May 14,2019

工业互联网在能源行业的应用实践

能源是国民经济的战略物质基础,能源行业的兴衰直接影响国家经济的发展,能源不但是国家经济命脉的重要行业之一,更是国家安全的重要保障。当前,世界主要国家均把能源行业作为新一轮科技革命的主战场之一,制定各种政策措施抢占发展先机。例如美国发布了《全面能源战略》,日本出台了《面向2030年能源环境创新战略》、欧盟制订了《2050能源技术路线图》,均旨在通过新的能源战略在能源资源竞争、能源技术竞赛方面抢占发展制高点。随着新一代信息技术的发展和渗透,能源行业数字化转型步伐逐步加快,网络化、智能化需求迫切,以工业互联网为代表的新一代产业变革在能源领域已广泛发生。

一、能源行业工业互联网的总体发展情况

能源行业信息化基础良好,工业互联网基础设施与数字化能力较为健全,但是对数据的综合利用能力不高。在底层设备方面,能源行业属于设备密集行业,并且高价值设备的占比较高,设备智能化程度较高,大部分设备数据的开放较好。在生产方面,目前能源行业大多数生产企业均具备DCS、SCADA、MES等相应的控制层软件或系统,能够实现控制数据、生产过程数据的采集及获取。在经营管理方面,大部分企业均建立了以ERP为核心的运营体系,能够实现运营数据的获取。但是,能源行业数据的集成和分析应用水平不高,一是缺乏完善的数据管理体系,存在众多系统数据对接不完善、数据结构多样、存储方式差异大、缺乏数据标准等情况,导致整体的数据质量不高。二是数据分析能力薄弱,目前能源化工领域的数据分析仍聚焦于简单的统计分析和报表呈现,对批处理、流计算、机器学习等新技术的应用能力不足,导致存量数据的价值难以发挥。

能源行业对工业互联网需求迫切,需要工业互联网提升原有业务系统数据处理和分析能力,实现智能化升级。工业互联网能够为能源行业智能化升级提供关键技术支撑,一是工业无线、时间敏感网络(TSN)、IPv6、5G网络、低功耗广域网等工业互联网网络技术能够快速打通能源行业的信息流,实现关键数据的汇聚。二是工业数据管理与分析、工业智能、工业微服务等技术能够实现能源数据的深度挖掘与应用。工业互联网助力能源领域各行业实现价值挖掘和提升,随着工业互联网技术的不断成熟,基于数据驱动的设备预测性维护、工厂能耗优化、企业智能化管理、产业链协同管理、安全环保生产等典型工业互联网应用场景在火电、风电、核电、石化、光伏等行业不断落地,从而帮助能源行业降低设备运维成本并节省工厂能耗支出,提高工厂整体管理水平,加强产业协作能力和资源调配,提升安全环保水平。工业互联网在电力、石化等行业均有卓有成效的应用。
 

二、电力行业工业互联网应用

电力行业工业互联网应用主要集中在发电侧设备运维、电厂管理,用电侧用电优化等场景。

在设备资产健康管理,发电企业通过工业互联网实现资产的智能运维和性能优化,通过对电力生产中的核心设备数据的采集,并结合相应的环境数据,将回归分析、聚类分析、深度学习等数据分析技术与设备的机理模型相结合,可训练出各类设备故障预警模型,构建出能够基于数据驱动的设备运维流程,从而实现设备故障的提前预测和主动维修,减少因设备零部件故障带来的经济损失。例如为有效避免设备停机造成的巨大损失,能源公司Bord Gáis Energy借助GE Predix平台对资产设备进行性能管理优化,每年产生228万欧元的经济效益。

电厂管理方面,发电企业主要借助工业互联网技术实现电厂的智能巡检和安全监控,通过智能穿戴设备、手持智能终端、无人机、机器人、视频读表、开关状态识别、指示灯识别、三维可视化、全厂无线等智能设备和技术实现巡检过程可视化、巡检路线预设、巡检数据的自动记录、上传,实现点检、巡检有机融合,提升巡检质量和实时性,减少人工巡检工作量,杜绝漏检现象和环保排放事故。

用电管理方面,用电企业可借助工业互联网技术实现用电优化,节省电力成本,主要通过对企业生产各环节用电数据的精细化采集,并通过用电数据的深度分析,找出企业用电成本的节省空间,并基于数据分析结果给出用电优化建议,降低企业能效成本。例如广东智造能源科技研究有限公司为某陶瓷有限公司三条高压进线分别安装了数据采集装置,通过对采集到的精细数据进行分析,诊断出该企业容改需具有约80万/年(占企业年总用电成本的2%)的节省空间。并帮助该公司到当地供电局申报第三季度最大需量申报核定值,完成基本电费计费方式的变更和需量申报工作。帮助该公司第三季度累计节省基本电费18万元,第四季度累计节省基本电费35万元。
 

三、石化行业工业互联网应用

石化行业工业互联网应用主要集中在安全生产、生产管控、大机组装备效率优化等场景。在安全生产方面,石化企业通过工业互联技术实现智能安全监控,利用工业无线、4G、NB-IoT等网络技术,可实现石化行业安全相关信息的全面感知和汇聚,建立包含生产装置运行参数、厂区的生产动态信息、人员操作信息等关键数据的信息平台,并结合人脸识别、机器学习等分析技术构建关键生产装置、现场作业、人员、环境的全局化监控体系,对异常状态和安全风险能够实时报警,并通过数据分析结果支撑现场人员、消防中心的网络化协同,迅速处理安全隐患,确保石化生产的安全性和连续性。如中石化建立了贯穿总部、企业和现场的三级一体化应急平台,实现了重点环境排放点100%实时监控与分析,支撑了关键区域事故模拟分析及抢险预演。

