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社会经济的发展和商品消费的增加,使得城市生活垃圾产量骤增。如果不对这些垃圾进行有效处理,将极大地影响人们的生活环境。以上海市嘉定区为例,截至2023年底,嘉定新城常住人口达67.4万人,每年产生的垃圾量数以万吨计。为了进一步提升生活垃圾减量化、资源化、无害化处理水平,上海嘉定城市发展集团有限公司(嘉定城发集团)与保利协鑫共同出资成立上海嘉定再生能源有限公司,并以此为主体投资近8.6亿元建设嘉定区再生能源利用中心,由此承担起嘉定大部分地区生活垃圾焚烧处理的重任。
相比于卫生填埋、高温堆肥等传统处理方式,技术日趋成熟、工艺更为环保的垃圾焚烧发电既能避免甲烷排放,又能替代化石燃料,具有双重减碳效果,已成为城市生活垃圾处理的最主要方式之一。而今,我国垃圾焚烧发电行业已经由规模化扩展转向精细化运营管理阶段,在节能减排政策要求和发电集约化、高效管理需求的驱动下,生活垃圾焚烧电厂的智能化升级和降本增效成为大势所趋。
经过多年发展,上海嘉定再生能源已经成为整个垃圾焚烧发电行业的领军企业,被评为“高效清洁焚烧先进企业”。公司在领导层创新思想的带领下,一直没有停下前进的步伐。2021年,公司了解到施耐德电气基于EcoStruxure的巨化集团热电厂8#机组无人值守解决方案,并前往实地进行考察,由此开启了和施耐德电气携手的契机,双方于2022年正式开始合作。
针对上海嘉定再生能源稳定运行、提质增效、绿色发展的迫切需求,施耐德电气助力其构建了3炉两机垃圾焚烧电站“少人值守”解决方案,包含APC先进过程控制系统、APS机组一键启停、故障自愈为核心的解决方案,并配备了AVEVA Predictive Analytics预测性维护系统、System Advisor系统顾问、Control Advisor控制顾问以及智慧报表等辅助优化手段。迄今为止,项目中的三台锅炉都通过了验收,实施效果超出预期。
目前,该中心日均处理垃圾量1500吨,年处理量50万吨,年发电量2亿千瓦时,构建了行业智慧工厂的标杆。
“少人值守”解决方案助力垃圾焚烧电厂安全、稳定运行
生活垃圾处理行业可以说是维持城市“颜面”的幕后英雄,因此在企业责任之外,上海嘉定再生能源还需要承担更多的社会责任,维持整个垃圾焚烧电厂安全、平稳的运行是其第一要务。
传统的垃圾焚烧电厂对人力依赖较强,不但人员工作强度很大,而且人员的经验可能直接影响到操作的稳定性。以垃圾焚烧炉的启停为例,该环节需要考虑炉温、炉压、风量等多种参数的平衡,执行多项操作,同时控制多台设备,操作十分复杂,一个小小的疏忽就有可能造成设备的损坏或人员的伤害——启机过程中,如果汽轮机的油温过低,可能会造成设备振动偏大,从而存在安全隐患;停炉过程中,则需确保炉内的残留物处理完毕,且灰渣可以安全地排出。
如今,借助施耐德电气APC先进过程控制系统,上海嘉定再生能源能够根据机组启停曲线、按设定的程序发出各个系统、设备的启停指令,实现垃圾焚烧机组的自动启动或停止。由此带来的收益显而易见——一方面,在系统的严格要求之下,如果温度或压力等参数没有达到相应要求,则无法执行后续操作,这就把安全隐患扼杀在了“摇篮”之中,保证了启停的平稳和安全,减少燃油和消耗;另一方面,该系统相当于把熟练工人对大型设备的操作经验进行了沉淀,形成了一套标准化的流程,从而解决了专业人员不足的挑战。
不只是焚烧炉的启停操作,基于施耐德电气APC先进过程控制系统、APS机组一键启停、AVEVA Predictive Analytics预测性维护系统等智能系统,上海嘉定再生能源的垃圾焚烧电厂实现了燃烧系统、烟气系统、汽机系统等主要工艺系统的全自动运行,操作数量减少90%以上,部分系统控制可实现无人值守。
由于“少人值守”项目突出的效益提升,上海嘉定再生能源目前获得嘉定区智能工厂奖项。
更经济、更满足环保要求的垃圾焚烧电厂
2023年初,国家能源局、财政部、国家发改委印发《关于享受中央政府补贴的绿电项目参与绿电交易有关事项的通知》,进一步完善了绿电交易机制和政策,其中明确了绿电溢价收益与国家可再生能源补贴不可兼得,这意味着未来垃圾焚烧发电企业的收益水平将和发电量直接挂钩。当溢价空间远超过补贴金额且收益较稳定,企业可以选择放弃补贴,参与绿电交易的全部收益归其企业所有。与此同时,相关政策也要求整个行业在焚烧炉技术性能、废气排放控制、以及污染物的监测和治理措施等方面遵循严格的环保指标要求,否则可能会受到严厉处罚。
