馬 林，張 盟，許俊永，盧紅書，蘇 超

（華電國際萊城發(fā)電廠，山東濟南 271100）

0 引言

火力發(fā)電是將燃料在燃燒過程中產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化成電能的一種傳統(tǒng)發(fā)電方式，由于我國煤炭資源豐富，使得火力發(fā)電成為目前主要的發(fā)電方式。由火力發(fā)電所導(dǎo)致的環(huán)境污染物問題也一直都是人們關(guān)注的焦點?；鹆Πl(fā)電需要消耗數(shù)量龐大的燃煤，產(chǎn)生的硫化物、氮氧化物以及粉塵等如果不經(jīng)過處理直接排放，不僅會造成嚴重的環(huán)境污染，還會對周圍的人群造成傷害。因此，需要對火電廠煙氣進行必要的脫硫、脫硝處理。

常用的脫硝技術(shù)有SCR（Selective Catalytic Reduction，選擇性催化還原法）和SCNR（Selective Non-Catalytic Reduction，選擇性非催化還原法）兩種。其中，SCR 是借助還原劑尿素在金屬催化劑作用下，與氮氧化物反應(yīng)生成氮氣和水，它利用氨對氮氧化物的還原功能，反應(yīng)產(chǎn)物對環(huán)境造成的影響更低，具有較強的適用性；SCNR 則是一種不使用催化劑對煙氣中氮氧化物進行還原的方法，在850～1100 ℃對氮氧化物進行還原，該技術(shù)投入成本低、操作簡單，對大型火力發(fā)電機組產(chǎn)生的煙氣脫硝率一般為25%～40%，多數(shù)情況下用作低氮燃燒技術(shù)的補充處理手段。因此，SCR 技術(shù)在火力發(fā)電脫硝中的應(yīng)用最為廣泛。

本文結(jié)合SCR 脫硝技術(shù)，設(shè)計的脫硝及空預(yù)器實時監(jiān)控預(yù)警平臺，通過自動化控制平臺，提升系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，為電力企業(yè)生產(chǎn)運營提供幫助。

1 脫硝及空預(yù)器實時監(jiān)控平臺特性

脫硝及空預(yù)器實時監(jiān)控預(yù)警平臺主要對火電廠煙氣排放進行實時監(jiān)測，監(jiān)控脫硝裝置運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)分析與傳輸。其中信息管理系統(tǒng)主要負責(zé)對監(jiān)測傳感器收集的數(shù)據(jù)信息進行分析處理，并將其傳輸至脫硝實施監(jiān)控的計算機軟件和設(shè)備。脫硝及空預(yù)器實時監(jiān)控預(yù)警平臺以單片機為收發(fā)控制通信模塊，配備獨立供電的電源，可以靈活安裝在監(jiān)測點，便于對煙氣中的氮氧化物的濃度進行實時監(jiān)測，并且將采集到的信號進行轉(zhuǎn)換傳輸，監(jiān)測點還具有位置識別功能，當與信息接收點進行通信時監(jiān)控查詢系統(tǒng)由在線數(shù)據(jù)庫和查詢服務(wù)器組成，能過實時顯示風(fēng)機系統(tǒng)的信息。工作人員可以通過互聯(lián)網(wǎng)對相關(guān)的數(shù)據(jù)進行遠程控制，如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在異?，F(xiàn)象，可以立刻采取應(yīng)急措施，降低故障造成的影響。監(jiān)測節(jié)點是脫硝及空預(yù)器實時監(jiān)控預(yù)警平臺的基礎(chǔ)部分，主要用于收集被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的所有數(shù)據(jù)信息。監(jiān)測節(jié)點不僅可以及時發(fā)出煙氣中氮氧化物泄漏報警信息，還可以向監(jiān)控中心發(fā)送運行報警信息，既為現(xiàn)場工作人員的人身安全提供了保障，同時也便于現(xiàn)場工作人員進行高效的指揮與調(diào)度，將損失降到最低。

2 脫硝及空預(yù)器實時監(jiān)控預(yù)警平臺的設(shè)計

火力發(fā)電廠發(fā)電過程中會產(chǎn)生大量的煙氣，需要通過高效的脫硝系統(tǒng)對其進行處理。而脫硝系統(tǒng)自身也需要通過眾多設(shè)備協(xié)同合作，才能更好地完成煙氣脫硝工作。因此，需要借助脫硝及空預(yù)器實時監(jiān)控預(yù)警平臺對這些脫硝設(shè)備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和控制，解決脫硝裝置的脫硝出口和脫硫出口氮氧化物和硫化物排放濃度偏差較大、空氣預(yù)熱器堵塞、引風(fēng)機電耗偏高、氮氧化物和硫化物排放指標波動較大等問題，提升系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和安全性。脫硝及空預(yù)器實時監(jiān)控預(yù)警平臺整體架構(gòu)采用模塊化設(shè)計原則，分為業(yè)務(wù)分析模塊、基礎(chǔ)應(yīng)用模塊、數(shù)據(jù)分析模塊以及數(shù)據(jù)庫4 個部分。其中，業(yè)務(wù)分析模塊主要輔助對脫硝及空預(yù)器運行狀態(tài)的實時監(jiān)測、故障預(yù)警、數(shù)據(jù)預(yù)測、異常診斷并制定優(yōu)化策略；基礎(chǔ)應(yīng)用模塊主要功能有設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理、報警管理、故障管理、模型管理以及專項管理等功能；數(shù)據(jù)分析模塊負責(zé)對系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)信息結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行模型分析，根據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則判斷設(shè)備運行狀態(tài)；數(shù)據(jù)庫是脫硝及空預(yù)器實時監(jiān)控預(yù)警平臺的基礎(chǔ)模塊，負責(zé)數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)采集（圖1）。

