生活垃圾焚烧发电炉膛中上部温度5分钟均值的算法研究实现

中电国际新能源海南有限公司 廖银堂

根据《生活垃圾焚烧发电厂自动监测数据应用管理规定》（生态环境部令2019年第10号，以下简称《管理规定》）生活垃圾焚烧发电采用炉膛内中部、上部截面热电偶测量温度的5分钟均值达到850℃作为炉膛温度的判定标准。为督促垃圾焚烧厂减少有害物质排放，同时考虑到我国生活垃圾的实际情况及焚烧状况，《管理规定》提出对于1个自然日内炉膛温度5分钟均值不达标次数累计超过5次的，将予以处罚[1]。因此，研究一种可靠、稳定、易实现的炉膛温度5分钟均值算法相当重要。

1 生活垃圾填埋处理存在的问题

1.1 侵占土地、污染土壤

生活垃圾的堆放或填埋占用大量的土地资源，堆放产生的渗滤液渗透到土壤和水体中，影响土壤的成分及结构，污染地下水，造成严重土壤污染、水质恶化。

1.2 污染空气环境

生活垃圾在露天堆放或者运输、焚烧处理过程中，因为缺乏必要的防护处理措施、燃烧不充分、环保物料投放不足等原因，排放不达标，造成环境污染。

1.3 危害人体健康

空气环境、地下水污染、细菌传播、二噁英产生、重金属等都会对人类生存环境造成影响，引发各种疾病，危害人类健康。

1.4 邻避效应

垃圾焚烧发电的建设和运营群众普遍认为有污染有危害，比较反对和排斥临近建设，担心生产过程中会产生致癌物质二噁英等，这是造成建设生活垃圾焚烧发电项目选址、建设、投产、运营的难题。

1.5 信息公开化

生产过程中的环保排放不公开透明，各地方公开的排放信息内容不统一。缺少民众参与和监督，难打消民众的担忧，从而难以获得群众的支持。

2 生活垃圾焚烧处理的技术优势

2.1 体积减量化

垃圾焚烧后，体积相对填埋处理可减少90%以上，重量可以减轻80%以上。垃圾焚烧后灰渣填埋，可以有效地减少填埋对土地资源的占用。

2.2 处理无害化

生活垃圾经过高温焚烧后可以消除垃圾中存在的大量有害病菌和有毒物质，也可有效减小垃圾堆放过程中产生的渗滤液对土壤和地下水资源的污染。焚烧后的气体和飞灰经过活性碳、螯合剂等净化处理，可以有效对烟气、飞灰中的二噁英、重金属等污染物进行吸附、固化处理，达到无害化处理。

2.3 资源能源化

生活垃圾中存在的热值经过发酵，高温焚烧后产生的热能可用于发电和供热，资源的有效利用，实现能源回收，垃圾处理得到良好循环的能源化利用。

3 目前生活垃圾焚烧处理存在的难题

3.1 邻避问题

“邻避效应”在我国是生活垃圾焚烧发电行业较为突出的问题。垃圾焚烧发电具有垃圾减量效果明显、垃圾热值可利用等特点，是解决生活垃圾围城、垃圾填埋的重要手段，已逐步成为无害化处理的发展方向，是解决“避邻问题”的最有效方案。

3.2 环保法规

《管理规定》提出将炉膛中部、上部温度5分钟均值的监测数据可作为生活垃圾焚烧发电行业污染物排放超标违法行为的认定和处罚。该法规规定填补了自动监测数据直接用于行政处罚的空白，并在全国范围内垃圾焚烧发电行业率先全面应用，使得生活垃圾焚烧发电行业的监管更加透明。还有效促进企业提升管理、升级生产工艺，自觉守法，促进生活垃圾焚烧发电行业高质量良性发展。

3.3 信息化平台

自动监测具有数据实时传输、掉线自动报警、超标自动报警、自动下发督办单等优势，有效解决环境监管盲区和死角。以往对排污单位的监测主要以手工为主，《管理规定》创新型地提出自动监控手段，实现远程监控各生产企业、结合线下执法联动，提升环境执法效率，有力震慑生产企业各种违法排污行为。

3.4 二噁英问题

目前无法对二噁英的进行实时在线监测，只能通过现场手工取样，在实验室通过专业仪器惊醒检测分析。为了使炉膛内燃烧产生二噁英的产生量最小化，炉内烟气温度必须保持在850℃或者更高达到2秒以上，这是确保二噁英达标排放的关键。炉膛温度监测的公示，接受公众监督，也可以有效督促生产企业达标排放。

4 炉膛温度监测问题的解决探究

4.1 环保法规

按照《管理规定》，采用炉膛内中部、上部截面热电偶的5分钟均值达到850℃作为炉膛温度的判定标准，提出了对每日炉膛温度5分钟均值不达标次数累计超过5次的，予以处罚和督办。

4.2 信息化

利用大数据平台分析、公示公开化等手段杜绝生产企业环保数据造假。全国垃圾焚烧厂的烟气排放自动监测，环保数据实时上传到环保部门监控中心进行大数据分析，弄虚作假、违规排放等行为很容易被智能识别出来。

