火力发电厂烟气排放连续监测系统优化措施分析

张 鹏，窦鹏冲，付闯闯

（1.中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司，河北 石家庄 050031；2.河北省电力勘测设计工程技术研究中心，河北石家庄 050031）

0 引言

随着工业的发展，大气污染和空气中的各类污染物严重破坏生态环境，对烟气排放污染源的连续监测受到人们越来越多的重视[1]。为了有效降低工业生产废气中主要污染物二氧化硫、氮氧化物及粉尘的排放量，国家环保总局颁布了相关规范。尤其是《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223—2011）规定：“火力发电锅炉须装设符合HJ/T 75要求的烟气排放连续监测仪器；烟气排放连续监测装置经省级以上人民政府环境保护行政主管部门验收合格”[2]。随着国家环保监管力度的不断加强，烟气排放连续监测系统已成为环境监测、污染物治理以及实施污染物排放总量控制的强制性技术手段。烟气排放连续监测系统CEMS（continuous emission monitoring system）可对固定污染源排放烟气中的颗粒物、气态污染物的浓度和排放率进行连续、实时的跟踪测定[3]。CEMS系统监测[4]的参数主要指二氧化硫、氮氧化物、烟气温度、压力、流量、含氧量及湿度等，通过现场仪表将采集到的数据存储在CEMS系统主机内，并通过数据采集传输仪实时上传到生态环境主管部门，实现政府对电力企业烟气污染物的实时监控。

1 常规CEMS系统存在的问题

目前，火力发电厂烟气脱硫和烟气脱硝系统均设置CEMS装置，一是将烟气脱硫CEMS数据上传至当地生态环境主管部门，用于监控火力发电厂烟气中污染物排放的情况；二是将烟气脱硫CEMS数据上传至电网部门，作为上网电价的依据之一。

按照火力发电厂常规配置方案，脱硫系统和脱硝系统入口、出口分别设置CEMS装置，对于单台机组共需设置6套CEMS装置，每套装置通过单独的数据采集传输仪分别送至生态环境主管部门[5]。这样一来，火力发电厂单台机组就需要6路数据通信传输接口，机组数量越多通信传输接口越多，通信电缆敷设工作量也越大，导致投资高，经济性差。另外，数据传输的可靠性差，故障率高，数据终端的管理和维护工作量大，导致发电企业CEMS数据安全性降低，影响企业整体效益。

2 CEMS优化方案分析

针对以上问题，本文对目前火力发电厂CEMS系统提出一些改进措施，从系统的硬件组成和数据管理功能的建立两方面，优化全厂CEMS系统的网络架构，提高火力发电厂运行的经济性。

2.1 硬件配置方案

脱硫CEMS系统和脱硝CEMS系统作为2个独立的系统，分别通过各自的服务器储存烟气参数[6]。通过优化脱硫CEMS系统和脱硝CEMS系统网络架构，增加系统冗余配置，组建全厂CEMS系统，实现全厂烟气排放数据统一管理。优化后系统CEMS网络架构如图1所示。系统主要由数据传输部分、数据管理部分和客户终端部分组成。

图1 优化后烟气排放连续监测系统（CEMS）网络架构框图

数据传输部分：通过数据采集传输仪，采集火力发电厂烟气排放的各种类型监测仪器仪表的数据，并将数据上传至核心交换机。CEMS系统采集的数据，主要是烟气中颗粒物浓度、气态污染物浓度，同时测量烟气温度、烟气压力、烟气流速或流量、烟气含湿量、烟气氧量等参数，并将这些数据输入到数据采集传输仪，数据采集传输仪输出控制接口为RS485，通过光电转换器将数据上传至系统核心交换机。

数据管理部分：本方案采用冗余配置的核心交换机，取代常规配置的数据服务器，对数据进行管理。优化后的网络架构在硬件配置方面，除配置冗余的核心交换机外，在传输线路上也进行相应改进。首先，数据采集传输仪通过冗余的光纤将数据分别送入到冗余核心交换机A/B，保证当某一条链路发生故障时，另外一条链路仍能正常工作；同时，增加核心交换机A和核心交换机B之间的数据互连，避免传输链路和交换机发生对侧故障导致数据丢失的问题出现。提高系统网络结构的完整性，保证系统更加安全、可靠[7]。

客户端部分通过人机界面和数据管理软件，不仅将烟气排放数据保存在本地主机内，并实时上传到生态环境主管部门和电网部门，实现对脱硫CEMS数据和脱硝CEMS数据的实时监控、数据上传等基本功能，同时，还可以分析历史数据，绘制数据曲线，作为机组优化控制的依据。

2.2 数据管理和分析

对比常规CEMS系统，除增强硬件配置的可靠性外，在客户端数据管理方面，也进行了相应改进和优化。CEMS数据管理功能主要包括数据编码、数据管理、编码转换、数据上报等，数据管理功能流程如下。

