智能低碳型垃圾焚燒發(fā)電廠建設(shè)方案與應(yīng)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(fā)電廠不僅承擔(dān)處理垃圾的任務(wù)，同時還具有碳減排功能，對國家碳達峰、碳中和的戰(zhàn)略實施發(fā)揮著積極作用?！笆奈濉逼陂g，我國將全面推進生活垃圾焚燒設(shè)施建設(shè)，預(yù)計到 2025年年底，全國城鎮(zhèn)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(shù)正在驅(qū)動新一輪產(chǎn)業(yè)變革，尤其是進入21世紀以來，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G技術(shù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、AR等技術(shù)的興起和逐步成熟，為垃圾焚燒發(fā)電廠進一步提高效率、節(jié)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(shù)層面再上一個臺階成為可能。

一、我國垃圾焚燒發(fā)電廠建設(shè)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)垃圾焚燒發(fā)電廠已有100余年的發(fā)展歷史，從工藝技術(shù)、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(shù)，在經(jīng)歷了30余年的發(fā)展歷程后，目前在垃圾焚燒、煙氣凈化、余熱發(fā)電以及自動控制等技術(shù)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(fā)電廠運行的監(jiān)管與監(jiān)督措施也日益完善。

20世紀末期，我國開始探索和發(fā)展垃圾焚燒處理技術(shù)，從引進爐排型垃圾焚燒爐與自主研發(fā)流化床焚燒技術(shù)開始，逐步發(fā)展到爐排爐國產(chǎn)化、爐排爐與循環(huán)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(shù)為主、循環(huán)流化床垃圾焚燒技術(shù)為輔的焚燒技術(shù)基本格局。我國已掌握了垃圾焚燒的核心技術(shù)，并涌現(xiàn)了一批裝備制造企業(yè)。

煙氣凈化技術(shù)方面，目前我國已形成以“爐內(nèi)SNCR+機械旋轉(zhuǎn)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(biāo)GB 18485—2014生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)和歐盟2010指令（DIRECTIVE 2010/75/EU）關(guān)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(biāo)準(zhǔn)脫硝工藝，實現(xiàn)了超凈排放。

在余熱發(fā)電技術(shù)上，我國垃圾焚燒發(fā)電項目以社會資本投資建設(shè)方式的BOT（PPP）建設(shè)模式為主，資本的力量驅(qū)動我國垃圾焚燒余熱發(fā)電技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，余熱鍋爐蒸汽參數(shù)從傳統(tǒng)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(fā)電機組也向著大容量、高效率發(fā)展，一些企業(yè)甚至在探索更高的參數(shù)以及再熱循環(huán)應(yīng)用。

垃圾焚燒發(fā)電廠生產(chǎn)過程主要采用集中分散式計算機控制系統(tǒng)（DCS）對全廠進行集中監(jiān)控，實現(xiàn)機、爐、電統(tǒng)一監(jiān)視與控制。早期我國DCS控制系統(tǒng)還依賴國外技術(shù)與設(shè)備，自20世紀90年代開始，國內(nèi)過程控制自動化企業(yè)不斷發(fā)展壯大，目前國內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電廠DCS控制系統(tǒng)大多采用國內(nèi)廠商技術(shù)與設(shè)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(fā)電技術(shù)已處于技術(shù)發(fā)展頂端，建設(shè)模式與建設(shè)方案日趨成熟，垃圾焚燒發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展已從增量階段轉(zhuǎn)變?yōu)榇媪侩A段，迫切需要運用新動能來提升行業(yè)發(fā)展水平。

當(dāng)前，工業(yè)4.0、大數(shù)據(jù)、人工智能等概念和技術(shù)不斷涌現(xiàn)，新技術(shù)與垃圾焚燒發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速融合必將促進垃圾焚燒發(fā)電廠全要素生產(chǎn)效率進一步提升，從而催生產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新模式——智能化垃圾焚燒發(fā)電廠。

二、智能低碳建設(shè)方向

國家“十四五”規(guī)劃已將新一代信息技術(shù)列為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，支持互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等同各產(chǎn)業(yè)深度融合，推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)高端化、智能化、綠色化發(fā)展。

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

（一）智能化建設(shè)

垃圾焚燒發(fā)電具有市政基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)保設(shè)施、發(fā)電設(shè)施多重屬性，垃圾成分復(fù)雜，燃燒控制難度大，從焚燒處理技術(shù)角度和政府公眾監(jiān)管角度均非常適合大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)發(fā)揮作用。以先進的體系構(gòu)架方法引領(lǐng)垃圾焚燒發(fā)電廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型，深度應(yīng)用新一代信息技術(shù)，實現(xiàn)智能化生產(chǎn)與管理。建設(shè)新一代智能化垃圾發(fā)電廠不僅符合國家戰(zhàn)略發(fā)展方向，同時也是垃圾焚燒發(fā)電產(chǎn)業(yè)自身技術(shù)升級的迫切需求。

