文_蒙原 福建龍凈環(huán)保股份有限公司

1 除塵設(shè)備安全現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

燃煤電廠的除塵設(shè)備主要包括電除塵器、袋除塵器和電袋除塵器。目前，除塵器的結(jié)構(gòu)安全關(guān)鍵部件主要包括鋼支架、灰斗、殼體柱腳、殼體體系。隨著設(shè)備運行年限增加，部分關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生銹蝕、設(shè)計工況發(fā)生變化，存在一定安全隱患。除塵運維安全關(guān)鍵系統(tǒng)主要包括上位機控制系統(tǒng)（IPC）、輸灰控制系統(tǒng)（PLC）、廠級分散控制系統(tǒng)（DCS），各系統(tǒng)存在一定數(shù)據(jù)孤島，統(tǒng)一運維難度較大。

為確保除塵設(shè)備安全，除塵器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計從安全可靠、經(jīng)濟合理角度出發(fā)，選用合理的結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件形式和布置方式。而從日常運營角度出發(fā)，則仍采用傳統(tǒng)的日常巡檢，包括檢查地面裂縫、沉降、鋼結(jié)構(gòu)是否變形、銹蝕嚴重程度、灰斗漏灰等事項。通過運營人員經(jīng)驗，手動設(shè)定設(shè)備運行參數(shù)，監(jiān)盤時間長，自動化程度低，耗時費力，對設(shè)備安全運營難以有效監(jiān)測。近年來，隨著人工智能應(yīng)用的成熟，圖像識別、故障檢測、智能控制等技術(shù)分別在工業(yè)領(lǐng)域中得到越來越多的應(yīng)用，除塵設(shè)備安全管理過程中應(yīng)用這些先進技術(shù)，也是環(huán)保行業(yè)內(nèi)的一種趨勢。

2 智慧安全管控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本文所開發(fā)的除塵設(shè)備智慧安全管控系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

其中，除塵設(shè)備的運行數(shù)據(jù)來源于IPC對應(yīng)的下位機硬件模塊集成的DAU前端機?；叶吩O(shè)備相應(yīng)的運行數(shù)據(jù)來源于PLC控制器，機組運行工況數(shù)據(jù)來源于DCS。同時現(xiàn)場增設(shè)一臺高清攝像頭，用于識別除塵整體結(jié)構(gòu)的異常。它們分別構(gòu)成管控系統(tǒng)的感知層。

從感知層不同數(shù)據(jù)源采集到的數(shù)據(jù)和圖像，在服務(wù)器中存儲和計算。通過平臺層進行配置，集成數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、身份認證模塊、消息中間件模塊、智能算法模塊。服務(wù)器和通用組件構(gòu)成整套基礎(chǔ)設(shè)施和平臺層。最后基于平臺層數(shù)據(jù)和工具，開發(fā)基于除塵安全和智慧運營場景的管控系統(tǒng)。

管控系統(tǒng)部署后，在展現(xiàn)層不僅可以通過大屏實時監(jiān)測、識別除塵安全隱患，也可通過個人電腦和移動端，收到實時消息提醒并且可查看設(shè)備運行相關(guān)信息。

2.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

除塵設(shè)備智慧安全管控系統(tǒng)包括：后臺信息管理、智慧監(jiān)盤、智慧運行、智慧檢修四個子模塊。其中，后臺信息管理模塊包括系統(tǒng)權(quán)限管理、設(shè)備管理、人員管理；智慧監(jiān)盤模塊包括運行三維監(jiān)控、視頻監(jiān)控、關(guān)鍵指標監(jiān)控三個功能；智慧運行模塊包括智能除塵與智能輸灰兩個功能；智能檢修模塊包含關(guān)鍵設(shè)備預(yù)警、安全狀態(tài)評估、檢修意見指導(dǎo)、在線故障知識庫四個功能。

各個模塊具體功能如下：

系統(tǒng)權(quán)限管理：管控系統(tǒng)的功能權(quán)限管理，通過設(shè)置安全認證，管理系統(tǒng)用戶權(quán)限。

設(shè)備管理：包含所屬電廠客戶的除塵、輸灰設(shè)備型號、參數(shù)詳細信息。

人員管理：包含所屬電廠客戶的運行人員、管理人員信息，值班次信息等。

運行三維監(jiān)控：通過除塵、輸灰3D可視化并實現(xiàn)設(shè)備的分解和定位，對設(shè)備運行狀態(tài)進行三維呈現(xiàn)，形成更加直觀的設(shè)備感知。

視頻監(jiān)控：在現(xiàn)場除塵設(shè)備合適位置處布置高清攝像頭，對除塵器、底部輸灰整體結(jié)構(gòu)的地面、鋼支架、灰斗區(qū)域、殼體柱腳區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高清視頻接入。

