天然气发电数字化高质量发展路径探析
摘 要：天然气发电项目的数字化转型，既能为电力生产、经营管理、市场营销等宏观系统提供指导，也能为故障诊断、检修维护、效率提高、能耗降低等微观领域提供解决方案。本文通过分析总结主流天然气发电数字技术，提出几点关于天然气发电数字化高质量发展的建议。
关键词：天然气发电 数字化 发展路径
一、背景
自 1944年世界第一台燃气轮机运行以来，天然气发电技术发展至今已逾70年。放眼当下的中国，能源转型正当时，整个电力行业期待的是更加高效、清洁、智能的电力价值体系。同时，随着所处制造技术、数据基础和信息环境的深远变革，气电技术开始迈进新一轮发展阶段，呈现出大数据、跨地域、群体性、人机融合的发展新特征，也面临性能优化、电力资源配置、机组灵活性等诸多新挑战。
天然气发电项目的数字化转型，既能为电力生产、经营管理、市场营销等宏观系统提供指导，也能为故障诊断、检修维护、效率提高、能耗降低等微觀领域提供解决方案。我国电力行业正值信息化和工业化深度融合、能源消费结构转型、电力体制改革不断深化的重要阶段，天然气发电项目在数字化、信息化中的创新应用，将促进生产经营提质增效，切实解决企业大量数据未被深度挖掘有效利用，机群无法集中有效管理，机组灵活性不足等问题。
针对于此，明确在新兴信息技术不断迸发的新时期、新形势下的技术框架、关键环节、应用前景，为推动燃机发电企业数字化关键技术的进步和推广提供措施建议，有力支撑我国全面提速建设国际一流能源企业。
二、天然气发电数字化发展
2.1 规模和地域广度
天然气发电厂实现转型升级的核心要素是实现数字化和智能化。在广泛应用如物联网、云计算、人工智能等新一代信息技术的基础上，使得发电企业的电力生产的设备稳定、安全环保和提质增效进一步提升。天然气发电数字化从规模和地域广度进行衡量可以大致分为三个等级。
第一个等级为电厂级，在该级别主要目的是将天然气发电项目中大量的传感器、生产运行数据进行打通，充分释放工业数据活力。以某燃气电厂为主体，建立数据监视诊断平台，建设并完善升级企业运行监视功能，提供在线监测诊断，异常告警，性能效率分析等功能。
第二个等级为区域级，以某一个地区为目标，覆盖区域内的天然气发电机组，打破电厂之间的物理边界，构建设备的数字边界。完善区域级生产信息化核心平台，集成管理信息数据和流程，初步形成领先的数字化智慧发电模式。依托云计算、大数据和物联网等工业互联网优势技术实现商业模式创新。
第三个等级为集团级，将整个大型发电集团进行数字化贯穿，完善集团级生产信息一体化核心平台。建设和完善卓越运营中心，打造跨集团、跨区域的工业互联网综合体。
2.2 技术创新深度
天然气发电项目数字化的应用从技术深度上区分可以分为四个阶段。
监测监视阶段，这个阶段的应用仅是简单接收数据，用于提高设备状态的可见度，收集整理数据。其中，厂级人员定位、巡检机器人等应用均属于此层级。
运维建议阶段，该阶段的应用侧重于对设备的状态进行简单的分析。目的在于对海量数据进行简单筛选，提取可用信息并进行分析，但可靠性较低。此外，还会依据目前设备的运行状态提供简单的操作建议。
远程监视诊断阶段，这个阶段已经大规模应用物联网技术，利用远程专家团队，对燃气电厂现场设备进行远程诊断监视。提供全厂的性能优化建议和远程运维。该阶段对设备的自动化和专家团队都有很高的要求。
自动运维阶段，真正的无人值守阶段。利用人工智能自动提供设备故障信息和运维建议。自动感知电网需求和环境影响，进而自动优化运行，以达到最佳运行状态的目的。
三、优秀实践案例
（1）通用电气监视诊断云平台
