钢铁企业无组织超低排放智能管控系统设计与实现

2023-10-15黄爽明平寿韩文杰高启洋

数字技术与应用 2023年9期

黄爽明平寿韩文杰高启洋

1.中冶武勘智诚（武汉）工程技术有限公司；2.中冶武勘工程技术有限公司

本系统应用体系化的环保管控治理方法，提供一种钢铁企业全覆盖的环境监测数字化方案，重点关注无组织污染源梳理和环保治理情况。对生产运行数据、环保治理数据、排放监测监控数据等多源异构数据进行统一汇聚与存储。研制适应于钢铁企业场景的数据分析算法，实现智能分析，减少人为干预。基于1:1 比例的全厂三维模型，实现钢厂生产作业、环保治理、污染排放全过程数字化、可视化，趋势研判、数值报警、处置执行智慧化，形成严密的绿色生产证据链条，达到钢铁企业无组织超低排放自证清白的效果，提升钢铁企业环保管控治理水平。

1 系统建设背景

钢铁工业是推动我国经济发展的重要工业之一。我国钢铁工业主要以长流程为主，包括炼焦、活性石灰、球团、烧结、炼铁、炼钢、轧钢及其下游产品加工等主要生产工序。基本所有的工序都涉及污染物排放，且排放量较大。一般长流程钢铁企业有组织排放源在100 个以上，各地区环保局都对长流程钢铁企业有组织的排口进行长期实时监测，对有组织排放源的监测和监管已经形成了较完善的流程。而长流程钢铁企业各生产工序相应的无组织排放源有上千个，并且分散面广，监管力度相对较弱。虽然近年来钢铁行业大气污染物减排工作取得了重要进展，但总排放量依然居高不下。尤其是火电行业实施超低排放改造以后，钢铁行业已成为最大的工业污染物排放来源[1]。

在此背景下，2019 年5 月，生态环境部等五部委部联合印发了《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》[2]（以下简称《意见》），明确了钢铁企业所有生产环节的超低排放指标要求，包括有组织排放控制指标、无组织排放控制措施和大宗物料产品清洁运输要求。《意见》提出到2025 年底前，重点区域钢铁企业超低排放改造基本完成，全国力争80%以上产能完成改造。对于完成超低排放改造的钢铁企业在环保税、奖励和信贷融资、差别化电价、差别化环保管理、技术支持方面加大政策支持力度。2020 年1 月，中国环境保护产业协会发布《钢铁企业超低排放改造技术指南》[3]（以下简称《指南》），在有组织排放、无组织排放和清洁运输方面为钢铁企业实施超低排放改造提供参考。

本系统旨在满足《指南》中“建设全厂集中管控平台”的无组织排放管控要求，对厂内无组织排放源清单中所有监测、治理设备进行集中管控，并记录各无组织排放源点相关生产设施运行状况、收尘、抑尘、清洗等治理设施运行数据、颗粒物监测数据和视频监控历史数据[3]。本系统创新性的基于三维模型，综合利用地理空间信息技术[4，5]、物联网技术[6]等，赋予环保相关生产、治理、监测设施地理属性，实现环保报警的三维证据链智能分析，提高钢铁企业无组织管控治理水平。

2 总体设计方案

无组织超低排放智能管控系统建立在钢厂三维模型的基础上，对厂区内的资产、设备、管道、作业区域等进行真实地展现。采用先进的三维激光扫描技术[7]，获取全厂物体表面的三维点云数据，然后使用逆向建模软件生成三维模型，并赋予其纹理，最后形成高精度1:1比例的全厂三维模型，作为无组织超低排放智能管控系统的数字底座。对钢厂虚拟场景内天空、雾等效果进行模拟以增加场景的真实度，在此基础上结合三维漫游技术、碰撞检测技术、光线追踪技术、虚拟仿真技术等实现对场景的深度仿真，提高场景真实度。

系统架构如图1 所示，包括基础设施层、平台服务层和可视化应用层。基础设施层包括主机网络资源、摄像头、总尘浓度监测仪（TSP）、空气质量微站、空气质量标准站、VOCs 监测仪和CEMS 等硬件设施。平台服务层依托数字钢厂基础信息平台，为可视化应用层提供地理信息资源服务，物联网平台提供环保监测数据服务，数据中心提供生产、治理设备运行数据。可视化应用层是面向用户的应用级产品，直接向用户提供具体的功能实现，包括系统首页即管理驾驶舱、排放源清单、有组织排放监测、无组织排放监测、环保视频监控、数据异常报警联动、三维证据链、决策分析等功能模块。

图1 系统架构图Fig.1 Architecture diagram of unorganized ultra-low emission intelligent control system

