鋼鐵企業無組織超低排放智能管控系統設計與實現

黃爽 明平壽 韓文杰 高啟洋

1.中冶武勘智誠（武漢）工程技術有限公司；2.中冶武勘工程技術有限公司

本系統應用體系化的環保管控治理方法，提供一種鋼鐵企業全覆蓋的環境監測數字化方案，重點關注無組織污染源梳理和環保治理情況。對生產運行數據、環保治理數據、排放監測監控數據等多源異構數據進行統一匯聚與存儲。研制適應于鋼鐵企業場景的數據分析算法，實現智能分析，減少人為干預。基于1:1 比例的全廠三維模型，實現鋼廠生產作業、環保治理、污染排放全過程數字化、可視化，趨勢研判、數值報警、處置執行智慧化，形成嚴密的綠色生產證據鏈條，達到鋼鐵企業無組織超低排放自證清白的效果，提升鋼鐵企業環保管控治理水平。

1 系統建設背景

鋼鐵工業是推動我國經濟發展的重要工業之一。我國鋼鐵工業主要以長流程為主，包括煉焦、活性石灰、球團、燒結、煉鐵、煉鋼、軋鋼及其下游產品加工等主要生產工序。基本所有的工序都涉及污染物排放，且排放量較大。一般長流程鋼鐵企業有組織排放源在100 個以上，各地區環保局都對長流程鋼鐵企業有組織的排口進行長期實時監測，對有組織排放源的監測和監管已經形成了較完善的流程。而長流程鋼鐵企業各生產工序相應的無組織排放源有上千個，并且分散面廣，監管力度相對較弱。雖然近年來鋼鐵行業大氣污染物減排工作取得了重要進展，但總排放量依然居高不下。尤其是火電行業實施超低排放改造以后，鋼鐵行業已成為最大的工業污染物排放來源[1]。

在此背景下，2019 年5 月，生態環境部等五部委部聯合印發了《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》[2]（以下簡稱《意見》），明確了鋼鐵企業所有生產環節的超低排放指標要求，包括有組織排放控制指標、無組織排放控制措施和大宗物料產品清潔運輸要求。《意見》提出到2025 年底前，重點區域鋼鐵企業超低排放改造基本完成，全國力爭80%以上產能完成改造。對于完成超低排放改造的鋼鐵企業在環保稅、獎勵和信貸融資、差別化電價、差別化環保管理、技術支持方面加大政策支持力度。2020 年1 月，中國環境保護產業協會發布《鋼鐵企業超低排放改造技術指南》[3]（以下簡稱《指南》），在有組織排放、無組織排放和清潔運輸方面為鋼鐵企業實施超低排放改造提供參考。

本系統旨在滿足《指南》中“建設全廠集中管控平臺”的無組織排放管控要求，對廠內無組織排放源清單中所有監測、治理設備進行集中管控，并記錄各無組織排放源點相關生產設施運行狀況、收塵、抑塵、清洗等治理設施運行數據、顆粒物監測數據和視頻監控歷史數據[3]。本系統創新性的基于三維模型，綜合利用地理空間信息技術[4，5]、物聯網技術[6]等，賦予環保相關生產、治理、監測設施地理屬性，實現環保報警的三維證據鏈智能分析，提高鋼鐵企業無組織管控治理水平。

2 總體設計方案

無組織超低排放智能管控系統建立在鋼廠三維模型的基礎上，對廠區內的資產、設備、管道、作業區域等進行真實地展現。采用先進的三維激光掃描技術[7]，獲取全廠物體表面的三維點云數據，然后使用逆向建模軟件生成三維模型，并賦予其紋理，最后形成高精度1:1比例的全廠三維模型，作為無組織超低排放智能管控系統的數字底座。對鋼廠虛擬場景內天空、霧等效果進行模擬以增加場景的真實度，在此基礎上結合三維漫游技術、碰撞檢測技術、光線追蹤技術、虛擬仿真技術等實現對場景的深度仿真，提高場景真實度。

系統架構如圖1 所示，包括基礎設施層、平臺服務層和可視化應用層。基礎設施層包括主機網絡資源、攝像頭、總塵濃度監測儀（TSP）、空氣質量微站、空氣質量標準站、VOCs 監測儀和CEMS 等硬件設施。平臺服務層依托數字鋼廠基礎信息平臺，為可視化應用層提供地理信息資源服務，物聯網平臺提供環保監測數據服務，數據中心提供生產、治理設備運行數據。可視化應用層是面向用戶的應用級產品，直接向用戶提供具體的功能實現，包括系統首頁即管理駕駛艙、排放源清單、有組織排放監測、無組織排放監測、環保視頻監控、數據異常報警聯動、三維證據鏈、決策分析等功能模塊。

圖1 系統架構圖Fig.1 Architecture diagram of unorganized ultra-low emission intelligent control system

3 系統功能

3.1 管理駕駛艙

以全廠精細化三維模型為數字底座，利用大數據工具，對全廠各類環保監測數據進行深度挖掘，生成全廠TSP 監測實時均值、TSP 當日增長率、近6h 內廠區空氣質量變化圖、廠區空氣微站監測實時值、分廠污染實時排名、滿足超低排要求時間占比和清潔運輸比例等。通過“一張圖”的形式呈現廠區環保概況，方便管理者及時掌握環保態勢。

