除塵設(shè)備智慧安全管控系統(tǒng)的應(yīng)用研究

文_蒙原 福建龍凈環(huán)保股份有限公司

1 除塵設(shè)備安全現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

燃煤電廠的除塵設(shè)備主要包括電除塵器、袋除塵器和電袋除塵器。目前，除塵器的結(jié)構(gòu)安全關(guān)鍵部件主要包括鋼支架、灰斗、殼體柱腳、殼體體系。隨著設(shè)備運(yùn)行年限增加，部分關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生銹蝕、設(shè)計(jì)工況發(fā)生變化，存在一定安全隱患。除塵運(yùn)維安全關(guān)鍵系統(tǒng)主要包括上位機(jī)控制系統(tǒng)（IPC）、輸灰控制系統(tǒng)（PLC）、廠級(jí)分散控制系統(tǒng)（DCS），各系統(tǒng)存在一定數(shù)據(jù)孤島，統(tǒng)一運(yùn)維難度較大。

為確保除塵設(shè)備安全，除塵器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理角度出發(fā)，選用合理的結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件形式和布置方式。而從日常運(yùn)營(yíng)角度出發(fā)，則仍采用傳統(tǒng)的日常巡檢，包括檢查地面裂縫、沉降、鋼結(jié)構(gòu)是否變形、銹蝕嚴(yán)重程度、灰斗漏灰等事項(xiàng)。通過(guò)運(yùn)營(yíng)人員經(jīng)驗(yàn)，手動(dòng)設(shè)定設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，監(jiān)盤時(shí)間長(zhǎng)，自動(dòng)化程度低，耗時(shí)費(fèi)力，對(duì)設(shè)備安全運(yùn)營(yíng)難以有效監(jiān)測(cè)。近年來(lái)，隨著人工智能應(yīng)用的成熟，圖像識(shí)別、故障檢測(cè)、智能控制等技術(shù)分別在工業(yè)領(lǐng)域中得到越來(lái)越多的應(yīng)用，除塵設(shè)備安全管理過(guò)程中應(yīng)用這些先進(jìn)技術(shù)，也是環(huán)保行業(yè)內(nèi)的一種趨勢(shì)。

2 智慧安全管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所開(kāi)發(fā)的除塵設(shè)備智慧安全管控系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

其中，除塵設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)源于IPC對(duì)應(yīng)的下位機(jī)硬件模塊集成的DAU前端機(jī)?；叶吩O(shè)備相應(yīng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)源于PLC控制器，機(jī)組運(yùn)行工況數(shù)據(jù)來(lái)源于DCS。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)增設(shè)一臺(tái)高清攝像頭，用于識(shí)別除塵整體結(jié)構(gòu)的異常。它們分別構(gòu)成管控系統(tǒng)的感知層。

從感知層不同數(shù)據(jù)源采集到的數(shù)據(jù)和圖像，在服務(wù)器中存儲(chǔ)和計(jì)算。通過(guò)平臺(tái)層進(jìn)行配置，集成數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、身份認(rèn)證模塊、消息中間件模塊、智能算法模塊。服務(wù)器和通用組件構(gòu)成整套基礎(chǔ)設(shè)施和平臺(tái)層。最后基于平臺(tái)層數(shù)據(jù)和工具，開(kāi)發(fā)基于除塵安全和智慧運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的管控系統(tǒng)。

管控系統(tǒng)部署后，在展現(xiàn)層不僅可以通過(guò)大屏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、識(shí)別除塵安全隱患，也可通過(guò)個(gè)人電腦和移動(dòng)端，收到實(shí)時(shí)消息提醒并且可查看設(shè)備運(yùn)行相關(guān)信息。

2.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

除塵設(shè)備智慧安全管控系統(tǒng)包括：后臺(tái)信息管理、智慧監(jiān)盤、智慧運(yùn)行、智慧檢修四個(gè)子模塊。其中，后臺(tái)信息管理模塊包括系統(tǒng)權(quán)限管理、設(shè)備管理、人員管理；智慧監(jiān)盤模塊包括運(yùn)行三維監(jiān)控、視頻監(jiān)控、關(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)控三個(gè)功能；智慧運(yùn)行模塊包括智能除塵與智能輸灰兩個(gè)功能；智能檢修模塊包含關(guān)鍵設(shè)備預(yù)警、安全狀態(tài)評(píng)估、檢修意見(jiàn)指導(dǎo)、在線故障知識(shí)庫(kù)四個(gè)功能。