北京国际电力数据监测诊断中心通过与GE 公司合作，引进美国相关先进技术，借鉴其成功案例，为燃机设备安全生命周期提供预警、故障诊断，提高设备可靠性，优化运行经济性，降低运维成本，增加总体收益。迅速提高我国的技术水平，延长引进技术的繁荣期和生命力。
监测与诊断系统是基于物理模型的软件分析解决方案，结合顶尖的软件、技术和服务，用于降低非计划停机，提高燃气轮机和发电机组的可靠性和可利用率。
基于相似性原理建模是一种非参数化模型，使用历史数据进行建模。通过新数据与历史样本数据的相似程度计算出预测值，从而找出与样本间的差异，通过实时测量数据与历史工况测量数据的相似程度计算残差，并依据对应的故障模式给出预警和诊断。
热效率分析使用电厂实时数据为全厂或单体设备进行热效率分析，对不同工况、不同负荷下的数据进行分析，查看性能劣化趋势，找出性能短板，针对性开展计划检修，调整运行方式，提高机组效率。
事件管理系统是上述三个软件的集成管理平台，用于将上述软件分析后的预警与案例进行跟踪，与电厂用户进行案例的交流与反馈。同时可展现集团级和电厂级的关键性能指标。
数据中心应用物联网技术将6家电厂13台机组完成设备数据的传输和整合，在统一平台上搭建各类服务。通过物理模型、数学模型完成海量数据的分析和发掘工作，实现自动预警、细化提优的分析结果，提升设备运营效能和可靠性，降低成本。
（2）三菱燃气电厂数字化方案
随着数字化浪潮的推进，日本三菱针对燃气轮机开发了“燃气轮机异常检测服务”该服务构建了以日本三菱分析中心为基础的云计算服务平台。通过应用人工智能技术，对设备发生故障的原因进行高速推演运算，有效提高电厂设备的可靠性。三菱的数字化解决方案已被诸多电厂引进使用，在改善设备性能、避免非计划停机、根据预兆提供最佳维护方案等方面，为电厂的运行管理优化提供了强有力的技术支持。
（3）西门子“电力4.0”解决方案
德国西门子公司与国家电力投资集团签订合作协议，组建了国家电投河南远程诊断中心。发电机组的数字化连接可有效提高机群透明度，进行资产诊断和运营优化，从而帮助提高电厂的运营效益。通过对电厂发电机组相关数据进行数字化接入、集成及分析，将为中心监视电厂提供有助于改善性能、提高可靠性和可用性的分析和建议。
通过数据互联、模型分析、远程诊断中心专业知识开发的数据监测与诊断软件，将根据系统和设备的物理模型特点、结合机群规模化运行积累的大数据，搭建并不断充实智能化的故障失效模型，从而在隐患出现轻微征兆的初期阶段就能够根据运行数据或计算数据进行识别。
四、推动天然气发电数字化发展措施建议
以实际生产需求为导向，支撑数字化发展。以天然气发电项目生产经营需求为导向，深入分析电力信息技术和企业生产经营中的问题，推动互联网、大数据、人工智能与传统发电行业的深度融合。进一步扩大接入范围，扩大设备接入广度和数据接入深度，分析归类出更多的故障特征，优化解决方案，提高分析诊断效率，为数字化发展奠定基础。
坚持自主创新，掌握核心技术。结合引进技术的消化吸收再创新，立足自主掌握核心技术，开展多种形式合作发展，突破燃气轮机监视诊断方法、边缘计算方法、故障分析方法、性能分析优化等核心技术，培育自主知识产权的燃气轮机数字化产业。
推进我国天然气发电升级。充分发挥现有数字化燃气电厂的技术优势。促进“互联网+”、云计算、大数据的混合运用。带动管理思想、管理模式变革，提升集团公司燃机集约化、精益化、标准化管理水平。消除区域、行业及企业间的壁垒，为天然气发电行业生产运营提供新探索与借鉴。
参考文献：
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[2]刘娇，刘金福，于达仁.燃气轮机性能监测诊断技术研究综述[J].燃气轮机技术，2017（4）：1-8.