關(guān)于瓦斯發(fā)電數(shù)字化管理平臺的研究與應(yīng)用

熊鵬輝 田少國 田濤 陳龍

摘 要： 為提升瓦斯發(fā)電站管理自動化水平，基于當前瓦斯發(fā)電管控的主要問題，設(shè)計了一套適用于瓦斯發(fā)電站的數(shù)字化管理平臺，并詳細闡述了該平臺的設(shè)計目標、關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)構(gòu)架等內(nèi)容，最后進行了系統(tǒng)實施和應(yīng)用驗證。該平臺利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析和人工智能等先進技術(shù)，實現(xiàn)了對瓦斯發(fā)電站關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、智能分析和決策支持。

關(guān)鍵詞： 瓦斯發(fā)電站 數(shù)字化管理 技術(shù)架構(gòu) 環(huán)保

中圖分類號： TM73文獻標識碼： A文章編號： 1679-3567（2024）03-0001-04

Research and Application of a Digital Management Platform for Gas Power Generation

XIONG Penghui TIAN Shaoguo TIAN Tao CHEN Long

Shaanxi Coalbed Methane Development Co.， Ltd.， Xian， Shaanxi Province， 710000 China

Abstract： In order to improve the automation level of the management of gas power stations， this article designs a digital management platform suitable for gas power stations based on the main issues of the current control of gas power generation， elaborates the design objectives， key technologies and technical architecture of the platform， and finally carries out system implementation and application verification. This platform utilizes advanced technologies such as the Internet of Things， big data analysis and artificial intelligence to achieve the real-time monitoring， intel‐ligent analysis and decision support of the key data of gas power plants. This study provides important theoretical and practical guidance for the digital transformation of the gas power generation industry， and has practical applica‐tion value and promotion significance.

Key Words： Gas power station； Digital management； Technical architecture； Environment protection

近年來，瓦斯發(fā)電作為一種環(huán)保高效的能源生產(chǎn)方式，在能源行業(yè)中日益受到重視。然而，傳統(tǒng)的瓦斯發(fā)電站在運營管理中普遍存在著信息化程度低、決策依賴經(jīng)驗等問題，導致運營效率和安全性無法得到充分提升。為了解決以上問題，研究和應(yīng)用瓦斯發(fā)電數(shù)字化管理平臺變得迫切而重要。本文旨在對瓦斯發(fā)電數(shù)字化管理平臺進行深入研究，并將其應(yīng)用于實際項目中。通過引入現(xiàn)代信息技術(shù)和管理理念，構(gòu)建一個可靠、高效的瓦斯發(fā)電數(shù)字化管理平臺，以提升瓦斯發(fā)電站的運營管理水平，優(yōu)化發(fā)電效率，降低安全風險，減少環(huán)境污染。

1 瓦斯發(fā)電管控主要問題分析

1.1 管控系統(tǒng)信息化程度低

瓦斯發(fā)電行業(yè)相對傳統(tǒng)，一些發(fā)電站設(shè)備和管控系統(tǒng)無法適應(yīng)現(xiàn)代信息化需求。缺乏更新?lián)Q代的資金和技術(shù)支持，導致信息化程度低。同時，一些瓦斯發(fā)電企業(yè)對信息化技術(shù)的認識和了解較少，缺乏推動信息化改革的意識和能力，存在對信息化投入成本高、技術(shù)實施復雜等擔憂。

1.2 瓦斯發(fā)電站不同部門間的管理系統(tǒng)多為獨立運行

在瓦斯發(fā)電站建設(shè)初期，各個部門可能是分別建設(shè)各自的管理系統(tǒng)，沒有進行系統(tǒng)整合和統(tǒng)一規(guī)劃，導致各系統(tǒng)獨立運行。不同部門的管理系統(tǒng)可能面向不同的業(yè)務(wù)需求，具有各自獨特的功能和特點。為了滿足特定部門的需求，開發(fā)和采用獨立的管理系統(tǒng)更為方便和高效。

