火力發(fā)電廠白色煙羽治理中的節(jié)能優(yōu)化

金 閃姚國(guó)華

上海外高橋第二發(fā)電有限責(zé)任公司

引言

采用濕法脫硫FGD技術(shù)的火電企業(yè)其煙囪排出的濕煙氣在氣象條件不佳時(shí)容易生成白色煙羽，白色煙羽攜帶的少量粉塵及液滴聚集在周圍不能有效抬升而擴(kuò)散落地形成所謂的“石膏雨”現(xiàn)象。

近年來(lái)國(guó)家高度重視大氣污染的防治，修訂了《大氣污染防治法》并出臺(tái)相關(guān)政策[1-2]，與此同時(shí)，地方政府也根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況出臺(tái)地方環(huán)保規(guī)定[3-4]。2017年上海市政府出臺(tái)《上海市燃煤電廠石膏雨和有色煙羽測(cè)試技術(shù)要求（試行）》，率先在國(guó)內(nèi)提出了火電企業(yè)對(duì)“石膏雨”進(jìn)行治理的要求。

上海高橋第二發(fā)電廠于2016年率先在國(guó)內(nèi)完成“超凈排放”項(xiàng)目改造，大幅降低機(jī)組煙塵排放，在提高脫硫效率的同時(shí)應(yīng)用煙氣再加熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)“石膏雨”治理，并根據(jù)《上海市燃煤電廠石膏雨和有色煙羽測(cè)試技術(shù)要求（試行）》規(guī)定，在正常運(yùn)行時(shí)煙囪排放煙溫持續(xù)穩(wěn)定達(dá)到75℃以上，冬季（每年11月至第二年2月）和重污染預(yù)警啟動(dòng)時(shí)排放煙溫持續(xù)穩(wěn)定達(dá)到78℃以上。

公司超凈排放改造以后采取了多項(xiàng)節(jié)能優(yōu)化措施[5-6]，按照目前環(huán)保要求的固定煙溫排放，在低溫、潮濕環(huán)境下GGH加熱器會(huì)消耗大量輔助蒸汽，導(dǎo)致機(jī)組效率降低，煤耗上升，因此，筆者認(rèn)為排煙溫度的設(shè)定值得研究與探討。

1 白色煙羽生成原理

采用濕法脫硫技術(shù)的脫硫吸收塔內(nèi)噴嘴向快速流動(dòng)的高溫?zé)煔鈬姙⒚摿驖{液，漿液與煙氣充分接觸，在其反應(yīng)過程中煙氣被迅速冷卻且濕度增加至飽和狀態(tài)。與此同時(shí)，煙氣飽和濕度隨著煙溫的冷卻而降低，大量液滴析出，經(jīng)過四級(jí)除霧器有效過濾，脫硫塔后段煙道內(nèi)濕煙氣仍然處于近飽和狀態(tài)，其含濕量一旦超過煙囪出口處大氣環(huán)境飽和濕度，當(dāng)濕煙氣從煙囪出口排出，其狀態(tài)開始向大氣擴(kuò)散過程中就會(huì)發(fā)生凝結(jié)霧化現(xiàn)象，即白色煙羽現(xiàn)象。

圖1 白色煙羽治理原理圖

為消除白色煙羽現(xiàn)象必須避免煙囪出口高溫?zé)煔獬鯌B(tài)向大氣環(huán)境終態(tài)轉(zhuǎn)換過程中隨著溫度下降其含濕量超過飽和濕度的情況出現(xiàn)。圖1為大氣飽和含濕量曲線圖，橫坐標(biāo)為溫度t（單位：℃），縱坐標(biāo)為含濕量y（單位：g/kg），圖中藍(lán)色曲線為大氣飽和含濕量曲線，直線y1為環(huán)境終態(tài)與環(huán)境飽和含濕量曲線的切線，直線y2為煙囪內(nèi)部測(cè)得煙氣含濕量，兩條曲線的交點(diǎn)即為煙囪出口理論不會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)霧化現(xiàn)象的排放狀態(tài)，其橫坐標(biāo)即為最小濕煙氣溫度。

筆者于去年對(duì)白色煙羽進(jìn)行定性和定量研究，建立白色煙羽生成模型，計(jì)算出不同氣象條件和運(yùn)行工況下產(chǎn)生白色煙羽的最小濕煙氣排放溫度，并通過數(shù)月觀察試驗(yàn)證明了模型的準(zhǔn)確性和可靠性[7]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

白色煙羽治理節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)系公司自主研發(fā)并設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)由白色煙羽監(jiān)控平臺(tái)和嵌入式煙溫優(yōu)化控制系統(tǒng)兩部分組成，實(shí)現(xiàn)了采用濕法脫硫FDG技術(shù)機(jī)組運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控白色煙羽和優(yōu)化排煙溫度。

