熱能和電能是工業(yè)生產(chǎn)和居民生活最重要的基礎(chǔ)能源，中國的工業(yè)體量和人口基數(shù)決定了中國是全球最大的熱電消費(fèi)國。中國的能源稟賦是“多煤少油貧氣”，煤電所耗能源占總體能源消耗的57%，煤炭能源作為中國能源消費(fèi)的壓艙石地位將不會動(dòng)搖。同時(shí)，煤電也貢獻(xiàn)了32%的PM2.5和42%的二氧化碳。所以，熱電尤其是燃煤熱電如何優(yōu)化升級是我國雙碳路徑上最重要的話題之一。
項(xiàng)目
概況
湖北應(yīng)城某化工企業(yè)，主要從事純堿、氯化銨、復(fù)合肥等生產(chǎn)和加工，固定資產(chǎn)20個(gè)億，位于應(yīng)城市鹽化大道26號。已建成投運(yùn)2臺循環(huán)流化床鍋爐，1臺汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，2臺減溫減壓器以及供熱管網(wǎng)，通過管網(wǎng)對外提供3.0MPa和0.8MPa兩個(gè)壓力等級的蒸汽，全部供應(yīng)集團(tuán)的聯(lián)堿廠、合成氨廠、鹽廠。
項(xiàng)目背景
熱電生產(chǎn)系統(tǒng)核心控制系統(tǒng)基于PID技術(shù)，屬于非線性、強(qiáng)耦合、大延遲、多時(shí)變系統(tǒng)，無法做出正確的生產(chǎn)執(zhí)行決策和有效地進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行，仍廣泛依賴運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)時(shí)控制，運(yùn)行人員自主決策，并手動(dòng)將調(diào)控指令通過DCS系統(tǒng)進(jìn)行下達(dá)和執(zhí)行。當(dāng)前該企業(yè)的熱電生產(chǎn)系統(tǒng)還存在煤和沼氣爐渣摻燒現(xiàn)象，加重了對運(yùn)行人員運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的依賴。
以上因素造成該企業(yè)熱電生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)控制不穩(wěn)定、鍋爐燃燒主汽參數(shù)、床溫、排煙溫度等運(yùn)行參數(shù)波動(dòng)較大，排煙氧濃度偏高，爐渣殘?zhí)剂枯^高，造成鍋爐燃燒控制不優(yōu)化，造成能源浪費(fèi)；鍋爐負(fù)荷分配未考慮設(shè)備效率曲線及總負(fù)荷變化，造成鍋爐負(fù)荷波動(dòng)大且頻繁；汽機(jī)進(jìn)汽參數(shù)未考慮汽機(jī)做功效率和負(fù)荷變化，進(jìn)汽參數(shù)波動(dòng)范圍較大；供汽壓力和供汽溫度波動(dòng)存在超標(biāo)供應(yīng)的情況以及設(shè)備控制采用同升同降控制模式，造成整個(gè)熱電生產(chǎn)系統(tǒng)能效水平低，存在較多的能效提升空間。
項(xiàng)目簡介
面對該企業(yè)當(dāng)前熱電生產(chǎn)中面臨的突出問題，上海全應(yīng)科技有限公司（以下簡稱“全應(yīng)科技”）根據(jù)該企業(yè)當(dāng)前設(shè)備情況以及具體生產(chǎn)工況，依托全應(yīng)熱電云（面向熱電行業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)），結(jié)合工業(yè)機(jī)理和專家知識，建立了覆蓋熱電生產(chǎn)系統(tǒng)端到端的數(shù)字孿生模型，覆蓋鍋爐、汽機(jī)、供熱管網(wǎng)、減溫減壓器等，實(shí)現(xiàn)該企業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行全方位的智能化升級，為運(yùn)行人員提供全局最優(yōu)的最佳的運(yùn)行參數(shù)。
3. 項(xiàng)目目標(biāo)
