楊正宏，李廉明，俞 燕

（1.物產(chǎn)中大集團股份有限公司，浙江杭州 310003；2.嘉興新嘉愛斯熱電有限公司，浙江嘉興 314016）

0 引言

我國煤碳年消耗量約36 億噸，約占全球總煤耗的50%，燃煤過程釋放的污染物是造成大氣污染的重要原因，實現(xiàn)燃燒物減排、特別是燃煤污染物的高效減排，是解決當(dāng)前氣候環(huán)境問題的關(guān)鍵。近年來，在國家大力推動煤炭清潔利用和公眾愈發(fā)關(guān)注區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量的時代背景下，電力熱力機組煙氣污染物減排技術(shù)取得了一系列重要突破。國家政府工作報告中兩次提到“推動燃煤電廠超低排放”和“全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造”，也陸續(xù)出臺了的《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》等一系列政策文件，明確要求2020 年前對燃煤機組全面實施超低排放。

浙江省是全國環(huán)境污染較為嚴(yán)重的地區(qū)之一，也是全國資源環(huán)境與發(fā)展矛盾最為尖銳的地區(qū)之一，未來大氣污染防治的任務(wù)依然十分艱巨。嘉興新嘉愛斯熱電有限公司220 t/h 鍋爐于2014 年9 月在國內(nèi)率先完成熱電機組的超低排放改造，實現(xiàn)煙氣主要污染物排放達(dá)到燃?xì)廨啓C標(biāo)準(zhǔn)限值要求，為熱電機組的超低排放改造推廣提供了技術(shù)支持。

現(xiàn)有處理燃煤污染物的超低排放裝置在日常運維與管理過程中普遍存在著兩方面的問題：

（1）現(xiàn)有超低排放技術(shù)主要建立在工藝技術(shù)能力提升的基礎(chǔ)上，污染物減排過程中各工藝技術(shù)如：煙氣脫硝、脫硫、除塵裝置彼此相對獨立運行，易受鍋爐變負(fù)荷、變煤種的影響，導(dǎo)致煙氣處理量、污染物成分動態(tài)變化，缺乏整體的統(tǒng)籌優(yōu)化與智能管控，難以保持超低排放的高效穩(wěn)定。

（2）國家對電力行業(yè)的污染物排放控制要求日趨嚴(yán)格，煙氣超低排放也首先在電力行業(yè)推廣，對環(huán)保設(shè)施控制的效率、運行穩(wěn)定性提出了更加嚴(yán)格的要求。電力行業(yè)超低排放環(huán)保島系統(tǒng)較為復(fù)雜，且大多數(shù)是通過多次提標(biāo)改造而最終成型，可能包含了多種控制系統(tǒng)，由此產(chǎn)生了各種信息交流瓶頸，造成管理障礙。而熱電機組鍋爐超低排放系統(tǒng)面臨的情況尤為復(fù)雜，普遍存在燃料成分復(fù)雜、負(fù)荷波動頻繁等問題。DCS（Distributed Control System，集散控制系統(tǒng)）難以做到及時調(diào)整和響應(yīng)，環(huán)保設(shè)施無法平穩(wěn)運行，造成能耗物耗浪費、運行成本高的問題?，F(xiàn)有MIS（Management Information System，管理信息系統(tǒng)）不能很好地引入DCS 數(shù)據(jù)，而SIS（Safety Instrumented System，安全儀表系統(tǒng)）缺乏對DCS 數(shù)據(jù)的深入分析處理，也就起不到指導(dǎo)生產(chǎn)運行和提供管理參考的作用。

在此背景下，為保障達(dá)標(biāo)排放，亟需研發(fā)穩(wěn)定高效的智能環(huán)保島系統(tǒng)以提高燃煤煙氣污染物超低排放系統(tǒng)的自動化和智能化水平，保障系統(tǒng)運行的可靠性、穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性、可調(diào)性與經(jīng)濟性，提升區(qū)域污染排放管控能力，為改善浙江省乃至全國大氣空氣質(zhì)量提供重要技術(shù)支撐和保障。從企業(yè)內(nèi)部管理的角度來看，亟需依托人工智能技術(shù)創(chuàng)建AI 模型，通過挖掘隱含規(guī)律和參數(shù)尋優(yōu)，找到污染物減排的最佳解決方案，實現(xiàn)智慧生產(chǎn)，降低運行成本；同時通過大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，實現(xiàn)物料管理、設(shè)備維護(hù)、智能報警等的智能管控，為公司提供經(jīng)營決策參考，提高公司管理水平。

