国华北京燃气热电厂数字化建设整体规划研究.docx
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国华北京燃气热电厂数字化建设整体规划研究
国华北京燃气热电厂数字化建设整体规划研究
北京理工大学工商管理（MBA）硕士学位论文
摘要
经历了最近十年的黄金发展阶段,国内发电企业全面实现了生产流程从自动化到
信息化的跨界发展,具备了实现基本建设、生产流程、运行营管理一体数字化的发展
条件。
发电企业要确保安全生产,强化管理品质,推动节能降耗,提高核心竞争力,
就必须抓住机遇,对生产方式和管理模式进行战略性调整,借助数字化手段推进企业
创新发展。
北京东北热电中心神华国华北京燃气热电厂项目作为国华电力“清洁发电、节能
减排”战略的重要组成,是践行“建设世界一流的数字化电站”管理要求的试点项目。
国华北京燃气热电厂数字化建设整体规划,按照对数字化电厂建设目标,对三维设计、
总线技术的应用、联合循环“一键启停”、管理平台整合等方面结合设计、生产组织、
运营模式进行整体管理模式的分析,为实现数字化电厂建设提出了规划方向。
本论文
对数字化电厂建设的规划对国内发电企业数字化的建设和发展也具有一定的参考价
值。
关键词:
燃气热电厂;数字化;整体规划;
II北京理工大学工商管理（MBA）硕士学位论文
Abstract
Aftertenofgoldenyearsofdevelopment,powergeneratingcompaniesin
chinahavecompletedtheintegrationofgeneratingprocessautomationwith
informationtechnology,readyforthedigitallyintegrationofconstruction,
generatingprocess,operationmanagement.Theutilitieshavetomakeadvantage
ofdigitalmethodstoimprovethegeneraledgeofcompetitivenessShenhuaguohuaBeijinggas-firedpowerplantprojectisanimportantpart
ofGuohuapowercompany’sstrategyof“cleanelectricity,energy
conservation”and“constructionofworld-classdigitalpowerstation”.The
researchofgeneralprogrammingofdigitallyconstructionofBeijinggas-fired
powerplantprojectwasbasedonthree-dimensiondesigning,standardruleof
codingforequipment,bustechnologyandsoon.Thearticleofresearchof
theprogrammingcanbeusedasreferencefortheconstructionofdigitalpower
plantinotherprojects
Keywords:
gas-firedpowerplant;digitalization;generalprogramming;
III北京理工大学工商管理（MBA）硕士学位论文
目录
研究成果声明.I
关于学位论文使用权的说明.I
摘要II
ABSTRACTIII
第1章绪论1
1.1本论文的背景.1
1.2本论文研究范围2
1.3研究思路和方法3
第2章数字化电厂的整体结构与实现研究4
2.1数字化电厂的概念4
2.2数字化电厂整体结构.6
2.3国华电力数字化建设差距分析7
2.4实现数字化电厂的改进要点.8
2.5小结9
第3章数字化电厂的三维设计研究11
3.1传统设计方式的问题研究11
3.2三维设计的优点与应用现状分析11
3.3数字化电厂的三维设计建设目标12
3.4三维设计管理的要求与措施14
3.5小结.15
第4章数字化电厂现场总线的开发规划研究16
4.1传统电厂的控制方式存与现场总线的比较.16