（二）低碳設(shè)計

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

三、智能低碳型垃圾發(fā)電廠建設(shè)方案

（一）建設(shè)架構(gòu)

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、大數(shù)據(jù)、人工智能等數(shù)字化技術(shù)是現(xiàn)代化工廠進一步提升效率、實現(xiàn)低碳生產(chǎn)和無人操作智慧工廠的先進建設(shè)方案。

本文提出“1+1+N”架構(gòu)的智能工程建設(shè)模式，即1個數(shù)據(jù)中臺、1個全要素智慧管控平臺、N個智慧應(yīng)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(fā)電廠架構(gòu)

數(shù)據(jù)中心是智能化垃圾發(fā)電廠的核心基礎(chǔ)硬件設(shè)施，該數(shù)據(jù)中心能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾焚燒發(fā)電廠各業(yè)務(wù)主線全部數(shù)據(jù)的收集、清洗、存儲與計算，并同時進行綜合統(tǒng)計、任務(wù)分析、大數(shù)據(jù)價值挖掘等數(shù)據(jù)服務(wù)，為生產(chǎn)管理的各種智能應(yīng)用、分析、預(yù)警提供決策支撐。

智慧管控平臺依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，整合分散控制系統(tǒng)（DCS）、電氣控制系統(tǒng)（ECS）、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、操作員站、智能裝備以及數(shù)據(jù)中心等硬件資源。

智慧應(yīng)用終端和智能軟件運用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、計算機視覺技術(shù)、智能優(yōu)化控制算法及智能控制策略把數(shù)據(jù)中有價值的東西提煉出來，使各工藝過程及運行參數(shù)得到智能優(yōu)化控制，確保各系統(tǒng)在不同條件下達到最佳運行狀態(tài)，對全廠設(shè)備資產(chǎn)數(shù)字化、可視化、智能化的監(jiān)控與管理，實現(xiàn)生產(chǎn)經(jīng)營各環(huán)節(jié)的智能分析、智能決策。

通過數(shù)字化、智能化技術(shù)的應(yīng)用，使垃圾發(fā)電廠自主尋優(yōu)運行、裝備安全可靠、數(shù)據(jù)無縫融合、經(jīng)營智慧決策、組織架構(gòu)重組、崗位設(shè)置重構(gòu)，最終實現(xiàn)垃圾焚燒發(fā)電廠的整體生產(chǎn)效率提高、安全環(huán)保水平提升、運營成本下降、人工操作減少和精細化管理，構(gòu)建全新的智慧燈塔工廠。

（二）建設(shè)內(nèi)容

根據(jù)垃圾發(fā)電廠的工藝特點，應(yīng)優(yōu)先建設(shè)廠級經(jīng)營管控、智能垃圾管理、智能生產(chǎn)運行、智能設(shè)備管控和智能安全管理五大智慧生產(chǎn)應(yīng)用系統(tǒng)，全面提升生產(chǎn)運行效率和安全環(huán)保水平（圖2）。

圖2 五大智慧生產(chǎn)應(yīng)用系統(tǒng)

結(jié)合垃圾發(fā)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(shè)分布式光伏發(fā)電設(shè)施，既可以補充廠內(nèi)生產(chǎn)用電，也可以方便地利用垃圾發(fā)電廠的上網(wǎng)系統(tǒng)將綠色電能輸送出去。

四、智能低碳型垃圾發(fā)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(chǎn)過程，而這種復(fù)雜多變量的過程控制正是“大數(shù)據(jù)+人工智能”控制技術(shù)的優(yōu)勢所在。

智能化垃圾發(fā)電廠是在傳統(tǒng)DCS自動化控制基礎(chǔ)上，采用數(shù)字化、智能化技術(shù)，從全流程、全要素進行尋優(yōu)控制，通過智能垃圾收儲與給料、智能焚燒以及冷端優(yōu)化發(fā)電等各工藝環(huán)節(jié)智慧工業(yè)軟件，使垃圾焚燒發(fā)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(xiàn)低碳智慧運行的新一代垃圾發(fā)電廠。

智能低碳型垃圾發(fā)電廠從工藝優(yōu)化、智能控制、生產(chǎn)調(diào)度、設(shè)備管理、排放達標(biāo)、能源管控、安全監(jiān)管等多個維度對全廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)進行了梳理。針對垃圾焚燒關(guān)鍵問題與難點，提煉了數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的智能生產(chǎn)實施要素，其主要特點如下。

