汉川电厂：电除尘智慧化运行在火力发电企业中的运用

项目案例简介：

2021年，针对目前厂内电除尘系统均采用人工控制手动调节，由于电除尘器设备多、系统耦合性强，单个电场分区特性无法准确辨别，致使手动调节难度系数高。人工调节耗时耗力、难度高、效率低，因此调节的频次非常低，导致系统无法实时跟随工况变化（机组负荷、烟气量、烟气温度变化等）及时优化调整电场运行参数和运行模式。另外，为了确保环保排放达标，人工调节控制所留裕量较大，设备通常保持较高出力运行，电除尘能耗整体偏高。在当前火力机组宽负荷灵活性运行背景下，持续高出力运行电耗浪费较大，因此节能优化控制改造具有较大的节能潜力。此外由于煤种变化，飞灰粘度较大，有必要对现有的控制模式进行优化升级，增加高低压联动策略，以提高振打清灰效果和除尘效率。

2021年11月，确定以#3炉电除尘器作为改造实施对象，并完成项目申报批准工作。

2022年9月至10月底，该项目进入施工改造阶段，在此阶段完成设备安装、电缆敷设等工作。

2022年11月，开始进行整套系统调试，并在完成之后正式投入运行。

案例专题：2023综合能源服务暨数智化转型创新优秀项目案例汇编

选送单位：国能长源汉川发电有限公司

项目案例实施

我国煤电机组存在调峰频繁、煤种多变等普遍现象，随着节能环保要求的不断提高，发电成本也随之不断攀升。为了降本，很多煤电机组优先采用了高比例的配煤掺烧方案，多煤种的配煤掺烧给机组运行和污染物处理带来了极大的考验。

近年，为了响应国务院提出的“两新一重”的政策，包括国家能源集团在内的中央企业，都在大力推行“新基建”。其中，“智慧电厂”将成为今后技术水平升级的必然方向。

1.电除尘智慧化调节

本项目针对目前厂内电除尘系统人工调节耗时耗力、难度高、效率低，因此调节的频次非常低，导致系统无法实时跟随工况变化（机组负荷、烟气量、烟气温度变化等）及时优化调整电场运行参数和运行模式。

针对目前现状，利用系统自学习、大数据统计分析等技术，研发一套电除尘智慧化调控系统，主要由以下子系统组成：

（1）预测控制及PID闭环控制（包含PID闭环调控系统（基于出口浊度闭环调控）、专家算法自动调控系统（基于锅炉负荷、烟温等预调控）、历史库数据系统等模块）；

（2）高低压协同优化控制（包含振打时序自动调控、降压振打连锁等模块）；

（3）总排放达标保护控制；

（4）新型激光散射型烟尘仪；

（5）智能报表在线统计。

远期，将该技术推广应用至汉川电厂其余机组，全国各火力发电机组均有此类需求。

2.智慧除尘实施方案

本智慧除尘方案将同时兼顾节能和提高除尘效率两方面进行设计，主要包括电除尘智能算法调控系统、PID闭环调控系统、降压振打连锁控制策略、振打时序寻优调控、高频电源热备冗余等模块组成。通过系统自学习、大数据统计分析等技术，对传统电厂进行系统升级，助力发电企业更安全、更高效、更经济、更环保的现代化运营。

智能调控系统包含PID闭环调控系统（基于出口浊度闭环调控）、专家算法自动调控系统（基于锅炉负荷、烟温等预调控）、历史库数据系统、振打时序自动调控、降压振打连锁等模块组成。

