压气储能电站智能建造体系及其关键技术.docx

压气储能电站智能建造体系及其关键技术随着“双碳”目标的提出，新能源得到快速发展。国家能源局的相关报告显示，截止2023年上半年，全国新能源装机达到13.22亿kW,发电量达1.34万亿kWh。但是，新能源具有的波动性、随机性和间歇性会导致发电量短期大幅度变化，大规模、高比例新能源接入电力系统会影响电网稳定性，降低电能质量，需要采取措施平衡电力系统的供需差异，储能可以存储冗余电量并在电力短缺时发电，是解决这一需求的途径之一。压气储能(CompressedAirEnergyStoragefCAES)作为新型物理储能受到广泛关注。压气储能电站在用电波谷时段通过压缩机将多余电能以高压空气的形式进行储集，在用电波峰时段利用高压空气膨胀推动透平发电。压气储能的优势在于其较好的适应性，储气装置可以被放置在地下洞穴或已经存在的地下设施中，从而最大程度地减少占地空间。现如今对压气储能的研究已经从试点逐步转为商业应用。2016年在贵州毕节，中科院陈海生团队研究并建造了压气储能国家示范电站，系统发电功率为10M,效率高达60.2%.2021年在江苏金坛，中国第一个60MW300MWh先进绝热压气储能电站成功运行。该电站采用“IF补燃”技术将效率提高到60%以上，在世界上首次实现压缩空气“零碳发电”。伴随着越来越多的压气储能项目规划立项和开工建设，如何更高效安全地建设压气储能电站已成为当前的研究热点。智能建造是一种利用数据分析和F1.动化工具来优化建筑物全生命周期的建造方法。它涵盖从设计、施工、运营到维护和拆除的各个阶段，旨在提高效率、降低成本并提供更优质的建筑和服务，将其引入压气储能电站建设领域可以降低电站建设成木，提高电站建设效率。众多学者针对智能建造领域开展了广泛研究。尤志嘉等8呈现了一个智能建造理论体系的框架，揭示其科学内涵并展示内在逻辑联系。陈珂等提出新一代智能建设体系的信息技术，其特点是数字化、网络化和智能化。樊启祥等提出一套智能构建的闭环控制理论，在定量描述的基础上对新的建设活动进行感知、分析、控制和持续优化。毛超等认为智能建造核心逻辑是基于建筑信息模型(Bui1.dingInformationMode1.ing,BIM)和物料清单(Bi1.1.ofMateria1.BOM)的数据统一。BIv是智能建造的核心工具之一。它是一种数字化的建筑信息模型，整合了建筑物的几何形状、构造、材料属性和各种数据，为设计、建造和运营阶段提供全面支持。IHM可以提高协作效率、减少借误、优化资源使用，并在整个建筑生命周期中支持智能决策。上述研究分别从智能建造的理论框架、信息处理、控制策略及核心逻辑等角度开展了论述，但都停留在理论研究阶段，对于智能建造的实际应用并没有涉及。压气储能作为新型物理储能，在其建造体系中融入智能建造具有很大的研究价值。因此，木文将智能建造融入压气储能电站的建造体系中。通过各种智能设备及关键技术从空间及时间各个维度辅助压气储能电站的建设及运维；使得电站建造的各个环节衔接紧密；加强电站建造过程的信息传递。探究压气储能电站建设领域使用智能建造技术对电站建设成本及建设效率的影响。1、压气储能电站工程特点分析与火电站等常规发电系统相比，压气储能电站的工程建造有以下优点：压气储能电站的介质为空气，电站运行中没有大量化石能源地参与，因此建造过程中不需要考虑燃料供应及排放物处理，对周围环境的影响小:压气储能电站结构简单易维护，如压缩机组、膨胀机组、换热器和储气设备等主要设备布置集中，在电站维护阶段，只需定期检查设备和储气装置的状态；压气储能电站可以实现模块化施工和积木式组装，百兆瓦级压气储能电站可以在小型压气储能电站的基础上积木式地逐年扩建，这种建造方法有利于电站设备更新换代。同时.，压气储能电站在建造过程中也会有,一些难点，例如储气设备密封不严、压缩机及膨胀机选型困难等。这些问题都需要建造电站的各单位多次研究探讨，为了提高效率并降低成本，考虑在压气储能电站建造工程中引入智能建造技术。