烟气污染物智慧环保云平台管理与实践

杨正宏，李廉明，俞 燕

（1.物产中大集团股份有限公司，浙江杭州 310003；2.嘉兴新嘉爱斯热电有限公司，浙江嘉兴 314016）

0 引言

我国煤碳年消耗量约36 亿吨，约占全球总煤耗的50%，燃煤过程释放的污染物是造成大气污染的重要原因，实现燃烧物减排、特别是燃煤污染物的高效减排，是解决当前气候环境问题的关键。近年来，在国家大力推动煤炭清洁利用和公众愈发关注区域大气环境质量的时代背景下，电力热力机组烟气污染物减排技术取得了一系列重要突破。国家政府工作报告中两次提到“推动燃煤电厂超低排放”和“全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造”，也陆续出台了的《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》等一系列政策文件，明确要求2020 年前对燃煤机组全面实施超低排放。

浙江省是全国环境污染较为严重的地区之一，也是全国资源环境与发展矛盾最为尖锐的地区之一，未来大气污染防治的任务依然十分艰巨。嘉兴新嘉爱斯热电有限公司220 t/h 锅炉于2014 年9 月在国内率先完成热电机组的超低排放改造，实现烟气主要污染物排放达到燃气轮机标准限值要求，为热电机组的超低排放改造推广提供了技术支持。

现有处理燃煤污染物的超低排放装置在日常运维与管理过程中普遍存在着两方面的问题：

（1）现有超低排放技术主要建立在工艺技术能力提升的基础上，污染物减排过程中各工艺技术如：烟气脱硝、脱硫、除尘装置彼此相对独立运行，易受锅炉变负荷、变煤种的影响，导致烟气处理量、污染物成分动态变化，缺乏整体的统筹优化与智能管控，难以保持超低排放的高效稳定。

（2）国家对电力行业的污染物排放控制要求日趋严格，烟气超低排放也首先在电力行业推广，对环保设施控制的效率、运行稳定性提出了更加严格的要求。电力行业超低排放环保岛系统较为复杂，且大多数是通过多次提标改造而最终成型，可能包含了多种控制系统，由此产生了各种信息交流瓶颈，造成管理障碍。而热电机组锅炉超低排放系统面临的情况尤为复杂，普遍存在燃料成分复杂、负荷波动频繁等问题。DCS（Distributed Control System，集散控制系统）难以做到及时调整和响应，环保设施无法平稳运行，造成能耗物耗浪费、运行成本高的问题。现有MIS（Management Information System，管理信息系统）不能很好地引入DCS 数据，而SIS（Safety Instrumented System，安全仪表系统）缺乏对DCS 数据的深入分析处理，也就起不到指导生产运行和提供管理参考的作用。

在此背景下，为保障达标排放，亟需研发稳定高效的智能环保岛系统以提高燃煤烟气污染物超低排放系统的自动化和智能化水平，保障系统运行的可靠性、稳定性、精准性、可调性与经济性，提升区域污染排放管控能力，为改善浙江省乃至全国大气空气质量提供重要技术支撑和保障。从企业内部管理的角度来看，亟需依托人工智能技术创建AI 模型，通过挖掘隐含规律和参数寻优，找到污染物减排的最佳解决方案，实现智慧生产，降低运行成本；同时通过大数据学习，实现物料管理、设备维护、智能报警等的智能管控，为公司提供经营决策参考，提高公司管理水平。

相对而言，国内外针对超低排放智慧环保岛系统的研究与开发并不充分，本文将对典型热电联产机组烟气污染物超低排放系统进行系统开发，从运行状态监测、关键设备管理、性能评估与状态预测、费效能效评估和数据录入等方面开展探索研究，并为运行优化和设备管理提供一系列参考和建议。

