江苏省火电机组节能减排在线监测系统的开发及应用

孙栓柱，代家元，高 进，刘 成

(江苏方天电力技术有限公司，江苏 南京 211102)

0 引言

按照我国“十二五”节能减排规划，到2015年，全国万元国内生产总值能耗需要比2010年下降16%，SO2排放总量减少8%，NOx排放总量减少10%。江苏省“十二五”规划指出，2015年全省万元地区生产总值能耗比2010年下降18%，SO2、NOx排放量总量分别比2010年削减14.8%、17.5%。

在我国的电力结构中，火力发电一直占主导地位，在总装机容量中达70%以上，是一次能源的主要消耗行业之一［1］。电力行业发电生产耗用原煤量约占全国煤炭消费总量的50%左右，SO2和NOx排放约占全国的40%左右。电力行业是我国节能减排的重点领域。

为了确保江苏全省节能减排目标计划的完成，江苏省电力公司积极履行社会责任，按照统筹规划、分布实施的原则，开发了江苏省火电机组节能减排在线监测系统。系统通过先进的信息化技术手段实现对火电机组节能减排设备运行状况的实时在线监测，促进机组能耗水平的降低，规范化热电联产机组、资源综合利用机组的规范化运行，督促脱硫、脱硝设施的正常运行，推动江苏省电力行业节能减排工作的开展。

1 系统监测模型

火电机组节能减排在线监测系统主要包括五方面监测内容:热电机组管理、资源综合利用机组管理、能耗水平、脱硫、脱硝设施运行水平监测。

1.1 热电联产机组在线监测

热电联产机组指的是同时发电、对外供热的机组，按照原国家计委等4 部门联合发布的《关于发展热电联产的规定》，需要对热电机组的热电比、热效率进行“以热定电”考核。同时结合机组工况等对135 MW 及以上容量供热机组进行可调出力分析，为电力调度部门提供技术支撑［2］。

主要监测参数包括发电机功率、锅炉主蒸汽参数、汽机抽汽参数、对外供热参数等，主要监测指标包括热电比、热效率、机组可调出力等。

1.2 资源综合利用机组在线监测

资源综合利用机组指的是入炉燃料并非全部为动力煤的机组，通常部分或全部掺烧煤泥、煤矸石、垃圾、生物质等燃料，根据《国家鼓励的资源综合利用认定管理办法》(发改环资［2006］1864号)需对入炉燃料比、燃料低位发热量进行在线监测考核。

主要监测参数包括发电机功率、锅炉主蒸汽、给水参数、原煤、垃圾(生物质)流量等，主要监测指标包括入炉燃料比、入炉燃料低位发热量等。

1.3 燃煤机组能耗水平在线监测

燃煤机组能耗水平在线监测主要指的是通过实时采集机组运行数据，在线计算锅炉效率、汽机热耗率、厂用电率、供电煤耗率等关键指标［3］。

主要监测参数包括发电机功率、汽机进汽参数、汽机抽汽参数、高中压排汽参数、加热器进出口汽水参数、排放烟气成分参数等，主要监测指标包括供电煤耗、锅炉效率、汽机热耗率、厂用电率等。

1.4 燃煤机组脱硫、脱硝系统在线监测

脱硫、脱硝系统作为发电企业重要的环保污处设施，为了避免火电企业享受电价优惠却不运行脱硫、脱硝设备，需对脱硫、脱硝系统投运率、脱硫、脱硝效率、污染物排放浓度进行在线监测。

主要监测参数包括发电机功率、脱硫、脱硝系统进出口烟气分析仪监测参数、增压风机电流、旁路挡板门开度、液氨蒸发及供给系统、SCR 系统所有监测参数等，主要监测指标包括脱硫、脱硝系统投运率、效率、污染物排放浓度。

2 系统架构

系统按照整体布局、分布实施的原则设计，主要包括数据采集层、通讯网络层、监控中心层三部分。

2.1 数据采集层

根据系统建设需求及现场网络设施情况，数据采集层主要分为三种数据采集方式:从电厂管理信息大区获取数据经电力调度三区网络实现上传、从电厂生产控制区获取数据经电力调度二区网络实现上传、通过硬接线方式从DCS 系统或控制设备获取数据经无线GPRS 网路实现上传。

对于现场网络设施较为齐全的电厂，优先选择从电厂管理信息大区获取数据经调度数据网络实现数据上传。该方式严格按照《电力二次系统安全防护规定》(电监会5号令)“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的要求，在采集系统中统一加隔离装置，前后分别部署一台接口机。

