合成氨清潔生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

薛美盛 彭 鋒

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230026)

0 引言

清潔生產(chǎn)發(fā)源于20世紀(jì)70年代歐美發(fā)達(dá)國家［1］。它注重污染物產(chǎn)生環(huán)節(jié)，采用不同于以往單一注重排放結(jié)果的方法，為解決世界范圍內(nèi)環(huán)境問題提供了新的思路。作為一套系統(tǒng)而完整的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，清潔生產(chǎn)已被社會各界所認(rèn)可和接受［2］。2002年6月29日全國人大第二十八次會議通過了《中華人民共和國清潔生產(chǎn)促進(jìn)法》，標(biāo)志著我國清潔生產(chǎn)推進(jìn)進(jìn)入到一個嶄新的時期［3］。

傳統(tǒng)的流域環(huán)境監(jiān)控和企業(yè)排污監(jiān)控手段都是在末端治理的指導(dǎo)思想下研究建立的［4－10］。文獻(xiàn)［4］探討了環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的框架;文獻(xiàn)［5］～［7］研究了不同流域水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng);文獻(xiàn)［8］～［10］研究了大型化工企業(yè)污水處理監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。環(huán)境信息學(xué)產(chǎn)生于信息科學(xué)技術(shù)大發(fā)展的時期［11］，環(huán)境信息系統(tǒng)包括監(jiān)測與控制系統(tǒng)、計算評估與分析系統(tǒng)、規(guī)劃與決策支持系統(tǒng)等［12］。本文受文獻(xiàn)［11］和［12］的啟發(fā)，依托國家環(huán)保部水專項子課題和示范企業(yè)，設(shè)計和開發(fā)了清潔生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，解決了企業(yè)清潔生產(chǎn)的信息瓶頸，并在此基礎(chǔ)上研究實現(xiàn)了合成氨企業(yè)清潔生產(chǎn)的在線評估考核。

1 合成氨清潔生產(chǎn)

1.1 合成氨工藝流程

合成氨的生產(chǎn)工序主要包括造氣、脫硫、一氧化碳變換、脫碳、精制、壓縮與合成。目前，我國采用的合成氨生產(chǎn)工藝主要有無煙煤固定床間歇氣化制氨、水煤漿加壓氣化制氨、天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化(連續(xù)加壓)制氨和天然氣常壓間歇制氨等［13］。

沙潁河流域某合成氨示范企業(yè)原料氣以山西晉城中、小型塊煤(無煙煤)為原料，以空氣和過熱蒸汽為氣化劑，采用間歇式固定層氣化法生產(chǎn)。全廠共有2600 mm煤氣發(fā)生爐10臺。該合成氨企業(yè)采用濕式氧化法，采用堿性栲膠與V2O5的混合溶液進(jìn)行脫硫。一氧化碳變換采用水蒸氣法，二氧化碳采用碳酸丙烯酯物理吸收，同時吸收硫化氫和有機(jī)硫化物等，最后采用銅氨液洗滌法精制原料氣。

1.2 兩水閉路循環(huán)系統(tǒng)

合成氨企業(yè)的兩水閉路循環(huán)系統(tǒng)包括清循環(huán)系統(tǒng)和濁循環(huán)系統(tǒng)。清循環(huán)系統(tǒng)將合成、壓縮、碳化、變換以及精制等工段排放的設(shè)備間接冷卻水，經(jīng)統(tǒng)一收集后，采用冷卻降溫+加藥水至穩(wěn)定+過濾處理后循環(huán)利用。濁循環(huán)系統(tǒng)指將造氣、脫硫工段排放的半水煤氣洗滌廢水，采用混凝沉淀+過濾+冷卻降溫等措施后循環(huán)使用［14］。

合成氨清潔生產(chǎn)示范企業(yè)通過引進(jìn)兩水閉路循環(huán)技術(shù)，這在很大程度上提高了污水回用率、水循環(huán)利用率和氨回收利用率，減少了污染物的排放。

