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)電廠自動監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)用管理規(guī)定》（生態(tài)環(huán)境部令2019年第10號，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》提出對于1個自然日內(nèi)爐膛溫度5分鐘均值不達(dá)標(biāo)次數(shù)累計超過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、重金屬等都會對人類生存環(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，比較反對和排斥臨近建設(shè)，擔(dān)心生產(chǎn)過程中會產(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

2.1 體積減量化

垃圾焚燒后，體積相對填埋處理可減少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)了自動監(jiān)測數(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

自動監(jiān)測具有數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸、掉線自動報警、超標(biāo)自動報警、自動下發(fā)督辦單等優(yōu)勢，有效解決環(huán)境監(jiān)管盲區(qū)和死角。以往對排污單位的監(jiān)測主要以手工為主，《管理規(guī)定》創(chuàng)新型地提出自動監(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，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

目前無法對二噁英的進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測，只能通過現(xiàn)場手工取樣，在實(shí)驗(yàn)室通過專業(yè)儀器驚醒檢測分析。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)，提出了對每日爐膛溫度5分鐘均值不達(dá)標(biāo)次數(shù)累計超過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監(jiān)測，環(huán)保數(shù)據(jù)實(shí)時上傳到環(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別出來。

4.3 標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化

《管理規(guī)定》對爐膛溫度的采樣、監(jiān)測、統(tǒng)計、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)在每臺焚燒爐中部截面、上部截面至少設(shè)置各3個熱電偶溫度測點(diǎn)，熱電偶測點(diǎn)溫度與熱電偶參比端環(huán)境溫度以數(shù)字信號的形式接入到數(shù)據(jù)采集傳輸儀，實(shí)時上傳到生態(tài)環(huán)境部門[2]。

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

中部、上部5分鐘均值計算過程如下：

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

Ti：表示某時刻中部或者上部截面n 個熱電偶測量實(shí)時值的中位數(shù)，按照（1）公式進(jìn)行計算；

其中t1,t2,…,tn為各截面熱電偶測點(diǎn)的實(shí)時值。

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

Tx：某時刻爐膛內(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)行累積計算，按照（3）公式計算。

m 為5分鐘內(nèi)取樣的總數(shù)。

5.2 SAMA 圖設(shè)計思路

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)計熱工控制系統(tǒng)時，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，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，見圖1。

圖1 SAMA 圖設(shè)計

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支熱電偶測點(diǎn)；DCS 系統(tǒng)：杭州和利時；軟件版本：MACS V6.5.2；主控：K-CU01；采樣頻率：1秒/個。

通過SA M A圖將算法流程表達(dá)出來，用到DCS 系統(tǒng)自帶的幾個常用功能塊：獲取控制器時間模塊RTSTIME、中值計算模塊HSMEDSEL、計算標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計算法模塊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個溫度點(diǎn)都是好點(diǎn)時直接輸出中值；2個溫度點(diǎn)有2個是好點(diǎn)時輸出2個好點(diǎn)的平均值，只有1個好點(diǎn)時把該好點(diǎn)作為中值輸出。見圖2。

圖2 截面中值選擇

中值的算術(shù)平均值累計輸出，利用計算標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計算法模塊STATISTICS_REAL 實(shí)時累積計算平均值，待MOVE 功能塊使用觸發(fā)輸出。利用實(shí)時累積計算功能塊相對一維數(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 中值平均值累計輸出

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

圖4 5分鐘定時觸發(fā)器

算法綜合組態(tài)，將中值算法、統(tǒng)計算法、定時觸發(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、上部截面各測點(diǎn)的溫度實(shí)時值進(jìn)行中值選擇和計算，結(jié)果見圖6。

圖6 中值選擇算法的論證

截取1個小時的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)計意圖，爐膛中部、上部截面溫度5分鐘均值計算統(tǒng)計結(jié)果完全符合設(shè)計構(gòu)想，滿足環(huán)保監(jiān)測統(tǒng)計要求。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。