中國儲能網訊：隨著“雙碳”目標的提出，新能源得到快速發(fā)展。國家能源局的相關報告顯示，截止2023年上半年，全國新能源裝機達到13.22億kW，發(fā)電量達1.34萬億kWh。但是，新能源具有的波動性、隨機性和間歇性會導致發(fā)電量短期大幅度變化，大規(guī)模、高比例新能源接入電力系統(tǒng)會影響電網穩(wěn)定性，降低電能質量，需要采取措施平衡電力系統(tǒng)的供需差異，儲能可以存儲冗余電量并在電力短缺時發(fā)電，是解決這一需求的途徑之一。壓氣儲能（Compressed Air Energy Storage,CAES）作為新型物理儲能受到廣泛關注。
壓氣儲能電站在用電波谷時段通過壓縮機將多余電能以高壓空氣的形式進行儲集，在用電波峰時段利用高壓空氣膨脹推動透平發(fā)電。壓氣儲能的優(yōu)勢在于其較好的適應性，儲氣裝置可以被放置在地下洞穴或已經存在的地下設施中，從而最大程度地減少占地空間?，F如今對壓氣儲能的研究已經從試點逐步轉為商業(yè)應用。2016年在貴州畢節(jié)，中科院陳海生團隊研究并建造了壓氣儲能國家示范電站，系統(tǒng)發(fā)電功率為10MW，效率高達60.2%。2021年在江蘇金壇，中國第一個60MW/300MWh先進絕熱壓氣儲能電站成功運行。該電站采用“非補燃”技術將效率提高到60%以上，在世界上首次實現壓縮空氣“零碳發(fā)電”。伴隨著越來越多的壓氣儲能項目規(guī)劃立項和開工建設，如何更高效安全地建設壓氣儲能電站已成為當前的研究熱點。
智能建造是一種利用數據分析和自動化工具來優(yōu)化建筑物全生命周期的建造方法。它涵蓋從設計、施工、運營到維護和拆除的各個階段，旨在提高效率、降低成本并提供更優(yōu)質的建筑和服務，將其引入壓氣儲能電站建設領域可以降低電站建設成本，提高電站建設效率。眾多學者針對智能建造領域開展了廣泛研究。尤志嘉等[8]呈現了一個智能建造理論體系的框架，揭示其科學內涵并展示內在邏輯聯系。陳珂等提出新一代智能建設體系的信息技術，其特點是數字化、網絡化和智能化。樊啟祥等提出一套智能構建的閉環(huán)控制理論，在定量描述的基礎上對新的建設活動進行感知、分析、控制和持續(xù)優(yōu)化。毛超等認為智能建造核心邏輯是基于建筑信息模型（Building Information Modeling,BIM）和物料清單（Bill of Material,BOM）的數據統(tǒng)一。BIM是智能建造的核心工具之一。它是一種數字化的建筑信息模型，整合了建筑物的幾何形狀、構造、材料屬性和各種數據，為設計、建造和運營階段提供全面支持。BIM可以提高協作效率、減少錯誤、優(yōu)化資源使用，并在整個建筑生命周期中支持智能決策。
上述研究分別從智能建造的理論框架、信息處理、控制策略及核心邏輯等角度開展了論述，但都停留在理論研究階段，對于智能建造的實際應用并沒有涉及。壓氣儲能作為新型物理儲能，在其建造體系中融入智能建造具有很大的研究價值。因此，本文將智能建造融入壓氣儲能電站的建造體系中。通過各種智能設備及關鍵技術從空間及時間各個維度輔助壓氣儲能電站的建設及運維；使得電站建造的各個環(huán)節(jié)銜接緊密；加強電站建造過程的信息傳遞。探究壓氣儲能電站建設領域使用智能建造技術對電站建設成本及建設效率的影響。
1.壓氣儲能電站工程特點分析
