火電廠煙氣脫硫設(shè)施工況監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用

張巍　金鵬　馮濤

摘要：本文介紹了火電廠煙氣脫硫設(shè)施工況監(jiān)控系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)火電廠煙氣脫硫設(shè)施主要參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性范圍校驗(yàn)、關(guān)聯(lián)度判斷、邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)脫硫設(shè)施運(yùn)行異常狀態(tài)的報(bào)警，最后通過(guò)實(shí)例說(shuō)明了工況監(jiān)控系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)管中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：火電廠；煙氣脫硫；工況監(jiān)控

中圖分類號(hào)：X851 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2016）04-0077-04

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2016.04.019

Abstract：Condition monitoring system for flue gas desulfurization facilities of thermal power plant was introduced in this paper， the key technology of the system was studied. Through the establishment of mathematical model， by checking the data validity， association judgment and logic judgment on the main parameters of flue gas desulfurization facilities of thermal power plant， the abnormal state of desulfurization facilities was warned. In the end， the application of condition monitoring system in the environment regulation was illustrated through the examples.

Key words：Thermal power plant；Flue gas desulfurization；Condition monitoring

引言

“十一五”期間，我國(guó)大規(guī)模地開展了污染源自動(dòng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，目前，我國(guó)已建成國(guó)控重點(diǎn)污染源自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)一萬(wàn)多家國(guó)家重點(diǎn)監(jiān)控企業(yè)主要污染物排放情況的自動(dòng)監(jiān)控。為加強(qiáng)國(guó)控重點(diǎn)污染源監(jiān)管，深化污染源自動(dòng)監(jiān)控建設(shè)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用，提高污染源自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可信度，在2008～2009年開始提出對(duì)污染源治理全過(guò)程實(shí)施監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)環(huán)境管理從“末端監(jiān)控”向“全過(guò)程監(jiān)控”的精細(xì)化管理轉(zhuǎn)變。內(nèi)蒙古自治區(qū)最早于2009年開展火電廠煙氣脫硫設(shè)施工況監(jiān)控系統(tǒng)研究建設(shè)，通過(guò)多年的運(yùn)行，積累了大量的工況監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

1 火電廠煙氣脫硫設(shè)施工況監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

火電廠工況監(jiān)控的基本原理是根據(jù)工藝設(shè)計(jì)，對(duì)影響污染物排放的生產(chǎn)設(shè)施、污染物治理設(shè)施運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，包括工藝參數(shù)（如：流量、溫度、pH值、濃度等）和電氣參數(shù)（電流、電壓、頻率）進(jìn)行的監(jiān)測(cè)；結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)工藝和末端監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，全面監(jiān)控企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)施和治理設(shè)施的運(yùn)行、污染物治理效果和排放量情況，輔助判定污染物排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的合理性、真實(shí)性和可接受性。

火電廠煙氣脫硫設(shè)施工況監(jiān)控系統(tǒng)是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備從生產(chǎn)控制系統(tǒng)中采集工況過(guò)程數(shù)據(jù)，包括主機(jī)DCS和CEMS數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或者環(huán)保專網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的工況過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)脫硫設(shè)施運(yùn)行全過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析、預(yù)警、核查和管理[1]。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

工況監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)一般分為四層：采集層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層及應(yīng)用層。采集層位于工況前端（電廠側(cè)），主要負(fù)責(zé)工況數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)絡(luò)層位于工況前端（電廠側(cè)）與監(jiān)控中心（環(huán)保機(jī)構(gòu)側(cè)）之間，主要負(fù)責(zé)工況前端的數(shù)據(jù)發(fā)送及監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)層位于監(jiān)控中心（環(huán)保機(jī)構(gòu)側(cè)），由工況過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)和工況統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)庫(kù)兩部分組成，其中過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)是專門用于存儲(chǔ)連續(xù)工況數(shù)據(jù)的專用數(shù)據(jù)庫(kù)，是保障工況數(shù)據(jù)連續(xù)存儲(chǔ)及快速調(diào)取的關(guān)鍵。工況統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)庫(kù)是用于存放分析結(jié)果數(shù)據(jù)通用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。工況應(yīng)用層位于監(jiān)控中心（環(huán)保機(jī)構(gòu)側(cè)），主要負(fù)責(zé)對(duì)工況數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用。