上海嘉定再生能源有限公司对此表示:“随着政策换道和环保要求提标,垃圾焚烧电厂在保证安全、稳定运营的基础上,还需进一步关注运营的经济性和绿色化。”
单位垃圾焚烧发电量和燃烧的稳定性直接挂钩,但在实际运营过程中,由于垃圾成分复杂、热值不均,焚烧锅炉经常偏离最佳燃烧状况。如何保障燃烧稳定性,优化垃圾焚烧工艺过程,提升锅炉的自动化和智能化控制水平,成为影响上海嘉定再生能源电厂经济效益和绿色水平的关键要素。
垃圾焚烧电厂原本在控制上存在“强耦合”和“大滞后”两大难点。燃烧是较为复杂的工况,涉及的变量很多,且变量直接相互关联,“强耦合”意味着控制变量相互之间耦合关联,牵一发而动全身,可能刚把某个参数调节好,另一个参数就会随之而变;“大滞后”意味着焚烧炉内的温度等参数变化是一个缓慢的过程,如果发现温度不符合要求后再去调节,由于惯性很大,无法立即实现想要的调节目标——这都会对控制的稳定性带来挑战。同理,脱硫、脱硝等调节也都存在大滞后的问题,等看到变化后再去调节可能已经导致环保指标超标。
施耐德电气APC先进控制系统则让这些挑战迎刃而解。APC系统中的模型预测控制模块,可以解决控制回路中大滞后及强耦合的控制回路挑战,实现焚烧炉燃烧优化调整(含锅炉氧量优化、主汽温度控制优化、主汽压力控制优化)、脱硝控制优化、脱酸控制优化等控制系统的进一步优化,使其控制指标达到验收标准;同时,APC系统中的最优化模块,还能对燃烧过程中的重要控制单元进行寻优控制,实现焚烧炉的效率最大化,并同时满足NOX、HCL等排放的环保指标。
上海嘉定再生能源有限公司对于该套系统给予了高度评价:“施耐德电气APC先进过程控制系统为我们带来的收益是全方位,多维度的。它既能助力焚烧炉平稳的运营,让各参数偏差下降20%以上;又能对焚烧流程进行全自动控制,优化系统效率,大量减少人员的干预和误操作;还能通过环保耗材的精准投用,降低耗材20%以上。值得一提的是,在环保耗材下降的同时,我们的烟气排放浓度也比原来有所下降,相当于实现了‘双降’。”
精细化的日常运营管理,全面提质增效
《2024中国生物质能产业发展年度报告》显示,截至2023年底,我国生活垃圾焚烧发电累计装机容量达2577万千瓦,同比增长7.5%。经历了几年的高速发展之后,我国垃圾焚烧发电行业由规模化扩张转向精细化运营管理阶段。
精细化运营是一场“持久战”,对上海嘉定再生能源而言,通过深入挖掘日常运营中产生的数据背后蕴藏的价值,可以助力自身在提质、增效、安全、节能方面更上一层楼。
设备运维是日常管理的重要环节,相较于传统的预防性、周期性维护方案,施耐德电气预测性维护解决方案+故障自愈策略,辅以系统顾问+控制顾问,能够让上海嘉定再生能源实现科学诊断和超前预警。
其中,故障自愈能让机组在事故发生时具备自动响应能力,降低监控监盘人员的事故处理负担,避免人员误操作;预测性维护则通过对历史数据进行建模,从而更深入地了解设备状态,超前发现间歇性异常和无明显症状异常,提前做出故障或运维预警,提醒运维人员及时干预,使设备保持最佳状态——双管齐下,使得焚烧电厂的报警数量减少90%以上。
而在日常管理过程中,智慧报表则可以为不同层级的人员提供更有针对性的数据信息。比如一线运营人员可以通过报表及时了解哪些参数和指标是正常的,哪些出现了偏离,从而及时进行调整;管理层则可以基于综合汇总的报表,对一些经济指标进行分析或预判,为关键决策提供有效参考。
一系列的组合拳,让上海嘉定再生能源垃圾焚烧电厂的面貌焕然一新,公司员工表示:“以前,大家对垃圾焚烧厂的印象可能停留在环境恶劣,气味难闻,工人从事重体力劳动。现在来到我们的工厂,呈现的是‘花园式工厂’,只有非常少量的员工在利用全自动系统完成垃圾处理的全流程。得益于施耐德电气的支持,我们正在打造先进的智慧垃圾焚烧电厂,树立行业标杆,为大众提供源源不断的绿色电力。”
未来,双方将在“少人值守”方案的基础上做进一步优化,基于施耐德电气先进控制APC算法结合焚烧炉燃烧参数视觉识别技术,实现燃烧参数闭环控制优化,更有效地达到“无人值守/少人值守”目标,向智能化2.0阶段持续迈进。