垃圾焚烧发电厂智慧化应用分析及研究

垃圾焚烧发电厂智慧化应用分析及研究

朱晨燕

  光大生态环境设计研究院有限公司 江苏 南京 211100

摘要：

为了更好地服务于发电生产过程，提高垃圾电厂的智能化生产水平，达到发电智慧控制的终极目标，在电厂内配置智慧运行控制、智慧管理及综合利用三大系统功能模块，包含十三个子系统内容。该应用可减少主要设备故障次数，延长主要设备寿命，实现降低生产成本，增加电厂综合效益。

1. 行业技术趋势

数字化转型目前正在各个行业深度推进，其大致分为三个阶段：数据化、智能化、智慧化。

初始阶段的数据化，是利用信息技术收集众多设备的具体数据信息，送至计算机DCS系统，可将实体信息有序的通过数据管理，该计算机系统有基础的报警和趋势等功能，其余由监盘人员对整个系统进行人为分析并控制。

而紧随信息数字化之后的智能化阶段，是通过智能分析程序对收集过来的海量数据进行筛选、比对和闭环调节；智能化的目标是将繁琐、简单、机械化的工作通过智能的程序直接调用分析后，应用和指导到实际的单个工艺系统运维中，以达到初步的降本增效作用。

在场景应用和创造能力方面，终极的智慧化和智能化有极大区别，在多维度、大样本、超海量的大数据里，可以按照经验丰富监盘人员的岗级要求，赋予电脑系统类似生命体的思维能力，以更接近复杂工况的全貌，给予全流程系统性的监测、管理、分析和优化控制。

2. 国内外智慧电厂现状

智能电厂（SmartPowerPlant，SPP）应符合中国自动化学会发电自动化专业委员会和电力行业热工自动化技术委员会在2016年发布的《智能电厂技术发展纲要》中的定义：“在广泛采用现代数字信息处理技术和通信技术基础上，集成智能的传感与执行、控制和管理等技术，达到更安全、高效，环保运行，与智能电网及需求侧相互协调，与社会资源和环境相互融合的发电厂”。

2.1国外电厂智慧建设

德国提出“工业4.0”理念，由工程院、协会和西门子公司等联合推动，其主要特点为通过价值网络实现横向集成，贯穿整个价值链端到端工程的数字化集成，垂直集成网络化制造系统。

IBM的智慧工厂将物联网的技术和设备监控技术加强到信息管理和服务，其主要包含四个要素：预测、可见性、协同、分析和优化，大幅减少信息需求人员的数据收集时间，提升流程控制手段，采取更多的分析方法提高装置和全厂系统的优化能力。

2.2国内电厂智慧发展状况

国内经过几十年的信息化建设，我国电厂均逐步建立了以DCS（分布式控制系统）+SIS（厂级监控系统）+MIS（管理信息系统）为核心的信息化网络架构。近十年，国内发电企业在数字化电厂的建设方面取得长足进步，为由数字化控制与信息化管理向更清洁、高效、可靠的智慧化发展，奠定了坚实的技术基础。

但目前国内电厂智慧化建设情况和生产实际匹配情况的架构性问题开始显露：

（1）电厂智慧化具体内容定义不清、方向不明，一体化系统的平台结构缺乏设计，相关技术要求、应用方式缺少细化的统一标准规范。智慧化解决方案大多由供应商提供，电厂适用方仅参与提出需求以及后期的自洽认证；但“一千个人眼中就有一千个哈姆雷特”，在已建成的智慧化电厂中，虽然解决方案技术崭新且先进，但同企业生产和管理的实际需求仍存在一定差距，投入与产出不对应，使得人们无法统一对智慧化电厂发展的认知。

（2）垃圾发电机组运行问题，如入场垃圾成分多变、设备种类特性繁多、各系统耗材价格波动、操作人员素养高低不一。另自控设备应用跟不上智慧化需求，如智慧仪表可选择范围小、测量技术不精准、在线优化技术的自适应能力差。数据的应用技术是解决电厂优化中现实需求问题的共性基础，实现基于数据的智慧应用，支持管理的自我学习及优化提升，减少对特有场景模型的依赖。发电行业对数据的应用需求极其旺盛，但由于发电系统的专业性，使得各子系统供应商无法形成对整个发电系统的顶层设计，使得数据应用技术在发电行业展开应用的针对性不足。

（3）DCS功能的拓展和部分现场在线仪表的应用、SIS与管理信息系统的融合，加之信息技术的发展、众多设备故障诊断软件和三维数字化信息管理平台的应用，为实现信息的有效利用、交互和共享提供了基础。但从实施效果来看，并未实现数字化管理功能，现场智慧设备只是当作常规设备使用，未能通过网络技术将智慧设备内的信息贯穿起来，无法实现底层设备数据的集成和智慧通讯；底层数据支持的缺少，又阻碍了对大量生产过程数据等进行深度有效的二次开发和利用，或者即使积累有大量的数据，但很少有对涵盖电厂的所有相关数据进行深度挖掘，从海量无序数据中提炼与生产、经营有关的有效数据加以利用，使得SIS和MIS系统大多数情况下只是数据采集系统。加之信息化设备不统一，端口不一致，融合性不强，信息孤岛情况仍有存在。