步骤1：建立数据传输通道。通过系统前端的数据采集部分，采集脱硫系统和脱硝系统的各种烟气数据，并对系统内每个数据采集传输仪定义域名和地址，实现每个数据采集传输仪点对点数据访问。

步骤2：对采集的各项数据进行数据编码，保证系统数据库中不同数据采集传输仪以及不同的数据有唯一的“身份ID”。

步骤3：将海量的数据信息采取有效的压缩方式，进行数据存储。同时，数据库中数据以单个日或数个小时为单位独立存放数据及恢复数据，也就是单日/数小时数据的失效不会引起整个数据库失效。该系统能按日程安排自动进行数据存储。

步骤4：判断输出类别。每个省市或地区生态环境主管部门和电网公司对火力发电厂CEMS数据格式要求不是完全相同，比如：编码格式、数据结构、数据指标等。按照上级主管部门要求的数据格式，自动实现数据的打包处理，并对数据进行加密，避免人为对数据篡改，保证数据的真实性。

步骤5：定义编码转换模块。该模块首先需要根据生态环境主管部门和电网公司的要求，定制上传的数据格式清单。若需要上传至监管部门，则调用编码转换模块，将数据库中需要上传的数据信息自动转换为要求的格式，并在系统中单独存储，自动进入步骤6。若数据不需要上传至监管部门，则进入步骤7。

步骤6：数据上报模块。将满足要求的数据信息先进行压缩和打包，并在打包的信息中增加电厂的地址信息，用于监管部门区分数据的来源。

步骤7：电厂脱硫、脱硝数据分析模块。常规CEMS数据处理系统仅将数据用于上传，而缺少对数据的深度挖掘，也没有对海量数据信息进行分析。通过分析全厂脱硫和脱硝系统所有的烟气数据，建立机组脱硝和脱硫系统之间的关系，以及烟气排放物与燃料、空气之间的关系，从而更好地对机组脱硝、脱硫系统以及燃料供应进行控制，达到更低的排放标准，更少的煤耗。

步骤8：数据输出及显示模块功能如下：一是数据的存储和检索。监测小时平均值、监测系统相关工况参数数据，并能检索、打印或在屏幕上显示出来。二是屏幕浏览显示。屏幕显示应具有汉字系统功能，并能显示图形、表格、曲线、条形图或棒图等。三是画面应能显示过程变量的实时数据和设备运行状态。四是在同一屏画面同一时间轴上，采用不同的显示颜色，能同时显示多个模拟量数值的趋势，并便于运行人员的检索和调用。五是打印，具备分钟报表、日报表、月报表、季报表、年报表的显示、导出、打印功能；六是报警，具有显示、打印、声音超限和事故报警信号功能。

3 经济性分析

以某2×300 MW火力发电厂为例，从投资造价角度，对CEMS系统优化方案进行经济性分析。火力发电厂单台机组CEMS系统分为脱硫系统CEMS和脱硝系统CEMS共6套。从硬件配置和光纤数量等方面，对CEMS典型方案和CEMS优化方案进行对比，详情见表1。

通过表1对比，对2种方案从经济性方面作如下说明：一是这2种方案，对于就地侧的监测仪器仪表数量和CEMS机柜数量都是相同的，因此，这部分造价和投资是相同的。二是数据管理侧的硬件配置区别很大。在典型方案中，每一套CEMS系统配置一套客户端服务器，但没有核心交换机，系统软件功能比较单一，数据综合管理水平较低。优化方案采用核心交换机取代服务器。三是每一套CEMS系统均需与生态环境主管部门进行数据交换，故单台机组有6个数据接口，需要敷设6根单轴光纤，而优化方案单台机组仅需要1个数据接口，敷设1根光纤即可，大大降低了光纤费用。

表1 CEMS典型方案和优化方案硬件配置对比表

综合考虑2种方案的投资造价，仅从设备购置费考虑，优化方案较典型方案节省12万元，同时，还考虑现场设备的安装费用、光纤敷设和熔接费用，以及辅助材料等费用6万元。因此，优化方案的整体投资造价较典型方案共节省18万元。

4 结束语

通过对常规CEMS系统优化，改进后的CEMS系统有以下优点：一是减少了与生态环境主管部门和电网部门的通信接口数量，优化了数据采集系统硬件配置，降低了系统电缆数量和敷设工作量，从而降低了工程投资造价；二是通过冗余配置的核心交换机和数据环网，提高了系统的可靠性，避免了数据的丢失，从而降低被生态环境主管部门考核并开具罚单的风险；三是制定标准的功能模块，有利于数据信息的标准统一，满足不同省市或地区生态环境主管部门和电网公司对上传数据的要求；四是除上传脱硫CEMS系统数据，还增加上传脱硝CEMS系统数据至环保和电网部门，有利于获得国家环保补贴和电价补贴，提高企业经济效益；五是通过对全厂CEMS数据深度挖掘和综合利用，更好地实现机组脱硫系统和脱硝系统控制算法的优化，有助于降低石膏和喷氨的投入量，降低电厂的运营成本。