污染物实时小时均值算法在环保管理中的应用

侯 江

（大唐国际发电股份有限公司张家口发电公司，河北 张家口 075133）

0 引言

大唐国际发电股份有限公司张家口发电公司（以下简称“张电”）共8 台320 MW 汽轮机组。其中，1、2号机组汽轮机为高、中、低压缸三缸汽轮机，3、4、5、6、7、8 号机组汽轮机为高、中压缸合缸机组，8 台机组汽轮机均为东方汽轮机厂生产。1、2、3、4、5、6、8 号机组及全公司脱硫分散控制系统（DCS）和汽轮机数字电液调节系统（DEH）均为北京日立控制系统有限公司H5000M 系统，只能实现对三项污染物瞬时值的监视，不能实现对数据变化趋势的监控，无法满足对环保指标的精准、严格把控要求。

1 三项污染物相关概念的介绍

火力发电厂（燃煤机组）的大气污染物排放源于锅炉，主要污染物包括氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）、烟尘（DUST），从各台机组配套的烟囱排放；此外，还有部分重金属物质、未完全燃烧的碳氢化合物、挥发性有机化合物等物质。

1.1 氮氧化物（NOx）

煤炭燃烧过程中排放的氮氧化物是一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）及氧化亚氮（N2O）等物质的总称。氮氧化物以一氧化氮为主，占比可达到95%以上，其生成速度随燃烧温度升高而增大。一氧化氮会引起人体高铁血红蛋白症，并损害中枢神经；二氧化氮则会刺激呼吸器官，能深入肺泡，对人体肺器官有明显损害。

1.2 二氧化硫（SO2）

由于煤碳中存在硫元素，因而在燃烧后发生化学反应，产生硫氧化物。燃烧过程中产生的硫氧化物绝大多数为二氧化硫（SO2）。此外，还有极少部分被氧化为三氧化硫（SO3），可吸附到颗粒物随之排出，或以气态形式独立排放。大气中二氧化硫在相对湿度较大、有颗粒物存在时，可发生催化氧化反应形成三氧化硫。大气中二氧化硫是造成酸雨的主要原因，中国遭受酸雨污染的农田规模巨大，每年造成的农业经济损失甚至可达到16 亿元以上。此外，在太阳光紫外线照射并有氧化氮存在时，可发生光化学反应而生成三氧化硫和硫酸酸雾，这些气体对人体和动、植物均非常有害。

1.3 烟尘（DUST）

燃煤电厂烟尘排放的初始质量浓度大多为10～30 g/m3，包括降尘和飘尘。烟尘其本身就是污染物，会造成空气质量下降，污染环境，还会与氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）等有害气体结合，加剧对环境的损害。大部分火力发电厂（燃煤机组）的排放烟尘中，粒径小于10 μm 的占20%～40%，其对人体更为有害，会给人体造成尘肺等巨大伤害。另外，在煤炭、脱硫剂和灰渣等易产生扬尘物料的运输、装卸和储存过程中，亦会产生扬尘导致环境污染。

2 国家对三项污染物排放浓度的要求

国家在2018 年提出了对环保参数的具体规定，其指标要求如下：全国细颗粒物（PM2.5）质量浓度未达标地级及以上城市比2015 年下降18%以上，地级及以上城市空气质量优良天数比率达到80%以上；全国地表水Ⅰ-Ⅲ类水体比例达到70%以上，劣Ⅴ类水体比例控制在5%以内；近岸海域水质优良（一、二类）比例达到70%左右；二氧化硫、氮氧化物排放量比2015年减少15%以上，化学需氧量、氨氮排放量减少10%以上；受污染耕地安全利用率达到90%左右，污染地块安全利用率达到90%以上；生态保护红线面积占比达到25%左右；森林覆盖率达到23.04%以上。

