智能低碳型垃圾焚燒發電廠建設方案與應用實踐

劉海威?劉誠?張瑛華?姚心?駱嘉輝?郭天宇?于德廣

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，同時還具有碳減排功能，對國家碳達峰、碳中和的戰略實施發揮著積極作用。“十四五”期間，我國將全面推進生活垃圾焚燒設施建設，預計到 2025年年底，全國城鎮生活垃圾焚燒處理能力將達到 80萬噸/日左右，城市生活垃圾焚燒處理能力占比65%左右。

隨著科技的進步，新一代信息技術正在驅動新一輪產業變革，尤其是進入21世紀以來，互聯網、大數據、人工智能、5G技術、云計算、物聯網、AR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、實施精細化管理以及減少人工操作等方面提供了新的手段，使垃圾焚燒從技術層面再上一個臺階成為可能。

一、我國垃圾焚燒發電廠建設現狀

傳統垃圾焚燒發電廠已有100余年的發展歷史，從工藝技術、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技術和裝備上已達到世界先進水平，同時政府和公眾對垃圾焚燒發電廠運行的監管與監督措施也日益完善。

20世紀末期，我國開始探索和發展垃圾焚燒處理技術，從引進爐排型垃圾焚燒爐與自主研發流化床焚燒技術開始，逐步發展到爐排爐國產化、爐排爐與循環流化床垃圾焚燒爐齊頭并進，目前已形成以爐排型垃圾焚燒爐技術為主、循環流化床垃圾焚燒技術為輔的焚燒技術基本格局。我國已掌握了垃圾焚燒的核心技術，并涌現了一批裝備制造企業。

煙氣凈化技術方面，目前我國已形成以“爐內SNCR+機械旋轉噴霧脫酸（消石灰）+活性炭吸附+布袋收塵器”為主流工藝的焚燒煙氣凈化流程，可以滿足國標GB 18485—2014生活垃圾焚燒污染控制標準和歐盟2010指令（DIRECTIVE 2010/75/EU）關于垃圾焚燒煙氣排放的要求，工藝流程與國際先進水平一致，部分項目還采用了濕法凈化和SCR高標準脫硝工藝，實現了超凈排放。

在余熱發電技術上，我國垃圾焚燒發電項目以社會資本投資建設方式的BOT（PPP）建設模式為主，資本的力量驅動我國垃圾焚燒余熱發電技術不斷創新發展，余熱鍋爐蒸汽參數從傳統的4.0MPa、400℃，逐漸提升到6.4MPa（5.3MPa）、450℃（430℃），并形成了一套有效的受熱面防腐方案，汽輪發電機組也向著大容量、高效率發展，一些企業甚至在探索更高的參數以及再熱循環應用。

垃圾焚燒發電廠生產過程主要采用集中分散式計算機控制系統（DCS）對全廠進行集中監控，實現機、爐、電統一監視與控制。早期我國DCS控制系統還依賴國外技術與設備，自20世紀90年代開始，國內過程控制自動化企業不斷發展壯大，目前國內垃圾焚燒發電廠DCS控制系統大多采用國內廠商技術與設備，完全可以滿足全廠自動控制的要求。

總體來說，我國垃圾焚燒余熱發電技術已處于技術發展頂端，建設模式與建設方案日趨成熟，垃圾焚燒發電產業發展已從增量階段轉變為存量階段，迫切需要運用新動能來提升行業發展水平。

當前，工業4.0、大數據、人工智能等概念和技術不斷涌現，新技術與垃圾焚燒發電產業的快速融合必將促進垃圾焚燒發電廠全要素生產效率進一步提升，從而催生產業發展的新模式——智能化垃圾焚燒發電廠。

二、智能低碳建設方向

國家“十四五”規劃已將新一代信息技術列為戰略性新興產業，支持互聯網、大數據、人工智能等同各產業深度融合，推動傳統產業高端化、智能化、綠色化發展。

同時，我國為積極應對全球氣候變化和保護全球生物多樣性，實施“雙碳”戰略，這也給各行各業提出了新的機遇與挑戰。垃圾焚燒處理本身具有碳減排功能，結合其自身行業特點還具備進一步進行低碳生產的條件。

（一）智能化建設

垃圾焚燒發電具有市政基礎設施、環保設施、發電設施多重屬性，垃圾成分復雜，燃燒控制難度大，從焚燒處理技術角度和政府公眾監管角度均非常適合大數據和人工智能技術發揮作用。以先進的體系構架方法引領垃圾焚燒發電廠數字化轉型，深度應用新一代信息技術，實現智能化生產與管理。建設新一代智能化垃圾發電廠不僅符合國家戰略發展方向，同時也是垃圾焚燒發電產業自身技術升級的迫切需求。

（二）低碳設計

垃圾焚燒發電廠普遍采用綜合主廠房建設方式，廠房建筑體量大，屋面完全具備建設屋頂分布式光伏發電設施的條件，符合國家能源局《關于報送整縣（市、區）屋頂分布式光伏開發試點方案的通知》中明確的“工商業廠房屋頂總面積可安裝光伏發電比例不低于30%”的要求。另外，垃圾熟化發酵、自然通風等技術手段也是進行低碳生產的有效手段。