相對而言，國內(nèi)外針對超低排放智慧環(huán)保島系統(tǒng)的研究與開發(fā)并不充分，本文將對典型熱電聯(lián)產(chǎn)機組煙氣污染物超低排放系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，從運行狀態(tài)監(jiān)測、關(guān)鍵設(shè)備管理、性能評估與狀態(tài)預(yù)測、費效能效評估和數(shù)據(jù)錄入等方面開展探索研究，并為運行優(yōu)化和設(shè)備管理提供一系列參考和建議。

1 技術(shù)方案

熱電聯(lián)產(chǎn)超低排放系統(tǒng)工藝復(fù)雜，設(shè)備多樣，部分裝置可協(xié)同脫除多種污染物，即便污染組分間存在相互耦合與競爭關(guān)系。從工業(yè)過程自動控制學(xué)科角度來看，熱電聯(lián)產(chǎn)煙氣超低排放系統(tǒng)具有多種參數(shù)輸入、多種參數(shù)輸出、強耦合、非線性和強不確定性等特點，是一種復(fù)雜的工業(yè)過程控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)中不同工藝位置的污染物濃度預(yù)測以及相應(yīng)的運行參數(shù)優(yōu)化有著更高的要求[1-2]。本文從數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用和設(shè)備管理及運行優(yōu)化3 個方面展開針對性研究。智慧環(huán)保島系統(tǒng)首頁見圖1。

圖1 智慧環(huán)保島系統(tǒng)首頁

1.1 數(shù)據(jù)收集

1.1.1 數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)庫

針對環(huán)保島系統(tǒng)中對污染物濃度預(yù)測及設(shè)備管理的數(shù)據(jù)需求，通過OPC 接口軟件采集現(xiàn)場DCS 數(shù)據(jù)，采用邊緣計算對數(shù)據(jù)源進(jìn)行預(yù)處理，構(gòu)建了基于MySQL 的超低排放系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的處理、傳輸、儲存的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，為超低排放環(huán)保島系統(tǒng)各裝置入口/出口截面污染物濃度的精準(zhǔn)預(yù)測、系統(tǒng)的優(yōu)化運行、動態(tài)評估、設(shè)備管理、全局優(yōu)化等功能提供支撐。

通過采集超低排放系統(tǒng)關(guān)鍵裝置和燃燒控制關(guān)鍵數(shù)據(jù)，構(gòu)建相關(guān)污染物排放模型，設(shè)定能耗和環(huán)保達(dá)標(biāo)率等二次參數(shù)，建立系統(tǒng)運行參數(shù)與物料消耗參數(shù)數(shù)據(jù)庫。采集的關(guān)鍵裝置包括鍋爐、SCR 脫硝裝置、ESP 除塵裝置等；采集的數(shù)據(jù)包括煤炭指標(biāo)、氨水和石灰石等物料指標(biāo)、環(huán)保在線運行與監(jiān)測數(shù)據(jù)；建立的運行數(shù)據(jù)庫包括脫硝、脫硫、除塵等裝置及鍋爐在線運行數(shù)據(jù)；建立的物耗能耗數(shù)據(jù)庫包括煤質(zhì)及物料、脫硝系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)的能耗及物耗；采集的物料主要包括煤炭、氨水、石灰石、飛灰等。根據(jù)不同裝置的運行特性，采集與整理各個裝置的關(guān)鍵運行數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)庫，以作為系統(tǒng)建模、評估、優(yōu)化運行等工作的依據(jù)。