3.2 排放源清單

根據《指南》要求，按物料輸送、生產工藝、物料儲存分類，集中管理全廠無組織排放源清單[8]。其中物料輸送清單包括排放源名稱及編號、所屬生產工藝設施/生產環節、物料類型、治理設施《意見》規定要求、治理設施配置情況、治理設施是否滿足《意見》規定要求、監控設施類型及監控設施安裝位置；生產工藝清單包括生產工序、生產設備/車間名稱、無組織排放源名稱、治理設施《意見》規定要求、治理設施配置情況、治理設施是否滿足《意見》規定要求、監控設施類型及監控設施安裝位置；物料儲存清單包括設施名稱及編號、《意見》規定要求、主要參數、封閉方式、存放物料種類、堆取物料作業方式、除塵抑塵設施、出入口數量、車輛清洗裝置、監控設施和全部儲存物料是否滿足《意見》規定要求。系統統計各類排放源數量，通過將各排放源相關的生產、治理、監測設施的關鍵參數上傳至系統，直觀地展示無組織污染源的受控情況及同步運行情況，形成無組織排放源清單，實現超低排放的“自證清白”。

3.3 有組織排放監測

基于廠區三維地圖，賦予全廠有組織排放口空間屬性，將有組織排口根據所屬廠部進行二次分級并顯示排口數量。通過點擊地圖中有組織排放口的CEMS 圖標查看排口CEMS 監測實時數據及詳情，分類展示各種排放物的實時監測值，包括二氧化硫、氮氧化物、顆粒物濃度及流速等。系統以圖表化展示排放物當天24h 的濃度變化趨勢，使企業能夠直觀、實時掌握排放監測數據。有組織排口圖標通過不同顏色顯示排放正常、預警、報警狀態。

3.4 無組織排放監測

無組織排放監測與有組織排放監測類似，監測設備包括TSP、空氣質量微站、VOCs 監測儀和水分監測儀，各類型監測設備的監測因子如表1 所示。基于監測設備空間位置，按需查看各類監測因子的實時數據與當天24h 的變化趨勢。達到按空間位置掌握無組織排放的效果，輔助管理人員精準定位粉塵排放情況。

表1 無組織監測設備監測因子Tab.1 Monitoring factors of unorganized monitoring equipment

3.5 環保視頻監控

系統以視頻專題圖的形式集中管理無組織排放視頻監控。可以在三維模型中按照空間位置播放視頻，同時也可以按照列表方式播放視頻，查看現場實時畫面。按照《意見》和《指南》要求，視頻監控區域包括料場出入口、燒結環冷區域、高爐礦槽和爐頂區域、煉鋼車間頂部、焦爐爐頂、鋼渣處理車間等易產塵點，視頻存儲時間不低于3 個月。

3.6 數據異常報警聯動

系統實時監測覆蓋全廠的TSP、PM2.5、PM10 濃度，根據濃度閾值判斷排放狀態。當粉塵濃度超過閾值時，系統會自動分析相關排放源，以及對應的生產、治理、監測設備同步運轉情況，列舉可能導致超標的原因以及應急預案，實現超標溯源智能分析，聯動現場管理人員，實現報警閉環處理。系統自動記錄超標報警詳細信息，形成設備運行臺賬，為問題定位與故障排查提供有效參考。

TSP 監測設備廣泛分布于各個生產環節，由于原料、工藝不同，粉塵濃度千差萬別，《意見》和《指南》均未規定TSP 限值。但是沒有報警閾值，就不能有效查驗現場粉塵濃度情況，給環境治理工作帶來難題。因此，本系統結合TSP 設備周邊環境，運用基于時間序列滑動均值TSP 報警算法，規定每個TSP 單獨的報警閾值。經過現場驗證本算法能夠有效地探測粉塵溢出情況，為粉塵治理提供報警提示與濃度水平指示。

3.7 三維證據鏈

基于廠區三維地圖，在空間上精準定位每條排放源對應的生產、治理、監測設備位置，聯動顯示生產、治理、監測設備運行數據，形成“生產—治理—監測—超低排放”的證據鏈。系統按照車間對排放源進行詳細分類，使不同工序相關人員能夠快速找到關注的排放源。該功能創新性地實現了粉塵污染物超標三維實景證據鏈分析，顯著減少了現場排查工作量，提高了環保管控效率。

4 應用案例

鋼鐵企業無組織超低排放智能管控系統已在寧波鋼鐵有限公司成功應用，系統經歷了三維建模、排放源清單梳理、無組織監測設備安裝、數據采集、系統開發、測試運營幾個階段。系統首頁（如圖2 所示）整體展示了廠區超低排放情況。排放源清單作為超低排評估的重點內容，通過生產、治理、監測設備同步運行曲線（如圖3 所示）和空間位置的證據鏈（如圖4 所示）證實了廠區對無組織超低排放的合規控制。

圖2 系統首頁Fig.2 The system home page

圖3 生產、治理、監測設備同步運行曲線Fig.3 Synchronous running curves of manufacturing facility,control equipment and monitoring equipment

圖4 超低排放三維證據鏈Fig.4 Ultra-low emission three-dimensional evidence chain

5 結論

（1）本文以廠區三維模型為數字底座，設計了滿足鋼鐵企業超低排放要求的無組織超低排放智能管控系統。實現了覆蓋全廠的生產過程中無組織揚塵的實時監測，全面提升了廠區生態環境管理信息化水平。

（2）聚焦超低排關注的排放源清單，通過與三維地圖聯動，利用地理信息技術的粘合性，賦予環保數據時間和空間屬性。構建了排放源生產、治理、監測的空間證據鏈，通過空間位置與同步運行情況的聯動分析，強化了無組織排放源頭精細化、科技化、系統化管控。

（3）本系統除了全面滿足鋼鐵企業無組織管控的系統建設要求，同時兼顧了有組織排放與清潔運輸的實時監控，以“一張圖”的形式實現了環保管理模式從傳統管理模式，向三維可查、可知、可感、可視的智慧化管控模式轉變。