智能設(shè)備管理軟件對(duì)垃圾焚燒廠節(jié)能降耗的影響分析

宋學(xué)頂 王強(qiáng) 周洪權(quán)

1.上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院有限公司 2.霍尼韋爾（中國(guó)）有限公司

截止2021年，我國(guó)城市生活垃圾年焚燒量已經(jīng)增長(zhǎng)到1.46 億t，城市生活垃圾焚燒率也增長(zhǎng)到62.29%，垃圾焚燒逐漸成為我國(guó)最主要的垃圾處理方式之一。

垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目以城市生活垃圾為主要燃料,利用其焚燒產(chǎn)生的熱能進(jìn)行發(fā)電，生產(chǎn)過程中涉及生活垃圾、燃?xì)?、燃油、水、蒸汽、壓縮空氣、電力等各類物質(zhì)，使得垃圾焚燒廠在發(fā)電的同時(shí)，耗能也相當(dāng)大?？傮w來看，成本較大處來自焚燒廠的能源消耗，尤其是焚燒廠的自用電量。

垃圾焚燒廠的能耗主要在能源的加工轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，主要為焚燒爐和鍋爐損耗、汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)損耗、排汽排煙損耗、管道系統(tǒng)損耗以及設(shè)備耗電等。我國(guó)考核焚燒廠綜合能耗的主要指標(biāo)有多個(gè)，比如噸垃圾上網(wǎng)電量和噸垃圾處理綜合能耗，這些指標(biāo)受垃圾熱值影響較大，對(duì)于特定焚燒廠自身的節(jié)能意義不大，而廠自用電率這個(gè)指標(biāo)比較直觀，公式如下：

公式（1）中的廠內(nèi)電耗總量與廠內(nèi)的主要用電設(shè)備密切相關(guān)，而廠內(nèi)發(fā)電總量與裝置的熱效率以及當(dāng)?shù)乩臒嶂得芮邢嚓P(guān)。

1 節(jié)能降耗分析

目前垃圾焚燒廠的廠自用電包括很多環(huán)節(jié)，重點(diǎn)用戶為每個(gè)區(qū)域的高功率、連續(xù)運(yùn)行、工況變化大的水泵和風(fēng)機(jī)。表1 中所列的某焚燒廠主要工業(yè)設(shè)備耗電約占廠總耗電的80%，而其中給水泵、循環(huán)水泵、空壓機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、冷卻塔風(fēng)機(jī)等大功率設(shè)備的耗電占比相對(duì)較大。

表1 某垃圾焚燒廠主要耗電設(shè)備數(shù)據(jù)

水泵和風(fēng)機(jī)的節(jié)電措施一般包括：①設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)水泵（風(fēng)機(jī)）/電機(jī)的正確選型和匹配；②選擇合理的揚(yáng)程；③優(yōu)化管道阻力；④變頻調(diào)速控制；⑤改造水泵（風(fēng)機(jī)）和葉輪；⑥對(duì)并聯(lián)水泵組（風(fēng)機(jī)），根據(jù)工況允許情況下，停止不必要的水泵（風(fēng)機(jī)）；⑦及時(shí)發(fā)現(xiàn)水泵（風(fēng)機(jī)）性能下降，及時(shí)維修，保持性能高效運(yùn)行。

其中措施①～④在焚燒廠設(shè)計(jì)階段就已經(jīng)完成，也可以利用焚燒廠停爐大修期間進(jìn)行設(shè)備改造升級(jí)。對(duì)于已投運(yùn)多年的焚燒廠，如何優(yōu)化廠自用電率的重點(diǎn)還是考慮措施⑤～⑦，但是也面臨著設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)不完備，缺乏直觀易用的監(jiān)控、展示和分析工具等問題。

2 智能設(shè)備管理軟件功能概述

近年來，企業(yè)開始思考基于控制系統(tǒng)，結(jié)合各類高技術(shù)軟件、系統(tǒng)，利用信息化手段進(jìn)行設(shè)備資產(chǎn)管理，而通過設(shè)備管理平臺(tái)進(jìn)行資產(chǎn)設(shè)備的管理和維護(hù)便是基于這一理念的重要產(chǎn)物。該平臺(tái)主要通過焚燒廠現(xiàn)有的儀表，結(jié)合DCS，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、能耗的在線監(jiān)測(cè)。從工藝的角度，該平臺(tái)可以分析設(shè)備是否正常運(yùn)行、是否達(dá)到最優(yōu)工況。平臺(tái)的另一大功能，是可以與歷史數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，建立數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)學(xué)算法，對(duì)設(shè)備運(yùn)行的極限進(jìn)行判斷，對(duì)可能發(fā)生的故障、意外事故進(jìn)行預(yù)測(cè)報(bào)警。通過平臺(tái)實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)、能耗監(jiān)測(cè)等，可確保設(shè)備穩(wěn)定、高效運(yùn)行，以不斷提高焚燒廠產(chǎn)出。

2.1 設(shè)備管理便捷化、高效化

管理平臺(tái)通過數(shù)據(jù)庫接收設(shè)備相關(guān)儀表運(yùn)行讀數(shù)，通過平臺(tái)上的模型對(duì)設(shè)備的關(guān)鍵運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算與展示，便于運(yùn)行人員及時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、能耗效率等。管理平臺(tái)可通過公司網(wǎng)絡(luò)直接訪問，具有權(quán)限的員工，可以靈活使用平臺(tái)，及時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，了解焚燒廠總體生產(chǎn)情況。