各個(gè)模塊具體功能如下：

系統(tǒng)權(quán)限管理：管控系統(tǒng)的功能權(quán)限管理，通過(guò)設(shè)置安全認(rèn)證，管理系統(tǒng)用戶權(quán)限。

設(shè)備管理：包含所屬電廠客戶的除塵、輸灰設(shè)備型號(hào)、參數(shù)詳細(xì)信息。

人員管理：包含所屬電廠客戶的運(yùn)行人員、管理人員信息，值班次信息等。

運(yùn)行三維監(jiān)控：通過(guò)除塵、輸灰3D可視化并實(shí)現(xiàn)設(shè)備的分解和定位，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行三維呈現(xiàn)，形成更加直觀的設(shè)備感知。

視頻監(jiān)控：在現(xiàn)場(chǎng)除塵設(shè)備合適位置處布置高清攝像頭，對(duì)除塵器、底部輸灰整體結(jié)構(gòu)的地面、鋼支架、灰斗區(qū)域、殼體柱腳區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高清視頻接入。

關(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)控：提供實(shí)時(shí)鍋爐負(fù)荷、出口粉塵、溫度、高低壓、輸灰壓力等數(shù)據(jù)顯示，輔助運(yùn)行監(jiān)盤人員全面掌握設(shè)備運(yùn)行狀況，并可查詢歷史曲線。

智能除塵：在除塵效率達(dá)標(biāo)前提下，針對(duì)除塵設(shè)備，尋找鍋爐負(fù)荷、氨逃逸、煤質(zhì)參數(shù)、煙氣量、煙溫、輸灰壓力等因素對(duì)除塵效率的影響并進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，關(guān)聯(lián)電除塵入口濃度，脫硫入口粉塵濃度，各電場(chǎng)計(jì)算能耗對(duì)出口粉塵的影響因子，建立能耗優(yōu)化模型，輸出優(yōu)化控制策略。主要控制除塵高低壓、保溫、加熱等參數(shù)。

智能輸灰：按照輸灰壓力、流量、機(jī)組工況、倉(cāng)泵料位等因素對(duì)輸灰系統(tǒng)的影響進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，建立輸灰智能控制模型，輸出優(yōu)化控制策略。主要控制輸灰時(shí)長(zhǎng)和壓力參數(shù)。

關(guān)鍵設(shè)備預(yù)警：除塵、輸灰涉及的關(guān)鍵設(shè)備較多包含倉(cāng)泵、輸灰管道、壓縮空氣閥門、灰斗下料閥門及系統(tǒng)排氣閥門、灰斗氣化風(fēng)機(jī)、氣化風(fēng)電加熱、高壓整流變壓器、電磁振打器、保溫箱電加熱器、灰斗電加熱器等。利用這些設(shè)備運(yùn)行的主要測(cè)點(diǎn)參數(shù)特征完成常態(tài)數(shù)據(jù)指標(biāo)閥值的判定，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的預(yù)警預(yù)測(cè)。

安全狀態(tài)評(píng)估：采用綜合評(píng)分法針對(duì)除塵設(shè)備結(jié)構(gòu)安全、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)估。

檢修意見(jiàn)指導(dǎo)：根據(jù)狀態(tài)監(jiān)視和診斷結(jié)果，進(jìn)行設(shè)備異常分析，系統(tǒng)得出設(shè)備狀態(tài)報(bào)告和初步的檢修建議，結(jié)合知識(shí)庫(kù)進(jìn)行輔助診斷提供的設(shè)備檢修優(yōu)化策略。

故障知識(shí)庫(kù)：將處理過(guò)的故障檢修信息不斷進(jìn)行知識(shí)積累和修正，形成設(shè)備運(yùn)行維護(hù)和檢修的指導(dǎo)意見(jiàn)知識(shí)庫(kù)。

