近年來(lái)，我國(guó)垃圾焚燒行業(yè)新增項(xiàng)目釋放速度持續(xù)放緩，伴隨政策調(diào)整“補(bǔ)貼退坡”，垃圾焚燒行業(yè)的關(guān)注焦點(diǎn)會(huì)逐漸從新項(xiàng)目開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)移到已運(yùn)營(yíng)項(xiàng)目的精細(xì)化管控及智能化升級(jí)。同時(shí)，在中央政府的《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》中，強(qiáng)調(diào)了數(shù)據(jù)要素在工業(yè)生產(chǎn)中的重要性，海量工業(yè)數(shù)據(jù)也是垃圾焚燒行業(yè)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化和智能化的技術(shù)基礎(chǔ)。本文從垃圾焚燒行業(yè)的中國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，探討垃圾焚燒電廠開(kāi)展精細(xì)化、基于數(shù)據(jù)的智能化運(yùn)營(yíng)的方法論和技術(shù)要點(diǎn)，并介紹歐美日本等國(guó)的技術(shù)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)。
垃圾焚燒電廠智能化運(yùn)營(yíng)的前提與基礎(chǔ)
作為環(huán)保產(chǎn)業(yè)與火力發(fā)電的交叉行業(yè)，垃圾焚燒行業(yè)有自己獨(dú)特的運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)和目標(biāo)。在傳統(tǒng)工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展日趨完善的今天，基于數(shù)據(jù)技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的垃圾焚燒行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型，是垃圾焚燒行業(yè)走向未來(lái)的必經(jīng)之路。
垃圾焚燒電廠運(yùn)營(yíng)理念的轉(zhuǎn)變
從日常運(yùn)營(yíng)的角度看，垃圾焚燒電廠的核心運(yùn)營(yíng)目標(biāo)是在當(dāng)前的硬件設(shè)備基礎(chǔ)上，在嚴(yán)格執(zhí)行環(huán)保達(dá)標(biāo)的前提下，提高經(jīng)濟(jì)效益，降低運(yùn)營(yíng)成本。
垃圾焚燒電廠的設(shè)計(jì)交付到人工運(yùn)營(yíng)，在系統(tǒng)控制理論中，屬于靜態(tài)建模的框架。根據(jù)若干典型的燃料組分，若干典型的燃燒工況，和初始的燃燒系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制策略，匯編成為操作手冊(cè)，交付給運(yùn)營(yíng)人員。我們可以理解為，垃圾焚燒電廠的運(yùn)營(yíng)，是由運(yùn)營(yíng)人員，在每一個(gè)獨(dú)立的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，根據(jù)燃燒工況，選擇一個(gè)預(yù)置的控制策略。在這個(gè)框架內(nèi)，同樣存在三個(gè)不可避免的問(wèn)題：燃燒系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性，控制策略的不完整性和控制策略的離散性。
1.在鍋爐設(shè)計(jì)階段，燃燒系統(tǒng)模型屬于以理想狀態(tài)的理論模型為主，配合少部分經(jīng)驗(yàn)化的參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。而對(duì)于實(shí)際交付的鍋爐系統(tǒng)，與理論模型的偏差，一方面來(lái)自于鍋爐的生產(chǎn)、安裝、調(diào)試中的變化，另一方面來(lái)自于鍋爐的長(zhǎng)期使用，損耗、維護(hù)和修改。
2.鍋爐系統(tǒng)的操作手冊(cè)，會(huì)考慮若干典型燃燒工況。過(guò)于復(fù)雜的操作手冊(cè)對(duì)于運(yùn)營(yíng)人員，尤其是較為缺乏經(jīng)驗(yàn)的初級(jí)運(yùn)營(yíng)人員，非但起不到幫助，反而會(huì)造成不必要的誤解和延誤。但是實(shí)際生產(chǎn)中的燃燒工況非常復(fù)雜，有著細(xì)微差別的不同工況可能會(huì)歸類到同一個(gè)典型工況，缺乏細(xì)分的控制策略，并不能保證最優(yōu)的控制策略。
3.現(xiàn)有的鍋爐系統(tǒng)操作手冊(cè)，并沒(méi)有完全考慮不同工況之間調(diào)整轉(zhuǎn)換時(shí)造成的波動(dòng)和影響。更沒(méi)有考慮一個(gè)由多個(gè)不同工況和多個(gè)控制策略連續(xù)轉(zhuǎn)換構(gòu)成的燃燒過(guò)程，屬于典型的一階離散過(guò)程。實(shí)際的燃燒過(guò)程是一個(gè)由若干工況構(gòu)成的連續(xù)的多階過(guò)程。在實(shí)際的運(yùn)營(yíng)中必須考慮各個(gè)控制策略之間的因果關(guān)系。
