生活垃圾焚燒發(fā)電爐膛中上部溫度5分鐘均值的算法研究實(shí)現(xiàn)

中電國際新能源海南有限公司 廖銀堂

根據(jù)《生活垃圾焚燒發(fā)電廠自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用管理規(guī)定》（生態(tài)環(huán)境部令2019年第10號(hào)，以下簡稱《管理規(guī)定》）生活垃圾焚燒發(fā)電采用爐膛內(nèi)中部、上部截面熱電偶測(cè)量溫度的5分鐘均值達(dá)到850℃作為爐膛溫度的判定標(biāo)準(zhǔn)。為督促垃圾焚燒廠減少有害物質(zhì)排放，同時(shí)考慮到我國生活垃圾的實(shí)際情況及焚燒狀況，《管理規(guī)定》提出對(duì)于1個(gè)自然日內(nèi)爐膛溫度5分鐘均值不達(dá)標(biāo)次數(shù)累計(jì)超過5次的，將予以處罰[1]。因此，研究一種可靠、穩(wěn)定、易實(shí)現(xiàn)的爐膛溫度5分鐘均值算法相當(dāng)重要。

1 生活垃圾填埋處理存在的問題

1.1 侵占土地、污染土壤

生活垃圾的堆放或填埋占用大量的土地資源，堆放產(chǎn)生的滲濾液滲透到土壤和水體中，影響土壤的成分及結(jié)構(gòu)，污染地下水，造成嚴(yán)重土壤污染、水質(zhì)惡化。

1.2 污染空氣環(huán)境

生活垃圾在露天堆放或者運(yùn)輸、焚燒處理過程中，因?yàn)槿狈Ρ匾姆雷o(hù)處理措施、燃燒不充分、環(huán)保物料投放不足等原因，排放不達(dá)標(biāo)，造成環(huán)境污染。

1.3 危害人體健康

空氣環(huán)境、地下水污染、細(xì)菌傳播、二噁英產(chǎn)生、重金屬等都會(huì)對(duì)人類生存環(huán)境造成影響，引發(fā)各種疾病，危害人類健康。

1.4 鄰避效應(yīng)

垃圾焚燒發(fā)電的建設(shè)和運(yùn)營群眾普遍認(rèn)為有污染有危害，比較反對(duì)和排斥臨近建設(shè)，擔(dān)心生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生致癌物質(zhì)二噁英等，這是造成建設(shè)生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目選址、建設(shè)、投產(chǎn)、運(yùn)營的難題。

1.5 信息公開化

生產(chǎn)過程中的環(huán)保排放不公開透明，各地方公開的排放信息內(nèi)容不統(tǒng)一。缺少民眾參與和監(jiān)督，難打消民眾的擔(dān)憂，從而難以獲得群眾的支持。

2 生活垃圾焚燒處理的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2.1 體積減量化

垃圾焚燒后，體積相對(duì)填埋處理可減少90%以上，重量可以減輕80%以上。垃圾焚燒后灰渣填埋，可以有效地減少填埋對(duì)土地資源的占用。

2.2 處理無害化

生活垃圾經(jīng)過高溫焚燒后可以消除垃圾中存在的大量有害病菌和有毒物質(zhì)，也可有效減小垃圾堆放過程中產(chǎn)生的滲濾液對(duì)土壤和地下水資源的污染。焚燒后的氣體和飛灰經(jīng)過活性碳、螯合劑等凈化處理，可以有效對(duì)煙氣、飛灰中的二噁英、重金屬等污染物進(jìn)行吸附、固化處理，達(dá)到無害化處理。

2.3 資源能源化

生活垃圾中存在的熱值經(jīng)過發(fā)酵，高溫焚燒后產(chǎn)生的熱能可用于發(fā)電和供熱，資源的有效利用，實(shí)現(xiàn)能源回收，垃圾處理得到良好循環(huán)的能源化利用。

