一种脱硝及空预器实时监控预警平台的设计

马 林，张 盟，许俊永，卢红书，苏 超

（华电国际莱城发电厂，山东济南 271100）

0 引言

火力发电是将燃料在燃烧过程中产生的热能转化成电能的一种传统发电方式，由于我国煤炭资源丰富，使得火力发电成为目前主要的发电方式。由火力发电所导致的环境污染物问题也一直都是人们关注的焦点。火力发电需要消耗数量庞大的燃煤，产生的硫化物、氮氧化物以及粉尘等如果不经过处理直接排放，不仅会造成严重的环境污染，还会对周围的人群造成伤害。因此，需要对火电厂烟气进行必要的脱硫、脱硝处理。

常用的脱硝技术有SCR（Selective Catalytic Reduction，选择性催化还原法）和SCNR（Selective Non-Catalytic Reduction，选择性非催化还原法）两种。其中，SCR 是借助还原剂尿素在金属催化剂作用下，与氮氧化物反应生成氮气和水，它利用氨对氮氧化物的还原功能，反应产物对环境造成的影响更低，具有较强的适用性；SCNR 则是一种不使用催化剂对烟气中氮氧化物进行还原的方法，在850～1100 ℃对氮氧化物进行还原，该技术投入成本低、操作简单，对大型火力发电机组产生的烟气脱硝率一般为25%～40%，多数情况下用作低氮燃烧技术的补充处理手段。因此，SCR 技术在火力发电脱硝中的应用最为广泛。

本文结合SCR 脱硝技术，设计的脱硝及空预器实时监控预警平台，通过自动化控制平台，提升系统工作稳定性，为电力企业生产运营提供帮助。

1 脱硝及空预器实时监控平台特性

脱硝及空预器实时监控预警平台主要对火电厂烟气排放进行实时监测，监控脱硝装置运行状态、数据分析与传输。其中信息管理系统主要负责对监测传感器收集的数据信息进行分析处理，并将其传输至脱硝实施监控的计算机软件和设备。脱硝及空预器实时监控预警平台以单片机为收发控制通信模块，配备独立供电的电源，可以灵活安装在监测点，便于对烟气中的氮氧化物的浓度进行实时监测，并且将采集到的信号进行转换传输，监测点还具有位置识别功能，当与信息接收点进行通信时监控查询系统由在线数据库和查询服务器组成，能过实时显示风机系统的信息。工作人员可以通过互联网对相关的数据进行远程控制，如果发现设备存在异常现象，可以立刻采取应急措施，降低故障造成的影响。监测节点是脱硝及空预器实时监控预警平台的基础部分，主要用于收集被监测区域内的所有数据信息。监测节点不仅可以及时发出烟气中氮氧化物泄漏报警信息，还可以向监控中心发送运行报警信息，既为现场工作人员的人身安全提供了保障，同时也便于现场工作人员进行高效的指挥与调度，将损失降到最低。

2 脱硝及空预器实时监控预警平台的设计

火力发电厂发电过程中会产生大量的烟气，需要通过高效的脱硝系统对其进行处理。而脱硝系统自身也需要通过众多设备协同合作，才能更好地完成烟气脱硝工作。因此，需要借助脱硝及空预器实时监控预警平台对这些脱硝设备的运行状态进行监测和控制，解决脱硝装置的脱硝出口和脱硫出口氮氧化物和硫化物排放浓度偏差较大、空气预热器堵塞、引风机电耗偏高、氮氧化物和硫化物排放指标波动较大等问题，提升系统工作的稳定性和安全性。脱硝及空预器实时监控预警平台整体架构采用模块化设计原则，分为业务分析模块、基础应用模块、数据分析模块以及数据库4 个部分。其中，业务分析模块主要辅助对脱硝及空预器运行状态的实时监测、故障预警、数据预测、异常诊断并制定优化策略；基础应用模块主要功能有设备管理、数据管理、报警管理、故障管理、模型管理以及专项管理等功能；数据分析模块负责对系统采集到的数据信息结合神经网络算法进行模型分析，根据关联规则判断设备运行状态；数据库是脱硝及空预器实时监控预警平台的基础模块，负责数据计算、数据存储以及数据采集（图1）。

图1 脱硝及空预器实时监控预警平台架构

2.1 硬件设计

脱硝及空预器实时监控预警平台的硬件部分主要包括终端服务器、数据存储模块，服务器核心模块、PI PE 性能公式模块以及PI SQLServer 数据查询模块等。PI-SDK 连接服务器用于提供面向对象的类库，供用户开发应用程序。PI SDK 是PI 提供的一个编程工具集，用以访问PI 服务器以及相关子系统。在互联网中使用PI SDK 访问PI 服务器，也可以在高效的C++中使用，以及在其他所有支持COM 技术的开发工具中使用PI SDK。