由以上幾點(diǎn)看出，實(shí)際的垃圾焚燒是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程。國(guó)內(nèi)的垃圾焚燒電廠在投資規(guī)劃階段，會(huì)對(duì)硬件設(shè)備提出較高的設(shè)計(jì)指標(biāo)，為了穩(wěn)定運(yùn)行提供了較大的運(yùn)營(yíng)余量。然而在實(shí)際運(yùn)營(yíng)的操作中，國(guó)內(nèi)絕大部分的垃圾焚燒電廠采用了偏保守的運(yùn)營(yíng)思路，以穩(wěn)定生產(chǎn)，關(guān)注基本指標(biāo)的安全底線為主要目的。因此國(guó)內(nèi)垃圾焚燒電廠存在一定程度上的發(fā)電效率較低，運(yùn)營(yíng)成本較高，沒(méi)有達(dá)到最優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益等問(wèn)題。
為了實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)效益，首先，垃圾焚燒電廠要考慮對(duì)這種穩(wěn)字當(dāng)頭的保守運(yùn)營(yíng)思路進(jìn)行改變，利用垃圾焚燒行業(yè)在國(guó)內(nèi)這些年的經(jīng)驗(yàn)積累，重新計(jì)算和規(guī)劃自身的潛力，然后去探索更加能發(fā)揮自身潛力的運(yùn)營(yíng)技術(shù)和模式。
垃圾焚燒電廠的燃燒控制
爐膛內(nèi)的垃圾燃燒控制是垃圾焚燒電廠的生產(chǎn)工藝核心，垃圾焚燒電廠的運(yùn)營(yíng)目標(biāo)取決于垃圾燃燒控制的質(zhì)量。從工程熱力學(xué)的角度，垃圾燃燒控制的三個(gè)根本性的難點(diǎn)在于垃圾燃料的組分不確定性，人工的控制策略質(zhì)量，和鍋爐燃燒系統(tǒng)的慣性延遲。
1.垃圾燃料的組分不確定性：相對(duì)于煤粉作為燃料的燃煤電廠，運(yùn)營(yíng)人員可以利用定期的煤質(zhì)組分?jǐn)?shù)據(jù)，甚至實(shí)時(shí)在線的組分?jǐn)?shù)據(jù)作為參考，提前規(guī)劃燃燒的控制策略。而垃圾焚燒電廠無(wú)法提供類似的數(shù)據(jù)，只能依靠預(yù)估的垃圾熱值，含水量等粗略的組分?jǐn)?shù)據(jù)，隨時(shí)根據(jù)燃燒狀況的反饋進(jìn)行燃燒的控制策略調(diào)整。不但運(yùn)營(yíng)人員的工作量遠(yuǎn)大于燃煤電廠，而且頻繁的燃燒調(diào)整，也會(huì)導(dǎo)致燃燒過(guò)程的波動(dòng)。
2.人工控制的策略質(zhì)量：由于垃圾焚燒過(guò)程需要大量的運(yùn)營(yíng)人員做出的控制決策，經(jīng)驗(yàn)不同，素質(zhì)水平不同的運(yùn)營(yíng)人員經(jīng)常會(huì)針對(duì)同樣工況做出不同的控制策略，導(dǎo)致不同的燃燒過(guò)程和燃燒質(zhì)量。除此之外，運(yùn)營(yíng)人員本身的因素也不可忽視，比如長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度工作后的疲勞，情緒等因素，也會(huì)造成在同一(班組)運(yùn)營(yíng)人員的控制策略質(zhì)量的不一致，也是燃燒過(guò)程波動(dòng)的原因之一。
3.鍋爐燃燒系統(tǒng)的慣性延遲。垃圾焚燒從投料到尾氣處理這樣一個(gè)完整的燃燒過(guò)程，需要10-15分鐘。因此在運(yùn)營(yíng)人員能直接的看到燃燒的兩項(xiàng)主要結(jié)果，蒸汽生產(chǎn)和排放，已經(jīng)是若干分鐘之前的垃圾燃料在爐排上燃燒的結(jié)果。如果蒸汽生產(chǎn)和排放不能達(dá)到理想指標(biāo)，運(yùn)營(yíng)人員并不能通過(guò)改變當(dāng)前的控制策略去改善結(jié)果。同理，如果運(yùn)營(yíng)人員對(duì)當(dāng)前的控制策略進(jìn)行調(diào)整，最終的燃燒結(jié)果也會(huì)(部分)受到之前幾分鐘和之后幾分鐘的燃燒工況的影響。
在垃圾焚燒電廠的智能化改造的規(guī)劃中，應(yīng)該在系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)，將上述三個(gè)難點(diǎn)作為主要的出發(fā)點(diǎn)。
高水平的垃圾焚燒人工運(yùn)營(yíng)
就人工運(yùn)營(yíng)管理而言，國(guó)外高水平垃圾焚燒人工運(yùn)營(yíng)模式，已經(jīng)在上述的三個(gè)難點(diǎn)上比當(dāng)前國(guó)內(nèi)的垃圾焚燒電廠更加精細(xì)。
