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摘 要：为了保护环境，燃煤火电机组需要投用电除尘器对锅炉排放的烟尘进行脱除，十三五期间，国家在大气污染物防治和节能减排方面的工作力度进一步加大。2018年浙能集团大型火力发电机组全部完成超低排放改造。同时，随着火电企业的盈利能力不断下降，如何兼顾环保与节能效益，成为一个重要课题，本文重点阐述了电厂电除尘环保节能优化的研究、设计、改造与应用成效，结果表明通过基于遗传算法的节能优化，达到了环保与节能效益的兼顾。
关键词：电除尘;环保;节能;遗传算法
中图分类号： 文献标志码： 文章编号：
0 引言
浙江某电厂的#1、#2机组分别于2015年9月14日和12月14日投产运行，并同步实施了超低排放建设，烟囱出口烟尘浓度控制在5mg/Nm3及以下。排放标准的提高，势必增加电厂投资以及运行成本，干式电除尘和湿式电除尘，作为电厂的耗电大户，其节能优化控制得到电厂的广泛关注。
1 机组概况
该电厂锅炉设备采用超超临界变压运行本生直流炉、单炉膛、一次中间再热、前后墙对冲燃烧，Π型炉。由东方锅炉（集团）股份有限公司设计制造。每台炉配两台三室五电场的干式电除尘器，配两台双室一电场的湿式电除尘器，共计配置38套微机型高频电源设备（每电场1套）。
电除尘器是技术上较为成熟的产品，电除尘器本体是菲达环保科技公司的产品，高频电源智能控制器是浙江大维的产品，产品的各项指标都能达到设计的性能保证值，除尘效率能够达到国标的要求。
基建投产初期，该电厂电除尘高频电源采用人工手动控制方式。为了满足环保排放指标，运行人员被迫调高静电除尘器高频电源出力，造成除尘电耗居高不下。而长期高参数运行，对高频电源本身无疑是巨大的考验。因此研究优化运行控制方式，进一步提高设备稳定性，实现节能减排高效运行，是能够产生巨大的社会效益和经济效益的。
2 电除尘器工作原理
根据“异性相吸、同性相斥”的原理，空气电离后产生的正、负离子分别向电晕极和收尘极运动。在正、负离子运动的过程中，气体中的粉尘发生荷电现象，这时被荷电的粉尘也分别向收尘极和电晕极移动，最终在两极板释放掉了电荷从而附着在两极板上。由于电晕极相对范围小，所以只有少量的被荷电的粉尘着落在电晕极上。而大部分着落在集尘极上的粉尘经过机械振打落入灰斗。当然对于粉尘的捕集还有许多的因素，比如气流速度、粉尘比电阻、湿度和温度等等影响[1]。
众所周知，物质的原子由带正电荷的质子与不带电荷的中子组成的原子核以及在原子核外层高速旋转着的带负电荷的电子组成。电子比较容易受撞击或外力影响而脱离原子核的束缚，成为带负电的“自由电子”。这些“自由电子”有些还会附着在其他颗粒或分子上，成为带负电的质点，称为“负离子”。气体分子失去一个电子后，就多出一个正电荷，呈现带正电的性质，称为“正离子”。这种中性气体分子分离为正离子和负离子（包括自由电子）的现象，称为气体的电离。气体的电离是电除尘工作原理的一个重要组成部分。
烟气粉尘以垂直于电力线的方向进入电场，在电场荷电与扩散荷电两种机理的作用下荷电，从电场空间电荷分布规律来看，粉尘中很少一部分随着烟气向电晕极运动与正离子结合带正电，绝大部分是与负离子结合而荷上负电，在电场力的作用下，向与极性相反的电极驱进，终点是电极。随后在振打力与自身重力的共同作用下克服阻力，最终落入灰斗。
3 电除尘高频电源的运行现状
高频电源作为电除尘用高压电源，是现代高频电力电子技术、DSP 技术、网络控制技术的集成，近几年开始在国内外迅速推广应用。它具有耗能低、脉冲高度、宽度及频率均可控制等诸多优点，具有明显的节能效果。高频电源的核心器件是IGBT，起到逆变、调压、调功作用。由于IGBT为电压控制的全控型器件，可以通过控制栅极电压来控制整个器件的导通和关断，这一可控性能上的优势，也利于电除尘器进一步的参数优化。
