火电厂烟气脱硫设施工况监控系统研究与应用

张巍　金鹏　冯涛

摘要：本文介绍了火电厂烟气脱硫设施工况监控系统，研究了系统关键技术。通过建立数学模型，对火电厂烟气脱硫设施主要参数进行数据有效性范围校验、关联度判断、逻辑判断，实现对脱硫设施运行异常状态的报警，最后通过实例说明了工况监控系统在环境监管中的应用。

关键词：火电厂；烟气脱硫；工况监控

中图分类号：X851 文献标识码：A 文章编号：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”期间，我国大规模地开展了污染源自动监控网络的建设，目前，我国已建成国控重点污染源自动监控系统，实现了对一万多家国家重点监控企业主要污染物排放情况的自动监控。为加强国控重点污染源监管，深化污染源自动监控建设和自动监测数据的应用，提高污染源自动监控系统的准确性和可信度，在2008～2009年开始提出对污染源治理全过程实施监控，实现环境管理从“末端监控”向“全过程监控”的精细化管理转变。内蒙古自治区最早于2009年开展火电厂烟气脱硫设施工况监控系统研究建设，通过多年的运行，积累了大量的工况监控数据分析应用经验。

1 火电厂烟气脱硫设施工况监控系统简介

火电厂工况监控的基本原理是根据工艺设计，对影响污染物排放的生产设施、污染物治理设施运行的关键参数，包括工艺参数（如：流量、温度、pH值、浓度等）和电气参数（电流、电压、频率）进行的监测；结合企业生产工艺和末端监测数据，全面监控企业的生产设施和治理设施的运行、污染物治理效果和排放量情况，辅助判定污染物排放监测数据的合理性、真实性和可接受性。

火电厂烟气脱硫设施工况监控系统是通过现场采集设备从生产控制系统中采集工况过程数据，包括主机DCS和CEMS数据，通过无线网络或者环保专网传输到监控中心的工况过程数据库中，实现对脱硫设施运行全过程进行实时监控、分析、预警、核查和管理[1]。

2 关键技术研究

2.1 系统架构

工况监控系统架构一般分为四层：采集层、网络层、数据层及应用层。采集层位于工况前端（电厂侧），主要负责工况数据的采集存储和转发。网络层位于工况前端（电厂侧）与监控中心（环保机构侧）之间，主要负责工况前端的数据发送及监控中心的数据接收。数据层位于监控中心（环保机构侧），由工况过程数据库和工况统计分析数据库两部分组成，其中过程数据库是专门用于存储连续工况数据的专用数据库，是保障工况数据连续存储及快速调取的关键。工况统计分析数据库是用于存放分析结果数据通用关系型数据库。工况应用层位于监控中心（环保机构侧），主要负责对工况数据的综合应用。

其结构示意图如图1所示：

2.2 数据采集

2.2.1 数据采集与接入

火电厂烟气脱硫设施工况监控系统涉及的采集数据源较多也较复杂，包括单元机组系统、脱硫系统、烟气在线监测系统、其它环保相关控制系统等，涉及到的控制系统包括分布式集散控制系统DCS、可编程控制器（PLC）程控系统、SCADA系统、其它智能设备等。前端采集软件既要满足目前主流DCS、PLC等控制系统的接口，也能通过二次开发支持一些特殊的接口协议[2]。内蒙古自治区火电厂烟气脱硫设施工况系统的数据采集采用OPC（OLE for Process Control）和DDC（直接数字信号控制）两种接入方式，OPC应用于主机DCS系统数据采集，而DDC应用于脱硫DCS/PLC系统的数据采集。企业端采集网络根据工况采集单元的安放地点不同，采用光纤或六类线连接。工况采集单元一般包含单向隔离器、接口机、采集交换机及前端工况过程数据服务器等设备，采集单元需要配备双电源切换器，保障设备连续运转。

2.2.2 采集参数指标

根据脱硫设施工艺的原理不同，工况监控系统采集的关键监控参数也有所区别。内蒙古自治区火电厂烟气脱硫工况监控系统接入的脱硫工艺包括：石灰石-石膏湿法、循环流化床炉内喷钙、氨法。针对应用最广泛的石灰石-石膏湿法脱硫，工况在线监测系统需要采集的参数包括：增压风机、GGH、石灰石供浆泵、循环浆液泵、石膏排除泵、氧化风机、烟道中各个CEMS的测量参数、生产系统及扩充烟气系统重要设备及重要生产经营参数（发电量、燃煤量、机组总送风量、引风机、电除尘器）等。

2.3 软件设计

火电厂烟气脱硫设施工况监控系统采用B/S结构，实现对工况监控数据分析统计及应用，其主要功能包括：实时图型监视、历史趋势分析、工况统计分析、工况报警系统、报表系统等功能。

