脫硫運行優化系統在燃煤電廠的應用

晉能控股山西電力股份有限公司 李慶華 劉東波 晉控電力塔山發電山西有限公司 鄭紅旗

世界上已有多種成熟的脫硫技術應用于實際工程當中，目前在我國得到普遍應用的脫硫工藝大體可分為三類：以活性炭法為代表的干法脫硫工藝、以循環流化床法為代表的半干法脫硫工藝、以石灰石-石膏法為代表的濕法脫硫工藝。三者因其各自不同的優缺點、處理工藝及工況適應性，廣泛應用于鋼鐵、水泥、石化、發電等行業。近年來，活性炭法和循環流化床法在鋼鐵行業應用較為普遍，而燃煤電廠多采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，石灰石-石膏法脫硫工藝具有技術成熟、脫硫效率高、脫硫反應速率快以及適應不用煤種等優點，并且該工藝使用石灰粉作為脫硫吸收劑，成本較為低廉，脫硫產物可外賣利用，是一種性價比極高的脫硫工藝[1]。

1 石灰石-石膏濕法脫硫系統運行現狀

雖然石灰石-石膏法脫硫工藝有著先天性的優勢，但是由于受運行時間和管理方式的影響，在后天的運行上還存在較多短板。

1.1 生產數據

目前，各大燃煤電廠運行的脫硫系統中，仍然存在著數據壁壘，脫硫各分系統畫面相對獨立，現場操作人員需要監控或者操作多個運行畫面。而對于管理者而言，只能在現場運行畫面中了解系統運行狀況，大大降低了決策效率。

1.2 根據來煙成分被動調整

目前運行的脫硫系統中，多數采用根據來煙成分控制出口二氧化硫含量的運行方式。這樣的控制方式有兩方面的缺點：一是無法預測來煙成分的硫含量，在工況發生變化時，煙氣中的二氧化硫含量往往會急速上升，而運行人員的操作相對滯后，極易出現出口二氧化硫超標的情況；二是面對煙氣中二氧化硫的波動，為了避免超標情況的出現，操作人員往往采用增加脫硫劑的消耗量來控制出口二氧化硫的含量在紅線以內，并且實際控制值遠低于標準值，這就造成了脫硫劑的過度消耗，增加了運行成本[2]。

1.3 設備管理相對被動

目前運行的脫硫系統，在設備管理方面多數采用現場巡檢加定期檢修的管理方式，雖然該方法可以在一定程度上減少設備的故障率，但在現場實際應用中，存在點檢不到位、漏檢等情況的發生。可以稱之為“亡羊補牢式”的管理方式，只能發現設備已經出現的問題，無法做到故障預測，存在較強的被動性。

1.4 報表手工抄寫

報表是脫硫系統運行不可或缺的數據管理方式之一，大多數電廠的報表仍然采用紙質版手工抄寫的方式，采用此方法不僅效率低，而且還需要占用空間存放紙質報表，即使報表保存得當，其儲存的操作數據也基本沒有利用價值。

近年來，隨著國家“雙碳”目標的提出和越來越嚴格的環保政策，各燃煤電廠的生產經營面臨巨大壓力。脫硫系統作為純投入型項目，如何做好降本增效成為各燃煤電廠面臨的一項重要工作。因此，脫硫運行優化系統也成為各企業率先開展的項目。

2 脫硫運行優化系統介紹

2.1 脫硫運行優化系統的目標

脫硫運行優化系統是以合規、避險、降本、增效為核心目標，合規即保障環保排放達標；避險即注入設備管理新理念，將設備管理模式從被動式檢修轉變為主動式預維修，提高設備運行的安全性；降本即在保障環保達標的前提下，最大限度降低環保消耗成本，降低企業負擔；增效即借助各種智能化、自動化的手段，提高系統運維的工作效率。

2.2 脫硫運行優化系統的主要功能

2.2.1 脫硫運行系統大數據平臺

數據是實現系統各項功能的基礎。現有手工錄入工作存在錄入數據工作量大、錄入時限性強、錄入準確率不高且難以發現錯誤等問題。手工輸入系統可以有效解決上述問題，實現以下功能：一次錄入，數據共享；設置數據錄入提醒與告警，給出未錄入數據的數量，確保及時錄入；數據錄入越限提醒，保障錄入準確性；實現歷史錄入數據查詢；規劃WEB 發布平臺，實現文檔信息、數據信息、圖片信息展示功能[3]。

脫硫運行優化系統打通原有系統的數據壁壘，建立含手工錄入系統的大數據平臺。基于私有云、數據挖掘、虛擬化、可視化等技術，采用Hadoop等架構，后臺借助HDFS+HBASE+實時/時序數據庫+關系型數據庫等數據庫組合陣列，將實時數據、歷史數據、設計數據、經驗數據、檢修記錄、技術標準等信息統統匯聚起來，逐步建設成數據內容更加豐富（含結構化數據和非結構化數據）、數據共享更加充分、計算響應速度更加迅捷的大數據平臺，為后續系統性的功能開發奠定基礎。

2.2.2 設備運行全流程監測

脫硫運行優化系統主要是根據現場實際情況制定相應的生產監控畫面，監控畫面主要有全流程監控畫面和各分系統監控畫面，在全流程畫面中集中展示所有重點參數及重點設備狀態，復現DCS 系統中所有畫面及實時數據，運行人員可以實時監控并優化運行工況，動態掌控重要設備的狀態，提高日常工作效率，如圖1所示。