1.1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

DCS 提取的數(shù)據(jù)信息易受到儀器性能與環(huán)境的影響，造成測得數(shù)據(jù)不精確。主要影響因素為噪聲的干擾與測量設(shè)備的故障。通過剔除測得數(shù)據(jù)的粗大值、減小噪聲信號的影響等措施，可提高測得數(shù)據(jù)的精確度，保證模型精度。

本文采用粗大值剔除、吹掃過程處理、數(shù)據(jù)平滑處理及數(shù)據(jù)歸一化等4 種處理方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗及變換：吹掃過程處理采用線性插值的方法；數(shù)據(jù)平滑處理采用中指濾波算法；數(shù)據(jù)歸一化將不同單位和數(shù)量級的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為[0，1]區(qū)間范圍內(nèi)的無量綱數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用

超低排放環(huán)保島模型的優(yōu)化問題屬于多模型復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化，可以用分散決策的方法來求解燃煤電廠環(huán)保島的運行優(yōu)化問題。由于針對某一特定污染物的脫除裝置可能協(xié)同脫除其他多種污染物，使得該煙氣污染物脫除裝置的運行參數(shù)變化可能會影響到其他多種污染物的脫除效果，因此本文將脫硝、脫硫和除塵3 種污染物分別進(jìn)行優(yōu)化并執(zhí)行全局期望約束條件。

1.2.1 污染物濃度預(yù)測模型

針對CEMS（Continuous Emission Monitoring System，煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)）測量滯后特性，開發(fā)基于機器學(xué)習(xí)算法的脫硝裝置入口NOx濃度預(yù)測模型。以鍋爐側(cè)影響脫硝系統(tǒng)入口NOx濃度的關(guān)鍵因素以及脫硝系統(tǒng)入口NOx測量濃度為基礎(chǔ)，建立脫硝入口NOx濃度軟測量模型。采用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行建模，通過隨時間反向傳播算法進(jìn)行循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)訓(xùn)練。

采用機理與數(shù)據(jù)融合的建模方法，利用機理模型預(yù)測出口濃度，利用數(shù)據(jù)模型修正預(yù)測誤差。電除塵裝置顆粒物脫除整體模型主要包括脫除裝置入口濃度預(yù)測模型、飛灰顆粒電暈和裝置放電模型、飛灰顆粒物荷電模型以及遷移脫除模型。

通過對脫硫塔SO2脫除過程的機理分析，建立氣液傳質(zhì)反應(yīng)機理模型，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法對脫硫系統(tǒng)出口SO2濃度預(yù)測機理模型的誤差進(jìn)行校正，建立了濕法煙氣脫硫系統(tǒng)出口SO2濃度混合預(yù)測模型。

1.2.2 先進(jìn)控制方法

選取多模型預(yù)測控制策略（MMPC）作為脫硝裝置的先進(jìn)控制方法，將脫硝系統(tǒng)機理模型作為研究對象，并將脫硝系統(tǒng)入口NOx濃度軟測量與多模型控制方法結(jié)合形成脫硝裝置先進(jìn)控制策略。

以建立的電除塵裝置機理數(shù)據(jù)融合模型為研究對象，同時考慮出口粉塵濃度和運行電壓最優(yōu)值，采用偏差修正的方法實現(xiàn)電除塵裝置運行的在線優(yōu)化。

結(jié)合建立的脫硫系統(tǒng)混合預(yù)測模型，確定影響出口濃度的主要參數(shù)，將動態(tài)矩陣算法（DMC）作為先進(jìn)控制算法，對脫硫裝置進(jìn)行先進(jìn)控制。全局監(jiān)測模塊如圖2 所示。