1.3 合成氨清潔生產(chǎn)評估

合成氨企業(yè)清潔生產(chǎn)評估考核分為資源與能耗、生產(chǎn)技術(shù)、污染物產(chǎn)生、資源綜合利用和環(huán)境管理等五個子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)又分為若干個子項。這些子系統(tǒng)和子項指標(biāo)的高低將直接反映企業(yè)環(huán)境管理、資源能耗、污染物產(chǎn)生和排放等方面的水平。合成氨清潔生產(chǎn)評價指標(biāo)如圖1所示。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 InTouch系統(tǒng)簡介

InTouch廣泛應(yīng)用于包括食品加工、半導(dǎo)體、石油與天然氣、汽車、化工、制藥、紙漿和造紙、交通等在內(nèi)的全球眾多縱向市場。通過使用InTouch，不僅可以創(chuàng)建性能強(qiáng)勁、功能齊全的應(yīng)用程序，而且還可以充分利用Microsoft Windows的各項主要功能，包括 ActiveX控件、OLE、圖形及聯(lián)網(wǎng)等。

InTouch包含三個主要程序，分別為InTouch應(yīng)用程序管理器、Window Maker和 WindowViewer。Window Maker是一種開發(fā)環(huán)境，其使用面向?qū)ο蟮膱D形來創(chuàng)建富于動感的觸控式顯示窗口。Window Viewer則是一種運行環(huán)境，用于顯示在 Window Maker中創(chuàng)建的圖形窗口。InTouch使用Microsoft動態(tài)數(shù)據(jù)交換(dynamic data exchange，DDE)、FastDDE、NetDDE和Wonderware SuiteLink協(xié)議與其他的Windows程序、Wonderware I/O服務(wù)器以及同現(xiàn)實世界進(jìn)行通信的第三方I/O服務(wù)器程序進(jìn)行通信。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

針對合成氨企業(yè)生產(chǎn)工藝和兩水閉路循環(huán)系統(tǒng)，提出的清潔生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)如圖2所示。

通過收集合成氨企業(yè)現(xiàn)有的DCS過程實時工況數(shù)據(jù)，并整合企業(yè)資源、產(chǎn)品數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建起合成氨清潔生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和考核平臺。合成氨清潔生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下幾方面的功能:用戶安全控制、可靠數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)組織管理、報表生成和管理、實時和歷史數(shù)據(jù)瀏覽，以及支持更高一級應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合。

2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

采用一臺高性能計算機(jī)作為服務(wù)器，安裝正版Windows Server 2003操作系統(tǒng)、Net Framework 1.1組件和 Visual C++6.0，并安裝 SQL Server 2005 和 IIS。采用支持多種軟硬件通信協(xié)議并提供友好人機(jī)界面的InTouch9.5作為監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)。清潔生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主要功能界面Fig.3 Main functions interface of the system

清潔生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)各部分功能及畫面介紹如下。

①起始畫面設(shè)計，主要是給出整個合成氨廠的全貌，另外設(shè)計系統(tǒng)主流程的登陸按扭，以便進(jìn)入主流程和菜單畫面。

②主流程動態(tài)畫面設(shè)計，工藝主流程動態(tài)畫面是按照合成氨廠各工段和設(shè)備的實際位置設(shè)計的整體畫面。該畫面可直觀地顯示整個合成氨廠污水產(chǎn)生和處理的流程。

③單元流程動態(tài)畫面設(shè)計，單元流程畫面可以使相關(guān)人員更清楚地觀看到子單元的信息，包括生產(chǎn)過程的造氣、脫硫、變換、脫碳、精制和氨合成過程以及污水處理過程中的各個子系統(tǒng)。

④報警設(shè)計，本監(jiān)控對關(guān)鍵排污指標(biāo)按照《合成氨工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)定報警級別和報警限，并對報警采用事件日志的方式進(jìn)行詳細(xì)記錄［16］。

