超低排放燃煤火電機組電除塵節(jié)能優(yōu)化控制研究及應用

顧范華 朱曉瑾

摘 ?要：為了保護環(huán)境，燃煤火電機組需要投用電除塵器對鍋爐排放的煙塵進行脫除，十三五期間，國家在大氣污染物防治和節(jié)能減排方面的工作力度進一步加大。2018年浙能集團大型火力發(fā)電機組全部完成超低排放改造。同時，隨著火電企業(yè)的盈利能力不斷下降，如何兼顧環(huán)保與節(jié)能效益，成為一個重要課題，本文重點闡述了電廠電除塵環(huán)保節(jié)能優(yōu)化的研究、設計、改造與應用成效，結果表明通過基于遺傳算法的節(jié)能優(yōu)化，達到了環(huán)保與節(jié)能效益的兼顧。

關鍵詞：電除塵;環(huán)保;節(jié)能;遺傳算法

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0 ?引言

浙江某電廠的#1、#2機組分別于2015年9月14日和12月14日投產運行，并同步實施了超低排放建設，煙囪出口煙塵濃度控制在5mg/Nm3及以下。排放標準的提高，勢必增加電廠投資以及運行成本，干式電除塵和濕式電除塵，作為電廠的耗電大戶，其節(jié)能優(yōu)化控制得到電廠的廣泛關注。

1 ?機組概況

該電廠鍋爐設備采用超超臨界變壓運行本生直流爐、單爐膛、一次中間再熱、前后墻對沖燃燒，Π型爐。由東方鍋爐（集團）股份有限公司設計制造。每臺爐配兩臺三室五電場的干式電除塵器，配兩臺雙室一電場的濕式電除塵器，共計配置38套微機型高頻電源設備（每電場1套）。

電除塵器是技術上較為成熟的產品，電除塵器本體是菲達環(huán)?？萍脊镜漠a品，高頻電源智能控制器是浙江大維的產品，產品的各項指標都能達到設計的性能保證值，除塵效率能夠達到國標的要求。

基建投產初期，該電廠電除塵高頻電源采用人工手動控制方式。為了滿足環(huán)保排放指標，運行人員被迫調高靜電除塵器高頻電源出力，造成除塵電耗居高不下。而長期高參數(shù)運行，對高頻電源本身無疑是巨大的考驗。因此研究優(yōu)化運行控制方式，進一步提高設備穩(wěn)定性，實現(xiàn)節(jié)能減排高效運行，是能夠產生巨大的社會效益和經濟效益的。

2 ?電除塵器工作原理

根據“異性相吸、同性相斥”的原理，空氣電離后產生的正、負離子分別向電暈極和收塵極運動。在正、負離子運動的過程中，氣體中的粉塵發(fā)生荷電現(xiàn)象，這時被荷電的粉塵也分別向收塵極和電暈極移動，最終在兩極板釋放掉了電荷從而附著在兩極板上。由于電暈極相對范圍小，所以只有少量的被荷電的粉塵著落在電暈極上。而大部分著落在集塵極上的粉塵經過機械振打落入灰斗。當然對于粉塵的捕集還有許多的因素，比如氣流速度、粉塵比電阻、濕度和溫度等等影響[1]。

眾所周知，物質的原子由帶正電荷的質子與不帶電荷的中子組成的原子核以及在原子核外層高速旋轉著的帶負電荷的電子組成。電子比較容易受撞擊或外力影響而脫離原子核的束縛，成為帶負電的“自由電子”。這些“自由電子”有些還會附著在其他顆?；蚍肿由?，成為帶負電的質點，稱為“負離子”。氣體分子失去一個電子后，就多出一個正電荷，呈現(xiàn)帶正電的性質，稱為“正離子”。這種中性氣體分子分離為正離子和負離子（包括自由電子）的現(xiàn)象，稱為氣體的電離。氣體的電離是電除塵工作原理的一個重要組成部分。

煙氣粉塵以垂直于電力線的方向進入電場，在電場荷電與擴散荷電兩種機理的作用下荷電，從電場空間電荷分布規(guī)律來看，粉塵中很少一部分隨著煙氣向電暈極運動與正離子結合帶正電，絕大部分是與負離子結合而荷上負電，在電場力的作用下，向與極性相反的電極驅進，終點是電極。隨后在振打力與自身重力的共同作用下克服阻力，最終落入灰斗。