（1）实时图形监视将工况的实时数据真实准确的反映在工况实时图形界面上，如图3。

（2）历史趋势分析即调阅一个或多个参数历史数据变化趋势曲线，通过调取与环保相关的参数曲线，如机组负荷、增压风机电流、脱硫效率、烟气流量、SO2浓度、吸收塔pH等进行相关性分析，可发现企业不正常运行脱硫设施的行为。

（3）工况统计即对工况监控指标，如发电负荷、发电量、耗煤量、烟气流量、烟气SO2浓度、SO2排放量、脱硫投运率、脱硫效率、综合脱硫效率、发电原煤耗、煤炭推算硫分等进行统计。

（4）工况报警主要分为三类：系统报警、参数报警、网络报警，系统报警反映治污设施启停状态；参数报警是通过建立模型反映设施运行的不正常现象；网络报警反映因网络异常而导致数据传输不正常。通过工况报警，系统可自动进行参数相关性分析，主动识别企业异常行为。

（5）报表系统即定制开发工况相关报表，实现各设施不同时期数据纵向对比、同类设施的数据横向对比。

3 数据应用分析

截至2015年底，内蒙古自治区已实现了61家火电厂167台机组的脱硫工况数据接入，工况监控火电厂的装机容量达到了5850万千瓦。经过多年的工况运维和数据分析工作，总结和归纳出火电厂烟气脱硫设施运行多类典型问题，并将分析成果应用于环境监察执法和总量核查等管理工作中。

3.1 异常工况分类

工况监控系统通过建立数学模型，对火电厂烟气脱硫设施主要参数进行数据有效性范围校验、关联度判断、逻辑判断，实现对脱硫设施运行异常状态的报警[3]，共归纳为3大类、14小类异常报警，如表1。

3.2 异常工况分析案例

2015年，内蒙古自治区火电厂通过工况监控发现的异常以流量关联度异常为主，占异常总数的45.5%。烟气流量关联度异常主要表征为烟气流量不随机组负荷的规律变化，主要是由于监测设备安装位置不当或仪表测量精度不够造成的，经过统计，使用矩阵流量计的机组烟气流量与机组负荷的相关性较好。本文以数据缺失、设限值、逻辑异常为例，说明工况监控系统发现的异常情况。

3.2.1 数据缺失

图3为某机组主机与脱硫设施运行参数曲线图，红色曲线为机组负荷，绿色为入口SO2浓度，蓝色为出口SO2浓度，淡蓝色为增压风机电流，天蓝色为旁路挡板状态。该机组5月1日12时至5月3日1时主机运行，脱硫停运（旁路打开，增压风机停运），自动监控数据全部缺失，初步判断为脱硫停运，人为中断超标数据，逃避环保监管。

3.2.2 设限值

发电机组运行，脱硫系统停运，出口烟气SO2浓度设定限值。

图4为某机组主机脱硫运行曲线图，红色曲线为机组负荷，蓝色为出口SO2浓度，紫色为增压风机电流，天蓝色为旁路挡板状态。该机组2月27日1时至2月27日7时30分，脱硫停运时出口SO2浓度设定限值，限值在2057mg/m3左右。

出口烟气流量设定限值。

图5中红色曲线为机组负荷，绿色为出口烟气流量， 1月1日至1月16日出口烟气流量设限值为2000km3/h。而限值解除后，其平均负荷在450MW，其出口烟气流量均值在1200km3/h，其流量明显偏低。

3.2.3 逻辑异常

图6中红色曲线为机组负荷，绿色为入口SO2浓度，蓝色为出口SO2浓度，淡蓝色为增压风机电流，灰为旁路挡板状态。4月1日23时至4月4日0时脱硫停运，旁路打开（一直为开），增压风机停运，出口SO2浓度在脱硫设施停运前后无明显变化一直保持200mg/m3左右，初步判断为出口烟气SO2浓度作假。

4 结论

火电厂烟气脱硫设施工况监控系统实现了从主机运行状态、脱硫运行状态、污染物排放的全过程监控，即污染物产生、治理、排放的全过程监控。通过分类、归纳和总结机组和脱硫设施运行的典型异常情况，并建立数学模型，工况监控系统可自动判定机组和脱硫设施运行状况及排放数据的真实性和准确性，为环境监管提供依据。

参考文献

[1]杜斌，冯琨，彭林，李凌，谢明，张丽琴.火电厂烟气脱硫设施运行工况实时监控系统判定标准的设计与实现[J].工业安全与环保，2015，41（6）：90-94.

[2]李志勇，蔡新波，韩亚凤.工况在线监测及分析系统在大型火电厂的应用[J].电力安全技术，2013，15（9）：35-38.

[3]孙海林，贺鹏，朱媛媛，马立学.燃煤电厂烟气排放过程监控系统设计与应用[J].环境监测管理与技术，2014，26（6）：22-25.

收稿日期：2016-07-18

作者简介：张巍（1984-），女，工程师，主要从事环境监控以及环境信息化工作.