在國(guó)內(nèi)大部分的垃圾焚燒電廠，垃圾料倉(cāng)和中控集控分屬兩個(gè)部門。垃圾料倉(cāng)的行車班組主要負(fù)責(zé)根據(jù)發(fā)酵時(shí)間選擇燃料，定時(shí)投料入爐，并且按照發(fā)酵安排進(jìn)行翻料。中控集控的司爐班組，主要負(fù)責(zé)根據(jù)dsc的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，爐尾攝像頭的實(shí)時(shí)火焰圖像，調(diào)整爐排和風(fēng)量。兩個(gè)班組之間溝通交流有限，主要防止投料不足或者投料過(guò)多。在此運(yùn)營(yíng)流程中，如果投料產(chǎn)生了較大不穩(wěn)定，主要由司爐班組去解決，承擔(dān)了大部分的燃燒控制工作。垃圾料倉(cāng)的行車班組作業(yè)比較固化，并不參與過(guò)多燃燒控制決策。
在歐洲比較先進(jìn)的垃圾焚燒電廠，dcs的主要數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)火焰圖像直接提供給負(fù)責(zé)投料的行車班組，由行車班組對(duì)當(dāng)前的燃燒工況進(jìn)行判斷，并且進(jìn)行配料，控制投料時(shí)間，主要負(fù)責(zé)對(duì)垃圾燃燒的控制。在對(duì)入爐燃料已經(jīng)有了一定程度的控制的情況之下，再由司爐班組對(duì)爐排和進(jìn)風(fēng)進(jìn)行較為平緩的調(diào)整。因此整個(gè)控制流程更加細(xì)膩和穩(wěn)定。
對(duì)比兩個(gè)運(yùn)營(yíng)模式，后者在工藝的前段，已經(jīng)在一定程度上避免了燃料組分的不確定性，能讓每次入爐的垃圾組分盡量一致，并且控制投料頻率，保證爐內(nèi)料層一致，進(jìn)而減少了工藝中后道的頻繁調(diào)整。
后一種運(yùn)營(yíng)模式在中國(guó)的推廣有一定的客觀難度。垃圾焚燒行業(yè)在中國(guó)的發(fā)展時(shí)間不算太長(zhǎng)，司爐方面的運(yùn)營(yíng)人員主要由之前燃煤電廠轉(zhuǎn)移，并且知識(shí)結(jié)構(gòu)也是以燃煤電廠的知識(shí)體系為主。行車班組的人員構(gòu)成，基本上以行車司機(jī)為主，相對(duì)缺乏對(duì)燃燒控制或者工程熱力學(xué)的知識(shí)，所以只能執(zhí)行相對(duì)僵化的料倉(cāng)操作。后一種先進(jìn)的運(yùn)營(yíng)模式，對(duì)行車班組的人員素質(zhì)要求較高，可以理解為有行車操作能力的司爐工程師，此類運(yùn)營(yíng)人員在國(guó)內(nèi)非常缺乏。
在國(guó)內(nèi)的垃圾焚燒電廠的智能化推廣和實(shí)施中，應(yīng)該著重利用各種新技術(shù)，盡量輔助和替代運(yùn)營(yíng)人員，彌補(bǔ)運(yùn)營(yíng)人員經(jīng)驗(yàn)和素質(zhì)不足的缺陷，達(dá)到提高運(yùn)營(yíng)水平的目的。
垃圾焚燒行業(yè)其他國(guó)家的技術(shù)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)
日本的垃圾焚燒技術(shù)特點(diǎn)
日本的垃圾焚燒行業(yè)發(fā)展年代早，而且生活垃圾的焚燒比例非常高。日本也給中國(guó)垃圾焚燒行業(yè)帶來(lái)了很多借鑒。時(shí)至今日，中國(guó)的垃圾焚燒電廠依然在硬件設(shè)備和運(yùn)營(yíng)技術(shù)等軟件方面向日本學(xué)習(xí)。比如，不少國(guó)內(nèi)的爐排爐制造商在日本三菱、日立造船等廠商現(xiàn)有爐型上進(jìn)行改進(jìn)，合作開(kāi)發(fā)新型爐排爐，引進(jìn)吸收日本的精細(xì)化的日常運(yùn)營(yíng)。
受到服務(wù)面積，項(xiàng)目密度和商業(yè)模式的影響，日本的1250個(gè)垃圾焚燒項(xiàng)目，單爐超過(guò)350噸/日處理能力的僅有36座。350噸/日處理能力的單爐在我國(guó)屬于典型的小型焚燒爐。國(guó)內(nèi)的新建項(xiàng)目多為大于500噸/日處理能力的單爐，甚至750-1000噸/日處理能力的單爐。在一定程度上，日本的經(jīng)驗(yàn)可以放大爐型，幫助基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，但是日本的垃圾焚燒行業(yè)本身并沒(méi)有很多此類大型項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)。
大型爐排爐系統(tǒng)的操作和中小型爐排爐系統(tǒng)非常不同，從垃圾堆料發(fā)酵和投料，到燃燒過(guò)程中對(duì)推料棒，爐排和風(fēng)量的控制，以及最后環(huán)保系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)。上述幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在不同的垃圾處理能力數(shù)量級(jí)和服務(wù)范圍的條件下，有很大區(qū)別。
