工業(yè)鍋爐遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)技術分析

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(杭州市特種設備檢測研究院，浙江 杭州 310051)

0 引言

工業(yè)鍋爐是我國重要熱能動力設備，截至2015年底，我國鍋爐總數(shù)達57.92萬臺[1]，其中工業(yè)鍋爐約57萬臺，以燃煤鍋爐為主，年耗煤量達7.2億t標煤，約占我國能源消費總量的20%[2]。但是，工業(yè)鍋爐實際運行效率整體偏低，圖1為2016年項目組抽查的杭州市200臺在用工業(yè)鍋爐能效測試熱效率整體分布圖，由該圖可知，燃生物質鍋爐平均熱效率為76%，而燃煤鍋爐僅有72%，與國家規(guī)定的熱效率目標值還有較大差距。工業(yè)鍋爐既是耗能大戶，也是污染大戶，燃煤工業(yè)鍋爐污染物排放是重要污染源，年排放煙塵、二氧化硫、氮氧化物分別占全國排放總量的33%、27%、9%[3]。

由于工業(yè)鍋爐量大面廣、布點分散，對監(jiān)管部門來說，區(qū)域內在用鍋爐運行動態(tài)數(shù)據(jù)難以有效獲取，這給更全面的安全監(jiān)察和能耗監(jiān)測帶來一定難度。對于使用單位，由于作業(yè)人員素質不高，責任心不強，易產(chǎn)生鍋爐安全事故；同時，企業(yè)節(jié)能意識淡薄，能源浪費和環(huán)境污染嚴重，是節(jié)能減排的重點和難點。對于檢驗機構，安全檢驗、節(jié)能檢測工作都需人工現(xiàn)場進行。因此，開發(fā)工業(yè)鍋爐遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)鍋爐監(jiān)管機構、測試機構、使用單位、制造企業(yè)和節(jié)能服務機構多元共治，對我國建設能源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會具有重要意義。

圖1 杭州地區(qū)工業(yè)鍋爐熱效率整體分布

1 技術對比

目前，鍋爐在線監(jiān)測技術的研究主要集中在電站鍋爐上，文獻[4-6]主要介紹了電站鍋爐在線監(jiān)測系統(tǒng)研究及軟件的開發(fā)和制作，雖然電站鍋爐在線監(jiān)測技術開展廣泛，且手段先進，但是能效測試及計算模型針對性較強，對測量有較高要求，計算過程復雜，并不適用于工業(yè)鍋爐。和電站鍋爐相比，工業(yè)鍋爐在線監(jiān)測技術研究相對較少。文獻[7-9]主要在工業(yè)鍋爐的在線監(jiān)測技術方法和系統(tǒng)設計上進行了探討；文獻[10]探討了利用物聯(lián)網(wǎng)和云計算等新技術對工業(yè)鍋爐的運行狀態(tài)進行遠程自動監(jiān)測，提出工業(yè)鍋爐物聯(lián)網(wǎng)的架構模型和云計算模型，給出了鍋爐能耗、熱效率等關鍵參數(shù)的監(jiān)測和軟測量方法。這些對于工業(yè)鍋爐能效測試精確測量和計算方面的研究具有很好的指導作用，但研究并沒有針對工業(yè)鍋爐提出具體的遠程監(jiān)測方法和具體實施技術。