4.1.1传统电厂的控制方式及存在的问题.16
4.1.2现场总线的特点分析和实施意义16
4.2现场总线的应用发展现状18
4.3现场总线在火电厂的应用条件分析.19
4.3.1控制系统及控制设备对现场总线技术的兼容性管理19
4.3.2应用现场总线系统的可靠性管理分析20
4.3.3应用现场总线系统的实时性管理分析20
4.3.4采用现场总线技术对设计、安装和调试工作的管理要求.20
4.4本项目现场总线控制应用规划.21
IV北京理工大学工商管理（MBA）硕士学位论文
4.4.1本项目现场总线控制应用范围21
4.4.2本项目现场总线应用的主要原则22
4.4.3智能设备数据的开发利用管理22
4.4.4物资硬件性能要求23
4.5小结23
第5章联合循环机组APS运行管理的实现研究25
5.1APS实施对建设数字化电厂的意义.25
5.2APS总体设计原则25
5.2.1机组启动过程设计28
5.2.2机组停机过程设计30
5.3APS参与单位的分工与管理.32
5.4APS实施管理.33
5.4.1技术准备阶段33
5.4.2方案规划阶段33
5.4.3程序设计与功能组完善阶段.33
5.4.4调试投运阶段33
5.5小结34
第6章数字化电厂管理信息系统构建研究.35
6.1当前电厂管理信息系统存在的问题分析35
6.2数字化电厂管理信息系统整合原则研究35
6.3管理信息系统整合实施方案36
6.4小结37
第7章数字化电厂运营监控管理中心整合研究38
7.1运行管理中心整合研究.38
7.2设备管理中心整合研究.39
7.3安保管理中心整合研究.41
7.4小结43
结论44
参考文献.45
致谢47
V北京理工大学工商管理（MBA）硕士学位论文
第1章绪论
1.1本论文的背景
随着我国电力体制改革的深化,电力行业市场经济的逐步形成,电力市场有序
竞争将更加激烈,追求投资效益最大化已成为投资主体的内在动力,发电企业必将加
速进入信息化时代。
节能减排、新能源、两化融合（工业化和信息化）等政策的出
台,表明了国家对于传统能源行业改造的决心,也指引了能源产业升级发展的方向。
作为发电企业,要确保安全生产,提升管理品质,推动节能降耗,就必须对生产方
式和管理模式进行战略性调整,借助数字化手段推进企业创新发展。
可以断言,再
过若干年就会看到,有的电厂用大力气扎扎实实抓好信息化,实现生产过程和运营
管理数字化,企业的安全和经济效益将遥遥领先;反之必将在电力市场竞争中处于
十分被动的局面。
国华电力公司从成立之初就提出建设“数字国华”的远景目标。
国华电力2011
年工作报告中明确提出了建设“低碳环保、技术领先、世界一流的数字化电站”和
“一键启动、无人值守、全员值班的信息化电站”的具体要求。
神华国华北京燃气热电工程根据北京市发改委关于东北热电中心建设的有关要
求,拟建设一套国产2拖一M701F4燃气-蒸汽联合循环供热发电机组。
汽轮机选用
三压、再热、双缸、下排汽汽轮机,高、中压缸与低压缸之间加装SSS离合器,采
暖期按照背压机运行,中压缸的全部排汽用于供热,非采暖期按照凝汽式运行。
余
热锅炉选用三压、无补燃、卧式、自然循环余热锅炉,同步建设烟气脱硝装置。
年
平均发电出力950MW,冬季最大供热能力658MW,实现供热面积约1200万平方米。
项目占地面积约为10万平方米,总投资约38亿元。
项目投产后,将有效缓解当前
北京市供热紧张局面,为北京东北部地区供热提供强有力的保障,增强对北京电网
的支撑能力,推进能源结构调整,对首都城市建设及经济社会的可持续发展具有重
要意义。
神华国华北京燃气热电项目作为国华电力“清洁发电、节能减排”战略的重要
组成,是践行“建设世界一流的数字化电站”管理要求的试点项目,同时也是在首
都展现国华实力的重要示范性工程。
为了明确神华国华北京燃气热电厂项目数字化
建设的总体目标和主要任务,加强相应的组织领导,统筹规划、协调推进数字化电
站建设,结合相关技术研究与方案设计,开展本论文的研究。
1北京理工大学工商管理（MBA）硕士学位论文
1.2本论文研究范围
数字化电厂是以数字化内容为基础,贯穿电厂全生命期,高度自动化控制和全
面数字化管理的电厂整体信息化体系。
