浅谈造纸企业自备电厂的智慧化解决方案

浅谈造纸企业自备电厂的智慧化解决方案

冯海臣 杨乐 周慧勤

（中国轻工业长沙工程有限公司 湖南 长沙 410114）

摘要：新时代背景下，智慧工厂成为工业企业新的要求和发展趋势，造纸企业推动自备电厂智慧化是建设者面临的新课题。本文论述了造纸企业自备电厂智慧化建设的背景、概念、目标及系统构成，对造纸企业自备电厂的智慧化建设解决方案提出了简要分析，通过数字化、智慧化发展以提升造纸企业自备电厂的建设、生产及管理水平，为造纸企业节能减耗，提高造纸企业竞争力。

关键词：自备电厂 智慧化 数字化 智能控制

0 引言

在当下第四次工业革命的浪潮中，人类迎来以信息物理系统为基础，工业生产高度网络化、数字化的智能化工业4.0时代，为推动工业制造业的创新发展及更好的生产模式，工业发展需进入“智能工厂和智能生产”的阶段。与发达国家先进的制造工业水平相比，我国在资源利用效率、智慧化程度、创新能力等方面尚有一定的差距。2015年国务院发布了部署全面推进实施制造强国的战略文件《中国制造2025》，要求加快信息技术与制造业深度融合，推进制造过程智能化，加快智能制造及智能生产，推行低碳环保、绿色化制造，从而提高国家制造业创新能力及国际竞争力。

根据《中国制造2025》规划，我国造纸工业迈入制造强国行列，造纸工业应走完工业3.0路程，逐步实现智能化，迈入工业4.0，全面提高造纸企业装备制造水平及自动化水平，实现节能环保、绿色生产、保护环境。国内大型造纸企业开始逐步进行数字化发展，如玖龙、理文、APP、太阳等浆纸行业的先行者，通过应用信息化、数字化技术、减少人工干预，提高生产经营效率，在节约能源及原材料等方面，已经逐渐取得了初步的成果。

自备电厂作为造纸企业的动力中心，为造纸厂生产运营提供蒸汽及电力，在有效降低造纸企业生产成本的同时，也增加了企业能源及环保负担。伴随造纸企业整合发展及生产规模的不断扩大，造纸企业自备电厂机组规模也越来越大，而国家对环保要求也越来越高，智慧化、信息化成为造纸企业自备电站发展的必然要求，因此推动自备电厂向智能生产、智能工厂转型尤为重要。

1 智慧化概念及目标

自备电厂智慧化通过数字化平台、智能检测、智能控制等技术，采用智能控制系统，利用信息化、网络化的通信技术，达到具有一定的感知、分析、学习和决策能力，能够适应生产及管理各个方面的变化，解决电厂建设、生产、运行、管理等过程中的问题，减少人工操作，提高生产效率，成为高效、节能环保的自备电厂。

自备电厂的智慧化以减员增效、节约投资、提高生产过程自动化水平及管理水平为主要目的；在工程建设过程中优化设计，降低造价，同时提高自动化水平，实现仪表及控制设备的智能化；在生产过程中通过先进的控制技术、控制方案、网络技术等提高设备自动化水平，优化控制及诊断，降低生产成本；在管理过程中通过信息技术与管理技术相融合，加强企业管理，提高企业效益，增强企业竞争力。

2 智慧化系统架构

2.1 总体功能

自备电厂智能化的系统结构，原则上包含由智能化设备层、智能化控制层和智能化管理层组成的管控体系，由本地技术支撑和远程技术支撑组成的技术支撑体系，以及与外部的互动接口三部分。管控体系为自备电厂智慧化的基础和核心，为智慧化提供数据基础和智能控制；技术支撑体系贯穿管控体系各个层级，为电厂智慧化提供技术支持；外部接口实现自备常常与智能电网调度、智能化管理、监管与运营等相关方的高效互动。

2.2管控体系

智能设备层主要包括智能化的检测仪表、检测设备、自动巡检、执行机构及现场总线设备等。该层构成了自备电厂智慧化管控体系的底层，实现对生产过程状态的测量、数据上传，以及从控制信号到控制操作的转换，并具备信息自举、状态自评估、故障诊断等功能。

智能控制层在智能设备层的基础上，对自备电厂的生产及辅助装置实施控制、优化和诊断。该层实现对主厂房及辅助车间采集的数据信息集中处理、控制信号计算和产生、优化控制实施和控制装置的故障诊断功能。

智能管理层以全厂各车间的生产监控、经营管理信息为基础，协调控制全厂生产、管理系统，实现生产过程、经营决策、防护管理等各方面的优化。

2.3技术支撑体系

本地技术支撑包括信息通信、状态监测、故障诊断、维护检修、性能测试、信息管理等，远程技术支撑包括远程数据中心、远程故障诊断、远程维护和远程试验等，基于智能检测控制、人工智能、大数据、移动互联等信息与网络技术，充分利用外部资源拓展自备电厂智慧化技术支撑体系。

