上安电厂脱硫CEMS系统改造实践

上安电厂脱硫CEMS系统改造实践

姚俊腾，张璐，辛楠，李紫龙，康佩言，王佳亮，林向雨

华能国际电力股份有限公司上安电厂 河北 石家庄、050000

摘要：本文以上安电厂污染源在线监控CEMS系统改造为实例，阐述了在雾霾天气频发，日益严格的环保标准形势下，火电厂对CEMS系统进行升级改造。通过对CEMS系统进行数据处理标记系统升级和动态管控改造，提高了CEMS系统的监测数据的有效性，避免了违规排放环保风险。

关键词：CEMS；标记位；动态管控；环保

1.引言

随着国家、地方政府对环保的不断重视，对污染物排放自动监测系统（以下简称CEMS系统）工艺设计达标性、数据处理有效性、动态全景监控要求也在不断提高。通过CEMS系统数据标记及动态监控一体化系统整体改进，可完善深度减排下CEMS系统数据与工艺系统对应的合理性，保证数据有效，合法排污，实现环保部门智能监控和管理，满足环保规范，规避环保风险[1-2]。

2.CEMS系统面临的问题

2020年12月，生态环境部下发《火电、水泥和造纸行业污染物排放自动监测数据标记和电子督办试点总体工作方案》（环办执法函[2020]687号）、《火电、水泥和造纸行业排污单位自动监测数据标记规则》，要求河北、江苏、浙江、山东、广西、四川等作为试点省份，进行现场系统升级。河北省生态环境厅下发《河北省火电、水泥和造纸行业污染物自动监测数据标记和电子督办试点工作方案》，石家庄市生态环境局下发《关于报送典型行业自动监测数据标记试点单位筛选条件的通知》并选择上安电厂作为试点单位，要求机组CEMS系统按要求升级完善数据标记。

2020年10月20日，河北省生态环境厅下发的《关于健全污染源自动监控体系有关工作的通知》，要求加强污染源在线监控设施日常运行管理及异常数据处理全面管理，充分发挥自动监控设施的作用，提高在线监测数据利用率，增加异常分辨，杜绝人为干扰，根据企业污染源自动监控设施实际管理情况，建设智能化污染源自动监控站房，明确提出门禁、视频、参数联网完成期限，要求新增和已联网重点排污单位分别于2020年12月31日前和2021年3月底前完成门禁、视频、参数监控联网，并确保正常运转率、联网率等保持在90%以上。

面对政府主管部门日益精细化、智能化的监管要求，当前工况下的CEMS系统已不满足日益严格的环保要求。

3.CEMS系统升级改造方案

3.1.CEMS数据处理标记升级

3.1.1.升级内容

CEMS数据处理标记升级主要是对现用数据表计设备进行升级，完善相关标记，内容包括机组参数、生产工况和污染治理设施工况标记、自动监测异常标记和数据补全标记。机组参数包括锅炉工况、锅炉蒸发量，以上数据参数须从机组DCS系统采集，上传至环保平台侧。[3-4]

3.1.1.1.火电厂锅炉生产工况、污染治理设施工况标记

火电厂锅炉生产工况、污染治理设施工况标记包括正常运行、解列、停炉（机）、停运、启动、并网/供能、故障/事故，以上7个状态需DCS组态判断后送出，具体要求如下：

（1）解列（Sd）：1.应指令要求，通过逐步减少燃料量投入的方式开始降低锅炉/燃气轮机负荷或功率，从“锅炉/燃气轮机负荷或功率降至50%及以下”至“机组与电网解列或停止有效供能”前的时段，可以标记为“解列”；2.标记为“解列”的，每次时长不应超过2小时。

（2）停炉或停机（Fa）：1.“机组与电网解列或停止有效供能”至“锅炉/燃气轮机停运”前的时段，可以标记为“停炉（机）”；2.该时段废气排放口自动监测数据的烟气流速、流量、温度等参数逐渐降低，氧含量逐渐升高。

（3）停运（Fb）：1.“机组与电网解列或停止有效供能”后，“锅炉/燃气轮机停运”至再次“启动”前的时段，可以标记为“停运”；2.当废气排放口自动监测数据显示：氧含量≤19%、或烟气流速≥2米/秒、或烟气流量超过额定工况20%、或烟气温度＞40℃时，不得标记“停运”。

（4）启动（Sta）：1.锅炉/燃气轮机由冷态或热态启动至“机组并网发电或有效供能”前的时段，可以标记为“启动”。包含锅炉/燃气轮机正常点火启动、检修或改造后调试试验点火启动等情况；2.一般情况下，标记为“启动”的，每次时长不应超过24小时。因其他客观因素导致确需延长的除外。