全面实施数字化电厂建设,实现不同组织、
不同管理体系,不同软件平台独立运行基础上的一体化管理。
数字化电厂建设总体上可分解为数字化工程、数字化控制、数字化管理三大部
分。
数字化工程是一个完整的电厂建设管理体系。
数字化工程采用现代项目管理理
论和数字化管理方法,全面管控制电厂建设的全过程。
数字化工程以工程编码为基
础,以数字化三维设计为源头,以数字化建设管理（基建MIS）为控制手段,全面
管控建设费用、时间和内容;并实现实体电厂和与之对应的数字化三维模型电厂的
同步移交。
通过数字化移交（EB、VNET）能够向运行期的数字化生产管理提供合
格有效的原始基础数字化内容。
原始基础数字化内容能够支撑实体电厂的数字化生
产管理体系有效运行。
数字化控制涵盖了现场总线、单元机组控制系统（DCS）,全厂辅助车间的控制
系统（LCS）,电力系统的控制系统（NCS）,以及可视化监视系统（CCTV）等。
数
字化控制以规模化现场智能监控设备为基础,全面采用现场总线技术,将现场的运
行监控信息和设备管理信息送入数字化控制系统,进行全面运行监控,实现高度自
动化（一键起停）和监控一体化（可视化）的运行监控。
数字化管理是以数字化工程提供的原始基础数字化内容和数字化控制提供的动
态参数数据内容为基础,构建电厂的生产管理体系,其中包括数字化运行管理系统
（SIS）、数字化资产管理系统（EAM）,对于要求比较高的数字化生产管理还可以
包括三维信息中心（VNET）（在实现现场实时可视化的同时增加虚拟可视化能力）;
在数字化生产管理的基础上构建以数字化资源管理系统（ERP）为核心的数字化综
合管理体系,并最终打造出实体系统与信息化系统深度融合的数字化电厂。
国华北京燃气热电厂数字化建设整体规划研究充分结合燃气-蒸汽联合循环机
组系统相对精练、设备自动化程度高的优势,积极创新,研究现场总线技术,实现
设备一键启动,建设现代数字化电厂,按照对数字化电厂建设目标及内容,具体对
三维设计与成果移交、总线技术的应用、联合循环“一键启停”、管理平台的整合等
2北京理工大学工商管理（MBA）硕士学位论文
方面结合项目的设计、生产组织、运营模式进行整体分析,为实现数字化电厂建设
提出规划方案。
1.3研究思路和方法
本论文的研究过程大体采用如下方法:
通过“总结法”明确数字化电厂的概念
与整体构架。
采用“观察法”进行现状总结,对国华电力现阶段发电厂控制系统集
约化、经营管理信息化所达到的阶段进行分析,从而获得国华电力数字化电厂建设
现状水平。
采用“咨询法”进行燃气数字化电厂建设管理规划分析,向电力设计院、
发电厂调试研究单位、国内外新型的准数字化电厂的咨询数字化电厂建设中的现状
及问题所在,了解电厂全面运营及管理数字化电厂的要求,掌握数字化电厂建设需
要规划研究的具体内容。
通过“对比分析法”对国华电力现阶段的发电厂控制系统
集约化、经营管理信息化的水平与电力行业数字化建设的发展要求进行比较,分析
总体差距和应采取的对策,然后采用“分项研究法”对数字化电厂建设所需要的各
方面进行逐项分析研究,提出数字化电厂建设的全方位整体规划,使之具体化,对
数字化电厂的实施具有实际指导意义。
3北京理工大学工商管理（MBA）硕士学位论文
第2章数字化电厂的整体结构与实现研究
随着我国电力体制改革的深化,电力行业市场经济的逐步形成,发电企业也加
速进入信息化时代。
管理大师德鲁克说过:
“如何组织机构,只要能更好的掌握信息,
更快速灵活地运用知识,举一反三,定能在长期的竞争中占据优势”。
电厂的数字化
也进入了必然。
根据美国商务部国家标准和技术院的统计显示:
40%的工程时间使用在查询和验
证信息上,系统间沟通的不足浪费了30%的项目费用,因此信息一次录入后能提供
所有系统使用,可以潜在节省50%的项目交钥匙时间和14%的运行维护费用。
（Deloitte,美国,2010）
对运营中的电厂来讲,实施数字化电厂的意义主要在于实现下列方面的功能:
提供一个面向资产的、集成的、稳定的、可包含历史数据和文档的集合,以支
持资产信息全生命周期的管理;
集唯一性、集成性、个性化和整体性于一体,以最短的时间获取正确信息;
数据和信息实现“从业务中来,到业务中去”,实现“数据?
信息?