其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：

2.2 數(shù)據(jù)采集

2.2.1 數(shù)據(jù)采集與接入

火電廠煙氣脫硫設(shè)施工況監(jiān)控系統(tǒng)涉及的采集數(shù)據(jù)源較多也較復(fù)雜，包括單元機(jī)組系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)、煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、其它環(huán)保相關(guān)控制系統(tǒng)等，涉及到的控制系統(tǒng)包括分布式集散控制系統(tǒng)DCS、可編程控制器（PLC）程控系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、其它智能設(shè)備等。前端采集軟件既要滿足目前主流DCS、PLC等控制系統(tǒng)的接口，也能通過(guò)二次開發(fā)支持一些特殊的接口協(xié)議[2]。內(nèi)蒙古自治區(qū)火電廠煙氣脫硫設(shè)施工況系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集采用OPC（OLE for Process Control）和DDC（直接數(shù)字信號(hào)控制）兩種接入方式，OPC應(yīng)用于主機(jī)DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，而DDC應(yīng)用于脫硫DCS/PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。企業(yè)端采集網(wǎng)絡(luò)根據(jù)工況采集單元的安放地點(diǎn)不同，采用光纖或六類線連接。工況采集單元一般包含單向隔離器、接口機(jī)、采集交換機(jī)及前端工況過(guò)程數(shù)據(jù)服務(wù)器等設(shè)備，采集單元需要配備雙電源切換器，保障設(shè)備連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2.2 采集參數(shù)指標(biāo)

根據(jù)脫硫設(shè)施工藝的原理不同，工況監(jiān)控系統(tǒng)采集的關(guān)鍵監(jiān)控參數(shù)也有所區(qū)別。內(nèi)蒙古自治區(qū)火電廠煙氣脫硫工況監(jiān)控系統(tǒng)接入的脫硫工藝包括：石灰石-石膏濕法、循環(huán)流化床爐內(nèi)噴鈣、氨法。針對(duì)應(yīng)用最廣泛的石灰石-石膏濕法脫硫，工況在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要采集的參數(shù)包括：增壓風(fēng)機(jī)、GGH、石灰石供漿泵、循環(huán)漿液泵、石膏排除泵、氧化風(fēng)機(jī)、煙道中各個(gè)CEMS的測(cè)量參數(shù)、生產(chǎn)系統(tǒng)及擴(kuò)充煙氣系統(tǒng)重要設(shè)備及重要生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)參數(shù)（發(fā)電量、燃煤量、機(jī)組總送風(fēng)量、引風(fēng)機(jī)、電除塵器）等。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

火電廠煙氣脫硫設(shè)施工況監(jiān)控系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工況監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)及應(yīng)用，其主要功能包括：實(shí)時(shí)圖型監(jiān)視、歷史趨勢(shì)分析、工況統(tǒng)計(jì)分析、工況報(bào)警系統(tǒng)、報(bào)表系統(tǒng)等功能。

（1）實(shí)時(shí)圖形監(jiān)視將工況的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確的反映在工況實(shí)時(shí)圖形界面上，如圖3。

（2）歷史趨勢(shì)分析即調(diào)閱一個(gè)或多個(gè)參數(shù)歷史數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)曲線，通過(guò)調(diào)取與環(huán)保相關(guān)的參數(shù)曲線，如機(jī)組負(fù)荷、增壓風(fēng)機(jī)電流、脫硫效率、煙氣流量、SO2濃度、吸收塔pH等進(jìn)行相關(guān)性分析，可發(fā)現(xiàn)企業(yè)不正常運(yùn)行脫硫設(shè)施的行為。

（3）工況統(tǒng)計(jì)即對(duì)工況監(jiān)控指標(biāo)，如發(fā)電負(fù)荷、發(fā)電量、耗煤量、煙氣流量、煙氣SO2濃度、SO2排放量、脫硫投運(yùn)率、脫硫效率、綜合脫硫效率、發(fā)電原煤耗、煤炭推算硫分等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

（4）工況報(bào)警主要分為三類：系統(tǒng)報(bào)警、參數(shù)報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)報(bào)警，系統(tǒng)報(bào)警反映治污設(shè)施啟停狀態(tài)；參數(shù)報(bào)警是通過(guò)建立模型反映設(shè)施運(yùn)行的不正?，F(xiàn)象；網(wǎng)絡(luò)報(bào)警反映因網(wǎng)絡(luò)異常而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不正常。通過(guò)工況報(bào)警，系統(tǒng)可自動(dòng)進(jìn)行參數(shù)相關(guān)性分析，主動(dòng)識(shí)別企業(yè)異常行為。

（5）報(bào)表系統(tǒng)即定制開發(fā)工況相關(guān)報(bào)表，實(shí)現(xiàn)各設(shè)施不同時(shí)期數(shù)據(jù)縱向?qū)Ρ取⑼愒O(shè)施的數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ取?/p>

