基于“1+1+N”架構的智慧低碳型垃圾焚燒發電廠方案與實踐

劉海威,劉 誠,張瑛華,陳 貺,李一洪,陳德喜,陳 坤

（1.中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038；2.寧波洞橋環保有限公司,江蘇 寧波 315012）

0 引言

垃圾焚燒處理已成為我國垃圾處理的主要方式,垃圾焚燒發電廠不僅承擔處理垃圾的任務,還對國家“碳達峰、碳中和”的戰略實施發揮著積極作用。目前我國累計在運行生活垃圾焚燒發電廠超過500座,焚燒設施設計能力達58萬噸/日,全國城鎮生活垃圾焚燒處理率已達45%,垃圾焚燒對我國城鄉環境的改善以及新能源產業的發展都做出了突出的貢獻。

傳統垃圾焚燒發電廠已有100余年的發展歷史,從工藝方案、核心裝備到控制手段都已日臻完善。我國從20世紀80年代開始探索垃圾焚燒處理技術,在經歷了30余年的發展歷程后,目前在垃圾焚燒、煙氣凈化、余熱發電以及自動控制等方面技術和裝備已趕上世界先進水平,同時政府和公眾對垃圾焚燒發電廠運行的監管措施也日益嚴格。

隨著科技的進步,尤其是進入21世紀以來,5G技術、云計算、物聯網、大數據技術、AR、人工智能等技術的興起和逐步成熟,為垃圾焚燒發電廠進一步提高效率、節能減排以及實施精細化管理以及減少人工等方面提供了新的手段,使垃圾焚燒這個領域從技術層面再上一個臺階成為可能。

1 “1+1+N”數字化信息控制系統架構

“1+1+N”數字化信息系統是中國恩菲結合數字化、人工智能最新技術成果,以及中國恩菲近70年的有色、礦山以及能源環境工程技術經驗,提出的一個智能工廠建設手段,是現代化工廠進一步提升效率,實現低碳生產和無人操作智慧工廠的先進架構方案。

“1+1+N”即1個數據平臺、1個管控中心、N個智慧化應用。通俗地說,1個數據平臺就是各類數據的集散地和協同中心,數據包括格式數據和非格式數據在平臺上都有各自不同的儲存空間(數據庫)?，F代化工廠中的各種設備的健康狀態和性能都可以數字形式展現出來的,網絡就是數據的輸送渠道,可分為有線網絡、無線網絡,負責把數據安全可靠地送往平臺。1個管控中心,是給工廠的管理操作人員提供一個監管生產的手段,是安全可靠生產冗余保障。N個工業智能軟件就是在平臺上挖掘數據價值的一個個“挖掘機”,運用大數據處理技術和人工智能技術把數據中有用的東西提煉出來供工藝系統使用。

這種“1+1+N”控制方式是一種全新的控制理念,它把工藝理論、邏輯控制、人工智慧以及專家系統等都融合在一起,形成了可以自主尋優、自動監測、自動運行、自我學習、故障預判等一系列智慧功能和各系統協同運行的真正意義上的智慧工廠。

表1 中國恩菲“1+1+N”智慧工廠架構示意圖

2 智慧低碳型垃圾發電廠

垃圾焚燒過程是一個多變量、強耦合、大滯后特點的較難實施全自動控制的生產過程,而這種復雜多變量過程控制正是大數據+人工智能控制技術的優勢所在。

智慧低碳型垃圾發電廠是在傳統DCS自動化控制基礎上,采用數字化、智能化技術,從全流程、全要素進行尋優控制,通過智能垃圾收儲與給料、智能焚燒以及冷端優化發電等各工藝環節智慧工業軟件,使垃圾焚燒發電廠各工藝過程效率提高、安全水平提升、運營成本下降、人工操作減少,最終實現低碳智慧運行的新一代垃圾發電廠。

基于“1+1+N”架構的智慧低碳垃圾焚燒發電廠從工藝優化、智能控制、生產調度、設備管理、排放達標、能源管控、安全監管等多個維度對全廠生產管理系統進行了梳理。針對垃圾焚燒關鍵問題與難點,提煉了數字化、智能化、網絡化的智能生產實施要素。通過數據收集、大數據分析,總結出了垃圾焚燒發電廠各流程智能解決方案。

基于“1+1+N”架構的智慧低碳垃圾焚燒發電廠具有如下主要特點:

