在過(guò)去，傳統(tǒng)發(fā)電廠，如聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠、水電站和核電站，主要承擔(dān)基荷發(fā)電的角色，其輸出功率調(diào)整相對(duì)穩(wěn)定且可預(yù)測(cè)。而調(diào)峰電廠、抽水蓄能水電站以及需求響應(yīng)策略則主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)平衡電網(wǎng)負(fù)荷。
如今，可再生能源的興起改變了電網(wǎng)的運(yùn)行模式，不僅帶來(lái)了更多不確定性因素，還提高了對(duì)可調(diào)度傳統(tǒng)發(fā)電廠的依賴程度。由此引發(fā)的頻繁啟停、關(guān)機(jī)和快速負(fù)荷增減，給這些發(fā)電廠及其設(shè)備帶來(lái)了顯著的壓力。這可能導(dǎo)致汽輪機(jī)變形，鍋爐和換熱器出現(xiàn)頻繁的熱循環(huán)，以及管道和閥門遭受有害的熱沖擊。其中，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)施受到的影響尤為顯著，可能會(huì)面臨運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本上升、安全跳閘事件增加、運(yùn)行效率降低以及排放量增加等諸多問(wèn)題。
為什么說(shuō)現(xiàn)代化改造迫在眉睫
短期的波動(dòng)通常可以通過(guò)靈活的資產(chǎn)來(lái)管理。然而，更大范圍的系統(tǒng)級(jí)挑戰(zhàn)，例如與“鴨子曲線”(即一天中峰值負(fù)載與可再生能源發(fā)電量之間的落差)相關(guān)的傍晚負(fù)荷陡然增長(zhǎng)，需要傳統(tǒng)發(fā)電廠提供快速且靈活的響應(yīng)。此外，市場(chǎng)結(jié)構(gòu)正在發(fā)生變化，輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商正在對(duì)靈活性給予獎(jiǎng)勵(lì)。這些因素共同構(gòu)成了一個(gè)有力的理由，促使公用事業(yè)部門投資于短期資產(chǎn)和長(zhǎng)期現(xiàn)代化戰(zhàn)略。
發(fā)電廠的現(xiàn)代化可以涵蓋從升級(jí)控制系統(tǒng)和軟件，到更換機(jī)械和電氣資產(chǎn)，甚至是整個(gè)機(jī)組的更新?lián)Q代。在許多傳統(tǒng)發(fā)電廠(如水電或聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠)中，控制和安全系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初并沒(méi)有考慮到當(dāng)今動(dòng)態(tài)的運(yùn)行條件。
為了保持競(jìng)爭(zhēng)力，電廠運(yùn)營(yíng)商需要更智能、以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)優(yōu)化性能，降低成本和排放，適應(yīng)不斷變化的市場(chǎng)條件，并避免大規(guī)模的翻新改造。
傳統(tǒng)控制系統(tǒng)有何不足之處?
數(shù)十年來(lái)，發(fā)電廠一直依賴于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)主要圍繞簡(jiǎn)單的比例-積分-微分(PID控制系統(tǒng))回路構(gòu)建，用于管理關(guān)鍵變量的設(shè)定點(diǎn)輸出并維持推薦的運(yùn)行閾值。這些系統(tǒng)是為發(fā)電廠穩(wěn)定運(yùn)行在基荷狀態(tài)且電網(wǎng)需求較為可預(yù)測(cè)的時(shí)代而設(shè)計(jì)的。
然而，由于PID回路僅支持單變量控制，它們?cè)谔幚韺?shí)時(shí)性能優(yōu)化所需的復(fù)雜多變量交互時(shí)顯得力不從心。特別是在可再生能源整合所帶來(lái)的動(dòng)態(tài)條件下，這種情況尤為明顯，導(dǎo)致電廠運(yùn)營(yíng)商在運(yùn)行設(shè)備時(shí)往往采取保守的方式。
這樣一來(lái)雖然降低了風(fēng)險(xiǎn)，但也限制了性能，并導(dǎo)致以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：
• 響應(yīng)遲緩：缺乏預(yù)測(cè)能力，發(fā)電廠無(wú)法快速適應(yīng)可再生能源發(fā)電的突然激增或驟降。
• 手動(dòng)調(diào)整：隨著條件的變化，如燃料組合、負(fù)荷需求或環(huán)境溫度，操作員頻繁手動(dòng)調(diào)整，這不僅導(dǎo)致效率低下，還容易引發(fā)操作員疲勞。
• 燃料利用效率低下：雖然增減負(fù)荷是必要的，但如果沒(méi)有協(xié)調(diào)，會(huì)導(dǎo)致溫度和壓力等變量不穩(wěn)定，加速設(shè)備磨損，并增加燃料消耗。
• 排放增加：超出最佳運(yùn)行條件的波動(dòng)會(huì)增加碳和氮氧化物的排放。
• 電網(wǎng)罰款：無(wú)法滿足快速響應(yīng)要求的發(fā)電廠，在現(xiàn)代能源市場(chǎng)中會(huì)失去寶貴的靈活性獎(jiǎng)勵(lì)。
先進(jìn)過(guò)程控制系統(tǒng)成為電廠現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型的理想之選