3 數(shù)據(jù)應(yīng)用分析

截至2015年底，內(nèi)蒙古自治區(qū)已實(shí)現(xiàn)了61家火電廠167臺(tái)機(jī)組的脫硫工況數(shù)據(jù)接入，工況監(jiān)控火電廠的裝機(jī)容量達(dá)到了5850萬(wàn)千瓦。經(jīng)過(guò)多年的工況運(yùn)維和數(shù)據(jù)分析工作，總結(jié)和歸納出火電廠煙氣脫硫設(shè)施運(yùn)行多類典型問(wèn)題，并將分析成果應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)察執(zhí)法和總量核查等管理工作中。

3.1 異常工況分類

工況監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)火電廠煙氣脫硫設(shè)施主要參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性范圍校驗(yàn)、關(guān)聯(lián)度判斷、邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)脫硫設(shè)施運(yùn)行異常狀態(tài)的報(bào)警[3]，共歸納為3大類、14小類異常報(bào)警，如表1。

3.2 異常工況分析案例

2015年，內(nèi)蒙古自治區(qū)火電廠通過(guò)工況監(jiān)控發(fā)現(xiàn)的異常以流量關(guān)聯(lián)度異常為主，占異?？倲?shù)的45.5%。煙氣流量關(guān)聯(lián)度異常主要表征為煙氣流量不隨機(jī)組負(fù)荷的規(guī)律變化，主要是由于監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝位置不當(dāng)或儀表測(cè)量精度不夠造成的，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，使用矩陣流量計(jì)的機(jī)組煙氣流量與機(jī)組負(fù)荷的相關(guān)性較好。本文以數(shù)據(jù)缺失、設(shè)限值、邏輯異常為例，說(shuō)明工況監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的異常情況。

3.2.1 數(shù)據(jù)缺失

圖3為某機(jī)組主機(jī)與脫硫設(shè)施運(yùn)行參數(shù)曲線圖，紅色曲線為機(jī)組負(fù)荷，綠色為入口SO2濃度，藍(lán)色為出口SO2濃度，淡藍(lán)色為增壓風(fēng)機(jī)電流，天藍(lán)色為旁路擋板狀態(tài)。該機(jī)組5月1日12時(shí)至5月3日1時(shí)主機(jī)運(yùn)行，脫硫停運(yùn)（旁路打開，增壓風(fēng)機(jī)停運(yùn)），自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)全部缺失，初步判斷為脫硫停運(yùn)，人為中斷超標(biāo)數(shù)據(jù)，逃避環(huán)保監(jiān)管。

3.2.2 設(shè)限值

發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，脫硫系統(tǒng)停運(yùn)，出口煙氣SO2濃度設(shè)定限值。

圖4為某機(jī)組主機(jī)脫硫運(yùn)行曲線圖，紅色曲線為機(jī)組負(fù)荷，藍(lán)色為出口SO2濃度，紫色為增壓風(fēng)機(jī)電流，天藍(lán)色為旁路擋板狀態(tài)。該機(jī)組2月27日1時(shí)至2月27日7時(shí)30分，脫硫停運(yùn)時(shí)出口SO2濃度設(shè)定限值，限值在2057mg/m3左右。

出口煙氣流量設(shè)定限值。

圖5中紅色曲線為機(jī)組負(fù)荷，綠色為出口煙氣流量， 1月1日至1月16日出口煙氣流量設(shè)限值為2000km3/h。而限值解除后，其平均負(fù)荷在450MW，其出口煙氣流量均值在1200km3/h，其流量明顯偏低。

3.2.3 邏輯異常

圖6中紅色曲線為機(jī)組負(fù)荷，綠色為入口SO2濃度，藍(lán)色為出口SO2濃度，淡藍(lán)色為增壓風(fēng)機(jī)電流，灰為旁路擋板狀態(tài)。4月1日23時(shí)至4月4日0時(shí)脫硫停運(yùn)，旁路打開（一直為開），增壓風(fēng)機(jī)停運(yùn)，出口SO2濃度在脫硫設(shè)施停運(yùn)前后無(wú)明顯變化一直保持200mg/m3左右，初步判斷為出口煙氣SO2濃度作假。

4 結(jié)論

火電廠煙氣脫硫設(shè)施工況監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從主機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、脫硫運(yùn)行狀態(tài)、污染物排放的全過(guò)程監(jiān)控，即污染物產(chǎn)生、治理、排放的全過(guò)程監(jiān)控。通過(guò)分類、歸納和總結(jié)機(jī)組和脫硫設(shè)施運(yùn)行的典型異常情況，并建立數(shù)學(xué)模型，工況監(jiān)控系統(tǒng)可自動(dòng)判定機(jī)組和脫硫設(shè)施運(yùn)行狀況及排放數(shù)據(jù)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，為環(huán)境監(jiān)管提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2016-07-18

作者簡(jiǎn)介：張?。?984-），女，工程師，主要從事環(huán)境監(jiān)控以及環(huán)境信息化工作.