除了鍋爐等硬件設(shè)施之外，國(guó)內(nèi)也對(duì)日本的控制和運(yùn)營(yíng)技術(shù)進(jìn)行了借鑒和引進(jìn)。比如日立公司在中國(guó)銷售的一些爐排爐項(xiàng)目，配套了相應(yīng)的自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)(automaticcombustion control，簡(jiǎn)稱acc系統(tǒng))。該技術(shù)可以做到在垃圾熱值穩(wěn)定的情況下，無(wú)需人工介入，僅以dcs系統(tǒng)的溫度和壓力數(shù)據(jù)反饋為基礎(chǔ)，通過(guò)預(yù)設(shè)規(guī)則的固定算法來(lái)計(jì)算爐排控制和風(fēng)量控制。日立公司的acc系統(tǒng)是在德國(guó)deutsche babcock anlagenbau公司90年代研發(fā)的acc系統(tǒng)上改進(jìn)，屬于基于規(guī)則的傳統(tǒng)pid系統(tǒng)，該系統(tǒng)在日本本土應(yīng)用較多。日立acc系統(tǒng)部署調(diào)試周期較長(zhǎng)，需要多次根據(jù)鍋爐運(yùn)行的燃燒結(jié)果數(shù)據(jù)調(diào)整控制節(jié)點(diǎn)的閥值，投產(chǎn)運(yùn)行之后，可以做到60%-70%的運(yùn)營(yíng)時(shí)間無(wú)需人工介入。但是如果燃燒過(guò)程產(chǎn)生較大波動(dòng)，該系統(tǒng)可能無(wú)法保證自動(dòng)燃燒控制，需要切換至人工控制，將燃燒狀態(tài)調(diào)整回比較穩(wěn)定的狀態(tài)后才能繼續(xù)自動(dòng)燃燒控制。目前在歐洲的波恩和哥本哈根等垃圾焚燒電廠已經(jīng)使用更新的傳感器系統(tǒng)和智能化系統(tǒng)取代了類似的acc系統(tǒng)。
從互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代開(kāi)始，日本工業(yè)長(zhǎng)期的保守思想制約了傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)工業(yè)與新技術(shù)的結(jié)合。作為工業(yè)智能化核心技術(shù)的數(shù)據(jù)技術(shù)等方面，并不是日本長(zhǎng)期的科研重心。因此在工業(yè)的智能化方面，逐漸落后于歐美，正在被中國(guó)慢慢追趕，甚至在個(gè)別領(lǐng)域開(kāi)始超越。因此國(guó)內(nèi)垃圾焚燒行業(yè)在智能化的升級(jí)過(guò)程中，應(yīng)該有選擇的學(xué)習(xí)和引進(jìn)日本技術(shù)。
歐洲的垃圾焚燒技術(shù)特點(diǎn)
西歐國(guó)家是垃圾焚燒行業(yè)的發(fā)源地，甚至日本早期也是從德國(guó)瑞士引進(jìn)了爐排爐技術(shù)作為垃圾焚燒的基礎(chǔ)。德國(guó)作為工業(yè)4.0的發(fā)起者，多年前就和西歐其他工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始了基于新一代傳感器，通過(guò)新型傳感器實(shí)現(xiàn)工業(yè)智能化的研發(fā)部署。利用新型數(shù)據(jù)，并配合現(xiàn)有數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行融合，最終形成基于數(shù)據(jù)的先進(jìn)控制技術(shù)的工業(yè)生產(chǎn)智能化進(jìn)程。下面先介紹一下歐洲垃圾焚燒行業(yè)的一些智能化的經(jīng)驗(yàn)。
爐尾高溫?cái)z像頭
歐洲的垃圾焚燒電廠很早就普及了安裝于爐排爐爐尾的耐高溫?cái)z像頭，其中法國(guó)hgh公司的產(chǎn)品占領(lǐng)了歐洲95%的市場(chǎng)，產(chǎn)品品質(zhì)在過(guò)去的30多年中得到了客戶的認(rèn)可。國(guó)內(nèi)一些新建的垃圾焚燒電廠也裝備了類似的耐高溫?cái)z像頭，下面首先直觀的通過(guò)實(shí)際成像對(duì)比一下國(guó)內(nèi)的應(yīng)用場(chǎng)景和hgh產(chǎn)品。在最基本的成像品質(zhì)上，hgh高溫?cái)z像頭基本可以保證所有的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)提供下圖的成像效果，而國(guó)產(chǎn)品牌攝像頭經(jīng)常會(huì)因?yàn)闋t膛內(nèi)飛灰和對(duì)焦問(wèn)題，需要手動(dòng)操作和調(diào)整。
在硬件層面，hgh高溫?cái)z像頭的成像核心是大動(dòng)態(tài)范圍的中分辨率工業(yè)級(jí)傳感器，經(jīng)過(guò)軍工級(jí)黑體校準(zhǔn)，測(cè)溫精度比市場(chǎng)同類產(chǎn)品更高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性更好，更適合爐排爐的應(yīng)用場(chǎng)景。國(guó)產(chǎn)品牌主要采用民用機(jī)高分辨?zhèn)鞲衅?，?dòng)態(tài)范圍難以滿足爐排爐的火焰圖像。在配套軟件上，hgh攝像頭的配套軟件能實(shí)現(xiàn)對(duì)爐膛爐排的自動(dòng)對(duì)焦，通過(guò)除灰算法，增強(qiáng)成像質(zhì)量。在智能化的應(yīng)用中，hgh攝像頭的軟件可以直接輸出爐膛火焰的溫度分布數(shù)據(jù)，火焰形狀數(shù)據(jù)至dcs系統(tǒng)，而目前的國(guó)產(chǎn)攝像頭品牌基本只能提供圖像信號(hào)輸出。另外，hgh高溫?cái)z像頭自帶過(guò)熱保護(hù)退出系統(tǒng)，在攝像頭制冷系統(tǒng)失效的情況下，自動(dòng)將攝像頭退出至安全位置，目前國(guó)產(chǎn)品牌尚未實(shí)現(xiàn)此功能。