與火電站等常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)相比，壓氣儲能電站的工程建造有以下優(yōu)點：壓氣儲能電站的介質為空氣，電站運行中沒有大量化石能源地參與，因此建造過程中不需要考慮燃料供應及排放物處理，對周圍環(huán)境的影響?。粔簹鈨δ茈娬窘Y構簡單易維護，如壓縮機組、膨脹機組、換熱器和儲氣設備等主要設備布置集中，在電站維護階段，只需定期檢查設備和儲氣裝置的狀態(tài)；壓氣儲能電站可以實現模塊化施工和積木式組裝，百兆瓦級壓氣儲能電站可以在小型壓氣儲能電站的基礎上積木式地逐年擴建，這種建造方法有利于電站設備更新換代。同時，壓氣儲能電站在建造過程中也會有一些難點，例如儲氣設備密封不嚴、壓縮機及膨脹機選型困難等。這些問題都需要建造電站的各單位多次研究探討，為了提高效率并降低成本，考慮在壓氣儲能電站建造工程中引入智能建造技術。
2.壓氣儲能電站的智能建造體系
壓氣儲能電站的智能建造體系可分為空間維度和時間維度。
2.1 壓氣儲能電站的智能建造空間維度體系
壓氣儲能電站的智能建造空間維度體系可分為5個基本層次，分別為壓氣儲能空間層、感知層、傳輸層、分析層和決策層，如圖1所示。壓氣儲能空間層是物理層。感知層負責感知和處理對象。傳輸層將感知層獲取的信息傳送至分析層的儲存空間。信息在分析層中進行分析處理。決策層的各服務子層調用分析層，智能表達處理結果，并將決策信息反饋回感知層。
2.1.1 感知層
感知層涵蓋了數據采集、傳感器感知、實時監(jiān)測等技術，目的是獲取壓氣儲能電站的數據和信息并將其數字化進行分析和決策。在壓氣儲能電站智能建造的感知層，通過各種感知設備可以實現的功能如表1所示。通過感知層可以實現電站建設過程中各種數據參數的實時監(jiān)測。
在壓氣儲能電站項目中，利用固定式攝像頭、移動布控球、AR全景攝像頭等監(jiān)控設備，建立了分布式現場視頻監(jiān)視體系，全面覆蓋主要施工作業(yè)風險點。利用先進傳感技術、數字化技術等實現鹽穴地面沉降監(jiān)測、施工環(huán)境監(jiān)測以及井筒健康監(jiān)測。
2.1.2 傳輸層
傳輸層涵蓋了數據傳輸、通信網絡等技術，旨在實現電站各個基礎設施之間的數據交換、共享和處理。傳輸層通過連接各種智能設備和系統(tǒng)，實現數據的自動傳輸、集成和分析，從而實現更高層次的自動化和智能化。
在壓氣儲能電站智能建造的傳輸層，通過硬件間的信息交換可以實現的功能如表2所示。傳輸層可以自動數據傳輸并實時反饋。壓氣儲能電站的傳輸層具有通信和電力這兩種協議。與通用的通信協議相比，電力傳輸協議用于傳輸與電力系統(tǒng)相關的數據，如電流、電壓、功率因數等；電力系統(tǒng)需要實時監(jiān)測和響應，因此電力傳輸協議對數據的精度有較高要求；電力傳輸協議強調數據的安全性、機密性和完整性，對通信身份進行嚴格驗證。
2.1.3 分析層
分析層涵蓋了數據分析、實時處理、模型預測等技術，從感知層和傳輸層收集的實時數據中提取有價值的信息和趨勢，分析層可以幫助電站工作人員及時做出決策，優(yōu)化電站管理。通過云數據庫及云計算可以實現的功能如表3所示。分析層的目標是利用實時數據和分析技術，實現對電站及其相關設施的即時監(jiān)測、預測和優(yōu)化。這種實時性能夠幫助用戶迅速做出決策，及時應對變化，提高運行效率和資源利用率。在300MW級壓氣儲能電站示范工程中，實現了工程標段劃分、人員智能分析、智能告警、安全風險統(tǒng)計、環(huán)境敏感點核查等功能。其中，工程標段劃分對現場施工進度進行實時分析，通過記錄工程節(jié)點，實現各方施工進度調整及相關變動。人員智能分析包括考勤人員統(tǒng)計、特種作業(yè)人員分類及統(tǒng)計、請/休假人員統(tǒng)計、各項目部請/休假情況、考勤人數趨勢分析等方面。智能預警包括煙火監(jiān)測、陌生人識別、未戴安全帽、越界偵測等。安全風險統(tǒng)計對作業(yè)施工中發(fā)生的異常工況進行統(tǒng)計，并對異常工況進行實時分析。
