燃燒器的大腦

西門子中央研究院（CT）研發(fā)的基于神經(jīng)網(wǎng)絡的人工智能系統(tǒng)已使西門子內頂尖燃氣輪機的燃燒過程得到了穩(wěn)步優(yōu)化。燃燒過程已經(jīng)“學會”要如何持續(xù)調整燃料閥以實現(xiàn)優(yōu)化并減少排放和磨損。現(xiàn)在，西門子發(fā)電服務集團正首次將這項聯(lián)合研發(fā)的技術應用于客戶現(xiàn)場，以優(yōu)化西門子內最大、最現(xiàn)代化的固定式燃氣輪機。由于西門子客戶處的許多復雜系統(tǒng)都能借助人工智能來改善運行情況，這項技術在提升能效方面的潛力是巨大的。

2016年3月，當谷歌公司研發(fā)的阿爾法圍棋軟件以五局四勝的成績力挫來自韓國的世界頂尖棋手時，人工智能充分展示出了其實實在在的顛覆性潛力。而當西門子中央研究院（CT）的研究人員發(fā)現(xiàn)他們研發(fā)的人工智能系統(tǒng)能夠助力實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化時，他們也同樣感到驚訝。CT商務分析與監(jiān)控技術領域的機器學習專家Volkmar Sterzing表示：“我們發(fā)現(xiàn)，如果一個系統(tǒng)的運行表現(xiàn)取決于專家的經(jīng)驗，那么它也可以利用人工智能加以優(yōu)化?！?/P>

隨著系統(tǒng)的結構日益復雜、需要應對的因素不斷增加，哪怕是專家在進行系統(tǒng)調整時也必須采取折衷的方法。專家不可能全天候待命。在這種情況下，能夠持續(xù)不斷監(jiān)控系統(tǒng)的人工智能就展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。

50項專利

西門子開展神經(jīng)網(wǎng)絡研究已有約30年了。公司已經(jīng)在將神經(jīng)網(wǎng)絡應用于人工智能方面取得了長足的進步。例如，西門子持續(xù)優(yōu)化其“面向神經(jīng)網(wǎng)絡的軟件環(huán)境（SENN） ”，并針對不斷涌現(xiàn)的新應用領域（包括燃氣輪機和風機優(yōu)化領域）對SENN進行了改良。Sterzing指出：“我們擁有約50項學習過程方面的專利。”

西門子發(fā)電服務集團和CT已研發(fā)出能夠持續(xù)優(yōu)化燃氣輪機燃燒過程的運行與控制的系統(tǒng)。這個系統(tǒng)名為“燃氣輪機自主控制優(yōu)化器（GT-ACO）”，它主要基于CT研發(fā)的人工智能技術。目前，西門子正在為亞洲的一個大客戶安裝這個系統(tǒng)，并將在西門子頂尖的H級燃氣輪機上進行深入測試。測試于2017年2月底前開始。一般來說，對燃氣輪機整體運行情況的改進是十分困難的，因為更低的排放通常會導致輪機使用壽命縮短。這是由于高能燃燒振蕩會導致材料疲勞，從而加劇磨損。

在許多不同類型的燃氣輪機上進行的測試結果已經(jīng)證明，GT-ACO切實有效。專家將燃機的氮氧化物排放量手動設置為最低后，人工智能系統(tǒng)將接管燃燒單元。西門子發(fā)電服務集團GT-ACO研發(fā)負責人Hans-Gerd Brummel說：“在測試中，人工智能系統(tǒng)啟動兩分鐘后，排放值就下降了20%。”Brummel是西門子在輪機遠程診斷和維護方面的開拓者。他曾榮獲西門子“年度發(fā)明家”獎，以表彰他所取得的成績。

優(yōu)化排放

將人工智能系統(tǒng)用于輪機的主要目標是將氮氧化物的排放量降至最低。為實現(xiàn)這一點，GT-ACO的神經(jīng)模型將改變燃料在燃氣輪機燃燒器內的分布。然而，受位置、燃氣成分和當?shù)靥鞖鈼l件等因素的影響，每個燃燒器的設置不盡相同。正因如此，GT-ACO需要花幾個星期來學習每個燃氣輪機的情況，然后才能自動對控制過程作出有益的調整。

Brummel表示：“客戶對我們的技術表現(xiàn)出了很大的興趣。由于可再生能源在發(fā)電電網(wǎng)中所占比重很高，相關人員往往需要利用燃氣輪機來維持電網(wǎng)頻率?！痹谶@種不斷變化的運行環(huán)境中，振蕩幅度增大的風險不斷上升，磨損也相應增加。然而，Brummel充滿信心：“對于這種情況，GT-ACO將能幫上大忙，因為它可以著重優(yōu)化阻尼振動?！?/P>