1 技术方案

热电联产超低排放系统工艺复杂，设备多样，部分装置可协同脱除多种污染物，即便污染组分间存在相互耦合与竞争关系。从工业过程自动控制学科角度来看，热电联产烟气超低排放系统具有多种参数输入、多种参数输出、强耦合、非线性和强不确定性等特点，是一种复杂的工业过程控制系统。这类系统中不同工艺位置的污染物浓度预测以及相应的运行参数优化有着更高的要求[1-2]。本文从数据收集、数据处理与应用和设备管理及运行优化3 个方面展开针对性研究。智慧环保岛系统首页见图1。

图1 智慧环保岛系统首页

1.1 数据收集

1.1.1 数据及数据库

针对环保岛系统中对污染物浓度预测及设备管理的数据需求，通过OPC 接口软件采集现场DCS 数据，采用边缘计算对数据源进行预处理，构建了基于MySQL 的超低排放系统运行数据的处理、传输、储存的数据库系统，为超低排放环保岛系统各装置入口/出口截面污染物浓度的精准预测、系统的优化运行、动态评估、设备管理、全局优化等功能提供支撑。

通过采集超低排放系统关键装置和燃烧控制关键数据，构建相关污染物排放模型，设定能耗和环保达标率等二次参数，建立系统运行参数与物料消耗参数数据库。采集的关键装置包括锅炉、SCR 脱硝装置、ESP 除尘装置等；采集的数据包括煤炭指标、氨水和石灰石等物料指标、环保在线运行与监测数据；建立的运行数据库包括脱硝、脱硫、除尘等装置及锅炉在线运行数据；建立的物耗能耗数据库包括煤质及物料、脱硝系统、除尘系统、脱硫系统的能耗及物耗；采集的物料主要包括煤炭、氨水、石灰石、飞灰等。根据不同装置的运行特性，采集与整理各个装置的关键运行数据，形成数据库，以作为系统建模、评估、优化运行等工作的依据。

1.1.2 数据预处理

DCS 提取的数据信息易受到仪器性能与环境的影响，造成测得数据不精确。主要影响因素为噪声的干扰与测量设备的故障。通过剔除测得数据的粗大值、减小噪声信号的影响等措施，可提高测得数据的精确度，保证模型精度。

本文采用粗大值剔除、吹扫过程处理、数据平滑处理及数据归一化等4 种处理方式对数据进行清洗及变换：吹扫过程处理采用线性插值的方法；数据平滑处理采用中指滤波算法；数据归一化将不同单位和数量级的数据转化为[0，1]区间范围内的无量纲数。

1.2 数据处理与应用

超低排放环保岛模型的优化问题属于多模型复杂系统优化，可以用分散决策的方法来求解燃煤电厂环保岛的运行优化问题。由于针对某一特定污染物的脱除装置可能协同脱除其他多种污染物，使得该烟气污染物脱除装置的运行参数变化可能会影响到其他多种污染物的脱除效果，因此本文将脱硝、脱硫和除尘3 种污染物分别进行优化并执行全局期望约束条件。

1.2.1 污染物浓度预测模型

针对CEMS（Continuous Emission Monitoring System，烟气在线监测系统）测量滞后特性，开发基于机器学习算法的脱硝装置入口NOx浓度预测模型。以锅炉侧影响脱硝系统入口NOx浓度的关键因素以及脱硝系统入口NOx测量浓度为基础，建立脱硝入口NOx浓度软测量模型。采用循环神经网络模型进行建模，通过随时间反向传播算法进行循环神经网络的参数训练。

采用机理与数据融合的建模方法，利用机理模型预测出口浓度，利用数据模型修正预测误差。电除尘装置颗粒物脱除整体模型主要包括脱除装置入口浓度预测模型、飞灰颗粒电晕和装置放电模型、飞灰颗粒物荷电模型以及迁移脱除模型。

通过对脱硫塔SO2脱除过程的机理分析，建立气液传质反应机理模型，采用神经网络学习算法对脱硫系统出口SO2浓度预测机理模型的误差进行校正，建立了湿法烟气脱硫系统出口SO2浓度混合预测模型。