1.3 缺乏輔助決策與智能分析系統(tǒng)

當前，瓦斯發(fā)電站管控多是依靠經(jīng)驗進行決策判斷，缺乏對獲取到的信息進行智能分析，不能給瓦斯發(fā)電站管理層以及上級管理部門提供可靠的決策支持。

2 智慧瓦斯電廠

2.1 智慧瓦斯電廠的定義

智慧瓦斯電廠是一種基于數(shù)字化管理平臺、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等技術(shù)手段的先進瓦斯發(fā)電站，旨在通過整合多種先進技術(shù)手段，優(yōu)化瓦斯發(fā)電站的生產(chǎn)運營流程，實現(xiàn)精細化管理，提高生產(chǎn)效率和能源利用效率。智慧瓦斯電廠的建設(shè)需要依賴于各類信息系統(tǒng)和設(shè)備的支持，如制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）等，以及傳感器、智能儀表等設(shè)備。

而瓦斯發(fā)電數(shù)字化管理平臺則是對上述信息系統(tǒng)和設(shè)備進行綜合管理和優(yōu)化的平臺，旨在實現(xiàn)對瓦斯發(fā)電站的全局性監(jiān)測和管控，并提供精準的數(shù)據(jù)分析和決策支持。瓦斯發(fā)電數(shù)字化管理平臺涵蓋了智慧瓦斯電廠所需的各項功能，如設(shè)備監(jiān)測與維護、生產(chǎn)過程控制、短期調(diào)度和計劃、能源消耗統(tǒng)計和優(yōu)化、安全管理等方面。

因此，智慧瓦斯電廠和瓦斯發(fā)電數(shù)字化管理平臺是相輔相成的。智慧瓦斯電廠依靠各種信息系統(tǒng)和設(shè)備來提高生產(chǎn)效率和運營效益，而瓦斯發(fā)電數(shù)字化管理平臺則對這些信息系統(tǒng)和設(shè)備進行有效的統(tǒng)一管理和優(yōu)化，確保整個瓦斯發(fā)電站的生產(chǎn)運營處于最佳狀態(tài)。二者的協(xié)同作用，可以實現(xiàn)瓦斯發(fā)電站的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級，提高生產(chǎn)效率、降低成本，并為未來可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

2.2 智慧瓦斯電廠的優(yōu)勢

2.2.1 設(shè)備監(jiān)控方式

相較于傳統(tǒng)瓦斯電廠通過 DCS 就地控制室監(jiān)控的方式，智慧瓦斯電廠可以借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)遠程監(jiān)控和管理。管理人員可以通過手機、平板電腦等終端設(shè)備隨時隨地監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，不再局限于現(xiàn)場操作，從而提高響應(yīng)速度，避免延誤處理故障的時間。

2.2.2 數(shù)據(jù)管理

智慧瓦斯電廠通過傳感器和監(jiān)測設(shè)備實時采集各種設(shè)備和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，包括溫度、壓力、流量等運行參數(shù)。這些數(shù)據(jù)可以被集中管理，并存儲在數(shù)據(jù)中心或云平臺中，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。智慧瓦斯電廠通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的圖表、報表或儀表盤形式，使管理人員能夠直觀地了解設(shè)備狀態(tài)、運行情況和能耗信息。通過實時監(jiān)控，可以快速發(fā)現(xiàn)異常情況，并采取相應(yīng)的措施。借助大數(shù)據(jù)技術(shù)和分析算法，對采集到的數(shù)據(jù)進行深度分析和挖掘。通過構(gòu)建數(shù)據(jù)模型和應(yīng)用機器學習算法，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行中的潛在問題、趨勢和規(guī)律。

