除尘设备智慧安全管控系统的应用研究

文_蒙原 福建龙净环保股份有限公司

1 除尘设备安全现状及发展趋势

燃煤电厂的除尘设备主要包括电除尘器、袋除尘器和电袋除尘器。目前，除尘器的结构安全关键部件主要包括钢支架、灰斗、壳体柱脚、壳体体系。随着设备运行年限增加，部分关键设备发生锈蚀、设计工况发生变化，存在一定安全隐患。除尘运维安全关键系统主要包括上位机控制系统（IPC）、输灰控制系统（PLC）、厂级分散控制系统（DCS），各系统存在一定数据孤岛，统一运维难度较大。

为确保除尘设备安全，除尘器整体结构设计从安全可靠、经济合理角度出发，选用合理的结构体系、构件形式和布置方式。而从日常运营角度出发，则仍采用传统的日常巡检，包括检查地面裂缝、沉降、钢结构是否变形、锈蚀严重程度、灰斗漏灰等事项。通过运营人员经验，手动设定设备运行参数，监盘时间长，自动化程度低，耗时费力，对设备安全运营难以有效监测。近年来，随着人工智能应用的成熟，图像识别、故障检测、智能控制等技术分别在工业领域中得到越来越多的应用，除尘设备安全管理过程中应用这些先进技术，也是环保行业内的一种趋势。

2 智慧安全管控系统设计

2.1 系统架构设计

本文所开发的除尘设备智慧安全管控系统整体架构设计如图1所示。

图1 系统架构图

其中，除尘设备的运行数据来源于IPC对应的下位机硬件模块集成的DAU前端机。灰斗设备相应的运行数据来源于PLC控制器，机组运行工况数据来源于DCS。同时现场增设一台高清摄像头，用于识别除尘整体结构的异常。它们分别构成管控系统的感知层。

从感知层不同数据源采集到的数据和图像，在服务器中存储和计算。通过平台层进行配置，集成数据采集模块、数据存储模块、身份认证模块、消息中间件模块、智能算法模块。服务器和通用组件构成整套基础设施和平台层。最后基于平台层数据和工具，开发基于除尘安全和智慧运营场景的管控系统。

管控系统部署后，在展现层不仅可以通过大屏实时监测、识别除尘安全隐患，也可通过个人电脑和移动端，收到实时消息提醒并且可查看设备运行相关信息。

2.2 系统功能模块设计

除尘设备智慧安全管控系统包括：后台信息管理、智慧监盘、智慧运行、智慧检修四个子模块。其中，后台信息管理模块包括系统权限管理、设备管理、人员管理；智慧监盘模块包括运行三维监控、视频监控、关键指标监控三个功能；智慧运行模块包括智能除尘与智能输灰两个功能；智能检修模块包含关键设备预警、安全状态评估、检修意见指导、在线故障知识库四个功能。

各个模块具体功能如下：

系统权限管理：管控系统的功能权限管理，通过设置安全认证，管理系统用户权限。

设备管理：包含所属电厂客户的除尘、输灰设备型号、参数详细信息。

人员管理：包含所属电厂客户的运行人员、管理人员信息，值班次信息等。

运行三维监控：通过除尘、输灰3D可视化并实现设备的分解和定位，对设备运行状态进行三维呈现，形成更加直观的设备感知。

视频监控：在现场除尘设备合适位置处布置高清摄像头，对除尘器、底部输灰整体结构的地面、钢支架、灰斗区域、壳体柱脚区域实现高清视频接入。

关键指标监控：提供实时锅炉负荷、出口粉尘、温度、高低压、输灰压力等数据显示，辅助运行监盘人员全面掌握设备运行状况，并可查询历史曲线。

智能除尘：在除尘效率达标前提下，针对除尘设备，寻找锅炉负荷、氨逃逸、煤质参数、烟气量、烟温、输灰压力等因素对除尘效率的影响并进行深度学习，关联电除尘入口浓度，脱硫入口粉尘浓度，各电场计算能耗对出口粉尘的影响因子，建立能耗优化模型，输出优化控制策略。主要控制除尘高低压、保温、加热等参数。

智能输灰：按照输灰压力、流量、机组工况、仓泵料位等因素对输灰系统的影响进行深度学习，建立输灰智能控制模型，输出优化控制策略。主要控制输灰时长和压力参数。

关键设备预警：除尘、输灰涉及的关键设备较多包含仓泵、输灰管道、压缩空气阀门、灰斗下料阀门及系统排气阀门、灰斗气化风机、气化风电加热、高压整流变压器、电磁振打器、保温箱电加热器、灰斗电加热器等。利用这些设备运行的主要测点参数特征完成常态数据指标阀值的判定，实现设备状态的预警预测。

安全状态评估：采用综合评分法针对除尘设备结构安全、设备运行状态进行综合评估。

检修意见指导：根据状态监视和诊断结果，进行设备异常分析，系统得出设备状态报告和初步的检修建议，结合知识库进行辅助诊断提供的设备检修优化策略。

故障知识库：将处理过的故障检修信息不断进行知识积累和修正，形成设备运行维护和检修的指导意见知识库。

2.3 系统硬件选型

主要硬件选型如表1所示。

表1 硬件选型表

3 示范工程案例

本文所开发的除尘设备智慧安全管控系统成功应用于某示范电厂4号炉600MW机组电除尘输灰系统。除了除尘器本体外，该电除尘系统还包含20台高频设备、灰斗及仓泵，6台低压设备等。

