基于“互联网+”的火电厂环保智能监管系统研究与应用

张山山，吴巧玲，王仁雷，朱跃

(华电电力科学研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

火电厂是大气污染物排放大户，限制火电厂的污染物排放对环境保护工作具有重要的意义。火电厂排放的主要污染物包括SO2，NOx和烟尘等。现代火电厂在将含有上述污染物的烟气排向大气前，必须进行脱硝、脱硫和除尘。火电厂一方面对环保设施的运行状况进行监控[1-2]，另一方面利用烟气排放连续监测系统(CEMS)对电厂烟气排放情况进行长期连续的监测，从而控制环保设施的运行状态，确保主要污染物长期、稳定达标排放[3]。在国家对火电厂环保要求越来越严格的背景下，为提高火电厂环保设备管理水平、主要污染物达标排放水平和整体经济效益，减少烟气污染物排放，保护环境，以“互联网+”、数据共享及大数据分析、改进型灰色神经网络(UGMN)模型分析等技术为基础，某发电集团公司研究开发了一套基于“互联网+”的火电厂环保智能监管系统。

1 基于“互联网+”的系统结构设计

火电厂环保智能监管系统覆盖某发电集团公司92家火电厂的296台机组(包括燃煤锅炉、燃气锅炉、生物质锅炉和工业小锅炉等)，以CEMS、环保分散控制系统(DCS)/可编程控制器(PLC)、火电厂厂级监控信息系统(SIS)/管理信息系统(MIS)、集团公司级生产营销与实时监管系统、集团公司级燃料管理系统等多个数据源为基础建立了环保数据库，以“互联网+”的方式将数据传输到总部监控中心，通过多数据共享技术、大数据分析技术、地理信息分析技术、烟气扩散模拟技术等实现环保数据的共享、分析和展示[4-6]，其技术构架如图1所示。

图1 火电厂环保智能监管系统技术构架Fig.1 Technology structure of an intelligent supervision system for thermal power plants

将火电厂环保智能监管系统划分为数据访问层、业务逻辑层、表示层和对外接口层。数据访问层位于系统平台的最底层，用于接收和存储厂站侧数据采集平台上传的实时数据和关系数据：实时数据主要用来传输和存储实时性要求较高的环保生产实时数据，如脱硫系统、脱硝系统和电除尘系统的数据；关系数据用于传输和存储填报、配置参数等关系型数据。业务逻辑层通过多数据共享技术、大数据分析技术、地理信息分析技术、烟气扩散模拟技术等，实现环保统计和环保监管等多种功能。表示层对业务逻辑层实现的各种功能进行多用户、多层次的展示，不同权限用户通过集团公司广域网实名制登录系统，实现火电厂环保智能监管系统的使用。

2 基于“互联网+”的系统硬件设计

火电厂环保智能监管系统构架主要包括电厂侧数据子站采集层、通信网络层和集团公司侧中心站数据服务层3层。在面向服务的体系架构(SOA)的基础上，该系统建立分布式集成应用服务，以提供不同层次的服务：在电厂设置前置数据库服务器和应用程序服务器，提供不同平台的厂级服务；在集团公司设置数据中心服务器，提供集团公司级环保技术支撑和管理服务。电厂侧数据子站采集层部署相应的数据采集接口机和接口软件，按照统一的数据传输规约采集来自环保相关控制系统(脱硫系统、脱硝系统和电除尘系统)及CEMS的数据，通过集团公司广域网将数据传输到集团公司侧实时数据库中，完成数据的采集和传输。数据在集团公司侧中心站统一储存、分析、应用，系统整体网络拓扑图如图2所示。

图2 系统网络拓扑图Fig.2 Topology of the system network

3 基于“互联网+”的系统软件设计

火电厂环保智能监管系统实现数据采集与存储、环保统计和环保监管等功能，其软件的设计基于多数据共享技术、大数据分析技术、地理信息分析技术及烟气扩散模拟技术等。

3.1 数据采集与存储

数据分为关系数据和实时数据，关系数据以集团公司层面的虚拟数据库为存储平台，实时数据以集团公司层面的工厂信息系统(PI)数据库为存储平台。系统规定了烟气参数、环保设施运行参数的内容和格式，实现了数据规范。电厂端根据实时数据、关系数据等不同数据源设计统一的数据接口，汇集到电厂侧的数据终端机，通过集团公司局域网、互联网等实现电厂端数据与集团公司PI数据库的传输与存储。在集团公司侧建立一个以CEMS、环保DCS/PLC、SIS/MIS、集团公司级生产营销与实时监管系统、集团公司级燃料管理系统等多个数据源为基础的环保数据库，作为火电厂环保智能监管系统的数据基础。