3 目前生活垃圾焚燒處理存在的難題

3.1 鄰避問題

“鄰避效應(yīng)”在我國是生活垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)較為突出的問題。垃圾焚燒發(fā)電具有垃圾減量效果明顯、垃圾熱值可利用等特點(diǎn)，是解決生活垃圾圍城、垃圾填埋的重要手段，已逐步成為無害化處理的發(fā)展方向，是解決“避鄰問題”的最有效方案。

3.2 環(huán)保法規(guī)

《管理規(guī)定》提出將爐膛中部、上部溫度5分鐘均值的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可作為生活垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)污染物排放超標(biāo)違法行為的認(rèn)定和處罰。該法規(guī)規(guī)定填補(bǔ)了自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)直接用于行政處罰的空白，并在全國范圍內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)率先全面應(yīng)用，使得生活垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)的監(jiān)管更加透明。還有效促進(jìn)企業(yè)提升管理、升級(jí)生產(chǎn)工藝，自覺守法，促進(jìn)生活垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)高質(zhì)量良性發(fā)展。

3.3 信息化平臺(tái)

自動(dòng)監(jiān)測(cè)具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、掉線自動(dòng)報(bào)警、超標(biāo)自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)下發(fā)督辦單等優(yōu)勢(shì)，有效解決環(huán)境監(jiān)管盲區(qū)和死角。以往對(duì)排污單位的監(jiān)測(cè)主要以手工為主，《管理規(guī)定》創(chuàng)新型地提出自動(dòng)監(jiān)控手段，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控各生產(chǎn)企業(yè)、結(jié)合線下執(zhí)法聯(lián)動(dòng)，提升環(huán)境執(zhí)法效率，有力震懾生產(chǎn)企業(yè)各種違法排污行為。

3.4 二噁英問題

目前無法對(duì)二噁英的進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，只能通過現(xiàn)場(chǎng)手工取樣，在實(shí)驗(yàn)室通過專業(yè)儀器驚醒檢測(cè)分析。為了使?fàn)t膛內(nèi)燃燒產(chǎn)生二噁英的產(chǎn)生量最小化，爐內(nèi)煙氣溫度必須保持在850℃或者更高達(dá)到2秒以上，這是確保二噁英達(dá)標(biāo)排放的關(guān)鍵。爐膛溫度監(jiān)測(cè)的公示，接受公眾監(jiān)督，也可以有效督促生產(chǎn)企業(yè)達(dá)標(biāo)排放。

4 爐膛溫度監(jiān)測(cè)問題的解決探究

4.1 環(huán)保法規(guī)

按照《管理規(guī)定》，采用爐膛內(nèi)中部、上部截面熱電偶的5分鐘均值達(dá)到850℃作為爐膛溫度的判定標(biāo)準(zhǔn)，提出了對(duì)每日爐膛溫度5分鐘均值不達(dá)標(biāo)次數(shù)累計(jì)超過5次的，予以處罰和督辦。

4.2 信息化

利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)分析、公示公開化等手段杜絕生產(chǎn)企業(yè)環(huán)保數(shù)據(jù)造假。全國垃圾焚燒廠的煙氣排放自動(dòng)監(jiān)測(cè)，環(huán)保數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到環(huán)保部門監(jiān)控中心進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，弄虛作假、違規(guī)排放等行為很容易被智能識(shí)別出來。

4.3 標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化

《管理規(guī)定》對(duì)爐膛溫度的采樣、監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)、傳輸做了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求，避免各地方實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)不一致，生產(chǎn)企業(yè)公示的環(huán)保信息不全面，造成民眾監(jiān)督困難。

5 爐膛5分鐘均值算法的實(shí)現(xiàn)研究

5.1 按照《“裝、樹、聯(lián)”》技術(shù)要求和實(shí)施指導(dǎo)