2.3 系統(tǒng)硬件選型

主要硬件選型如表1所示。

表1 硬件選型表

3 示范工程案例

本文所開(kāi)發(fā)的除塵設(shè)備智慧安全管控系統(tǒng)成功應(yīng)用于某示范電廠4號(hào)爐600MW機(jī)組電除塵輸灰系統(tǒng)。除了除塵器本體外，該電除塵系統(tǒng)還包含20臺(tái)高頻設(shè)備、灰斗及倉(cāng)泵，6臺(tái)低壓設(shè)備等。

3.1 安裝及布線

按照?qǐng)D2拓?fù)鋱D，在現(xiàn)場(chǎng)安裝攝像頭、數(shù)采器、服務(wù)器等設(shè)備。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.2 數(shù)據(jù)采集

通過(guò)實(shí)時(shí)獲取上下游工況、除塵設(shè)備、輸灰設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，以設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，有效提取關(guān)聯(lián)工況數(shù)據(jù)、除塵輸灰實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和配置參數(shù)，為管控系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。除塵、輸灰實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括除塵的高壓電場(chǎng)、振打、加熱，輸灰的母管壓力、輸送壓力、出口閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)等。

3.3 接入控制

為了實(shí)現(xiàn)智能除塵、輸灰的實(shí)時(shí)控制，在除塵輸灰電子間控制柜中增加DCS通訊卡件，配置輸入、輸出模擬量和開(kāi)關(guān)量，并新增DCS接入控制邏輯。邏輯說(shuō)明如下：

心跳檢測(cè)：DI點(diǎn)輸入DCS檢測(cè)信號(hào)。系統(tǒng)在每個(gè)采樣周期將發(fā)送心跳波，未正常運(yùn)行時(shí)，輸出0，系統(tǒng)斷開(kāi)；模型及工況異常檢測(cè)：DI點(diǎn)輸入DCS檢測(cè)信號(hào)。系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)模型輸出狀態(tài)及工況情況，發(fā)生異常將輸出0，系統(tǒng)斷開(kāi)；凈煙氣、原煙氣CEMS故障檢測(cè)，檢測(cè)到故障將輸出0，系統(tǒng)斷開(kāi)；人工投入開(kāi)關(guān)按鈕信號(hào)輸出，在DCS界面中由運(yùn)行人員操作。以上條件均滿足時(shí)，接入控制，由管控系統(tǒng)輸出優(yōu)化控制策略實(shí)現(xiàn)智能控制。

3.4 模型構(gòu)建

安全管控系統(tǒng)中涉及到關(guān)鍵設(shè)備預(yù)測(cè)模型、智能優(yōu)化控制模型、安全狀態(tài)綜合評(píng)估模型等的構(gòu)建，構(gòu)建流程如圖3所示。

圖3 模型構(gòu)建流程圖

除塵設(shè)備在燃煤電廠中屬于輔機(jī)設(shè)備，往往人力投入有限，加上部分人員經(jīng)驗(yàn)不足，因此運(yùn)行人員為保證粉塵排放不超標(biāo)及減少工作量，在燃煤機(jī)組高低負(fù)荷工況下設(shè)備運(yùn)行均保持較高的出力，導(dǎo)致設(shè)備耗電率較高。通過(guò)接入除塵設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和上下游工況數(shù)據(jù)，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)粉塵預(yù)測(cè)模型、群體智能優(yōu)化算法，尋找當(dāng)前工況下最優(yōu)除塵設(shè)備參數(shù)設(shè)定值。

通過(guò)智能輸灰壓力監(jiān)測(cè)和工況數(shù)據(jù)，根據(jù)粉煤灰氣力輸送系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)輸送系統(tǒng)邊界條件的變化，自動(dòng)及時(shí)地調(diào)整輸送過(guò)程的運(yùn)行參數(shù)，完善壓力測(cè)點(diǎn)分布和流量控制調(diào)節(jié)，在滿足系統(tǒng)出力的前提下控制每根每個(gè)輸送單元的輸送壓力和輸送時(shí)長(zhǎng)。