2.1.4 決策層
決策層涵蓋了人工智能、決策支持等技術，旨在分析從感知層到分析層的數據，為各種決策提供智能化支持和指導。
決策層的功能如表4所示，決策層的決策能反饋到設計、制造、施工及運維各個階段。在300MW級壓氣儲能電站示范工程項目中，智能決策分為依托‘大云物智移’對實時監(jiān)測到的海量數據進行分析，自主生成問題解決綜合最優(yōu)方案，如在設備（如壓縮機、膨脹機等）運行過程中發(fā)生嚴重工況預警，大數據分析平臺能及時做出判斷，并做出智能決策，實現設備的自主啟停。
2.2 壓氣儲能電站時間維度體系
壓氣儲能電站時間維度體系可分為4個階段，分別為智能設計、制造、施工及運維。
如圖4所示，在智能設計階段，對電站總體規(guī)劃做出智能設計方案，對電站的普通構件進行拆分設計，對特殊部件進行單獨設計或定制，最終得出設計物料清單及施工方案；在智能制造階段，工廠根據生產物料清單及方案數據包制定生產準備、材料選購和生產計劃，根據計劃所提供的交付計劃和構件工藝要求來制定生產計劃，包括生產進度、物料采購與調配管理等，生產階段的信息流入施工階段，以輔助施工單位進行施工進度安排，同時施工階段的需求和進度信息也會反過來指導構件生產；施工現場的采購和施工信息等匯總到模型中，這是一個數字孿生模型，完全模擬了物理空間的建筑實體?？蓪κ┕がF場的數據進行分析，預測施工進度、預警施工風險、監(jiān)控施工質量等，從而優(yōu)化施工安排；在最終的智能運維階段，通過BIM等平臺實現電站智能巡檢、設備運行維護等功能。
3.CAES電站的智能建造關鍵技術
在壓氣儲能電站的建造體系中應用智能建造相關的關鍵技術可以加速電站建造速度并提高電站建設的準確性和安全性。將這些關鍵技術歸納為智能設計、智能制造、智能施工及智能運維4個階段，如圖5所示。
這些關鍵技術可通過BIM平臺進行統(tǒng)一管理與應用。在設計階段，將關鍵技術的相關物理模型輸入BIM軟件，在制造和施工階段，通過BIM平臺實現關鍵技術的實時數據傳輸及交互。在運維階段，將BIM平臺數據與其他平臺結合輔助電站運行[16]。
3.1 智能設計階段
在智能設計階段，壓氣儲能電站智能建造體系的關鍵技術主要包括：
1）三維數字化建模：使用BIM等三維建模軟件，對壓氣儲能電廠的地質、土建、機組本體、地下管網等電廠設備及建筑物進行三維建模，構建整個電廠的1:1整體三維模型[17]。
2）聲納測腔反射解譯：利用聲納向儲氣室的腔體邊界發(fā)射聲波，通過時間差曲線將聲波由發(fā)射探頭經反射返回接收探頭的時間差記錄下來，從而獲得儲氣室的外形和體積，并在儲氣室內將已獲得的多波束和聲吶的圖像數據進行幾何匹配。
3）管線綜合深化設計：制定管道的命名規(guī)則及顏色劃分，確定機電模型的精度與深度。根據各專業(yè)智能建造模型，對有碰撞的部位進行翻彎調整，預先發(fā)現項目圖紙的錯誤[18]。
4）地下管網設計：利用探測設備對管線預設位置、管線深度進行探測，并將數據信息歸納為施工圖深化設計模型，在模型對應位置的管線上標注所獲取的數據信息，輔助工作人員管理、施工地下管線[19]。
5）正向三維設計出圖：正向出圖技術是一項創(chuàng)新性的數字化方法，用于將電站設計轉化為實際施工所需的信息完整準確的2D圖紙。3D至2D的信息轉化與圖紙的自動繪制是正向三維出圖技術的重點。信息轉換的過程中，需要建立CAES電站相關設備的精準3D模型，利用幾何運算將2D視圖的幾何輪廓信息導出并轉換成為中間數據文件。在繪制圖紙階段，進行信息讀取和相關的圖紙繪制。通過讀取中間文件獲得對應的2D視圖。正向三維出圖將不同維度的信息高度集成到同一平臺，彌補了二維圖紙不能深化應用及信息傳遞的缺點，有效提高了電站設計效率[20]。
