鋼鐵企業(yè)無(wú)組織超低排放智能管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃爽 明平壽 韓文杰 高啟洋

1.中冶武勘智誠(chéng)（武漢）工程技術(shù)有限公司；2.中冶武勘工程技術(shù)有限公司

本系統(tǒng)應(yīng)用體系化的環(huán)保管控治理方法，提供一種鋼鐵企業(yè)全覆蓋的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)字化方案，重點(diǎn)關(guān)注無(wú)組織污染源梳理和環(huán)保治理情況。對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、環(huán)保治理數(shù)據(jù)、排放監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一匯聚與存儲(chǔ)。研制適應(yīng)于鋼鐵企業(yè)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)分析算法，實(shí)現(xiàn)智能分析，減少人為干預(yù)。基于1:1 比例的全廠三維模型，實(shí)現(xiàn)鋼廠生產(chǎn)作業(yè)、環(huán)保治理、污染排放全過(guò)程數(shù)字化、可視化，趨勢(shì)研判、數(shù)值報(bào)警、處置執(zhí)行智慧化，形成嚴(yán)密的綠色生產(chǎn)證據(jù)鏈條，達(dá)到鋼鐵企業(yè)無(wú)組織超低排放自證清白的效果，提升鋼鐵企業(yè)環(huán)保管控治理水平。

1 系統(tǒng)建設(shè)背景

鋼鐵工業(yè)是推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要工業(yè)之一。我國(guó)鋼鐵工業(yè)主要以長(zhǎng)流程為主，包括煉焦、活性石灰、球團(tuán)、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、軋鋼及其下游產(chǎn)品加工等主要生產(chǎn)工序。基本所有的工序都涉及污染物排放，且排放量較大。一般長(zhǎng)流程鋼鐵企業(yè)有組織排放源在100 個(gè)以上，各地區(qū)環(huán)保局都對(duì)長(zhǎng)流程鋼鐵企業(yè)有組織的排口進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)有組織排放源的監(jiān)測(cè)和監(jiān)管已經(jīng)形成了較完善的流程。而長(zhǎng)流程鋼鐵企業(yè)各生產(chǎn)工序相應(yīng)的無(wú)組織排放源有上千個(gè)，并且分散面廣，監(jiān)管力度相對(duì)較弱。雖然近年來(lái)鋼鐵行業(yè)大氣污染物減排工作取得了重要進(jìn)展，但總排放量依然居高不下。尤其是火電行業(yè)實(shí)施超低排放改造以后，鋼鐵行業(yè)已成為最大的工業(yè)污染物排放來(lái)源[1]。

在此背景下，2019 年5 月，生態(tài)環(huán)境部等五部委部聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見(jiàn)》[2]（以下簡(jiǎn)稱《意見(jiàn)》），明確了鋼鐵企業(yè)所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)的超低排放指標(biāo)要求，包括有組織排放控制指標(biāo)、無(wú)組織排放控制措施和大宗物料產(chǎn)品清潔運(yùn)輸要求。《意見(jiàn)》提出到2025 年底前，重點(diǎn)區(qū)域鋼鐵企業(yè)超低排放改造基本完成，全國(guó)力爭(zhēng)80%以上產(chǎn)能完成改造。對(duì)于完成超低排放改造的鋼鐵企業(yè)在環(huán)保稅、獎(jiǎng)勵(lì)和信貸融資、差別化電價(jià)、差別化環(huán)保管理、技術(shù)支持方面加大政策支持力度。2020 年1 月，中國(guó)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布《鋼鐵企業(yè)超低排放改造技術(shù)指南》[3]（以下簡(jiǎn)稱《指南》），在有組織排放、無(wú)組織排放和清潔運(yùn)輸方面為鋼鐵企業(yè)實(shí)施超低排放改造提供參考。