（5）并网/供能（Stb）：1.“机组并网发电或有效供能”至“锅炉/燃气轮机及污染治理设施达到正常运行状态”前的时段，可以标记为“并网/供能”。有效供能指火电厂锅炉/燃气轮机对火电厂/车间外有效供电、供热、供汽、制冷或提供其他形式能源，以最早达成的为准。2.标记为“并网/供能”的，每次时长不应超过4小时。因其他客观因素导致确需延长的，每次时长不应超过8个小时，且需保留1年及以上自动监测数据、设施性能参数、自动发电控制（AGC）系统记录等证明材料备查。

（6）故障/事故（Sr）：1.生产设施或污染治理设施发生故障或事故的时段，包括对设备或设施维修处理阶段以及恢复正常运行前的并网/供能阶段，可以标记为“故障/事故”。2.标记为“故障/事故”的，每次因故障或事故持续排放污染物时间不应超过4小时，全年累计不应超过120小时。需描述故障或事故起因。3.锅炉/燃气轮机在并网/供能或解列过程中，发生故障或事故的，应优先标记“并网/供能”或“解列”。

未作上述标记的时段，锅炉/燃气轮机视为“正常运行”。

3.1.1.2.自动检测异常标记

自动监测异常标记内容包括“自动监测设备维护”标记内容、“通讯中断（待补传）”标记内容和“不可抗力”标记内容等3种，共15个状态信号，以上参数需在CEMS站房内采集。此类参数需对CEMS系统PLC程序升级，升级后PLC程序实现上述15个状态信号采集、传输。具体参数如下3.1.1.2.1自动监测设备维护标记内容

（1）校准：标记状态为C，指的是自动监测设备处于校验、校准状态，可以标记为“校准”。

（2）质控样比对：标记状态为K，指的是自动监测设备处于质控样比对过程(包括远程标样核查、质控检查等)，可以标记为“质控样比对”。

（3）超量程:：标记状态为T，指的是自动监测设备测量结果数值超过测量上限，可以标记为“超量程”。

（4）维护：标记状态为M，指的是自动监测设备处于维护期间，可以标记为“维护”。

（5）故障：标记状态为D，指的是自动监测设备各类故障、检修、更换，可以标记为“故障”。适用于浓度、温度、湿度、压力、流量、运行状态等各类自动监测设备；烟气采样环节的漏气、堵塞、掺杂等情况。

（6）断电：标记状态为P，指的是自动监测设备断电，可以标记为“断电”。

（7）数采仪接收异常：标记状态为Vgd，指的是数据采集传输仪采集数据时与其他现场机通讯异常，可以标记为“数采仪接收异常”。

（8）温度传感器故障：标记状态为Td，指的是温度传感器故障（如水泥窑窑尾烟室热电偶结焦、损坏等情况）导致测量温度不能反映实际温度的时段，可标记为“温度传感器故障”。

自动监测异常标记内容存在多种情形时，优先选择异常时间占比最长的标记内容；不同的异常时间占比相同时，可按照优先级从高到低为：Vgd、P、D、M、C、T、K。如实标记“自动监测设备维护”后，按照相关标准规范中定义的有效数据计算条件，分别计算日均值、小时均值。

3.1.1.2.2通讯中断（待补传）标记内容

（1）内部通讯中断：标记状态为Vta，指的是排污单位内部网络、传输设备原因导致通讯中断。

（2）通信运营商通讯中断：标记状态为Vtb，指的是电信运营商数据网络原因导致通讯中断。

（3）生态环境部门通讯中断：标记状态为Vtc，指的是生态环境部门网络、软硬件原因导致报送数据失败。

3.1.1.2.3不可抗力标记内容

（1）自然灾害：标记状态为Vma，指的是由于自然灾害，如台风、地震、洪水、冰雹等原因导致无法正常开展生产活动。

（2）政府行为：标记状态为Vmb，指的是由政府干预的行为导致无法正常开展生产活动。

（3）社会异常事件：标记状态为Vmc，指的是因战争、动乱、疫情等原因导致无法正常开展生产活动。

未在相应时段作出自动监测异常标记的，自动监测数据视为有效数据。

3.1.2.实施方案

为满足环保需求，实现标记数据的上传，需要对数据标记设备进行维修、升级，主要包括DCS系统升级、CEMS系统升级和数采仪升级三部分。整体方案如图1所示。

图1 CEMS数据处理标记升级整体方案

3.1.2.1.DCS系统升级

DCS系统将机组运行工况发送到工况数据智能分析器。工况数据智能分析器将处理转换后的工况参数、工况标记数据通过光转换处理后对数采仪端附近的接收端进行数据发送。数采仪端附近的接收终端接收到数据后，通过统一的RS485或modbus接口协议将工况关键参数传输至数采仪。

