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隨著沼氣池厭氧技術(shù)在工業(yè)廢水處理城市污泥消化、農(nóng)業(yè)廢棄物處理和垃圾處理等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,我國大中型沼氣工程的建設(shè)取得了長足發(fā)展,沼氣行業(yè)在沼氣產(chǎn)量和已建大中型沼氣工程數(shù)量方面均已居世界第一=31。近10年的發(fā)展中,沼氣由早先的環(huán)保功能發(fā)展成為替代化石天然氣的一種商業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)清潔能源4,沼氣工程也已經(jīng)由土木工程型轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)備型,工程中設(shè)備和施工技術(shù)含量及投資的比例不斷提高。無論是能源環(huán)保型、能源生態(tài)型或是熱、電、肥聯(lián)產(chǎn)型沼氣工程6,沼氣池厭氧消化工藝決定著整個工程的運行效果和效益,而其過程的動態(tài)性和復(fù)雜性又時刻考驗著運行決策。隨著能源

結(jié)構(gòu)調(diào)整和環(huán)保壓力的增加,分布式能源以及沼氣  與其他能源季節(jié)性互補的動態(tài)需求向運行管理的專  業(yè)性提出了更高的要求8,規(guī)?；託夤こ淘诿媾R轉(zhuǎn)型升級過程中從管理和運行層面破解效率低、穩(wěn)定性差的難題,也日益成為關(guān)注的焦點,碳排放交易體系的發(fā)展又為提升沼氣工程效益,促進(jìn)發(fā)展提供了新的機(jī)遇。筆者在分析當(dāng)前我國沼氣池厭氧沼氣工程運行與管理的方式難以滿足沼氣池厭氧發(fā)酵過程的動態(tài)性特點的問題基礎(chǔ)上,提出了基于SaaS的前饋一開回路控制模式,通過云計算將工程運行產(chǎn)生的在線數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析,為工程運行管理者提供預(yù)測預(yù)警,輔助運行決策。

1沼氣池厭氧發(fā)酵的復(fù)合動態(tài)過程

1.1發(fā)酵物料的變化

發(fā)酵物料的變化直接影響沼氣池厭氧工藝過程,如秸桿燃?xì)夤こ绦枰醇竟?jié)需求進(jìn)行物料量和配比的動態(tài)調(diào)整,這是因為物料的動態(tài)變化具有季節(jié)性特點-2),工業(yè)廢水也有水質(zhì)水量變化大的情況進(jìn)料指標(biāo)的變化會導(dǎo)致系統(tǒng)負(fù)荷的變動14)。有文獻(xiàn)提出對發(fā)酵底物進(jìn)行全面描述可以保證沼氣池厭氧發(fā)酵過程更穩(wěn)定的運行,一旦底物發(fā)生變化,就可以改變相應(yīng)的工藝對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。而動態(tài)改變有機(jī)負(fù)荷率的風(fēng)險很大,尤其在沒有專業(yè)有效的技術(shù)手段支持的情況下,依靠的是運行人員的經(jīng)驗和技術(shù)水平,錯誤的決策造成的大的負(fù)荷擾動有可能造成產(chǎn)甲烷微生物活性受抑制或洗出而導(dǎo)致工程系統(tǒng)癱

1.2沼氣池厭氧反應(yīng)器的變化

泥、砂、鳥糞石等導(dǎo)致的管道水泵等磨損、堵塞致使反應(yīng)器內(nèi)流體狀態(tài)產(chǎn)生差異2-1;保

板材的損壞,保溫效果變差導(dǎo)致發(fā)酵溫度波

結(jié)垢、循環(huán)水泵效率降低導(dǎo)致的混合條件變化,甚至季節(jié)性溫度變化導(dǎo)致反應(yīng)器溫度變化從而引起的微  生物活性變化22),這些都是可能導(dǎo)致沼氣池厭氧反應(yīng)器從時間和空間的動態(tài)變化的復(fù)雜原因。顯然,上述因素隨著服役時間的增加,即使采用完全相同的設(shè)計方案和運行管理方式,同一工程中反應(yīng)器之間的效率和穩(wěn)定性也可能產(chǎn)生差異

1.3運行操作因素

筆者在2014年底至2015年中針對輕工行業(yè)酒精、白酒、造紙等的14家工業(yè)企業(yè)廢水沼氣池厭氧處理工藝日常運行的封閉式問卷調(diào)查結(jié)果顯示