2、压气储能电站的智能建造体系压气储能电站的智能建造体系可分为空间维度和时间维度。2.1 压气储能电站的智能建造空间维度体系压气储能电站的智能建造空间维度体系可分为5个基本层次，分别为压气储能空间层、感知层、传输层、分析层和决策层，如图1所示。压气储能空间层是物理层。感知层负责感知和处理对象。传输层将感知层获取的信息传送至分析层的储存空间。信息在分析层中进行分析处理。决策层的各服务子层调用分析层，智能表达处理结果，并将决策信息反馈网感知层。UArS决玉城决*层,立于Ig0I分析号-1IIdsII*计<%XVB2aBattR.6*拿S”。*BB£,*工CM>1.11WRa(MI11MX8(Mr“a依»«&.工R"Iifitt<M5i三nna、力aawa分箱决重暴嫌于云ItH的ecu水X.KMMnR*ZHHBGMSSRSwoamr>任力代9atrbi三-F砸fI嬖知X】图I压气信能电站空间度体系示意图2.1.1 感知层感知层涵盖了数据采集、传感蹈感知、实时监测等技术，目的是获取压气储能电站的数据和信息并将其数字化进行分析和决策。在压气储能电站智能建造的感知层，通过各种感知设备可以实现的功能如表1所示。通过感知层可以实现电站建设过程中各种数据参数的实时监测。在压气储能电站项目中，利用固定式摄像头、移动布控球、AR全景摄像头等监控设备，建立了分布式现场视频监视体系，全面覆盖主要施工作业风险点。利用先进传感技术、数字化技术等实现盐穴地面沉降监测、施工环境监测以及井筒健康监测。表1感知层的功能及优点”ITab.1.Functionsandadvantagesoftheperception1.ayer,5项目功能优点全球导航导航定位,监测电站设备的移动轨迹精度高,实时性强遥感通过卫星、E机等远距离采集地表信息信息多样化,数据范围广射频识别标识物体,监测物品运输、库存管理等附加射频识别标签以实现实时追踪流景传感滴量液体或气体的流屋支持费源管理和流程优化2.1.2传输层传输层涵盖了数据传输、通信网络等技术，旨在实现电站各个基础设施之间的数据交换、共享和处理。传输层通过连接各种智能设备和系统，实现数据的F1.动传输、集成和分析，从而实现更高层次的H动化和智能化。在压气储能电站智能建造的传输层，通过硬件间的信息交换可以实现的功能如表2所示。传输层可以自动数据传输并实时反馈。压气储能电站的传输层具有通信和电力这两种协议。与通用的通信协议相比，电力传输协议用于传输与电力系统相关的数据，如电流、电压、功率因数等：电力系统需要实时监测和响应，因此电力传输协议对据的精度有较高要求：电力传输协议强调数据的安全性、机密性和完整性，对通信身份进行严格验证。表2传输层的功能及优点Tab.2FunctionsandadvantagesofthetransportIaver项目功能优点自动数据传输设着和系统间自动传输数据无需人为干预、实现数据的即时交换通信协议保障设备间通信协议确保可以相互交流并理解传输的数据电力传输协议协助电网监控、管理和优化数据准确安全,具行实时性本地网络建立本地网络使智能设备能宜接互相通信自主协作共享数据、合作控制智能化协作办公实时反馈实时反馈和响应支持系统快速调解优化2.1.3分析层分析层涵盖了数据分析、实时处理、模型预测等技术，从感知层和传输层收集的实时数据中提取有价值的信息和趋势，分析层可以帮助电站工作人员及时做出决策，优化电站管理。通过云数据库及云计算可以实现的功能如衣3所示。分析层的目标是利用实时数据和分析技术，实现对电站及其相关设施的即时监测、预测和优化。这种实时性能够帮助用户迅速做出决策，及时应对变化，提高运行效率和资源利用率。在300VW级压气储能电站示范工程中，实现了工程标段划分、人员智能分析、智能告警、安全风险统计、环境敏感点核查等功能。其中，工程标段划分对现场施工进度进行实时分析，通过记录工程节点，实现各方施工进度调整及相关变动。