本系統(tǒng)旨在滿足《指南》中“建設(shè)全廠集中管控平臺(tái)”的無(wú)組織排放管控要求，對(duì)廠內(nèi)無(wú)組織排放源清單中所有監(jiān)測(cè)、治理設(shè)備進(jìn)行集中管控，并記錄各無(wú)組織排放源點(diǎn)相關(guān)生產(chǎn)設(shè)施運(yùn)行狀況、收塵、抑塵、清洗等治理設(shè)施運(yùn)行數(shù)據(jù)、顆粒物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控歷史數(shù)據(jù)[3]。本系統(tǒng)創(chuàng)新性的基于三維模型，綜合利用地理空間信息技術(shù)[4，5]、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[6]等，賦予環(huán)保相關(guān)生產(chǎn)、治理、監(jiān)測(cè)設(shè)施地理屬性，實(shí)現(xiàn)環(huán)保報(bào)警的三維證據(jù)鏈智能分析，提高鋼鐵企業(yè)無(wú)組織管控治理水平。

2 總體設(shè)計(jì)方案

無(wú)組織超低排放智能管控系統(tǒng)建立在鋼廠三維模型的基礎(chǔ)上，對(duì)廠區(qū)內(nèi)的資產(chǎn)、設(shè)備、管道、作業(yè)區(qū)域等進(jìn)行真實(shí)地展現(xiàn)。采用先進(jìn)的三維激光掃描技術(shù)[7]，獲取全廠物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后使用逆向建模軟件生成三維模型，并賦予其紋理，最后形成高精度1:1比例的全廠三維模型，作為無(wú)組織超低排放智能管控系統(tǒng)的數(shù)字底座。對(duì)鋼廠虛擬場(chǎng)景內(nèi)天空、霧等效果進(jìn)行模擬以增加場(chǎng)景的真實(shí)度，在此基礎(chǔ)上結(jié)合三維漫游技術(shù)、碰撞檢測(cè)技術(shù)、光線追蹤技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景的深度仿真，提高場(chǎng)景真實(shí)度。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，包括基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺(tái)服務(wù)層和可視化應(yīng)用層。基礎(chǔ)設(shè)施層包括主機(jī)網(wǎng)絡(luò)資源、攝像頭、總塵濃度監(jiān)測(cè)儀（TSP）、空氣質(zhì)量微站、空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)站、VOCs 監(jiān)測(cè)儀和CEMS 等硬件設(shè)施。平臺(tái)服務(wù)層依托數(shù)字鋼廠基礎(chǔ)信息平臺(tái)，為可視化應(yīng)用層提供地理信息資源服務(wù)，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供環(huán)保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)，數(shù)據(jù)中心提供生產(chǎn)、治理設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。可視化應(yīng)用層是面向用戶的應(yīng)用級(jí)產(chǎn)品，直接向用戶提供具體的功能實(shí)現(xiàn)，包括系統(tǒng)首頁(yè)即管理駕駛艙、排放源清單、有組織排放監(jiān)測(cè)、無(wú)組織排放監(jiān)測(cè)、環(huán)保視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)異常報(bào)警聯(lián)動(dòng)、三維證據(jù)鏈、決策分析等功能模塊。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture diagram of unorganized ultra-low emission intelligent control system

3 系統(tǒng)功能

3.1 管理駕駛艙

以全廠精細(xì)化三維模型為數(shù)字底座，利用大數(shù)據(jù)工具，對(duì)全廠各類環(huán)保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，生成全廠TSP 監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)均值、TSP 當(dāng)日增長(zhǎng)率、近6h 內(nèi)廠區(qū)空氣質(zhì)量變化圖、廠區(qū)空氣微站監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)值、分廠污染實(shí)時(shí)排名、滿足超低排要求時(shí)間占比和清潔運(yùn)輸比例等。通過(guò)“一張圖”的形式呈現(xiàn)廠區(qū)環(huán)保概況，方便管理者及時(shí)掌握環(huán)保態(tài)勢(shì)。