工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)測技術應用較成熟的是日本三浦鍋爐開發(fā)的基于自己公司的監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)已在日本形成遠程動態(tài)監(jiān)管體系多年。但該技術主要局限性如下：(1)主要是在自己燃油、燃氣鍋爐運行維?；A之上開發(fā)的，而對燃煤工業(yè)鍋爐開發(fā)相對不夠成熟，而我國目前工業(yè)鍋爐以燃煤為主。因此，急待開發(fā)面向不同鍋爐生產(chǎn)廠家，以燃煤為主的遠程動態(tài)監(jiān)測技術。(2)并沒有覆蓋熱水鍋爐和有機熱載體鍋爐，沒有把熱電鍋爐納入遠程檢測體系。(3)并沒有覆蓋地方政府監(jiān)管層面上的內容，如：監(jiān)管鍋爐基本信息、該區(qū)域鍋爐總體運行參數(shù)(鍋爐總體能耗、總體事故率等)情況等。(4)國內工業(yè)鍋爐在線監(jiān)測系統(tǒng)只是簡單的引進技術，并沒有針對我國現(xiàn)有鍋爐檢測和監(jiān)管的特點進行深層次的消化吸收和集成創(chuàng)新。因此，開發(fā)一種面向工業(yè)鍋爐的，具有通用、快速、高效的遠程監(jiān)測系統(tǒng)勢在必行。

2 系統(tǒng)開發(fā)

基于以上現(xiàn)狀，項目組開發(fā)了工業(yè)鍋爐遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過對鍋爐系統(tǒng)不同部位安裝各型傳感器，或者利用鍋爐現(xiàn)有傳感器，將鍋爐的實時運行參數(shù)采集、編碼、并傳送至遠程管理平臺，進一步分析計算并評價被測鍋爐的安全及能效指標，并以視頻、電話、短信或現(xiàn)場診斷等方式對運行鍋爐開展有針對性的優(yōu)化運行指導。

2.1 系統(tǒng)介紹

工業(yè)鍋爐遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)具體流程如圖2所示。鍋爐傳感器采集系統(tǒng)依次經(jīng)信號采集終端、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡與監(jiān)測中心平臺連接；鍋爐傳感器采集系統(tǒng)是在軟水器、水箱、給水泵、鍋爐本體及管道上安裝模擬信號采集裝置、開關信號采集裝置和視頻采集裝置。視頻采集裝置記錄鍋爐視頻數(shù)據(jù)；模擬信號采集裝置采集到的模擬信號數(shù)據(jù)輸入到信號采集系統(tǒng)，開關信號采集裝置的鍋爐主控制柜輸出開關信號數(shù)據(jù)到信號采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)能實現(xiàn)燃油、燃氣、燃煤和生物質等多類型鍋爐狀態(tài)參數(shù)的遠程在線監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測指標對鍋爐開展安全與節(jié)能診斷處置，實現(xiàn)鍋爐動態(tài)監(jiān)管。

2.2 技術特點

遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件、軟件均是針對工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)測而研發(fā)、設計的定制設備。技術特點如下：(1)在于“監(jiān)測”鍋爐運行，而非對鍋爐運行進行“控制”。(2)上位機監(jiān)測軟件對與用戶訪問數(shù)量沒有限制條件，通過簡單的設置就可進行用戶的增加。(3)由于裝置的針對性較強，在研發(fā)過程中相對于DCS、PLC系統(tǒng)整體價格更便宜。(4)能解決在用鍋爐普遍無運行參數(shù)儀表系統(tǒng)，作業(yè)人員和管理人員無法掌握鍋爐運行狀態(tài)，而運行狀態(tài)調整難題，能形成人機互補關系，提高鍋爐操作管理水平，實現(xiàn)鍋爐動態(tài)監(jiān)管。(5)不僅有效減少鍋爐安全事故的發(fā)生，而且能提高鍋爐效率，促進節(jié)能減排。

圖2 工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)測技術系統(tǒng)圖1-水質硬度報警儀;2-給水流量計;3-給水溫度傳感器;4-燃油、燃氣流量計;5-蒸汽溫度傳感器;6-排煙溫度傳感器;7-排煙氧量傳感器;8-蒸汽壓力傳感器;9-環(huán)境溫度傳感器;10-鍋爐主控制柜;11-網(wǎng)絡攝像頭;12-便攜式燃料分析儀;13-燃料稱重裝置;14-電源連接電纜;15-信號連接電纜;16-信號采集控制柜;17-數(shù)據(jù)傳輸單元(DTU);18-路由器;19-信號端VPN服務器;20-調制解調器;21-Internet網(wǎng)絡;22-GPRS網(wǎng)絡;23-3G網(wǎng)絡;24-平臺VPN服務器;25-平臺服務器;26-平臺顯示屏;27-平臺電話;28-平臺短信發(fā)射器;29-智能手機;30-電腦;31-平板電腦

