煙氣污染物智慧環(huán)保云平臺(tái)管理與實(shí)踐

楊正宏，李廉明，俞 燕

（1.物產(chǎn)中大集團(tuán)股份有限公司，浙江杭州 310003；2.嘉興新嘉愛(ài)斯熱電有限公司，浙江嘉興 314016）

0 引言

我國(guó)煤碳年消耗量約36 億噸，約占全球總煤耗的50%，燃煤過(guò)程釋放的污染物是造成大氣污染的重要原因，實(shí)現(xiàn)燃燒物減排、特別是燃煤污染物的高效減排，是解決當(dāng)前氣候環(huán)境問(wèn)題的關(guān)鍵。近年來(lái)，在國(guó)家大力推動(dòng)煤炭清潔利用和公眾愈發(fā)關(guān)注區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量的時(shí)代背景下，電力熱力機(jī)組煙氣污染物減排技術(shù)取得了一系列重要突破。國(guó)家政府工作報(bào)告中兩次提到“推動(dòng)燃煤電廠(chǎng)超低排放”和“全面實(shí)施燃煤電廠(chǎng)超低排放和節(jié)能改造”，也陸續(xù)出臺(tái)了的《全面實(shí)施燃煤電廠(chǎng)超低排放和節(jié)能改造工作方案》等一系列政策文件，明確要求2020 年前對(duì)燃煤機(jī)組全面實(shí)施超低排放。

浙江省是全國(guó)環(huán)境污染較為嚴(yán)重的地區(qū)之一，也是全國(guó)資源環(huán)境與發(fā)展矛盾最為尖銳的地區(qū)之一，未來(lái)大氣污染防治的任務(wù)依然十分艱巨。嘉興新嘉愛(ài)斯熱電有限公司220 t/h 鍋爐于2014 年9 月在國(guó)內(nèi)率先完成熱電機(jī)組的超低排放改造，實(shí)現(xiàn)煙氣主要污染物排放達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)標(biāo)準(zhǔn)限值要求，為熱電機(jī)組的超低排放改造推廣提供了技術(shù)支持。

現(xiàn)有處理燃煤污染物的超低排放裝置在日常運(yùn)維與管理過(guò)程中普遍存在著兩方面的問(wèn)題：

（1）現(xiàn)有超低排放技術(shù)主要建立在工藝技術(shù)能力提升的基礎(chǔ)上，污染物減排過(guò)程中各工藝技術(shù)如：煙氣脫硝、脫硫、除塵裝置彼此相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行，易受鍋爐變負(fù)荷、變煤種的影響，導(dǎo)致煙氣處理量、污染物成分動(dòng)態(tài)變化，缺乏整體的統(tǒng)籌優(yōu)化與智能管控，難以保持超低排放的高效穩(wěn)定。

（2）國(guó)家對(duì)電力行業(yè)的污染物排放控制要求日趨嚴(yán)格，煙氣超低排放也首先在電力行業(yè)推廣，對(duì)環(huán)保設(shè)施控制的效率、運(yùn)行穩(wěn)定性提出了更加嚴(yán)格的要求。電力行業(yè)超低排放環(huán)保島系統(tǒng)較為復(fù)雜，且大多數(shù)是通過(guò)多次提標(biāo)改造而最終成型，可能包含了多種控制系統(tǒng)，由此產(chǎn)生了各種信息交流瓶頸，造成管理障礙。而熱電機(jī)組鍋爐超低排放系統(tǒng)面臨的情況尤為復(fù)雜，普遍存在燃料成分復(fù)雜、負(fù)荷波動(dòng)頻繁等問(wèn)題。DCS（Distributed Control System，集散控制系統(tǒng)）難以做到及時(shí)調(diào)整和響應(yīng)，環(huán)保設(shè)施無(wú)法平穩(wěn)運(yùn)行，造成能耗物耗浪費(fèi)、運(yùn)行成本高的問(wèn)題。現(xiàn)有MIS（Management Information System，管理信息系統(tǒng)）不能很好地引入DCS 數(shù)據(jù)，而SIS（Safety Instrumented System，安全儀表系統(tǒng)）缺乏對(duì)DCS 數(shù)據(jù)的深入分析處理，也就起不到指導(dǎo)生產(chǎn)運(yùn)行和提供管理參考的作用。