（1）PID闭环调控（出口浊度）：

在保证除尘效率优先的前提下，针对机组不同的运行工况，监控系统将根据采集到的每个除尘器通道的出口粉尘浓度实现本通道所有高频电源手动连续、脉冲供电和自动连续等多模式下的反馈调控。机组在正常运行过程时，当检测到粉尘浓度大于正常范围上限值时，自动以预设扫描周期和步长调整高频电源脉宽，设备输出功率逐渐增大，直至将粉尘浓度降回正常范围；当检测到粉尘浓度小于正常范围下限值时，自动以预设扫描周期和步长调整高频电源脉宽，设备输出功率逐渐降低，直至将粉尘浓度调回正常范围。通过闭环监测和自动调整，确保电除尘器能够跟随机组运行工况达到平稳运行目标。避免设备长期以较高功率运转对设备带来不良影响的同时实现节能的目的，也可避免粉尘浓度长时间超标排放造成的环保考核问题。将每台电源的调控配方等相关参数信息保存到对应的内部数据存储空间，然后通过通讯与不同的上位机监控平台进行数据共享。各个监控系统均可对配方及投退功能进行修改和设置，为了避免多台计算机同时执行闭环控制逻辑造成的控制混乱问题，并且考虑到多系统的复杂性和与其它子系统的兼容性，特将闭环控制逻辑放置于特定一台监控系统内执行，其它系统仅可同步修改配方参数和投退闭环。

（2）专家算法调控（机组负荷）：

专家算法调控包括数据采集与处理、历史库、控制规则及算法系统等组成。系统可以实现实时在线获取动态数据信息，并能够将所有重要参数变量及控制调节数据存储至数据库，形成历史库大数据。系统会自动检索历史库并寻找与当前机组负荷、烟尘排放、电场运行工况等匹配程度最高的历史工况信息，自动调取对应的高压电源功率、振打时序等历史调控参数及整个系统后续的调控变化趋势。专家算法调控系统将根据历史库及历史调控趋势、工况诊断分析系统调节因子、PID闭环反馈调节因子，以及当前机组负荷和烟尘排放指标（各省市对排放要求存在差异，排放指标可由用户修改设定）等综合运算处理，计算出当前实时工况下的最优控制量。然后通过高压电源功率控制、振打时序控制及降压振打连锁控制模块对高频电源、低压振打等设备实时调控，确保整套系统处于节能与高效运行的最优状态。

（3）降压振打连锁控制：

为了进一步提高电除尘器的除尘效率，将优化高频电源与低压振打联动的振打控制策略。当某一电场的振打器开始振打时，对应电场的高频电源自动降压运行以提高振打的清灰效果，确保电除尘器在稳定高效运行的基础上能够大幅度节能。

通过监控系统采集到的全部振打运行状态，软件检测各电场电压电流曲线，判断极线极板积灰状态，确定某电场高频电源是否需要降压，如判断需要执行降压振打，则上位机通过以太网通讯发送降压控制信号给高频电源，高频电源检测到该控制命令后根据预设的降压参数执行降压功能，执行完毕高频电源可自动恢复至原工作状态继续运行。另外，为了避免出现多台高频电源同时降压振打的情况，软件控制时将增加降压电场个数限制条件，同一时刻最多仅允许一台高频电源降压，防止多台降压对除尘效率造成严重影响，另外还需避免末电场长时间降压。

降压振打基本控制流程：

①计算一台除尘器高电场停运或故障数量，超过设定值则不执行降压振打；

②遍历一台除尘器当前是否存在降压振打电场，存在则不新增电场执行降压振打；

③逐一判断一个电场是否可以进入降压振打。首先，判断该电场阳极振打的运行状态，上一扫描周期阳极振打的运行状态与当前振打运行状态做比较，只有当振打从暂停状态进入运行状态时才允许降压。同时需进行时间段判断，只有当前时间符合降压振打设定的时间段内才允许降压，其余时间段不允许该电场降压；

④逐一判断各个电场是否需要进行降压振打，如果逻辑运算某电场需要执行降压振打，程序逻辑退出寻控流程，转入将结果写入到系统中并下发执行命令；

⑤若某一电场不再符合降压振打条件，将下发降压结束信号至高频电源设备。

⑥振打时序自动调控：

振打时序由振打工作时间和振打暂停时间组成。振打工作时间由具体的电除尘器装置决定，但通常设置为振打轴转动一周所需的时间；而振打暂停时间为周期性振打时两次振打之间停顿等待的时间。计算暂停时间的目的是要等阳极板上的粉尘平均厚度达到一定数值以后再进行振打，这样可以有效的节约电能，更重要的是最大程度的确保振打清灰效果并减少二次扬尘。一般来讲，当机组负荷降低时可以适当延长各电场的振打暂停时间，达到节能与提效的双重目的。

