張山山，吳巧玲，王仁雷，朱躍

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

火電廠是大氣污染物排放大戶，限制火電廠的污染物排放對(duì)環(huán)境保護(hù)工作具有重要的意義?；痣姀S排放的主要污染物包括SO2，NOx和煙塵等。現(xiàn)代火電廠在將含有上述污染物的煙氣排向大氣前，必須進(jìn)行脫硝、脫硫和除塵?；痣姀S一方面對(duì)環(huán)保設(shè)施的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控[1-2]，另一方面利用煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS)對(duì)電廠煙氣排放情況進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)的監(jiān)測(cè)，從而控制環(huán)保設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)，確保主要污染物長(zhǎng)期、穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放[3]。在國(guó)家對(duì)火電廠環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)格的背景下，為提高火電廠環(huán)保設(shè)備管理水平、主要污染物達(dá)標(biāo)排放水平和整體經(jīng)濟(jì)效益，減少煙氣污染物排放，保護(hù)環(huán)境，以“互聯(lián)網(wǎng)+”、數(shù)據(jù)共享及大數(shù)據(jù)分析、改進(jìn)型灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(UGMN)模型分析等技術(shù)為基礎(chǔ)，某發(fā)電集團(tuán)公司研究開(kāi)發(fā)了一套基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的火電廠環(huán)保智能監(jiān)管系統(tǒng)。

1 基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

火電廠環(huán)保智能監(jiān)管系統(tǒng)覆蓋某發(fā)電集團(tuán)公司92家火電廠的296臺(tái)機(jī)組(包括燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t、生物質(zhì)鍋爐和工業(yè)小鍋爐等)，以CEMS、環(huán)保分散控制系統(tǒng)(DCS)/可編程控制器(PLC)、火電廠廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)/管理信息系統(tǒng)(MIS)、集團(tuán)公司級(jí)生產(chǎn)營(yíng)銷(xiāo)與實(shí)時(shí)監(jiān)管系統(tǒng)、集團(tuán)公司級(jí)燃料管理系統(tǒng)等多個(gè)數(shù)據(jù)源為基礎(chǔ)建立了環(huán)保數(shù)據(jù)庫(kù)，以“互聯(lián)網(wǎng)+”的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇偛勘O(jiān)控中心，通過(guò)多數(shù)據(jù)共享技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、地理信息分析技術(shù)、煙氣擴(kuò)散模擬技術(shù)等實(shí)現(xiàn)環(huán)保數(shù)據(jù)的共享、分析和展示[4-6]，其技術(shù)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 火電廠環(huán)保智能監(jiān)管系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)架Fig.1 Technology structure of an intelligent supervision system for thermal power plants

將火電廠環(huán)保智能監(jiān)管系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、表示層和對(duì)外接口層。數(shù)據(jù)訪問(wèn)層位于系統(tǒng)平臺(tái)的最底層，用于接收和存儲(chǔ)廠站側(cè)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和關(guān)系數(shù)據(jù)：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主要用來(lái)傳輸和存儲(chǔ)實(shí)時(shí)性要求較高的環(huán)保生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如脫硫系統(tǒng)、脫硝系統(tǒng)和電除塵系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；關(guān)系數(shù)據(jù)用于傳輸和存儲(chǔ)填報(bào)、配置參數(shù)等關(guān)系型數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)邏輯層通過(guò)多數(shù)據(jù)共享技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、地理信息分析技術(shù)、煙氣擴(kuò)散模擬技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)環(huán)保統(tǒng)計(jì)和環(huán)保監(jiān)管等多種功能。表示層對(duì)業(yè)務(wù)邏輯層實(shí)現(xiàn)的各種功能進(jìn)行多用戶、多層次的展示，不同權(quán)限用戶通過(guò)集團(tuán)公司廣域網(wǎng)實(shí)名制登錄系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)火電廠環(huán)保智能監(jiān)管系統(tǒng)的使用。