（4）智慧化的关键痛点还在于两张皮，真正懂得技术“know how”的控制核心逻辑的是环境人，但他们不懂算法；而懂算法的人又不在环保行业。技术和算法的大融合还处于初级阶段，仍需多交流、多借鉴、多应用日新月异更新的软件算法。

3. 智慧垃圾电厂建设原则

（1）智能垃圾焚烧发电厂的“智能化”原则，应采用大数据、云计算、物联网、移动应用、人工智能等新一代信息技术建设企业信息化，电厂主要设备设施应支持自动检测、自动采集、自动感知、自动诊断等智能化要求，应具GB50660中包含的生产设备功能，应具备适应智能测控所需的丰富可靠的测量与先进控制所需的控制等接口功能。

（2）智能垃圾焚烧发电厂的“统一化”原则，统一标准、统一设计、统一建设、统一平台。智能垃圾焚烧发电厂所有系统应满足统一入口和应用集成的要求，包括但不限于界面集成、资源共享、协同控制，应避免信息孤岛。所有系统应满足数据统一管理要求，对数据的采集、交换、存储、处理、分析、治理等应统一标准、统一管理；智能垃圾焚烧发电厂所有系统应运行稳定、操作简便、界面美观，且具备可扩展性及软件产品通用质量要求，所有系统应具备对外标准数据接口配置与发布功能，可通过网络、标准通信协议、标准数据接口与外部系统实现数据交互，标准通信协议宜参考DL/T860、IEC61158。

（3）智能垃圾焚烧发电厂的“整体化”原则，按照总体规划、顶层设计、分步实施等原则，确保系统建设兼顾了电厂各个阶段、各个业务的需要，能支撑电厂业务平稳过渡，实现各个阶段的全生命周期管理，实现全程可视化和全生命周期管理透明化。

（4）智能垃圾焚烧发电厂网络及基础设施，应遵循绿色环保、经济实用、资源共享、安全可靠、稳定运行等原则。

4. 推进智慧化电厂建设的意义

智慧电厂是计算机网络技术、自动控制技术和信息技术发展的必然产物，建设一流的智慧电厂对进一步提高电厂的生产和管理效率、提升电厂参与电力市场竞争的能力，具有极其重要的技术升华意义。

垃圾焚烧发电厂为实现环保达标的目标，对其运行调节的操控性有着很高的要求，建设重点从控制层方面加大智慧化建设力度，辅以设备管理及诊断、运维及管理、经营及决策方面的智慧化建设，可以极大提高设备的维护水平、降低维护工作强度，同时增加设备可靠性、降低设备本身故障率，系统和设备可以达到事前预判、事后追忆、故障可诊断、报警可自动处理的理想水平；最终建成安全、高效、环保运行的智慧电厂。

全流程智慧化应用的意义重点如下：

1、通过对SIS、MIS等各信息系统、设备管理数据库、综合安防数据库的整合融合，建立基于员工岗位角色定制的“一体化工作平台”，消除信息孤岛，优化组织体系和管理流程，实现数据价值创造。

2、利用智能控制系统和机组自启停技术，促进机组运行参数的优化和过程控制的智慧调整以及燃烧过程的低排放优化控制和污染物排放的经济及系统管理，从而提高运行效率，降低运营成本。

3、提高对系统、设备运行状况的可靠感知水平，减轻员工现场工作强度，提高装备运行监控能力，实现设备的全方位、全生命周期管理，有效提高设备可靠性和寿命，实现设备状态检修。

5. 智慧化应用内容和目标

智慧电厂通过采用物联网、云计算、大数据分析、人工智能、机器人、虚拟现实、移动应用等技术，集成智慧传感与执行、智慧控制与优化、智慧管理与决策，实现机组更安全可靠、经济高效、环保灵活的运行，并能更好地适应电力市场竞争环境，实现垃圾焚烧发电厂生产的安全、高效、绿色、创新和可持续发展。

1.生产过程智慧控制包含汽轮机一键启停系统、焚烧炉智能控制优化、数字化垃圾仓、灰渣吊智能化系统、化水系统智慧化系统（化水系统及循环水监测系统）的几个子系统技术方案。结合目前工艺过程的控制策略、智能控制所采用技术的现状，找出成熟合理适用的技术方案，降低人力投入和劳动强度，延长主要设备寿命，提高主要设备使用效率，降低主要设备故障次数。