为减少二次扬尘，提高除尘效率，降低振打能耗，智慧除尘系统将实现振打时序最优化控制。当选择振打最优化控制模式时，系统可根据锅炉负荷、出口浊度数值和各电场运行状况自动调整振打周期、时间（即强度），合理分配安排各个电场振打是次序和间隔，各电场间振打时序关系图可在系统中实时直观显现，并通过综合评判振打清灰效果，自动调整到较优振打时序。

（4）新增出口烟尘仪：

每台炉电除尘器出口烟道新增4套烟尘仪，每个烟气通道（室）分别对应1台烟尘仪，用以实时监测除尘器粉尘排放浓度。烟尘仪连续动态的对除尘器的烟尘浓度进行监测并将采集信号接入到电除尘上位机操作员站，供控制软件做智慧化自动运行算法逻辑使用。新增烟尘仪配套相应的动力电缆及信号电缆敷设及设备安装。

（5）引入DCS系统参数：

智慧除尘解决方案将依托于机组负荷和除尘器出口烟尘浓度参数作为自动调控的关键因子。除尘器出口烟尘浓度通过新增烟尘仪获得，而机组负荷参数需要从脱硫DCS系统中获取。

机组负荷：敷设DCS系统至电除尘配电室低压PLC柜之间的信号电缆，DCS系统提供4~20mA模拟量硬接点AO信号，并接入电除尘低压PLC模拟量卡件，与低压数据一起采集至电除尘监控系统。出口浓度：敷设四台新增出口烟尘仪至电除尘配电室低压PLC柜之间的信号电缆，并接入电除尘低压PLC模拟量卡件，与低压数据一起采集至电除尘监控系统。

（6）智能报表统计：

基于历史运维大数据库，可以方便的对系统内各设备、测点参数进行统计，定期生成报表，包括分钟报表、小时报表、日报、周报、月报、年报，支持表格、图表等多种展现方式。同时，系统根据自身集成的判定逻辑，能够自动计算各电场设备的实时投运率、当日投运率、当月投运率等，管理人员可随时调取查看并在线打印各类报表，减轻人工统计工作量，提高效率和质量。

3.高频电源热备冗余实施方案

为了提升电除尘高低压系统通讯传输速率及通讯系统的稳定性，需要对电除尘通讯系统进行整体升级，升级后的电除尘高频电源需实现通讯链路和通讯设备的双机双网热备冗余，即所有高频电源设备至通讯服务器的通讯线缆、通讯设备均为两套，且同时工作运行。

高频电源DSP板上的RS485通讯接口为主通讯接口，与智能冗余服务器（主）间的通讯总线及通讯设备为主通讯回路。主通讯回路需将现用的常规NS24244W2型网络服务器升级为UC-8301H型智能冗余服务器，主通讯回路中的光纤及光电转换器等利旧。高频电源DSP板上的RS232通讯接口为备通讯接口，与智能冗余服务器（备）间的通讯总线及通讯设备为备通讯回路。每台高频电源的RS232接口需通过串口网关模块转换为RS485通讯，再经信号集中器串联成标准RS485总线，接入备通讯回路的智能冗余服务器（备）。由于除尘器顶部距离集控室较远，备通讯回路需同样增加敷设一组光缆及配套相应的串口光电转换器进行通讯。

