工業(yè)鍋爐能效在線管理評(píng)價(jià)系統(tǒng)的研究開發(fā)

李茂東 洪文健 葉向榮 張振頂

(廣州市特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 廣州 510663)

0 引言

工業(yè)鍋爐是一種以燃料的高效燃燒、流動(dòng)傳熱基礎(chǔ)理論作為核心技術(shù)，以燃料加工、熱工參數(shù)運(yùn)行調(diào)整和控制、污染排放控制等多種主機(jī)和輔機(jī)裝置集成的機(jī)電一體化系統(tǒng)，屬于高耗能特種設(shè)備之一。目前全國(guó)在用工業(yè)鍋爐約62萬多臺(tái)，每年燃煤約7億噸。近年來，隨著國(guó)家節(jié)能降耗政策實(shí)施力度的加大，對(duì)工業(yè)鍋爐的管理逐步轉(zhuǎn)向了安全性和經(jīng)濟(jì)性相統(tǒng)一的協(xié)調(diào)管理。

對(duì)在用鍋爐，如何通過方便、快捷、有效的管理提高運(yùn)行熱效率是許多使用單位十分關(guān)注的課題。本文主要介紹一種通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐能效指標(biāo)在線遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)管理的系統(tǒng)和平臺(tái)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鍋爐運(yùn)行能效參數(shù)并計(jì)算出鍋爐運(yùn)行熱效率，通過數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)、預(yù)警預(yù)報(bào)等功能，指導(dǎo)作業(yè)人員及時(shí)調(diào)整鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行參數(shù)。

1 工業(yè)鍋爐能效及監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

當(dāng)前，由于設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行管理等方面原因，我國(guó)工業(yè)鍋爐普遍存在排煙溫度高、運(yùn)行負(fù)荷波動(dòng)大、燃料質(zhì)量波動(dòng)、冷凝水浪費(fèi)嚴(yán)重、使用單位運(yùn)行管理粗放等影響熱效率的諸多因素，很多工業(yè)鍋爐處于低效率范圍運(yùn)行，在用燃煤鍋爐熱效率平均在70%～75%，燃油氣鍋爐熱效率在80%～85%，普遍低于設(shè)計(jì)效率，平均運(yùn)行效率比國(guó)際先進(jìn)水平低8%～15%，造成每年浪費(fèi)大量的能源[1]。如果采取有效的管理和技術(shù)措施提高工業(yè)鍋爐能效水平，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2010年以來，國(guó)家開始推進(jìn)工業(yè)鍋爐節(jié)能降耗工作，即通過能效測(cè)試診斷鍋爐能耗現(xiàn)狀推行鍋爐節(jié)能改造。目前能效測(cè)試機(jī)構(gòu)開展的鍋爐能效測(cè)試需要測(cè)試人員到現(xiàn)場(chǎng)，通過測(cè)試儀器儀表采集能耗數(shù)據(jù)計(jì)算鍋爐效率，這種方式耗費(fèi)大量的人力物力，而且只能測(cè)出當(dāng)時(shí)狀態(tài)的鍋爐效率，無法測(cè)定鍋爐運(yùn)行工況變化前后的實(shí)時(shí)效率，難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)鍋爐運(yùn)行周期能效變化狀況。

當(dāng)前，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)造成很多鍋爐產(chǎn)品出廠時(shí)缺少在線排煙溫度、成份、給水溫度流量、蒸汽流量等監(jiān)測(cè)儀表，運(yùn)行上傳統(tǒng)的單純依靠操作人員經(jīng)驗(yàn)調(diào)整鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的模式已經(jīng)難以滿足現(xiàn)實(shí)需要，計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使得研究開發(fā)一種鍋爐能效在線遠(yuǎn)程監(jiān)控管理信息系統(tǒng)，建立集能效數(shù)據(jù)采集、匯總、統(tǒng)計(jì)、分析計(jì)算、預(yù)報(bào)預(yù)警及數(shù)據(jù)共享于一體統(tǒng)一的信息化監(jiān)控管理平臺(tái)成為企業(yè)和監(jiān)管部門的現(xiàn)實(shí)需要。只有基于系統(tǒng)角度進(jìn)行技術(shù)集成和在線監(jiān)控研究，提高優(yōu)化水平，才能實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐系統(tǒng)的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。研究有關(guān)鍋爐能效即參數(shù)在線監(jiān)控管理方面的技術(shù)，建立集鍋爐能效記錄終端與互聯(lián)網(wǎng)有機(jī)結(jié)合，采用互聯(lián)網(wǎng)和信息化技術(shù)對(duì)鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)控和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、實(shí)時(shí)記錄、顯示和共享安全、節(jié)能參數(shù)，通過GPRS和手機(jī)短信及時(shí)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息發(fā)送，完善信息分析共享的鍋爐能效管理平臺(tái)，是提高鍋爐管理效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的有效措施之一。

