基于燃?xì)忮仩t的熱管理模式提升探究

張愛君

（西安科技大學(xué)高新學(xué)院，陜西 西安 710109）

引言

工業(yè)供暖體系被應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，作為我國(guó)社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域普遍采用的熱工裝備，長(zhǎng)期以來，傳統(tǒng)供熱大多數(shù)為粗放型管理模式，鍋爐運(yùn)行效率低、成本高、環(huán)保不達(dá)標(biāo)、安全問題突顯、故障不能及時(shí)解決，嚴(yán)重影響著燃?xì)忮仩t的經(jīng)濟(jì)效益和安全性能[1]。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展與普及，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)逐漸滲透至傳統(tǒng)工業(yè)，工業(yè)鍋爐已具備智能化管理模式。

1 智能化管理模式建立的原則

基于傳統(tǒng)的工業(yè)燃?xì)忮仩t，通過加裝溫度、壓力傳感設(shè)備，數(shù)據(jù)采集以及控制設(shè)備。實(shí)現(xiàn)對(duì)主要設(shè)備及附屬設(shè)備和供熱管網(wǎng)系統(tǒng)的能耗的動(dòng)態(tài)跟蹤與智能遠(yuǎn)程控制，實(shí)施的具體原則有：

1.1 完整性原則

從數(shù)據(jù)采集、終端輪詢和響應(yīng)機(jī)制的建立，到數(shù)據(jù)通道，數(shù)據(jù)分發(fā)和緩存，再到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)提取、查詢和界面展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)流程上形成一個(gè)完整的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，同時(shí)具備和其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的開放功能。

1.2 先進(jìn)性原則

熱智能管理平臺(tái)遵照面向客戶建設(shè)的大量最佳實(shí)踐性原則進(jìn)行建設(shè)，并運(yùn)用大規(guī)模持久性存儲(chǔ)技術(shù)、高性能緩存技術(shù)、高并發(fā)負(fù)載平衡技術(shù)以及動(dòng)態(tài)前端頁面技術(shù)和圖形單元組合分析技術(shù)，共同構(gòu)建一個(gè)高性能、高可用性的先進(jìn)平臺(tái)。

1.3 高擴(kuò)展性原則

功能擴(kuò)展性，通過設(shè)計(jì)的模塊化架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)功能上的靈活安裝及擴(kuò)展；性能擴(kuò)展性，通過建立服務(wù)器的底層集群支撐，以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)性能上的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，當(dāng)更大規(guī)模的系統(tǒng)數(shù)據(jù)和底層設(shè)備數(shù)據(jù)接入時(shí)，可以通過新增硬件設(shè)備，接入集群并簡(jiǎn)單配置的方式來完成平臺(tái)性能的升級(jí)工作，避免復(fù)雜繁瑣的停機(jī)拆卸再組裝部署流程。

1.4 可靠性原則

熱智能管理平臺(tái)采用多服務(wù)器群組、負(fù)載均衡、異地容災(zāi)備份、讀寫分離等有效機(jī)制，確保平臺(tái)無間斷工作，滿足工業(yè)領(lǐng)域?qū)ζ脚_(tái)穩(wěn)定性的要求。

1.5 安全性原則

熱智能管理平臺(tái)將終端設(shè)備采集數(shù)據(jù)進(jìn)行不同類型數(shù)據(jù)分離，同時(shí)支持采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇蛻舄?dú)立服務(wù)器，確保數(shù)據(jù)的安全性。私密數(shù)據(jù)將在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行加密封裝，確保整個(gè)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集的安全性。這樣既保證了服務(wù)器與終端設(shè)備之間穩(wěn)定可靠的通信基礎(chǔ)，也支持多個(gè)數(shù)據(jù)通道之間用戶自定義模版生成，并兼容各種類型的網(wǎng)絡(luò)防火墻，增強(qiáng)了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的安全性和穩(wěn)定性。

