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隨著(zhù)沼氣池厭氧技術(shù)在工業(yè)廢水處理城市污泥消化、農業(yè)廢棄物處理和垃圾處理等領(lǐng)域的廣泛應用,我國大中型沼氣工程的建設取得了長(cháng)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)由土木工程型轉變?yōu)樵O備型,工程中設備和施工技術(shù)含量及投資的比例不斷提高。無(wú)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(zhù)整個(gè)工程的運行效果和效益,而其過(guò)程的動(dòng)態(tài)性和復雜性又時(shí)刻考驗著(zhù)運行決策。隨著(zhù)能源

結構調整和環(huán)保壓力的增加,分布式能源以及沼氣  與其他能源季節性互補的動(dòng)態(tài)需求向運行管理的專(zhuān)  業(yè)性提出了更高的要求8,規?；託夤こ淘诿媾R轉型升級過(guò)程中從管理和運行層面破解效率低、穩定性差的難題,也日益成為關(guān)注的焦點(diǎn),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)展提供了新的機遇。筆者在分析當前我國沼氣池厭氧沼氣工程運行與管理的方式難以滿(mǎn)足沼氣池厭氧發(fā)酵過(guò)程的動(dòng)態(tài)性特點(diǎn)的問(wèn)題基礎上,提出了基于SaaS的前饋一開(kāi)回路控制模式,通過(guò)云計算將工程運行產(chǎn)生的在線(xiàn)數據和離線(xiàn)數據進(jìn)行綜合分析,為工程運行管理者提供預測預警,輔助運行決策。

1沼氣池厭氧發(fā)酵的復合動(dòng)態(tài)過(guò)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(guò)程,如秸桿燃氣工程需要按季節需求進(jìn)行物料量和配比的動(dòng)態(tài)調整,這是因為物料的動(dòng)態(tài)變化具有季節性特點(diǎn)-2),工業(yè)廢水也有水質(zhì)水量變化大的情況進(jìn)料指標的變化會(huì )導致系統負荷的變動(dòng)14)。有文獻提出對發(fā)酵底物進(jìn)行全面描述可以保證沼氣池厭氧發(fā)酵過(guò)程更穩定的運行,一旦底物發(fā)生變化,就可以改變相應的工藝對參數進(jìn)行調整。而動(dòng)態(tài)改變有機負荷率的風(fēng)險很大,尤其在沒(méi)有專(zhuān)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荷擾動(dòng)有可能造成產(chǎn)甲烷微生物活性受抑制或洗出而導致工程系統癱

1.2沼氣池厭氧反應器的變化

泥、砂、鳥(niǎo)糞石等導致的管道水泵等磨損、堵塞致使反應器內流體狀態(tài)產(chǎn)生差異2-1;保

板材的損壞,保溫效果變差導致發(fā)酵溫度波

結垢、循環(huán)水泵效率降低導致的混合條件變化,甚至季節性溫度變化導致反應器溫度變化從而引起的微  生物活性變化22),這些都是可能導致沼氣池厭氧反應器從時(shí)間和空間的動(dòng)態(tài)變化的復雜原因。顯然,上述因素隨著(zhù)服役時(shí)間的增加,即使采用完全相同的設計方案和運行管理方式,同一工程中反應器之間的效率和穩定性也可能產(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(wèn)卷調查結果顯示

(1)對沼氣池厭氧反應器的運行決策主要靠技術(shù)人員分析各反應器取樣檢測數據并進(jìn)行內部交流討論或者由班長(cháng)或技術(shù)人員做出。這種決策過(guò)程的準確性受分析工具、分析手段和技術(shù)人員的專(zhuān)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(lèi)運行問(wèn)題中不斷積累的,并且在這些經(jīng)驗中,應對運行異常、故障或失敗的經(jīng)驗至關(guān)重要。

(2)所有企業(yè)都認為離線(xiàn)檢測分析數據對工藝運行幫助最大,認為在線(xiàn)監測的狀態(tài)數據如pH值溫度等參數對運行幫助大的占57%,這主要是由于

不同指標對運行決策的影響權重不同,比如,pH  的滯后性;另外,部分工程因為換熱器設備故障維  修成本高或者熱源不穩定,干預沼氣池厭氧反應器溫度語(yǔ)

整的機會(huì )少。

2沼氣池厭氧運行過(guò)程控制與管理方式

沼氣池厭氧消化過(guò)程是一個(gè)非常復雜的涉及微生物紙  胞內部大量的、多步驟的微觀(guān)生物化學(xué)反應過(guò)程和  沼氣池厭氧反應器內固液氣三相間宏觀(guān)質(zhì)量傳遞、熱  量  傳遞和能量傳遞的問(wèn)題,發(fā)酵過(guò)程包含復雜的過(guò)程  參數,且各參數之間高度耦合、相互影響。對發(fā)醇過(guò)  程進(jìn)行監測控制,有利于促進(jìn)發(fā)酵效率并提高沼氣池厭氧  發(fā)酵過(guò)程的穩定性1。發(fā)酵過(guò)程控制和預測預警  方式方法有很多分類(lèi),無(wú)論采取何種方式,其目的都是通過(guò)將發(fā)酵過(guò)程的某些狀態(tài)變量控制在期望的水平或時(shí)間曲線(xiàn)上,使得某一發(fā)酵性能指標達到最