⑤趨勢設(shè)計，趨勢曲線用來顯示各監(jiān)測變量的變化趨勢，為相關(guān)人員提供一種跟蹤工廠污水排放物的直觀顯示。通過應(yīng)用程序設(shè)計，現(xiàn)場工程師不僅可以看到實時的變化趨勢和相當(dāng)長一段時間的歷史趨勢，而且可以定位顯示時間軸上任意點的值。趨勢顯示主要包括廢水總量、新鮮水用量、氨氮、化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand，COD)、pH 值、總氮、總磷以及能耗指標(biāo)等。如果工廠提供檢測設(shè)備，還應(yīng)該包括硫化物、氰化物、固體懸浮物等指標(biāo)。

⑥清潔生產(chǎn)評估指標(biāo)，企業(yè)清潔生產(chǎn)評估指標(biāo)畫面通過文本框字符串描述和清潔生產(chǎn)在線評估隸屬度結(jié)果顯示，并保存記錄企業(yè)清潔生產(chǎn)狀況。

⑦用戶管理，InTouch提供了一套完備的用戶管理和權(quán)限設(shè)置機(jī)制，只需為每個操作員配置用戶名、口令和訪問級別。操作員打開Window Viewer程序，輸入其用戶名與口令登陸后，即可進(jìn)入應(yīng)用程序運行顯示系統(tǒng)。

3 清潔生產(chǎn)在線評估

3.1 模糊分層評估算法

模糊數(shù)學(xué)分層評價方法要求首先建立模糊數(shù)學(xué)綜合評價的模式，再將復(fù)雜的評價問題演變?yōu)橐粋€較簡便的模糊變換［17］。

設(shè) X 為評價因素集，即 X={x1，x2，...，xn}，Y 為評價水平等級決策級，即 Y={y1，y2，...，yn}。對于任意 xi∈X、yj∈Y，rij表示 xi在 yj上的特征指標(biāo);對于每個 xi，得到的一組(ri1，ri2，...，rin)是 xi關(guān)于 Y 的特征指標(biāo)，其中 i=1，2，3...，m。再以這幾組指標(biāo)作為行，組成(m×n)的矩陣R=(rij)m×n，就可得出X到Y(jié)的模糊關(guān)系矩陣，其中rij=1。

用 X 上的模糊集 K=(k1，k2，...，km)表示權(quán)重分配，用A表示決策集上各種決策的隸屬度系數(shù)(一般用最大隸屬度原則選擇對應(yīng)最大的作為評價結(jié)果)，a=1。則有式(2)成立，其中j

3.2 在線評估算法實現(xiàn)

InTouch監(jiān)控軟件作為一個實時的人機(jī)界面實用程序生成器，可以產(chǎn)生在管理級別上的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集程序，而且具有開發(fā)周期短、可生成復(fù)雜友好的交互式圖形界面以及組態(tài)靈活的優(yōu)點。系統(tǒng)所需的復(fù)雜的模糊數(shù)學(xué)評估功能模塊可以用Matlab實現(xiàn)。Matlab以其優(yōu)秀的數(shù)值計算和卓越的數(shù)據(jù)可視化能力，為用戶帶來了簡潔的開發(fā)環(huán)境。采用該語言進(jìn)行復(fù)雜算法的設(shè)計效率很高，并且還提供大量的標(biāo)準(zhǔn)算法庫。此外，Matlab還是一個開放的系統(tǒng)，允許用戶從其他程序直接調(diào)用 Matlab［18］。

Matlab與InTouch應(yīng)用程序也可以用動態(tài)數(shù)據(jù)交換進(jìn)行通信。而應(yīng)用Matlab提供的Runtime Engine可以定制一個Matlab小環(huán)境，用作計算引擎，使用戶程序進(jìn)程與獨立的Matlab進(jìn)程進(jìn)行通信，用戶程序也可通過引擎API函數(shù)操縱Matlab完成所需的功能以及與Matalb之間的數(shù)據(jù)傳遞。