料層壓力傳感器
垃圾燃料在爐排上的料層厚度是垃圾焚燒中判斷垃圾燃燒狀況的重要工況因素之一。料層厚度迅速下降，表示燃燒速度過(guò)快，需要進(jìn)行補(bǔ)料，減風(fēng)等操作，料層厚度下降速度緩慢，表示燃燒不足，需要暫停進(jìn)料，加風(fēng)等操作。直觀理解，如果能精確的掌握爐排各段的料層厚度，可以更加精確的指導(dǎo)人工操作。
近三到四年，國(guó)內(nèi)一些垃圾焚燒電廠開(kāi)始在現(xiàn)有的爐排爐系統(tǒng)內(nèi)安裝料層壓力傳感器，通過(guò)爐排上下的粗略的風(fēng)壓壓力差，來(lái)間接計(jì)算或者反映料層厚度。歐洲的一些垃圾焚燒電廠在上世紀(jì)90年代就已經(jīng)做過(guò)類似壓力差傳感器探索，但是經(jīng)過(guò)若干年的實(shí)際運(yùn)營(yíng)，結(jié)構(gòu)上的技術(shù)難點(diǎn)一直無(wú)法克服，現(xiàn)在基本已經(jīng)棄用。首先，來(lái)自于爐膛的各個(gè)二次風(fēng)送風(fēng)口的氣流對(duì)風(fēng)壓傳感器會(huì)造成較大干擾，任何氣流的變化都會(huì)在料層不變的情況下，讀數(shù)都會(huì)產(chǎn)生較大變化。此外在橫截面上，垃圾燃料的形狀隨機(jī)，在爐排上呈不規(guī)則分布，也會(huì)打亂氣流。因此，風(fēng)壓傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)，只有在垃圾均勻分布，氣流穩(wěn)定的情況下才有參考價(jià)值，但是這種情況只是實(shí)際生產(chǎn)中屬于少數(shù)。第二，風(fēng)壓傳感器的測(cè)量值要通過(guò)公式計(jì)算才能轉(zhuǎn)換成量化的料層參數(shù)，每個(gè)爐排爐系統(tǒng)的這個(gè)公式都需要長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)才能確定，很難與燃燒的狀況直接掛鉤，再加上上述的隨機(jī)因素，公式計(jì)算的結(jié)果也經(jīng)常不穩(wěn)定。目前歐洲的垃圾焚燒電廠的此類料層壓力數(shù)據(jù)，會(huì)進(jìn)入dcs系統(tǒng)，在系統(tǒng)中顯示，但是不會(huì)作為控制燃燒的參考。
高參數(shù)發(fā)電
近些年，通過(guò)提高提高蒸汽的溫度和壓力的高參數(shù)發(fā)電，成為了國(guó)內(nèi)部分垃圾焚燒電廠的研究方向，通過(guò)提高發(fā)電效率來(lái)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)效增收。
類似的高參數(shù)發(fā)電技術(shù)路線，在大約20年前，在一些歐洲的垃圾焚燒電廠就被提出，并且開(kāi)展了提高垃圾焚燒的蒸汽溫度和壓力的高參數(shù)試驗(yàn)。在高參數(shù)發(fā)電試驗(yàn)的初期，試點(diǎn)電廠通過(guò)大概六到十二個(gè)月的時(shí)間改進(jìn)了針對(duì)高參數(shù)的燃燒工藝改進(jìn)，效果明顯，在燃料質(zhì)量基本不變的情況下，發(fā)電效率得到了比較明顯的提高，普遍不低于15-20%。但是德國(guó)，法國(guó)和西班牙三家進(jìn)行了高參數(shù)發(fā)電試驗(yàn)的電廠，都在鍋爐內(nèi)壁等換熱系統(tǒng)部件發(fā)生了比較嚴(yán)重的腐蝕。主要由于垃圾燃料的復(fù)雜組分，在新的燃燒工藝下，煙氣通道內(nèi)的高溫金屬鹽成分造成的腐蝕速度遠(yuǎn)大于原有的燃燒工藝，導(dǎo)致了系統(tǒng)故障率上升，多次發(fā)生受迫停機(jī)。之后為了繼續(xù)進(jìn)行高參數(shù)發(fā)電試驗(yàn)，幾家電廠提高了換熱系統(tǒng)零部件的材料參數(shù)規(guī)格，只有一兩家電廠在使用了成本相當(dāng)高的高抗蝕鋼材后，問(wèn)題有所改善，但是依然需要縮短鍋爐系統(tǒng)的維護(hù)周期。因此在試驗(yàn)項(xiàng)目在第三年以后，由于維護(hù)費(fèi)用過(guò)大，基本沒(méi)有經(jīng)濟(jì)效益，上述的幾個(gè)試點(diǎn)電廠都取消了高參數(shù)發(fā)電。目前歐洲基本上沒(méi)有采用高溫高壓的高參數(shù)運(yùn)營(yíng)的垃圾焚燒電廠。
相對(duì)于歐洲的技術(shù)方案，國(guó)內(nèi)的一些垃圾焚燒電廠，比如康恒環(huán)境，采用了爐外再熱技術(shù)方案，避免了高溫水蒸氣對(duì)汽輪機(jī)造成的直接沖擊，可以大幅度降低系統(tǒng)故障。目前試點(diǎn)項(xiàng)目已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了可觀的發(fā)電效率提高，可以期待下一步的長(zhǎng)期反饋。
