（續(xù)）[J]．中國電力，1999,32（7）:52-56.