圖1 脫硝及空預(yù)器實時監(jiān)控預(yù)警平臺架構(gòu)

2.1 硬件設(shè)計

脫硝及空預(yù)器實時監(jiān)控預(yù)警平臺的硬件部分主要包括終端服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲模塊，服務(wù)器核心模塊、PI PE 性能公式模塊以及PI SQLServer 數(shù)據(jù)查詢模塊等。PI-SDK 連接服務(wù)器用于提供面向?qū)ο蟮念悗?，供用戶開發(fā)應(yīng)用程序。PI SDK 是PI 提供的一個編程工具集，用以訪問PI 服務(wù)器以及相關(guān)子系統(tǒng)。在互聯(lián)網(wǎng)中使用PI SDK 訪問PI 服務(wù)器，也可以在高效的C++中使用，以及在其他所有支持COM 技術(shù)的開發(fā)工具中使用PI SDK。

2.2 數(shù)據(jù)接口設(shè)計

為實現(xiàn)高性能的數(shù)據(jù)寫入，大數(shù)據(jù)平臺采用Kafka 消息隊列作為數(shù)據(jù)的接入口，充分利用Kafka 的高性能數(shù)據(jù)分發(fā)機制。該技術(shù)對于積存的生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)一般以數(shù)據(jù)文件或?qū)崟r數(shù)據(jù)庫文件形式存在，數(shù)據(jù)量巨大，為了提高此類數(shù)據(jù)的導(dǎo)入速度，可以充分利用大數(shù)據(jù)平臺的分布式并行處理的優(yōu)勢快速寫入，縮短海量數(shù)據(jù)導(dǎo)入所需的時間，充分利用大數(shù)據(jù)平臺并行處理能力，多節(jié)點并行處理，將海量的積存數(shù)據(jù)上傳至大數(shù)據(jù)平臺。

2.3 軟件設(shè)計

脫硝及空預(yù)器實時監(jiān)控預(yù)警平臺的監(jiān)測節(jié)點和信息接收節(jié)點之間，通過協(xié)議棧進行相互通信。大數(shù)據(jù)平臺提供高性能實時的、近實時的規(guī)則計算、表達式計算，內(nèi)部通過作業(yè)管理的機制進行調(diào)度，對外以服務(wù)接口方式提供，可以支持監(jiān)測報警、系統(tǒng)監(jiān)督等等。借助于大數(shù)據(jù)平臺提供的導(dǎo)則、表達式等設(shè)計工具可以快速構(gòu)建行業(yè)可以重用的算法，定制的算法也可以很靈活地嵌入到大數(shù)據(jù)的作業(yè)平臺中，方便業(yè)務(wù)人員快速構(gòu)建和編排作業(yè)。也可以采用類似JN（IJava Native Invocation）的方式封裝和調(diào)用目前已經(jīng)存在的算法庫，豐富算法庫。

3 脫硝及空預(yù)器實時監(jiān)控平臺的應(yīng)用

脫硝及空預(yù)器實時監(jiān)控預(yù)警平臺，根據(jù)監(jiān)測信息判斷空預(yù)器積灰情況，根據(jù)檢修數(shù)據(jù)確定空預(yù)器換熱性能變化。結(jié)合機組運行實際情況，實現(xiàn)空預(yù)器積灰參數(shù)、噴氨側(cè)數(shù)據(jù)記錄、空預(yù)器壓差變動等的狀態(tài)預(yù)警功能，并給出空預(yù)器換熱元件壽命狀態(tài)評價、空預(yù)器吹灰診斷策略和檢修計劃建議，提供空預(yù)器風(fēng)險預(yù)警及停機檢修策略。

（1）通過指標監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)分析、設(shè)備特征分析等手段建立預(yù)警規(guī)則庫。規(guī)則的準確性直接影響到工作人員對設(shè)備狀態(tài)的判斷，因此需要有效提升判據(jù)共享、判據(jù)豐富以及判據(jù)準確性。所以，需要對設(shè)備及部件進行分類，分別建立故障庫，對引發(fā)該故障的原因、判據(jù)和測點進行枚舉，從而為判斷系統(tǒng)和設(shè)備狀態(tài)、決策等工作做出依據(jù)。