1.6 靈活性原則

熱智能管理平臺(tái)可對(duì)接所有支持485接口MODBUS-RTU標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議控制器和顯示屏。熱智能管理平臺(tái)可對(duì)數(shù)據(jù)靈活展現(xiàn)，對(duì)復(fù)雜的、個(gè)性的需求都能直接通過系統(tǒng)配置完。熱智能管理平臺(tái)采集規(guī)模可進(jìn)行組合式拆解，不同容量的數(shù)據(jù)采集展示，只需增加相匹配的設(shè)備終端及授權(quán)即可。

2 智能化管理模式實(shí)現(xiàn)的主要目標(biāo)

熱管理平臺(tái)以科學(xué)安全運(yùn)維管理、方便操作應(yīng)用、節(jié)能降耗為己任，最終達(dá)到以下目標(biāo)：

1）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳存儲(chǔ)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制智能化運(yùn)行，燃?xì)忮仩t能效核算及時(shí)展現(xiàn)，規(guī)范人人用能行為。

2）根據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)，結(jié)合氣候條件補(bǔ)償，智能化調(diào)整供暖系統(tǒng)的運(yùn)行。

3）建立有效、可靠的故障報(bào)警機(jī)制，同時(shí)根據(jù)故障原因作出相應(yīng)的控制機(jī)制，降低二次災(zāi)害。

4）提升對(duì)供暖系統(tǒng)運(yùn)行的科學(xué)管理，有利于提高工作效率和信息化應(yīng)用水平。

3 智能化管理模式建立的內(nèi)容

功能設(shè)計(jì)是指在整個(gè)供熱系統(tǒng)的框架之下，嚴(yán)格遵循控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)和監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求，并考慮控制系統(tǒng)的科學(xué)性和先進(jìn)性要求[2]。

熱管理平臺(tái)是整個(gè)供熱的數(shù)據(jù)中心和管理中心，所有設(shè)備的信息都集中存儲(chǔ)在云服務(wù)器中并應(yīng)用和展示。在正常運(yùn)行情況下，操作員可以在控制中心對(duì)具有遠(yuǎn)程操控的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，如控制參數(shù)的設(shè)置和修改，啟動(dòng)優(yōu)化控制程序，采集能耗數(shù)據(jù)，建立節(jié)能分析報(bào)表等。主要內(nèi)容有：

1）加裝智能恒壓補(bǔ)水控制系統(tǒng)，它的主要功能有：采集液位及壓力智能定壓控制補(bǔ)水泵；高液位時(shí)關(guān)閉軟化水出水閥、低液位時(shí)開啟軟化水出水閥；展示液位及壓力信息，故障報(bào)警信息提示（短信或者聲光）；相關(guān)數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)。通過對(duì)鍋爐軟化水箱加裝液位計(jì)，控制自來水進(jìn)水總管電磁閥門，當(dāng)液位低于設(shè)定值時(shí)，電動(dòng)閥門開啟，向水箱補(bǔ)水，當(dāng)液位高于設(shè)定值時(shí)，電動(dòng)閥門關(guān)閉，停止補(bǔ)水，保證軟化水箱水位達(dá)到系統(tǒng)要求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化補(bǔ)水。自來水進(jìn)水總管加裝遠(yuǎn)程壓力表、監(jiān)測(cè)自來水供水壓力，加裝智能遠(yuǎn)傳水表監(jiān)測(cè)鍋爐系統(tǒng)補(bǔ)水量。向系統(tǒng)管網(wǎng)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)水，主要是對(duì)補(bǔ)水泵控制系統(tǒng)，通過系統(tǒng)管網(wǎng)壓力，調(diào)節(jié)補(bǔ)水泵的啟停，保證系統(tǒng)維持恒定的壓力。