3.2 排放源清單

根據(jù)《指南》要求，按物料輸送、生產(chǎn)工藝、物料儲(chǔ)存分類，集中管理全廠無(wú)組織排放源清單[8]。其中物料輸送清單包括排放源名稱及編號(hào)、所屬生產(chǎn)工藝設(shè)施/生產(chǎn)環(huán)節(jié)、物料類型、治理設(shè)施《意見(jiàn)》規(guī)定要求、治理設(shè)施配置情況、治理設(shè)施是否滿足《意見(jiàn)》規(guī)定要求、監(jiān)控設(shè)施類型及監(jiān)控設(shè)施安裝位置；生產(chǎn)工藝清單包括生產(chǎn)工序、生產(chǎn)設(shè)備/車間名稱、無(wú)組織排放源名稱、治理設(shè)施《意見(jiàn)》規(guī)定要求、治理設(shè)施配置情況、治理設(shè)施是否滿足《意見(jiàn)》規(guī)定要求、監(jiān)控設(shè)施類型及監(jiān)控設(shè)施安裝位置；物料儲(chǔ)存清單包括設(shè)施名稱及編號(hào)、《意見(jiàn)》規(guī)定要求、主要參數(shù)、封閉方式、存放物料種類、堆取物料作業(yè)方式、除塵抑塵設(shè)施、出入口數(shù)量、車輛清洗裝置、監(jiān)控設(shè)施和全部?jī)?chǔ)存物料是否滿足《意見(jiàn)》規(guī)定要求。系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)各類排放源數(shù)量，通過(guò)將各排放源相關(guān)的生產(chǎn)、治理、監(jiān)測(cè)設(shè)施的關(guān)鍵參數(shù)上傳至系統(tǒng)，直觀地展示無(wú)組織污染源的受控情況及同步運(yùn)行情況，形成無(wú)組織排放源清單，實(shí)現(xiàn)超低排放的“自證清白”。

3.3 有組織排放監(jiān)測(cè)

基于廠區(qū)三維地圖，賦予全廠有組織排放口空間屬性，將有組織排口根據(jù)所屬?gòu)S部進(jìn)行二次分級(jí)并顯示排口數(shù)量。通過(guò)點(diǎn)擊地圖中有組織排放口的CEMS 圖標(biāo)查看排口CEMS 監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及詳情，分類展示各種排放物的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值，包括二氧化硫、氮氧化物、顆粒物濃度及流速等。系統(tǒng)以圖表化展示排放物當(dāng)天24h 的濃度變化趨勢(shì)，使企業(yè)能夠直觀、實(shí)時(shí)掌握排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。有組織排口圖標(biāo)通過(guò)不同顏色顯示排放正常、預(yù)警、報(bào)警狀態(tài)。

3.4 無(wú)組織排放監(jiān)測(cè)

無(wú)組織排放監(jiān)測(cè)與有組織排放監(jiān)測(cè)類似，監(jiān)測(cè)設(shè)備包括TSP、空氣質(zhì)量微站、VOCs 監(jiān)測(cè)儀和水分監(jiān)測(cè)儀，各類型監(jiān)測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)因子如表1 所示。基于監(jiān)測(cè)設(shè)備空間位置，按需查看各類監(jiān)測(cè)因子的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與當(dāng)天24h 的變化趨勢(shì)。達(dá)到按空間位置掌握無(wú)組織排放的效果，輔助管理人員精準(zhǔn)定位粉塵排放情況。

表1 無(wú)組織監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)因子Tab.1 Monitoring factors of unorganized monitoring equipment

3.5 環(huán)保視頻監(jiān)控

系統(tǒng)以視頻專題圖的形式集中管理無(wú)組織排放視頻監(jiān)控。可以在三維模型中按照空間位置播放視頻，同時(shí)也可以按照列表方式播放視頻，查看現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)畫(huà)面。按照《意見(jiàn)》和《指南》要求，視頻監(jiān)控區(qū)域包括料場(chǎng)出入口、燒結(jié)環(huán)冷區(qū)域、高爐礦槽和爐頂區(qū)域、煉鋼車間頂部、焦?fàn)t爐頂、鋼渣處理車間等易產(chǎn)塵點(diǎn)，視頻存儲(chǔ)時(shí)間不低于3 個(gè)月。

3.6 數(shù)據(jù)異常報(bào)警聯(lián)動(dòng)

系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)覆蓋全廠的TSP、PM2.5、PM10 濃度，根據(jù)濃度閾值判斷排放狀態(tài)。當(dāng)粉塵濃度超過(guò)閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分析相關(guān)排放源，以及對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)、治理、監(jiān)測(cè)設(shè)備同步運(yùn)轉(zhuǎn)情況，列舉可能導(dǎo)致超標(biāo)的原因以及應(yīng)急預(yù)案，實(shí)現(xiàn)超標(biāo)溯源智能分析，聯(lián)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)管理人員，實(shí)現(xiàn)報(bào)警閉環(huán)處理。系統(tǒng)自動(dòng)記錄超標(biāo)報(bào)警詳細(xì)信息，形成設(shè)備運(yùn)行臺(tái)賬，為問(wèn)題定位與故障排查提供有效參考。

