【深度】垃圾焚烧“六化”发展之精细化管控与智能化升级

更精确的燃烧模型

传统的燃烧模型可以理解为对燃烧理论的理想化实现，在实际应用中，受到理论框架本身的计算能力限制，只能将燃料和设备参数作为输入，提供静态工况作为输出，为人工运营提供参考。在智能化时代，以自学习数据建模的数字孪生作为燃烧模型，可以在工况计算的准确性，模型计算的即时性和更全面的燃烧工况信息等方面，提供更准确的燃烧工况。

自学习建模方式利用设备生成的历史数据，在理想化的理论模型上进行修正，并且定期用新产生的设备数据进行更新，保证数据模型的即时性和精准性。因此自学习建模可以补偿实际生产中的设备安装和使用损耗这种不确定性。其次自学习建模可以通过聚类等降维算法，确定对系统作用最大的参数，并且加权，形成一个简化的模型，可以快速计算燃烧工况。第三，传统的燃烧模型，只能提供部分关键节点的温度，气体成分等信息。数字孪生系统可以提供锅炉燃烧空间内每一个网格的温度，气体成分，燃料分布，或能量密度等信息，可以更好的帮助燃烧控制和优化。

目前，在德国AIXProcess公司提供的锅炉燃烧的自学习模型系统里，已经实现了炉排炉和煤粉炉的基础模型，通过历史数据的导入和学习，可以针对每一个不同的锅炉系统进行个性化建模。参考下图，AIXProcess系统可以实时计算煤粉炉燃烧区域内的能量密度（火焰燃烧剧烈程度），温度，煤粉流强度，氧气含量。在实际使用中，这套数字孪生系统可以做到每分钟计算更新一次，每次更新可以预测之后五分钟内的燃烧工况，智能控制系统根据预测的结果来进行燃烧控制的优化。

图5 数字孪生示例

智能化的闭环自动燃烧控制

传统的人工运营，由垃圾焚烧电厂的运营人员判断当前的燃烧状态，进行燃烧控制决策，输入到锅炉系统执行。工业智能化系统的最大特点之一，就是在决策流程中，用AI算法生成比人工决策更优秀的决策。在执行层面，可以由智能化系统的决策辅助模式，向运营人员提出决策建议，通过人工将控制决策输入到锅炉系统执行；也可以利用闭环控制模式，将优化控制算法生成的燃烧控制决策直接输入锅炉系统执行。

现有的人工运营，依靠锅炉系统的燃烧效果，作为控制回路的反馈来调整燃烧控制。智能化系统，首先通过利用数字孪生模型预测燃烧控制决策的效果，如果不能满足运营目标，就继续优化调整燃烧控制，直到在数字孪生模型内可以满足运营目标。这种基于模型预测的控制(ModelPredictive Control)，可以大幅度的缩短之前介绍过的燃烧系统的控制惯性。

智能化燃烧控制系统每次优化运算的参考参数涵盖了整个的锅炉系统，远远高于人工运营时的每个司炉人员自己可以观察到的有限的若干参数，因此是一个系统级的优化过程，准确性高于人工控制。智能化系统在每一个工况下都是选择不差于历史数据中的控制决策，随着运营时间和数据的增长，燃烧控制的效果是不断进步的。

在智能化系统的传感器体系下，运营人工很难利用新增的海量实时传感器数据，大量数据的计算与利用完全依赖于算法，而且为了保证实时的优化结果的即时性输入到锅炉系统，闭环控制模式在即时性上有很大优势。同时，闭环控制模式可以使燃烧控制摆脱人工，也避免了上述的人工运营的各种缺点。人工控制和智能化闭环控制的对比如下图。

图6人工控制与闭环控制比较

Fig.6Comparison of human control and close loop control

随着“一带一路”的不断推进，国内的垃圾焚烧头部企业在近些年在积极“出海”，开拓国际市场，尤其是第三世界国家市场，比如光大环境，中国天楹在越南的垃圾焚烧项目，锦江环境在印度和巴西的垃圾焚烧项目。对于中资企业的海外垃圾焚烧项目，在前期的项目投资和建设之外，后期的运营管理同样重要。智能化闭环控制技术在提高的经济效益的同时，可以减少对技术运营人员的需求，避免了项目在当地招聘技术人员或者从国内外派，从这个角度，智能化闭环控制技术，提高了项目日常运营的稳定性，大幅度降低投资方的运营难度。

智能化垃圾焚烧电厂的案例介绍

德国巴登威腾堡州的巴特梅根特海姆(BadMergentheim)电厂,属于中型热电联产炉排炉电厂，为当地居民提供热力和电力。

该电厂安装了完整的智能化传感器系统，包括投料口摄像头，提供工艺前端的垃圾组分预估数据，以及炉尾和烟道摄像头，以及热通量传感器，提供实时燃烧工况数据，实现了整个燃烧工艺的量化数据收集。通过AIXprocess公司提供的自学习数据建模和基于AI的闭环燃烧控制系统，从2018年起完成了整个系统的建模和学习过程，实现了无人化的智能自动燃烧控制，是目前运行时间最长的无人化电厂，也是欧洲最完善的，数字化程度最高的炉排炉系统。在日常运营中，人工操作仅需要投料和设置运营目标，之后完全由AI系统接管DCS系统，调整燃烧优化和控制。

在智能化系统完全运行之后，与智能化之前的运营结果数据相比，燃烧稳定性提高了2.5%，锅炉燃烧效率提高了8%，同等电力/热力产出的燃料开销下降了15%，通过提高设备健康，预测性维护调整检修周期，电厂的综合运营成本降低7-10%。节省下的人工费用和环保耗材费用并为计入。整个项目的投资回报比大概在1:15。

应用同样技术，在国内一个日处理能力在800吨（两台炉排炉）的垃圾焚烧电厂，通过优化燃烧，在同样垃圾燃料平均组份下，可以提高至少每台锅炉每小时1.2-1.5吨的蒸发量；闭环控制系统可以节约4-6名司炉班组人员；通过优化环保系统，减少10-15%的环保耗材费用。提高每年综合经济效益约为600万至700万元。

编辑：李丹