知识”的过程,
从而为企业管理阶层提供各种层次的支持;
提供交流和共享平台,实现知识有效交流和共享以发挥倍增效应;
真正实现“知己”,能从多种维度、多个侧面、多种数据综合程度查看数据,识别
和提炼有价值的信息,作为正确决策的辅助参考。
2.1数字化电厂的概念
根据数字化电厂实施的目的,数字化电厂应是在企业数据仓库基础上对电厂物
流、资金流、信息流和工作流进行综合分析的系统,将电厂全生命周期基建、生产、
经营和决策等各阶段的数据、资料整合,并能通过整合后的管理平台进行各时期数
据查询、分析和管理。
实施数字化电厂项目,可将设计期初可、可研、初设相关资料和施工图所有图
纸、三维模型、文档资料;建设期的设备资料、安装调试等资料以编码系统为连接,
三维模型为展现方式,定期进行数据发布,业主和施工方可通过信息系统随时了解
本工程的整体进度,指导现场施工。
在运行阶段,可通过SIS/MIS等系统的接口,将运行期电厂信息管理系统与电
厂设计期、施工期数据形成有效的关联,便于电厂运行管理、模拟检修、大件维护、
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物流采购、经营决策、新员工培训等。
数字化电厂是对实际电厂的客观描述,它覆盖电厂的整个生命周期。
数字化电
厂可确保主要的工程文件及数字化电厂中的信息得到有效维护,提供一个使物理电
厂效益最大化的管理工具。
与传统的电厂数据流分散管理方式相比,数字电厂通过
对集成的数据信息（包括三维设计模型、施工安装图、激光扫描数据、文档管理系
统数据、生产数据、安全数据、供货商数据等各种格式的数据）的统一管理,可显
著降低数据的重复和冗余,大量节约数据查询时间,参与分析,辅助决策,提高管
理效率。
图2.1传统的电厂数据流分散管理方式示意图图2.2数字化电厂的数据流集成管理方案示意图
5北京理工大学工商管理（MBA）硕士学位论文
因此,数字化电厂是以自动化控制技术为基础,实现生产控制智能化;以数据
信息管理为核心,利用三维设计数据和模型,将电厂建设管理相关的设备信息、分
析数据、图纸、三维模型、文档等信息与电厂管控一体化系统进行有效的整合;以
生产运行和经营管控整合为平台,应用ERP管理思想和信息技术对电厂的经营和生
产进行管理的数字化信息平台。
2.2数字化电厂整体结构
从数字化电厂的概念可知数字化电厂的整体结构主要包括了:
电厂对象数字化,即三维模型、厂区地理（地下管网）信息和各设备数字化资
料信息;
设备运行数字化,即设备状态的数字化;
过程控制数字化,即厂级和机组（车间）级的过程控制数字化（SIS、DCS、辅
控系统等）;
生产管理和经营决策数字化。
即各种业务处理和运行操作数字化,对各种基础
数据进行综合加工,生成各方面管理需要的信息,对各种管理信息的挖掘和分析生
成经营决策信息。
运营管控一体化数字化电厂的网络结构如下图:
图2.3运营管控一体化数字化电厂网络结构图
从图2.3可以看出,数字化电厂实现了生产控制、运行分析、设备诊断、监控
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保卫、经营管理以及外部信息和指令的整合。
而实际上这一整合平台的基础的是电
厂从设计开始全生命期的信息整合,数字化电厂可以看做是一个的信息构架,如图
2.4:
图2.4数字化电厂信息构架图
2.3国华电力数字化建设差距分析
国家十五科技攻关引导项目《数字化电厂关键技术开发》的立项表明数字化电
站的进程已经正式开启。
经过多年的发展,目前的火力发电站已经基本实现了生产
过程的自动化。
但数字化建设从生产控制扩大到全厂运营分析和决策管理、从自动
化发展到智能化和可视化,数字化管理从设计和建设阶段即开始主导电厂全寿命期,
这些本质上的提升尚未明确和实现。
国华电力公司在从自动化向数字化发展建设方面一直处于领先地位。
在自动化控制方面,神华国华电力下属电厂全部采用DCS分布式控制系统,在
此基础上还进行了国产化探索,例如国华锦能公司首次实现了国产DCS系统在60
万千瓦机组的应用;台山电厂2002年就引进了PROFI优化控制软件系统在机组上使
用,使发电机组能快速、平稳响应电网调度指令;部分电厂还应用现场总线,在辅
助车间进行了部署。
在信息化建设方面,国华公司从成立之初就坚持统一领导、统一规划、统一标
准、统一组织开发实施、统一建立长效运行和改进机制的原则,实施信息化建设,
历经起步探索、规划发展和整合三个阶段,从信息应用、信息资源、系统平台、基
础网络、信息安全等方面开展工作,主要管理信息系统有基建实施的P3、MIS,生
产运营中应用的PI、BFS++、SRCM,企业信息门户等。
7北京理工大学工商管理（MBA）硕士学位论文
比较而言,国华电力初步经过多年的努力,具备了发展“数字化电站”的要求。
但数字化内容和具体要求尚未清晰,数字化的深度和数据的应用效果与国华电力对
