火電廠煙氣脫硫設施工況監控系統研究與應用

張巍　金鵬　馮濤

摘要：本文介紹了火電廠煙氣脫硫設施工況監控系統，研究了系統關鍵技術。通過建立數學模型，對火電廠煙氣脫硫設施主要參數進行數據有效性范圍校驗、關聯度判斷、邏輯判斷，實現對脫硫設施運行異常狀態的報警，最后通過實例說明了工況監控系統在環境監管中的應用。

關鍵詞：火電廠；煙氣脫硫；工況監控

中圖分類號：X851 文獻標識碼：A 文章編號：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，我國大規模地開展了污染源自動監控網絡的建設，目前，我國已建成國控重點污染源自動監控系統，實現了對一萬多家國家重點監控企業主要污染物排放情況的自動監控。為加強國控重點污染源監管，深化污染源自動監控建設和自動監測數據的應用，提高污染源自動監控系統的準確性和可信度，在2008～2009年開始提出對污染源治理全過程實施監控，實現環境管理從“末端監控”向“全過程監控”的精細化管理轉變。內蒙古自治區最早于2009年開展火電廠煙氣脫硫設施工況監控系統研究建設，通過多年的運行，積累了大量的工況監控數據分析應用經驗。

1 火電廠煙氣脫硫設施工況監控系統簡介

火電廠工況監控的基本原理是根據工藝設計，對影響污染物排放的生產設施、污染物治理設施運行的關鍵參數，包括工藝參數（如：流量、溫度、pH值、濃度等）和電氣參數（電流、電壓、頻率）進行的監測；結合企業生產工藝和末端監測數據，全面監控企業的生產設施和治理設施的運行、污染物治理效果和排放量情況，輔助判定污染物排放監測數據的合理性、真實性和可接受性。

火電廠煙氣脫硫設施工況監控系統是通過現場采集設備從生產控制系統中采集工況過程數據，包括主機DCS和CEMS數據，通過無線網絡或者環保專網傳輸到監控中心的工況過程數據庫中，實現對脫硫設施運行全過程進行實時監控、分析、預警、核查和管理[1]。

2 關鍵技術研究

2.1 系統架構

工況監控系統架構一般分為四層：采集層、網絡層、數據層及應用層。采集層位于工況前端（電廠側），主要負責工況數據的采集存儲和轉發。網絡層位于工況前端（電廠側）與監控中心（環保機構側）之間，主要負責工況前端的數據發送及監控中心的數據接收。數據層位于監控中心（環保機構側），由工況過程數據庫和工況統計分析數據庫兩部分組成，其中過程數據庫是專門用于存儲連續工況數據的專用數據庫，是保障工況數據連續存儲及快速調取的關鍵。工況統計分析數據庫是用于存放分析結果數據通用關系型數據庫。工況應用層位于監控中心（環保機構側），主要負責對工況數據的綜合應用。

其結構示意圖如圖1所示：

2.2 數據采集

2.2.1 數據采集與接入

火電廠煙氣脫硫設施工況監控系統涉及的采集數據源較多也較復雜，包括單元機組系統、脫硫系統、煙氣在線監測系統、其它環保相關控制系統等，涉及到的控制系統包括分布式集散控制系統DCS、可編程控制器（PLC）程控系統、SCADA系統、其它智能設備等。前端采集軟件既要滿足目前主流DCS、PLC等控制系統的接口，也能通過二次開發支持一些特殊的接口協議[2]。內蒙古自治區火電廠煙氣脫硫設施工況系統的數據采集采用OPC（OLE for Process Control）和DDC（直接數字信號控制）兩種接入方式，OPC應用于主機DCS系統數據采集，而DDC應用于脫硫DCS/PLC系統的數據采集。企業端采集網絡根據工況采集單元的安放地點不同，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、采集交換機及前端工況過程數據服務器等設備，采集單元需要配備雙電源切換器，保障設備連續運轉。

2.2.2 采集參數指標

根據脫硫設施工藝的原理不同，工況監控系統采集的關鍵監控參數也有所區別。內蒙古自治區火電廠煙氣脫硫工況監控系統接入的脫硫工藝包括：石灰石-石膏濕法、循環流化床爐內噴鈣、氨法。針對應用最廣泛的石灰石-石膏濕法脫硫，工況在線監測系統需要采集的參數包括：增壓風機、GGH、石灰石供漿泵、循環漿液泵、石膏排除泵、氧化風機、煙道中各個CEMS的測量參數、生產系統及擴充煙氣系統重要設備及重要生產經營參數（發電量、燃煤量、機組總送風量、引風機、電除塵器）等。

2.3 軟件設計

火電廠煙氣脫硫設施工況監控系統采用B/S結構，實現對工況監控數據分析統計及應用，其主要功能包括：實時圖型監視、歷史趨勢分析、工況統計分析、工況報警系統、報表系統等功能。