經(jīng)過全應(yīng)科技熱電專家團(tuán)隊(duì)的前期調(diào)研，通過全應(yīng)熱電云的熱電智能化解決方案，可為該企業(yè)熱電系統(tǒng)進(jìn)行鍋爐燃燒優(yōu)化、鍋爐負(fù)荷分配、汽機(jī)做功能力、供汽參數(shù)優(yōu)化，并確定熱電總體能效預(yù)計(jì)可提升2.1%，提升熱電系統(tǒng)的運(yùn)行效能，降低二氧化碳、氮氧化物等污染物的排放。
二、項(xiàng)目實(shí)施概況
1. 項(xiàng)目總體架構(gòu)和主要內(nèi)容
全應(yīng)熱電云以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為技術(shù)架構(gòu)，基于大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，通過全面實(shí)時(shí)采集熱電生產(chǎn)的全流程數(shù)據(jù)，建立生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型，實(shí)時(shí)尋優(yōu)和自主決策，為電廠生產(chǎn)控制提供一套智能化系統(tǒng)，替代人工運(yùn)行決策，并且在一定程度上替代人工執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)熱電廠運(yùn)行的準(zhǔn)“自動(dòng)駕駛”。通過這套智能控制系統(tǒng)，可以屏蔽由于人的因素所帶來的運(yùn)行不優(yōu)化和不穩(wěn)定的問題，降低熱電運(yùn)行的安全風(fēng)險(xiǎn)、改善環(huán)保排放控制不穩(wěn)定而產(chǎn)生的排放超標(biāo)問題、顯著提升全廠能效和產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性。
圖1 全應(yīng)熱電云
全應(yīng)熱電云熱電智能化解決方案采用業(yè)界常用的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)：“云+邊+端”，其中：
云是指全應(yīng)科技通過 SaaS 模式交付給這家熱電廠的全應(yīng)熱電云解決方案的云端部分，發(fā)揮公有云系統(tǒng)在存儲空間、算力、安全性、可擴(kuò)展性等方面的優(yōu)勢
，
為在云端建立虛擬的數(shù)字孿生工廠
；
邊是指邊緣端，位于這家熱電廠的機(jī)房，靠近生產(chǎn)系統(tǒng)
部署數(shù)字孿生模型
，
使其
在網(wǎng)絡(luò)傳輸速度、網(wǎng)絡(luò)可靠性和安全隔離性等方面有其獨(dú)特優(yōu)勢；
端是指邊緣客戶端和云客戶端。邊緣客戶端是一套軟硬件一體的專有智能看板設(shè)備。云客戶端通過一套手機(jī)APP和一套PC瀏覽器系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，極大地提高了便捷性。
全應(yīng)熱電云
架構(gòu)
全應(yīng)熱電云工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)
全應(yīng)熱電云通過云資源自主搭建人工智能miner平臺用于模型的設(shè)計(jì)和訓(xùn)練，自主搭建大數(shù)據(jù)平臺，用于數(shù)據(jù)倉儲以及實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)分析，自主開發(fā)IoT Gateway用于收集、清洗、過濾、處理熱電生產(chǎn)數(shù)據(jù)，同時(shí)部署微服務(wù)平臺用于快速各種資源以及應(yīng)用。
圖2 全應(yīng)熱電云工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)
（2）全應(yīng)熱電云網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)
圖3 全應(yīng)熱電云網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)
