近年來，電網(wǎng)運行模式邁入了一個新階段，呈現(xiàn)出更加分散化且難以預測的特點。這一變化主要源于可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的占比越來越高，同時，隨著供暖和交通領域電氣化進程的加速，電力需求也變得更加復雜和多變。
在過去，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，主要承擔基荷發(fā)電的角色，其輸出功率調(diào)整相對穩(wěn)定且可預測。而調(diào)峰電廠、抽水蓄能水電站以及需求響應策略則主要負責實時平衡電網(wǎng)負荷。
如今，可再生能源的興起改變了電網(wǎng)的運行模式，不僅帶來了更多不確定性因素，還提高了對可調(diào)度傳統(tǒng)發(fā)電廠的依賴程度。由此引發(fā)的頻繁啟停、關機和快速負荷增減，給這些發(fā)電廠及其設備帶來了顯著的壓力。這可能導致汽輪機變形，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)電設施受到的影響尤為顯著，可能會面臨運營和維護成本上升、安全跳閘事件增加、運行效率降低以及排放量增加等諸多問題。
為什么說現(xiàn)代化改造迫在眉睫
短期的波動通?？梢酝ㄟ^靈活的資產(chǎn)來管理。然而，更大范圍的系統(tǒng)級挑戰(zhàn)，例如與“鴨子曲線”(即一天中峰值負載與可再生能源發(fā)電量之間的落差)相關的傍晚負荷陡然增長，需要傳統(tǒng)發(fā)電廠提供快速且靈活的響應。此外，市場結(jié)構(gòu)正在發(fā)生變化，輸電系統(tǒng)運營商正在對靈活性給予獎勵。這些因素共同構(gòu)成了一個有力的理由，促使公用事業(yè)部門投資于短期資產(chǎn)和長期現(xiàn)代化戰(zhàn)略。
發(fā)電廠的現(xiàn)代化可以涵蓋從升級控制系統(tǒng)和軟件，到更換機械和電氣資產(chǎn)，甚至是整個機組的更新?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)在設計之初并沒有考慮到當今動態(tài)的運行條件。
為了保持競爭力，電廠運營商需要更智能、以數(shù)據(jù)為驅(qū)動的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)能夠?qū)崟r優(yōu)化性能，降低成本和排放，適應不斷變化的市場條件，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，發(fā)電廠一直依賴于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)主要圍繞簡單的比例-積分-微分(PID控制系統(tǒng))回路構(gòu)建，用于管理關鍵變量的設定點輸出并維持推薦的運行閾值。這些系統(tǒng)是為發(fā)電廠穩(wěn)定運行在基荷狀態(tài)且電網(wǎng)需求較為可預測的時代而設計的。
然而，由于PID回路僅支持單變量控制，它們在處理實時性能優(yōu)化所需的復雜多變量交互時顯得力不從心。特別是在可再生能源整合所帶來的動態(tài)條件下，這種情況尤為明顯，導致電廠運營商在運行設備時往往采取保守的方式。
這樣一來雖然降低了風險，但也限制了性能，并導致以下幾個關鍵問題：
● 響應遲緩：缺乏預測能力，發(fā)電廠無法快速適應可再生能源發(fā)電的突然激增或驟降。
● 手動調(diào)整：隨著條件的變化，如燃料組合、負荷需求或環(huán)境溫度，操作員頻繁手動調(diào)整，這不僅導致效率低下，還容易引發(fā)操作員疲勞。
● 燃料利用效率低下：雖然增減負荷是必要的，但如果沒有協(xié)調(diào)，會導致溫度和壓力等變量不穩(wěn)定，加速設備磨損，并增加燃料消耗。
● 排放增加：超出最佳運行條件的波動會增加碳和氮氧化物的排放。
● 電網(wǎng)罰款：無法滿足快速響應要求的發(fā)電廠，在現(xiàn)代能源市場中會失去寶貴的靈活性獎勵。
先進過程控制系統(tǒng)成為電廠現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型的理想之選