GT-ACO還可用于在一定程度上延緩燃氣輪機老化。這是因為，這項技術已將物理模型形式的燃氣輪機熱力學知識與機器學習結合了起來。

Sterzing堅信，這項技術在西門子將大有可為。它可以在配電、生產(chǎn)自動化和過程工業(yè)應用等領域大展身手。Brummel已經(jīng)在與發(fā)電行業(yè)的客戶探討GT-ACO，并正在研發(fā)更多優(yōu)化應用。

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電磁渦流加熱

高效開采稠油的方法之一，是將高壓熱蒸汽泵入地底。采用這種技術，蒸汽攜帶的熱能將令圈閉在巖石孔隙中的稠油熔化，使之得以更加容易地流向采油井和地表。

另一種方法，則不需要任何類型的蒸汽，而是利用電磁加熱（EM加熱）技術——西門子正在與石油和天然氣生產(chǎn)商Wintershall公司合作研制這項技術。在許多方面，這項技術都與日常的家用電磁爐的工作原理頗為類似。西門子的電磁加熱項目經(jīng)理Andreas Koch表示：“這項技術運作起來就像是感應爐灶?！?/P>

具體而言，一臺逆變器將頻率為10–200千赫的交流電，饋送給埋在地底深處，直接伸入油藏的長長的感應線圈電纜。油藏必須具備一定的導電性，正因如此，周圍的土壤需要達到一定的濕度。在交流電的作用下，感應線圈周圍區(qū)域將產(chǎn)生電磁場——這與電磁爐的工作原理差不多。這種磁場可以形成渦流，其歐姆損耗直接將油藏加熱。石油變得不那么粘稠，并流向位于感應線圈下方的采油井。就家用電磁爐而言，被加熱的是炊鍋，而不是感應線圈。同電磁爐的情況一樣，油藏中的感應線圈也保持“冷卻”，僅周圍區(qū)域變熱。這是局部加熱，因而在地表不易覺察。

最初，西門子中央研究院在沙箱內試驗了這個過程。西門子中央研究院的研究人員Bernd Wacker證明，僅通過電磁感應就能加熱濕潤的沙子。 代根多夫近郊草原地底的電流裝置，只是一系列試驗的第一步——這可謂名副其實的“野外試驗”。在這里，草原地底15米深處，埋放著200米的感應線圈。

西門子與德國最大的國際石油和天然氣生產(chǎn)商Wintershall控股有限公司已經(jīng)結成了研究伙伴關系，以便聯(lián)合試驗這種感應技術能否用于開采石油，并且如果成功的話，進一步研發(fā)出能夠直接在面向市場的系統(tǒng)。Wintershall公司的項目經(jīng)理Erich Le?ner說：“毫無疑問，這項感應技術在未來將大有用武之地?！笔聦嵣?，迄今為止，專家已經(jīng)證實，全球范圍內存在高達超過3萬億桶的重油儲量。Le?ner表示：“利用感應技術，可以開采出其中大部分重油儲量。”

混合技術和近地表儲量的巨大潛力

Koch指出，今后幾年要面臨的主要挑戰(zhàn)之一，是開發(fā)經(jīng)濟可行的方法，用于在地底鉆出長約1,000米的水平線圈，然后插入由特種塑料制成的安裝管道，以敷設有關感應電纜。要做到這一點，一種可能的方法是所謂的穿越河流鉆井技術，這項技術主要用于在河床下方鉆掘隧道。以20–30度的傾角，朝地下鉆進，直至其達到目標深度。接著，繼續(xù)水平鉆進，然后在設定的水平環(huán)轉向點處，返回向上鉆進。

Koch解釋道：“可以說，我們還是不能以合適的角度鉆進。”換句話說，感應電纜返回來伸出地面，再從另一個方向伸下去，進入“河床下方”。從橫截面看，掘進路徑就像一艘獨木舟。迄今為止所實現(xiàn)的最大掘進深度為400米。然而，感應技術在超過1,000米的深度也應能起作用。

取決于所涉及重油儲量的屬性，感應技術足以勝任開采第一階段的要求。然而，未來，通常要結合使用另一項技術，以充分發(fā)揮其潛力。在這種混合技術組合中，電磁感應加熱技術將作為蒸汽驅油技術的補充。這種方法的作用原理如下：在水平方向上，將蒸汽注入油藏。周圍呈扇形展開的地底區(qū)域逐步變熱。然而，兩個采油井之間的區(qū)域依然不在蒸汽輻射范圍內，因而最終的總采收率只有約40%-50%。在超出蒸汽輻射范圍的區(qū)域，安裝可以直接加熱油藏的感應電纜。隨著時間的推移，蒸汽腔與感應加熱的石油將發(fā)生交互作用，從而也開采出中間區(qū)域內的石油。