2.1 煙羽監(jiān)控平臺(tái)

根據(jù)《上海市燃煤電廠石膏雨和有色煙羽測(cè)試技術(shù)要求（試行）》規(guī)定，要求相關(guān)企業(yè)必須安裝攝像頭對(duì)煙囪白色煙羽進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和存儲(chǔ)，公司于去年按照該規(guī)定，根據(jù)公司運(yùn)行工況綜合考慮節(jié)能優(yōu)化趨勢(shì)，設(shè)計(jì)并安裝白色煙羽監(jiān)控平臺(tái)。該監(jiān)控平臺(tái)安裝有兩臺(tái)高清攝像頭從正、反兩側(cè)監(jiān)測(cè)煙囪濕煙氣排放。采用SiMax5.0網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以PC為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視屏播放、云臺(tái)控制、錄像視頻下載回放、日志查詢等功能。同時(shí)，平臺(tái)存儲(chǔ)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分為照片和視頻兩類，既可方便運(yùn)行專業(yè)管理人員對(duì)白色煙羽治理節(jié)能優(yōu)化工作進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)便于環(huán)保監(jiān)察人員進(jìn)行檢查。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括戶外氣象數(shù)據(jù)采集、機(jī)組數(shù)據(jù)采集、煙溫分析計(jì)算、算法修正和煙溫動(dòng)態(tài)展示，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視、分析、指導(dǎo)、記錄四維一體。

圖3 煙溫優(yōu)化控制系統(tǒng)主界面截圖

圖2 白色煙羽治理節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

煙溫優(yōu)化控制系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器（B/S）模型，如圖4所示，由包括表現(xiàn)層、事物邏輯層和數(shù)據(jù)處理層組成三層架構(gòu)部署實(shí)施，較傳統(tǒng)的C/S模型有以下三點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：（1）易于部署，通用性強(qiáng)；（2）維護(hù)方便，服務(wù)器端更新同步于所有用戶；（3）頁(yè)面動(dòng)態(tài)刷新，響應(yīng)速度快；（4）系統(tǒng)開發(fā)簡(jiǎn)單，節(jié)約成本。

另外，系統(tǒng)其主要事物邏輯層應(yīng)用Spring MVC技術(shù)SSM框架，該技術(shù)由Spring和Mybatis整合，分別負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)對(duì)象管理和數(shù)據(jù)對(duì)象持久化引擎。

2.2 嵌入式煙溫優(yōu)化控制系統(tǒng)

煙溫優(yōu)化控制系統(tǒng)由本公司自主設(shè)計(jì)利用系統(tǒng)集成方案嵌入安裝在公司白色煙羽監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)上，主要功能是根據(jù)機(jī)組運(yùn)行過程中所采集的大氣環(huán)境溫度、濕度和煙氣濕度、脫硫出口煙氣溫度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在線計(jì)算出無(wú)白色煙羽產(chǎn)生的最低理論煙溫在系統(tǒng)主界面顯示，指導(dǎo)運(yùn)行值班人員調(diào)整超凈排放系統(tǒng)中熱媒水加熱設(shè)定溫度維持煙氣排放溫度。另外，系統(tǒng)提供理論煙溫和實(shí)際煙溫的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)所繪制的動(dòng)態(tài)曲線供運(yùn)行管理人員查看和調(diào)閱，如圖3所示，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)能存儲(chǔ)根據(jù)監(jiān)控平臺(tái)存儲(chǔ)的煙囪監(jiān)控照片時(shí)間調(diào)閱包括計(jì)算所需的所有參數(shù)以及不同算法的理論計(jì)算結(jié)果等歷史數(shù)據(jù)作分析之用。

圖4 嵌入式煙溫優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 數(shù)據(jù)采集

為實(shí)現(xiàn)無(wú)白色煙羽排放的煙溫控制，公司在空曠地帶安裝高精度的氣象數(shù)據(jù)測(cè)量裝置實(shí)時(shí)采集當(dāng)?shù)卮髿猸h(huán)境溫度和環(huán)境濕度傳送至監(jiān)控平臺(tái)。由于環(huán)境溫度和濕度直接影響白色煙羽生成，作為煙溫分析計(jì)算的重要參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)投射在監(jiān)視畫面上為運(yùn)行值班人員提供氣象數(shù)據(jù)作為參考，同時(shí)將采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在監(jiān)控平臺(tái)的服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中。

煙溫優(yōu)化控制系統(tǒng)和白色煙羽監(jiān)控平臺(tái)共同采用數(shù)據(jù)庫(kù)，相同技術(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)更便于共享，數(shù)據(jù)表接口可供煙溫優(yōu)化控制系統(tǒng)隨時(shí)調(diào)用，同時(shí)通過SISJAVA API讀取機(jī)組大數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.4 煙溫分析計(jì)算