一是系統(tǒng)智能尋優(yōu)運行，實時效率最佳。應(yīng)用智能化工業(yè)軟件，實時對系統(tǒng)、設(shè)備、指標(biāo)等大數(shù)據(jù)進行分析，優(yōu)化垃圾發(fā)酵系統(tǒng)、焚燒系統(tǒng)、汽機熱力系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)等關(guān)鍵工藝流程，使設(shè)備、系統(tǒng)均自動在最佳工況運行。

二是全廠低碳運行，綠色可持續(xù)發(fā)展。燃料是電廠節(jié)能和提高效率的基礎(chǔ)，垃圾發(fā)電廠中垃圾在垃圾池發(fā)酵、混合是全廠低碳運行的核心，垃圾智能儲運與給料系統(tǒng)會自動感知與優(yōu)化垃圾發(fā)酵過程，將合格的成品垃圾送入焚燒爐，實現(xiàn)全廠低碳運行。而且光伏建筑一體化設(shè)計可充分發(fā)揮垃圾發(fā)電綜合主廠房優(yōu)勢，有效地打造綠色建筑。

三是人工操作減少，質(zhì)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(shè)備和軟件，全廠人工操作大量減少，某些工藝環(huán)節(jié)基本實現(xiàn)“黑燈工廠”運行。

四是設(shè)備可靠性高，保護城市環(huán)境。設(shè)備檢測與故障預(yù)診斷系統(tǒng)會對設(shè)備各性能參數(shù)實時監(jiān)控，對設(shè)備進行健康評估及故障預(yù)測，做好預(yù)防性維護，設(shè)備的可靠性掌握在控制系統(tǒng)之內(nèi)。

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(shù)的應(yīng)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(jīng)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(fā)電廠應(yīng)用實踐

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

（一）ICC智能焚燒控制系統(tǒng)應(yīng)用

智能焚燒控制（ICCENFI，Intelligent Combustion Control）系統(tǒng)，是基于大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)并結(jié)合垃圾焚燒工程經(jīng)驗開發(fā)的新一代垃圾焚燒爐燃燒控制系統(tǒng)。它將垃圾焚燒復(fù)雜的工藝原理、現(xiàn)場運行的海量工況數(shù)據(jù)和操作人員的人工智慧結(jié)合，運用大數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)和人工智能，建立了垃圾焚燒爐核心控制算法庫，開發(fā)了獨立運行的軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)自動燃燒控制（ACC）系統(tǒng)邏輯控制復(fù)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(tǒng)。

ICCENFI智能控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢。

一是智能化控制?？刂葡到y(tǒng)附加運行人員經(jīng)驗與智慧，多參數(shù)同步參與控制決策。

二是系統(tǒng)投用便捷。ICC軟件系統(tǒng)經(jīng)過短時間大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)即可投入焚燒爐控制。

三是無縫對接現(xiàn)有系統(tǒng)。ICC系統(tǒng)可100%替代ACC控制系統(tǒng)，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(biāo)波動小。與人工控制相比，主要控制指標(biāo)運行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差可減小20%以上。

五是系統(tǒng)投用率高。24 小時投用率可達95%～100%。

（二）光伏建筑一體化系統(tǒng)

利用光伏建筑一體化技術(shù)，在智能低碳型垃圾發(fā)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(yè)廠房。

該系統(tǒng)是通過太陽能電池將陽光直接變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電系統(tǒng)。太陽能電池組件經(jīng)日光照射后，形成低壓直流電，電池組串并聯(lián)后的直流電采用電纜送至匯流箱，經(jīng)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(tǒng)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(shù)字化垃圾池

在智能低碳型垃圾發(fā)電廠垃圾池內(nèi)，布置了溫度、壓力傳感器和智能數(shù)據(jù)處理軟件，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)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(shù)字化垃圾池系統(tǒng)示意圖

六、結(jié)論

現(xiàn)階段，我國垃圾焚燒發(fā)電產(chǎn)業(yè)無論從規(guī)模、處理技術(shù)、排放標(biāo)準(zhǔn)，以及政府監(jiān)管等方面均已達到國際先進水平，未來將隨著數(shù)字化、智能化技術(shù)的應(yīng)用，進一步提升處理效率和環(huán)保水平。本文提出的智能低碳型垃圾發(fā)電廠建設(shè)方案符合數(shù)字化轉(zhuǎn)型理念，架構(gòu)將新舊體系有機結(jié)合，通過實際的工程應(yīng)用和示范，已在全廠取得了更高效、更環(huán)保、更經(jīng)濟、更安全的實踐效果，可為垃圾焚燒發(fā)電廠智慧低碳發(fā)展提供借鑒經(jīng)驗。

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（責(zé)任編輯：張秋辰）