一種脫硝及空預器實時監控預警平臺的設計

馬 林，張 盟，許俊永，盧紅書，蘇 超

（華電國際萊城發電廠，山東濟南 271100）

0 引言

火力發電是將燃料在燃燒過程中產生的熱能轉化成電能的一種傳統發電方式，由于我國煤炭資源豐富，使得火力發電成為目前主要的發電方式。由火力發電所導致的環境污染物問題也一直都是人們關注的焦點?；鹆Πl電需要消耗數量龐大的燃煤，產生的硫化物、氮氧化物以及粉塵等如果不經過處理直接排放，不僅會造成嚴重的環境污染，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，與氮氧化物反應生成氮氣和水，它利用氨對氮氧化物的還原功能，反應產物對環境造成的影響更低，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，該技術投入成本低、操作簡單，對大型火力發電機組產生的煙氣脫硝率一般為25%～40%，多數情況下用作低氮燃燒技術的補充處理手段。因此，SCR 技術在火力發電脫硝中的應用最為廣泛。

本文結合SCR 脫硝技術，設計的脫硝及空預器實時監控預警平臺，通過自動化控制平臺，提升系統工作穩定性，為電力企業生產運營提供幫助。

1 脫硝及空預器實時監控平臺特性

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

2 脫硝及空預器實時監控預警平臺的設計

火力發電廠發電過程中會產生大量的煙氣，需要通過高效的脫硝系統對其進行處理。而脫硝系統自身也需要通過眾多設備協同合作，才能更好地完成煙氣脫硝工作。因此，需要借助脫硝及空預器實時監控預警平臺對這些脫硝設備的運行狀態進行監測和控制，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、空氣預熱器堵塞、引風機電耗偏高、氮氧化物和硫化物排放指標波動較大等問題，提升系統工作的穩定性和安全性。脫硝及空預器實時監控預警平臺整體架構采用模塊化設計原則，分為業務分析模塊、基礎應用模塊、數據分析模塊以及數據庫4 個部分。其中，業務分析模塊主要輔助對脫硝及空預器運行狀態的實時監測、故障預警、數據預測、異常診斷并制定優化策略；基礎應用模塊主要功能有設備管理、數據管理、報警管理、故障管理、模型管理以及專項管理等功能；數據分析模塊負責對系統采集到的數據信息結合神經網絡算法進行模型分析，根據關聯規則判斷設備運行狀態；數據庫是脫硝及空預器實時監控預警平臺的基礎模塊，負責數據計算、數據存儲以及數據采集（圖1）。

圖1 脫硝及空預器實時監控預警平臺架構

2.1 硬件設計

脫硝及空預器實時監控預警平臺的硬件部分主要包括終端服務器、數據存儲模塊，服務器核心模塊、PI PE 性能公式模塊以及PI SQLServer 數據查詢模塊等。PI-SDK 連接服務器用于提供面向對象的類庫，供用戶開發應用程序。PI SDK 是PI 提供的一個編程工具集，用以訪問PI 服務器以及相關子系統。在互聯網中使用PI SDK 訪問PI 服務器，也可以在高效的C++中使用，以及在其他所有支持COM 技術的開發工具中使用PI SDK。

2.2 數據接口設計

為實現高性能的數據寫入，大數據平臺采用Kafka 消息隊列作為數據的接入口，充分利用Kafka 的高性能數據分發機制。該技術對于積存的生產實時數據一般以數據文件或實時數據庫文件形式存在，數據量巨大，為了提高此類數據的導入速度，可以充分利用大數據平臺的分布式并行處理的優勢快速寫入，縮短海量數據導入所需的時間，充分利用大數據平臺并行處理能力，多節點并行處理，將海量的積存數據上傳至大數據平臺。

2.3 軟件設計

脫硝及空預器實時監控預警平臺的監測節點和信息接收節點之間，通過協議棧進行相互通信。大數據平臺提供高性能實時的、近實時的規則計算、表達式計算，內部通過作業管理的機制進行調度，對外以服務接口方式提供，可以支持監測報警、系統監督等等。借助于大數據平臺提供的導則、表達式等設計工具可以快速構建行業可以重用的算法，定制的算法也可以很靈活地嵌入到大數據的作業平臺中，方便業務人員快速構建和編排作業。也可以采用類似JN（IJava Native Invocation）的方式封裝和調用目前已經存在的算法庫，豐富算法庫。