2）加裝燃?xì)忮仩t控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它的主要功能有：采集相關(guān)數(shù)據(jù)，提供控制方式；故障報(bào)警信息提示（短信或者聲光）；進(jìn)行安全聯(lián)鎖設(shè)計(jì)；相關(guān)數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)。通過采集器采集燃?xì)忮仩t、鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并保存。如果燃?xì)忮仩t在運(yùn)行的過程中發(fā)生故障，采集器將報(bào)警信息發(fā)送至管理云平臺(tái)，同時(shí)啟動(dòng)相對(duì)應(yīng)的控制手段減少鍋爐的損壞，并提供故障原因以便維護(hù)人員進(jìn)行檢修。

3）加裝循環(huán)泵監(jiān)控系統(tǒng)，它的主要功能有：控制二次循環(huán)泵啟停狀態(tài)；采集二次循環(huán)泵運(yùn)行狀態(tài)和用能情況；故障報(bào)警信息提示（短信或者聲光）；進(jìn)行安全聯(lián)鎖設(shè)計(jì)；相關(guān)數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)。

4）加裝氣候補(bǔ)償控制系統(tǒng)，它的主要功能有：根據(jù)室內(nèi)外溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)一次出水溫度；根據(jù)天氣預(yù)報(bào)情況進(jìn)行提前調(diào)節(jié)以及相關(guān)聯(lián)控機(jī)制；故障報(bào)警信息提示（短信或者聲光）；進(jìn)行安全聯(lián)鎖設(shè)計(jì)；相關(guān)數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)。

5）加裝樓宇分時(shí)分區(qū)控制系統(tǒng)，它的主要功能有：根據(jù)建筑屬性進(jìn)行分時(shí)分區(qū)控制；根據(jù)室內(nèi)外溫度或者回水溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)；水平衡或者管網(wǎng)失壓故障報(bào)警信息提示（短信或者聲光）。

6）加裝管網(wǎng)管控與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它的主要功能有：安裝于干管的供回水管道，監(jiān)測(cè)供暖熱量和供回水流量；根據(jù)供回水流量判斷干管管網(wǎng)是否存在跑冒滴漏現(xiàn)象；管網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)功能；管網(wǎng)備用控制功能；管網(wǎng)產(chǎn)生爆管時(shí)，發(fā)出緊急報(bào)警信息，同時(shí)聯(lián)動(dòng)該干管的循環(huán)泵停止；數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)。在干支管道加裝熱計(jì)量表、流量表，監(jiān)測(cè)干支管道的熱量與流量。供回水流量是否一致。如果一致，管道無跑冒滴漏現(xiàn)象；如果不一致，根據(jù)差值判斷管道受損情況。并同時(shí)發(fā)送警報(bào)信息，關(guān)閉該支管到的閥門，減少二次災(zāi)害。遠(yuǎn)程控制單元平衡閥的運(yùn)行，最終確保二網(wǎng)平衡，解決溫度不達(dá)標(biāo)現(xiàn)象和節(jié)能降耗作用。

7）加裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，它的主要功能有：燃?xì)忮仩t房?jī)?nèi)安裝視頻攝像頭，監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行工況，視頻監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)接入智能化供暖管理云平臺(tái)，視頻展示至控制管理平臺(tái)界面。

4 智能化管理模式建立后的效益分析

熱智能管理平臺(tái)節(jié)能產(chǎn)品技術(shù)的應(yīng)用，標(biāo)志著供暖技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中再一次創(chuàng)新性大提高，徹底改變了供熱采用傳統(tǒng)模式的方式，熱量利用率低，浪費(fèi)嚴(yán)重，節(jié)能技術(shù)水平差的窘狀，為供暖利用節(jié)能技術(shù)的進(jìn)步起到了積極有力的推進(jìn)作用。

熱管理平臺(tái)的應(yīng)用，將提高供回水的給水率、利用率和損失率，它的具體優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在技術(shù)先進(jìn)、工藝合理、節(jié)能顯著、應(yīng)用廣、投資少、見效快和效益可觀。與傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)相比，除在高效、節(jié)能、節(jié)水、環(huán)保等方面處于領(lǐng)先地位外，在投資和運(yùn)行費(fèi)用方面，尤其在技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益方面更具有明顯優(yōu)勢(shì)[3]。本文從以下幾方面進(jìn)行分析：