理論煙溫的計(jì)算采用兩種算法，圖5給出兩種算法的邏輯圖。第一種算法基于公司煙囪中部位置采集的煙氣濕度數(shù)據(jù)計(jì)算，第二種算法基于脫硫塔出口飽和濕煙氣溫度，取兩種算法計(jì)算結(jié)果的最大值作為理論煙溫。

煙溫分析計(jì)算模塊中含有計(jì)算誤差校正函數(shù)。考慮到氣象條件變化對(duì)機(jī)組運(yùn)行工況帶來(lái)的較大影響，在兩種算法計(jì)算之前的已知參數(shù)調(diào)用處和理論煙溫計(jì)算出口處增加偏置的設(shè)定，當(dāng)專業(yè)工程師通過兩臺(tái)機(jī)組相同工況對(duì)比發(fā)現(xiàn)表計(jì)故障或由于惡劣環(huán)境機(jī)組運(yùn)行工況受到影響時(shí)，及時(shí)做出調(diào)整，消除理論煙溫計(jì)算過程中的誤差。

圖5 煙囪排煙溫度計(jì)算模型

煙溫優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初即確定煙溫分析計(jì)算調(diào)用筆者提供的算法文件，算法采用Matlab語(yǔ)言編寫并留有調(diào)用接口，算法中需要的參數(shù)分別從監(jiān)視服務(wù)器和SIS數(shù)據(jù)庫(kù)取得，再應(yīng)用Matlab Jar包直接調(diào)用Matlab引擎計(jì)算，不需要開發(fā)人員對(duì)復(fù)雜的熱力學(xué)公式進(jìn)行編程計(jì)算，保證了試驗(yàn)結(jié)果前后的一致性和準(zhǔn)確性，為項(xiàng)目節(jié)約了開發(fā)時(shí)間、降低了開發(fā)費(fèi)用且提高了算法的保密性。

2.5 容錯(cuò)機(jī)制

為防止設(shè)備故障等因素導(dǎo)致煙溫計(jì)算結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)生偏差，煙溫優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有容錯(cuò)機(jī)制。煙溫分析計(jì)算所需數(shù)據(jù)調(diào)用函數(shù)邏輯上不采用平均值，對(duì)同一個(gè)參數(shù)的多個(gè)采樣數(shù)據(jù)選取第二高值方法，避免由于某一個(gè)采樣儀表故障導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。另外，由于氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)裝置僅有一臺(tái)，導(dǎo)致大氣環(huán)境濕度采樣數(shù)據(jù)源單一，為防止設(shè)備故障或通信斷路導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常，數(shù)據(jù)調(diào)用過程中增加判斷邏輯對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行追蹤，判斷數(shù)據(jù)有效性，提醒用戶某個(gè)數(shù)據(jù)源發(fā)生錯(cuò)誤需要及時(shí)處理。

3 系統(tǒng)試運(yùn)行

白色煙羽監(jiān)控和治理節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)于2018年4月投入試運(yùn)行，該系統(tǒng)經(jīng)過一個(gè)月的測(cè)試，通過對(duì)比之前研究的理論計(jì)算數(shù)據(jù)，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果與理論相吻合，運(yùn)行效果符合預(yù)期，能有效指導(dǎo)運(yùn)行人員在不同氣象條件下調(diào)整排煙溫度設(shè)定，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。同時(shí)，煙溫優(yōu)化控制系統(tǒng)的自動(dòng)化模塊省去繁瑣的查表過程，提高運(yùn)行人員的工作效率，有效指導(dǎo)運(yùn)行人員實(shí)現(xiàn)環(huán)保要求煙溫的無(wú)白色煙羽煙氣排放。另外，該系統(tǒng)存儲(chǔ)的完整數(shù)據(jù)表能夠幫助專業(yè)工程師在治理白色煙羽運(yùn)行中遇到問題提供解決方案，提高了運(yùn)行管理效率，符合火電廠智能化發(fā)展需要[8]。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)將于2018年開始大力治理白色煙羽[9]，各地火電企業(yè)陸續(xù)實(shí)施超凈排放技術(shù)改造，進(jìn)行綜合治理煙塵排放和白色煙羽。但是，目前行業(yè)的主要目光僅停留在治理[10-11]，已實(shí)現(xiàn)治理的企業(yè)運(yùn)行時(shí)間尚短，尤其是采取煙氣再加熱技術(shù)的白色煙羽治理的節(jié)能優(yōu)化存在經(jīng)驗(yàn)不足，因此，白色煙羽監(jiān)控和治理節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)的成功運(yùn)行是一次行業(yè)創(chuàng)新，從技術(shù)層面上支持火電廠智能化，在行業(yè)內(nèi)具有一定的指導(dǎo)意義。