在此背景下，為保障達(dá)標(biāo)排放，亟需研發(fā)穩(wěn)定高效的智能環(huán)保島系統(tǒng)以提高燃煤煙氣污染物超低排放系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化水平，保障系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性、可調(diào)性與經(jīng)濟(jì)性，提升區(qū)域污染排放管控能力，為改善浙江省乃至全國(guó)大氣空氣質(zhì)量提供重要技術(shù)支撐和保障。從企業(yè)內(nèi)部管理的角度來(lái)看，亟需依托人工智能技術(shù)創(chuàng)建AI 模型，通過(guò)挖掘隱含規(guī)律和參數(shù)尋優(yōu)，找到污染物減排的最佳解決方案，實(shí)現(xiàn)智慧生產(chǎn)，降低運(yùn)行成本；同時(shí)通過(guò)大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)物料管理、設(shè)備維護(hù)、智能報(bào)警等的智能管控，為公司提供經(jīng)營(yíng)決策參考，提高公司管理水平。

相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)外針對(duì)超低排放智慧環(huán)保島系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)并不充分，本文將對(duì)典型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組煙氣污染物超低排放系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，從運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、關(guān)鍵設(shè)備管理、性能評(píng)估與狀態(tài)預(yù)測(cè)、費(fèi)效能效評(píng)估和數(shù)據(jù)錄入等方面開(kāi)展探索研究，并為運(yùn)行優(yōu)化和設(shè)備管理提供一系列參考和建議。

1 技術(shù)方案

熱電聯(lián)產(chǎn)超低排放系統(tǒng)工藝復(fù)雜，設(shè)備多樣，部分裝置可協(xié)同脫除多種污染物，即便污染組分間存在相互耦合與競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。從工業(yè)過(guò)程自動(dòng)控制學(xué)科角度來(lái)看，熱電聯(lián)產(chǎn)煙氣超低排放系統(tǒng)具有多種參數(shù)輸入、多種參數(shù)輸出、強(qiáng)耦合、非線(xiàn)性和強(qiáng)不確定性等特點(diǎn)，是一種復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)。這類(lèi)系統(tǒng)中不同工藝位置的污染物濃度預(yù)測(cè)以及相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化有著更高的要求[1-2]。本文從數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用和設(shè)備管理及運(yùn)行優(yōu)化3 個(gè)方面展開(kāi)針對(duì)性研究。智慧環(huán)保島系統(tǒng)首頁(yè)見(jiàn)圖1。

圖1 智慧環(huán)保島系統(tǒng)首頁(yè)

1.1 數(shù)據(jù)收集

1.1.1 數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)庫(kù)

針對(duì)環(huán)保島系統(tǒng)中對(duì)污染物濃度預(yù)測(cè)及設(shè)備管理的數(shù)據(jù)需求，通過(guò)OPC 接口軟件采集現(xiàn)場(chǎng)DCS 數(shù)據(jù)，采用邊緣計(jì)算對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行預(yù)處理，構(gòu)建了基于MySQL 的超低排放系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的處理、傳輸、儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，為超低排放環(huán)保島系統(tǒng)各裝置入口/出口截面污染物濃度的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行、動(dòng)態(tài)評(píng)估、設(shè)備管理、全局優(yōu)化等功能提供支撐。

通過(guò)采集超低排放系統(tǒng)關(guān)鍵裝置和燃燒控制關(guān)鍵數(shù)據(jù)，構(gòu)建相關(guān)污染物排放模型，設(shè)定能耗和環(huán)保達(dá)標(biāo)率等二次參數(shù)，建立系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)與物料消耗參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。采集的關(guān)鍵裝置包括鍋爐、SCR 脫硝裝置、ESP 除塵裝置等；采集的數(shù)據(jù)包括煤炭指標(biāo)、氨水和石灰石等物料指標(biāo)、環(huán)保在線(xiàn)運(yùn)行與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；建立的運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)包括脫硝、脫硫、除塵等裝置及鍋爐在線(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)；建立的物耗能耗數(shù)據(jù)庫(kù)包括煤質(zhì)及物料、脫硝系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)的能耗及物耗；采集的物料主要包括煤炭、氨水、石灰石、飛灰等。根據(jù)不同裝置的運(yùn)行特性，采集與整理各個(gè)裝置的關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)庫(kù)，以作為系統(tǒng)建模、評(píng)估、優(yōu)化運(yùn)行等工作的依據(jù)。