（1）實時圖形監視將工況的實時數據真實準確的反映在工況實時圖形界面上，如圖3。

（2）歷史趨勢分析即調閱一個或多個參數歷史數據變化趨勢曲線，通過調取與環保相關的參數曲線，如機組負荷、增壓風機電流、脫硫效率、煙氣流量、SO2濃度、吸收塔pH等進行相關性分析，可發現企業不正常運行脫硫設施的行為。

（3）工況統計即對工況監控指標，如發電負荷、發電量、耗煤量、煙氣流量、煙氣SO2濃度、SO2排放量、脫硫投運率、脫硫效率、綜合脫硫效率、發電原煤耗、煤炭推算硫分等進行統計。

（4）工況報警主要分為三類：系統報警、參數報警、網絡報警，系統報警反映治污設施啟停狀態；參數報警是通過建立模型反映設施運行的不正常現象；網絡報警反映因網絡異常而導致數據傳輸不正常。通過工況報警，系統可自動進行參數相關性分析，主動識別企業異常行為。

（5）報表系統即定制開發工況相關報表，實現各設施不同時期數據縱向對比、同類設施的數據橫向對比。

3 數據應用分析

截至2015年底，內蒙古自治區已實現了61家火電廠167臺機組的脫硫工況數據接入，工況監控火電廠的裝機容量達到了5850萬千瓦。經過多年的工況運維和數據分析工作，總結和歸納出火電廠煙氣脫硫設施運行多類典型問題，并將分析成果應用于環境監察執法和總量核查等管理工作中。

3.1 異常工況分類

工況監控系統通過建立數學模型，對火電廠煙氣脫硫設施主要參數進行數據有效性范圍校驗、關聯度判斷、邏輯判斷，實現對脫硫設施運行異常狀態的報警[3]，共歸納為3大類、14小類異常報警，如表1。

3.2 異常工況分析案例

2015年，內蒙古自治區火電廠通過工況監控發現的異常以流量關聯度異常為主，占異常總數的45.5%。煙氣流量關聯度異常主要表征為煙氣流量不隨機組負荷的規律變化，主要是由于監測設備安裝位置不當或儀表測量精度不夠造成的，經過統計，使用矩陣流量計的機組煙氣流量與機組負荷的相關性較好。本文以數據缺失、設限值、邏輯異常為例，說明工況監控系統發現的異常情況。

3.2.1 數據缺失

圖3為某機組主機與脫硫設施運行參數曲線圖，紅色曲線為機組負荷，綠色為入口SO2濃度，藍色為出口SO2濃度，淡藍色為增壓風機電流，天藍色為旁路擋板狀態。該機組5月1日12時至5月3日1時主機運行，脫硫停運（旁路打開，增壓風機停運），自動監控數據全部缺失，初步判斷為脫硫停運，人為中斷超標數據，逃避環保監管。

3.2.2 設限值

發電機組運行，脫硫系統停運，出口煙氣SO2濃度設定限值。

圖4為某機組主機脫硫運行曲線圖，紅色曲線為機組負荷，藍色為出口SO2濃度，紫色為增壓風機電流，天藍色為旁路擋板狀態。該機組2月27日1時至2月27日7時30分，脫硫停運時出口SO2濃度設定限值，限值在2057mg/m3左右。

出口煙氣流量設定限值。

圖5中紅色曲線為機組負荷，綠色為出口煙氣流量， 1月1日至1月16日出口煙氣流量設限值為2000km3/h。而限值解除后，其平均負荷在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中紅色曲線為機組負荷，綠色為入口SO2濃度，藍色為出口SO2濃度，淡藍色為增壓風機電流，灰為旁路擋板狀態。4月1日23時至4月4日0時脫硫停運，旁路打開（一直為開），增壓風機停運，出口SO2濃度在脫硫設施停運前后無明顯變化一直保持200mg/m3左右，初步判斷為出口煙氣SO2濃度作假。

4 結論

火電廠煙氣脫硫設施工況監控系統實現了從主機運行狀態、脫硫運行狀態、污染物排放的全過程監控，即污染物產生、治理、排放的全過程監控。通過分類、歸納和總結機組和脫硫設施運行的典型異常情況，并建立數學模型，工況監控系統可自動判定機組和脫硫設施運行狀況及排放數據的真實性和準確性，為環境監管提供依據。

參考文獻

[1]杜斌，馮琨，彭林，李凌，謝明，張麗琴.火電廠煙氣脫硫設施運行工況實時監控系統判定標準的設計與實現[J].工業安全與環保，2015，41（6）：90-94.

[2]李志勇，蔡新波，韓亞鳳.工況在線監測及分析系統在大型火電廠的應用[J].電力安全技術，2013，15（9）：35-38.

[3]孫海林，賀鵬，朱媛媛，馬立學.燃煤電廠煙氣排放過程監控系統設計與應用[J].環境監測管理與技術，2014，26（6）：22-25.

收稿日期：2016-07-18

作者簡介：張巍（1984-），女，工程師，主要從事環境監控以及環境信息化工作.