3.2 智能制造階段
在智能制造階段，壓氣儲能電站智能建造體系的關鍵技術主要包括：
1）制造智能化管理：工廠根據BOM數據包制定電站包括生產進度、物料采購及調配管理等在內的生產準備工作。將所有生產數據實時整合到BIM模型中，對設備和部件的生產進行質量管理和進度監(jiān)測。
2）智能焊縫探傷：輸入所有焊縫的等級及需探傷的區(qū)域，結合現場施工進度計劃，預警探傷時間。探傷完成后在模型中輸入焊縫信息，判定是否有遺漏，基于判定結果進行進一步處理。
3）設備虛擬預組裝：根據設計院或生產廠商提供的數據或模型，對工程中重要的機電設備進行虛擬預拼裝，提前發(fā)現加工缺陷，加深設計加工的一體化銜接以減少加工甚至施工階段的返工情況。
4）數字孿生體構建：根據建筑信息模型之間的關系搭建壓氣儲能系統(tǒng)的數字孿生場景。建立各建筑信息模型的關聯關系和本構模型，實現各個模型之間的關聯[21]。
3.3 智能施工階段
在智能施工階段，壓氣儲能電站智能建造體系的關鍵技術主要包括：
1）5D施工管理：通過5D施工管理技術可以實現施工進度模擬和動態(tài)成本管理。結合BIM與可視化技術，構建可視化環(huán)境對工程施工進度指標的可視化監(jiān)測；運用BIM與5D模型，精準統(tǒng)計工程中的所有物料資源、設備設施等資源的需求數量，合理控制工程施工成本[22]。
2）現場管控和人員定位：基于智能建造平臺，對出入車輛進行識別，對接智能安全帽、監(jiān)測手環(huán)等設備感知數據，實時掌控作業(yè)人員的生命體征、位置和行動軌跡。通過高清語音對講實現遠程對話，輔助遠程協作指導作業(yè)、監(jiān)督檢查以及應急指揮。
3）作業(yè)微環(huán)境監(jiān)測：基于微環(huán)境智能在線監(jiān)測技術實時三維可視化監(jiān)測（包括氧氣、硫化氫、二氧化硫、氨氣等有害氣體濃度），監(jiān)測數值達到預警值時，系統(tǒng)自動發(fā)出預警提醒[23]。
4）智能安防及機器狀態(tài)感知：利用固定式攝像頭等監(jiān)控設備建立分布式現場視頻監(jiān)控體系。對現場塔吊、升降機、卸料平臺等設備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，實時顯示各機器具間的空間位置、距離、速度、載重等，當監(jiān)測數據超過設定的閾值，系統(tǒng)自動發(fā)出預警提醒。
5）鹽穴智能施工及儲氣穩(wěn)定監(jiān)測：通過自動分析圍巖屬性及實際施工進度信息直觀展示鹽穴的圍巖類別及分布，針對鹽穴的溫度、壓力、流量進行監(jiān)測，判別腔體是否存在泄漏問題。
3.4 智能運維階段
在智能運維階段，壓氣儲能電站智能建造體系的關鍵技術主要包括：
1）設備狀態(tài)監(jiān)測：通過對接監(jiān)控信息系統(tǒng)統(tǒng)計電廠各主要設備運行時間、啟停次數、停運時間、檢修時間等數據，降低因設備故障導致的事故及停機時間。
2）三維數字化交付：利用數字化移交軟件，將全廠三維數字化模型與主要設備屬性及設備相關數字化檔案導入移交平臺組織，進行數字化交付。交付數據全面涵蓋電廠鹽穴地質、結構、屬性、設備關聯關系等各種業(yè)務結構化數據，并按照進度來實施漸進式的交付。工程竣工后，按竣工圖進行移交[24]。
3）全生命周期信息庫：構建設備全生命周期信息庫，逐步累積壓氣儲能電站設計、制造、施工及運維的過程資料，實現全生命周期的模型、圖屬、過程資料、運行數據的查詢與分析。
4）性能計算與分析：計算電廠各設備的性能效率，根據電價等經濟性信息計算單個機組及全廠相關的各個成本指標。通過這些方式，壓氣儲能電廠的決策人員可以隨時了解當前機組的性能及成本等信息。