2 基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

火電廠環(huán)保智能監(jiān)管系統(tǒng)構(gòu)架主要包括電廠側(cè)數(shù)據(jù)子站采集層、通信網(wǎng)絡(luò)層和集團(tuán)公司側(cè)中心站數(shù)據(jù)服務(wù)層3層。在面向服務(wù)的體系架構(gòu)(SOA)的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)建立分布式集成應(yīng)用服務(wù)，以提供不同層次的服務(wù)：在電廠設(shè)置前置數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和應(yīng)用程序服務(wù)器，提供不同平臺(tái)的廠級(jí)服務(wù)；在集團(tuán)公司設(shè)置數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，提供集團(tuán)公司級(jí)環(huán)保技術(shù)支撐和管理服務(wù)。電廠側(cè)數(shù)據(jù)子站采集層部署相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集接口機(jī)和接口軟件，按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約采集來(lái)自環(huán)保相關(guān)控制系統(tǒng)(脫硫系統(tǒng)、脫硝系統(tǒng)和電除塵系統(tǒng))及CEMS的數(shù)據(jù)，通過(guò)集團(tuán)公司廣域網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊瘓F(tuán)公司側(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸。數(shù)據(jù)在集團(tuán)公司側(cè)中心站統(tǒng)一儲(chǔ)存、分析、應(yīng)用，系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.2 Topology of the system network

3 基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

火電廠環(huán)保智能監(jiān)管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、環(huán)保統(tǒng)計(jì)和環(huán)保監(jiān)管等功能，其軟件的設(shè)計(jì)基于多數(shù)據(jù)共享技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、地理信息分析技術(shù)及煙氣擴(kuò)散模擬技術(shù)等。

3.1 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)分為關(guān)系數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，關(guān)系數(shù)據(jù)以集團(tuán)公司層面的虛擬數(shù)據(jù)庫(kù)為存儲(chǔ)平臺(tái)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以集團(tuán)公司層面的工廠信息系統(tǒng)(PI)數(shù)據(jù)庫(kù)為存儲(chǔ)平臺(tái)。系統(tǒng)規(guī)定了煙氣參數(shù)、環(huán)保設(shè)施運(yùn)行參數(shù)的內(nèi)容和格式，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)規(guī)范。電廠端根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、關(guān)系數(shù)據(jù)等不同數(shù)據(jù)源設(shè)計(jì)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，匯集到電廠側(cè)的數(shù)據(jù)終端機(jī)，通過(guò)集團(tuán)公司局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)電廠端數(shù)據(jù)與集團(tuán)公司PI數(shù)據(jù)庫(kù)的傳輸與存儲(chǔ)。在集團(tuán)公司側(cè)建立一個(gè)以CEMS、環(huán)保DCS/PLC、SIS/MIS、集團(tuán)公司級(jí)生產(chǎn)營(yíng)銷(xiāo)與實(shí)時(shí)監(jiān)管系統(tǒng)、集團(tuán)公司級(jí)燃料管理系統(tǒng)等多個(gè)數(shù)據(jù)源為基礎(chǔ)的環(huán)保數(shù)據(jù)庫(kù)，作為火電廠環(huán)保智能監(jiān)管系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2 環(huán)保功能

火電廠環(huán)保智能監(jiān)管系統(tǒng)對(duì)電廠的煙氣系統(tǒng)污染物排放情況、環(huán)保設(shè)施的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)管，根據(jù)各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析結(jié)果進(jìn)行預(yù)警分析、報(bào)表管理、智能預(yù)測(cè)等，提高脫硫、除塵和脫硝環(huán)保設(shè)備的安全性，實(shí)現(xiàn)相關(guān)環(huán)保設(shè)備投運(yùn)率和效率、污染物排放質(zhì)量濃度和總量、排放績(jī)效等的統(tǒng)計(jì)，以及在線管控和考核等功能。

(1)實(shí)時(shí)監(jiān)控。以工藝流程圖、表格等形式，對(duì)電廠側(cè)的煙氣排放情況(煙氣質(zhì)量濃度、氧量、煙氣量、溫度等)、環(huán)保設(shè)施運(yùn)行參數(shù)(電流、電壓、阻力等)進(jìn)行實(shí)時(shí)展示和監(jiān)控。

(2)報(bào)警管理。對(duì)污染物質(zhì)量濃度超標(biāo)、電機(jī)故障、環(huán)保設(shè)施退出運(yùn)行等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警，并下發(fā)報(bào)警單給電廠，電廠根據(jù)實(shí)際情況反饋報(bào)警，分公司和集團(tuán)公司對(duì)反饋的報(bào)警進(jìn)行審核和審批，實(shí)現(xiàn)報(bào)警的閉環(huán)管理。

(3)曲線分析。自行組成機(jī)組煙氣參數(shù)、環(huán)保設(shè)施運(yùn)行參數(shù)、主機(jī)運(yùn)行參數(shù)等曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)曲線展示和分析。

