張 鵬，竇鵬沖，付闖闖

（1.中國電建集團河北省電力勘測設計研究院有限公司，河北 石家莊 050031；2.河北省電力勘測設計工程技術(shù)研究中心，河北石家莊 050031）

0 引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，大氣污染和空氣中的各類污染物嚴重破壞生態(tài)環(huán)境，對煙氣排放污染源的連續(xù)監(jiān)測受到人們越來越多的重視[1]。為了有效降低工業(yè)生產(chǎn)廢氣中主要污染物二氧化硫、氮氧化物及粉塵的排放量，國家環(huán)保總局頒布了相關(guān)規(guī)范。尤其是《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223—2011）規(guī)定：“火力發(fā)電鍋爐須裝設符合HJ/T 75要求的煙氣排放連續(xù)監(jiān)測儀器；煙氣排放連續(xù)監(jiān)測裝置經(jīng)省級以上人民政府環(huán)境保護行政主管部門驗收合格”[2]。隨著國家環(huán)保監(jiān)管力度的不斷加強，煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)已成為環(huán)境監(jiān)測、污染物治理以及實施污染物排放總量控制的強制性技術(shù)手段。煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)CEMS（continuous emission monitoring system）可對固定污染源排放煙氣中的顆粒物、氣態(tài)污染物的濃度和排放率進行連續(xù)、實時的跟蹤測定[3]。CEMS系統(tǒng)監(jiān)測[4]的參數(shù)主要指二氧化硫、氮氧化物、煙氣溫度、壓力、流量、含氧量及濕度等，通過現(xiàn)場儀表將采集到的數(shù)據(jù)存儲在CEMS系統(tǒng)主機內(nèi)，并通過數(shù)據(jù)采集傳輸儀實時上傳到生態(tài)環(huán)境主管部門，實現(xiàn)政府對電力企業(yè)煙氣污染物的實時監(jiān)控。

1 常規(guī)CEMS系統(tǒng)存在的問題

目前，火力發(fā)電廠煙氣脫硫和煙氣脫硝系統(tǒng)均設置CEMS裝置，一是將煙氣脫硫CEMS數(shù)據(jù)上傳至當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境主管部門，用于監(jiān)控火力發(fā)電廠煙氣中污染物排放的情況；二是將煙氣脫硫CEMS數(shù)據(jù)上傳至電網(wǎng)部門，作為上網(wǎng)電價的依據(jù)之一。

按照火力發(fā)電廠常規(guī)配置方案，脫硫系統(tǒng)和脫硝系統(tǒng)入口、出口分別設置CEMS裝置，對于單臺機組共需設置6套CEMS裝置，每套裝置通過單獨的數(shù)據(jù)采集傳輸儀分別送至生態(tài)環(huán)境主管部門[5]。這樣一來，火力發(fā)電廠單臺機組就需要6路數(shù)據(jù)通信傳輸接口，機組數(shù)量越多通信傳輸接口越多，通信電纜敷設工作量也越大，導致投資高，經(jīng)濟性差。另外，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃圆?，故障率高，?shù)據(jù)終端的管理和維護工作量大，導致發(fā)電企業(yè)CEMS數(shù)據(jù)安全性降低，影響企業(yè)整體效益。

2 CEMS優(yōu)化方案分析

針對以上問題，本文對目前火力發(fā)電廠CEMS系統(tǒng)提出一些改進措施，從系統(tǒng)的硬件組成和數(shù)據(jù)管理功能的建立兩方面，優(yōu)化全廠CEMS系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構(gòu)，提高火力發(fā)電廠運行的經(jīng)濟性。

2.1 硬件配置方案

脫硫CEMS系統(tǒng)和脫硝CEMS系統(tǒng)作為2個獨立的系統(tǒng)，分別通過各自的服務器儲存煙氣參數(shù)[6]。通過優(yōu)化脫硫CEMS系統(tǒng)和脫硝CEMS系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)，增加系統(tǒng)冗余配置，組建全廠CEMS系統(tǒng)，實現(xiàn)全廠煙氣排放數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。優(yōu)化后系統(tǒng)CEMS網(wǎng)絡架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)傳輸部分、數(shù)據(jù)管理部分和客戶終端部分組成。

圖1 優(yōu)化后煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）網(wǎng)絡架構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)傳輸部分：通過數(shù)據(jù)采集傳輸儀，采集火力發(fā)電廠煙氣排放的各種類型監(jiān)測儀器儀表的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至核心交換機。CEMS系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，主要是煙氣中顆粒物濃度、氣態(tài)污染物濃度，同時測量煙氣溫度、煙氣壓力、煙氣流速或流量、煙氣含濕量、煙氣氧量等參數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)采集傳輸儀，數(shù)據(jù)采集傳輸儀輸出控制接口為RS485，通過光電轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)核心交換機。