1.2.2 先进控制方法

选取多模型预测控制策略（MMPC）作为脱硝装置的先进控制方法，将脱硝系统机理模型作为研究对象，并将脱硝系统入口NOx浓度软测量与多模型控制方法结合形成脱硝装置先进控制策略。

以建立的电除尘装置机理数据融合模型为研究对象，同时考虑出口粉尘浓度和运行电压最优值，采用偏差修正的方法实现电除尘装置运行的在线优化。

结合建立的脱硫系统混合预测模型，确定影响出口浓度的主要参数，将动态矩阵算法（DMC）作为先进控制算法，对脱硫装置进行先进控制。全局监测模块如图2 所示。

图2 全局监测模块

1.3 设备管理及运行优化

基于环保岛运行数据库与设备参数，对设备运行状态及性能特性开展针对性研究，建立设备性能劣化曲线库；提取表征设备运行状态的指标参数，建立设备运行状态与参数特征的关系，实现设备运行的状态性能评估。构建设备状态数据库，能够通过提取历史数据对过去某时间点的设备运行状态进行评估。设备管理模块（图3）打通各设备系统的数据交流通道，实现数据共享，保证信息传递流畅；通过建立设备基础台账及检修计划、运行管理、检修管理流程，实现设备管理综合分析；利用智能算法，定位设备的高故障点，及时发现设备故障率高的真正原因，便于调整生产备品备件组织和进行有针对性的设备检修。

图3 设备管理模块

针对电厂仅从DCS 及CEMS 系统监测系统运行状态及污染物排放浓度，无法判断数据的准确性，易造成系统偏离设定运行状态及排放超标等问题，研究数据自校验方法。采用多元统计分析法、交叉验证法结合支持向量机、关联规则等数据挖掘技术建立数据自校验模型，实现传感器参数的自校验，从而及时发现数据异常并做出相应反馈，提高系统运行及管理的数据可靠性。分析历史运行数据，找到各设备工况参数与污染物脱除效率、污染物排放浓度之间的关系并据此建立污染物排放预测模型，实现污染物排放浓度的提前预测，为保障机组污染物排放的稳定达标提供支撑。

基于结合环保岛运行数据库，进行污染物控制系统的能耗—物耗—成本评估，提出基于环保指标及经济运行指标的环保岛运行性能评估方法。

2 实施成效

通过研发燃煤烟气污染物超低排放智慧环保岛系统，进一步提高了热电联产机组信息化水平和运行管理水平。该系统实现了AI 技术在超低排放环保领域的应用和推广，机组设备信息智能管理，生产安全稳定运行，物料管理和污染物排放控制运行成本—效益评估。通过卡边控制先进技术，实现了生产精确控制；通过智能管理实现了管理的运行优化，提高了生产效率，实现节能减排、提高公司经济效益的目的。具体效果如下：

（1）先进控制系统实现了低浓度侧的卡边控制和基于预测模型和出口浓度反馈的优化控制，使烟气污染物排放曲线平滑稳定，在保证始终小于国家和地方政府的环保政策限值的条件下，减小排放曲线波动。

（2）智慧环保岛系统的实施可节约机组运行成本，以新嘉爱斯热电有限公司为例，氨水耗量节省0.007 t/h，电耗节省115 kW，按照年满负荷运行8000 h 计，单台机组年节约能耗费用55.6万元，6 台机组共节约成本超过300 万元。

3 结语

智慧环保岛系统的成功实施，不仅给公司带来巨大的经济利益，更能带动火电/热电的大气环保行业的调整与升级，是节能环保领域的发展方向，是电力行业“两化融合”的重要组成部分，其意义在于提高装备设计、技术开发、系统优化、运行管理、环保性能等水平，推动人工智能产业化，实现信息化带动工业化，工业化促进信息化，具有重大的环境和社会效益。