3 ?電除塵高頻電源的運行現(xiàn)狀

高頻電源作為電除塵用高壓電源，是現(xiàn)代高頻電力電子技術、DSP 技術、網絡控制技術的集成，近幾年開始在國內外迅速推廣應用。它具有耗能低、脈沖高度、寬度及頻率均可控制等諸多優(yōu)點，具有明顯的節(jié)能效果。高頻電源的核心器件是IGBT，起到逆變、調壓、調功作用。由于IGBT為電壓控制的全控型器件，可以通過控制柵極電壓來控制整個器件的導通和關斷，這一可控性能上的優(yōu)勢，也利于電除塵器進一步的參數(shù)優(yōu)化。

高頻電源一般安裝在電除塵設備頂部，在夏季高溫季節(jié)，設備環(huán)境溫度非常高，高參數(shù)運行無疑是雪上加霜。分析該廠2018-2019年的電除塵器運行故障記錄，從時間維度分析，夏季故障率明顯高于其他季節(jié);從部件維度分析，控制器、IGBT驅動板、網關的故障率偏高，而這些元器件的故障與現(xiàn)場環(huán)境溫度存在著較大關聯(lián)。

為了降低除塵電耗，技術人員在控制系統(tǒng)中引入機組負荷、干電出口煙塵含量和濕電出口煙塵含量，對高頻電源進行優(yōu)化控制，控制思路如下：按機組負荷將控制參數(shù)分成若干段，每個負荷段將高頻電源的二次電流設置固定值;當干電出口煙塵含量3分鐘均值大于某一定值時，將干電高頻電源二次電流抬高到高定值;濕電出口煙塵含量1分鐘均值大于某一定值時，將濕電高頻電源二次電流抬高到高定值;末電場振打電機啟動時，干電高頻電源二次電流抬高到高定值。

在大范圍變負荷情況下，受煤種多變、鍋爐吹灰、振打、高頻電源設備故障等多種擾動因素影響，在運行過程中會出現(xiàn)煙塵濃度波動大，甚至短時超標等問題，導致運行人員被迫退出自動切換為手動控制，即難以實現(xiàn)“全負荷段”閉環(huán)控制。并且煙塵儀定期校驗等工作會造成煙塵含量數(shù)據失真，引起控制方向錯誤。

由于干電存在較大的延遲，且干電入口的煙塵濃度沒有相關測點，為了安全起見，普遍的做法是將控制參數(shù)抬高。此外，將干式電除塵、濕式電除塵作為獨立的系統(tǒng)進行控制，沒有統(tǒng)一協(xié)調干電和濕電的除塵能力，并且對干電的控制也沒有考慮到干電的多電室多電場分級結構，而是將干電視為一個整體進行控制，忽略了干電不同電級之間的特性差異，這些問題限制了電除塵器的節(jié)能效果。

4 ?基于遺傳算法的優(yōu)化控制系統(tǒng)設計

分別建立干式電除塵器和濕式電除塵器的能耗特性模型，為電除塵器的節(jié)能優(yōu)化運行提供能耗分配指導。

遺傳算法（GA，Genetic Algorithm），也稱為進化算法。遺傳算法[2，3]是受達爾文的進化論的啟發(fā)，借鑒生物進化過程而提出的一種啟發(fā)式搜索算法。其主要特點是直接對結構對象進行操作，因此不同于其他求解最優(yōu)解的算法，遺傳算法不存在求導和對函數(shù)連續(xù)性的限定，采用概率化的尋優(yōu)方法，不需要確定的規(guī)則就能自動獲取和指導優(yōu)化的搜索空間，自適應地調整搜索方向。

4.1 遺傳算法流程

遺傳算法的主要步驟如圖2所示。下面對遺傳算法的流程進行詳細解析。

第一步：隨機產生一個種群，作為問題的初代解。通常，初代解可能與最優(yōu)解相差較大，這是可以容忍的，只要保證初代解是隨機產生的，以確保個體基因的多樣性即可;

第二步：尋找一種合適的編碼方案對種群中的個體進行編碼，可以選擇如浮點數(shù)編碼或二進制編碼等常用編碼方案，需要指出的是，不同的編碼方案直接影響后續(xù)遺傳算子的實現(xiàn)細節(jié);