EcoStruxure APC先進(jìn)過(guò)程控制系統(tǒng)改變了這一局面。盡管APC先進(jìn)過(guò)程控制系統(tǒng)在煉油、石油天然氣以及化工等行業(yè)已經(jīng)應(yīng)用了數(shù)十年，但近年來(lái)的技術(shù)進(jìn)步使其在發(fā)電廠的應(yīng)用也愈發(fā)廣泛。如今的APC先進(jìn)過(guò)程控制系統(tǒng)變得更加靈活、易于集成，并且更適合實(shí)時(shí)電網(wǎng)需求，使其成為傳統(tǒng)發(fā)電廠現(xiàn)代化改造的理想選擇。
EcoStruxure APC先進(jìn)過(guò)程控制系統(tǒng)并非依賴保守的設(shè)定點(diǎn)和手動(dòng)干預(yù)，而是安裝在現(xiàn)有的DCS分布式控制系統(tǒng)之上。其預(yù)測(cè)模型能夠識(shí)別真正的最佳運(yùn)行區(qū)域，并推動(dòng)過(guò)程向最佳區(qū)域靠攏。它在尊重操作員和工程師定義的約束條件的同時(shí)，優(yōu)化安全性、效率和靈活性。APC并不是取代發(fā)電廠的核心控制系統(tǒng)，而是對(duì)其加以增強(qiáng)。
我們可以將EcoStruxure APC先進(jìn)過(guò)程控制系統(tǒng)當(dāng)成一位智能助手，它能夠持續(xù)監(jiān)測(cè)工廠狀況并進(jìn)行預(yù)測(cè)性的實(shí)時(shí)調(diào)整。它不再依賴操作員手動(dòng)修正，而是分析燃料和空氣需求、空氣分配或負(fù)荷增減等因素如何與工廠的關(guān)鍵變量(如壓力、溫度或排放)相互作用，然后同時(shí)對(duì)它們進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最大效率、安全性和靈活性。
實(shí)現(xiàn)從被動(dòng)響應(yīng)到主動(dòng)預(yù)測(cè)
與傳統(tǒng)系統(tǒng)不同，EcoStruxure APC先進(jìn)過(guò)程控制系統(tǒng)能夠主動(dòng)調(diào)整操作，并在電網(wǎng)條件波動(dòng)時(shí)幫助維持最佳性能，具體表現(xiàn)為：
• 同時(shí)微調(diào)多個(gè)變量：該解決方案考慮工廠內(nèi)復(fù)雜的多變量關(guān)系，而不僅僅是一次調(diào)整一個(gè)參數(shù)，從而將操作推向最佳點(diǎn)。
• 多功能處理：比人工處理能力更強(qiáng)，同時(shí)平衡效率、靈活性和排放。
• 預(yù)測(cè)變化而非被動(dòng)響應(yīng)：預(yù)測(cè)模型分析實(shí)時(shí)狀況，并在效率低下出現(xiàn)之前主動(dòng)調(diào)整工廠操作。
這有助于實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：
• 提高效率，降低燃料消耗：工廠使用更少的燃料，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，穩(wěn)定運(yùn)行并減少不必要的波動(dòng)。
• 無(wú)需大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施變更即可集成：先進(jìn)的優(yōu)化解決方案被疊加在現(xiàn)有的DCS分布式控制系統(tǒng)上，無(wú)需停機(jī)或大規(guī)模改造。
• 更快的投資回報(bào)(ROI)：即使是1-2%的小效率提升，也能轉(zhuǎn)化為每年數(shù)十萬(wàn)美元的節(jié)省，投資回報(bào)通常在一年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)代先進(jìn)過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于與任何現(xiàn)有的DCS配合工作。它們獨(dú)立運(yùn)行，并對(duì)操作員保持透明。一旦配置完成，該系統(tǒng)直觀易用，易于監(jiān)控，且?guī)缀鯚o(wú)需手動(dòng)干預(yù)，使其成為一個(gè)值得信賴的工具，而非一個(gè)“黑箱”。
帶來(lái)實(shí)際可衡量的收益
這些好處已經(jīng)在全球各地的發(fā)電廠中得到驗(yàn)證。例如，美國(guó)一家400兆瓦的燃煤電廠部署了EcoStruxure APC先進(jìn)過(guò)程控制系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)性過(guò)程優(yōu)化，效率提升了0.7%，每年減少1.5萬(wàn)噸二氧化碳排放，氮氧化物排放減少了24%，每年節(jié)省近70萬(wàn)美元。
此外，西班牙一家生物質(zhì)發(fā)電廠也取得了類似的成果。他們的燃料節(jié)省達(dá)到了每年15萬(wàn)美元，排放減少了10%，操作員手動(dòng)干預(yù)顯著減少，減輕了員工和電廠自身的壓力。
有助于贏得未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)
我們見(jiàn)證了先進(jìn)過(guò)程控制系統(tǒng)如何能夠轉(zhuǎn)變發(fā)電廠的運(yùn)營(yíng)。如今，我們的EcoStruxure APC先進(jìn)過(guò)程控制系統(tǒng)解決方案已在全球超過(guò)300個(gè)安裝點(diǎn)投入使用，幫助運(yùn)營(yíng)商減少能源消耗、降低排放并提高盈利能力。
隨著能源轉(zhuǎn)型的加速，可再生能源將繼續(xù)增長(zhǎng)，電力生產(chǎn)進(jìn)一步分散化，電網(wǎng)需求將變得更加動(dòng)態(tài)。這為發(fā)電廠運(yùn)營(yíng)商提供了一個(gè)絕佳的機(jī)會(huì)，去擁抱實(shí)時(shí)優(yōu)化和預(yù)測(cè)性控制，以提高效率和可持續(xù)性，并在一個(gè)日益復(fù)雜的市場(chǎng)中獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
