一、项目简介

     本科技成果主要基于3D技术、物联网技术、远距离无线通讯技术实现实时动态监控、可视化、数据分析和数据挖掘相结合的电厂水平衡监测系统和地下管网3D形态的表达，该项目通过补充完善全厂水系统计量表计，并利用ZigBee和GPRS无线通信技术，利用3D技术搭建了全厂水管网水量无线实时数据采集平台；在对全厂水管网进行全面勘察的基础上，建立了全厂水系统管网的3D模型。利用数据采集平台、PI数据库及3D模型，构建了全厂用水系统监测系统，实现了水管网监测和动态水平衡监测的目标。利用3D模型表现全厂水平衡，利用3D模型表现各分系统的水平衡；在全厂水平衡的基础上提出了分系统水平衡的概念，形成全厂取水和进水水平衡；全厂用水量平衡；各子系统水平衡（脱硫、循环水、化学制水、生活用水排污水等系统）三级平衡理念。通过三级平衡能够有效监控全厂用水情况。

     二、主要技术创新点

     采用3D技术实现全厂水系统监控项目主要技术创新点主要包括采用物联网技术和无线通讯技术，实现地下管网和全厂水平衡及各分系统的3D表达，实现水平衡的动态管理。

     1.通过补充完善全厂水系统计量表计，并利用ZigBee和GPRS无线通信技术，利用3D技术搭建了全厂水管网水量无线实时数据采集平台。

     2.在对全厂水管网进行全面勘察的基础上，建立了全厂水系统管网的3D模型。利用数据采集平台、PI数据库及3D模型，构建了全厂用水系统监测系统，实现了水管网监测和动态水平衡监测的目标。利用3D模型表现全厂水平衡，利用3D模型表现各分系统的水平衡。

     3.在全厂水平衡的基础上提出了分系统水平衡的概念，形成全厂取水和进水水平衡；全厂用水量平衡；各子系统水平衡（脱硫、循环水、化学制水、生活用水排污水等系统）三级平衡理念。通过三级平衡能够有效监控全厂用水情况。

     三、项目详细内容
     1.立项背景

     天津国华盘山发电有限责任公司（以下简称国华盘电公司）装机容量俄制超临界2×530MW燃煤发电机组；两台机组分别于1996年2月和5月投产。生产用水水源为于桥水库水，生活用水来源于地下水。按照系统划分成生产水系统、化学水处理系统、除盐水及机组汽水循环系统、闭式冷却水系统、除灰渣水系统、煤场用水系统、脱硫用水系统、厂区生活水系统、消防水系统、废水处理系统、绿化用水系统。

     国华盘电公司由于投产时间早，存在水计量表计设置不合理、全厂用水缺乏有效监控的问题。为响应国家和国华公司倡导的节能减排政策，降低用水量，降低发电水耗，盘电公司研究搭建全厂用水监控系统，借鉴数字化电站要求（城市燃气管网监控管理技术），利用3D技术实现对全厂水系统的监控和管理。

     2.详细科学技术内容

     （1）通过补充完善全厂水系统计量表计，并利用ZigBee和GPRS无线通信技术，利用3D技术搭建了全厂水管网水量无线实时数据采集平台。

     （2）在对全厂水管网进行全面勘察的基础上，建立了全厂水系统管网的3D模型。利用数据采集平台、PI数据库及3D模型，构建了全厂用水系统监测系统，实现了水管网监测和动态水平衡监测的目标。利用3D模型表现全厂水平衡，利用3D模型表现各分系统的水平衡。

     （3）在全厂水平衡的基础上提出了分系统水平衡的概念，形成全厂取水和进水水平衡；全厂用水量平衡；各子系统水平衡（脱硫、循环水、化学制水、生活用水排污水等系统）三级平衡理念。通过三级平衡能够有效监控全厂用水情况。

     创新点1：3D环境下的地下水管网监控

     创建全厂水系统3D监控，借助于实时数据和3D表达的优势，准确反映水系统管网的空间位置关系、各类不易检查和维护的埋地管线等，减少由于传统平面监控难以全方位关注造成的各类管网问题，及时反映管网真实运行情况，将水系统监控上升到动态实时监测、数据可视化表达的新高度。

图1　BIM三维地下管网管理

     创新点2：实时动态水平衡表达

     通过详细了解盘电公司生产运行中涉及的水系统管网分布、层级关系、系统划分，并结合西安热工院的水平衡报告，绘制水平衡拓扑图并进行实时动态水平衡的构建，以各监控点的水流量数据为基础，以水量进出系统方向为原则，建立包括全厂总体水平衡和各分系统水平衡在内的实时动态水平衡体系，建立“水库—进厂”“进厂—各系统+排污”“系统总—系统内部”三级水平衡，并可按照专业划分和查询表计，关注单独表计在系统中的平衡关系，形成覆盖全部水管网的水平衡系统，最终实现不平衡因素的找出，完善全厂水量的管理。根据水平衡系统表达的需要，利用3D模型表现全厂水平衡，利用3D模型表现各分系统的水平衡。

图2 3D水平衡系统监测界面

图3 2D水平衡系统监测界面

     创新点3：水平衡计量动态分析

     通过EMS能源分析得到用水量变化与发电负荷之间的关系，找到单位发电符合用水量的平衡值，对系统用水量变化做趋势监测，并与负荷曲线拟合，当单位发电用水量超过常态时引发预警。同时分析数据找出水量变化与发电负荷调整之间的关系，计算不平衡率。实时历史数据库建立起气象、蒸发量、降雨量等需估算的水量模型，完成气象与水量之间相互影响因素的数学分析，填补了蒸发量实施测量的空白，有利于运行参数的及时调整。