2.三维虚拟现实为利用三维可视化交互技术应用方案，找出成熟合理适用的技术方案，提高人员培训成效。

3.智慧安防及巡检技术方案包括智慧安防、智能巡检技术的应用方案，涵盖视频AI识别、门禁、作业联动等方向，采用成熟合理适用的技术方案，实现局域管理、全局监管，降低人力投入和劳动强度，提升电厂安全生产环境。

4.智慧生产管理及经营决策涉及智慧生产在线监控管理信息系统（性能计算、运行优化、在线仿真、调度管理、智能设备管理、故障预警、检修仿真等）、智能经营（预算成本管理、利润分析、固定资产管理、智能自动报表、辅助决策等）等基于大数据应用技术方案研究，找出成熟合理适用的技术方案，提升生产企业生产效率和管理水平，减低决策失误率，降低因管理原因带来的风险，减少因设备缺陷带来的经济损失。

主要智慧化应用内容见下表：

6. 智慧化应用内容和目标

智慧电厂体系架构由智能设备层、智能控制层、智能管理层三部分组成如下图所示：

                                              策略

               转发

                                               控制

               采集

                                               控制

               测量

6.1智能设备层

6.1.1智能设备层是智慧电厂的底层，利用智能测量传感技术，将发电机组各关键状态参数、设备状态及其他信息直接数字化，并实现高效处理和智能传输，为智能控制及智能管理奠定数据基础。

6.1.2采用智能传感设备、智能检测设备、图像识别设备、无线通信与智能网络设备等相关设备，实现设备的互联互通。

6.1.3采用智能摄像机，具备AI分析功能；对现场的人员、设备及环境进行实施监测及行为、状态分析，及时发现人员及设备的不安全因素，防患未然。

6.1.4采用炉排料位测量、炉膛温度场测量等智能测控技术，实现焚烧炉和汽轮发电机组关键参数的实时测量与传输。

6.2智能控制层

6.2.1智能控制层是智慧电厂的中间层，连接智能设备层与智能管理层，采用智能优化控制算法及智能控制策略，实现机组各工艺过程及运行参数临界点的智能控制，适应环保对排放参数的要求，确保机组在不同条件下达到最佳运行状态。

6.2.2具备汽轮机一键自启停控制，根据机组启停曲线、按规定好的程序发出各个系统、子系统、设备的启停指令，从而实现机组的自动启动或停止。

6.2.3具备智能燃烧控制功能，根据现场燃烧情况，采用神经网络、模糊等算法等，建立燃烧控制策略，实现焚烧炉燃烧过程的高度自动化，减少人员对于燃烧系统运行的干预。

6.3智能管理层

6.3.1智能管理层是智慧电厂的顶层，以三维虚拟、数据共享、大数据分析为基础，以资产高效利用为目标，实现对全厂设备资产数字化、可视化、智能化的监控与管理，以及生产经营各环节的智能分析、智能决策。

6.3.2运用三维虚拟仿真技术，实现一个面向电厂专业人员的智能化三维展示及应用功能。

6.3.3包括运行智能管理、物资智能管理、安防智能管理等功能。

7. 价值总结

秉承“智慧、生态”的理念，将垃圾发电项目打造成为基于大数据的智慧电厂，实现安全、高效、绿色、创新和可持续发展。

1、互联协同：系统化、移动化、自助化，贯穿全业务流程；提高效率、增强体验，与经销商紧密合作；一体化移动应用支持实时运营和快速决策。

2、工作模式：降低工作强度、转变业务智能，提升员工满意度；技术变更推动管理创新。

3、智能操控：规范流程、无人值守，人员岗位优化方面可每年降低显性及隐形成本300万起；组织模式变革，岗位优化，提高劳动生产率，年人均产能超过30%起；运作模式优化，精细管理、优化操作、减少停机、提升质量，年利润超过30%。

以上各子系统具体实际效益有：汽轮机一键启停系统可以减少启停机过程的人为失误，降低因失误造成的经济损失；焚烧炉智能控制优化可以提高垃圾焚烧的效率，增加发电量效益；数字化垃圾仓可以；灰渣吊智能化系统改造可以减少至少一名日常运行人员；化水系统智慧化系统也可以减少至少一名日常运行人员；智慧安防系统能降低非计划停运的次数，尽可能避免特殊场所中人员重大事故的发生；三维虚拟现实系统可以让参观者更加声临其境了解并宣传垃圾焚烧环保事业；智慧仓储系统既可以减少日常运行在岗人员数量，也可以提高备品备件出库效率、缩短故障停机时间；扫地机器人能减少场地保洁工作量，减少外包合同额。

智能化投用可以最大程度的将一线生产人员从原来机械繁重的操作强度中释放出来，转而可以将有限的精力投入到设备巡检、设备维护和设备性能优化提升的工作中；后续还可以增设智慧化电气改造内容。对于前端和后端处理的技术差异，仍需在实践中比对实际应用效果。

5参考文献：

【1】.中国自动化学会发电自动化专业委员会和电力行业热工自动化技术委员会。《智能电厂技术发展纲要》（2016年版）