第三步：以多峰函數(shù)的函數(shù)值作為個體的適應度，計算種群中每個個體的適應度，算出的適應度將為后續(xù)的個體選擇提供依據;

第四步：根據適應度的高低選擇參與繁衍的父體與母體，選擇的原則是適應度越高的個體越可能被選中，以此不斷淘汰適應度低的個體;

第五步：對被選出的父體與母體執(zhí)行遺傳操作，即復制父體與母體的基因，并采用交叉、變異等算子產生出子代，在較大程度保留優(yōu)秀基因的基礎上，變異增加了基因的多樣性，從而提高找到最優(yōu)解的概率;

第六步：根據一定的準則判斷是繼續(xù)執(zhí)行算法，還是找出所有子代中適應度最高個體作為解返回并結束程序，判斷的準則可以是設定的解的閾值、指定的迭代次數(shù)等。

4.2 基于遺傳算法的節(jié)能優(yōu)化

電除塵器運行過程中，電能主要由各高壓電源消耗，主要用于向各除塵區(qū)提供除塵能量。電除塵器的總能耗，即總功率，可以近似地由各高壓電源的輸入功率之和進行表示，對于單高頻電源而言，其輸入功率與其一次電壓與一次電流的乘積成正比。

4.3 節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)的實現(xiàn)

原有的優(yōu)化控制是基于IFIX與高頻電源通訊直接實現(xiàn)，新優(yōu)化系統(tǒng)延續(xù)這種方式。為了與原控制模式區(qū)分，使用如下名稱：

HMI控制模式：原有優(yōu)化控制模式

PLC控制模式：新改造的PLC優(yōu)化控制模式。

4.3.1 PLC優(yōu)化系統(tǒng)的硬件設計

電除塵優(yōu)化控制系統(tǒng)增加PLC控制系統(tǒng)一套，選用施耐德公司epac系列冗余控制器BMEH582040，具體配置如下：

對于優(yōu)化控制模式，設計了優(yōu)化控制投入允許、優(yōu)化控制退出、通訊狀態(tài)判斷、信號量采樣、干電系統(tǒng)自動控制投入允許、干電系統(tǒng)自動控制退出、濕電系統(tǒng)自動控制投入允許、濕電系統(tǒng)自動控制退出等控制邏輯，用于優(yōu)化控制系統(tǒng)的功能投退操作等。

優(yōu)化控制系統(tǒng)通過通訊方式獲取干式電除塵高頻電源、濕式電除塵高頻電源、主機系統(tǒng)相關運行數(shù)據，控制指令同樣通過通訊方式下發(fā)至高頻電源執(zhí)行。

4.4節(jié)能量驗證試驗

分別采用原系統(tǒng)、PLC優(yōu)化系統(tǒng)兩種運行方式進行能耗對比分析，PLC優(yōu)化控制系統(tǒng)在全負荷區(qū)間內實現(xiàn)了節(jié)能運行，平均節(jié)能率為30.56%，且在中低負荷，節(jié)能效果更加明顯，其中在450MW負荷下，節(jié)能率最高，為55.00%。節(jié)能率與負荷關系曲線如圖4所示。

5 ?結語

電除塵節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)充分考慮了負荷、能耗因素，基于遺傳算法，在滿足電除塵器出口煙塵濃度不超標的約束條件下，對電除塵器運行參數(shù)進行優(yōu)化。節(jié)能驗證試驗結果表明，在保證除塵效率達標的基礎上，優(yōu)化系統(tǒng)能夠有效節(jié)能降耗，具有良好的應用價值。

參考文獻：

[1] 朱曉瑾，王忠維等. 超超臨界1000MW燃煤機組干式電除塵器特性分析. ?熱力發(fā)電， 2020， （2）， 99-103.

[2] 張粒子， 舒雋， 林憲樞，等. 基于遺傳算法的無功規(guī)劃優(yōu)化[J]. 中國電機工程學報， 2000， 20（6）：5-8.

[3] 張成文， 蘇森， 陳俊亮. 基于遺傳算法的QoS感知的Web服務選擇[J]. 計算機學報， 2006， 29（7）：1029-1037.

作者簡介：

顧范華（1982-），男，浙江省杭州市，工程師，主要從事火電廠電氣專業(yè)管理工作。

朱曉瑾（1974-），女，浙江省臺州市，高級工程師，主要從事火電廠繼電保護及節(jié)電技術等。