2015 年，河北省环境保护厅制定了《燃煤电厂大气污染物排放标准》（DB 13/2209—2015）[1]，标准明确了燃煤电厂各种燃煤发电锅炉大气污染物排放控制、监测要求以及标准的实施与监督等相关规定。其中，要求自2016 年1 月1 日起，现有及新建单台处理65 t/h 以上（不包括层燃炉、抛煤机炉等）燃煤发电锅炉执行表1 规定的排放限值。标准中明确规定大气污染物排放指标为：氮氧化物（NOx）质量浓度≤50 mg/m3、二氧化硫（SO2）质量浓度≤35 mg/m3、烟尘（DUST）质量浓度≤10 mg/m3。

表1 燃煤发电锅炉大气污染物排放浓度限值

3 传统监控参数存在的不足

张家口发电分公司1、2、3、4、5、6、8 号机组及全公司脱硫分散控制系统（DCS）和汽轮机数字电液调节系统（DEH）均为北京日立控制系统有限公司H5000M 系统，只能实现对三项污染物瞬时值的监视，不能实现对数据变化趋势的监控，无法满足对环保指标的精准、严格把控要求。

随着煤质变化、升降负荷等机组运行工况的变化，三项污染物瞬时值会大幅波动，传统监控方式下，数据的单一性与不稳定性很可能造成对环保相关设备、数据的过调整或欠调整，导致机组经济性降低，甚至发生三项污染物小时均值超标的环保事件。为杜绝此类事件发生，需实现对三项污染物实时小时均值的监控，以实现对数据变化趋势的全面把控。

4 实时小时均值算法组态功能说明

面对此棘手问题，需认真研究并充分掌握DCS控制系统特性，克服DCS 系统自身局限性，自主研发控制策略，自行设计实时小时均值计算逻辑算法组态，实现了以下功能：

1）三项污染物瞬时值实时累计。相关环保数据瞬时值进入逻辑组态开始计算后，通过累加模块完成累计功能。DCS 系统扫描周期为200 ms，每秒累计5 次，结合此特性，需对瞬时值进行初步处理（瞬时值数据除以5），以保证最终累计值正确。

2）时间周期自动计算。因DCS 无时钟引用功能，无法直接引用本小时内已度过时间数据，需自行设计时间累计器。DCS 系统扫描周期为200 ms，每秒累计5 次，结合此特性，即可将时间累计器初始值设置为0.2。数据进入逻辑组态开始计算后，通过累加模块完成计时功能。

3）实时小时均值连续显示。通过1）实现本时间段内的瞬时值数据累计，通过2）实现本时间段已度过时间，上述两个数据做除法，即可得出本时间段内实时小时均值。

4）实时小时均值定期自动清零并从零开始重新累计。为减小操作人员工作量，同时使逻辑组态可连续工作，需在算法每工作1 h 时，将本小时内瞬时值累计量、时间复位清零，自动开始下一时间段计算。

5）定期清零周期可调。通过调整逻辑组态参数，可实现不同时间段内的实时均值计算。

6）运行人员自由选择功能投入与否及投入时间。增加了功能使用的灵活性及操作人员对此功能投切的把控。

7）可查看实时小时均值历史曲线。通过比对DCS实时小时均值与环保监测平台的数据，各项监控参数误差在允许范围内，实现了对三项污染物数据变化趋势的全面把控。

5 实时小时均值算法组态功能应用效果

通过将实时小时均值与瞬时值结合监视，可得出以下监控建议，以避免三项污染物小时均值超标的环保事件发生或提高机组经济性：

1）当实时小时均值与瞬时值均较高时，需立即加大调整力度，从而避免三项污染物小时均值超标。

2）当实时小时均值较低、瞬时值均较高时，可维持现状并继续观察，无需立即加大调整力度，提高机组经济性。

3）当实时小时均值较高、瞬时值均较低时，可维持现状或对瞬时值进行干预，以降低实时小时均值，避免三项污染物小时均值超标。

4）当实时小时均值与瞬时值均较低时，可减小调整力度，进而提高机组经济性。

6 结论

“2030 年前碳达峰、2060 年前碳中和”的双碳战略大背景下，各界对环保管理工作的重视程度空前提高。污染物实时小时均值算法的开发，成功为监控人员预判、提前采取干预措施提供可靠数据支持，大大减轻监控调整压力，机组经济性得到显著提升，三项污染物小时均值超标事件发生率显著下降，以科技创新之力加强环保管理工作。