4.應用實例
中國能建湖北應城300MW級壓氣儲能電站是世界首臺300MW壓氣儲能示范工程，采用了全球首創(chuàng)、全綠色、非補燃、高效率的300MW級壓氣儲能技術。該工程是國家新型儲能試點示范項目，利用廢棄鹽礦作為儲氣庫，每天可儲能8小時、釋能5小時，儲能容量達1500兆瓦時，系統(tǒng)轉換效率約70%，能夠有效提升區(qū)域電網的調峰能力，促進電網消納更多風電、光伏等新能源[25]。項目建設過程中，本文的壓氣儲能電站智能制造體系及其關鍵技術相關成果也得到了有效應用。
在智能設計階段，電站采用正向出圖的設計方式，基于“先建模后出圖”的設計思維理念，建立壓氣儲能電站廠地三維模型。該工程地上部分采用工廠三維布置設計管理系統(tǒng)（Plant DesignManagement System,PDMS）平臺進行設計，地下部分基于老腔對儲庫進行改建。其地下三維模型的創(chuàng)建通過聲吶測腔、地震勘探技術以及對各參建單位的收資完成。在智能設計階段，相關設計文檔分為初步設計、施工圖設計、竣工圖設計三種。
在智能制造階段，將詳細設計圖紙傳入生產系統(tǒng)。根據工藝路線發(fā)布采購計劃，采購原材料。原材料采購完成后進入生產車間加工生產。設計人員全程進行技術支持。檢驗階段以人工檢驗為主，通過檢測單、視頻和照片等多種方式進行檔備案。設備生產完成后在廠區(qū)進行設備虛擬組裝以及實物組裝測試。智能制造全過程采用智能化管理方式，對交付時間、生產經營、物料采購、儲備管理等信息進行實時收集和精準調控。在智能施工階段，電站采用智慧三維平臺。
如圖4所示，電站采用“工地一張圖”的監(jiān)管模式，依托電廠三維數字化模型展示廠區(qū)鹽穴、地下及地上的基本結構和項目基本信息，形成相互關聯的工地實時信息展示[26]。目前，該平臺能做到工地現場多物聯感知覆蓋采集。在此基礎上，將平臺功能劃分為工程影像、業(yè)務總覽、重點區(qū)域監(jiān)測、基礎監(jiān)測、智能門禁、視頻監(jiān)控、施工機械管理、鹽穴地質監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、智能告警、智能廣播等分區(qū)。
在智能運維階段，電站相關的研究正在進行。電站完工后智能運維將包括BIM可視化鹽穴及井筒健康診斷監(jiān)測、地下管網泄漏檢測、全廠三維預覽和漫游、設備拆解智能培訓、設備管理與仿真培訓等關鍵技術。
壓氣儲能電站智能制造體系及其關鍵技術研究實現了壓氣儲能工程數據感知、傳輸、分析、決策的全場景應用，以及從設計、制造、施工、到運維的全生命周期貫通，為湖北應城300MW級壓氣儲能電站的順利建設提供了有力支撐。
5.結論
提出了壓氣儲能電站智能建造體系，以智能建造系統(tǒng)架構為指導，對壓氣儲能電站智能建造的關鍵技術進行了分析研究和現場應用。
1）對壓氣儲能系統(tǒng)的工程特點及智能建造體系進行分析。從空間及時間雙重維度梳理了智能建造應用于壓氣儲能電站建造體系的整體流程，并通過300MW壓氣儲能電站示范項目的相關資料驗證了該體系的可行性。
2）對壓氣儲能系統(tǒng)智能制造體系內的關鍵技術進行了研究。歸納整理智能建造相關技術并進行分析，表明智能建造的關鍵技術可以加速壓氣儲能電站建造速度并提高電站建設的準確性和安全性。
3）智能建造加快了壓氣儲能電站的物料及數據等資源統(tǒng)籌速度，降低電站建設成本并提高電站建設效率?；谥悄芙ㄔ斓膲簹鈨δ茈娬倔w系的研究和應用可以加速壓氣儲能的商業(yè)化進程，為儲能領域的研究提供創(chuàng)新技術支持。
