施耐德电气：通过先进过程控制助力发电厂提升盈利水平

近年来，电网运行模式迈入了一个新阶段，呈现出更加分散化且难以预测的特点。这一变化主要源于可再生能源在能源结构中的占比越来越高，同时，随着供暖和交通领域电气化进程的加速，电力需求也变得更加复杂和多变。

在过去，传统发电厂，如联合循环发电厂、水电站和核电站，主要承担基荷发电的角色，其输出功率调整相对稳定且可预测。而调峰电厂、抽水蓄能水电站以及需求响应策略则主要负责实时平衡电网负荷。

如今，可再生能源的兴起改变了电网的运行模式，不仅带来了更多不确定性因素，还提高了对可调度传统发电厂的依赖程度。由此引发的频繁启停、关机和快速负荷增减，给这些发电厂及其设备带来了显著的压力。这可能导致汽轮机变形，锅炉和换热器出现频繁的热循环，以及管道和阀门遭受有害的热冲击。其中，联合循环发电设施受到的影响尤为显著，可能会面临运营和维护成本上升、安全跳闸事件增加、运行效率降低以及排放量增加等诸多问题。

为什么说现代化改造迫在眉睫

短期的波动通常可以通过灵活的资产来管理。然而，更大范围的系统级挑战，例如与“鸭子曲线”（即一天中峰值负载与可再生能源发电量之间的落差）相关的傍晚负荷陡然增长，需要传统发电厂提供快速且灵活的响应。此外，市场结构正在发生变化，输电系统运营商正在对灵活性给予奖励。这些因素共同构成了一个有力的理由，促使公用事业部门投资于短期资产和长期现代化战略。

发电厂的现代化可以涵盖从升级控制系统和软件，到更换机械和电气资产，甚至是整个机组的更新换代。在许多传统发电厂（如水电或联合循环发电厂）中，控制和安全系统在设计之初并没有考虑到当今动态的运行条件。

为了保持竞争力，电厂运营商需要更智能、以数据为驱动的系统，这些系统能够实时优化性能，降低成本和排放，适应不断变化的市场条件，并避免大规模的翻新改造。

传统控制系统有何不足之处？

数十年来，发电厂一直依赖于传统的控制系统，这些系统主要围绕简单的比例-积分-微分（PID控制系统）回路构建，用于管理关键变量的设定点输出并维持推荐的运行阈值。这些系统是为发电厂稳定运行在基荷状态且电网需求较为可预测的时代而设计的。

然而，由于PID回路仅支持单变量控制，它们在处理实时性能优化所需的复杂多变量交互时显得力不从心。特别是在可再生能源整合所带来的动态条件下，这种情况尤为明显，导致电厂运营商在运行设备时往往采取保守的方式。

这样一来虽然降低了风险，但也限制了性能，并导致以下几个关键问题：

•响应迟缓：缺乏预测能力，发电厂无法快速适应可再生能源发电的突然激增或骤降。

•手动调整：随着条件的变化，如燃料组合、负荷需求或环境温度，操作员频繁手动调整，这不仅导致效率低下，还容易引发操作员疲劳。

•燃料利用效率低下：虽然增减负荷是必要的，但如果没有协调，会导致温度和压力等变量不稳定，加速设备磨损，并增加燃料消耗。

•排放增加：超出最佳运行条件的波动会增加碳和氮氧化物的排放。

•电网罚款：无法满足快速响应要求的发电厂，在现代能源市场中会失去宝贵的灵活性奖励。

先进过程控制系统成为电厂现代化转型的理想之选

EcoStruxure™ APC先进过程控制系统改变了这一局面。尽管APC先进过程控制系统在炼油、石油天然气以及化工等行业已经应用了数十年，但近年来的技术进步使其在发电厂的应用也愈发广泛。如今的APC先进过程控制系统变得更加灵活、易于集成，并且更适合实时电网需求，使其成为传统发电厂现代化改造的理想选择。

EcoStruxure™ APC先进过程控制系统并非依赖保守的设定点和手动干预，而是安装在现有的DCS分布式控制系统之上。其预测模型能够识别真正的最佳运行区域，并推动过程向最佳区域靠拢。它在尊重操作员和工程师定义的约束条件的同时，优化安全性、效率和灵活性。APC并不是取代发电厂的核心控制系统，而是对其加以增强。

我们可以将EcoStruxure™ APC先进过程控制系统当成一位智能助手，它能够持续监测工厂状况并进行预测性的实时调整。它不再依赖操作员手动修正，而是分析燃料和空气需求、空气分配或负荷增减等因素如何与工厂的关键变量（如压力、温度或排放）相互作用，然后同时对它们进行优化，以实现最大效率、安全性和灵活性。

实现从被动响应到主动预测

与传统系统不同，EcoStruxure™ APC先进过程控制系统能够主动调整操作，并在电网条件波动时帮助维持最佳性能，具体表现为：

•同时微调多个变量：该解决方案考虑工厂内复杂的多变量关系，而不仅仅是一次调整一个参数，从而将操作推向最佳点。

•多功能处理：比人工处理能力更强，同时平衡效率、灵活性和排放。

•预测变化而非被动响应：预测模型分析实时状况，并在效率低下出现之前主动调整工厂操作。

这有助于实现以下目标：

•提高效率，降低燃料消耗：工厂使用更少的燃料，延长设备使用寿命，稳定运行并减少不必要的波动。

•无需大规模基础设施变更即可集成：先进的优化解决方案被叠加在现有的DCS分布式控制系统上，无需停机或大规模改造。

•更快的投资回报（ROI）：即使是1-2%的小效率提升，也能转化为每年数十万美元的节省，投资回报通常在一年内实现。

现代先进过程控制系统设计用于与任何现有的DCS配合工作。它们独立运行，并对操作员保持透明。一旦配置完成，该系统直观易用，易于监控，且几乎无需手动干预，使其成为一个值得信赖的工具，而非一个“黑箱”。

带来实际可衡量的收益

这些好处已经在全球各地的发电厂中得到验证。例如，美国一家400兆瓦的燃煤电厂部署了EcoStruxure™ APC先进过程控制系统进行预测性过程优化，效率提升了0.7%，每年减少1.5万吨二氧化碳排放，氮氧化物排放减少了24%，每年节省近70万美元。

此外，西班牙一家生物质发电厂也取得了类似的成果。他们的燃料节省达到了每年15万美元，排放减少了10%，操作员手动干预显著减少，减轻了员工和电厂自身的压力。

有助于赢得未来竞争优势

我们见证了先进过程控制系统如何能够转变发电厂的运营。如今，我们的EcoStruxure™ APC先进过程控制系统解决方案已在全球超过300个安装点投入使用，帮助运营商减少能源消耗、降低排放并提高盈利能力。

随着能源转型的加速，可再生能源将继续增长，电力生产进一步分散化，电网需求将变得更加动态。这为发电厂运营商提供了一个绝佳的机会，去拥抱实时优化和预测性控制，以提高效率和可持续性，并在一个日益复杂的市场中获得竞争优势。