3 系统功能

3.1 管理驾驶舱

以全厂精细化三维模型为数字底座，利用大数据工具，对全厂各类环保监测数据进行深度挖掘，生成全厂TSP 监测实时均值、TSP 当日增长率、近6h 内厂区空气质量变化图、厂区空气微站监测实时值、分厂污染实时排名、满足超低排要求时间占比和清洁运输比例等。通过“一张图”的形式呈现厂区环保概况，方便管理者及时掌握环保态势。

3.2 排放源清单

根据《指南》要求，按物料输送、生产工艺、物料储存分类，集中管理全厂无组织排放源清单[8]。其中物料输送清单包括排放源名称及编号、所属生产工艺设施/生产环节、物料类型、治理设施《意见》规定要求、治理设施配置情况、治理设施是否满足《意见》规定要求、监控设施类型及监控设施安装位置；生产工艺清单包括生产工序、生产设备/车间名称、无组织排放源名称、治理设施《意见》规定要求、治理设施配置情况、治理设施是否满足《意见》规定要求、监控设施类型及监控设施安装位置；物料储存清单包括设施名称及编号、《意见》规定要求、主要参数、封闭方式、存放物料种类、堆取物料作业方式、除尘抑尘设施、出入口数量、车辆清洗装置、监控设施和全部储存物料是否满足《意见》规定要求。系统统计各类排放源数量，通过将各排放源相关的生产、治理、监测设施的关键参数上传至系统，直观地展示无组织污染源的受控情况及同步运行情况，形成无组织排放源清单，实现超低排放的“自证清白”。

3.3 有组织排放监测

基于厂区三维地图，赋予全厂有组织排放口空间属性，将有组织排口根据所属厂部进行二次分级并显示排口数量。通过点击地图中有组织排放口的CEMS 图标查看排口CEMS 监测实时数据及详情，分类展示各种排放物的实时监测值，包括二氧化硫、氮氧化物、颗粒物浓度及流速等。系统以图表化展示排放物当天24h 的浓度变化趋势，使企业能够直观、实时掌握排放监测数据。有组织排口图标通过不同颜色显示排放正常、预警、报警状态。

3.4 无组织排放监测

无组织排放监测与有组织排放监测类似，监测设备包括TSP、空气质量微站、VOCs 监测仪和水分监测仪，各类型监测设备的监测因子如表1 所示。基于监测设备空间位置，按需查看各类监测因子的实时数据与当天24h 的变化趋势。达到按空间位置掌握无组织排放的效果，辅助管理人员精准定位粉尘排放情况。

表1 无组织监测设备监测因子Tab.1 Monitoring factors of unorganized monitoring equipment

3.5 环保视频监控

系统以视频专题图的形式集中管理无组织排放视频监控。可以在三维模型中按照空间位置播放视频，同时也可以按照列表方式播放视频，查看现场实时画面。按照《意见》和《指南》要求，视频监控区域包括料场出入口、烧结环冷区域、高炉矿槽和炉顶区域、炼钢车间顶部、焦炉炉顶、钢渣处理车间等易产尘点，视频存储时间不低于3 个月。

3.6 数据异常报警联动

系统实时监测覆盖全厂的TSP、PM2.5、PM10 浓度，根据浓度阈值判断排放状态。当粉尘浓度超过阈值时，系统会自动分析相关排放源，以及对应的生产、治理、监测设备同步运转情况，列举可能导致超标的原因以及应急预案，实现超标溯源智能分析，联动现场管理人员，实现报警闭环处理。系统自动记录超标报警详细信息，形成设备运行台账，为问题定位与故障排查提供有效参考。

TSP 监测设备广泛分布于各个生产环节，由于原料、工艺不同，粉尘浓度千差万别，《意见》和《指南》均未规定TSP 限值。但是没有报警阈值，就不能有效查验现场粉尘浓度情况，给环境治理工作带来难题。因此，本系统结合TSP 设备周边环境，运用基于时间序列滑动均值TSP 报警算法，规定每个TSP 单独的报警阈值。经过现场验证本算法能够有效地探测粉尘溢出情况，为粉尘治理提供报警提示与浓度水平指示。

3.7 三维证据链

基于厂区三维地图，在空间上精准定位每条排放源对应的生产、治理、监测设备位置，联动显示生产、治理、监测设备运行数据，形成“生产—治理—监测—超低排放”的证据链。系统按照车间对排放源进行详细分类，使不同工序相关人员能够快速找到关注的排放源。该功能创新性地实现了粉尘污染物超标三维实景证据链分析，显著减少了现场排查工作量，提高了环保管控效率。

4 应用案例

钢铁企业无组织超低排放智能管控系统已在宁波钢铁有限公司成功应用，系统经历了三维建模、排放源清单梳理、无组织监测设备安装、数据采集、系统开发、测试运营几个阶段。系统首页（如图2 所示）整体展示了厂区超低排放情况。排放源清单作为超低排评估的重点内容，通过生产、治理、监测设备同步运行曲线（如图3 所示）和空间位置的证据链（如图4 所示）证实了厂区对无组织超低排放的合规控制。