2 研究開發(fā)內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與組成

鍋爐在線能效在線管理評(píng)價(jià)系統(tǒng)包括鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和能效綜合管理平臺(tái)兩部分組成。鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由分布各地的鍋爐能效數(shù)據(jù)采集終端、數(shù)據(jù)處理中心(由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器等組成)以及通過各種網(wǎng)絡(luò)連接在一起的用戶構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)組成。鍋爐能效數(shù)據(jù)采集終端通過有線或無線方式與接入互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)處理中心上設(shè)有數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器，并利用磁盤陣列將龐大的在線數(shù)據(jù)儲(chǔ)存起來，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，系統(tǒng)設(shè)有人機(jī)交互裝置，用戶層級(jí)權(quán)限管理模塊，鍋爐能耗參數(shù)設(shè)置模塊，鍋爐能耗狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊，鍋爐能耗信息統(tǒng)計(jì)、查詢、分析及報(bào)表生產(chǎn)模塊等。應(yīng)用服務(wù)器利用數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器提供的數(shù)據(jù)支撐起智能分析功能，并將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行共享和發(fā)布。能效綜合管理平臺(tái)則利用數(shù)據(jù)處理中心收集到的能效數(shù)據(jù)，通過基本參數(shù)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)診斷模塊對(duì)鍋爐運(yùn)行的能效進(jìn)行有針對(duì)性地分析處理。

鍋爐熱效率可以通過正平衡法和反平衡法兩種方法計(jì)算[2]?？紤]到系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)施的方便性和經(jīng)濟(jì)性，本系統(tǒng)在線鍋爐熱效率計(jì)算采用反平衡法。為方便在線計(jì)算，燃料發(fā)熱量等需要采樣檢測(cè)和查表的參數(shù)由系統(tǒng)設(shè)定。

2.2 參數(shù)選擇與設(shè)置

鍋爐運(yùn)行能效數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過由數(shù)據(jù)傳感器、數(shù)據(jù)采集器、相關(guān)儀表以及記錄儀組成的鍋爐能效數(shù)據(jù)采集終端采集能效數(shù)據(jù)，并將實(shí)時(shí)采集到的鍋爐排煙溫度、過量空氣系數(shù)、給水溫度與流量、蒸汽溫度與流量、燃料消耗量等與鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有關(guān)的參數(shù)指標(biāo)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心。系統(tǒng)平臺(tái)則利用數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)，對(duì)鍋爐能效狀況進(jìn)行分析、計(jì)算，通過不同的數(shù)據(jù)展現(xiàn)方式向用戶提供服務(wù)，使鍋爐用戶和管理機(jī)構(gòu)能夠及時(shí)掌握鍋爐運(yùn)行能耗情況。因此，系統(tǒng)把以下鍋爐參數(shù)作為系統(tǒng)采集的必要參數(shù)[3]：排煙溫度、煙氣含氧量、煙氣CO含量、給水流量、溫度、蒸汽流量、溫度和壓力、燃料耗量、鍋爐耗電量、送風(fēng)溫度、送風(fēng)機(jī)出口壓力。

以上項(xiàng)目為選擇性采集的參數(shù)。這些參數(shù)涉及到鍋爐安全、環(huán)保和節(jié)能，不屬于熱效率計(jì)算參數(shù)，但可以納入整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)來管理：給水硬度、pH、煙氣SOx、NOx含量、水位、鍋爐故障報(bào)警、燃燒監(jiān)視、燃?xì)庑孤﹫?bào)警、燃料壓力、鍋水濃縮管理與鍋爐排污控制、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。

2.3 系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)和特點(diǎn)

系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)采用了鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)字接口通信技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、鍋爐耗能智能分析技術(shù)幾項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)利用SuperMap iServer作為開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合了JIEE平臺(tái)、富客戶端技術(shù)以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建模技術(shù)，建立起了鍋爐安全及能效的信息化管理體系，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)熱效率計(jì)算以及能耗數(shù)據(jù)分析、預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)了鍋爐能效的實(shí)時(shí)自動(dòng)化管理和系統(tǒng)化管理，此外，系統(tǒng)還可以把預(yù)警結(jié)果發(fā)到有關(guān)人員手機(jī)上，使各類鍋爐管理人員可以全面了解鍋爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀況，全面提高鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理水平。

系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

(1) 系統(tǒng)解決鍋爐能效參數(shù)采集與在線遠(yuǎn)程監(jiān)控、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、接口通訊技術(shù)、軟件平臺(tái)建設(shè)等關(guān)鍵問題，建立了同時(shí)具有實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐能效指標(biāo)監(jiān)控和熱效率計(jì)算分析功能和實(shí)時(shí)監(jiān)控信息管理評(píng)價(jià)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)平臺(tái)。