人员智能分析包括考勤人员统计、特种作业人员分类及统计、请/休假人员统计、各项目部请/休假情况、考勤人数趋势分析等方面。智能预警包括烟火监测、陌生人识别、未戴安全帽、越界侦测等。安全风险统计对作业施工中发生的异常工况进行统计，并对异常工况进行实时分析。表3分析层的功能及优点Tab.3Functionsandadvantagesofthe.Ana1.ysis1.ayer项目功能优点实时监测监测电站及设施的实时状态，防止出现储罐压力过高等向避及时发现能显损失.提高效率实时预测基于实时数据和预测模型,预测未来电站的发电情况提前探知问题，节省成本实时报警发现电站的监测数据出现异常情况,及时通知相关人员弥补人工监控的不足，减少系统误报率和漏报率实时数据可视化将电站输出功率等参数以图衣等形式呈现帮助工作人员直观/解电站情况2.1.4决策层决策层涵盖了人工智能、决策支持等技术，旨在分析从感知层到分析层的数据，为各种决策提供智能化支持和指导。决策层的功能如表4所示，决策层的决策能反馈到设计、制造、施工及运维各个阶段。在300MW级压气储能电站示范工程项目中，智能决策分为依托大云物智移'对实时监测到的海量数据进行分析,自主生成问题解决综合最优方案，如在设备（如压缩机、膨胀机等）运行过程中发生严重工况预警，大数据分析平台能及时做出判断，并做出智能决策，实现设备的自主启停。表4决策层的功能及优点Tab.4Functionsandadvantagesofthedecision1.eve1.项目功能优点设计数字化建模、管线综合设计、属性参数和估值可视化、地卜管网设计等可视化设计图纸.降低设计难度制造实现W能化管理,币:要设备虚拟预组装、管道焊缝探伤等加速制造速度,降低零部件误差风险魄工运维降低压气体能电站施匚危险,保障现场人员安全完善压气储能电站管理体系，提高电站工作效率能工顺城实时管理、人员定位及体征感知、作业环境监测设备状态监测、设备拆解智能培训、全生命周期信息库、性能计算与分析2.2压气储能电站时间维度体系压气储能电站时间维度体系可分为4个阶段，分别为智能设计、制造、施工及运维。如图4所示，在智能设计阶段，对电站总体规划做出智能设计方案，对电站的普通构件进行拆分设计，对特殊部件进行单独设计或定制，最终得出设计物料清单及施工方案：在智能制造阶段，工厂根据生产物料清单及方案数据包制定生产准备、材料选购和生产计划，根据计划所提供的交付计划和构件工艺要求来制定生产计划，包括生产进度、物料采购与调配管理等，生产阶段的信息流入施工阶段，以辅助施工单位进行施工进度安排，同时施工阶段的需求和进度信息也会反过来指导构件生产；施工现场的采购和施工信息等汇总到模型中，这是一个数字季生模型，完全模拟了物理空间的建筑实体。可对施工现场的数据进行分析，预测施工进度、预警施工风险、监控施工质量等，从而优化施工安排：在最终的智能运维阶段，通过BIV等平台实现电站智能巡检、设备运行维护等功能。图2缶气储能电站时间雉度体系示意图3、CAES电站的智能建造关键技术在压气储能电站的建造体系中应用智能建造相关的关键技术可以加速电站建造速度并提高电站建设的准确性和安全性。将这些关键技术归纳为智能设计、智能制造、智能施工及智能运维4个阶段，如图5所示。这些关键技术可通过BIM平台进行统一管理与应用。在设计阶段,将关键技术的相关物理模型输入B1.M软件，在制造和施工阶段，通过BIM平台实现关键技术的实时数据传输及交互。在运维阶段，将BIM平台数据与其他平台结合辅助电站运行16。智能设计阶段智能制造阶段智能选r阶段智能运维阶段:施收字化建棺Mia料催化管舞设餐状奇越海正向:wsW能燥微探伤现场的技Ie人员定位三娘数/化殳付声纳*»肿反时网译谀着虚版改纲装作业倒环境41滴全生苗期的息以管残纸杆次化设计数字学生体构建智能安劭及机部状6明灿性能计体与分析地卜替M改计处穴暑般Ir1.R储气修定以冽图3用气能电站智能电体系的关技术3.1 智能设计阶段在智能设计阶段，压气储能电站智能建造体系的关键技术主要包括：1）三维数字化建模：使用B1.M等三维建模软件，对压气储能电厂的地质、土建、机组本体、地下管网等电厂设备及建筑物进行三维建模，构建整个电厂的1:1整体三维模型17。