3.2 环保功能

火电厂环保智能监管系统对电厂的烟气系统污染物排放情况、环保设施的运行情况进行监管，根据各类基础数据的统计、分析结果进行预警分析、报表管理、智能预测等，提高脱硫、除尘和脱硝环保设备的安全性，实现相关环保设备投运率和效率、污染物排放质量浓度和总量、排放绩效等的统计，以及在线管控和考核等功能。

(1)实时监控。以工艺流程图、表格等形式，对电厂侧的烟气排放情况(烟气质量浓度、氧量、烟气量、温度等)、环保设施运行参数(电流、电压、阻力等)进行实时展示和监控。

(2)报警管理。对污染物质量浓度超标、电机故障、环保设施退出运行等实现自动报警，并下发报警单给电厂，电厂根据实际情况反馈报警，分公司和集团公司对反馈的报警进行审核和审批，实现报警的闭环管理。

(3)曲线分析。自行组成机组烟气参数、环保设施运行参数、主机运行参数等曲线，实现对历史数据和实时数据的数据曲线展示和分析。

(4)报表管理。根据集团公司、分公司和电厂各级用户的不同需求，自动形成日、月、季度和年度报表。

(5)统计分析。根据集团公司、分公司和电厂各级用户的不同需求，实现污染物排放质量浓度、污染物排放总量、污染物脱除效率、环保设施投运率、环保设施能耗等的统计分析，以报表、趋势图、对比图的形式进行展示及对比。

(6)电子地图。以电子地图的形式展示各电厂的分布及污染物排放当前小时均值，对污染物排放小时均值超标进行实时报警并统计展示。

(7)智能预测。以UGMN模型为基础，实现火电厂烟气污染物排放质量浓度的智能预测。

(8)手机应用程序(APP)。对应开发了火电厂环保智能监管系统的手机APP，手机端和电脑端的数据及功能可共享，实现了手机移动端的环保监督和管理。

4 火电厂环保智能监管系统的应用

火电厂环保智能监管系统已全面应用于某发电集团公司所属92个电厂的296台机组，包括燃煤锅炉、燃气锅炉、生物质锅炉和工业小锅炉等。

某电厂环保智能监管系统首页如图3所示，该系统以曲线图的形式展示污染物排放质量浓度的小时均值，以报表的形式展示污染物排放总量、环保技术指标等相关数据。图4为该电厂#3机组自2018-12-19 T 00：00起11 h内烟气排放随机组负荷的变化情况。图5为该电厂#3机组污染物排放质量浓度小时均值报表。

根据UGMN模型开发的趋势预警功能，能够成功模拟并预测出大气污染物排放质量浓度的波动与变化趋势，达到预测精度要求，从而为电厂的运行调整提供依据。图6为该电厂#3机组一段时间内，白天和夜间的大气污染物排放质量浓度趋势预测，预警值与实际排放值达到了较高的吻合度，能够较准确地预警电厂的污染物排放情况。

图5 某电厂 #3机组污染物排放质量浓度小时均值报表(截图)Fig.5 Hourly report on average pollutant concentration of No.3 unit in a power plant(screenshot)

图6 某电厂 #3机组污染物排放质量浓度预测结果Fig.6 Prediction of pollutant discharged from the No.3 unit in a power palnt

5 结论

基于“互联网+”的火电厂环保智能监管系统根据多个火电厂多个数据源采集的实时数据和关系数据，通过互联网+、数据共享及大数据分析、UGMN模型分析等技术，建立了一套完整、全面的环保数据库，实现了各类环保信息数据的在线统计、分析诊断、智能预警、报表管理、智能预测等功能，对环保设备运行、污染物达标排放和总量控制等情况深层次、多角度进行统计分析和预警，实现了大数据背景下的“互联网+环保监管”，减少了发电企业环保监督管理和设备运行维护管理成本，提高了机组环保设备运行的安全性和经济性，为环保运行及管理提供了技术支撑。基于“互联网+”的火电厂环保智能监管系统已应用于某发电集团公司及其所属火电厂。