2.2.3 報警與故障

智慧瓦斯電廠的智能化控制系統(tǒng)可以實時感知電廠各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)分析和處理，快速發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常情況，如水溫、缸溫、軸承溫度超標，及時進行報警。智能化控制系統(tǒng)具備故障自動診斷功能，可以根據(jù)異常數(shù)據(jù)和設(shè)備運行狀態(tài)，提供一個基于規(guī)則和機器學習模型的自動故障診斷和分析服務(wù)，幫助管理人員快速定位問題。智能化控制系統(tǒng)還會將采集到的數(shù)據(jù)進行深入分析，包括歷史趨勢、維修周期、設(shè)備共性問題等，提供更全面、準確、智能的故障診斷結(jié)果，以便管理人員與檢修人員進行更加精細的維護操作。

2.2.4 檢修管理

智慧瓦斯電廠通過綜合考慮設(shè)備的維修需求、生產(chǎn)計劃、人力資源等因素，利用優(yōu)化算法進行智能化的維修調(diào)度和排程，可以最大程度地提高維修效率和資源利用率，減少停機時間，保證生產(chǎn)計劃的順利執(zhí)行。通過借助物聯(lián)網(wǎng)和遠程監(jiān)控技術(shù)，可以實時監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)，掌握設(shè)備的健康狀況和維修需求。同時，遠程支持團隊可以通過遠程協(xié)助和指導，幫助現(xiàn)場維修人員進行故障診斷和維修操作，提高問題解決的速度和準確性。

智慧瓦斯電廠通過信息化系統(tǒng)對備件和維修資源進行統(tǒng)一管理和控制。系統(tǒng)可以實時監(jiān)測設(shè)備維修歷史和備件庫存情況，根據(jù)需求進行自動化的備件采購和庫存補充。有助于避免備件過量或短缺的情況發(fā)生，提高備件的使用效率和降低庫存成本。

2.2.5 設(shè)備信息管理

智慧瓦斯電廠采用二維碼標識和智能化平臺手機App的方式進行設(shè)備信息管理，相較于傳統(tǒng)的資料存檔和查閱方式，具有以下優(yōu)勢。

（1）電子化資料永久保存：通過將設(shè)備信息電子化，可以避免傳統(tǒng)紙質(zhì)資料的損壞、遺失或磨損等問題。電子化資料可以長期保存，并且可以進行數(shù)據(jù)備份和災備措施，提高信息的可靠性和安全性。

（2）方便快捷的查詢方式：通過智能化平臺手機App掃描二維碼，可以輕松查詢設(shè)備的所有信息，大大節(jié)約查詢時間和人力成本。

（3）技術(shù)能力提升支持：通過智能化平臺手機App的使用，新員工可以更快地了解設(shè)備信息和工作流程。有助于個人技術(shù)能力的提升，加快適應(yīng)新環(huán)境，并且降低培訓成本和時間。

2.2.6 組態(tài)實時監(jiān)控

智慧瓦斯電廠通過組態(tài)實時圖監(jiān)控技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對生產(chǎn)過程的實時監(jiān)測和控制，提高瓦斯發(fā)電的效率和安全性。通過圖形化的界面，操作人員可以直觀地看到瓦斯電廠的整個流程和設(shè)備狀態(tài)，如燃料輸送系統(tǒng)、發(fā)電機等，能夠更加準確地了解生產(chǎn)情況。組態(tài)實時監(jiān)控能夠?qū)崟r采集瓦斯電廠各種參數(shù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括燃氣濃度、溫度、壓力、流量等，保證操作人員能夠及時獲得重要信息。通過設(shè)置特定閾值和條件，組態(tài)實時監(jiān)控能夠?qū)Ξ惓?shù)據(jù)進行判斷并觸發(fā)報警，如超溫、高壓、低水位等，及時提醒操作人員注意。智慧瓦斯電廠的組態(tài)實時監(jiān)控還支持遠程訪問和操作，能夠?qū)崿F(xiàn)在外地對設(shè)備和系統(tǒng)的監(jiān)控和控制，提高生產(chǎn)管理的便捷性和靈活性[1-2]。