4.3 标准化、规范化

《管理规定》对炉膛温度的采样、监测、统计、传输做了统一标准、规范的要求，避免各地方实行标准不一致，生产企业公示的环保信息不全面，造成民众监督困难。

5 炉膛5分钟均值算法的实现研究

5.1 按照《“装、树、联”》技术要求和实施指导

垃圾焚烧发电厂应在每台焚烧炉中部截面、上部截面至少设置各3个热电偶温度测点，热电偶测点温度与热电偶参比端环境温度以数字信号的形式接入到数据采集传输仪，实时上传到生态环境部门[2]。

分别选取焚烧炉炉膛中部和上部两个截面的热电偶温度测量值的中位数，累积计算两个中位数的平均值的5分钟均值。

中部、上部5分钟均值计算过程如下：

步骤1：选取炉膛中部和上部的热电偶测量温度数据进行计算，分别选取炉膛内中部、上部热电偶测量温度的中位数。

Ti：表示某时刻中部或者上部截面n 个热电偶测量实时值的中位数，按照（1）公式进行计算；

其中t1,t2,…,tn为各截面热电偶测点的实时值。

步骤2：计算炉膛中部、上部截面热电偶测量温度中位数的算术平均值。

Tx：某时刻炉膛内中部、上部截面中位数的算术平均值，按照（2）公式计算。

其中，T1为中部截面的中位数，T2为上部截面的中位数。

步骤3：计算自每日0点00分开始每5分钟的算术平均值，例如：取00:00 至00:05分（不包含）之间的5分钟均值。

Tv：炉膛中部、上部截面中位数算术平均值的累积5分钟均值，取每5分钟数据进行累积计算，按照（3）公式计算。

m 为5分钟内取样的总数。

5.2 SAMA 图设计思路

为了更好的表达和理解算法的过程，使用SAMA图设计绘制算法过程控制系统图。SAMA图作为热工控制系统最广泛使用的控制工程图例之一，其输入、输出关系、简化的功能块英文标识和流程方向与DCS 控制组态图比较接近，便于理清思路、易于理解，清晰表达全部控制功能和信号处理流程，在不同语言国家、厂家和不同版本的DCS 系统、PLC 系统中能够按照SAMA 图快速实现算法的表达。

在设计热工控制系统时，首先根据控制过程的需求，绘制过程控制系统的SAMA图，DCS 系统组态人员根据SAMA图的表达，进行DCS 逻辑、算法组态的设计，利用DCS 系统自带的常用的功能块和算法块快速的实现DCS 组态。按照炉膛中部、上部温度5分钟均值算法要求进行SAMA图设计，见图1。

图1 SAMA 图设计

5.3 DCS 系统算法实现

分布式控制系统简称DCS，以高性能微处理器为基础，采用分散控制、集中操作、和集中管理的基本设计思想。DCS 系统具有高可靠性、高安全性和最大的灵活性，在硬件和软件中全部采用冗余技术，综合了容错技术、隔离技术、故障自诊断和先进控制算法技术等特点。DCS 依靠专业的算法库、丰富的控制、运算模块的灵活组态，可实现多样化的控制策略以满足不同情况下的需要，使得在单元组合仪表实现起来相当繁琐与复杂的命题变得简单[3]。

本项目基于公司#3炉DCS 系统算法组态为例。项目情况：垃圾处理量600t/d；炉排结构：往复式机械炉排炉；炉膛中部、上部截面：各3支热电偶测点；DCS 系统：杭州和利时；软件版本：MACS V6.5.2；主控：K-CU01；采样频率：1秒/个。

通过SA M A图将算法流程表达出来，用到DCS 系统自带的几个常用功能块：获取控制器时间模块RTSTIME、中值计算模块HSMEDSEL、计算标准统计算法模块STATISTICS_REAL，取余模块MOD 等。

DCS 算法实现过程：

炉膛中部、上部截面温度中值选择，中值计算模块HSMEDSEL 工作模式MD 选择中值模式：0。任意两点越线偏差设置为100℃，当3个温度点都是好点时直接输出中值；2个温度点有2个是好点时输出2个好点的平均值，只有1个好点时把该好点作为中值输出。见图2。

图2 截面中值选择

中值的算术平均值累计输出，利用计算标准统计算法模块STATISTICS_REAL 实时累积计算平均值，待MOVE 功能块使用触发输出。利用实时累积计算功能块相对一维数组、二维数组的算法更加节省控制器内存，减轻主控负担，也更加容易、便捷实现组态，以及算法移植。见图3。

图3 中值平均值累计输出

5分钟定时触发算法，利用RTSTIME 模块获取控制器时间，巧妙利用取余模块MOD，得到精准的5分钟（300秒）定时触发输出。同理，通过修改秒数，可以轻松实现分钟均值、小时均值、日均值输出。见图4。

图4 5分钟定时触发器

算法综合组态，将中值算法、统计算法、定时触发器算法等进行合理组态。见图5。

图5 算法综合组态

算法的在线论证，DCS 系统登陆在线，获取中部、上部截面各测点的温度实时值进行中值选择和计算，结果见图6。

图6 中值选择算法的论证

截取1个小时的5分钟均值的曲线，结果见图7。

图7 曲线结果论证

6 结论

DCS 算法组态下装后，从算法在线和历史曲线看，符合设计意图，炉膛中部、上部截面温度5分钟均值计算统计结果完全符合设计构想，满足环保监测统计要求。此算法可以在不同语言、不同厂家、不同版本的DCS、PLC 等控制系统中快速实现组态，具有通用性、易用性、高效性。