2）声纳测腔反射解译：利用声纳向储气室的腔体边界发射声波，通过时间差曲线将声波由发射探头经反射返回接收探头的时间差记录下来，从而获得储气室的外形和体积，并在储气室内将已获得的多波束和声呐的图像数据进行几何匹配。3）管线综合深化设计：制定管道的命名规则及颜色划分，确定机电模型的精度与深度。根据各专业智能建造模型，对有碰撞的部位进行翻弯调整，预先发现项目图纸的错误18。4）地下管网设计：利用探测设备对管线预设位置、管线深度进行探测，并将数据信息归纳为施工图深化设计模型，在模型对应位置的管线上标注所获取的数据信息，辅助工作人员管理、施工地下管线19。5）正向三维设计出图：正向出图技术是一项创新性的数字化方法，用于将电站设计转化为实际施工所需的信息完整准确的2D图纸。3D至2D的信息转化与图纸的自动绘制是正向三维出图技术的重点。信息转换的过程中，需要建立CAES电站相关设备的精准3D模型，利用几何运尊将2D视图的几何轮廓信息导出并转换成为中间数据文件。在绘制图纸阶段，进行信息读取和相关的图纸绘制。通过读取中间文件获得对应的2D视图。正向三维出图将不同维度的信息高度集成到同一平台，弥补了二维图纸不能深化应用及信息传递的缺点，有效提高了电站设计效率20。3.2 智能制造阶段在智能制造阶段，压气储能电站智能建造体系的关键技术主要包括：1）制造智能化管理：工厂根据BOM数据包制定电站包括生产进度、物料采购及调配管理等在内的生产准备工作。将所有生产数据实时整合到BIM模型中，对设备和部件的生产进行质量管理和进度监测。2）智能焊缝探伤：输入所有焊缝的等级及需探伤的区域，结合现场施工进度计划，预警探伤时间。探伤完成后在模型中输入焊健信息,判定是否有遗漏，基于判定结果进行进一步处理。3）设备虚拟预组装：根据设计院或生产厂商提供的数据或模型，对工程中重要的机电设备进行虚拟预拼装，提前发现加工缺陷，加深设计加工的一体化衔接以减少加工甚至施工阶段的返工情况。4）数字季生体构建：根据建筑信息模型之间的关系搭建压气储能系统的数字季生场景。建立各建筑信息模型的关联关系和本构模型，实现各个模型之间的关联21。3.3 智能施工阶段在智能施工阶段，压气储能电站智能建造体系的关键技术主要包括：1） 5D施工管理：通过5D施工管理技术可以实现施工进度模拟和动态成本管理。结合B1.M与可视化技术，构建可视化环境对工程施工进度指标的可视化监测：运用B1.M与5D模型，精准统计工程中的所有物料资源、设备设施等资源的需求数量，合理控制工程施工成本22。2）现场管控和人员定位：基于智能建造平台，对出入车辆进行识别，对接智能安全帽、监测手环等设备感知数据，实时掌控作业人员的生命体征、位置和行动轨迹。通过高清语音对讲实现远程对话，辅助远程协作指导作业、监督检查以及应急指挥。3）作业微环境监测：基于微环境智能在线监测技术实时三维可视化监测（包括氧气、硫化氢、二氧化硫、究气等有害气体浓度），监测数值达到预警值时，系统自动发出预警提醒23。4）智能安防及机器状态感知：利用固定式摄像头等监控设备建立分布式现场视频监控体系。对现场塔吊、升降机、卸料平台等设备运行状态进行实时监测，实时显示各机器具间的空间位置、距离、速度、载重等，当监测数据超过设定的阈值，系统F1.动发出预警提醒。5）盐穴智能施工及储气稳定监测：通过自动分析围岩属性及实际施工进度信息直观展示盐穴的围岩类别及分布，针对盐穴的温度、压力、流量进行监测，判别腔体是否存在泄漏问题。3.4 智能运维阶段在智能运维阶段，压气储能电站智能建造体系的关键技术主要包括：1）设备状态监测：通过对接监控信息系统统计电厂各主要设备运行时间、启停次数、停运时间、检修时间等数据，降低因设备故障导致的事故及停机时间。