3.1 安装及布线

按照图2拓扑图，在现场安装摄像头、数采器、服务器等设备。

图2 网络拓扑图

3.2 数据采集

通过实时获取上下游工况、除尘设备、输灰设备的运行数据，建立系统数据中心，以设备运行数据为基础，有效提取关联工况数据、除尘输灰实时数据和配置参数，为管控系统提供数据支撑。除尘、输灰实时数据包括除尘的高压电场、振打、加热，输灰的母管压力、输送压力、出口阀开关状态等。

3.3 接入控制

为了实现智能除尘、输灰的实时控制，在除尘输灰电子间控制柜中增加DCS通讯卡件，配置输入、输出模拟量和开关量，并新增DCS接入控制逻辑。逻辑说明如下：

心跳检测：DI点输入DCS检测信号。系统在每个采样周期将发送心跳波，未正常运行时，输出0，系统断开；模型及工况异常检测：DI点输入DCS检测信号。系统实时检测模型输出状态及工况情况，发生异常将输出0，系统断开；净烟气、原烟气CEMS故障检测，检测到故障将输出0，系统断开；人工投入开关按钮信号输出，在DCS界面中由运行人员操作。以上条件均满足时，接入控制，由管控系统输出优化控制策略实现智能控制。

3.4 模型构建

安全管控系统中涉及到关键设备预测模型、智能优化控制模型、安全状态综合评估模型等的构建，构建流程如图3所示。

图3 模型构建流程图

除尘设备在燃煤电厂中属于辅机设备，往往人力投入有限，加上部分人员经验不足，因此运行人员为保证粉尘排放不超标及减少工作量，在燃煤机组高低负荷工况下设备运行均保持较高的出力，导致设备耗电率较高。通过接入除尘设备运行数据和上下游工况数据，应用神经网络粉尘预测模型、群体智能优化算法，寻找当前工况下最优除尘设备参数设定值。

通过智能输灰压力监测和工况数据，根据粉煤灰气力输送系统运行特点，监测输送系统边界条件的变化，自动及时地调整输送过程的运行参数，完善压力测点分布和流量控制调节，在满足系统出力的前提下控制每根每个输送单元的输送压力和输送时长。

通过对图像的预处理、边缘检测，应用Yolo V7目标检测算法构建智能识别模型，对地面沉降、钢支架焊缝和锈蚀程度、灰斗漏灰、柱脚裂缝等场景特征进行提取，实现异常检测和识别。通过红外视觉检测技术监测仓泵、灰斗等温度变化情况，对异常状态进行报警。通过智能巡检，丰富现有人工巡检手段，对安全隐患添加了更多的预防措施，保障安全生产。

3.5 系统部署

系统开发完成后，部署在智能服务器，通过操作电脑可以看到前端系统界面。

4 示范案例成效分析

本文所开发的除尘智慧安全管控系统在示范电厂4号炉600MW机组除尘输灰系统上得到成功应用，通过系统投运前后的统计数据得出如下成效：

①系统实时对输入烟气负荷、灰斗高料位等工况进行评估，同时考虑电场电源火花率等运行状态，综合分析输出电场控制参数，安全稳定控制电除尘设备实现既定排放目标、电除尘器及输灰系统正常运行，又顺利通过了无人值守168h测试，极大降低运行人员投入监盘时间。实现了电除尘设备关键指标、排放指标等参数的在线监测；统计物耗能耗相关数据，输灰系统在线监测等，有效提高集控运行工作效率、降低运行人员工作量。

②系统投运后，设备故障秒级识别；有效记录总数21000条，识别准确率高于99%；投运后设备的可用率相比未使用本系统之前提升较大。

③系统知识库中涵盖了大部分报警类知识，知识库覆盖率达90%以上。

④系统基于不同工况特性的精准调控，使得排放口粉尘波动范围明显减小，排放稳定性提高25%。

⑤系统基于不同工况特性的精准调控，实现除尘、输灰的智能控制。根据电厂实际电表的统计数据，投运前每小时耗电量平均约为1425.4kWh，而投运后每小时耗电量平均约为817.9kWh，按年投运5000h来计算，一年节省电量约为303.75万kWh，按目前上网电价0.38元/kWh计算，除尘设备运行一年可节省电费约115.4万元。

⑥通过系统实现设备节能的同时，还可以极大降低二氧化碳的排放量，每年通过节能降耗实现碳减排合计2408.7t。

⑦通过输灰智能控制，智能输送通过管道压力值、流量值自动调整调节阀开度，有效控制输送时长和压力，从而降低耗气量25%以上，延长了管道的使用周期，有效减少管道的磨损。

5 结语

通过除尘智慧安全管控系统，解决了除尘设备的输灰运行故障、灰斗空仓气源浪费、除尘运行能耗浪费、关键设备故障检修指导、本体结构异常等问题，并在节能降碳减排方面起到了较好的社会经济效益。在目前安全问题日趋严峻的除尘相关设备管理中，具有较广阔的应用前景。