數(shù)據(jù)管理部分：本方案采用冗余配置的核心交換機，取代常規(guī)配置的數(shù)據(jù)服務器，對數(shù)據(jù)進行管理。優(yōu)化后的網(wǎng)絡架構(gòu)在硬件配置方面，除配置冗余的核心交換機外，在傳輸線路上也進行相應改進。首先，數(shù)據(jù)采集傳輸儀通過冗余的光纖將數(shù)據(jù)分別送入到冗余核心交換機A/B，保證當某一條鏈路發(fā)生故障時，另外一條鏈路仍能正常工作；同時，增加核心交換機A和核心交換機B之間的數(shù)據(jù)互連，避免傳輸鏈路和交換機發(fā)生對側(cè)故障導致數(shù)據(jù)丟失的問題出現(xiàn)。提高系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的完整性，保證系統(tǒng)更加安全、可靠[7]。

客戶端部分通過人機界面和數(shù)據(jù)管理軟件，不僅將煙氣排放數(shù)據(jù)保存在本地主機內(nèi)，并實時上傳到生態(tài)環(huán)境主管部門和電網(wǎng)部門，實現(xiàn)對脫硫CEMS數(shù)據(jù)和脫硝CEMS數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)上傳等基本功能，同時，還可以分析歷史數(shù)據(jù)，繪制數(shù)據(jù)曲線，作為機組優(yōu)化控制的依據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)管理和分析

對比常規(guī)CEMS系統(tǒng)，除增強硬件配置的可靠性外，在客戶端數(shù)據(jù)管理方面，也進行了相應改進和優(yōu)化。CEMS數(shù)據(jù)管理功能主要包括數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)管理、編碼轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)上報等，數(shù)據(jù)管理功能流程如下。

步驟1：建立數(shù)據(jù)傳輸通道。通過系統(tǒng)前端的數(shù)據(jù)采集部分，采集脫硫系統(tǒng)和脫硝系統(tǒng)的各種煙氣數(shù)據(jù)，并對系統(tǒng)內(nèi)每個數(shù)據(jù)采集傳輸儀定義域名和地址，實現(xiàn)每個數(shù)據(jù)采集傳輸儀點對點數(shù)據(jù)訪問。

步驟2：對采集的各項數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)編碼，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中不同數(shù)據(jù)采集傳輸儀以及不同的數(shù)據(jù)有唯一的“身份ID”。

步驟3：將海量的數(shù)據(jù)信息采取有效的壓縮方式，進行數(shù)據(jù)存儲。同時，數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)以單個日或數(shù)個小時為單位獨立存放數(shù)據(jù)及恢復數(shù)據(jù)，也就是單日/數(shù)小時數(shù)據(jù)的失效不會引起整個數(shù)據(jù)庫失效。該系統(tǒng)能按日程安排自動進行數(shù)據(jù)存儲。

步驟4：判斷輸出類別。每個省市或地區(qū)生態(tài)環(huán)境主管部門和電網(wǎng)公司對火力發(fā)電廠CEMS數(shù)據(jù)格式要求不是完全相同，比如：編碼格式、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)指標等。按照上級主管部門要求的數(shù)據(jù)格式，自動實現(xiàn)數(shù)據(jù)的打包處理，并對數(shù)據(jù)進行加密，避免人為對數(shù)據(jù)篡改，保證數(shù)據(jù)的真實性。

步驟5：定義編碼轉(zhuǎn)換模塊。該模塊首先需要根據(jù)生態(tài)環(huán)境主管部門和電網(wǎng)公司的要求，定制上傳的數(shù)據(jù)格式清單。若需要上傳至監(jiān)管部門，則調(diào)用編碼轉(zhuǎn)換模塊，將數(shù)據(jù)庫中需要上傳的數(shù)據(jù)信息自動轉(zhuǎn)換為要求的格式，并在系統(tǒng)中單獨存儲，自動進入步驟6。若數(shù)據(jù)不需要上傳至監(jiān)管部門，則進入步驟7。

步驟6：數(shù)據(jù)上報模塊。將滿足要求的數(shù)據(jù)信息先進行壓縮和打包，并在打包的信息中增加電廠的地址信息，用于監(jiān)管部門區(qū)分數(shù)據(jù)的來源。