最初，西門子中央研究院在沙箱內試驗了這個過程。西門子中央研究院的研究人員Bernd Wacker證明，僅通過電磁感應就能加熱濕潤的沙子。 代根多夫近郊草原地底的電流裝置，只是一系列試驗的第一步——這可謂名副其實的“野外試驗”。在這里，草原地底15米深處，埋放著200米的感應線圈。

西門子與德國最大的國際石油和天然氣生產(chǎn)商Wintershall控股有限公司已經(jīng)結成了研究伙伴關系，以便聯(lián)合試驗這種感應技術能否用于開采石油，并且如果成功的話，進一步研發(fā)出能夠直接在面向市場的系統(tǒng)。Wintershall公司的項目經(jīng)理Erich Le?ner說：“毫無疑問，這項感應技術在未來將大有用武之地?！笔聦嵣希駷橹?，專家已經(jīng)證實，全球范圍內存在高達超過3萬億桶的重油儲量。Le?ner表示：“利用感應技術，可以開采出其中大部分重油儲量?！?/P>

混合技術和近地表儲量的巨大潛力

Koch指出，今后幾年要面臨的主要挑戰(zhàn)之一，是開發(fā)經(jīng)濟可行的方法，用于在地底鉆出長約1,000米的水平線圈，然后插入由特種塑料制成的安裝管道，以敷設有關感應電纜。要做到這一點，一種可能的方法是所謂的穿越河流鉆井技術，這項技術主要用于在河床下方鉆掘隧道。以20–30度的傾角，朝地下鉆進，直至其達到目標深度。接著，繼續(xù)水平鉆進，然后在設定的水平環(huán)轉向點處，返回向上鉆進。

Koch解釋道：“可以說，我們還是不能以合適的角度鉆進。”換句話說，感應電纜返回來伸出地面，再從另一個方向伸下去，進入“河床下方”。從橫截面看，掘進路徑就像一艘獨木舟。迄今為止所實現(xiàn)的最大掘進深度為400米。然而，感應技術在超過1,000米的深度也應能起作用。

取決于所涉及重油儲量的屬性，感應技術足以勝任開采第一階段的要求。然而，未來，通常要結合使用另一項技術，以充分發(fā)揮其潛力。在這種混合技術組合中，電磁感應加熱技術將作為蒸汽驅油技術的補充。這種方法的作用原理如下：在水平方向上，將蒸汽注入油藏。周圍呈扇形展開的地底區(qū)域逐步變熱。然而，兩個采油井之間的區(qū)域依然不在蒸汽輻射范圍內，因而最終的總采收率只有約40%-50%。在超出蒸汽輻射范圍的區(qū)域，安裝可以直接加熱油藏的感應電纜。隨著時間的推移，蒸汽腔與感應加熱的石油將發(fā)生交互作用，從而也開采出中間區(qū)域內的石油。

     公司主要從事工業(yè)自動化領域設備的研發(fā)、銷售、維修和承接自動化工程及技術服務等，集產(chǎn)品銷售、自動化控制工程、設備維修為一體，銷售西門子PLC、觸摸屏、變頻器、SITOP電源、數(shù)控系統(tǒng)(840D、802S/C、802SL、828D 801D)、伺服數(shù)控V20/V90/V80V60、軟啟動、備件等各系列產(chǎn)品。企業(yè)主要業(yè)務經(jīng)營范圍： 為工業(yè)企業(yè)提供智能制造整體解決方案頂層設計咨詢和規(guī)劃服務； 為工業(yè)企業(yè)數(shù)字化工廠產(chǎn)線設計、建設、互聯(lián)互通等提供專業(yè)的產(chǎn)品、技術和 服務。 為工業(yè)企業(yè)提供遠程數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、調試運維及工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺解決方案和 服務。 為工業(yè)企業(yè)和政府提供電氣自動化控制、傳動整體解決方案及項目集成、實施應用。 為工業(yè)企業(yè)提供西門子工業(yè)軟件及數(shù)字化工廠解決方案和實施服務。 為工業(yè)企業(yè)提供西門子自動化控制、網(wǎng)絡通訊、變頻電機、低壓元器件、智能儀表等電氣控制、傳動產(chǎn)品及高、中、低壓、西門子8PT配電產(chǎn)品、能源集團自動化等產(chǎn)品、技術和 服務。 為工業(yè)企業(yè)智能裝備層面提供自主知識產(chǎn)權的自動導引車、RFID、傳感器、數(shù)據(jù)采集智能網(wǎng)關、低壓配電柜、智能配電柜及電抗器、濾波器及快速布線端子板等產(chǎn)品。