評估考核系統(tǒng)利用Matlab編制模糊分層評估模塊，并由用 VC編制的應(yīng)用程序調(diào)用，完成 VC與Matlab的混合編程。監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器采用InTouch實現(xiàn)人機(jī)界面和數(shù)據(jù)采集，顯示所需的數(shù)據(jù)通過動態(tài)數(shù)據(jù)交換方式從VC程序中得到。

系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)控評估系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖Fig.4 Software framework of monitoring and assessment system

3.3 評估結(jié)果

通過對沙潁河某氮肥示范企業(yè)的各清潔生產(chǎn)要素(控制層)進(jìn)行的調(diào)研和評價，確定其清潔生產(chǎn)子系統(tǒng)評價要素的權(quán)重分配如下。

根據(jù)廠方提供的資料，在系統(tǒng)人機(jī)界面手動輸入量化的企業(yè)資源能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)、工藝等級和環(huán)境管理現(xiàn)狀等級，并自動采集生產(chǎn)過程工況數(shù)據(jù)和污染物排放檢測數(shù)據(jù)，周期計算和顯示清潔生產(chǎn)子系統(tǒng)各要素和母系統(tǒng)的隸屬度判斷表。以下是該示范企業(yè)五個子系統(tǒng)各因素1個月內(nèi)的平均評估隸屬度判斷結(jié)果。

根據(jù)Bi=KCiCi，可得到子系統(tǒng)隸屬度評估結(jié)果如下。

根據(jù)上述結(jié)果，進(jìn)一步構(gòu)建母系統(tǒng)模糊評價矩陣為:

根據(jù)A=KB，得到母系統(tǒng)A的總體評價結(jié)果為:

根據(jù)隸屬度最大原則，得到母系統(tǒng)A清潔生產(chǎn)水平、各子系統(tǒng)中的資源綜合利用率和環(huán)境管理規(guī)范指標(biāo)清潔生產(chǎn)水平均較好。這得益于該企業(yè)引進(jìn)的兩水閉路循環(huán)系統(tǒng)，很大程度上提高了該企業(yè)的水循環(huán)利用率和氨回收利用率。此外，也說明該企業(yè)有較完善的環(huán)境管理體系，但企業(yè)資源和能源利用率以及清潔生產(chǎn)水平略低，而且在該系統(tǒng)中以綜合能耗和土地使用率較為突出。這是影響全廠進(jìn)行清潔生產(chǎn)的主要原因之一，所以該廠進(jìn)行清潔生產(chǎn)提升應(yīng)首先從提高資源和能源利用率著手，著重考慮綜合能耗和土地使用率。

4 結(jié)束語

本文針對目前國內(nèi)包括合成氨企業(yè)在內(nèi)的化工企業(yè)清潔生產(chǎn)評估信息瓶頸的問題，研究構(gòu)建了一套基于InTouch的合成氨企業(yè)清潔生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了合成氨企業(yè)資源能耗、生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)及工況、原料產(chǎn)品、污染物排放和環(huán)境管理五個子系統(tǒng)的信息整合，解決了企業(yè)清潔生產(chǎn)的信息瓶頸。在此基礎(chǔ)上，研究實現(xiàn)了基于Matlab與InTouch混合編程的合成氨企業(yè)清潔生產(chǎn)在線評估考核示范系統(tǒng)。系統(tǒng)采用模糊分層評估算法評估考核了合成氨企業(yè)整廠母系統(tǒng)和不同層次子系統(tǒng)清潔生產(chǎn)現(xiàn)狀，給出了在線清潔生產(chǎn)水平的模糊隸屬度判斷，評估結(jié)果驗證了系統(tǒng)的可行性和有效性。

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