關(guān)鍵指標監(jiān)控：提供實時鍋爐負荷、出口粉塵、溫度、高低壓、輸灰壓力等數(shù)據(jù)顯示，輔助運行監(jiān)盤人員全面掌握設(shè)備運行狀況，并可查詢歷史曲線。

智能除塵：在除塵效率達標前提下，針對除塵設(shè)備，尋找鍋爐負荷、氨逃逸、煤質(zhì)參數(shù)、煙氣量、煙溫、輸灰壓力等因素對除塵效率的影響并進行深度學(xué)習(xí)，關(guān)聯(lián)電除塵入口濃度，脫硫入口粉塵濃度，各電場計算能耗對出口粉塵的影響因子，建立能耗優(yōu)化模型，輸出優(yōu)化控制策略。主要控制除塵高低壓、保溫、加熱等參數(shù)。

智能輸灰：按照輸灰壓力、流量、機組工況、倉泵料位等因素對輸灰系統(tǒng)的影響進行深度學(xué)習(xí)，建立輸灰智能控制模型，輸出優(yōu)化控制策略。主要控制輸灰時長和壓力參數(shù)。

關(guān)鍵設(shè)備預(yù)警：除塵、輸灰涉及的關(guān)鍵設(shè)備較多包含倉泵、輸灰管道、壓縮空氣閥門、灰斗下料閥門及系統(tǒng)排氣閥門、灰斗氣化風(fēng)機、氣化風(fēng)電加熱、高壓整流變壓器、電磁振打器、保溫箱電加熱器、灰斗電加熱器等。利用這些設(shè)備運行的主要測點參數(shù)特征完成常態(tài)數(shù)據(jù)指標閥值的判定，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的預(yù)警預(yù)測。

安全狀態(tài)評估：采用綜合評分法針對除塵設(shè)備結(jié)構(gòu)安全、設(shè)備運行狀態(tài)進行綜合評估。

檢修意見指導(dǎo)：根據(jù)狀態(tài)監(jiān)視和診斷結(jié)果，進行設(shè)備異常分析，系統(tǒng)得出設(shè)備狀態(tài)報告和初步的檢修建議，結(jié)合知識庫進行輔助診斷提供的設(shè)備檢修優(yōu)化策略。

故障知識庫：將處理過的故障檢修信息不斷進行知識積累和修正，形成設(shè)備運行維護和檢修的指導(dǎo)意見知識庫。

2.3 系統(tǒng)硬件選型

主要硬件選型如表1所示。

表1 硬件選型表

3 示范工程案例

本文所開發(fā)的除塵設(shè)備智慧安全管控系統(tǒng)成功應(yīng)用于某示范電廠4號爐600MW機組電除塵輸灰系統(tǒng)。除了除塵器本體外，該電除塵系統(tǒng)還包含20臺高頻設(shè)備、灰斗及倉泵，6臺低壓設(shè)備等。

3.1 安裝及布線

按照圖2拓撲圖，在現(xiàn)場安裝攝像頭、數(shù)采器、服務(wù)器等設(shè)備。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

3.2 數(shù)據(jù)采集

通過實時獲取上下游工況、除塵設(shè)備、輸灰設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，以設(shè)備運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，有效提取關(guān)聯(lián)工況數(shù)據(jù)、除塵輸灰實時數(shù)據(jù)和配置參數(shù)，為管控系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。除塵、輸灰實時數(shù)據(jù)包括除塵的高壓電場、振打、加熱，輸灰的母管壓力、輸送壓力、出口閥開關(guān)狀態(tài)等。

3.3 接入控制

為了實現(xiàn)智能除塵、輸灰的實時控制，在除塵輸灰電子間控制柜中增加DCS通訊卡件，配置輸入、輸出模擬量和開關(guān)量，并新增DCS接入控制邏輯。邏輯說明如下：

心跳檢測：DI點輸入DCS檢測信號。系統(tǒng)在每個采樣周期將發(fā)送心跳波，未正常運行時，輸出0，系統(tǒng)斷開；模型及工況異常檢測：DI點輸入DCS檢測信號。系統(tǒng)實時檢測模型輸出狀態(tài)及工況情況，發(fā)生異常將輸出0，系統(tǒng)斷開；凈煙氣、原煙氣CEMS故障檢測，檢測到故障將輸出0，系統(tǒng)斷開；人工投入開關(guān)按鈕信號輸出，在DCS界面中由運行人員操作。以上條件均滿足時，接入控制，由管控系統(tǒng)輸出優(yōu)化控制策略實現(xiàn)智能控制。

3.4 模型構(gòu)建

安全管控系統(tǒng)中涉及到關(guān)鍵設(shè)備預(yù)測模型、智能優(yōu)化控制模型、安全狀態(tài)綜合評估模型等的構(gòu)建，構(gòu)建流程如圖3所示。