優(yōu)。綜合相關(guān)研究、文獻及工程實(shí)際,筆者將應用于沼氣池厭氧消化過(guò)程控制的方式分為以下幾類(lèi)

2.1基于經(jīng)臉和數據分析的人工管理

這類(lèi)運行管理方式常見(jiàn)于各類(lèi)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  定導致自控系統被廢棄。在依賴(lài)人工經(jīng)驗運行的過(guò)  程中容易出現誤判,而為了避免誤判,只能在較低  負荷狀態(tài)下運行

2.2基于工藝特點(diǎn)以開(kāi)關(guān)型組態(tài)為主的邏輯控制  由于發(fā)酵過(guò)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  工程工藝設計數據設定自動(dòng)運行參數,在運行過(guò)程  中,管理人員根據數據分析結果動(dòng)態(tài)調整相關(guān)參數  如在不同反應器之間動(dòng)態(tài)分配物料,調整攪拌頻率2.3基于計算機技術(shù)和沼氣池厭氧機理的模型控制  基于傳統動(dòng)力學(xué)或系統動(dòng)力學(xué)模型31、沼氣池厭氧消  化1號模型23(ADM1)及其擴展模型、基于神經(jīng)  網(wǎng)絡(luò )3-的計算機技術(shù)相結合的控制方式,用來(lái)精  準模擬預測沼氣池厭氧過(guò)程。雖然在沼氣池厭氧結構化數學(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  動(dòng)力學(xué)參數的獲取、參數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(shí)驗室  或中試規模,實(shí)際應用在工程運行上的還有很多算  法、執行機構、傳感器等方面的障礙。  2.4開(kāi)放式的測算和開(kāi)回路前饋控制方式  由于受傳感器、控制系統及其算法、設備故障率

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

在實(shí)驗規模和工程規模取得了應用進(jìn)展(見(jiàn)圖1)16。筆者認為這是當前條件下,為提高數據分析能力,降低人工誤判概率的應用可行性最高的控制方式。

3SaS服務(wù)模式的應用

綜合前述分析,對沼氣池厭氧消化過(guò)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(guò)程中產(chǎn)生的數據進(jìn)行加工、分析并提取信息或者規則,再由執行機構采取相應的操作。決策越準確,所需要數據的數量、類(lèi)型越多,數據的時(shí)效性要求也越高。目前,一方面,基于工藝特點(diǎn)的以開(kāi)關(guān)型組態(tài)為主的邏輯控制程序,在參數調整的靈活性上不足以應對發(fā)酵過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化;另一方面,用于沼氣池厭氧工藝預警的靈敏度高、時(shí)效性強的參數如VFA氫分壓等傳感器技術(shù)存在靈敏度、成本等問(wèn)題3,傳感器、控制系統和執行機構很難形成完整穩定的閉回路反饋的控制方式,這使得基于動(dòng)力學(xué)或沼氣池厭氧機理模型的精準先進(jìn)控制算法應用受限,傳統的基于滴定計和色譜的VFA.和BOD等指標的測定對過(guò)程控制仍具有重要意義3。

筆者從2014年開(kāi)始聯(lián)合部分企業(yè)開(kāi)展了SaS模式的技術(shù)服務(wù),開(kāi)發(fā)了云計算軟件,通過(guò)實(shí)時(shí)采集工程運行中的在線(xiàn)數據和基于web交互的離線(xiàn)數  據,并對這些數據進(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(shí)效性、專(zhuān)業(yè)性的技術(shù)服務(wù),  在應對沼氣池厭氧過(guò)程動(dòng)態(tài)變化及關(guān)鍵指標的預測預警方  面取得了顯著(zhù)成效,也為沼氣工程的動(dòng)態(tài)運行管理  提供了新的思路。  3.1SanS模式及其特點(diǎn)  sua8是 Software-as-a-service(軟件即服務(wù))的簡(jiǎn)  稱(chēng),是一種基于互聯(lián)網(wǎng)通過(guò)瀏覽器或weh2.0程序連

接的形式為企業(yè)用戶(hù)或個(gè)人用戶(hù)提供軟件服務(wù)的應  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(hù)不再像傳統模式下那樣花費大量  投資用于信息化建設,而只需支出一定的租賃費用  并可以享有使用權和升級、維護服務(wù),是網(wǎng)絡(luò )應用最具效益的營(yíng)運模式,也是采用先進(jìn)技術(shù)實(shí)施信息化建設的更具潛力和優(yōu)勢的途徑。相比傳統軟件,Sas用戶(hù)不再強調對軟件本身的占有,而是突出對軟件承載的業(yè)務(wù)的使用效果以及個(gè)性化定制3。如圖2所示,筆者將SasS軟件部署于云端,通過(guò)用戶(hù)數據隔離技術(shù)實(shí)現多用戶(hù)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(zhuān)業(yè)技術(shù)服務(wù)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的效率降低軟件使用、開(kāi)發(fā)和維護成本。用戶(hù)通過(guò)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)可以突破地域和操作平臺限制,避免了安裝客戶(hù)端帶來(lái)的使用不便奶。