(4)報(bào)表管理。根據(jù)集團(tuán)公司、分公司和電廠各級(jí)用戶的不同需求，自動(dòng)形成日、月、季度和年度報(bào)表。

(5)統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)集團(tuán)公司、分公司和電廠各級(jí)用戶的不同需求，實(shí)現(xiàn)污染物排放質(zhì)量濃度、污染物排放總量、污染物脫除效率、環(huán)保設(shè)施投運(yùn)率、環(huán)保設(shè)施能耗等的統(tǒng)計(jì)分析，以報(bào)表、趨勢(shì)圖、對(duì)比圖的形式進(jìn)行展示及對(duì)比。

(6)電子地圖。以電子地圖的形式展示各電廠的分布及污染物排放當(dāng)前小時(shí)均值，對(duì)污染物排放小時(shí)均值超標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警并統(tǒng)計(jì)展示。

(7)智能預(yù)測(cè)。以UGMN模型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)火電廠煙氣污染物排放質(zhì)量濃度的智能預(yù)測(cè)。

(8)手機(jī)應(yīng)用程序(APP)。對(duì)應(yīng)開(kāi)發(fā)了火電廠環(huán)保智能監(jiān)管系統(tǒng)的手機(jī)APP，手機(jī)端和電腦端的數(shù)據(jù)及功能可共享，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)移動(dòng)端的環(huán)保監(jiān)督和管理。

4 火電廠環(huán)保智能監(jiān)管系統(tǒng)的應(yīng)用

火電廠環(huán)保智能監(jiān)管系統(tǒng)已全面應(yīng)用于某發(fā)電集團(tuán)公司所屬92個(gè)電廠的296臺(tái)機(jī)組，包括燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t、生物質(zhì)鍋爐和工業(yè)小鍋爐等。

某電廠環(huán)保智能監(jiān)管系統(tǒng)首頁(yè)如圖3所示，該系統(tǒng)以曲線圖的形式展示污染物排放質(zhì)量濃度的小時(shí)均值，以報(bào)表的形式展示污染物排放總量、環(huán)保技術(shù)指標(biāo)等相關(guān)數(shù)據(jù)。圖4為該電廠#3機(jī)組自2018-12-19 T 00：00起11 h內(nèi)煙氣排放隨機(jī)組負(fù)荷的變化情況。圖5為該電廠#3機(jī)組污染物排放質(zhì)量濃度小時(shí)均值報(bào)表。

根據(jù)UGMN模型開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)預(yù)警功能，能夠成功模擬并預(yù)測(cè)出大氣污染物排放質(zhì)量濃度的波動(dòng)與變化趨勢(shì)，達(dá)到預(yù)測(cè)精度要求，從而為電廠的運(yùn)行調(diào)整提供依據(jù)。圖6為該電廠#3機(jī)組一段時(shí)間內(nèi)，白天和夜間的大氣污染物排放質(zhì)量濃度趨勢(shì)預(yù)測(cè)，預(yù)警值與實(shí)際排放值達(dá)到了較高的吻合度，能夠較準(zhǔn)確地預(yù)警電廠的污染物排放情況。

圖5 某電廠 #3機(jī)組污染物排放質(zhì)量濃度小時(shí)均值報(bào)表(截圖)Fig.5 Hourly report on average pollutant concentration of No.3 unit in a power plant(screenshot)

圖6 某電廠 #3機(jī)組污染物排放質(zhì)量濃度預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.6 Prediction of pollutant discharged from the No.3 unit in a power palnt

5 結(jié)論

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的火電廠環(huán)保智能監(jiān)管系統(tǒng)根據(jù)多個(gè)火電廠多個(gè)數(shù)據(jù)源采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和關(guān)系數(shù)據(jù)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)+、數(shù)據(jù)共享及大數(shù)據(jù)分析、UGMN模型分析等技術(shù)，建立了一套完整、全面的環(huán)保數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了各類環(huán)保信息數(shù)據(jù)的在線統(tǒng)計(jì)、分析診斷、智能預(yù)警、報(bào)表管理、智能預(yù)測(cè)等功能，對(duì)環(huán)保設(shè)備運(yùn)行、污染物達(dá)標(biāo)排放和總量控制等情況深層次、多角度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了大數(shù)據(jù)背景下的“互聯(lián)網(wǎng)+環(huán)保監(jiān)管”，減少了發(fā)電企業(yè)環(huán)保監(jiān)督管理和設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理成本，提高了機(jī)組環(huán)保設(shè)備運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，為環(huán)保運(yùn)行及管理提供了技術(shù)支撐。基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的火電廠環(huán)保智能監(jiān)管系統(tǒng)已應(yīng)用于某發(fā)電集團(tuán)公司及其所屬火電廠。