2.3 信號采集

圖3所示為燃油(氣)、燃煤鍋爐信號采集示意圖。對燃油(氣)鍋爐，需要采集的信號包括：(1)變量信號(需裝傳感器)：軟水硬度、蒸汽壓力、蒸汽溫度、給水溫度、環(huán)境溫度、排煙溫度、排煙氧量。(2)狀態(tài)信號(由該鍋爐控制柜接出信號)：運行信號、電流、電壓、高水位、低水位、綜合報警。(3)根據(jù)以上信號參數(shù)得出的在線運算信息包括：根據(jù)排煙氧量得出的空氣過量系數(shù)、鍋爐熱效率、鍋爐房耗電功率等。

對燃煤鍋爐，需要采集的信號包括:(1)變量信號(需裝傳感器)：軟水硬度、蒸汽壓力、蒸汽溫度、給水溫度、環(huán)境溫度、排煙溫度、排煙氧量;(2)狀態(tài)信號(由該鍋爐控制柜接出信號)：鼓風機啟停、電流、電壓、高水位、低水位、綜合報警;(3)根據(jù)以上信號參數(shù)得出的在線運算信息包括：根據(jù)排煙氧量得出的空氣過量系數(shù)、鍋爐熱效率、鍋爐房耗電功率等。

2.4 熱效率計算

遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)熱效率計算采用TSG G0003-2010 《工業(yè)鍋爐能效測試與評價規(guī)則》中鍋爐運行工況熱效率簡單測試規(guī)則，該簡單測試包括以下測試項目：(1)排煙溫度tpy/℃；(2)排煙處過量空氣系數(shù)αpy；(3)排煙處CO含量/[%(ppm)]；(4)入爐冷空氣溫度tlk/℃；(5)飛灰可燃物含量Cfh/[%]；(6)漏煤可燃物含量Clm/[%]；(7)爐渣可燃物含量Clz/[%]；(8)燃料工業(yè)分析(燃料收到基低位發(fā)熱量Qnet,v,ar/kJ·kg-1；收到基灰分Aar/[%])。

圖3 工業(yè)鍋爐信號采集示意圖

對于燃油(氣)鍋爐，本系統(tǒng)采集系統(tǒng)參數(shù)包括(1)～(4)項。因此，根據(jù)反平衡公式ηj=100-q2-q3-q5，可得出燃油(氣)鍋爐的在線熱效率。對于燃煤鍋爐，本系統(tǒng)采集系統(tǒng)參數(shù)包括(1)～(4)項，(6)～(8)項在線測量難度比較大，一般是通過現(xiàn)場采集樣品，拿回實驗室分析的離線測量。為了實現(xiàn)在線測量，考慮如下方法：(1)鍋爐煤質工業(yè)分析、灰渣含碳量在線測量根據(jù)國內各煤質大量測試數(shù)據(jù)結果和數(shù)學模型修正而來，并和現(xiàn)場能效測試進行比對修正；(2)定期到該鍋爐房采集煤樣、灰渣離線分析，結果輸入到遠程在線分析系統(tǒng)。因此，根據(jù)反平衡公式，ηj=100-q2-q3-q4-q5-q6，可得燃煤鍋爐在線熱效率。

2.5 主要功能

(1)鍋爐實時運行功能。安全、節(jié)能、環(huán)保及鍋爐房管理等多個參數(shù)能實時顯示、集中管理，強化監(jiān)管力度。

(2)數(shù)據(jù)趨勢曲線功能。能精確掌握鍋爐運行的趨勢動態(tài)，實時與歷史趨勢的轉換有利于跟蹤數(shù)據(jù)變化規(guī)律，查找問題根源。