3 脫硝及空預器實時監控平臺的應用

脫硝及空預器實時監控預警平臺，根據監測信息判斷空預器積灰情況，根據檢修數據確定空預器換熱性能變化。結合機組運行實際情況，實現空預器積灰參數、噴氨側數據記錄、空預器壓差變動等的狀態預警功能，并給出空預器換熱元件壽命狀態評價、空預器吹灰診斷策略和檢修計劃建議，提供空預器風險預警及停機檢修策略。

（1）通過指標監測、歷史數據分析、設備特征分析等手段建立預警規則庫。規則的準確性直接影響到工作人員對設備狀態的判斷，因此需要有效提升判據共享、判據豐富以及判據準確性。所以，需要對設備及部件進行分類，分別建立故障庫，對引發該故障的原因、判據和測點進行枚舉，從而為判斷系統和設備狀態、決策等工作做出依據。

（2）系統根據建立的規則庫進行預警，通過規則庫中規定的指標數值范圍對設備狀態進行預警，提示當前設備的主要異常參數以及觸發的規則庫規則，并給出應對當前異常狀態的處理措施，給運行人員提供一些合理建議，展示歷史上此異常狀態的出現頻率，以供運行人員分析，進行下一步操作。

（3）對脫硝系統的重要參數進行監督，當實時數據超出后臺所錄入判據的標準時，系統會產生報警，方便專業人員進行查看。點擊進入所異常預警的故障類型的評估詳單，會展示出詳細的預警關聯數據，預警點運行曲線可以根據時間段查詢，支持區域放大或縮小，保存所選曲線圖片進行數據分析，分析故障類型的預警。

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

操作策略主要基于以下兩項研究功能：

（1）設備運行規律特征提取。運行規律分析采用數據統計的方法對歷史數據進行數量和占比統計，得到不同工況下設備歷史運行方式規律信息，從而給出當前工況下可適用的經濟運行方式。首先依靠專家經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律挖掘。

（2）設備主要參數最佳運行區間。設備主要參數優化基于設備的歷史運行數據，系統持續獲取實時數據，梳理與機組實時運行安全性、經濟性密切相關的設備可控參數，以及系統的重要可控運行參數，以自動尋優值、性能試驗值、經驗值、設計值為尋優目標值參考，給出主要參數的最佳運行區間，然后對比當前運行參數與目標范圍的差距和偏離情況，當一個參數或一組參數與對應的尋優目標值的差值超出特定的閾值范圍時，系統將進行標記，提醒用戶關注重要運行參數的變化趨勢，給出參數的運行優化指導建議，從而實現提高機組運行安全性和經濟性的目的。

4 總結

脫硝及空預器實時監控預警平臺主要是針對火力發電廠排放煙氣中的氮氧化物含量，通過監測和采集脫銷中的運行參數，分析設備運行規律，建立數據特征庫。

（1）通過對設備在歷史上的不同工況下的各種運行方式以及參數調整進行分析，結合數據特征庫判斷脫硝及空預器存在的異常工況，并及時發出報警，幫助現場工作人員進行應急處理，提升設備運行的可靠性和安全性?？梢杂行Ы鉀Q脫硝裝置現存的問題，提升脫硝裝置自動控制、穩定達標排放水平，實現脫硝系統的優化運行。

（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 生成預測模型，形成ABS 生成實時預警指標，結合空預器冷端綜合溫度、傳熱系數等多參數擬合，提出空預器堵塞預測判定準則。

（3）開發脫硝及空預器監控預警體系，通過對煤質、工況、脫硝及空預器運行數據的計算、分析和深度挖掘，構建系統自動調整控制策略和運行管理機制，進行狀態分析與實時監控，最終實現脫硝及空預器智能診斷與優化運行。