(1)系統智能尋優運行

應用智能化工業軟件,實時對系統、設備、指標等大數據進行分析,優化垃圾發酵系統、焚燒系統、汽機熱力系統、煙氣凈化系統等關鍵工藝流程,使設備、系統均自動在最佳工況運行。

(2)全廠低碳運行

燃料是電廠節能和提高效率的基礎,垃圾發電廠中垃圾在垃圾池發酵、混合是全廠低碳運行的核心,垃圾智能儲運與給料系統會自動感知與優化垃圾發酵過程,將合格的成品垃圾送入焚燒爐,實現全廠低碳運行。

(3)人工操作減少

通過自動給料、智能運行、智能巡檢、機器人、無人機等設備和軟件,全廠人工操作大量減少,某些工藝環節基本實現“黑燈工廠”運行。

(4)設備可靠性高

設備檢測與故障預診斷系統會對設備各性能參數實時監控,對設備進行健康評估及故障預測,做好預防性維護,設備的可靠性掌握在控制系統之內。

(5)安全性提升

以5G、人臉識別、電子圍欄、人員定位、AR、智能兩票等最新技術的應用,全廠安全水平得到極大的提高。

(6)精細化管理

桌面云、移動APP、實時能耗分析、三維可視化不僅可以提高管理經營效率,更重要的是為管理者提供了精細化管理的手段,可以讓工廠每一個消耗都做到清晰可查。

3 工程實踐

中國恩菲正在實施“平臺化設計、數字化交付、智慧化管理、國際化應用”戰略發展,針對“1+1+N”智慧工廠架構模式,已在2個工程上進行了積極的探索和示范,“1+1+N”智慧工廠實施前,A廠為新建項目,B廠為已投產項目。

3.1 智慧數字平臺

A廠包括焚燒、凈化、余熱利用、飛灰處理等工藝流程,采用具有中國恩菲自主知識產權的“1+1+N”智能工廠架構建設智慧工廠,其智慧數字中臺采用ENFI工業互聯網平臺作為PaaS層基礎平臺,以全廠BIM模型為基礎,集成屬性數據、物聯網數據、生產運營數據,具有設備接入、數據采集、數據分析、智能算法組件、全流程數據庫、三維可視化、定位信息等功能,為智慧工業軟件應用提供基礎。

3.2 一體化管控中心

A廠一體化管控中心采用智能駕駛艙型管控設計,中心分為生產調度區、生產操作區和設備安全環保管理區三部分。

一體化管控平臺實現了管理模式統一化、集約化、扁平化、信息化、專業化,拓展了數字化應用場景和展現模式。功能應用涵蓋安全應急、生產管理、設備管理、能耗管理、環境管理系統智能優化等,實現全廠管控的可視、可知、可控。

圖1 一體化管控中心實景照片

3.3 N個智慧工業軟件

B廠智慧應用包括智能垃圾給料系統、ICC智能焚燒控制系統應用、汽機冷端優化系統等大數據+人工智能技術應用,其ICCENFI(Intelligent Combustion Control),是基于大數據和人工智能技術,并結合中國恩菲二十余年的垃圾焚燒工程經驗,中國恩菲自主開發的新一代垃圾焚燒爐燃燒控制系統。它將垃圾焚燒復雜的工藝原理、現場運行的海量工況數據和操作人員的人工智慧結合,運用大數據深度學習和人工智能,建立了垃圾焚燒爐核心控制算法

庫,開發了獨立運行的軟件系統。該系統克服了傳統ACC系統邏輯控制復雜、投用難度大等缺點,是非常適合我國垃圾焚燒特性、具有國際先進水平的控制系統。

圖2 ICC智能控制軟件實景照片

ICCENFI智能控制系統具有如下優勢:

智能化控制:控制系統附加運行人員經驗與智慧,多參數同步參與控制決策。

系統投用便捷:ICC軟件系統經過短時間大數據學習即可投入焚燒爐控制。

無縫對接現有系統:ICC系統可100%替代ACC控制系統,可實時在手動模式、ACC模式、ICC模式之間切換。

主要控制指標波動小:與人工控制相比,主要控制指標運行數據標準差可減小20%以上。

系統投用率高:24 h投用率可達95%～100%。

4 結語

采用“1+1+N”智能工廠架構建設智慧低碳型垃圾焚燒發電廠理念先進,架構科學,通過2個工程項目的應用和示范,已在全廠取得了更高效、更環保、更經濟、更安全的實踐效果,可為垃圾焚燒發電廠智慧化發展提供可貴的借鑒經驗。