3 數(shù)字化管理平臺設(shè)計

3.1 預期設(shè)計目標

瓦斯電廠數(shù)字化管理平臺的設(shè)計目標為確保各個子系統(tǒng)之間的相互連通，解決原有的信息孤島問題，并實現(xiàn)集中監(jiān)控和資源共享。為了達到這一目標，可以采取以下措施。

3.1.1 數(shù)據(jù)集成與共享

通過建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口和通信協(xié)議，將各個子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交互。從而實現(xiàn)不同子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的無縫對接，方便信息的互通與管理。

3.1.2 統(tǒng)一監(jiān)控與控制平臺

設(shè)計一個統(tǒng)一的監(jiān)控與控制平臺，將各個子系統(tǒng)的監(jiān)測點、傳感器、儀表等設(shè)備連接到該平臺上。通過該平臺，可以實現(xiàn)對不同子系統(tǒng)的集中監(jiān)控和控制，方便操作人員對整個瓦斯發(fā)電站進行綜合管理和運行調(diào)度。

3.1.3 實時數(shù)據(jù)傳輸與處理

建立高效可靠的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，確保各個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺，并進行實時處理和分析。通過實時數(shù)據(jù)傳輸與處理，能夠使管理人員及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常、故障等問題，并采取相應(yīng)的措施進行處理和修復。

3.1.4 告警與預測功能

在管理平臺中加入告警與預測功能，通過對各個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行分析和比對，及時發(fā)現(xiàn)潛在的故障風險，并提前預警，以避免事故的發(fā)生。同時，基于歷史數(shù)據(jù)和智能算法，可以進行設(shè)備運行狀態(tài)的預測，提供預防性維護的建議，優(yōu)化設(shè)備的使用壽命和運行效率。

3.1.5 可視化界面與操作

設(shè)計直觀友好的可視化界面，將瓦斯發(fā)電站的相關(guān)信息、數(shù)據(jù)、狀態(tài)等以圖形化的方式展示出來，方便操作人員進行監(jiān)控和操作。通過簡單直觀的操作界面，提高操作人員的工作效率和準確性。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 大數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)

建立完善的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對瓦斯發(fā)電站各個子系統(tǒng)、設(shè)備以及環(huán)境中的傳感器和監(jiān)測點進行數(shù)據(jù)采集?？梢圆捎矛F(xiàn)場總線技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等手段，實時獲取各個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲設(shè)備或云平臺。將采集到的大數(shù)據(jù)進行存儲和管理，使用分布式數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫等技術(shù)，確保數(shù)據(jù)的高可靠性和高可擴展性。同時，采用合適的數(shù)據(jù)壓縮和索引技術(shù)，優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲和查詢效率。對采集到的原始數(shù)據(jù)進行清洗和預處理，包括去除異常值、填補缺失值、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等操作，確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準確性。利用數(shù)據(jù)分析和挖掘技術(shù)，對瓦斯發(fā)電站的大數(shù)據(jù)進行深入挖掘。采用統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)挖掘、機器學習等方法，從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)隱藏的規(guī)律、趨勢和異常情況[3-4]。

3.2.2 節(jié)能環(huán)保技術(shù)

智慧瓦斯電廠應(yīng)用先進的節(jié)能與環(huán)保技術(shù)，如余熱回收利用、瓦斯凈化處理、廢氣排放治理等，降低資源消耗和環(huán)境污染。瓦斯電廠在發(fā)電過程中會產(chǎn)生大量的余熱，通過煙氣余熱鍋爐等設(shè)備進行余熱回收利用，將煙氣中的熱能轉(zhuǎn)化為蒸汽或熱水，用于供暖、工藝用熱等其他用途，提高能源利用效率；瓦斯電廠會產(chǎn)生含有二氧化碳、硫化物等有害氣體的瓦斯，采用先進的凈化設(shè)備進行脫硫、脫硝和除塵處理，將廢氣排放中的有害物質(zhì)降低到國家標準以內(nèi)，減少對大氣環(huán)境的污染；如果余熱無法完全回收利用，瓦斯電廠采用廢熱發(fā)電技術(shù)，通過廢熱鍋爐和蒸汽渦輪機等設(shè)備將余熱轉(zhuǎn)化為電能，提高瓦斯發(fā)電廠的整體能源利用效率。