(2) 通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)利用鍋爐能效在線遠(yuǎn)程監(jiān)控記錄裝置實(shí)現(xiàn)鍋爐能效參數(shù)數(shù)據(jù)記錄、讀取、存儲(chǔ)、分析、異常預(yù)警預(yù)報(bào)等功能，實(shí)現(xiàn)了給水硬度超標(biāo)的及時(shí)報(bào)警以及燃料的在線計(jì)量，實(shí)時(shí)計(jì)算鍋爐運(yùn)行熱效率，指導(dǎo)管理人員及時(shí)調(diào)整鍋爐運(yùn)行狀況，同時(shí)為鍋爐監(jiān)管機(jī)構(gòu)提供管理服務(wù)平臺(tái)，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐能效狀況和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的智能管理。

3 系統(tǒng)的應(yīng)用與效果

系統(tǒng)建成后在多臺(tái)燃油氣鍋爐上安裝應(yīng)用，通過數(shù)字信號(hào)和計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)鍋爐節(jié)能管理、節(jié)能現(xiàn)狀分析、能效狀況分析及預(yù)警等功能，指導(dǎo)企業(yè)調(diào)整鍋爐運(yùn)作方式或開展節(jié)能技術(shù)改造，進(jìn)而提高鍋爐熱效率，減小和消除了因無法確定鍋爐能耗問題造成的燃料消耗，每年會(huì)產(chǎn)生不可估量的節(jié)能量，基本實(shí)現(xiàn)了鍋爐能效實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)作用。系統(tǒng)主界面如圖1所示。

工業(yè)鍋爐在線遠(yuǎn)程能效綜合信息管理評(píng)價(jià)系統(tǒng)既可應(yīng)用于鍋爐使用單位、企業(yè)集團(tuán)管理機(jī)構(gòu)，也可應(yīng)用于政府鍋爐監(jiān)督管理機(jī)構(gòu)和能效檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)，它能為所在機(jī)構(gòu)相關(guān)人員提供真實(shí)有效的鍋爐能耗參數(shù)，鍋爐定時(shí)能效運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)，分析鍋爐能效參數(shù)指標(biāo)，保證政府對(duì)工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)管職能的實(shí)施落到實(shí)處，指導(dǎo)企業(yè)對(duì)鍋爐進(jìn)行經(jīng)濟(jì)運(yùn)行調(diào)整，為使用單位提高工鍋爐熱效率、降低排放污染、進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性操作、保持和穩(wěn)定節(jié)能效果等方面提供技術(shù)支持，通過采集的數(shù)據(jù)計(jì)算出鍋爐的熱效率。

圖1 鍋爐能效管理評(píng)價(jià)系統(tǒng)主界面

4 未來的開發(fā)優(yōu)化方向

目前開發(fā)應(yīng)用的鍋爐能效在線管理系統(tǒng)，礙于采集鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)方法和傳感器計(jì)量、精度的局限性，其檢測(cè)結(jié)果的精確性與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量還存在一定的誤差。同時(shí)，由于國(guó)內(nèi)工業(yè)鍋爐類型多、出廠配備的參數(shù)采集儀表差異大，鍋爐上安裝本系統(tǒng)時(shí)很多鍋爐還需要安裝傳感器，所以盡管系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)行成本很低，但安裝成本還較高，會(huì)阻礙它的推廣。

此外，由于燃燒固體燃料的鍋爐燃料計(jì)量還存在一定的困難。因此，本能效管理評(píng)價(jià)系統(tǒng)還沒有在這類鍋爐上應(yīng)用。以上這些都是今后系統(tǒng)開發(fā)優(yōu)化的主要內(nèi)容。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展、普及以及智能管理要求的提高，未來對(duì)大量工業(yè)鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的管理必將提出更高的要求。因此，鍋爐能效在線管理評(píng)價(jià)系統(tǒng)在降低勞動(dòng)強(qiáng)度和提高管理效率上的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。

[1]李茂東, 黎華, 鐘志強(qiáng). 工業(yè)鍋爐能耗現(xiàn)狀分析與節(jié)能措施[J].石油和化工設(shè)備, 2009(7): 67-69.

[2]TSG G0003－2010工業(yè)鍋爐能效測(cè)試與評(píng)價(jià)規(guī)則[S]. 國(guó)家質(zhì)檢總局.

[3]張振頂, 黎華, 李茂東等. LABVIEW和C語(yǔ)言混合編程在工業(yè)鍋爐熱效率計(jì)算中的應(yīng)用[J]. 能源與環(huán)境, 2012(5): 24-26.