垃圾焚燒發(fā)電廠應(yīng)在每臺(tái)焚燒爐中部截面、上部截面至少設(shè)置各3個(gè)熱電偶溫度測(cè)點(diǎn)，熱電偶測(cè)點(diǎn)溫度與熱電偶參比端環(huán)境溫度以數(shù)字信號(hào)的形式接入到數(shù)據(jù)采集傳輸儀，實(shí)時(shí)上傳到生態(tài)環(huán)境部門[2]。

分別選取焚燒爐爐膛中部和上部兩個(gè)截面的熱電偶溫度測(cè)量值的中位數(shù)，累積計(jì)算兩個(gè)中位數(shù)的平均值的5分鐘均值。

中部、上部5分鐘均值計(jì)算過程如下：

步驟1：選取爐膛中部和上部的熱電偶測(cè)量溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，分別選取爐膛內(nèi)中部、上部熱電偶測(cè)量溫度的中位數(shù)。

Ti：表示某時(shí)刻中部或者上部截面n 個(gè)熱電偶測(cè)量實(shí)時(shí)值的中位數(shù)，按照（1）公式進(jìn)行計(jì)算；

其中t1,t2,…,tn為各截面熱電偶測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)值。

步驟2：計(jì)算爐膛中部、上部截面熱電偶測(cè)量溫度中位數(shù)的算術(shù)平均值。

Tx：某時(shí)刻爐膛內(nèi)中部、上部截面中位數(shù)的算術(shù)平均值，按照（2）公式計(jì)算。

其中，T1為中部截面的中位數(shù)，T2為上部截面的中位數(shù)。

步驟3：計(jì)算自每日0點(diǎn)00分開始每5分鐘的算術(shù)平均值，例如：取00:00 至00:05分（不包含）之間的5分鐘均值。

Tv：爐膛中部、上部截面中位數(shù)算術(shù)平均值的累積5分鐘均值，取每5分鐘數(shù)據(jù)進(jìn)行累積計(jì)算，按照（3）公式計(jì)算。

m 為5分鐘內(nèi)取樣的總數(shù)。

5.2 SAMA 圖設(shè)計(jì)思路

為了更好的表達(dá)和理解算法的過程，使用SAMA圖設(shè)計(jì)繪制算法過程控制系統(tǒng)圖。SAMA圖作為熱工控制系統(tǒng)最廣泛使用的控制工程圖例之一，其輸入、輸出關(guān)系、簡化的功能塊英文標(biāo)識(shí)和流程方向與DCS 控制組態(tài)圖比較接近，便于理清思路、易于理解，清晰表達(dá)全部控制功能和信號(hào)處理流程，在不同語言國家、廠家和不同版本的DCS 系統(tǒng)、PLC 系統(tǒng)中能夠按照SAMA 圖快速實(shí)現(xiàn)算法的表達(dá)。

在設(shè)計(jì)熱工控制系統(tǒng)時(shí)，首先根據(jù)控制過程的需求，繪制過程控制系統(tǒng)的SAMA圖，DCS 系統(tǒng)組態(tài)人員根據(jù)SAMA圖的表達(dá)，進(jìn)行DCS 邏輯、算法組態(tài)的設(shè)計(jì)，利用DCS 系統(tǒng)自帶的常用的功能塊和算法塊快速的實(shí)現(xiàn)DCS 組態(tài)。按照爐膛中部、上部溫度5分鐘均值算法要求進(jìn)行SAMA圖設(shè)計(jì)，見圖1。

圖1 SAMA 圖設(shè)計(jì)

5.3 DCS 系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)

分布式控制系統(tǒng)簡稱DCS，以高性能微處理器為基礎(chǔ)，采用分散控制、集中操作、和集中管理的基本設(shè)計(jì)思想。DCS 系統(tǒng)具有高可靠性、高安全性和最大的靈活性，在硬件和軟件中全部采用冗余技術(shù)，綜合了容錯(cuò)技術(shù)、隔離技術(shù)、故障自診斷和先進(jìn)控制算法技術(shù)等特點(diǎn)。DCS 依靠專業(yè)的算法庫、豐富的控制、運(yùn)算模塊的靈活組態(tài)，可實(shí)現(xiàn)多樣化的控制策略以滿足不同情況下的需要，使得在單元組合儀表實(shí)現(xiàn)起來相當(dāng)繁瑣與復(fù)雜的命題變得簡單[3]。