主、备两台智能冗余服务器配置相同的串口参数及以太网通讯参数，分别与RS485主通讯回路和RS232备通讯回路通讯，可实现高频电源串口侧的双机、双网冗余热备通讯。

将主、备两台智能冗余服务器通过热备冗余BUS总线连接，通过热备网络进行双机通讯数据实时共享、状态在线跟踪及自动诊断计算。主、备智能冗余服务器分别接一根网线接入主、备交换机，并通过两路以太网接入DCS工程师站上位机的主、备通讯网卡，可实现以太网侧双机、双网冗余热备通讯。智能冗余服务器采用“主机工作模式”向后台监控系统转发串口通道数据，备机时刻处于热备状态。主机IP、MAC等地址为设备配置的默认网络参数，备机IP、MAC等地址为设备配置的默认网络参数基础上加偏移量。主、备机相互发送心跳报文，以反应服务器自身运行状态。如果出现某种错误，如主机故障或主机与后台间网线断开等情况，则主、备机自动切换。主、备机切换时，两台设备将立即在线交换网络通讯参数，从而确保以太网层面上双机、双网的实时热备冗余。

注：因专有技术的保密原因，请谅解不能提供相关的参数与具体细节。

主要创新点概述

该系统内嵌有三层自动优化调控逻辑，分别为：

第一层为基于锅炉工况参数的抗扰前馈预测调控，通过构建锅炉负荷、烟温、入口烟尘含量、烟气流量、电除尘参数以及粉尘排放浓度间的历史数据库，采用数据挖掘技术，对历史信息聚类划分，进一步通过递归寻优查找最相似工况下烟尘排放最佳和电源能耗最低的各电场分区最优电压电流运行组合，用以指导各电场分区高频电压电流的控制输出；

第二层为基于除尘器出口粉尘和烟囱出口粉尘的两级PID闭环反馈控制，除尘器出口粉尘闭环控制（I级闭环）主要用于修正第一层前馈预测调控的偏差，烟囱出口粉尘闭环控制（II级闭环）主要用于确保环保安全排放；

第三层为基于高频电源与低压振打协同的优化控制，通过检测电场电压电流曲线，判断极板极线积灰状态，进行合理的降压或断电振打联锁，减少二次扬尘，提升振打清灰及除尘效率。

通过以上三层优化调控逻辑叠加，实现自动的、实时的调控高频电源电压电流输出及低压振打工作，维持系统动态稳定运行。通过历史大数据积累，不断补充完善第一层优化中的历史数据库模型，提高系统自动调控的精度，达到机组全工况下的优化控制。

应用情况及可推广前景简述

本项目的完成，是对国务院“两新一重”政策及集团公司“智慧电厂”技术路线的积极响应。可以显著减少电除尘器的电能消耗、降低操作工作的人力成本，同时提升设备的稳定性。

汉川电厂地处武汉附近，环保要求高，社会关注度高。电除尘器智慧化运行改造，充分体现了对环境保护的高度重视，对建立和谐社会、环境友好型社会的责任感。

目前，我国能源结构中，火力发电企业仍占比近50%，国家能源集团、华电集团、华能集团、大唐集团等大型能源集团，浙能集团、国信集团等地方性能源企业下属火力发电企业，均在潜在推广用户范围内。

经济效益及社会效益情况

智慧除尘系统在投入运行后，能够进一步降低电厂厂用电能耗，带来的效益预估如下：

净烟气10mg/Nm3排放标准：

满负荷运行时，预计仍有15%~20%左右节能空间；

50%机组负荷运行时，预计有40%~50%的节能空间。

综合平均，节能30%。目前除尘器高压系统运行能耗约500KW，节能空间平均22.5%。按年发电6000小时计算，累计节约电量675000KWh。按上网电价0.4161元计算，年节约电费280867元。

项目案例获专利及奖励情况

电除尘智慧化运行在火力发电企业中的运用先后获取的专利及奖励情况如下：

专利：

在电除尘智慧化运行项目开始执行后，从生产现场中试、工业应用示范项目建设与投用，先后申请了二个专利，其中有一个发明专利，一个实用新型专利。为推广应用这种高效的电除尘智慧化节能应用技术，已向多个单位进行了使用许可，具体专利如下：

主要的历年获奖情况：

2020年度《电除尘高频脉冲电源应用的研究》获电力行业创新应用铜牌成果。

选送单位简介

国能长源汉川发电有限公司作为湖北地区中部重要的支撑型电源供给企业，机组众多，设备基数庞大，迫切要进行类似改造，进一步提升企业智慧化、自动化水平，为社会提供可靠的能源保障。