3.2.3 遠程監(jiān)控與通信技術(shù)

智慧瓦斯電廠的遠程監(jiān)控系統(tǒng)通過傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和監(jiān)控終端實現(xiàn)對電廠各個環(huán)節(jié)的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集。例如：通過溫度、壓力、流量等傳感器獲取關(guān)鍵設(shè)備（如燃氣渦輪機、鍋爐）的運行參數(shù)，同時采集電力輸出、能耗數(shù)據(jù)等重要指標，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，實現(xiàn)對電廠運行狀態(tài)和設(shè)備性能的遠程監(jiān)控。智慧瓦斯電廠采用可靠的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，如局域網(wǎng)（LAN）、廣域網(wǎng)（WAN）和互聯(lián)網(wǎng)等，實現(xiàn)電廠內(nèi)部不同設(shè)備之間以及電廠與遠程監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸和共享。常用的通信協(xié)議包括以太網(wǎng)、Modbus、OPC等，確保數(shù)據(jù)的安全傳輸和實時性。遠程監(jiān)控系統(tǒng)還可以通過遠程操作與控制功能對電廠設(shè)備進行遠程調(diào)試、參數(shù)設(shè)置和故障排除。運維人員可以通過監(jiān)控終端對設(shè)備進行遠程控制，提高電廠的響應(yīng)速度和運行靈活性。

3.3 平臺技術(shù)架構(gòu)

本項目構(gòu)建的瓦斯發(fā)電數(shù)字化管理平臺技術(shù)架構(gòu)圖如圖1所示。

4 實際應(yīng)用案例

本項目研發(fā)的瓦斯發(fā)電數(shù)字化管理平臺已正式落地并上線運行，該智慧化電廠也正式投入使用。本項目的智慧化電廠管理平臺主要包括：一體化SIS/MIS管理系統(tǒng)、設(shè)備故障診斷與預警系統(tǒng)、基于互聯(lián)網(wǎng)+的安全管理系統(tǒng)、手機App移動應(yīng)用以及硬件支撐系統(tǒng)等功能模塊，在PC端與可視化大屏聯(lián)動，實現(xiàn)全廠自由導航、生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)實時監(jiān)控、生產(chǎn)運行實時監(jiān)控，全廠人員定位及危險區(qū)域管理、智能巡檢、生產(chǎn)異常及安全預警、設(shè)備故障診斷及智能培訓、移動辦公、設(shè)備預保養(yǎng)及維修管理、物資管理等全業(yè)務(wù)流程管控。

該平臺的正式運行，可以減少85%的設(shè)備故障率，提高機組10%的有效利用小時數(shù)，大幅降低工作人員的勞動強度[5]。

5 結(jié)語

瓦斯發(fā)電是一種重要的能源生產(chǎn)方式，其具有環(huán)保、高效等優(yōu)點，在能源領(lǐng)域中扮演著重要的角色。隨著信息技術(shù)的不斷進步，數(shù)字化管理平臺正在逐漸應(yīng)用于瓦斯發(fā)電行業(yè)中，并且取得了顯著的成果。文章通過對現(xiàn)有瓦斯發(fā)電站運營中存在的問題和需求進行分析，設(shè)計了一套瓦斯發(fā)電數(shù)字化管理平臺并進行了實際應(yīng)用。在該平臺中，引入了先進的信息技術(shù)，如物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等，以支持瓦斯發(fā)電站的管控和決策。

參考文獻

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