通過(guò)對(duì)圖像的預(yù)處理、邊緣檢測(cè)，應(yīng)用Yolo V7目標(biāo)檢測(cè)算法構(gòu)建智能識(shí)別模型，對(duì)地面沉降、鋼支架焊縫和銹蝕程度、灰斗漏灰、柱腳裂縫等場(chǎng)景特征進(jìn)行提取，實(shí)現(xiàn)異常檢測(cè)和識(shí)別。通過(guò)紅外視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)倉(cāng)泵、灰斗等溫度變化情況，對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警。通過(guò)智能巡檢，豐富現(xiàn)有人工巡檢手段，對(duì)安全隱患添加了更多的預(yù)防措施，保障安全生產(chǎn)。

3.5 系統(tǒng)部署

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后，部署在智能服務(wù)器，通過(guò)操作電腦可以看到前端系統(tǒng)界面。

4 示范案例成效分析

本文所開(kāi)發(fā)的除塵智慧安全管控系統(tǒng)在示范電廠4號(hào)爐600MW機(jī)組除塵輸灰系統(tǒng)上得到成功應(yīng)用，通過(guò)系統(tǒng)投運(yùn)前后的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出如下成效：

①系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)輸入煙氣負(fù)荷、灰斗高料位等工況進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)考慮電場(chǎng)電源火花率等運(yùn)行狀態(tài)，綜合分析輸出電場(chǎng)控制參數(shù)，安全穩(wěn)定控制電除塵設(shè)備實(shí)現(xiàn)既定排放目標(biāo)、電除塵器及輸灰系統(tǒng)正常運(yùn)行，又順利通過(guò)了無(wú)人值守168h測(cè)試，極大降低運(yùn)行人員投入監(jiān)盤時(shí)間。實(shí)現(xiàn)了電除塵設(shè)備關(guān)鍵指標(biāo)、排放指標(biāo)等參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)；統(tǒng)計(jì)物耗能耗相關(guān)數(shù)據(jù)，輸灰系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)等，有效提高集控運(yùn)行工作效率、降低運(yùn)行人員工作量。

②系統(tǒng)投運(yùn)后，設(shè)備故障秒級(jí)識(shí)別；有效記錄總數(shù)21000條，識(shí)別準(zhǔn)確率高于99%；投運(yùn)后設(shè)備的可用率相比未使用本系統(tǒng)之前提升較大。

③系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)中涵蓋了大部分報(bào)警類知識(shí)，知識(shí)庫(kù)覆蓋率達(dá)90%以上。

④系統(tǒng)基于不同工況特性的精準(zhǔn)調(diào)控，使得排放口粉塵波動(dòng)范圍明顯減小，排放穩(wěn)定性提高25%。

⑤系統(tǒng)基于不同工況特性的精準(zhǔn)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)除塵、輸灰的智能控制。根據(jù)電廠實(shí)際電表的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，投運(yùn)前每小時(shí)耗電量平均約為1425.4kWh，而投運(yùn)后每小時(shí)耗電量平均約為817.9kWh，按年投運(yùn)5000h來(lái)計(jì)算，一年節(jié)省電量約為303.75萬(wàn)kWh，按目前上網(wǎng)電價(jià)0.38元/kWh計(jì)算，除塵設(shè)備運(yùn)行一年可節(jié)省電費(fèi)約115.4萬(wàn)元。

⑥通過(guò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備節(jié)能的同時(shí)，還可以極大降低二氧化碳的排放量，每年通過(guò)節(jié)能降耗實(shí)現(xiàn)碳減排合計(jì)2408.7t。

⑦通過(guò)輸灰智能控制，智能輸送通過(guò)管道壓力值、流量值自動(dòng)調(diào)整調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，有效控制輸送時(shí)長(zhǎng)和壓力，從而降低耗氣量25%以上，延長(zhǎng)了管道的使用周期，有效減少管道的磨損。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)除塵智慧安全管控系統(tǒng)，解決了除塵設(shè)備的輸灰運(yùn)行故障、灰斗空倉(cāng)氣源浪費(fèi)、除塵運(yùn)行能耗浪費(fèi)、關(guān)鍵設(shè)備故障檢修指導(dǎo)、本體結(jié)構(gòu)異常等問(wèn)題，并在節(jié)能降碳減排方面起到了較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。在目前安全問(wèn)題日趨嚴(yán)峻的除塵相關(guān)設(shè)備管理中，具有較廣闊的應(yīng)用前景。