生产管控方面,石化企业通过工业互联网技术实现的生产管控一体化,石化行业生产管控一体化主要通过数据技术和网络技术对企业资源管理、供应链管理、制造执行系统、先进控制系统、分布式控制系统等系统进行综合集成,从而构建实时感知、及时响应的生产管控一体化平台,实现企业从原油选择、采购、生产加工过程到石化产品出厂全过程的智能化生产及管理,生产链条长,产品复杂,实现资源优化配置和生产控制的协同优化,提升生产效率,减少产品质量冗余。例如九江石化通过建设炼化一体化全流程优化平台,对计划、调度、操作等生产全过程进行优化,形成了自上而下、由下到上的协同生产新模式,实现员工总数减少12%、班组数量减少13%、外操室数量削减35%。

在装备的运行优化方面,石化企业主要利用工业互联网技术实现大机组装备的在线运行分析优化,通过对设备运行数据、设备效率数据的全面采集和分析,建立设备性能模型,可进行典型设备的状态分析和效能分析;核算设备实际效率和能耗,并与设计指标进行偏差分析,找到优化方向,提高设备的利用率,降低运营成本。恒逸石化对大机组装备做实时动态的参数分析,构建动态的燃煤优化模型,实时分析最优组合参数,提升燃煤效率,燃烧锅炉煤耗量节省了2.6%。
 

四、我国能源领域工业互联网的发展思考

我国能源领域的工业互联网起步较早,当前已经开展了广泛应用,并取得了良好成效。一方面,火电、风电、核电、石化等领域的国内龙头企业加大投入部署实施工业互联网应用,其核心资产设备已逐步实现联网管理,并基于数据分析实现了生产能力优化和高效运维管理。另一方面,近几年由自动化、软件、系统集成起家的能源互联网解决方案供应商也大量涌现,能源工业互联网产业链初步构建完善。在工业和信息化部2018年工业互联网创新发展工程和试点示范评选中,近20%的优秀项目与能源领域有关,如石化盈科、中油瑞飞分别构建了石油化工的工业互联网平台,华能集团、国网青海电力、特变电工、太极计算机等公司在电力领域打造了覆盖发电、输变电和新能源的全生命周期应用标杆。

但同时,也应看到,我国能源行业在发展工业互联网时仍面临一系列问题,一是产业力量不足,工业互联网平台、工业软件、现场装备等关键环节的技术实力和产品性能仍与国外先进水平有较大差距,同时缺乏类似GE、西门子等具备综合解决方案的龙头供给侧企业和面向能源领域的特定行业供应商;二是应用推广不足,工业互联前期应用部署投入巨大,目前能源领域建设应用的创新探索主要集中在龙头企业和特定场景,中小企业投资能力和意愿不足,工业互联网应用仍处于点状发展状态;三是安全基础薄弱,从总体上看,国内能源企业对防护体系建设和管理的重视程度不够,更多关注功能安全,对信息安全不够重视,关乎国计民生的电力、石油、化工等行业均暴露在网络威胁下,工控等核心设备高度依赖国外进口,整体安全状况不容乐观。

垂直行业的工业互联网应用发展,根本靠技术创新,关键是产业供给,动力在市场应用。下一步,需要从四个方面强化能源领域的工业互联网应用:一是强化技术创新,瞄准高端芯片、工业操作系统、工业软件、安全防护等基础技术,探索5G、下一代网络、边缘计算、人工智能、区块链等前沿技术,发展泛在电力物联网、能源互联网平台等融合型技术,鼓励能源领域与信息通信领域的深入合作、联合攻关;二是培育产业力量,鼓励有条件的能源企业构建网络、平台、安全三大体系,努力拓展能源互联网系统集成、平台服务、整体解决方案等能力和业务,支持由“自用”转向“外供”,不断提升能源领域工业互联网供给的质量和效益;三是加强应用实施,通过试点示范、专项、标杆工厂等方式,支持能源企业加快网络化、智能化改造,推动IPv6商业化部署,推进业务系统和工业设备上云上平台,积极发展智能化生产、服务型制造等新模式新业态,创新生产方式、组织形式和增值模式;四是完善合作生态,加强政府部门间多方联动,完善跨界合作体制机制,以产业联盟、创新中心、产业集群等建设为牵引,加强在相关产业政策制定、人才培养、重大科研项目部署、试点示范项目设置以及各类园区建设等方面的沟通与合作,确保体系化推进。

 

作者简介

蒋昕昊

中国信息通信研究院信息化与工业化融合研究所数字化转型部副主任

拥有八年以上行业趋势、战略与业务规划等领域工作经验,深度参与工业互联网指导意见等文件编撰与支撑,从事工业互联网体系架构、产业、应用等领域研究。

 

李  南

中国信息通信研究院信息化与工业化融合研究所助理工程师

五年以上行业趋势、战略与业务规划等领域工作经验,深度参与工业互联网平台相关文件编撰与支撑,从事工业互联网、工业大数据等领域研究。

 
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