3.2saS的數據處理流程

沼氣池厭氧消化系統SaS軟件的數據分析流程如圖3所示。

(1)軟件的數據來(lái)源為3部分:一是安裝于沼氣池厭氧反應器上的傳感器產(chǎn)生的在線(xiàn)數據,通過(guò)網(wǎng)絡(luò )上傳至云;二是工人取樣分析化驗的離線(xiàn)數據通過(guò)軟件  web客戶(hù)端頁(yè)面交互輸入;三是沼氣池厭氧工程本身的工藝數據,如反應器類(lèi)型、有效容積、發(fā)酵溫度等,通過(guò)軟件后臺設置并參與工藝計算。

(2)在線(xiàn)數據和離線(xiàn)數據作為元數據,先經(jīng)過(guò)數據預處理,去除噪點(diǎn)數據,補齊空值后,對關(guān)鍵工藝參數如COD去除率(%),容積負荷( glOD·m3d-1),

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

(3)基于工藝計算,對運行參數的歷史數據進(jìn)  行二次計算和深度挖掘,對不同反應器間進(jìn)行橫向、  對單體反應器按歷史時(shí)段進(jìn)行縱向評估運行的穩定  性和效率,并對評估結果進(jìn)行可視化展示;通過(guò)常范

圍的自適應分析,識別各反應器的運行模式。

(4)以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )為主方法,以歷史運行數據為訓練集和測試集,對各反應器進(jìn)行建模,預測下一周  期各反應器的揮發(fā)性脂肪酸(VFA)和pH值,并以  這兩項指標作為預警參數,當預測值超出常范圍或  安全閾值時(shí),軟件啟動(dòng)預警推送

3.3SaS模式為沼氣池厭氧過(guò)程管理提供的服務(wù)

(1)基于瀏覽器隨時(shí)隨地訪(fǎng)問(wèn),提供數據及信息的人機交互界面。

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

(3)以各反應器COD去除率、有機負荷率、容  積產(chǎn)氣率等指標為基礎,動(dòng)態(tài)評估反應器效率和穩

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

(4)不同指標參數對關(guān)鍵績(jì)效指標影響程度評估,并作預警。以溫度為例,氣溫對沼氣池厭氧發(fā)酵效率的影響隨季節變化呈現出不同的權重。在冬季低溫及季節交替溫差大的時(shí)候,為保持運行的穩定性提前做出預警。

(5)對影響沼氣池厭氧效率和穩定性的狀態(tài)指標和工藝指標進(jìn)行分類(lèi)預警。

4需要解決的問(wèn)題

sasS模式在平臺的適用性、擴展性、人機交互便利性上顯示出較強的優(yōu)勢,由于采取了結構化和模塊化設計,針對不同行業(yè),物料、反應器,可以開(kāi)發(fā)  專(zhuān)用算法供用戶(hù)自主選擇使用,通過(guò)測試并與直接用戶(hù)溝通互動(dòng),SaS模式在軸助用戶(hù)數據分析和運行決策方面已初見(jiàn)成效,但仍有如下幾個(gè)方面需要進(jìn)一步提升

(1)用戶(hù)友好。簡(jiǎn)潔易用的人機交互界面;直觀(guān)的數據可視化,實(shí)用且有針對性的功能,能夠觸用戶(hù)的使用渴望并形成習慣,從而提高用戶(hù)對軟件使用的粘性

(2)充分利用現有可用數據,指標簡(jiǎn)單易獲得不為用戶(hù)造成太大使用成本,如昂貴的傳感器、增加設備以增加檢測指標等。

(3)數據交互的便利性、容錯性強,不能讓用戶(hù)  在非直接功能上耗費太多精力和時(shí)間

(4)算法及數學(xué)模型的普遍適用性、可靠性和科學(xué)性,基于統計學(xué)的數據處理手段

(5)數據安全及用戶(hù)隱私

(6)SaS服務(wù)模式的定價(jià)策略,一般提供用戶(hù)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

當前大量的規?；託夤こ烫幱诘托实拓摵傻倪\行狀態(tài),專(zhuān)業(yè)化的技術(shù)服務(wù)由于成本高和時(shí)效性差而與實(shí)際需求脫節,沼氣池厭氧及與沼氣池厭氧消化過(guò)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(shí)現自適應沼氣池厭氧過(guò)程動(dòng)態(tài)變化的閉路自動(dòng)控制工程化還有很長(cháng)一段路要走。SasS模式的探  索是專(zhuān)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(shí)際運行數據的輔助運行決策的工具,在市  場(chǎng)需求與工業(yè)界良好的合作開(kāi)展下,隨著(zhù)算法模型傳感器自控設備的發(fā)展和融合,必將大大推動(dòng)規模沼氣工程的轉型升級。

摘自《中國沼氣》2018第一期

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