綜上所述，歐洲的垃圾焚燒電廠與國(guó)內(nèi)的垃圾焚燒電廠規(guī)模相似，在中大型爐排爐的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)積累豐富，并且在工業(yè)智能化已經(jīng)走在前面，更適合中國(guó)垃圾焚燒行業(yè)參考和學(xué)習(xí)。
智能化垃圾焚燒系統(tǒng)的構(gòu)建
垃圾焚燒電廠的智能化技術(shù)的核心需求就是燃燒過(guò)程的優(yōu)化和靈活滿足不同的運(yùn)營(yíng)需求。在智能化的實(shí)施和部署中，首先需要搭建更完善的傳感器系統(tǒng)，提供更多的有效數(shù)據(jù)，然后建立更精準(zhǔn)的燃燒模型，用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)反映燃燒工況，最后通過(guò)優(yōu)化控制算法實(shí)現(xiàn)燃燒控制的決策。
更全面的傳感器系統(tǒng)
在工業(yè)的智能化時(shí)代，出現(xiàn)了大量參數(shù)更高，性能更好的新型傳感器，在以前不能收集數(shù)據(jù)的場(chǎng)景細(xì)節(jié)收集數(shù)據(jù)，或者在更大的范圍內(nèi)更精確的收集數(shù)據(jù)。同時(shí)也有很多軟件層面的進(jìn)步，利用現(xiàn)有的傳感器技術(shù)，配合先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，通過(guò)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)以前不能實(shí)現(xiàn)的測(cè)量目標(biāo)，屬于軟傳感器系統(tǒng)。比如在下圖描述的完整的爐排爐傳感器系統(tǒng)，就包括了三種不同的攝像頭和屬于軟傳感器的熱通量傳感器。
煙道攝像頭與前面介紹的爐尾攝像頭比較類似，屬于高溫工業(yè)攝像頭，可以通過(guò)在煙道的俯視角度來(lái)監(jiān)測(cè)二惡英分解溫度是否達(dá)標(biāo)，分析煙氣的氣體成分，并且在此角度判斷火焰的焰心位置。
投料攝像頭安裝于料倉(cāng)的投料口，可以通過(guò)長(zhǎng)期的學(xué)習(xí)過(guò)程，識(shí)別投料的圖像特征和相應(yīng)的燃燒反饋，間接的在投料步驟初步判斷垃圾組分和熱值。
熱通量傳感器是德國(guó)powitec公司的專利技術(shù)，在爐排位置的爐壁兩側(cè)對(duì)稱布置多組熱通量傳感器，在燃燒區(qū)間上測(cè)量動(dòng)態(tài)的熱力場(chǎng)變化，即燃燒產(chǎn)生的能量密度變化，從而轉(zhuǎn)化成爐排上的火焰的三維形狀和位置。熱通量傳感器硬件技術(shù)簡(jiǎn)單，但是對(duì)燃燒模型精確度要求較高，需要通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行計(jì)算。目前在歐洲，熱通量傳感器已經(jīng)大量應(yīng)用于煤粉爐，爐排爐和回轉(zhuǎn)窯等燃燒系統(tǒng)，用于火焰形狀和位置的監(jiān)測(cè)。
類似的傳感器系統(tǒng)架構(gòu)，在歐洲的垃圾焚燒電廠已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，大部分電廠起碼安裝了兩種以上的上述傳感器，并且傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都已融入了智能控制系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)目前已經(jīng)有燃煤電廠的660mw機(jī)組安裝了熱通量傳感器系統(tǒng)，作為燃煤鍋爐的實(shí)時(shí)數(shù)字孿生燃燒模型重要數(shù)據(jù)源一部分，實(shí)現(xiàn)了20%的深度調(diào)峰。
更精確的燃燒模型
傳統(tǒng)的燃燒模型可以理解為對(duì)燃燒理論的理想化實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中，受到理論框架本身的計(jì)算能力限制，只能將燃料和設(shè)備參數(shù)作為輸入，提供靜態(tài)工況作為輸出，為人工運(yùn)營(yíng)提供參考。在智能化時(shí)代，以自學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)建模的數(shù)字孿生作為燃燒模型，可以在工況計(jì)算的準(zhǔn)確性，模型計(jì)算的即時(shí)性和更全面的燃燒工況信息等方面，提供更準(zhǔn)確的燃燒工況。