新概念数字化电站“集约化、精细化”的管理要求还存在一些差距,主要反映在五
个“程度不够”。
一是现场设备级数字化程度不够,使得生产过程控制的信息化和智能化缺少基
础。
例如成百上千的变送器、执行器、电动门、电动机及电气开关柜等,仍大多采
用一对一的模拟量信号或开关量信号进行控制,智能化程度低,电缆耗量大、工程
建设投资和运营维护成本高。
二是数据的利用程度不够。
随着底层数据的增多,大量现场设备的实时信息无
法自动、实时、准确地上传到监控网络和管理网络,制约了生产管理系统,如状态
检测;故障诊断、寿命预测、设备维护等信息系统的应用深度。
三是数据的整合程度不够。
大量的管理数据和信息资源由于缺乏整合,例如基
建期数据,各业务自建信息系统的孤立数据,数据分散并缺乏连贯性,查询难,不
透明,不规范,管理人员难以快速获知电厂的整体情况。
四是运行、经营、管控体系的整合不够,各体系分立,各自组建平台,缺乏有
效的信息互通,更谈不上分析与辅助决策。
五是设计、基建、生产运营各生命期孤立化。
在建设期设计和基建工作以电厂
投运交付为终结点,与电厂生产运营期割裂,很大的影响了电厂全生命期的品质。
2.4实现数字化电厂的改进要点
在当今新的技术和网络发展下,通过技术创新和管理创新,加快自动化与信息
化融合,实现数字化电站的建设,是缩小现状与数字化电站愿景之间差距的必由之
路。
在战略上,数字化内容从生产扩大到全厂运营分析和决策管理,从自动化发
展到智能化、可视化;数字化建设目标从成品电厂提前到工程建设;准数字化管理
从营运提前到设计和基建管理。
在技术创新方面,从分布式控制到集中控制,从系统仿真到现场总线的应用,
从厂级监控信息系统（SIS）到信息化集成共享,电厂的数字化“已经走过了分散
控制系统时代和网络时代,即将进入数字化时代和信息化时代”。
技术的不断发展为
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电站创新发展创造了条件和机遇。
加强对先进技术的掌握和利用是数字化电站建设
的必然选择。
在管理创新方面,“管理提升”工作的主要目标是“加快推进管理方式由粗放型
向集约化、精细化转变,走上创新驱动、内生增长的内涵式发展道路,为建设世界
一流企业奠定坚实基础”。
和世界一流发电公司对标,我们需要从管理方式和生产模
式的角度对业务形态进行调整,并通过信息化手段不断推进业务升级和公司发展,
数字化建设从生产扩大到全厂。
数字化电厂的实现,首先需要实现的是生产过程的信息化和智能化,需要从系
统工艺流程和系统整合设计、设备硬件所具备的条件上打好基础,实现现场总线在
大型电厂主系统控制中的应用,研究并实现机组APS运行流程和管理方式。
然后,
整合管理信息系统,并通过一个控制中心,三个管理中心的整合,实现高度运营一
体数字化。
实现数
字化电厂
数字化
现场总APS一键管理信息运营监控
三维设计
线开发启停实施系统整合中心整合
明确数字化三维现场总线对设计、一键启停工艺统一生产信息平“一控三个中心”
设计的实施目的安装、调试流程与控制台,并满足三项的整合与和要求的要求策略要求调度
图2.5实现数字化电厂的研究要点
2.5小结
同传统的电厂相比较,数字化电厂是以自动化控制技术为基础,实现生产控制
智能化;以数据信息管理为核心,利用三维设计数据和模型,将电厂建设管理相关
的设备信息、分析数据、图纸、三维模型、文档等信息与电厂管控一体化系统进行
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有效的整合;以生产运行和经营管控整合为平台,应用ERP管理思想和信息技术对
电厂的经营和生产进行管理的数字化信息平台。
数字化电厂,必须是一个设计、建设、运行管控全生命期数字化的电厂,电厂
的建设过程本身也是数字化电厂的一部分。
数字化电厂的实现要实现运行、经营、
管控体系整合,设计、基建、生产运营全生命期统筹考虑。
总结神华国华电力电厂
建设的现状,数字化电厂的建设重点是提升三维设计规划与管理、现场总线技术的
开发应用、APS运行管理的实现、管理系统整合、运营监控中心整合等几个方面。
10北京理工大学工商管理（MBA）硕士学位论文
第3章数字化电厂的三维设计研究
3.1传统设计方式的问题研究
数字化电厂是全生命期数字化的电厂,设计数字化是建设数字化电厂的重要开
端。
手工绘图的设计方式已成为电厂的设计方式的过去式,当前一般电厂的主体设
计普遍采用二维平面计算机辅助设计。
从“甩图板”到“电子化”,使得电厂设计
效率得到了极大的提高,但设计模式还是平面的。
二维平面设计是在平面上进行电
厂的空间布置设计,在固定的方向、用固定的观察角度来表示电厂内部布置的空间
关系,这种方式是抽象的,是体现在
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