2.2 通讯网络层

通讯网络层负责将现场采集数据按照通讯规约进行封装，通过电力调度数据网络、GPRS 无线网络将各种参数传输至监控中心层。

系统主要利用电力调度数据网络进行数据交互传输，该网络基于 ATM (Asynchronous Transfer Mode，异步转移模式)技术［4］，相对于移动GPRS 等网络稳定性高、带宽高数据传输安全性高。

2.3 应用中心层

应用中心层主要包含数据中心、数据采集、业务计算、数据同步、面向电力公司的应用、面向政府部门及电厂用户的应用组成。

2.3.1 数据中心

由实时采集数据库和统计分析数据库构成。实时采集数据库、统计分析数据库均采用DB2 数据库，用于存储门户数据、基础档案数据、统计分析数据、以及质量分析数据。

2.3.2 数据采集调度

按照不同行政区域进行数据采集(每台采集服务器采集约30 台机组)，将电厂管理信息大区采集前置机上按照通讯规约封装、生成的数据文件，写入数据中心的实时采集数据库。

2.3.3 业务计算

完成业务指标数据、中间结果数据的在线实时计算。在线实时计算过程中，对于设备异常或停运、数据超限等质量分析数据，通过事件形式输出;并对现场各类采集数据之间的关联性关系进行在线分析和告警，以加强对设备运行情况和数据质量情况的监管。

2.3.4 业务应用发布

业务应用服务采用J2EE 架构为技术支撑，依据MVC 模式的设计思路进行技术的选型及应用的开发。MVC 模式支持系统分层设计，将页面表现与系统的逻辑处理、数据操作分层处理［5］，使各层进行相对独立灵活的实现。因此，系统主要由表现层、控制层、业务逻辑层、数据持久层构成。

用户通过表现层与系统进行交互，采用一系列页面组件构成，主要技术实现方式为JSP/HTML/EXT/FLASH/SVG，表现层通过JSON 方式与控制层进行数据交互。控制层主要由继承自ActionSupport的各实现类构成，负责将表现层请求分派到业务层处理，以及将业务层数据格式化转换为表现层JSON格式展现数据。业务逻辑层主要由业务处理逻辑组件和基础应用支撑组件构成，主要技术实现方式为Struts2 和Spring。数据持久层由数据映射层和数据源构成，实现数据库数据的存取操作。数据映射层完成对数据源的访问封装，并使得业务逻辑层的设计和实现更集中于系统本身的功能，主要技术实现方式为Ibatis。

3 系统功能

系统展示功能是用户与平台之间交互的主要手段，主要包含首页、数据查询、数据采集、实时监控、统计分析、系统管理等模块。火电机组节能减排在线监测系统功能如图1所示。

图1 火电机组节能减排在线监测系统功能结构

3.1 首页

根据用户权限配置，系统首页自动随登陆用户所属业务类型、用户级别而调整。

3.2 基础档案管理

系统以企业、脱硫设施、脱硝设施、燃料系统、供热系统等为对象，构建了全省各种类型燃煤、燃气机组的基础档案信息，包括企业基本信息、锅炉系统信息、汽机系统信息、电气系统信息、脱硫设施信息(脱硫设备、增压风机、旁路挡板、浆液循环泵、排口、分析仪表)、脱硝设施信息(脱硝设备、稀释风机、排口、分析仪表)等。

3.3 实时监控

系统将采集的实时数据以电厂或机组为单元，按照实际工艺流程以图形化的方式动态展示，数据每10 s 种刷新一次。例如脱硫监管环节中，监控图主要展示的测量参数包括增压风机电流、脱硫前SO2浓度、氧量、烟囱入口SSO2浓度、氧量、旁路挡板门开度及计算的脱硫效率等参数。

3.4 数据查询分析

系统提供了组态化的数据查询分析组件，支持自行定制查询参数，支持实时、历史数据查询，同时能够显示数据标准限值以及相关事件，为用户搭建了强大的数据分析平台。

3.5 故障分析

为了及时反映现场运行情况，系统自动对采集的各种数据进行数据超限分析和数据异常分析，主要包括:(1)数据采集故障报警，即通讯故障报警;(2)数据质量分析报警:数据超限报警、数据稳定性报警、数据之间逻辑关联关系报警等。

3.6 统计分析

系统根据相关政府部门出台的脱硫、脱硝、热电、资源综合利用、节能调度等方面的不同考核管理规定及实际业务运作流程，对现场采集实时数据进行分析，按照不同的考核模型、不同的考核维度制定了各种统计报表，如按照统计周期分类的日、月、季、年等4 类机组脱硫(硝)设施运行情况指标统计汇总报表、按照电厂类型全省供热情况统计报表等。