高频电源一般安装在电除尘设备顶部，在夏季高温季节，设备环境温度非常高，高参数运行无疑是雪上加霜。分析该厂2018-2019年的电除尘器运行故障记录，从时间维度分析，夏季故障率明显高于其他季节;从部件维度分析，控制器、IGBT驱动板、网关的故障率偏高，而这些元器件的故障与现场环境温度存在着较大关联。
为了降低除尘电耗，技术人员在控制系统中引入机组负荷、干电出口烟尘含量和湿电出口烟尘含量，对高频电源进行优化控制，控制思路如下：按机组负荷将控制参数分成若干段，每个负荷段将高频电源的二次电流设置固定值;当干电出口烟尘含量3分钟均值大于某一定值时，将干电高频电源二次电流抬高到高定值;湿电出口烟尘含量1分钟均值大于某一定值时，将湿电高频电源二次电流抬高到高定值;末电场振打电机启动时，干电高频电源二次电流抬高到高定值。
在大范围变负荷情况下，受煤种多变、锅炉吹灰、振打、高频电源设备故障等多种扰动因素影响，在运行过程中会出现烟尘浓度波动大，甚至短时超标等问题，导致运行人员被迫退出自动切换为手动控制，即难以实现“全负荷段”闭环控制。并且烟尘仪定期校验等工作会造成烟尘含量数据失真，引起控制方向错误。
由于干电存在较大的延迟，且干电入口的烟尘浓度没有相关测点，为了安全起见，普遍的做法是将控制参数抬高。此外，将干式电除尘、湿式电除尘作为独立的系统进行控制，没有统一协調干电和湿电的除尘能力，并且对干电的控制也没有考虑到干电的多电室多电场分级结构，而是将干电视为一个整体进行控制，忽略了干电不同电级之间的特性差异，这些问题限制了电除尘器的节能效果。 4 基于遗传算法的优化控制系统设计
分别建立干式电除尘器和湿式电除尘器的能耗特性模型，为电除尘器的节能优化运行提供能耗分配指导。
遗传算法（GA，Genetic Algorithm），也称为进化算法。遗传算法[2，3]是受达尔文的进化论的启发，借鉴生物进化过程而提出的一种启发式搜索算法。其主要特点是直接对结构对象进行操作，因此不同于其他求解最优解的算法，遗传算法不存在求导和对函数连续性的限定，采用概率化的寻优方法，不需要确定的规则就能自动获取和指导优化的搜索空间，自适应地调整搜索方向。
4.1 遗传算法流程
遗传算法的主要步骤如图2所示。下面对遗传算法的流程进行详细解析。
第一步：随机产生一个种群，作为问题的初代解。通常，初代解可能与最优解相差较大，这是可以容忍的，只要保证初代解是随机产生的，以确保个体基因的多样性即可;
第二步：寻找一种合适的编码方案对种群中的个体进行编码，可以选择如浮点数编码或二进制编码等常用编码方案，需要指出的是，不同的编码方案直接影响后续遗传算子的实现细节;
第三步：以多峰函数的函数值作为个体的适应度，计算种群中每个个体的适应度，算出的适应度将为后续的个体选择提供依据;
第四步：根据适应度的高低选择参与繁衍的父体与母体，选择的原则是适应度越高的个体越可能被选中，以此不断淘汰适应度低的个体;
第五步：对被选出的父体与母体执行遗传操作，即复制父体与母体的基因，并采用交叉、变异等算子产生出子代，在较大程度保留优秀基因的基础上，变异增加了基因的多样性，从而提高找到最优解的概率;
第六步：根据一定的准则判断是继续执行算法，还是找出所有子代中适应度最高个体作为解返回并结束程序，判断的准则可以是设定的解的阈值、指定的迭代次数等。
4.2 基于遗传算法的节能优化
电除尘器运行过程中，电能主要由各高压电源消耗，主要用于向各除尘区提供除尘能量。电除尘器的总能耗，即总功率，可以近似地由各高压电源的输入功率之和进行表示，对于单高频电源而言，其输入功率与其一次电压与一次电流的乘积成正比。