2.2 数据接口设计

为实现高性能的数据写入，大数据平台采用Kafka 消息队列作为数据的接入口，充分利用Kafka 的高性能数据分发机制。该技术对于积存的生产实时数据一般以数据文件或实时数据库文件形式存在，数据量巨大，为了提高此类数据的导入速度，可以充分利用大数据平台的分布式并行处理的优势快速写入，缩短海量数据导入所需的时间，充分利用大数据平台并行处理能力，多节点并行处理，将海量的积存数据上传至大数据平台。

2.3 软件设计

脱硝及空预器实时监控预警平台的监测节点和信息接收节点之间，通过协议栈进行相互通信。大数据平台提供高性能实时的、近实时的规则计算、表达式计算，内部通过作业管理的机制进行调度，对外以服务接口方式提供，可以支持监测报警、系统监督等等。借助于大数据平台提供的导则、表达式等设计工具可以快速构建行业可以重用的算法，定制的算法也可以很灵活地嵌入到大数据的作业平台中，方便业务人员快速构建和编排作业。也可以采用类似JN（IJava Native Invocation）的方式封装和调用目前已经存在的算法库，丰富算法库。

3 脱硝及空预器实时监控平台的应用

脱硝及空预器实时监控预警平台，根据监测信息判断空预器积灰情况，根据检修数据确定空预器换热性能变化。结合机组运行实际情况，实现空预器积灰参数、喷氨侧数据记录、空预器压差变动等的状态预警功能，并给出空预器换热元件寿命状态评价、空预器吹灰诊断策略和检修计划建议，提供空预器风险预警及停机检修策略。

（1）通过指标监测、历史数据分析、设备特征分析等手段建立预警规则库。规则的准确性直接影响到工作人员对设备状态的判断，因此需要有效提升判据共享、判据丰富以及判据准确性。所以，需要对设备及部件进行分类，分别建立故障库，对引发该故障的原因、判据和测点进行枚举，从而为判断系统和设备状态、决策等工作做出依据。

（2）系统根据建立的规则库进行预警，通过规则库中规定的指标数值范围对设备状态进行预警，提示当前设备的主要异常参数以及触发的规则库规则，并给出应对当前异常状态的处理措施，给运行人员提供一些合理建议，展示历史上此异常状态的出现频率，以供运行人员分析，进行下一步操作。

（3）对脱硝系统的重要参数进行监督，当实时数据超出后台所录入判据的标准时，系统会产生报警，方便专业人员进行查看。点击进入所异常预警的故障类型的评估详单，会展示出详细的预警关联数据，预警点运行曲线可以根据时间段查询，支持区域放大或缩小，保存所选曲线图片进行数据分析，分析故障类型的预警。

（4）通过分析空预器在不同工况下的运行特性，对设备操作策略进行研究。操作策略的优点一方面在机组不同工况下给出不同的优化策略方案，量化调节操作对主要调节参数的影响，使一直保持运行在最佳状态，提高空预器运行经济性。另一方面，建立空预器积灰生长速率和脱硝及空预器吹灰综合控制策略，能够防止空预器换热元件积灰堵塞，实现空预器安全稳定运行。

操作策略主要基于以下两项研究功能：

（1）设备运行规律特征提取。运行规律分析采用数据统计的方法对历史数据进行数量和占比统计，得到不同工况下设备历史运行方式规律信息，从而给出当前工况下可适用的经济运行方式。首先依靠专家经验和算法进行工况划分，然后利用曲线拟合分析和趋势图分析进行规律挖掘。

（2）设备主要参数最佳运行区间。设备主要参数优化基于设备的历史运行数据，系统持续获取实时数据，梳理与机组实时运行安全性、经济性密切相关的设备可控参数，以及系统的重要可控运行参数，以自动寻优值、性能试验值、经验值、设计值为寻优目标值参考，给出主要参数的最佳运行区间，然后对比当前运行参数与目标范围的差距和偏离情况，当一个参数或一组参数与对应的寻优目标值的差值超出特定的阈值范围时，系统将进行标记，提醒用户关注重要运行参数的变化趋势，给出参数的运行优化指导建议，从而实现提高机组运行安全性和经济性的目的。

4 总结

脱硝及空预器实时监控预警平台主要是针对火力发电厂排放烟气中的氮氧化物含量，通过监测和采集脱销中的运行参数，分析设备运行规律，建立数据特征库。

（1）通过对设备在历史上的不同工况下的各种运行方式以及参数调整进行分析，结合数据特征库判断脱硝及空预器存在的异常工况，并及时发出报警，帮助现场工作人员进行应急处理，提升设备运行的可靠性和安全性。可以有效解决脱硝装置现存的问题，提升脱硝装置自动控制、稳定达标排放水平，实现脱硝系统的优化运行。

（2）通过对硫酸氢铵生成机理及灰黏附特性进行研究，建立ABS 生成预测模型，形成ABS 生成实时预警指标，结合空预器冷端综合温度、传热系数等多参数拟合，提出空预器堵塞预测判定准则。

（3）开发脱硝及空预器监控预警体系，通过对煤质、工况、脱硝及空预器运行数据的计算、分析和深度挖掘，构建系统自动调整控制策略和运行管理机制，进行状态分析与实时监控，最终实现脱硝及空预器智能诊断与优化运行。