(1)對沼氣池厭氧反應(yīng)器的運行決策主要靠技術(shù)人員分析各反應(yīng)器取樣檢測數(shù)據(jù)并進(jìn)行內(nèi)部交流討論或者由班長或技術(shù)人員做出。這種決策過程的準(zhǔn)確性受分析工具、分析手段和技術(shù)人員的專業(yè)水平和工程經(jīng)驗影響,決定性的因素是技術(shù)人員本身,其經(jīng)驗就是在解決各類運行問題中不斷積累的,并且在這些經(jīng)驗中,應(yīng)對運行異常、故障或失敗的經(jīng)驗至關(guān)重要。

(2)所有企業(yè)都認(rèn)為離線檢測分析數(shù)據(jù)對工藝運行幫助最大,認(rèn)為在線監(jiān)測的狀態(tài)數(shù)據(jù)如pH值溫度等參數(shù)對運行幫助大的占57%,這主要是由于

不同指標(biāo)對運行決策的影響權(quán)重不同,比如,pH  的滯后性;另外,部分工程因為換熱器設(shè)備故障維  修成本高或者熱源不穩(wěn)定,干預(yù)沼氣池厭氧反應(yīng)器溫度語

整的機(jī)會少。

2沼氣池厭氧運行過程控制與管理方式

沼氣池厭氧消化過程是一個非常復(fù)雜的涉及微生物紙  胞內(nèi)部大量的、多步驟的微觀生物化學(xué)反應(yīng)過程和  沼氣池厭氧反應(yīng)器內(nèi)固液氣三相間宏觀質(zhì)量傳遞、熱  量  傳遞和能量傳遞的問題,發(fā)酵過程包含復(fù)雜的過程  參數(shù),且各參數(shù)之間高度耦合、相互影響。對發(fā)醇過  程進(jìn)行監(jiān)測控制,有利于促進(jìn)發(fā)酵效率并提高沼氣池厭氧  發(fā)酵過程的穩(wěn)定性1。發(fā)酵過程控制和預(yù)測預(yù)警  方式方法有很多分類,無論采取何種方式,其目的都是通過將發(fā)酵過程的某些狀態(tài)變量控制在期望的水平或時間曲線上,使得某一發(fā)酵性能指標(biāo)達(dá)到最

優(yōu)。綜合相關(guān)研究、文獻(xiàn)及工程實際,筆者將應(yīng)用于沼氣池厭氧消化過程控制的方式分為以下幾類

2.1基于經(jīng)臉和數(shù)據(jù)分析的人工管理

這類運行管理方式常見于各類沼氣池厭氧工程中,較  粗放,包括部分大中型沼氣工程因為工藝運行不穩(wěn)  定導(dǎo)致自控系統(tǒng)被廢棄。在依賴人工經(jīng)驗運行的過  程中容易出現(xiàn)誤判,而為了避免誤判,只能在較低  負(fù)荷狀態(tài)下運行

2.2基于工藝特點以開關(guān)型組態(tài)為主的邏輯控制  由于發(fā)酵過程中對于特定變量的控制精度要求  不高,為了提升工程自控水平,降低管理成本,根據(jù)  工程工藝設(shè)計數(shù)據(jù)設(shè)定自動運行參數(shù),在運行過程  中,管理人員根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果動態(tài)調(diào)整相關(guān)參數(shù)  如在不同反應(yīng)器之間動態(tài)分配物料,調(diào)整攪拌頻率2.3基于計算機(jī)技術(shù)和沼氣池厭氧機(jī)理的模型控制  基于傳統(tǒng)動力學(xué)或系統(tǒng)動力學(xué)模型31、沼氣池厭氧消  化1號模型23(ADM1)及其擴(kuò)展模型、基于神經(jīng)  網(wǎng)絡(luò)3-的計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的控制方式,用來精  準(zhǔn)模擬預(yù)測沼氣池厭氧過程。雖然在沼氣池厭氧結(jié)構(gòu)化數(shù)學(xué)模型  和工藝模擬方面取得了大量進(jìn)展,但諸多生化反應(yīng)  動力學(xué)參數(shù)的獲取、參數(shù)識別和矯正以及誤差分新  的有效方法還很欠缺,大量研究成果多為實驗室  或中試規(guī)模,實際應(yīng)用在工程運行上的還有很多算  法、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器等方面的障礙。  2.4開放式的測算和開回路前饋控制方式  由于受傳感器、控制系統(tǒng)及其算法、設(shè)備故障率

等幾大主要因素的限制,閉回路一反饋控制的全自動運行方式目前還較難應(yīng)用于規(guī)?；託夤こ?有研究提出了開放式的測算方法,并為運行的關(guān)鍵參  數(shù)提出了基于實驗數(shù)據(jù)的閾值,劃定了報警范圍,并

在實驗規(guī)模和工程規(guī)模取得了應(yīng)用進(jìn)展(見圖1)16。筆者認(rèn)為這是當(dāng)前條件下,為提高數(shù)據(jù)分析能力,降低人工誤判概率的應(yīng)用可行性最高的控制方式。