4.3 节能优化系统的实现
原有的优化控制是基于IFIX与高频电源通讯直接实现，新优化系统延续这种方式。为了与原控制模式区分，使用如下名称：
HMI控制模式：原有优化控制模式
PLC控制模式：新改造的PLC优化控制模式。
4.3.1 PLC优化系统的硬件设计
电除尘优化控制系统增加PLC控制系统一套，选用施耐德公司epac系列冗余控制器BMEH582040，具体配置如下：
对于优化控制模式，设计了优化控制投入允许、优化控制退出、通讯状态判断、信号量采样、干电系统自动控制投入允许、干电系统自动控制退出、湿电系统自动控制投入允许、湿电系统自动控制退出等控制逻辑，用于优化控制系统的功能投退操作等。
优化控制系统通过通讯方式获取干式电除尘高频电源、湿式电除尘高频电源、主机系统相关运行数据，控制指令同样通过通讯方式下发至高频电源执行。
4.4节能量验证试验
分别采用原系统、PLC优化系统两种运行方式进行能耗对比分析，PLC优化控制系统在全负荷区间内实现了节能运行，平均节能率为30.56%，且在中低负荷，节能效果更加明显，其中在450MW负荷下，节能率最高，为55.00%。节能率与负荷关系曲线如图4所示。
5 结语
电除尘节能优化系统充分考虑了负荷、能耗因素，基于遗传算法，在满足电除尘器出口烟尘浓度不超标的约束条件下，对电除尘器运行参数进行优化。节能验证试验结果表明，在保证除尘效率达标的基础上，优化系统能够有效节能降耗，具有良好的应用价值。
参考文献：
[1] 朱晓瑾，王忠维等. 超超临界1000MW燃煤机组干式电除尘器特性分析. 热力发电， 2020， （2）， 99-103.
[2] 张粒子， 舒隽， 林宪枢，等. 基于遗传算法的无功规划优化[J]. 中国电机工程学报， 2000， 20（6）：5-8.
[3] 张成文， 苏森， 陈俊亮. 基于遗传算法的QoS感知的Web服务选择[J]. 计算机学报， 2006， 29（7）：1029-1037.
作者简介：
顾范华（1982-），男，浙江省杭州市，工程師，主要从事火电厂电气专业管理工作。
朱晓瑾（1974-），女，浙江省台州市，高级工程师，主要从事火电厂继电保护及节电技术等。
关键词：电除尘;环保;节能;遗传算法
中图分类号： 文献标志码： 文章编号：
0 引言
浙江某电厂的#1、#2机组分别于2015年9月14日和12月14日投产运行，并同步实施了超低排放建设，烟囱出口烟尘浓度控制在5mg/Nm3及以下。排放标准的提高，势必增加电厂投资以及运行成本，干式电除尘和湿式电除尘，作为电厂的耗电大户，其节能优化控制得到电厂的广泛关注。
1 机组概况
该电厂锅炉设备采用超超临界变压运行本生直流炉、单炉膛、一次中间再热、前后墙对冲燃烧，Π型炉。由东方锅炉（集团）股份有限公司设计制造。每台炉配两台三室五电场的干式电除尘器，配两台双室一电场的湿式电除尘器，共计配置38套微机型高频电源设备（每电场1套）。
电除尘器是技术上较为成熟的产品，电除尘器本体是菲达环保科技公司的产品，高频电源智能控制器是浙江大维的产品，产品的各项指标都能达到设计的性能保证值，除尘效率能够达到国标的要求。
基建投产初期，该电厂电除尘高频电源采用人工手动控制方式。为了满足环保排放指标，运行人员被迫调高静电除尘器高频电源出力，造成除尘电耗居高不下。而长期高参数运行，对高频电源本身无疑是巨大的考验。因此研究优化运行控制方式，进一步提高设备稳定性，实现节能减排高效运行，是能够产生巨大的社会效益和经济效益的。
2 电除尘器工作原理