全應(yīng)科技結(jié)合熱電廠實(shí)際情況，在熱電廠側(cè)共計(jì)部署智能邊緣控制器3臺，企業(yè)防火墻1臺，工業(yè)交換機(jī)1臺，智能看板4臺。既能提供熱電生產(chǎn)的智能化運(yùn)行，又能確保熱電生產(chǎn)系統(tǒng)與外界隔離，確保熱電生產(chǎn)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。
3. 具體應(yīng)用場景和應(yīng)用模式
全應(yīng)熱電云解決方案收集該熱電廠具體生產(chǎn)現(xiàn)狀的端到端數(shù)據(jù)，結(jié)合專家知識和工業(yè)機(jī)理，在云端建立熱電廠的數(shù)字孿生模型。數(shù)字孿生模型的構(gòu)建主要包括：
使用工業(yè)機(jī)理、專家知識模型來覆蓋目標(biāo)行業(yè)中多年來沉淀下來的相對穩(wěn)定的知識體系。不同類型的設(shè)備（如：鍋爐、汽機(jī)、供熱管網(wǎng)）具有不同的生產(chǎn)特性，但是相同類型、相同工作參數(shù)的設(shè)備。
使用人工智能結(jié)合大數(shù)據(jù)體系，依靠對大量歷史數(shù)據(jù)的分析產(chǎn)生對該設(shè)備此時(shí)此刻的運(yùn)行規(guī)律的準(zhǔn)確認(rèn)知，對相同類型、相同參數(shù)的設(shè)備的使用年限，環(huán)境，操作等進(jìn)行分析，準(zhǔn)確獲得他們之間逐漸產(chǎn)生的特性差異。
圖3 建立數(shù)字孿生模型
本項(xiàng)目中為企業(yè)建立了127個(gè)數(shù)字孿生模型和282個(gè)控制邏輯單元，模型包括：鍋爐燃燒效率模型、鍋爐蒸汽產(chǎn)量預(yù)測模型、冷渣機(jī)模型、給煤機(jī)模型、一次風(fēng)二次風(fēng)模型、引風(fēng)模型、化水模型、汽包模型、脫硫脫硝模型、汽機(jī)做功模型、供汽負(fù)荷預(yù)測模型、減溫減壓器模型、管網(wǎng)壓降模型、管網(wǎng)溫降模型、用戶能耗模型、天氣模型等。
圖4 鍋爐燃燒優(yōu)化
針對生產(chǎn)過程中鍋爐燃燒進(jìn)行專門的優(yōu)化，根據(jù)當(dāng)前的工況條件下的負(fù)荷情況，通過在線實(shí)時(shí)計(jì)算燃料熱值、統(tǒng)計(jì)總風(fēng)量、總的入爐煤量，結(jié)合建立的數(shù)字孿生模型，實(shí)時(shí)計(jì)算出鍋爐燃燒的最佳效率點(diǎn)，并給運(yùn)行人員提供最佳運(yùn)行參數(shù)。
圖5 鍋爐多機(jī)協(xié)調(diào)優(yōu)化
在多臺鍋爐和多臺汽機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，可以通過優(yōu)化多臺鍋爐和多臺汽機(jī)間的負(fù)荷分配，讓多臺鍋爐和多臺汽機(jī)都運(yùn)行在較高效率的區(qū)間，提升整體效率，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。例如：
在負(fù)荷相對穩(wěn)定的前提下，結(jié)合每臺鍋爐的燃燒特性和最佳能效區(qū)間，在進(jìn)行鍋爐負(fù)荷分配時(shí)，優(yōu)先給性能好的鍋爐增加負(fù)荷，性能較差的鍋爐降低負(fù)荷。
在蒸汽輸入相對穩(wěn)定的前提下，結(jié)合每臺汽機(jī)的特性和最佳做功區(qū)間，在進(jìn)行汽機(jī)負(fù)荷分配時(shí)，優(yōu)先給性能好的汽機(jī)增加負(fù)荷，性能較差的汽機(jī)降低負(fù)荷。
圖6 蒸汽過熱度優(yōu)化
對于熱電廠來說，在滿足用戶需求的前提下，不同環(huán)境氣溫變化及用戶負(fù)荷流量變化時(shí)，通過對分汽缸蒸汽壓力與溫度的調(diào)整精準(zhǔn)壓線控制用戶端的蒸汽參數(shù)，可以避免造成浪費(fèi)。該企業(yè)的中壓管線3.0MPa蒸汽去聯(lián)堿廠，蒸汽溫度260 ~ 280℃，為保證下游用汽溫度，長期保持在270℃~ 280℃。