2.4外部接口

自备电厂智慧化应具有与智能电网调度、集团（智能化）管理、政府监管、电力交易进行调度、管理与信息交互的接口，并应留有连接远程诊断中心的接口。

3 智慧化解决方案

自备电厂智慧化是数字化的延伸与发展，其功能涵盖工程建设阶段的设计、安装、调试、运行，生产运行阶段的参数检测、过程控制、操作，维护检修阶段及管理等各个过程。在建设过程中，采用数字化技术,利用Revit、PDMS、PDSOFT等BIM软件进行系统的建模，通过可视化、协同化设计，对整体厂区、厂房的设计进行整体优化分析，减少建设过程中出现的问题，将项目建设的成果提前在数字环境下模拟展现；在运行过程中，将完善的过程检测仪表及控制设备通过DCS等控制系统先进的控制策略达到理想的控制效果，减少维护检修的工作量，提高生产运行的可靠性；利用新的信息技术（云技术、物联网）、智能分析技术（智能算法、数据深度分析）、智能感知控制技术（机器人、射频识别RFID），实现维护及管理过程的智能化；从而实现全厂全生命周期（设计、建设、生产、管理等）数据的数字化，达到自备电厂安全、经济和环保等指标综合最优的目标。

3.1构建智能化设备平台

设备智能化是自备电厂智慧化的基础，自备电厂智慧化需要更多的设备数据，采用先进的检测手段、仪表和自控设备，为自备电厂智慧化提供足够的数据信息，将电厂系统和设备的生产、运行状态参数数字化，增加设备的监控信息量，有利于提高运行精确度，大幅度提升系统的可靠性。

目前造纸企业自备电厂的工艺系统及工艺设备的智能化水平不高，需要逐步完善和提高工艺系统及工艺设备的智能化，包括现场工艺设备、仪表、自控设备、监控设备等，主要有：

1）现场智能仪表；

2）调节阀及智能执行机构；

3）锅炉炉管泄漏监测系统；

4）锅炉飞灰含碳监测系统；

5）汽机安全监测仪表；

6）凝汽器在线清洗设备；

7）智能监控与安防系统；

8）先进检测设备等。

随着科学技术的不断进步，软测量、红外线检测仪表等多种型式的先进技术和先进检测手段的不断发展，智能设备层可通过各种先进的技术和智能化设备，获得工艺设备及系统更完备的状态参数，更好的掌握工艺设备及系统运行状态，达到更加理想的控制效果。

3.2构建智能化控制平台

智能控制层为自备电厂智慧化的核心层，要实现发电过程的智慧化，必须要构件智能化控制平台，建立造纸企业自备电厂的自诊断、自学习、自适应、自分析的数据基础, 构建控制层的数据库，完善生产过程控制功能。在智能化控制平台根据建立的数据库构建工艺设备及工艺系统的准确模型，精确掌握被控设备的状态信息，采用先进的控制方案及控制策略，完成具有自诊断、自学习、自适应、自分析的控制系统，实现机组智能监控、精准控制，减少人员、环保、高效的运行。

自备电厂智慧化需要更高的自动化水平，则需要对工艺设备和工艺系统的控制策略及控制系统进行完善，包括模拟量控制系统和顺序控制系统，使模拟量控制系统和顺序控制系统相互协调。通过对工艺设备及工艺系统已经构建的数据基础，形成更加智能化的模拟量控制系统，如燃料量控制系统、风量控制系统、主蒸汽温度控制系统等；通过对已获取的设备状态信息及控制要求，进行优化的逻辑控制，使顺序控制系统更加的智慧化，最大限度减少人工干预和人工操作。自备电厂需主要对以下子系统进行控制方案优化提升：

1）燃料量控制系统；

2）风量控制系统；

3）风量/燃料量协调控制系统；

4）主蒸汽压力控制系统；

5）主蒸汽温度控制系统；

6）床料层温度控制系统；

7）除氧器液位/凝汽器液位控制系统；

8）脱硫除尘脱硝系统；

9）吹灰系统；

10）一键启停控制系统（APS）等。

自备电厂工艺设备种类较多、工艺系统控制要求复杂，要求控制系统能适应并跟随工况的变化进行不断调整，因此更加智慧化的控制方案和控制系统也得到了更多的应用，比如一键启停控制系统APS，APS系统根据机组不同运行阶段可分为智能启机、智能运行、智能停机三大功能模块，三大模块可以独立应用也可无缝连接，APS系统结合DCS、DEH等系统具备智能增减断点、一键启动、辅助子系统智能管理、温升率优化计算、旁路优化控制、自动停机等多项功能，一键启停控制系统在控制范围和智能化程度方面均有很大的提高，能够更好的在启动、运行、停机过程减少人工操作，提高整个运行过程的自动控制水平、准确性及标准化，提升自备电厂设备及系统的安全。