特别要注意的是，根据企业网络安全防护要求，需要在工况数据智能分析器和DCS之间设置，隔离网闸、防火墙等设备，对DCS进行安全防护。

具体系统构架如图2所示。

图2 工况数据智能分析器系统构架

3.1.2.2.CEMS系统升级

对CEMS系统PLC和粉尘仪PLC模块升级，实现就地数据直连数采仪，数采仪接收终端接收到数据后，通过统一的RS485或modbus接口协议将工况关键参数传输至数采仪。

3.1.2.3.数采仪升级

关键工况参数传输到数采仪，需要由数采仪加工处理后传输到上端平台。需要通过对数采仪进行升级，包括增加视频采集、图像抓拍、标记位生成及协议扩展等，实现工况参数及自动监测数据的采集、存储、标记及上传。

3.2.动态管控升级

动态管控数据采集控制终端（简称“动态管控仪”），具备动态管控及门禁、视频集成功能，可在现场监测设备满足输出要求后，一站式实现所有参数、状态及反控要求，通过多协议多发方式与多级环保部门实现联网。主要包含以下几个方面：

3.2.1.站房门禁系统

监测站房门禁系统，实现与省市生态环境部门联网。站房门禁系统包括人脸门禁一体机、遮阳罩、门禁开关电源、单门磁力锁、磁力锁配件、开门按钮。门禁需与站房内摄像头联动，自动进行抓拍和视频录制，并将相关信息自动上传环保局。

3.2.2.视频监控系统

监测站房和排放口视频监控系统与省市生态环境部门联网。整个视频监控系统是由监控平台、专用网络、硬盘录像机、硬盘、摄像头以及现场的路由器、网桥等辅材组成。可以通过监控平台实现对现场摄像头的反控，如远程调节焦距、聚焦、调整光圈等功能，并且保证全天不间断录像，视频数据存储在现场的硬盘录像机中，至少能保留6个月，硬盘录像机通过有线环保专网与生态环境部门监控平台联网，保证联网率，确保生态环境部门随时通过网络调阅视频信息。

多台机组废气视频监控系统构架如图3。

图3 多台机组废气视频监控系统

3.2.3.数据采集传输装置

数据采集传输装置可显示实时监测数据、监测数据报表（实时报表、分钟报表、小时报表、日报表、月报表）、数据曲线图、监测设备状态、参数等监测信息。与此同时数据采集传输装置具备动态管控功能，在监测设备具备条件情况下，可采集并上传监测设备运行状态、工作参数和监测数据，并可接收上位机指令反向控制监测设备；具有反控功能，能够适应不同监控中心下发的指令， 对所连接的自动监测设备实现远程控制。通过数据采集传输装置的纽带作用，切实将电厂CEMS系统同地方环保监管部门做到信息互通，达到了实时远方监控。

4.CEMS系统改造成果

通过DCS控制系统对主机侧、脱硫侧等相关外围设备状态标记规则逻辑制定，在线实时判定，实时生成机组“解列”、“停运”、“启动”、“并网”、“故障”状态信号，实时传输至CEMS系统，保证CEMS系统数据有效性达到99.99%以上。通过C++开发技术，对数据处理标记系统进行开发，完善数据标记策略，实现数据标记满足相关标准。通过对数据传输系统技术升级，实现数据实时环保专网及GPRS无线双网传输。

通过动态监控开发技术，对CEMS平台、站房内全景监控，并实现门禁、视频、参数联网，达到地方环保主管部门实时远方监控标准。

5.结语

国内试点省市各单位执行CEMS数据标记处理及动态监控一体化系统工作目前处于起步阶段，目前尚无相关研究。笔者简述了上安电厂对CEMS数据标记处理及动态监控一体化系统技术相关研究及实施改造方案。给出了标记系统的详细内容、整体设计思路及注意事项，动态管控系统的搭建思路。实现地方环保部门远程智能监控，消除目前系统弊端，保证数据及标记有效，合规排放，消除环保隐患。对其他电厂或其他CEMS用户十分有借鉴意义。

参考文献

[1]  张鹏，窦鹏冲等.火力发电厂烟气排放连续监测系统优化措施分析[J].山西电力,2021,6（231）：37-40

[2]  张育林,任鹏程等.火电厂脱硫CEMS 典型故障分析与处理[J].甘肃科技,2013,29（2）：43-44、104

[3]  毛奕升,赖加良.火电厂CEMS 数据可靠性管理的研究与应用[J]电力科技与环保，2020(2):34-35

[4]  陶冶,王齐鸣.完善CEMS 数据采集处理传输全过程的技术规范[J]中国环境管理,2013,5(5):34-41