根据“异性相吸、同性相斥”的原理，空气电离后产生的正、负离子分别向电晕极和收尘极运动。在正、负离子运动的过程中，气体中的粉尘发生荷电现象，这时被荷电的粉尘也分别向收尘极和电晕极移动，最终在两极板释放掉了电荷从而附着在两极板上。由于电晕极相对范围小，所以只有少量的被荷电的粉尘着落在电晕极上。而大部分着落在集尘极上的粉尘经过机械振打落入灰斗。当然对于粉尘的捕集还有许多的因素，比如气流速度、粉尘比电阻、湿度和温度等等影响[1]。
众所周知，物质的原子由带正电荷的质子与不带电荷的中子组成的原子核以及在原子核外层高速旋转着的带负电荷的电子组成。电子比较容易受撞击或外力影响而脱离原子核的束缚，成为带负电的“自由电子”。这些“自由电子”有些还会附着在其他颗粒或分子上，成为带负电的质点，称为“负离子”。气体分子失去一个电子后，就多出一个正电荷，呈现带正电的性质，称为“正离子”。这种中性气体分子分离为正离子和负离子（包括自由电子）的现象，称为气体的电离。气体的电离是电除尘工作原理的一个重要组成部分。
烟气粉尘以垂直于电力线的方向进入电场，在电场荷电与扩散荷电两种机理的作用下荷电，从电场空间电荷分布规律来看，粉尘中很少一部分随着烟气向电晕极运动与正离子结合带正电，绝大部分是与负离子结合而荷上负电，在电场力的作用下，向与极性相反的电极驱进，终点是电极。随后在振打力与自身重力的共同作用下克服阻力，最终落入灰斗。
3 电除尘高频电源的运行现状
高频电源作为电除尘用高压电源，是现代高频电力电子技术、DSP 技术、网络控制技术的集成，近几年开始在国内外迅速推广应用。它具有耗能低、脉冲高度、宽度及频率均可控制等诸多优点，具有明显的节能效果。高频电源的核心器件是IGBT，起到逆变、调压、调功作用。由于IGBT为电压控制的全控型器件，可以通过控制栅极电压来控制整个器件的导通和关断，这一可控性能上的优势，也利于电除尘器进一步的参数优化。
高频电源一般安装在电除尘设备顶部，在夏季高温季节，设备环境温度非常高，高参数运行无疑是雪上加霜。分析该厂2018-2019年的电除尘器运行故障记录，从时间维度分析，夏季故障率明显高于其他季节;从部件维度分析，控制器、IGBT驱动板、网关的故障率偏高，而这些元器件的故障与现场环境温度存在着较大关联。
为了降低除尘电耗，技术人员在控制系统中引入机组负荷、干电出口烟尘含量和湿电出口烟尘含量，对高频电源进行优化控制，控制思路如下：按机组负荷将控制参数分成若干段，每个负荷段将高频电源的二次电流设置固定值;当干电出口烟尘含量3分钟均值大于某一定值时，将干电高频电源二次电流抬高到高定值;湿电出口烟尘含量1分钟均值大于某一定值时，将湿电高频电源二次电流抬高到高定值;末电场振打电机启动时，干电高频电源二次电流抬高到高定值。
在大范围变负荷情况下，受煤种多变、锅炉吹灰、振打、高频电源设备故障等多种扰动因素影响，在运行过程中会出现烟尘浓度波动大，甚至短时超标等问题，导致运行人员被迫退出自动切换为手动控制，即难以实现“全负荷段”闭环控制。并且烟尘仪定期校验等工作会造成烟尘含量数据失真，引起控制方向错误。
由于干电存在较大的延迟，且干电入口的烟尘浓度没有相关测点，为了安全起见，普遍的做法是将控制参数抬高。此外，将干式电除尘、湿式电除尘作为独立的系统进行控制，没有统一协調干电和湿电的除尘能力，并且对干电的控制也没有考虑到干电的多电室多电场分级结构，而是将干电视为一个整体进行控制，忽略了干电不同电级之间的特性差异，这些问题限制了电除尘器的节能效果。 4 基于遗传算法的优化控制系统设计
分别建立干式电除尘器和湿式电除尘器的能耗特性模型，为电除尘器的节能优化运行提供能耗分配指导。
遗传算法（GA，Genetic Algorithm），也称为进化算法。遗传算法[2，3]是受达尔文的进化论的启发，借鉴生物进化过程而提出的一种启发式搜索算法。其主要特点是直接对结构对象进行操作，因此不同于其他求解最优解的算法，遗传算法不存在求导和对函数连续性的限定，采用概率化的寻优方法，不需要确定的规则就能自动获取和指导优化的搜索空间，自适应地调整搜索方向。
