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文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2023）12-080-03中圖分類號：TP277

★譚志杰（廣東華電坪石發電有限公司，廣東韶關512229）

關鍵詞：CEMS系統；物聯網；智能化；環保

1　引言

CEMS系統可在線實時監測顆粒物、二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NO_X）、氧氣（O₂）、煙氣溫度、煙氣壓力、煙氣流速等數據。它既是環保部門掌握污染源排放狀況和污染物排放量的重要手段，也是征收環境保護稅的主要依據，在燃煤發電機組污染物排放和監管過程中發揮著不可或缺的作用。因此，燃煤發電廠超低排放標準的實施對CEMS的準確性、穩定性提出了新的要求。

現有的CEMS裝置大部分采用直接抽取法或稀釋抽取法，但在實際運行過程中，因受采樣點位溫度、濕氣、灰分、渦流和震動等因素的影響，同時采樣和分析系統環節較多，維護工作復雜，往往任意一個環節出現問題都可能導致設備損壞，或者無法提供準確測量數據指導運行人員調整脫硫、脫硝等環保設備的運行方式。目前現有CEMS系統設備主要依靠人工經驗進行維護，若出現故障，只能依據報警情況進行事后緊急維修，無法做到事前預防或者計劃檢修。隨著物聯網和傳感器技術的發展，一種通過物聯網技術實時獲取CEMS系統各設備的數據并將其發送給用戶來進行分析或處理的診斷平臺應運而生。

2　CEMS系統最主要的問題

廣東華電坪石發電有限公司#4、#5機組煙囪入口煙氣在線監測系統為北京中電興業技術開發有限公司生產的CEI-3000-YQ型煙氣排放連續監測系統。該系統采用直接抽取式的方法，將被測氣體從煙道中抽出后，通過取樣單元、樣氣傳輸單元和預處理單元送至ABBAO2020系列紅外線氣體分析儀進行SO₂、NO_X、O₂的分析測量。煙塵測量采用抽取法，全程高溫加熱，利用光散射原理測量粉塵濃度，從而檢測出固態顆粒污染物的濃度。

CEMS系統在實際運行過程中，容易出現采樣探頭腐蝕與堵塞、采樣管線伴溫度控制、蠕動泵和采樣泵故障無告警、PLC及數采儀死機，以及吹掃用壓縮空氣質量監控不到位造成的分析儀氣室腐蝕和污染，最終導致測量精度差、無效數據多等問題。CEMS系統獨立運行，未與DCS系統建立實時通訊，值班員無法及時準確地獲取CEMS系統各設備的運行狀態及環保參數測量值的實時平均值，存在小時均值超標的環保風險。

3　解決方案

在CEMS小間增加一套基于物聯網技術開發的智能診斷預警平臺軟件，再部署一臺數據分析服務器和通訊管理服務器，負責采集CEMS系統現場設備、數采儀、PLC工控機、分析儀測控等相關數據，并進行存儲處理、分析和診斷、告警信息發送等工作。現場設備增加傳感器進行監測，無法增加傳感器的設備更換為具有通訊功能的同型號設備，以保證現場設備的運行參數實時傳輸給數據分析服務器。

3.1　數據分析服務器

數據分析服務器安裝一套基于WEB端組織SOA架構搭建模型的智能診斷預警平臺軟件，其具備信息管理、分布式的數據庫管理、事件告警、圖形系統、采集服務、報表服務等功能；配套安裝通訊管理機、網絡交換機、模擬量采集終端、短信告警模塊、開關電源、轉換電源及光纖收發器等設備，實現各類應用服務，如數據分析、智能預警、狀態檢修、故障預警、實時平均值計算等。

3.2　現場設備傳感器的安裝

在原采樣探頭溫度控制單元中增加一組具有RS485通訊功能和PID控制輸出功能的溫控器，與通訊管理機連接，實現采樣探頭溫度的監視與控制。更換原有伴熱帶溫控器，采用具有RS485通訊功能和PID控制輸出功能的溫控器，實現伴熱管溫度信號的實時采集，并對伴熱帶加熱電流進行監測，實時監測伴熱帶的工作情況。更換原有氮氧化物轉換器的溫控器，采用具有RS485通訊功能和PID控制輸出功能的溫控器，實現氮氧化物轉換器溫度信號的實時采集，并接入通訊管理機。更換原有蠕動泵，采用具有RS485通訊功能的蠕動泵，獲取蠕動泵的轉速并送至通訊管理機。

由于粉塵儀PLC不具備遠傳通訊接口，觸摸屏面板與內部PLC連接為一路485通訊接口，通過加裝緩存型485通訊隔離器可實現觸摸屏與通訊管理機同時獲取粉塵儀PLC數據。新增2套溫度傳感器和溫控器，監視粉塵儀采樣探桿的工作狀態，包括加熱器溫度信號、煙氣溫度信號、箱體溫度信號、取樣流速、射流泵風機電流、泵速等工作狀態信息數據。