本項(xiàng)目基于公司#3爐DCS 系統(tǒng)算法組態(tài)為例。項(xiàng)目情況：垃圾處理量600t/d；爐排結(jié)構(gòu)：往復(fù)式機(jī)械爐排爐；爐膛中部、上部截面：各3支熱電偶測(cè)點(diǎn)；DCS 系統(tǒng)：杭州和利時(shí)；軟件版本：MACS V6.5.2；主控：K-CU01；采樣頻率：1秒/個(gè)。

通過SA M A圖將算法流程表達(dá)出來，用到DCS 系統(tǒng)自帶的幾個(gè)常用功能塊：獲取控制器時(shí)間模塊RTSTIME、中值計(jì)算模塊HSMEDSEL、計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)算法模塊STATISTICS_REAL，取余模塊MOD 等。

DCS 算法實(shí)現(xiàn)過程：

爐膛中部、上部截面溫度中值選擇，中值計(jì)算模塊HSMEDSEL 工作模式MD 選擇中值模式：0。任意兩點(diǎn)越線偏差設(shè)置為100℃，當(dāng)3個(gè)溫度點(diǎn)都是好點(diǎn)時(shí)直接輸出中值；2個(gè)溫度點(diǎn)有2個(gè)是好點(diǎn)時(shí)輸出2個(gè)好點(diǎn)的平均值，只有1個(gè)好點(diǎn)時(shí)把該好點(diǎn)作為中值輸出。見圖2。

圖2 截面中值選擇

中值的算術(shù)平均值累計(jì)輸出，利用計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)算法模塊STATISTICS_REAL 實(shí)時(shí)累積計(jì)算平均值，待MOVE 功能塊使用觸發(fā)輸出。利用實(shí)時(shí)累積計(jì)算功能塊相對(duì)一維數(shù)組、二維數(shù)組的算法更加節(jié)省控制器內(nèi)存，減輕主控負(fù)擔(dān)，也更加容易、便捷實(shí)現(xiàn)組態(tài)，以及算法移植。見圖3。

圖3 中值平均值累計(jì)輸出

5分鐘定時(shí)觸發(fā)算法，利用RTSTIME 模塊獲取控制器時(shí)間，巧妙利用取余模塊MOD，得到精準(zhǔn)的5分鐘（300秒）定時(shí)觸發(fā)輸出。同理，通過修改秒數(shù)，可以輕松實(shí)現(xiàn)分鐘均值、小時(shí)均值、日均值輸出。見圖4。

圖4 5分鐘定時(shí)觸發(fā)器

算法綜合組態(tài)，將中值算法、統(tǒng)計(jì)算法、定時(shí)觸發(fā)器算法等進(jìn)行合理組態(tài)。見圖5。

圖5 算法綜合組態(tài)

算法的在線論證，DCS 系統(tǒng)登陸在線，獲取中部、上部截面各測(cè)點(diǎn)的溫度實(shí)時(shí)值進(jìn)行中值選擇和計(jì)算，結(jié)果見圖6。

圖6 中值選擇算法的論證

截取1個(gè)小時(shí)的5分鐘均值的曲線，結(jié)果見圖7。

圖7 曲線結(jié)果論證

6 結(jié)論

DCS 算法組態(tài)下裝后，從算法在線和歷史曲線看，符合設(shè)計(jì)意圖，爐膛中部、上部截面溫度5分鐘均值計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果完全符合設(shè)計(jì)構(gòu)想，滿足環(huán)保監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)要求。此算法可以在不同語言、不同廠家、不同版本的DCS、PLC 等控制系統(tǒng)中快速實(shí)現(xiàn)組態(tài)，具有通用性、易用性、高效性。