（2）系統(tǒng)根據(jù)建立的規(guī)則庫進行預(yù)警，通過規(guī)則庫中規(guī)定的指標數(shù)值范圍對設(shè)備狀態(tài)進行預(yù)警，提示當前設(shè)備的主要異常參數(shù)以及觸發(fā)的規(guī)則庫規(guī)則，并給出應(yīng)對當前異常狀態(tài)的處理措施，給運行人員提供一些合理建議，展示歷史上此異常狀態(tài)的出現(xiàn)頻率，以供運行人員分析，進行下一步操作。

（3）對脫硝系統(tǒng)的重要參數(shù)進行監(jiān)督，當實時數(shù)據(jù)超出后臺所錄入判據(jù)的標準時，系統(tǒng)會產(chǎn)生報警，方便專業(yè)人員進行查看。點擊進入所異常預(yù)警的故障類型的評估詳單，會展示出詳細的預(yù)警關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，預(yù)警點運行曲線可以根據(jù)時間段查詢，支持區(qū)域放大或縮小，保存所選曲線圖片進行數(shù)據(jù)分析，分析故障類型的預(yù)警。

（4）通過分析空預(yù)器在不同工況下的運行特性，對設(shè)備操作策略進行研究。操作策略的優(yōu)點一方面在機組不同工況下給出不同的優(yōu)化策略方案，量化調(diào)節(jié)操作對主要調(diào)節(jié)參數(shù)的影響，使一直保持運行在最佳狀態(tài)，提高空預(yù)器運行經(jīng)濟性。另一方面，建立空預(yù)器積灰生長速率和脫硝及空預(yù)器吹灰綜合控制策略，能夠防止空預(yù)器換熱元件積灰堵塞，實現(xiàn)空預(yù)器安全穩(wěn)定運行。

操作策略主要基于以下兩項研究功能：

（1）設(shè)備運行規(guī)律特征提取。運行規(guī)律分析采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方法對歷史數(shù)據(jù)進行數(shù)量和占比統(tǒng)計，得到不同工況下設(shè)備歷史運行方式規(guī)律信息，從而給出當前工況下可適用的經(jīng)濟運行方式。首先依靠專家經(jīng)驗和算法進行工況劃分，然后利用曲線擬合分析和趨勢圖分析進行規(guī)律挖掘。

（2）設(shè)備主要參數(shù)最佳運行區(qū)間。設(shè)備主要參數(shù)優(yōu)化基于設(shè)備的歷史運行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)持續(xù)獲取實時數(shù)據(jù)，梳理與機組實時運行安全性、經(jīng)濟性密切相關(guān)的設(shè)備可控參數(shù)，以及系統(tǒng)的重要可控運行參數(shù)，以自動尋優(yōu)值、性能試驗值、經(jīng)驗值、設(shè)計值為尋優(yōu)目標值參考，給出主要參數(shù)的最佳運行區(qū)間，然后對比當前運行參數(shù)與目標范圍的差距和偏離情況，當一個參數(shù)或一組參數(shù)與對應(yīng)的尋優(yōu)目標值的差值超出特定的閾值范圍時，系統(tǒng)將進行標記，提醒用戶關(guān)注重要運行參數(shù)的變化趨勢，給出參數(shù)的運行優(yōu)化指導(dǎo)建議，從而實現(xiàn)提高機組運行安全性和經(jīng)濟性的目的。

4 總結(jié)

脫硝及空預(yù)器實時監(jiān)控預(yù)警平臺主要是針對火力發(fā)電廠排放煙氣中的氮氧化物含量，通過監(jiān)測和采集脫銷中的運行參數(shù)，分析設(shè)備運行規(guī)律，建立數(shù)據(jù)特征庫。

（1）通過對設(shè)備在歷史上的不同工況下的各種運行方式以及參數(shù)調(diào)整進行分析，結(jié)合數(shù)據(jù)特征庫判斷脫硝及空預(yù)器存在的異常工況，并及時發(fā)出報警，幫助現(xiàn)場工作人員進行應(yīng)急處理，提升設(shè)備運行的可靠性和安全性?？梢杂行Ы鉀Q脫硝裝置現(xiàn)存的問題，提升脫硝裝置自動控制、穩(wěn)定達標排放水平，實現(xiàn)脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化運行。

（2）通過對硫酸氫銨生成機理及灰黏附特性進行研究，建立ABS 生成預(yù)測模型，形成ABS 生成實時預(yù)警指標，結(jié)合空預(yù)器冷端綜合溫度、傳熱系數(shù)等多參數(shù)擬合，提出空預(yù)器堵塞預(yù)測判定準則。

（3）開發(fā)脫硝及空預(yù)器監(jiān)控預(yù)警體系，通過對煤質(zhì)、工況、脫硝及空預(yù)器運行數(shù)據(jù)的計算、分析和深度挖掘，構(gòu)建系統(tǒng)自動調(diào)整控制策略和運行管理機制，進行狀態(tài)分析與實時監(jiān)控，最終實現(xiàn)脫硝及空預(yù)器智能診斷與優(yōu)化運行。