2）三维数字化交付：利用数字化移交软件，将全厂三维数字化模型与主要设备属性及设备相关数字化档案导入移交平台组织，进行数字化交付。交付数据全面涵盖电厂盐穴地质、结构、属性、设备关联关系等各种业务结构化数据，并按照进度来实施渐进式的交付。工程竣工后，按竣工图进行移交24。3）全生命周期信息库：构建设备全生命周期信息库，逐步累积压气储能电站设计、制造、施工及运维的过程资料，实现全生命周期的模型、图属、过程资料、运行数据的查询与分析。4）性能计算与分析：计算电厂各设备的性能效率，根据电价等经济性信息计算单个机组及全厂相关的各个成本指标。通过这些方式，压气储能电厂的决策人员可以随时了解当前机组的性能及成本等信息、。4、应用实例中国能建湖北应城30OMW级压气储能电站是世界首台300MW压气储能示范工程，采用了全球首创、全绿色、非补燃、高效率的300MW级压气储能技术。该工程是国家新型储能试点示范项目，利用废弃盐矿作为储气库，每天可储能8小时、释能5小时，储能容量达1500兆瓦时，系统转换效率约70%,能够有效提升区域电网的调峰能力，促进电网消纳更多风电、光伏等新能源25。项目建设过程中，本文的压气储能电站智能制造体系及其关键技术相关成果也得到了有效应用。在智能设计阶段，电站采用正向出图的设计方式，基于“先建模后出图”的设计思维理念，建立压气储能电站厂地三维模型。该工程地上部分采用工厂三维倘置设计管理系统(P1.antDesignManagementSystem,PDMS)平台进行设计，地下部分基于老腔对储库进行改建。其地下三维模型的创建通过声呐测腔、地选勘探技术以及对各参建单位的收资完成。在智能设计阶段，相关设计文档分为初步设计、施工图设计、竣工图设计三种。在智能制造阶段，将详细设计图纸传入生产系统。根据工艺路线发布采购计划，采购原材料。原材料采购完成后进入生产车间加工生产。设计人员全程进行技术支持。检验阶段以人工检验为主，通过检测单、视频和照片等多种方式进行档备案。设备生产完成后在厂区进行设备虚拟组装以及实物组装测试。智能制造全过程采用智能化管理方式，对交付时间、生产经营、物料采购、储备管理等信息进行实时收集和精准调控。在智能施工阶段，电站采用智慧三维平台。如图4所示，电站采用“工地一张图”的监管模式，依托电厂三维数字化模型展示厂区盐穴、地下及地上的基本结构和项目基本信息,形成相互关联的工地实时信息展示26。目前，该平台能做到工地现场多物联感知覆盖采集。在此基础上，将平台功能划分为工程影像、业务总览、重点区域监测、基础监测、智能门禁、视频监控、施工机械管理、盐穴地质监测、环境监测、智能告警、智能广播等分区。图4智慧工地平台在智能运维阶段，电站相关的研窕正在进行。电站完工后智能运维将包括BIM可视化盐穴及井筒健康诊断监测、地下管网泄漏检测、全厂三维预览和漫游、设备拆解智能培训、设备管理与仿真培训等关键技术。压气储能电站智能制造体系及其关键技术研究实现了压气储能工程数据感知、传输、分析、决策的全场里应用，以及从设计、制造、施工、到运维的全生命周期贯通，为湖北应城300VW级压气储能电站的顺利建设提供了有力支撑。5、结论提出了压气储能电站智能建造体系，以智能建造系统架构为指导,对压气储能电站智能建造的关键技术进行了分析研究和现场应用。1）对压气储能系统的工程特点及智能建造体系进行分析。从空间及时间双重维度梳理了智能建造应用于压气储能电站建造体系的整体流程，并通过300MW压气储能电站示范项目的相关资料验证了该体系的可行性。2）对压气储能系统智能制造体系内的关键技术进行了研究。归纳整理智能建造相关技术并进行分析，表明智能建造的关键技术可以加速乐气储能电站建造速度并提高电站建设的准确性和安全性。3）智能建造加快了压气储能电站的物料及数据等资源统筹速度，降低电站建设成本并提高电站建设效率。基于智能建造的压气储能电站体系的研究和应用可以加速压气储能的商业化进程，为储能领域的研究提供创新技术支持。