3SaS服務(wù)模式的應(yīng)用

綜合前述分析,對沼氣池厭氧消化過程的模擬、診斷和控制,本質(zhì)上是采用科學(xué)的建模方法以及合理的分析手段對運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、分析并提取信息或者規(guī)則,再由執(zhí)行機(jī)構(gòu)采取相應(yīng)的操作。決策越準(zhǔn)確,所需要數(shù)據(jù)的數(shù)量、類型越多,數(shù)據(jù)的時效性要求也越高。目前,一方面,基于工藝特點的以開關(guān)型組態(tài)為主的邏輯控制程序,在參數(shù)調(diào)整的靈活性上不足以應(yīng)對發(fā)酵過程的動態(tài)變化;另一方面,用于沼氣池厭氧工藝預(yù)警的靈敏度高、時效性強的參數(shù)如VFA氫分壓等傳感器技術(shù)存在靈敏度、成本等問題3,傳感器、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)很難形成完整穩(wěn)定的閉回路反饋的控制方式,這使得基于動力學(xué)或沼氣池厭氧機(jī)理模型的精準(zhǔn)先進(jìn)控制算法應(yīng)用受限,傳統(tǒng)的基于滴定計和色譜的VFA.和BOD等指標(biāo)的測定對過程控制仍具有重要意義3。

筆者從2014年開始聯(lián)合部分企業(yè)開展了SaS模式的技術(shù)服務(wù),開發(fā)了云計算軟件,通過實時采集工程運行中的在線數(shù)據(jù)和基于web交互的離線數(shù)  據(jù),并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析加工,為工程管理者和技  術(shù)工人提供了具有較強時效性、專業(yè)性的技術(shù)服務(wù),  在應(yīng)對沼氣池厭氧過程動態(tài)變化及關(guān)鍵指標(biāo)的預(yù)測預(yù)警方  面取得了顯著成效,也為沼氣工程的動態(tài)運行管理  提供了新的思路。  3.1SanS模式及其特點  sua8是 Software-as-a-service(軟件即服務(wù))的簡  稱,是一種基于互聯(lián)網(wǎng)通過瀏覽器或weh2.0程序連

接的形式為企業(yè)用戶或個人用戶提供軟件服務(wù)的應(yīng)  用模式,是軟件和信息服務(wù)的重要發(fā)展方向。在  SaS模式下,用戶不再像傳統(tǒng)模式下那樣花費大量  投資用于信息化建設(shè),而只需支出一定的租賃費用  并可以享有使用權(quán)和升級、維護(hù)服務(wù),是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最具效益的營運模式,也是采用先進(jìn)技術(shù)實施信息化建設(shè)的更具潛力和優(yōu)勢的途徑。相比傳統(tǒng)軟件,Sas用戶不再強調(diào)對軟件本身的占有,而是突出對軟件承載的業(yè)務(wù)的使用效果以及個性化定制3。如圖2所示,筆者將SasS軟件部署于云端,通過用戶數(shù)據(jù)隔離技術(shù)實現(xiàn)多用戶并行使用軟件所提供的  云計算服務(wù),一對多的服務(wù)模式能夠提高專業(yè)技術(shù)服務(wù)專業(yè)領(lǐng)域的效率降低軟件使用、開發(fā)和維護(hù)成本。用戶通過瀏覽器訪問可以突破地域和操作平臺限制,避免了安裝客戶端帶來的使用不便奶。

3.2saS的數(shù)據(jù)處理流程

沼氣池厭氧消化系統(tǒng)SaS軟件的數(shù)據(jù)分析流程如圖3所示。

(1)軟件的數(shù)據(jù)來源為3部分:一是安裝于沼氣池厭氧反應(yīng)器上的傳感器產(chǎn)生的在線數(shù)據(jù),通過網(wǎng)絡(luò)上傳至云;二是工人取樣分析化驗的離線數(shù)據(jù)通過軟件  web客戶端頁面交互輸入;三是沼氣池厭氧工程本身的工藝數(shù)據(jù),如反應(yīng)器類型、有效容積、發(fā)酵溫度等,通過軟件后臺設(shè)置并參與工藝計算。

(2)在線數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)作為元數(shù)據(jù),先經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理,去除噪點數(shù)據(jù),補齊空值后,對關(guān)鍵工藝參數(shù)如COD去除率(%),容積負(fù)荷( glOD·m3d-1),

容積產(chǎn)氣率(m3·m3d-1)等進(jìn)行工藝計算并即時  曲線可視化展示和查詢。

(3)基于工藝計算,對運行參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)  行二次計算和深度挖掘,對不同反應(yīng)器間進(jìn)行橫向、  對單體反應(yīng)器按歷史時段進(jìn)行縱向評估運行的穩(wěn)定  性和效率,并對評估結(jié)果進(jìn)行可視化展示;通過常范