1.1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

DCS 提取的數(shù)據(jù)信息易受到儀器性能與環(huán)境的影響，造成測(cè)得數(shù)據(jù)不精確。主要影響因素為噪聲的干擾與測(cè)量設(shè)備的故障。通過(guò)剔除測(cè)得數(shù)據(jù)的粗大值、減小噪聲信號(hào)的影響等措施，可提高測(cè)得數(shù)據(jù)的精確度，保證模型精度。

本文采用粗大值剔除、吹掃過(guò)程處理、數(shù)據(jù)平滑處理及數(shù)據(jù)歸一化等4 種處理方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗及變換：吹掃過(guò)程處理采用線(xiàn)性插值的方法；數(shù)據(jù)平滑處理采用中指濾波算法；數(shù)據(jù)歸一化將不同單位和數(shù)量級(jí)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為[0，1]區(qū)間范圍內(nèi)的無(wú)量綱數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用

超低排放環(huán)保島模型的優(yōu)化問(wèn)題屬于多模型復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化，可以用分散決策的方法來(lái)求解燃煤電廠(chǎng)環(huán)保島的運(yùn)行優(yōu)化問(wèn)題。由于針對(duì)某一特定污染物的脫除裝置可能協(xié)同脫除其他多種污染物，使得該煙氣污染物脫除裝置的運(yùn)行參數(shù)變化可能會(huì)影響到其他多種污染物的脫除效果，因此本文將脫硝、脫硫和除塵3 種污染物分別進(jìn)行優(yōu)化并執(zhí)行全局期望約束條件。

1.2.1 污染物濃度預(yù)測(cè)模型

針對(duì)CEMS（Continuous Emission Monitoring System，煙氣在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）測(cè)量滯后特性，開(kāi)發(fā)基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的脫硝裝置入口NOx濃度預(yù)測(cè)模型。以鍋爐側(cè)影響脫硝系統(tǒng)入口NOx濃度的關(guān)鍵因素以及脫硝系統(tǒng)入口NOx測(cè)量濃度為基礎(chǔ)，建立脫硝入口NOx濃度軟測(cè)量模型。采用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行建模，通過(guò)隨時(shí)間反向傳播算法進(jìn)行循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)訓(xùn)練。

采用機(jī)理與數(shù)據(jù)融合的建模方法，利用機(jī)理模型預(yù)測(cè)出口濃度，利用數(shù)據(jù)模型修正預(yù)測(cè)誤差。電除塵裝置顆粒物脫除整體模型主要包括脫除裝置入口濃度預(yù)測(cè)模型、飛灰顆粒電暈和裝置放電模型、飛灰顆粒物荷電模型以及遷移脫除模型。

通過(guò)對(duì)脫硫塔SO2脫除過(guò)程的機(jī)理分析，建立氣液傳質(zhì)反應(yīng)機(jī)理模型，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法對(duì)脫硫系統(tǒng)出口SO2濃度預(yù)測(cè)機(jī)理模型的誤差進(jìn)行校正，建立了濕法煙氣脫硫系統(tǒng)出口SO2濃度混合預(yù)測(cè)模型。

1.2.2 先進(jìn)控制方法

選取多模型預(yù)測(cè)控制策略（MMPC）作為脫硝裝置的先進(jìn)控制方法，將脫硝系統(tǒng)機(jī)理模型作為研究對(duì)象，并將脫硝系統(tǒng)入口NOx濃度軟測(cè)量與多模型控制方法結(jié)合形成脫硝裝置先進(jìn)控制策略。

以建立的電除塵裝置機(jī)理數(shù)據(jù)融合模型為研究對(duì)象，同時(shí)考慮出口粉塵濃度和運(yùn)行電壓最優(yōu)值，采用偏差修正的方法實(shí)現(xiàn)電除塵裝置運(yùn)行的在線(xiàn)優(yōu)化。

結(jié)合建立的脫硫系統(tǒng)混合預(yù)測(cè)模型，確定影響出口濃度的主要參數(shù)，將動(dòng)態(tài)矩陣算法（DMC）作為先進(jìn)控制算法，對(duì)脫硫裝置進(jìn)行先進(jìn)控制。全局監(jiān)測(cè)模塊如圖2 所示。