三、智能低碳型垃圾發電廠建設方案

（一）建設架構

基于工業互聯網平臺、大數據、人工智能等數字化技術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建設方案。

本文提出“1+1+N”架構的智能工程建設模式，即1個數據中臺、1個全要素智慧管控平臺、N個智慧應用終端和智能軟件App，如圖1所示。

圖1 “1+1+N”型智能低碳垃圾發電廠架構

數據中心是智能化垃圾發電廠的核心基礎硬件設施，該數據中心能夠實現垃圾焚燒發電廠各業務主線全部數據的收集、清洗、存儲與計算，并同時進行綜合統計、任務分析、大數據價值挖掘等數據服務，為生產管理的各種智能應用、分析、預警提供決策支撐。

智慧管控平臺依托工業互聯網平臺，整合分散控制系統（DCS）、電氣控制系統（ECS）、網絡服務器、操作員站、智能裝備以及數據中心等硬件資源。

智慧應用終端和智能軟件運用數據挖掘技術、計算機視覺技術、智能優化控制算法及智能控制策略把數據中有價值的東西提煉出來，使各工藝過程及運行參數得到智能優化控制，確保各系統在不同條件下達到最佳運行狀態，對全廠設備資產數字化、可視化、智能化的監控與管理，實現生產經營各環節的智能分析、智能決策。

通過數字化、智能化技術的應用，使垃圾發電廠自主尋優運行、裝備安全可靠、數據無縫融合、經營智慧決策、組織架構重組、崗位設置重構，最終實現垃圾焚燒發電廠的整體生產效率提高、安全環保水平提升、運營成本下降、人工操作減少和精細化管理，構建全新的智慧燈塔工廠。

（二）建設內容

根據垃圾發電廠的工藝特點，應優先建設廠級經營管控、智能垃圾管理、智能生產運行、智能設備管控和智能安全管理五大智慧生產應用系統，全面提升生產運行效率和安全環保水平（圖2）。

圖2 五大智慧生產應用系統

結合垃圾發電綜合主廠房建筑體量大的特點，在主廠房、綜合樓、水泵房等可以利用的屋頂資源建設分布式光伏發電設施，既可以補充廠內生產用電，也可以方便地利用垃圾發電廠的上網系統將綠色電能輸送出去。

四、智能低碳型垃圾發電廠功能特點

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

智能化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。

智能低碳型垃圾發電廠從工藝優化、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，其主要特點如下。

一是系統智能尋優運行，實時效率最佳。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。

二是全廠低碳運行，綠色可持續發展。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。而且光伏建筑一體化設計可充分發揮垃圾發電綜合主廠房優勢，有效地打造綠色建筑。

三是人工操作減少，質量有保障。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。

四是設備可靠性高，保護城市環境。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。

五是安全性提升。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，促進全廠安全水平得到極大的提高。

六是精細化管理，成本降低。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。

五、智能低碳型垃圾發電廠應用實踐

我國正在積極探索和實踐智能低碳型垃圾發電廠建設模式，基于本文提出的“1+1+N”智慧工廠架構模式和低碳技術，進行了智能化工廠和低碳技術示范與應用。

（一）ICC智能焚燒控制系統應用

智能焚燒控制（ICCENFI，Intelligent Combustion Control）系統，是基于大數據和人工智能技術并結合垃圾焚燒工程經驗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。該系統克服了傳統自動燃燒控制（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。

ICCENFI智能控制系統具有如下優勢。

一是智能化控制。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。

二是系統投用便捷。ICC軟件系統經過短時間大數據學習即可投入焚燒爐控制。

三是無縫對接現有系統。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。

四是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。

五是系統投用率高。24 小時投用率可達95%～100%。

（二）光伏建筑一體化系統

利用光伏建筑一體化技術，在智能低碳型垃圾發電廠的垃圾倉屋面、輔助廠房屋面等安裝多晶硅電池組件，建成具備光伏建筑一體化功能的新能源工業廠房。

該系統是通過太陽能電池將陽光直接變為電能的發電系統。太陽能電池組件經日光照射后，形成低壓直流電，電池組串并聯后的直流電采用電纜送至匯流箱，經匯流箱匯流后采用電纜引至逆變器室，通過逆變器變換成220 V/380 V交流電，供廠用電負荷使用。

光伏建筑一體化系統工藝流程如下：

各車間屋面光伏板面積及裝機容量詳見表1。

表1 各車間屋面光伏板面積及裝機容量

（三）數字化垃圾池

在智能低碳型垃圾發電廠垃圾池內，布置了溫度、壓力傳感器和智能數據處理軟件，實現了數據測量、處理、存儲、顯示查看和報警等功能，實時反饋垃圾池使用情況（圖3）。

圖3 數字化垃圾池系統示意圖

六、結論

現階段，我國垃圾焚燒發電產業無論從規模、處理技術、排放標準，以及政府監管等方面均已達到國際先進水平，未來將隨著數字化、智能化技術的應用，進一步提升處理效率和環保水平。本文提出的智能低碳型垃圾發電廠建設方案符合數字化轉型理念，架構將新舊體系有機結合，通過實際的工程應用和示范，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低碳發展提供借鑒經驗。

參考文獻：

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（責任編輯：張秋辰）