圖2 全局監(jiān)測模塊

1.3 設(shè)備管理及運行優(yōu)化

基于環(huán)保島運行數(shù)據(jù)庫與設(shè)備參數(shù)，對設(shè)備運行狀態(tài)及性能特性開展針對性研究，建立設(shè)備性能劣化曲線庫；提取表征設(shè)備運行狀態(tài)的指標(biāo)參數(shù)，建立設(shè)備運行狀態(tài)與參數(shù)特征的關(guān)系，實現(xiàn)設(shè)備運行的狀態(tài)性能評估。構(gòu)建設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，能夠通過提取歷史數(shù)據(jù)對過去某時間點的設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行評估。設(shè)備管理模塊（圖3）打通各設(shè)備系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交流通道，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，保證信息傳遞流暢；通過建立設(shè)備基礎(chǔ)臺賬及檢修計劃、運行管理、檢修管理流程，實現(xiàn)設(shè)備管理綜合分析；利用智能算法，定位設(shè)備的高故障點，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障率高的真正原因，便于調(diào)整生產(chǎn)備品備件組織和進(jìn)行有針對性的設(shè)備檢修。

圖3 設(shè)備管理模塊

針對電廠僅從DCS 及CEMS 系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)及污染物排放濃度，無法判斷數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，易造成系統(tǒng)偏離設(shè)定運行狀態(tài)及排放超標(biāo)等問題，研究數(shù)據(jù)自校驗方法。采用多元統(tǒng)計分析法、交叉驗證法結(jié)合支持向量機、關(guān)聯(lián)規(guī)則等數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立數(shù)據(jù)自校驗?zāi)Ｐ?，實現(xiàn)傳感器參數(shù)的自校驗，從而及時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常并做出相應(yīng)反饋，提高系統(tǒng)運行及管理的數(shù)據(jù)可靠性。分析歷史運行數(shù)據(jù)，找到各設(shè)備工況參數(shù)與污染物脫除效率、污染物排放濃度之間的關(guān)系并據(jù)此建立污染物排放預(yù)測模型，實現(xiàn)污染物排放濃度的提前預(yù)測，為保障機組污染物排放的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)提供支撐。

基于結(jié)合環(huán)保島運行數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行污染物控制系統(tǒng)的能耗—物耗—成本評估，提出基于環(huán)保指標(biāo)及經(jīng)濟運行指標(biāo)的環(huán)保島運行性能評估方法。

2 實施成效

通過研發(fā)燃煤煙氣污染物超低排放智慧環(huán)保島系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了熱電聯(lián)產(chǎn)機組信息化水平和運行管理水平。該系統(tǒng)實現(xiàn)了AI 技術(shù)在超低排放環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣，機組設(shè)備信息智能管理，生產(chǎn)安全穩(wěn)定運行，物料管理和污染物排放控制運行成本—效益評估。通過卡邊控制先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)了生產(chǎn)精確控制；通過智能管理實現(xiàn)了管理的運行優(yōu)化，提高了生產(chǎn)效率，實現(xiàn)節(jié)能減排、提高公司經(jīng)濟效益的目的。具體效果如下：

（1）先進(jìn)控制系統(tǒng)實現(xiàn)了低濃度側(cè)的卡邊控制和基于預(yù)測模型和出口濃度反饋的優(yōu)化控制，使煙氣污染物排放曲線平滑穩(wěn)定，在保證始終小于國家和地方政府的環(huán)保政策限值的條件下，減小排放曲線波動。

（2）智慧環(huán)保島系統(tǒng)的實施可節(jié)約機組運行成本，以新嘉愛斯熱電有限公司為例，氨水耗量節(jié)省0.007 t/h，電耗節(jié)省115 kW，按照年滿負(fù)荷運行8000 h 計，單臺機組年節(jié)約能耗費用55.6萬元，6 臺機組共節(jié)約成本超過300 萬元。

3 結(jié)語

智慧環(huán)保島系統(tǒng)的成功實施，不僅給公司帶來巨大的經(jīng)濟利益，更能帶動火電/熱電的大氣環(huán)保行業(yè)的調(diào)整與升級，是節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域的發(fā)展方向，是電力行業(yè)“兩化融合”的重要組成部分，其意義在于提高裝備設(shè)計、技術(shù)開發(fā)、系統(tǒng)優(yōu)化、運行管理、環(huán)保性能等水平，推動人工智能產(chǎn)業(yè)化，實現(xiàn)信息化帶動工業(yè)化，工業(yè)化促進(jìn)信息化，具有重大的環(huán)境和社會效益。