4.1 氣候技術(shù)效益

以氣候補(bǔ)償系統(tǒng)作為效益對(duì)比條件，每升降1℃作為對(duì)比單元，以燃?xì)忮仩t對(duì)比能源設(shè)備進(jìn)行節(jié)能效益計(jì)算。

根據(jù)氣候變化情況，變時(shí)定值調(diào)節(jié)鍋爐出水溫度，每降低調(diào)節(jié)一次出水溫度5℃，燃?xì)忮仩t每小時(shí)節(jié)能計(jì)算如下：

式中：C為比熱容，取4.2×103J/（kg·℃）；M為質(zhì)量，取1 000 kg；△T為溫度變化量，取5℃。將數(shù)值帶入公式計(jì)算得Q=500 000 kcal。

燃?xì)獾臒徂D(zhuǎn)換率約為70%，每立方燃?xì)馊紵尫诺淖畲鬅崃繛? 500 kcal。

式中：Q放為燃?xì)馊紵龝r(shí)釋放的熱量，取8 500 kcal/m3；η為熱轉(zhuǎn)換率，取0.7。將數(shù)值帶入公式計(jì)算得Q有放=5 950 kcal/m3。

每噸水的耗氣量為：V=Q/Q有放=500 000 kcal/5 950 kcal/m3=84.03 m3。

民用燃?xì)獾膬r(jià)格為2.05元/m3。

100 t熱水每降低5℃節(jié)省的費(fèi)用為：84.03 m3×2.05元/m3=172.26元。

綜上可得一個(gè)供暖季的節(jié)能費(fèi)用為：172.26元×8 h×120 d=3 165 369.6元。

4.2 分時(shí)分區(qū)技術(shù)效益

現(xiàn)在以一個(gè)沒有熱惰性的建筑物為例，假設(shè)它的室內(nèi)溫度可以瞬間由20℃下降至8℃或由8℃上升至20℃，該建筑的夜間室內(nèi)溫度設(shè)低周期8 h，則24 h的平均溫度為16℃。24 h的室內(nèi)平均溫度比不使用分時(shí)分區(qū)控制技術(shù)時(shí)下降了4℃，每下降1℃計(jì)算可節(jié)能5%，則共節(jié)能20%。其節(jié)能效益分析如表1所示。

表1 燃?xì)忮仩t系統(tǒng)節(jié)能效益匯總表

運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約計(jì)算如下：

節(jié)水646 kg/h，軟水價(jià)格為4.5元/t，則節(jié)水費(fèi)用為0.646×4.5=2.91元/h；

節(jié)氣84.03 kg/h，燃?xì)鈨r(jià)格為2.05元/m3，則節(jié)氣費(fèi)用為84.03×2.05=172.26元/h；

節(jié)電3.3 kW/h，電費(fèi)價(jià)格為1.0元/（kW·h），則節(jié)電費(fèi)用為3.3×1.0=3.30元/h；

人員成本：2×12.5元/（人·h）=25元/h；

運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約總計(jì)：203.47元/h。

通過上述節(jié)能計(jì)算可看到，提升熱管理模式可大幅度降低燃?xì)忮仩t運(yùn)行費(fèi)用。

5 結(jié)語

通過在線監(jiān)測(cè)和云技術(shù)對(duì)燃?xì)忮仩t的熱效能進(jìn)行智能化管理，將主要設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)匯集至服務(wù)器，管理人員通過訪問PC端，了解供熱運(yùn)行情況及能耗使用情況。再結(jié)合大數(shù)據(jù)云平臺(tái)的數(shù)據(jù)挖掘與分析，將為熱管理模式提供決策依據(jù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗的目標(biāo)。也為傳統(tǒng)工業(yè)發(fā)展找到新的突破口，將會(huì)促進(jìn)傳統(tǒng)工業(yè)健康發(fā)展。