圖3 模型構(gòu)建流程圖

除塵設(shè)備在燃煤電廠中屬于輔機設(shè)備，往往人力投入有限，加上部分人員經(jīng)驗不足，因此運行人員為保證粉塵排放不超標及減少工作量，在燃煤機組高低負荷工況下設(shè)備運行均保持較高的出力，導(dǎo)致設(shè)備耗電率較高。通過接入除塵設(shè)備運行數(shù)據(jù)和上下游工況數(shù)據(jù)，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)粉塵預(yù)測模型、群體智能優(yōu)化算法，尋找當前工況下最優(yōu)除塵設(shè)備參數(shù)設(shè)定值。

通過智能輸灰壓力監(jiān)測和工況數(shù)據(jù)，根據(jù)粉煤灰氣力輸送系統(tǒng)運行特點，監(jiān)測輸送系統(tǒng)邊界條件的變化，自動及時地調(diào)整輸送過程的運行參數(shù)，完善壓力測點分布和流量控制調(diào)節(jié)，在滿足系統(tǒng)出力的前提下控制每根每個輸送單元的輸送壓力和輸送時長。

通過對圖像的預(yù)處理、邊緣檢測，應(yīng)用Yolo V7目標檢測算法構(gòu)建智能識別模型，對地面沉降、鋼支架焊縫和銹蝕程度、灰斗漏灰、柱腳裂縫等場景特征進行提取，實現(xiàn)異常檢測和識別。通過紅外視覺檢測技術(shù)監(jiān)測倉泵、灰斗等溫度變化情況，對異常狀態(tài)進行報警。通過智能巡檢，豐富現(xiàn)有人工巡檢手段，對安全隱患添加了更多的預(yù)防措施，保障安全生產(chǎn)。

3.5 系統(tǒng)部署

系統(tǒng)開發(fā)完成后，部署在智能服務(wù)器，通過操作電腦可以看到前端系統(tǒng)界面。

4 示范案例成效分析

本文所開發(fā)的除塵智慧安全管控系統(tǒng)在示范電廠4號爐600MW機組除塵輸灰系統(tǒng)上得到成功應(yīng)用，通過系統(tǒng)投運前后的統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出如下成效：

①系統(tǒng)實時對輸入煙氣負荷、灰斗高料位等工況進行評估，同時考慮電場電源火花率等運行狀態(tài)，綜合分析輸出電場控制參數(shù)，安全穩(wěn)定控制電除塵設(shè)備實現(xiàn)既定排放目標、電除塵器及輸灰系統(tǒng)正常運行，又順利通過了無人值守168h測試，極大降低運行人員投入監(jiān)盤時間。實現(xiàn)了電除塵設(shè)備關(guān)鍵指標、排放指標等參數(shù)的在線監(jiān)測；統(tǒng)計物耗能耗相關(guān)數(shù)據(jù)，輸灰系統(tǒng)在線監(jiān)測等，有效提高集控運行工作效率、降低運行人員工作量。

②系統(tǒng)投運后，設(shè)備故障秒級識別；有效記錄總數(shù)21000條，識別準確率高于99%；投運后設(shè)備的可用率相比未使用本系統(tǒng)之前提升較大。

③系統(tǒng)知識庫中涵蓋了大部分報警類知識，知識庫覆蓋率達90%以上。

④系統(tǒng)基于不同工況特性的精準調(diào)控，使得排放口粉塵波動范圍明顯減小，排放穩(wěn)定性提高25%。

⑤系統(tǒng)基于不同工況特性的精準調(diào)控，實現(xiàn)除塵、輸灰的智能控制。根據(jù)電廠實際電表的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，投運前每小時耗電量平均約為1425.4kWh，而投運后每小時耗電量平均約為817.9kWh，按年投運5000h來計算，一年節(jié)省電量約為303.75萬kWh，按目前上網(wǎng)電價0.38元/kWh計算，除塵設(shè)備運行一年可節(jié)省電費約115.4萬元。

⑥通過系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備節(jié)能的同時，還可以極大降低二氧化碳的排放量，每年通過節(jié)能降耗實現(xiàn)碳減排合計2408.7t。

⑦通過輸灰智能控制，智能輸送通過管道壓力值、流量值自動調(diào)整調(diào)節(jié)閥開度，有效控制輸送時長和壓力，從而降低耗氣量25%以上，延長了管道的使用周期，有效減少管道的磨損。

5 結(jié)語

通過除塵智慧安全管控系統(tǒng)，解決了除塵設(shè)備的輸灰運行故障、灰斗空倉氣源浪費、除塵運行能耗浪費、關(guān)鍵設(shè)備故障檢修指導(dǎo)、本體結(jié)構(gòu)異常等問題，并在節(jié)能降碳減排方面起到了較好的社會經(jīng)濟效益。在目前安全問題日趨嚴峻的除塵相關(guān)設(shè)備管理中，具有較廣闊的應(yīng)用前景。