智能設備管理軟件對垃圾焚燒廠節能降耗的影響分析

宋學頂 王強 周洪權

1.上海環境衛生工程設計院有限公司 2.霍尼韋爾（中國）有限公司

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

垃圾焚燒發電項目以城市生活垃圾為主要燃料,利用其焚燒產生的熱能進行發電，生產過程中涉及生活垃圾、燃氣、燃油、水、蒸汽、壓縮空氣、電力等各類物質，使得垃圾焚燒廠在發電的同時，耗能也相當大?？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化環節，主要為焚燒爐和鍋爐損耗、汽輪機發電機損耗、排汽排煙損耗、管道系統損耗以及設備耗電等。我國考核焚燒廠綜合能耗的主要指標有多個，比如噸垃圾上網電量和噸垃圾處理綜合能耗，這些指標受垃圾熱值影響較大，對于特定焚燒廠自身的節能意義不大，而廠自用電率這個指標比較直觀，公式如下：

公式（1）中的廠內電耗總量與廠內的主要用電設備密切相關，而廠內發電總量與裝置的熱效率以及當地垃圾的熱值密切相關。

1 節能降耗分析

目前垃圾焚燒廠的廠自用電包括很多環節，重點用戶為每個區域的高功率、連續運行、工況變化大的水泵和風機。表1 中所列的某焚燒廠主要工業設備耗電約占廠總耗電的80%，而其中給水泵、循環水泵、空壓機、引風機、一次風機、冷卻塔風機等大功率設備的耗電占比相對較大。

表1 某垃圾焚燒廠主要耗電設備數據

水泵和風機的節電措施一般包括：①設計時對水泵（風機）/電機的正確選型和匹配；②選擇合理的揚程；③優化管道阻力；④變頻調速控制；⑤改造水泵（風機）和葉輪；⑥對并聯水泵組（風機），根據工況允許情況下，停止不必要的水泵（風機）；⑦及時發現水泵（風機）性能下降，及時維修，保持性能高效運行。

其中措施①～④在焚燒廠設計階段就已經完成，也可以利用焚燒廠停爐大修期間進行設備改造升級。對于已投運多年的焚燒廠，如何優化廠自用電率的重點還是考慮措施⑤～⑦，但是也面臨著設備運行監控數據不完備，缺乏直觀易用的監控、展示和分析工具等問題。

2 智能設備管理軟件功能概述

近年來，企業開始思考基于控制系統，結合各類高技術軟件、系統，利用信息化手段進行設備資產管理，而通過設備管理平臺進行資產設備的管理和維護便是基于這一理念的重要產物。該平臺主要通過焚燒廠現有的儀表，結合DCS，實現對設備運行狀態、能耗的在線監測。從工藝的角度，該平臺可以分析設備是否正常運行、是否達到最優工況。平臺的另一大功能，是可以與歷史數據庫相結合，建立數學模型，通過數學算法，對設備運行的極限進行判斷，對可能發生的故障、意外事故進行預測報警。通過平臺實現預測性維護、能耗監測等，可確保設備穩定、高效運行，以不斷提高焚燒廠產出。

2.1 設備管理便捷化、高效化

管理平臺通過數據庫接收設備相關儀表運行讀數，通過平臺上的模型對設備的關鍵運行指標進行計算與展示，便于運行人員及時了解設備的運行狀態、能耗效率等。管理平臺可通過公司網絡直接訪問，具有權限的員工，可以靈活使用平臺，及時掌握設備運行狀態，了解焚燒廠總體生產情況。

2.2 幫助提高設備運行效率

設備運行期間可能會有兩種類型的損耗：一是由于設備本身的設計問題所造成的損耗；另一種則是由于運行過程中部分操作或處理不當所造成的。

在通過該平臺建模時，可以將設備損耗類型界定清楚，并分別統計，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間、或是設備運行的整個生命周期能可能帶來的損失。如果設備因為原設計原因會造成很大的損耗和能源浪費，則需要考慮是否更換設備。如果設備因為人員操作問題導致能效變得較低，則可以將相關情況記錄分類，找出其中的原因，并及時去解決，避免后期出現同樣狀況。

智能設備管理平臺軟件的核心是根據設計參數、采集現場運行數據，并基于流體動力學、物料平衡、能量守恒等原理，對水泵和大型風機的運行進行機理建模，計算水泵和風機的工作點效率，和最高效率點對標，及時發現設備性能下降的趨勢，并采取在線優化或離線修復措施，調整設備性能。

此平臺功能主要包括設備性能圖形化展示，數字計算分析，故障預警和提示，大數據的模式識別，以及優化措施的閉環管理等內容。

這套智能設備管理軟件的另一個作用就是設備狀態監測，根據監測的振動/電流/電壓等參數，以大數據技術為工具，進行智能預測性維護、智能故障診斷一體化。此類軟件可以結合設備運維領域的經驗與工業大數據進行交互式智能分析，建立高效的數字化預測預警、診斷機制，可以評估設備的健康狀態，幫助運行人員進行快速的故障風險預測、診斷、維護和修復，保障焚燒廠中關鍵設備的可靠性，降低非計劃停機風險，給企業帶來效益提升空間。

垃圾焚燒廠在特殊工況下（比如焚燒爐負荷大幅波動，或者啟停階段），能量損耗比較大。如果此類軟件能夠針對垃圾焚燒廠的特定工況的需求來進行進一步的開發，比如特殊工況自動調整設備運行數量或轉速/負荷，則將會給企業帶來進一步的效益提升。

3 智能設備管理軟件應用案例

國外某公司在全球流程行業智能制造領域處于領先地位，能夠提供傳感器、高精度流量計和液位計、DCS/PLC 控制系統、APC 先進控制、流程模擬與仿真、智能設備管理系統、MES 生產制造執行系統、卓越運營管理系統等全方位一站式的產品和服務。智能設備管理系統自2022 年12 月份上線投用以來，已陸續接入全廠近50 多臺大功率旋轉設備，實現了設備能效的實時監測和能效降低原因的分析診斷，為大功率電機的工況調節和能效優化提供了可靠的決策依據。

通過對智能設備管理軟件的應用，使現場能夠隨時進行橫向、縱向對比能耗情況、關鍵參數、歷史趨勢情況等。

管理系統也可對模型計算出的預測性能與設備實際性能進行比較，實現對泵、風機、壓縮機等關鍵設備的運行狀況實時掌控，如圖1 所示。

該設備智能管理軟件還可通過數據分析、模式識別、預置算法、機器學習等方式對設備異常狀況進行監測與預判，提高異常報警提前量，幫助運行人員更早做好異常情況的應對準備（如能耗增加提前預警）。最后，該平臺可通過部分內置的算法，找出影響能耗的主要參數，為節能降耗提供建議。

4 結語

智能設備管理系統通過全面覆蓋、閉環管理、持續監測、智能診斷、長期跟蹤，可實現全廠各車間層級的能耗跟蹤和歷史趨勢對比、以及能耗指標從數據收集到降耗措施落實全貫通，保證設備運行效率，從而支持焚燒廠不斷提升經濟效益和社會效益。