3.3 构建智能生产监控平台

智能生产监控层是智能控制层的进一步提升，通过在智能控制层中获取的系统运行信息和数据，对自备电厂的生产、运行、维护过程进行智能化监控管理，从而使得控制层更加智慧，实现工艺设备及工艺系统更加健康、稳定、高效的生产运行。

智能生产监控层可利用自备电厂生产过程控制系统和厂级监控信息系统的数据采集、数据监视、性能计算分析、设备故障诊断等功能基础上，进行指标分析、耗差分析、性能计算、智能预警、智能报表、运行管理和优化运行等功能升级，该层级主要包括：

1）热网管理系统；

2）燃料管理系统；

3）设备诊断维护系统；

4）优化控制系统；

5）在线仿真系统；

6）三维可视系统等。

智能热网管理系统从造纸企业用热的实际需求出发，将先进的供热技术与管理知识相结合，通过智能设备与传感、智能监控、智能温控、负荷实时调节、能源管理等一系列系统的集成，在满足造纸企业用热需求的前提下，实现经济运行、高效管理。智能燃料管理系统在燃料计划、成本、入厂、采样、计量、化验、储存、输送等各个阶段进行智能化管理，保证稳定生产并追求燃料成本的最大经济化。通过构建智能生产监控平台对自备电厂管理系统、诊断维护系统、优化控制系统、仿真系统等的完善和建设，完成对自备电厂设备和工艺系统的运行状态的智慧化分析、管理和诊断维护，实现自备电厂设备的健康状态、寿命管理、运行性能等全面掌控，能够对设备故障进行早期预警、对设备检修维护更有针对性、计划性和实效性，为生产管理制定决策提供有力的依据，更好的实现智慧化管理。

3.4 构建智能管理平台

智能管理层应以自备电厂的生产及经营为基础，在保障安全生产的前提下，以提高经济效益和生产管理为主要目的，协调管控生产过程与经营管理系统，充分利用造纸企业及自备电厂本身的各种资源，实现正确的经营决策、优化的生产过程和安全的生产运营，提高自备电厂的经济效益和管理水平。

智能管理层可利用自备电厂管理信息系统、视频监视系统、门禁管理系统、报价系统、财务管理系统等基础上进行功能扩展，通过采用人工智能（AI）、工业大数据等新一代技术手段，完善或设置以下系统：

1）远程监控系统；

2）智能安防系统；

3）智能巡检系统；

4）智能管理决策系统等。

通过安全可控的远程监控系统，能够在远端同步监视现场操作画面、远程修改参数、调整程序并远程下装至生产控制系统，及时有效的解决生产过程中存在的问题。通过应用人工智能、高精度定位、人脸识别、视频分析、视频监控联动技术、无线网络等先进技术的智能巡检系统、智能安防系统、门禁管理系统加强厂区及生产现场的管理，从被动式的管理模式变为主动预防模式，即能节省巡检人员及次数，又能有效提升安全管理。通过智能管理决策系统进行计划、预算、指标、利润等的合理规划和管理，更利于自备电厂及整个企业的良好发展。

4 结束语

造纸企业自备电厂的智慧化建设是一项长期复杂的系统性工程，是一个渐进、持续和长期的过程，目前还处于建立样板的摸索阶段，尚没有统一的智慧标准，同时也面临投资、可靠性等问题，造纸企业需充分运用和开发适合造纸企业自备电厂特点的新一代信息技术和智能技术，同时可以从火力发电厂等智慧建设中汲取经验和教训，逐步开发并实现过程精确感知、智能决策和精准控制。造纸企业可根据全厂智能化水平、人员状况和生产经营需求，同时考虑技术成熟度与实施的经济性，通过分阶段实施来不断完善智慧化体系架构，持续提升建设水平和管理水平；在初级阶段完成信号的数字化采集与存储、生产过程自动化、生产数据与管理信息融合利用；在中级阶段完成优化控制、监控管理，减少人工干预及人员值守；在高级阶段完成更加全面的智慧化，提升自备电厂的智慧化水平，为造纸企业决策提供有力的依据，提高企业生产力和运营效率。

参考文献：

[１]中国电力企业联合会.电厂智能化技术导则：T/CEC 164-2018[S].

北京：中国电力出版社，2019.

[2]中国自动化学会发电自动化专业委员会 电力行业热工自动化技术委员会.智能电厂技术发展纲要［M］.北京：中国电力出版社，2016.

[3] 华志刚，郭荣，崔希，等．火电智慧电厂技术路线探讨与研究［J］.

热力发电，2019，48(10)：8-14.作者简介：冯海臣（1982-），男，黑龙江兰西人，高级工程师，本科，工作方向：

自动化。