步驟7：電廠脫硫、脫硝數(shù)據(jù)分析模塊。常規(guī)CEMS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)僅將數(shù)據(jù)用于上傳，而缺少對數(shù)據(jù)的深度挖掘，也沒有對海量數(shù)據(jù)信息進行分析。通過分析全廠脫硫和脫硝系統(tǒng)所有的煙氣數(shù)據(jù)，建立機組脫硝和脫硫系統(tǒng)之間的關(guān)系，以及煙氣排放物與燃料、空氣之間的關(guān)系，從而更好地對機組脫硝、脫硫系統(tǒng)以及燃料供應進行控制，達到更低的排放標準，更少的煤耗。

步驟8：數(shù)據(jù)輸出及顯示模塊功能如下：一是數(shù)據(jù)的存儲和檢索。監(jiān)測小時平均值、監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)工況參數(shù)數(shù)據(jù)，并能檢索、打印或在屏幕上顯示出來。二是屏幕瀏覽顯示。屏幕顯示應具有漢字系統(tǒng)功能，并能顯示圖形、表格、曲線、條形圖或棒圖等。三是畫面應能顯示過程變量的實時數(shù)據(jù)和設備運行狀態(tài)。四是在同一屏畫面同一時間軸上，采用不同的顯示顏色，能同時顯示多個模擬量數(shù)值的趨勢，并便于運行人員的檢索和調(diào)用。五是打印，具備分鐘報表、日報表、月報表、季報表、年報表的顯示、導出、打印功能；六是報警，具有顯示、打印、聲音超限和事故報警信號功能。

3 經(jīng)濟性分析

以某2×300 MW火力發(fā)電廠為例，從投資造價角度，對CEMS系統(tǒng)優(yōu)化方案進行經(jīng)濟性分析?；鹆Πl(fā)電廠單臺機組CEMS系統(tǒng)分為脫硫系統(tǒng)CEMS和脫硝系統(tǒng)CEMS共6套。從硬件配置和光纖數(shù)量等方面，對CEMS典型方案和CEMS優(yōu)化方案進行對比，詳情見表1。

通過表1對比，對2種方案從經(jīng)濟性方面作如下說明：一是這2種方案，對于就地側(cè)的監(jiān)測儀器儀表數(shù)量和CEMS機柜數(shù)量都是相同的，因此，這部分造價和投資是相同的。二是數(shù)據(jù)管理側(cè)的硬件配置區(qū)別很大。在典型方案中，每一套CEMS系統(tǒng)配置一套客戶端服務器，但沒有核心交換機，系統(tǒng)軟件功能比較單一，數(shù)據(jù)綜合管理水平較低。優(yōu)化方案采用核心交換機取代服務器。三是每一套CEMS系統(tǒng)均需與生態(tài)環(huán)境主管部門進行數(shù)據(jù)交換，故單臺機組有6個數(shù)據(jù)接口，需要敷設6根單軸光纖，而優(yōu)化方案單臺機組僅需要1個數(shù)據(jù)接口，敷設1根光纖即可，大大降低了光纖費用。

表1 CEMS典型方案和優(yōu)化方案硬件配置對比表

綜合考慮2種方案的投資造價，僅從設備購置費考慮，優(yōu)化方案較典型方案節(jié)省12萬元，同時，還考慮現(xiàn)場設備的安裝費用、光纖敷設和熔接費用，以及輔助材料等費用6萬元。因此，優(yōu)化方案的整體投資造價較典型方案共節(jié)省18萬元。

4 結(jié)束語

通過對常規(guī)CEMS系統(tǒng)優(yōu)化，改進后的CEMS系統(tǒng)有以下優(yōu)點：一是減少了與生態(tài)環(huán)境主管部門和電網(wǎng)部門的通信接口數(shù)量，優(yōu)化了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件配置，降低了系統(tǒng)電纜數(shù)量和敷設工作量，從而降低了工程投資造價；二是通過冗余配置的核心交換機和數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng)，提高了系統(tǒng)的可靠性，避免了數(shù)據(jù)的丟失，從而降低被生態(tài)環(huán)境主管部門考核并開具罰單的風險；三是制定標準的功能模塊，有利于數(shù)據(jù)信息的標準統(tǒng)一，滿足不同省市或地區(qū)生態(tài)環(huán)境主管部門和電網(wǎng)公司對上傳數(shù)據(jù)的要求；四是除上傳脫硫CEMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)，還增加上傳脫硝CEMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)至環(huán)保和電網(wǎng)部門，有利于獲得國家環(huán)保補貼和電價補貼，提高企業(yè)經(jīng)濟效益；五是通過對全廠CEMS數(shù)據(jù)深度挖掘和綜合利用，更好地實現(xiàn)機組脫硫系統(tǒng)和脫硝系統(tǒng)控制算法的優(yōu)化，有助于降低石膏和噴氨的投入量，降低電廠的運營成本。