4.1 遗传算法流程
遗传算法的主要步骤如图2所示。下面对遗传算法的流程进行详细解析。
第一步：随机产生一个种群，作为问题的初代解。通常，初代解可能与最优解相差较大，这是可以容忍的，只要保证初代解是随机产生的，以确保个体基因的多样性即可;
第二步：寻找一种合适的编码方案对种群中的个体进行编码，可以选择如浮点数编码或二进制编码等常用编码方案，需要指出的是，不同的编码方案直接影响后续遗传算子的实现细节;
第三步：以多峰函数的函数值作为个体的适应度，计算种群中每个个体的适应度，算出的适应度将为后续的个体选择提供依据;
第四步：根据适应度的高低选择参与繁衍的父体与母体，选择的原则是适应度越高的个体越可能被选中，以此不断淘汰适应度低的个体;
第五步：对被选出的父体与母体执行遗传操作，即复制父体与母体的基因，并采用交叉、变异等算子产生出子代，在较大程度保留优秀基因的基础上，变异增加了基因的多样性，从而提高找到最优解的概率;
第六步：根据一定的准则判断是继续执行算法，还是找出所有子代中适应度最高个体作为解返回并结束程序，判断的准则可以是设定的解的阈值、指定的迭代次数等。
4.2 基于遗传算法的节能优化
电除尘器运行过程中，电能主要由各高压电源消耗，主要用于向各除尘区提供除尘能量。电除尘器的总能耗，即总功率，可以近似地由各高压电源的输入功率之和进行表示，对于单高频电源而言，其输入功率与其一次电压与一次电流的乘积成正比。
4.3 节能优化系统的实现
原有的优化控制是基于IFIX与高频电源通讯直接实现，新优化系统延续这种方式。为了与原控制模式区分，使用如下名称：
HMI控制模式：原有优化控制模式
PLC控制模式：新改造的PLC优化控制模式。
4.3.1 PLC优化系统的硬件设计
电除尘优化控制系统增加PLC控制系统一套，选用施耐德公司epac系列冗余控制器BMEH582040，具体配置如下：
对于优化控制模式，设计了优化控制投入允许、优化控制退出、通讯状态判断、信号量采样、干电系统自动控制投入允许、干电系统自动控制退出、湿电系统自动控制投入允许、湿电系统自动控制退出等控制逻辑，用于优化控制系统的功能投退操作等。
优化控制系统通过通讯方式获取干式电除尘高频电源、湿式电除尘高频电源、主机系统相关运行数据，控制指令同样通过通讯方式下发至高频电源执行。
4.4节能量验证试验
分别采用原系统、PLC优化系统两种运行方式进行能耗对比分析，PLC优化控制系统在全负荷区间内实现了节能运行，平均节能率为30.56%，且在中低负荷，节能效果更加明显，其中在450MW负荷下，节能率最高，为55.00%。节能率与负荷关系曲线如图4所示。
5 结语
电除尘节能优化系统充分考虑了负荷、能耗因素，基于遗传算法，在满足电除尘器出口烟尘浓度不超标的约束条件下，对电除尘器运行参数进行优化。节能验证试验结果表明，在保证除尘效率达标的基础上，优化系统能够有效节能降耗，具有良好的应用价值。
参考文献：
[1] 朱晓瑾，王忠维等. 超超临界1000MW燃煤机组干式电除尘器特性分析. 热力发电， 2020， （2）， 99-103.
[2] 张粒子， 舒隽， 林宪枢，等. 基于遗传算法的无功规划优化[J]. 中国电机工程学报， 2000， 20（6）：5-8.
[3] 张成文， 苏森， 陈俊亮. 基于遗传算法的QoS感知的Web服务选择[J]. 计算机学报， 2006， 29（7）：1029-1037.
作者简介：
顾范华（1982-），男，浙江省杭州市，工程師，主要从事火电厂电气专业管理工作。
朱晓瑾（1974-），女，浙江省台州市，高级工程师，主要从事火电厂继电保护及节电技术等。