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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(gè)工程的運(yùn)行效果和效益,而其過程的動態(tài)性和復(fù)雜性又時(shí)刻考驗(yàn)著運(yùn)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(bǔ)的動態(tài)需求向運(yùn)行管理的專  業(yè)性提出了更高的要求8,規(guī)模化沼氣工程在面臨轉(zhuǎn)型升級過程中從管理和運(yùn)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(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(jī)遇。筆者在分析當(dāng)前我國沼氣池厭氧沼氣工程運(yùn)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(diǎn)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(jì)算將工程運(yùn)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(yùn)行管理者提供預(yù)測預(yù)警,輔助運(yùn)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?yàn)槲锪系膭討B(tài)變化具有季節(jié)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(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(yùn)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(xiǎn)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(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)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(shí)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(shí)間的增加,即使采用完全相同的設(shè)計(jì)方案和運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yàn)影響,決定性的因素是技術(shù)人員本身,其經(jīng)驗(yàn)就是在解決各類運(yùn)行問題中不斷積累的,并且在這些經(jīng)驗(yàn)中,應(yīng)對運(yùn)行異常、故障或失敗的經(jīng)驗(yàn)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(yùn)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(yùn)行幫助大的占57%,這主要是由于

不同指標(biāo)對運(yùn)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?yàn)閾Q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(yùn)行過程控制與管理方式

沼氣池厭氧消化過程是一個(gè)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(shí)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(shí)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(yùn)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?yàn)楣に囘\(yùn)行不穩(wěn)  定導(dǎo)致自控系統(tǒng)被廢棄。在依賴人工經(jīng)驗(yàn)運(yùn)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(yùn)行

2.2基于工藝特點(diǎn)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(jì)數(shù)據(jù)設(shè)定自動運(yùn)行參數(shù),在運(yùn)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(jì)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(jì)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(shí)驗(yàn)室  或中試規(guī)模,實(shí)際應(yīng)用在工程運(yùn)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(yùn)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(yùn)行的關(guān)鍵參  數(shù)提出了基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的閾值,劃定了報(bào)警范圍,并

在實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(shí)效性要求也越高。目前,一方面,基于工藝特點(diǎn)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(shí)效性強(qiáng)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(jì)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(jì)算軟件,通過實(shí)時(shí)采集工程運(yùn)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(qiáng)時(shí)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(yùn)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  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(gè)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(fèi)大量  投資用于信息化建設(shè),而只需支出一定的租賃費(fèi)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(yùn)模式,也是采用先進(jìn)技術(shù)實(shí)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(qiáng)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(gè)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(shí)現(xiàn)多用戶并行使用軟件所提供的  云計(jì)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(yàn)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(jì)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(diǎn)數(shù)據(jù),補(bǔ)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(jì)算并即時(shí)  曲線可視化展示和查詢。

(3)基于工藝計(jì)算,對運(yùn)行參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)  行二次計(jì)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(shí)段進(jìn)行縱向評估運(yùn)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(yùn)行模式。

(4)以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為主方法,以歷史運(yùn)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(xiàng)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(shí),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(shí)隨地訪問,提供數(shù)據(jù)及信息的人機(jī)交互界面。

(2)運(yùn)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(jì)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(yàn)對運(yùn)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(shí)候,為保持運(yùn)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(qiáng)的優(yōu)勢,由于采取了結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計(jì),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(yùn)行決策方面已初見成效,但仍有如下幾個(gè)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(shí)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(qiáng),不能讓用戶  在非直接功能上耗費(fèi)太多精力和時(shí)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(jì)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(jià)策略,一般提供用戶免費(fèi)使用的期限或采用免費(fèi)使用加收費(fèi)服務(wù)的模式

5展望

當(dāng)前大量的規(guī)?；託夤こ烫幱诘托实拓?fù)荷的運(yùn)行狀態(tài),專業(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(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(shí)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(yùn)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(yùn)行數(shù)據(jù)的輔助運(yùn)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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