自學(xué)習(xí)建模方式利用設(shè)備生成的歷史數(shù)據(jù)，在理想化的理論模型上進(jìn)行修正，并且定期用新產(chǎn)生的設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，保證數(shù)據(jù)模型的即時(shí)性和精準(zhǔn)性。因此自學(xué)習(xí)建?？梢匝a(bǔ)償實(shí)際生產(chǎn)中的設(shè)備安裝和使用損耗這種不確定性。其次自學(xué)習(xí)建?？梢酝ㄟ^(guò)聚類等降維算法，確定對(duì)系統(tǒng)作用最大的參數(shù)，并且加權(quán)，形成一個(gè)簡(jiǎn)化的模型，可以快速計(jì)算燃燒工況。第三，傳統(tǒng)的燃燒模型，只能提供部分關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的溫度，氣體成分等信息。數(shù)字孿生系統(tǒng)可以提供鍋爐燃燒空間內(nèi)每一個(gè)網(wǎng)格的溫度，氣體成分，燃料分布，或能量密度等信息，可以更好的幫助燃燒控制和優(yōu)化。
目前，在德國(guó)aixprocess公司提供的鍋爐燃燒的自學(xué)習(xí)模型系統(tǒng)里，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了爐排爐和煤粉爐的基礎(chǔ)模型，通過(guò)歷史數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和學(xué)習(xí)，可以針對(duì)每一個(gè)不同的鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行個(gè)性化建模。參考下圖，aixprocess系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)計(jì)算煤粉爐燃燒區(qū)域內(nèi)的能量密度(火焰燃燒劇烈程度)，溫度，煤粉流強(qiáng)度，氧氣含量。在實(shí)際使用中，這套數(shù)字孿生系統(tǒng)可以做到每分鐘計(jì)算更新一次，每次更新可以預(yù)測(cè)之后五分鐘內(nèi)的燃燒工況，智能控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)測(cè)的結(jié)果來(lái)進(jìn)行燃燒控制的優(yōu)化。
智能化的閉環(huán)自動(dòng)燃燒控制
傳統(tǒng)的人工運(yùn)營(yíng)，由垃圾焚燒電廠的運(yùn)營(yíng)人員判斷當(dāng)前的燃燒狀態(tài)，進(jìn)行燃燒控制決策，輸入到鍋爐系統(tǒng)執(zhí)行。工業(yè)智能化系統(tǒng)的最大特點(diǎn)之一，就是在決策流程中，用ai算法生成比人工決策更優(yōu)秀的決策。在執(zhí)行層面，可以由智能化系統(tǒng)的決策輔助模式，向運(yùn)營(yíng)人員提出決策建議，通過(guò)人工將控制決策輸入到鍋爐系統(tǒng)執(zhí)行；也可以利用閉環(huán)控制模式，將優(yōu)化控制算法生成的燃燒控制決策直接輸入鍋爐系統(tǒng)執(zhí)行。
現(xiàn)有的人工運(yùn)營(yíng)，依靠鍋爐系統(tǒng)的燃燒效果，作為控制回路的反饋來(lái)調(diào)整燃燒控制。智能化系統(tǒng)，首先通過(guò)利用數(shù)字孿生模型預(yù)測(cè)燃燒控制決策的效果，如果不能滿足運(yùn)營(yíng)目標(biāo)，就繼續(xù)優(yōu)化調(diào)整燃燒控制，直到在數(shù)字孿生模型內(nèi)可以滿足運(yùn)營(yíng)目標(biāo)。這種基于模型預(yù)測(cè)的控制(modelpredictive control)，可以大幅度的縮短之前介紹過(guò)的燃燒系統(tǒng)的控制慣性。
智能化燃燒控制系統(tǒng)每次優(yōu)化運(yùn)算的參考參數(shù)涵蓋了整個(gè)的鍋爐系統(tǒng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工運(yùn)營(yíng)時(shí)的每個(gè)司爐人員自己可以觀察到的有限的若干參數(shù)，因此是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的優(yōu)化過(guò)程，準(zhǔn)確性高于人工控制。智能化系統(tǒng)在每一個(gè)工況下都是選擇不差于歷史數(shù)據(jù)中的控制決策，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間和數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)，燃燒控制的效果是不斷進(jìn)步的。
在智能化系統(tǒng)的傳感器體系下，運(yùn)營(yíng)人工很難利用新增的海量實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)，大量數(shù)據(jù)的計(jì)算與利用完全依賴于算法，而且為了保證實(shí)時(shí)的優(yōu)化結(jié)果的即時(shí)性輸入到鍋爐系統(tǒng)，閉環(huán)控制模式在即時(shí)性上有很大優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，閉環(huán)控制模式可以使燃燒控制擺脫人工，也避免了上述的人工運(yùn)營(yíng)的各種缺點(diǎn)。