圖2 全局監(jiān)測(cè)模塊

1.3 設(shè)備管理及運(yùn)行優(yōu)化

基于環(huán)保島運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)與設(shè)備參數(shù)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及性能特性開(kāi)展針對(duì)性研究，建立設(shè)備性能劣化曲線(xiàn)庫(kù)；提取表征設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的指標(biāo)參數(shù)，建立設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與參數(shù)特征的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)性能評(píng)估。構(gòu)建設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠通過(guò)提取歷史數(shù)據(jù)對(duì)過(guò)去某時(shí)間點(diǎn)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。設(shè)備管理模塊（圖3）打通各設(shè)備系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交流通道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，保證信息傳遞流暢；通過(guò)建立設(shè)備基礎(chǔ)臺(tái)賬及檢修計(jì)劃、運(yùn)行管理、檢修管理流程，實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理綜合分析；利用智能算法，定位設(shè)備的高故障點(diǎn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障率高的真正原因，便于調(diào)整生產(chǎn)備品備件組織和進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)備檢修。

圖3 設(shè)備管理模塊

針對(duì)電廠(chǎng)僅從DCS 及CEMS 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及污染物排放濃度，無(wú)法判斷數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，易造成系統(tǒng)偏離設(shè)定運(yùn)行狀態(tài)及排放超標(biāo)等問(wèn)題，研究數(shù)據(jù)自校驗(yàn)方法。采用多元統(tǒng)計(jì)分析法、交叉驗(yàn)證法結(jié)合支持向量機(jī)、關(guān)聯(lián)規(guī)則等數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立數(shù)據(jù)自校驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?shí)現(xiàn)傳感器參數(shù)的自校驗(yàn)，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常并做出相應(yīng)反饋，提高系統(tǒng)運(yùn)行及管理的數(shù)據(jù)可靠性。分析歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，找到各設(shè)備工況參數(shù)與污染物脫除效率、污染物排放濃度之間的關(guān)系并據(jù)此建立污染物排放預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)污染物排放濃度的提前預(yù)測(cè)，為保障機(jī)組污染物排放的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)提供支撐。

基于結(jié)合環(huán)保島運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行污染物控制系統(tǒng)的能耗—物耗—成本評(píng)估，提出基于環(huán)保指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)的環(huán)保島運(yùn)行性能評(píng)估方法。

2 實(shí)施成效

通過(guò)研發(fā)燃煤煙氣污染物超低排放智慧環(huán)保島系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組信息化水平和運(yùn)行管理水平。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了AI 技術(shù)在超低排放環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣，機(jī)組設(shè)備信息智能管理，生產(chǎn)安全穩(wěn)定運(yùn)行，物料管理和污染物排放控制運(yùn)行成本—效益評(píng)估。通過(guò)卡邊控制先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)精確控制；通過(guò)智能管理實(shí)現(xiàn)了管理的運(yùn)行優(yōu)化，提高了生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、提高公司經(jīng)濟(jì)效益的目的。具體效果如下：

（1）先進(jìn)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低濃度側(cè)的卡邊控制和基于預(yù)測(cè)模型和出口濃度反饋的優(yōu)化控制，使煙氣污染物排放曲線(xiàn)平滑穩(wěn)定，在保證始終小于國(guó)家和地方政府的環(huán)保政策限值的條件下，減小排放曲線(xiàn)波動(dòng)。

（2）智慧環(huán)保島系統(tǒng)的實(shí)施可節(jié)約機(jī)組運(yùn)行成本，以新嘉愛(ài)斯熱電有限公司為例，氨水耗量節(jié)省0.007 t/h，電耗節(jié)省115 kW，按照年滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行8000 h 計(jì)，單臺(tái)機(jī)組年節(jié)約能耗費(fèi)用55.6萬(wàn)元，6 臺(tái)機(jī)組共節(jié)約成本超過(guò)300 萬(wàn)元。

3 結(jié)語(yǔ)

智慧環(huán)保島系統(tǒng)的成功實(shí)施，不僅給公司帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)利益，更能帶動(dòng)火電/熱電的大氣環(huán)保行業(yè)的調(diào)整與升級(jí)，是節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域的發(fā)展方向，是電力行業(yè)“兩化融合”的重要組成部分，其意義在于提高裝備設(shè)計(jì)、技術(shù)開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)優(yōu)化、運(yùn)行管理、環(huán)保性能等水平，推動(dòng)人工智能產(chǎn)業(yè)化，實(shí)現(xiàn)信息化帶動(dòng)工業(yè)化，工業(yè)化促進(jìn)信息化，具有重大的環(huán)境和社會(huì)效益。