3.7 系统管理

3.7.1 用户管理

系统在设计上将用户分为三类:电厂级、地市级和省级，且按照用户等级设置了不同的系统功能访问权限，电厂级只能访问所在电厂的数据，地市级可以访问本地区所有电厂的数据，省级可以访问全部电厂的数据，为系统的安全运行奠定了基础。

3.7.2 日志查询

对于本系统的登录操作和所有的数据维护操作，都需要记录日志，系统管理员可以根据设定的日志删除时间间隔，删除间隔前的日志，且提供相关查询页面，按权限进行查询。

3.7.3 公告管理

系统提供了公告消息管理功能，允许部分用户可以在系统中发布公告或上传文件，同时也可以根据公告或文件类型进行分类，也可以设定公告或文件面向的用户角色。

4 系统特点

系统自2005年开始研发，直至2008年完成，在全国首次实现了对单个省份内所有类型火电机组节能减排的在线监测，考核参数符合国家相关政策要求，计算模型合理准确，计算精度满足考核需求，与国内外其他类似项目相比具有一定的优势。

4.1 监测数据实时性强

系统充分利用电力调度数据网络的优势，采用先进的技术手段，实现了对发电企业的节能减排监管数据的实时监测，真实、准确、可靠地反映了业务对象的实际运行状态，业务数据每10 s 钟刷新1 次。

4.2 监测对象覆盖面广

整个项目共接入电厂270 余家，各类大小火电机组共670 余台，覆盖了江苏省所有火力发电机组，约占全国火电机组总装机容量的10%。

4.3 监测因子齐全

系统从节能和减排两个方面着手进行机组运行监测，节能监测参数包括了大型火电机组能耗指标、热电机组的热电比/热效率和资源综合利用机组的燃料比/发热量;减排监测参数包括了SO2、NOx的排放量、运行效率、污处设施投运率等，也提供了对其他污染物监测的平台。

4.4 系统监测模型先进

系统针对不同类型火电机组、不同监管需求分别设计了先进的监测模型，如国内外首次通过采集增压风机电流和旁路挡板开度等辅助信号实现了对脱硫设施投运率的考核，量化了火电机组脱硫系统运行水平;首次提出了“基于烟气分析的锅炉效率在线计算模型”，解决了火电机组供电煤耗无法在线测量这一技术难题;国内首次对资源综合利用机组实施在线监测，提出全新的入炉燃料发热量及燃料比计算模型;国内首次将“以热定电”原则应用于热电联产机组在线监测，利用电量电价经济杠杆规范热电联产机组运行。

5 系统应用情况及绩效

江苏省火电机组节能减排在线监测系统的建成，在全国起到了引领和示范作用，它是全国首个覆盖所有火电机组的省级节能减排监测平台，为节能减排科学监管提供了可靠的技术手段，实现了由行政监管向依法科学监管的转变。系统首次有针对性地对热电联产机组、资源综合利用机组、大型火力发电机组的能耗及污染物排放水平设计了量化的考核控制指标，实现了定性管理到定量管理的转变，改变了过去电力监管单纯依靠行政手段和突击检查的监管方式，大幅度提高了脱硫(硝)系统的投运率，降低了火电机组能耗，促进了热电联产和资源综合利用机组的规范运行。

截至2012年底，系统已在江苏全省电厂270 余家、各类大小火电机组共670 余台上得到应用。

通过项目实施，江苏省脱硫系统近年来一直保持投运率97%、脱硫效率93%左右的水平;同时项目的实施每年可节约标煤约110 万吨左右，发掘节能潜力达到每年181.8 万吨标煤左右。

6 结语

目前，江苏省火电机组节能减排在线监测系统已包括了省内所有火电机组的供热、燃料、环保等运行数据。监控系统的研究与建成，实现了对江苏全省火力发电机组热电联产运行数据、燃料管理数据、排污计量数据及电厂脱硫、脱硝设备运行状况、机组运行状况的全面监测和管理，为全省电力行业“十二五”节能减排目标的完成奠定了良好的基础。

［1］朱法华，黄 东，王 圣.我国三大重点区域电力环保现状及建议［J］.环境保护，2013，141(8):26－28.

［2］马建伟，葛 挺，荆百林，等.热电联产机组的节能发电调度技术研究与实践［J］.中国电力，2009，42(4):14－17.

［3］钱立军，周 强，代家元.火力发电机组能耗实时监测模型的研究［J］.江苏电机工程，2010，29(1):62－64.

［4］刘 晴.地区电力调度数据网建设模式研究［J］.电力系统通信，2013，34(1):11－15.

［5］王建云.基于J2EE 的MVC 设计模式研究［J］.中国民航飞行学院学报，2009，20(6):65－69.

［6］郭怀德，张 明，杨 浩.电网建设项目环保管理信息系统的开发与应用［J］.电力环境保护，2009，25(4):6－8.