隨著“一帶一路”的不斷推進(jìn)，國(guó)內(nèi)的垃圾焚燒頭部企業(yè)在近些年在積極“出海”，開(kāi)拓國(guó)際市場(chǎng)，尤其是第三世界國(guó)家市場(chǎng)，比如光大環(huán)境，中國(guó)天楹在越南的垃圾焚燒項(xiàng)目，錦江環(huán)境在印度和巴西的垃圾焚燒項(xiàng)目。對(duì)于中資企業(yè)的海外垃圾焚燒項(xiàng)目，在前期的項(xiàng)目投資和建設(shè)之外，后期的運(yùn)營(yíng)管理同樣重要。智能化閉環(huán)控制技術(shù)在提高的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，可以減少對(duì)技術(shù)運(yùn)營(yíng)人員的需求，避免了項(xiàng)目在當(dāng)?shù)卣衅讣夹g(shù)人員或者從國(guó)內(nèi)外派，從這個(gè)角度，智能化閉環(huán)控制技術(shù)，提高了項(xiàng)目日常運(yùn)營(yíng)的穩(wěn)定性，大幅度降低投資方的運(yùn)營(yíng)難度。
智能化垃圾焚燒電廠的案例介紹
德國(guó)巴登威騰堡州的巴特梅根特海姆(badmergentheim)電廠,屬于中型熱電聯(lián)產(chǎn)爐排爐電廠，為當(dāng)?shù)鼐用裉峁崃碗娏Α?br>該電廠安裝了完整的智能化傳感器系統(tǒng)，包括投料口攝像頭，提供工藝前端的垃圾組分預(yù)估數(shù)據(jù)，以及爐尾和煙道攝像頭，以及熱通量傳感器，提供實(shí)時(shí)燃燒工況數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)燃燒工藝的量化數(shù)據(jù)收集。通過(guò)aixprocess公司提供的自學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)建模和基于ai的閉環(huán)燃燒控制系統(tǒng)，從2018年起完成了整個(gè)系統(tǒng)的建模和學(xué)習(xí)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化的智能自動(dòng)燃燒控制，是目前運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的無(wú)人化電廠，也是歐洲最完善的，數(shù)字化程度最高的爐排爐系統(tǒng)。在日常運(yùn)營(yíng)中，人工操作僅需要投料和設(shè)置運(yùn)營(yíng)目標(biāo)，之后完全由ai系統(tǒng)接管dcs系統(tǒng)，調(diào)整燃燒優(yōu)化和控制。
在智能化系統(tǒng)完全運(yùn)行之后，與智能化之前的運(yùn)營(yíng)結(jié)果數(shù)據(jù)相比，燃燒穩(wěn)定性提高了2.5%，鍋爐燃燒效率提高了8%，同等電力/熱力產(chǎn)出的燃料開(kāi)銷下降了15%，通過(guò)提高設(shè)備健康，預(yù)測(cè)性維護(hù)調(diào)整檢修周期，電廠的綜合運(yùn)營(yíng)成本降低7-10%。節(jié)省下的人工費(fèi)用和環(huán)保耗材費(fèi)用并為計(jì)入。整個(gè)項(xiàng)目的投資回報(bào)比大概在1:15。
應(yīng)用同樣技術(shù)，在國(guó)內(nèi)一個(gè)日處理能力在800噸(兩臺(tái)爐排爐)的垃圾焚燒電廠，通過(guò)優(yōu)化燃燒，在同樣垃圾燃料平均組份下，可以提高至少每臺(tái)鍋爐每小時(shí)1.2-1.5噸的蒸發(fā)量；閉環(huán)控制系統(tǒng)可以節(jié)約4-6名司爐班組人員；通過(guò)優(yōu)化環(huán)保系統(tǒng)，減少10-15%的環(huán)保耗材費(fèi)用。提高每年綜合經(jīng)濟(jì)效益約為600萬(wàn)至700萬(wàn)元。
結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)人工運(yùn)營(yíng)與智能化技術(shù)運(yùn)營(yíng)過(guò)程，聚焦垃圾焚燒電廠技術(shù)運(yùn)營(yíng)核心難點(diǎn)的工作原理和實(shí)際效果，智能化技術(shù)是未來(lái)垃圾焚燒運(yùn)營(yíng)精細(xì)化發(fā)展的必要技術(shù)核心。相比日本和歐洲在智能化技術(shù)研發(fā)過(guò)程中的一些新技術(shù)研發(fā)，我國(guó)垃圾焚燒電廠的技術(shù)研發(fā)路線需進(jìn)一步有效規(guī)劃，需量體裁衣、因地制宜。而建設(shè)垃圾焚燒電廠智能化系統(tǒng)的軟件與硬件的架構(gòu)方案，需要通過(guò)利用實(shí)際運(yùn)營(yíng)的歷史數(shù)據(jù)和新增的傳感器數(shù)據(jù)，為每一個(gè)垃圾焚燒電廠打造個(gè)性化的燃燒數(shù)字孿生，從而達(dá)到最佳垃圾焚燒燃燒優(yōu)化。相比之下，國(guó)外的一些應(yīng)用案例和實(shí)際運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)可作為我們垃圾焚燒電廠實(shí)踐智能化運(yùn)營(yíng)的參考和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。
原標(biāo)題：【深度】垃圾焚燒“六化”發(fā)展之精細(xì)化管控與智能化升級(jí)