EcoStruxure™ APC先進過程控制系統(tǒng)改變了這一局面。盡管APC先進過程控制系統(tǒng)在煉油、石油天然氣以及化工等行業(yè)已經(jīng)應用了數(shù)十年，但近年來的技術進步使其在發(fā)電廠的應用也愈發(fā)廣泛。如今的APC先進過程控制系統(tǒng)變得更加靈活、易于集成，并且更適合實時電網(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先進過程控制系統(tǒng)并非依賴保守的設定點和手動干預，而是安裝在現(xiàn)有的DCS分布式控制系統(tǒng)之上。其預測模型能夠識別真正的最佳運行區(qū)域，并推動過程向最佳區(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，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)，而是對其加以增強。
我們可以將EcoStruxure™ APC先進過程控制系統(tǒng)當成一位智能助手，它能夠持續(xù)監(jiān)測工廠狀況并進行預測性的實時調(diào)整。它不再依賴操作員手動修正，而是分析燃料和空氣需求、空氣分配或負荷增減等因素如何與工廠的關鍵變量(如壓力、溫度或排放)相互作用，然后同時對它們進行優(yōu)化，以實現(xiàn)最大效率、安全性和靈活性。
實現(xiàn)從被動響應到主動預測
與傳統(tǒng)系統(tǒng)不同，EcoStruxure™ APC先進過程控制系統(tǒng)能夠主動調(diào)整操作，并在電網(wǎng)條件波動時幫助維持最佳性能，具體表現(xiàn)為：
● 同時微調(diào)多個變量：該解決方案考慮工廠內(nèi)復雜的多變量關系，而不僅僅是一次調(diào)整一個參數(shù)，從而將操作推向最佳點。
● 多功能處理：比人工處理能力更強，同時平衡效率、靈活性和排放。
● 預測變化而非被動響應：預測模型分析實時狀況，并在效率低下出現(xiàn)之前主動調(diào)整工廠操作。
這有助于實現(xiàn)以下目標：
● 提高效率，降低燃料消耗：工廠使用更少的燃料，延長設備使用壽命，穩(wěn)定運行并減少不必要的波動。
● 無需大規(guī)模基礎設施變更即可集成：先進的優(yōu)化解決方案被疊加在現(xiàn)有的DCS分布式控制系統(tǒng)上，無需停機或大規(guī)模改造。
● 更快的投資回報(ROI)：即使是1-2%的小效率提升，也能轉(zhuǎn)化為每年數(shù)十萬美元的節(jié)省，投資回報通常在一年內(nèi)實現(xiàn)。
現(xiàn)代先進過程控制系統(tǒng)設計用于與任何現(xiàn)有的DCS配合工作。它們獨立運行，并對操作員保持透明。一旦配置完成，該系統(tǒng)直觀易用，易于監(jiān)控，且?guī)缀鯚o需手動干預，使其成為一個值得信賴的工具，而非一個“黑箱”。
帶來實際可衡量的收益
這些好處已經(jīng)在全球各地的發(fā)電廠中得到驗證。例如，美國一家400兆瓦的燃煤電廠部署了EcoStruxure™ APC先進過程控制系統(tǒng)進行預測性過程優(yōu)化，效率提升了0.7%，每年減少1.5萬噸二氧化碳排放，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)省達到了每年15萬美元，排放減少了10%，操作員手動干預顯著減少，減輕了員工和電廠自身的壓力。
有助于贏得未來競爭優(yōu)勢
我們見證了先進過程控制系統(tǒng)如何能夠轉(zhuǎn)變發(fā)電廠的運營。如今，我們的EcoStruxure™ APC先進過程控制系統(tǒng)解決方案已在全球超過300個安裝點投入使用，幫助運營商減少能源消耗、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，電力生產(chǎn)進一步分散化，電網(wǎng)需求將變得更加動態(tài)。這為發(fā)電廠運營商提供了一個絕佳的機會，去擁抱實時優(yōu)化和預測性控制，以提高效率和可持續(xù)性，并在一個日益復雜的市場中獲得競爭優(yōu)勢。
（來源：施耐德電氣）