图4　冷却塔蒸发量数学模型

     创新点4：无线通讯网络解决远距传输和维护扩容

     利用ZigBee和GPRS无线通信技术进行数据网络搭建，由于无线通讯方式相对投入较少，不需要开挖沟渠或挖掘电缆沟，因此不需要大量的人力和物力，只需要在每个终端连接无线通讯模块即可。而且建设工程周期短，当要把相距数公里到数十公里间隔的远程站点相互连接通讯的时候，采用有线的方式，必须架设长间隔的电缆或者挖掘漫长的电缆沟，这个工程周期可能就需要数个月的时间， 而用模块建立专用无线数据传输的方式，只需要几天或者几周就可以，相比之下，无线的方式可以迅速组建起通讯链路，工程周期大大缩短。    另外，鉴于电厂大功率机组、强电场强磁场和水库与电厂间山地的存在，对有线网络的布线工程有着极强的制约力，而用无线模块建立专用无线数据传输方式将不受这些限制。考虑到未来的拓展性能，采用无线数据传输方式，只需将新增设备与无线网络相连接就可以实现系统的扩充了，相比有线系统有更好的扩展性。且设备维护上更轻易实现。

     创新点5：数据分析技术的后期应用和延展

     在对电厂水系统进行2D运行状态监控（各分系统采用的表达形式）和3D行为状态监控（全厂水平衡和地下管网表达形式）的基础上，在积累一定的数据后能够更科学准确的反映电厂水系统平衡变化的情况。形成各层次、各环节、各岗位的监控体系。并在此基础上依托精确的数据，对运行异常和变化异常做出迅速判断及时预警。对电厂水系统进行更加严密的、细致的监测，提高整体监控效率，降低运行成本。

     另外在运用现有结构、数据基础、管理理念，整合已有资源的基础上，依托无线通讯的网络架构，通过对管网安全和应急抢修的高度关注、未来可建立起更为全面、更为立体的电厂能量平衡监控和安全评价体系，及时准确的预防隐患和事故，提高电厂运行和管理的智能化水平。

     在技术方面，该系统具有以下特点：

     （1）简单快捷，软件界面简洁直观，操作流畅方便，功能集成度高。

     （2）系统安全稳定，准确无误。系统采用大型企业级数据库存储平台，保证数据存储工作安全稳定。

     （3）统计分析功能强大。管理者可以全方位实时监控和追踪全厂水系统的行为状况，同时对大量的、动态的、错综复杂的数据信息进行及时、准确地分析和处理，最大限度地降低处理信息的劳动强度，使企业管理手段和管理水平产生质的飞跃。

     （4）系统功能完备，可涵盖电厂水系统监控管理的各个方面，并保有一定的余量，可满足未来电厂各项能量平衡系统的完善需求。

     （5）系统安全可靠。使用严格的用户权限，杜绝非法用户和越权操作情况的发生。数据备份和数据恢复功能完备，系统可将已丢失的数据恢复或将损害降低到最低程度。

     在应用功能方面，该系统具备以下数据分析和应用能力，并可根据客户的需求完成二次开发。

     四、与当前国内外同类技术主要参数、效益、市场竞争力比较

     国内现对于电厂水平衡的规范和评价有较多的研究，但对于利用3D技术对电厂水平衡进行实时监控的研究，在以往工作及各类文献中提及较少。尚未发现其他集团和电厂采用此技术。

目前，公认的电厂水平衡试验，是以DL/T.606.5-2009《火力发电厂能量平衡导则 第5部分：水平衡试验》以及其他相关的规范为技术依据，对电厂各种取水、用水、排水和耗水水量进行阶段性测定，用以查明电厂用水情况，正确评价发电厂用水水平，为制定合理的单位发电量取水量、耗水量等定额指标提供依据。现有的水平衡试验虽然能够测试一段时间的平衡情况，而非实时的、动态的平衡结果。难以满足日益增长的水管理需求。

     五、成果应用情况、经济效益和社会效益
     1.成果应用情况

     将水系统管网以三维可视化方式表达。将全厂各用水测量点数据通过远程通讯技术和“物联网”相关技术数据形成3D水平衡监测系统，达到实时监测全厂用水状况，为数据积累和分析奠定基础，并根据电厂实际情况进行具有针对性和实用性的数据应用，辅助于电厂运行优化措施的制定；各类趋势图和分析图方面，将生产情况与用水趋势相结合，并以曲线图方式表达，直观的进行观察和判断，保证操作者在生产运行中对各系统水量、水质的有效计量、监测和控制；预警功能方面，在运行过程中，如发现某单元用水超出同工况历史水平，或某单元用水供、回不平衡时，系统启动报警功能，提示相关人员现场检查，查找原因，及时调整回正常状态。

     2.经济效益

     通过3D全厂水系统监控系统，强化各用户的用水量管理，提高了用水效率，2016年发电水完成1.76千克/千瓦时，比同期发电水耗1.81千克/千瓦时降低了0.05千克/千瓦时，按照2016年发电量52亿千瓦时计算。全年节水26万吨，每吨水按照2.71计算，节约水费70万元

     3.社会效益

     采用3D技术实现全厂水系统监控项目主要技术创新点主要包括采用物联网技术和无线通讯技术，实现地下管网和全厂水平衡及各分系统的3D表达，实现水平衡的动态管理。该成果可为国华其他电厂3D水平衡实时动态监测工作提供宝贵经验。在追求节能减排，经济、社会、环境效益同时兼顾的今天，具有十分重要的意义和必要性。