全應(yīng)熱電云對整個(gè)供熱管網(wǎng)進(jìn)行整體建模后，主要設(shè)計(jì)管道的壓降模型和供熱延遲模型，結(jié)合實(shí)際用戶端的實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)，預(yù)測下一個(gè)供熱時(shí)延周期，供熱管線入口處的熱負(fù)荷，協(xié)調(diào)鍋爐和汽機(jī)負(fù)荷。實(shí)際效果，可以降低供熱管線入口蒸汽溫度至265℃~272℃，即滿足消費(fèi)端使用，又能提高整個(gè)熱電系統(tǒng)的能效水平。
三、項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)和實(shí)施效果
1. 項(xiàng)目先進(jìn)性及創(chuàng)新點(diǎn)
全應(yīng)熱電云以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為技術(shù)架構(gòu)，基于大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，通過全面實(shí)時(shí)采集熱電生產(chǎn)的全流程數(shù)據(jù)，建立生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型，實(shí)時(shí)尋優(yōu)和自主決策，為電廠生產(chǎn)控制提供一套智能化系統(tǒng)，替代人工運(yùn)行決策，并且在一定程度上替代人工執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)熱電廠運(yùn)行的準(zhǔn)“自動(dòng)駕駛”。通過這套智能控制系統(tǒng)，可以屏蔽由于人的因素所帶來的運(yùn)行不優(yōu)化和不穩(wěn)定的問題，降低熱電運(yùn)行的安全風(fēng)險(xiǎn)、改善環(huán)保排放控制不穩(wěn)定而產(chǎn)生的排放超標(biāo)問題、顯著提升全廠能效和產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性，為熱電廠帶來每年數(shù)萬噸煤的節(jié)省、數(shù)萬噸二氧化碳的減排、上千萬元的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
全應(yīng)熱電云為實(shí)現(xiàn)熱電智能化，核心技術(shù)點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)如下：
采用“云+邊+端”模式，搭建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，在云平臺中自建大數(shù)據(jù)、人工智能平臺，實(shí)現(xiàn)在線的、虛擬的熱電生產(chǎn)數(shù)字孿生模型，達(dá)到對真實(shí)熱電生產(chǎn)系統(tǒng)的在線模擬、仿真、預(yù)測，并將生成的數(shù)字孿生模型下發(fā)至邊緣端，實(shí)現(xiàn)熱電生產(chǎn)系統(tǒng)ms級實(shí)時(shí)響應(yīng)，同時(shí)提供智能看板，實(shí)時(shí)提供全局最佳的運(yùn)行參數(shù)給一線運(yùn)行人員。
全應(yīng)熱電云采用將數(shù)據(jù)智能和工業(yè)機(jī)理、專家知識緊密融合的策略，構(gòu)建數(shù)字孿生模型。經(jīng)過幾年的發(fā)展，現(xiàn)已然構(gòu)建了熱電系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型體系，涵蓋熱電生產(chǎn)端到端的設(shè)備，主要包括鍋爐、汽機(jī)、供熱管網(wǎng)、減溫減壓等。
到目前為止，全應(yīng)熱電云已成功服務(wù)全國13個(gè)省市自治區(qū)50多家熱電企業(yè)，幫助企業(yè)進(jìn)行熱電智能化升級，進(jìn)行節(jié)能降耗、減排減碳。
2. 實(shí)施效果
全應(yīng)熱電云上線運(yùn)行后，整體交付效果達(dá)到合同期望，能效提升達(dá)2.1%，企業(yè)年耗煤30~35萬噸，直接燃煤節(jié)省共計(jì)6737噸，加入煤價(jià)按1200元/噸，成本共計(jì)節(jié)省：808萬。