2.2 幫助提高設(shè)備運(yùn)行效率

設(shè)備運(yùn)行期間可能會(huì)有兩種類型的損耗：一是由于設(shè)備本身的設(shè)計(jì)問題所造成的損耗；另一種則是由于運(yùn)行過程中部分操作或處理不當(dāng)所造成的。

在通過該平臺(tái)建模時(shí)，可以將設(shè)備損耗類型界定清楚，并分別統(tǒng)計(jì)，便于量化，以幫助判斷哪些損耗的影響比較大，以及這些損耗在一段時(shí)間、或是設(shè)備運(yùn)行的整個(gè)生命周期能可能帶來的損失。如果設(shè)備因?yàn)樵O(shè)計(jì)原因會(huì)造成很大的損耗和能源浪費(fèi)，則需要考慮是否更換設(shè)備。如果設(shè)備因?yàn)槿藛T操作問題導(dǎo)致能效變得較低，則可以將相關(guān)情況記錄分類，找出其中的原因，并及時(shí)去解決，避免后期出現(xiàn)同樣狀況。

智能設(shè)備管理平臺(tái)軟件的核心是根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)、采集現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并基于流體動(dòng)力學(xué)、物料平衡、能量守恒等原理，對(duì)水泵和大型風(fēng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行機(jī)理建模，計(jì)算水泵和風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)效率，和最高效率點(diǎn)對(duì)標(biāo)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備性能下降的趨勢(shì)，并采取在線優(yōu)化或離線修復(fù)措施，調(diào)整設(shè)備性能。

此平臺(tái)功能主要包括設(shè)備性能圖形化展示，數(shù)字計(jì)算分析，故障預(yù)警和提示，大數(shù)據(jù)的模式識(shí)別，以及優(yōu)化措施的閉環(huán)管理等內(nèi)容。

這套智能設(shè)備管理軟件的另一個(gè)作用就是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)的振動(dòng)/電流/電壓等參數(shù)，以大數(shù)據(jù)技術(shù)為工具，進(jìn)行智能預(yù)測(cè)性維護(hù)、智能故障診斷一體化。此類軟件可以結(jié)合設(shè)備運(yùn)維領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)與工業(yè)大數(shù)據(jù)進(jìn)行交互式智能分析，建立高效的數(shù)字化預(yù)測(cè)預(yù)警、診斷機(jī)制，可以評(píng)估設(shè)備的健康狀態(tài)，幫助運(yùn)行人員進(jìn)行快速的故障風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、診斷、維護(hù)和修復(fù)，保障焚燒廠中關(guān)鍵設(shè)備的可靠性，降低非計(jì)劃停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，給企業(yè)帶來效益提升空間。

垃圾焚燒廠在特殊工況下（比如焚燒爐負(fù)荷大幅波動(dòng)，或者啟停階段），能量損耗比較大。如果此類軟件能夠針對(duì)垃圾焚燒廠的特定工況的需求來進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)，比如特殊工況自動(dòng)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行數(shù)量或轉(zhuǎn)速/負(fù)荷，則將會(huì)給企業(yè)帶來進(jìn)一步的效益提升。

3 智能設(shè)備管理軟件應(yīng)用案例

國(guó)外某公司在全球流程行業(yè)智能制造領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，能夠提供傳感器、高精度流量計(jì)和液位計(jì)、DCS/PLC 控制系統(tǒng)、APC 先進(jìn)控制、流程模擬與仿真、智能設(shè)備管理系統(tǒng)、MES 生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)、卓越運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)等全方位一站式的產(chǎn)品和服務(wù)。智能設(shè)備管理系統(tǒng)自2022 年12 月份上線投用以來，已陸續(xù)接入全廠近50 多臺(tái)大功率旋轉(zhuǎn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備能效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和能效降低原因的分析診斷，為大功率電機(jī)的工況調(diào)節(jié)和能效優(yōu)化提供了可靠的決策依據(jù)。

通過對(duì)智能設(shè)備管理軟件的應(yīng)用，使現(xiàn)場(chǎng)能夠隨時(shí)進(jìn)行橫向、縱向?qū)Ρ饶芎那闆r、關(guān)鍵參數(shù)、歷史趨勢(shì)情況等。

管理系統(tǒng)也可對(duì)模型計(jì)算出的預(yù)測(cè)性能與設(shè)備實(shí)際性能進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)掌控，如圖1 所示。

該設(shè)備智能管理軟件還可通過數(shù)據(jù)分析、模式識(shí)別、預(yù)置算法、機(jī)器學(xué)習(xí)等方式對(duì)設(shè)備異常狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)與預(yù)判，提高異常報(bào)警提前量，幫助運(yùn)行人員更早做好異常情況的應(yīng)對(duì)準(zhǔn)備（如能耗增加提前預(yù)警）。最后，該平臺(tái)可通過部分內(nèi)置的算法，找出影響能耗的主要參數(shù)，為節(jié)能降耗提供建議。

4 結(jié)語

智能設(shè)備管理系統(tǒng)通過全面覆蓋、閉環(huán)管理、持續(xù)監(jiān)測(cè)、智能診斷、長(zhǎng)期跟蹤，可實(shí)現(xiàn)全廠各車間層級(jí)的能耗跟蹤和歷史趨勢(shì)對(duì)比、以及能耗指標(biāo)從數(shù)據(jù)收集到降耗措施落實(shí)全貫通，保證設(shè)備運(yùn)行效率，從而支持焚燒廠不斷提升經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。