(3)報警提醒、報警查詢功能。報警信息實現(xiàn)聲光報警，并按法規(guī)及用戶自定義設置報警限定值，可有效實現(xiàn)安全預警及節(jié)能告警。

(4)多功能報表查詢、打印功能。日報、月報、年報等多種報表提供，運行信息的查詢、導出功能為集中進行數(shù)據(jù)管理提供便利。

(5)攝像監(jiān)視功能。能夠宏觀顯示區(qū)域內鍋爐運行情況，實現(xiàn)鍋爐房現(xiàn)場監(jiān)視。具體如下圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主要功能圖

2.6 系統(tǒng)試點

目前，該系統(tǒng)已在杭州市14個區(qū)縣示點，完成53臺在用工業(yè)鍋爐遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)試點安裝調試工作，包括17臺燃油(氣)鍋爐，32臺燃煤鍋爐，4臺熱電鍋爐。通過優(yōu)化燃燒等管理節(jié)能措施和節(jié)能技術改造，燃煤和燃氣鍋爐整體熱效率分別提高5%、3%，取得良好的社會效益和節(jié)能效果。

3 結論

項目組利用傳感和互聯(lián)網(wǎng)技術，開發(fā)了工業(yè)鍋爐遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)， 該系統(tǒng)不僅能夠有效降低鍋爐安全隱患，而且能有效提升鍋爐節(jié)能管理水平。具體如下：

(1)提高運行管理，實現(xiàn)高效運行(管理節(jié)能)。該系統(tǒng)可實時在線反映鍋爐運行效率，運行數(shù)據(jù)一旦有任何異?；蛘咂睿惨暼藛T都會及時發(fā)現(xiàn)并通過專家系統(tǒng)進行分析，向企業(yè)發(fā)出警示和整改措施。從而能夠指導鍋爐運行操作，提高鍋爐的技術性能和運行狀態(tài)，節(jié)約能源，減少浪費，使鍋爐的各項損失為最小而熱效率為最高，取得最佳的節(jié)能效果。

(2)通過數(shù)據(jù)分析，實施節(jié)能改造(技術節(jié)能)。如監(jiān)測到鍋爐的運行狀況不佳，且分析認為由于鍋爐本身的結構、技術、老化等原因，無法通過調整運行參數(shù)來提高鍋爐運行效率時，可以建議用戶進行技術改造，如排煙溫度偏高，可在鍋爐尾部受熱面加裝節(jié)能器、或加裝煤分層裝置、爐拱改造或采用變頻控制技術等，可以大大提高鍋爐燃燒效率。

(3)提高檢測機構能效測試效率。該系統(tǒng)只要運用得當，完全可以減少檢測機構進行現(xiàn)場能效測試工作。且由于具備實時在線監(jiān)測功能，其數(shù)據(jù)監(jiān)測更具準確性、科學性。

(4)實現(xiàn)工業(yè)鍋爐運行云數(shù)據(jù)共享。建立工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)測中心，能夠實現(xiàn)對燃煤、燃油、燃氣、有機熱載體及電廠等各種型式鍋爐遠程監(jiān)測的全覆蓋；能夠形成集鍋爐安全運行、在線能耗診斷及遠程監(jiān)管為一體鍋爐檢測和監(jiān)管完備體系；能夠實現(xiàn)政府監(jiān)管部門、使用單位、制造單位和安全節(jié)能服務機構四個層面的信息共享；能夠為鍋爐安全節(jié)能監(jiān)管和政策制定提供可靠依據(jù)，實現(xiàn)政府部門運用物聯(lián)網(wǎng)技術對在用鍋爐真正意義上的安全與節(jié)能動態(tài)監(jiān)管。

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