通過數采儀內的通訊端口，實現對數采儀數據的實時采集。因現場配置有主、備兩臺數采儀，故需要將主備機分別接入一條通訊通道，通訊信號分別接入現場通訊管理機，實現對數采儀內數據進行實時監控，并可通過算法預判排放數據有小時均值超標風險，實現提前進行告警。同時，通過數采儀數據的變化狀態反推CEMS系統是否處于故障或非正常工作狀態，可提前進行報警通知運維人員，以免他們將無效數據上傳至環保監管平臺。

3.3　智能診斷預警平臺軟件的開發

智能診斷預警平臺軟件采用分布、分層的體系結構，具有靈活的可擴展性。整個軟件架構分層主要包括數據接入層、數據及軟件支撐層和應用軟件集成層。數據接入層主要實現數據接入的處理、存儲、通訊管理功能；數據及軟件支撐層為各類應用系統的開發和運行提供統一的支撐平臺，其主要實現對數據的分析、診斷、管理功能；應用軟件集成層主要實現設備狀態檢修、故障告警、故障診斷等各種應用功能，并支持通過WEB方式訪問和手機短信模塊短信告警功能。

3.4　主要功能的實現

智能診斷預警平臺通過采集CEMS系統及新增傳感器的電流、溫度、轉速、流量等數據，進行集中存儲分析、診斷，實現故障預警及狀態維護指導，并提出合理檢修維護建議。按照《污染物在線自動監控（監測）系統數據傳輸標準》HJ212-2017煙氣數據處理計算方法、公式和要求計算出SO₂、NO_X、煙塵等主要污染物的實時小時均值數并與DCS系統進行實時通訊，并在每小時第45分鐘時發出短信告警，提醒運行人員加強環保設備的運行調整，避免發生環保事件。

智能診斷預警平臺通過采集不同負荷工況下的取樣探頭溫度、伴熱管溫度和加熱電流、氮氧化物轉換器溫度、蠕動泵轉速、粉塵儀采樣探桿溫度、射流風機電流、數采儀數據流量等參數變化進行分析，判斷出各設備的健康水平。當設備健康水平發生惡化趨勢時，該平臺能及時向維護人員發出短信告警，提示維護人員對設備進行維護，避免進行緊急維修，做到事前預防檢修。

4　效果評價及改進方向

4.1　效果評價

基于物聯網技術的診斷預警平臺在CEMS系統投運以來，CEMS系統的穩定性和高效性有了很大的提高。該平臺可以采集和監測CEMS系統設備的多維度信息，如設備溫度、氣體壓力、取樣流量、風機電流波形等，真正實現了CEMS系統運行狀態的實時監測、CEMS處理過程的可視化、故障提前預警、趨勢變化預警等內容，并可及時推送預警信息，降低了設備故障率、減少了緊急搶修和非停，實現了由原來的非計劃檢修到現在的預期計劃維護，極大地提高了CEMS系統的可靠性，保證了環保數據的有效性，大幅度提高了設備管理的效率，降低了設備的運行及管理成本，實現了無紙化和集中管理。

4.2　改進方向

目前智能診斷預警平臺僅具備在不同負荷工況下對SO₂、NO_X、煙塵等主要污染物的實時小時均值數的計算預警功能，無法對每種變化造成主要污染物指標的變化情況進行診斷預警。本研究后續將對不同負荷工況下鍋爐燃燒不同熱值、灰份、硫份、揮發份的煤種對SO₂、NO_X、煙塵等主要污染物的影響進行建模研究，確保智能診斷預警平臺能夠適應全火電廠工況的預警診斷。

5　結束語

基于物聯網技術的診斷預警平臺在CEMS系統的成功應用，實現了對火電廠CEMS系統各設備參數的實時監測、大數據分析、智能預警、故障診斷等功能，各級管理人員、運行和維護人員可以實時掌握CEMS系統的運行狀況，為脫硫、脫硝等環保設備的運行調整和檢修決策提供了技術支撐。企業可根據診斷預警平臺歷史數據生成科學合理生產工藝模式實現環保設施的精細控制，保證了環保指標達標排放，降低了企業運營成本，具有良好的經濟效益。同時，診斷預警平臺技術可推廣至其他行業的污染排放監控系統，為其他行業污染源排放監測系統設備診斷預警技術開啟了一個窗口，具有良好的社會效益。

作者簡介：

譚志杰（1987-），男，湖南宜章人，工程師，現就職于廣東華電坪石發電有限公司，主要研究方向為火電廠熱工設備和技術管理。

參考文獻：

[1] HJ212-2017, 污染物在線自動監控(監測)系統數據傳輸標準[S].

[2] 丁旭峰. 基于大數據及智能分析的設備診斷系統設計[J]. 中國鋼鐵業, 2016.

[3] 張晶, 呂少勝. 基于物聯網云平臺的電廠廢氣在線監測系統研究[J]. 科技風, 2019, (16) : 85,

摘自《自動化博覽》2023年12月刊