圍的自適應(yīng)分析,識別各反應(yīng)器的運行模式。

(4)以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為主方法,以歷史運行數(shù)據(jù)為訓(xùn)練集和測試集,對各反應(yīng)器進(jìn)行建模,預(yù)測下一周  期各反應(yīng)器的揮發(fā)性脂肪酸(VFA)和pH值,并以  這兩項指標(biāo)作為預(yù)警參數(shù),當(dāng)預(yù)測值超出常范圍或  安全閾值時,軟件啟動預(yù)警推送

3.3SaS模式為沼氣池厭氧過程管理提供的服務(wù)

(1)基于瀏覽器隨時隨地訪問,提供數(shù)據(jù)及信息的人機(jī)交互界面。

(2)運行過程中工藝指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)、效益指標(biāo)  的可視化和統(tǒng)計分析,從企業(yè)管理流程上降低檢測  部門、管理者和操作人員的溝通成本,并可與企業(yè)OA系統(tǒng)接合,提高管理效率。

(3)以各反應(yīng)器COD去除率、有機(jī)負(fù)荷率、容  積產(chǎn)氣率等指標(biāo)為基礎(chǔ),動態(tài)評估反應(yīng)器效率和穩(wěn)

定性,給出關(guān)鍵工藝指標(biāo)的闕值,比如OLR和VFA,替代人工模糊經(jīng)驗對運行調(diào)整做出決策。

(4)不同指標(biāo)參數(shù)對關(guān)鍵績效指標(biāo)影響程度評估,并作預(yù)警。以溫度為例,氣溫對沼氣池厭氧發(fā)酵效率的影響隨季節(jié)變化呈現(xiàn)出不同的權(quán)重。在冬季低溫及季節(jié)交替溫差大的時候,為保持運行的穩(wěn)定性提前做出預(yù)警。

(5)對影響沼氣池厭氧效率和穩(wěn)定性的狀態(tài)指標(biāo)和工藝指標(biāo)進(jìn)行分類預(yù)警。

4需要解決的問題

sasS模式在平臺的適用性、擴(kuò)展性、人機(jī)交互便利性上顯示出較強的優(yōu)勢,由于采取了結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計,針對不同行業(yè),物料、反應(yīng)器,可以開發(fā)  專用算法供用戶自主選擇使用,通過測試并與直接用戶溝通互動,SaS模式在軸助用戶數(shù)據(jù)分析和運行決策方面已初見成效,但仍有如下幾個方面需要進(jìn)一步提升

(1)用戶友好。簡潔易用的人機(jī)交互界面;直觀的數(shù)據(jù)可視化,實用且有針對性的功能,能夠觸用戶的使用渴望并形成習(xí)慣,從而提高用戶對軟件使用的粘性

(2)充分利用現(xiàn)有可用數(shù)據(jù),指標(biāo)簡單易獲得不為用戶造成太大使用成本,如昂貴的傳感器、增加設(shè)備以增加檢測指標(biāo)等。

(3)數(shù)據(jù)交互的便利性、容錯性強,不能讓用戶  在非直接功能上耗費太多精力和時間

(4)算法及數(shù)學(xué)模型的普遍適用性、可靠性和科學(xué)性,基于統(tǒng)計學(xué)的數(shù)據(jù)處理手段

(5)數(shù)據(jù)安全及用戶隱私

(6)SaS服務(wù)模式的定價策略,一般提供用戶免費使用的期限或采用免費使用加收費服務(wù)的模式

5展望

當(dāng)前大量的規(guī)模化沼氣工程處于低效率低負(fù)荷的運行狀態(tài),專業(yè)化的技術(shù)服務(wù)由于成本高和時效性差而與實際需求脫節(jié),沼氣池厭氧及與沼氣池厭氧消化過程相關(guān)的配套裝備(尤其是傳感器)以及算法模型等的限制,要實現(xiàn)自適應(yīng)沼氣池厭氧過程動態(tài)變化的閉路自動控制工程化還有很長一段路要走。SasS模式的探  索是專業(yè)技術(shù)(人員)服務(wù)工程運行的一種高效便捷低成本的技術(shù)手段,它為工程管理人員提供了種基于實際運行數(shù)據(jù)的輔助運行決策的工具,在市  場需求與工業(yè)界良好的合作開展下,隨著算法模型傳感器自控設(shè)備的發(fā)展和融合,必將大大推動規(guī)模沼氣工程的轉(zhuǎn)型升級。

摘自《中國沼氣》2018第一期

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