TSP 監(jiān)測(cè)設(shè)備廣泛分布于各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，由于原料、工藝不同，粉塵濃度千差萬(wàn)別，《意見(jiàn)》和《指南》均未規(guī)定TSP 限值。但是沒(méi)有報(bào)警閾值，就不能有效查驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度情況，給環(huán)境治理工作帶來(lái)難題。因此，本系統(tǒng)結(jié)合TSP 設(shè)備周邊環(huán)境，運(yùn)用基于時(shí)間序列滑動(dòng)均值TSP 報(bào)警算法，規(guī)定每個(gè)TSP 單獨(dú)的報(bào)警閾值。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證本算法能夠有效地探測(cè)粉塵溢出情況，為粉塵治理提供報(bào)警提示與濃度水平指示。

3.7 三維證據(jù)鏈

基于廠區(qū)三維地圖，在空間上精準(zhǔn)定位每條排放源對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)、治理、監(jiān)測(cè)設(shè)備位置，聯(lián)動(dòng)顯示生產(chǎn)、治理、監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，形成“生產(chǎn)—治理—監(jiān)測(cè)—超低排放”的證據(jù)鏈。系統(tǒng)按照車間對(duì)排放源進(jìn)行詳細(xì)分類，使不同工序相關(guān)人員能夠快速找到關(guān)注的排放源。該功能創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了粉塵污染物超標(biāo)三維實(shí)景證據(jù)鏈分析，顯著減少了現(xiàn)場(chǎng)排查工作量，提高了環(huán)保管控效率。

4 應(yīng)用案例

鋼鐵企業(yè)無(wú)組織超低排放智能管控系統(tǒng)已在寧波鋼鐵有限公司成功應(yīng)用，系統(tǒng)經(jīng)歷了三維建模、排放源清單梳理、無(wú)組織監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、測(cè)試運(yùn)營(yíng)幾個(gè)階段。系統(tǒng)首頁(yè)（如圖2 所示）整體展示了廠區(qū)超低排放情況。排放源清單作為超低排評(píng)估的重點(diǎn)內(nèi)容，通過(guò)生產(chǎn)、治理、監(jiān)測(cè)設(shè)備同步運(yùn)行曲線（如圖3 所示）和空間位置的證據(jù)鏈（如圖4 所示）證實(shí)了廠區(qū)對(duì)無(wú)組織超低排放的合規(guī)控制。

圖2 系統(tǒng)首頁(yè)Fig.2 The system home page

圖3 生產(chǎn)、治理、監(jiān)測(cè)設(shè)備同步運(yùn)行曲線Fig.3 Synchronous running curves of manufacturing facility,control equipment and monitoring equipment

圖4 超低排放三維證據(jù)鏈Fig.4 Ultra-low emission three-dimensional evidence chain

5 結(jié)論

（1）本文以廠區(qū)三維模型為數(shù)字底座，設(shè)計(jì)了滿足鋼鐵企業(yè)超低排放要求的無(wú)組織超低排放智能管控系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了覆蓋全廠的生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)組織揚(yáng)塵的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，全面提升了廠區(qū)生態(tài)環(huán)境管理信息化水平。

（2）聚焦超低排關(guān)注的排放源清單，通過(guò)與三維地圖聯(lián)動(dòng)，利用地理信息技術(shù)的粘合性，賦予環(huán)保數(shù)據(jù)時(shí)間和空間屬性。構(gòu)建了排放源生產(chǎn)、治理、監(jiān)測(cè)的空間證據(jù)鏈，通過(guò)空間位置與同步運(yùn)行情況的聯(lián)動(dòng)分析，強(qiáng)化了無(wú)組織排放源頭精細(xì)化、科技化、系統(tǒng)化管控。

（3）本系統(tǒng)除了全面滿足鋼鐵企業(yè)無(wú)組織管控的系統(tǒng)建設(shè)要求，同時(shí)兼顧了有組織排放與清潔運(yùn)輸?shù)膶?shí)時(shí)監(jiān)控，以“一張圖”的形式實(shí)現(xiàn)了環(huán)保管理模式從傳統(tǒng)管理模式，向三維可查、可知、可感、可視的智慧化管控模式轉(zhuǎn)變。