圖1 全流程監測示意

2.2.3 設備全生命周期管理

設備安全穩定是保證脫硫系統穩定運行的重要保障。設備全生命周期管理包括設備基礎信息、設備運行信息、設備壽命信息、設備維修歷史記錄等，貫穿設備生命全周期。設備基礎信息包括設備結構、材質、設計參數、操作說明等基礎信息，建立設備三維模型，將各項基礎信息融入系統，建立設備專屬的設備檔案，方便運行人員隨時查看設備相關資料。設備運行信息主要包括設備的實時運行數據，根據獲取的實時數據，對各部位分別建立數學計算模型，實時計算各位置的受損情況，預測未來故障時間，并在三維圖上展示各位置壽命狀態，方便人員及時獲取設備運行情況，并采取相應的措施。

設備的壽命管理不單單依靠運行數據，還會獲取一線人員豐富的運行經驗，形成動態專家知識庫，并從歷史檢修資料中挖掘故障規律，根據不斷更新補充的故障記錄進行自學習，更新專家知識庫，提高壽命預測的準確性。

2.2.4 設備巡檢、維修管理

傳統的巡檢管理沒有可靠的手段監督巡檢人員填寫巡檢記錄時，所在的位置和巡檢人員是否按要求的巡檢頻率進行巡檢。脫硫運行優化系統可實現智能化的巡檢管理，具備巡檢計劃管理、巡檢任務管理、巡檢報修管理、巡檢監督管理、歷史記錄查詢等，可以實現以下功能。

一是定期自動派發任務。系統根據巡檢計劃設定的巡檢周期，自動派發巡檢任務給對應的巡檢人員，杜絕出現一次性填報當值多個巡檢任務。二是動態二維碼設備。將傳統靜態二維碼升級成動態二維碼，每條任務對應的二維碼實時刷新，杜絕未實地巡檢便填寫巡檢記錄的現象。三是多種監督模式。可通過領導監督和巡檢檢查卡等方式加強巡檢監督，并與績效考核模塊關聯，對不合格巡檢進行考核，杜絕應付巡檢、巡檢不到位現象。四是缺陷線上報修。巡檢過程中發現異常時，直接在手機端提交缺陷聯系單并填寫異常信息，審核后由管理人員線上派發維修任務，實現管理閉環。

同時，該系統具備智能維修管理功能，主要功能包括：一是維修全流程線上智能管理。維修全流程包括派單、接單、返單、審核，全部實現線上智能管理，簡化線下紙版流程，提高管理工作效率。二是工作票流程線上智能管理。將工作票的申請、簽發、流程管理、審核、終結等納入線上管理，嵌入維修管理流程中，實現線上全流程無縫對接。三是維修統計及維修指導功能。系統根據維修記錄自動進行維修統計，分析易發生故障的設備和故障類型等，提醒運行人員和巡檢人員重點關注，減少故障率，并根據歷史維修記錄提供操作指導。

2.2.5 系統運行優化指導

脫硫系統運行優化指導主要功能有二氧化硫的小時均值指導、數據的挖掘尋優、全流程關聯分析等，通過關聯分析、神經網絡與聚類分析等大數據算法，挖掘最優工況，指導系統經濟運行并沉淀優秀運行經驗，形成卓越的輔助決策能力。

二氧化硫小時均值指導通過實時計算污染物小時均值，直觀展示小時均值超標情況，給出當前小時段內剩余時間的排放區間指導，如圖2所示。確保達標排放的同時，減少脫硫劑的消耗和無用設備的負荷，降低運行成本。

圖2 系統運行優化指導示意

數據挖掘尋優以滿足環保排放要求為前提，以經濟性最優為目標，在歷史數據中挖掘類似工況下的最經濟數據，來指導當前工況的運行。全流程關聯分析將各機組的前后工藝流程全部串聯起來，從全局出發，考慮前后工藝流程的相互影響，對相關參數做出優化指導。系統還會總結運行人員已積累的先進運行經驗，對定性描述的經驗進行量化，轉化成計算機可以識別的判斷語句，實時指導缺乏經驗的運行人員高效運行。

2.2.6 參數預測

參數預測可以根據機組的負荷計劃、給煤量實時值、風量、氧量、煤質化驗結果等相關量，預測未來半小時的煙氣參數變化趨勢，并根據煙氣預測結果，采用神經網絡、數據挖掘等算法計算給出pH值、漿液循環泵的變化趨勢。如果預測到煙氣中二氧化硫的含量會發生大的波動時，觸發報警功能，及時提醒操作人員提前作出相應調整，避免超標情況的發生，如圖3所示。

圖3 系統運行預測預警示意

2.2.7 智能報表

報表管理實現報表自動統計，通過定時定向爬取網站數據，靈活配置并進行報表分析，也可將已有報表導入到系統中來（如圖4所示），將報表統計人員從繁重的數據統計工作中解放出來，提高工作效率。報表主要分為運行報表、經濟報表和安全報表等。

圖4 報表導入示意

運行報表主要包括環保指標報表、重要設備運行時長統計報表等，可進行日報統計、月報統計等。經濟報表統計項目收支情況、物料消耗趨勢等數據，并對統計結果進行分析，提醒相關人員收支異常及物料消耗異常，實現精細化管理。安全報表按不同的統計方式對報警、預警等安全事件進行統計，分析統計結果，將異常情況實時推送給相關人員，確保系統安全運行。

3 結語

在燃煤電廠原有脫硫系統的基礎上，通過升級改造成脫硫運行優化系統，可以實現運行系統的全流程監測、設備的全周期管理、設備點檢維修管理、運行優化指導、參數預測、智能報表、精益管理等功能，從根本上解決原系統存在的一些弊端，提高操作人員和管理人員的工作效率，減少不必要的能源消耗和設備故障導致的停機損失。未來脫硫運行優化系統必將隨著運行需要和相關政策的要求進行推廣，系統本身也應結合企業需求不斷升級，并向其他領域進行延伸，最終實現環保設施的精細化運營管理。