工業(yè)鍋爐能效在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：【目的】針對(duì)目前我國(guó)工業(yè)鍋爐在線監(jiān)測(cè)程度較低的問(wèn)題，開發(fā)出基于大數(shù)據(jù)的工業(yè)鍋爐能效在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以提高鍋爐的運(yùn)行熱效率。【方法】通過(guò)在鍋爐側(cè)布置傳感器和數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備，采集鍋爐實(shí)時(shí)運(yùn)行的數(shù)據(jù)，并將其上傳至云平臺(tái)上的數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)處理中心對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)診斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐運(yùn)行能效的在線監(jiān)控，并給出優(yōu)化建議?！窘Y(jié)果】遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)工業(yè)鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，并及時(shí)反饋，關(guān)鍵時(shí)刻可快速給出停機(jī)信號(hào)，保障鍋爐運(yùn)行安全。同時(shí)，可監(jiān)測(cè)與鍋爐能效相關(guān)的參數(shù)，根據(jù)鍋爐負(fù)荷及時(shí)調(diào)整鍋爐的燃料量和送風(fēng)量，從而提高鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。【結(jié)論】通過(guò)工業(yè)鍋爐在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)科學(xué)管理鍋爐，不僅能有效提高鍋爐的安全水平，還能通過(guò)管理節(jié)能和技術(shù)節(jié)能的方式提高鍋爐的能效水平，最終實(shí)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行過(guò)程中的節(jié)能減排。

關(guān)鍵詞：工業(yè)鍋爐；在線監(jiān)測(cè)；熱效率；在線優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TK3" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2024）24-0012-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.24.003

Research on Online Energy Efficiency Monitoring System of Industrial Boilers

Abstract： [Purposes] To address the low level of online monitoring for industrial boilers in China， this paper developed an intelligent boiler detection and management system based on big data to improve the thermal efficiency of boilers. [Methods] The online monitoring system collects and transmits real-time operating data of the boiler through sensors and data acquisition transmission devices installed on the boiler side to a data processing center on the cloud platform. The data collected by the center is processed and diagnosed to monitor the energy efficiency of the boiler and provide optimization suggestions. [Findings] Remote online monitoring of industrial boilers can monitor operational parameters and provide timely feedback，and when necessary， it can quickly give a shutdown signal to ensure safe boiler operation and can also monitor parameters related to boiler energy efficiency and adjust fuel and air supply in a timely manner based on boiler load to improve the economic efficiency of boiler operation. [Conclusions] Scientific management of the boiler's daily operation can be achieved through the industrial boiler online monitoring system. This system can not only effectively improve the safety level of the boiler but also improve its energy efficiency through energy management and technical means， ultimately achieving energy conservation and emission reduction during boiler operation.

Keywords： industrial boilers; online monitoring; energy efficiency; online optimization

0 引言

隨著國(guó)家節(jié)能減排政策實(shí)施力度的加大和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種大容量、多燃料的工業(yè)鍋爐已被廣泛用于日常生產(chǎn)和生活中。然而，工業(yè)鍋爐每年的總能源消耗和污染排放均位居全國(guó)工業(yè)行業(yè)第二，僅次于電站鍋爐，其能源消耗量遠(yuǎn)高于冶金、化工、鋼鐵、石油等高耗能行業(yè)［1］。更為嚴(yán)重的是，全國(guó)有部分城市工業(yè)鍋爐排放的污染已超過(guò)當(dāng)?shù)仉娬惧仩t［2］。這些問(wèn)題已經(jīng)不能單純地依靠技術(shù)進(jìn)步來(lái)解決，而必須采用系統(tǒng)的方法，綜合考慮工業(yè)鍋爐行業(yè)現(xiàn)狀、未來(lái)的技術(shù)發(fā)展、目前經(jīng)濟(jì)及社會(huì)所能承受的范圍，在平衡中求得可持續(xù)發(fā)展［3］。這使得鍋爐運(yùn)行時(shí)需要監(jiān)測(cè)和控制的參數(shù)也逐漸增多。但是，現(xiàn)有的控制與監(jiān)測(cè)措施并沒有得到同步發(fā)展，鍋爐運(yùn)行維護(hù)問(wèn)題也日益突出。因此，實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐傳統(tǒng)管理模式向安全性和經(jīng)濟(jì)性相統(tǒng)一的協(xié)調(diào)管理模式轉(zhuǎn)變，能大幅度提升工業(yè)鍋爐的節(jié)能減排力度，對(duì)我國(guó)推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重要意義［4］。

基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展，本研究設(shè)計(jì)出一種針對(duì)工業(yè)燃煤或燃?xì)忮仩t的在線能效遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)布置在鍋爐側(cè)的數(shù)據(jù)處理工作站和4G信號(hào)發(fā)送裝置，將采集到的鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)皆破脚_(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。在云平臺(tái)上編寫能效分析系統(tǒng)，對(duì)采集到的鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行工況的在線監(jiān)控和極端工況的預(yù)報(bào)預(yù)警，能有效滿足企業(yè)和監(jiān)管部門對(duì)工業(yè)鍋爐安全高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的現(xiàn)實(shí)需要。

1 研究現(xiàn)狀

隨著鍋爐行業(yè)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，大多數(shù)鍋爐在一定程度上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。目前，較為成熟的鍋爐在線監(jiān)測(cè)技術(shù)（如DCS監(jiān)控系統(tǒng)）被廣泛應(yīng)用于電站鍋爐上，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的在線測(cè)量和分析，但其價(jià)格昂貴、計(jì)算模型復(fù)雜、對(duì)測(cè)量有較高要求，且電站鍋爐的效率計(jì)算不同于工業(yè)鍋爐，導(dǎo)致DCS系統(tǒng)并未在工業(yè)鍋爐領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用［5］。

目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟的工業(yè)鍋爐數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)和分析系統(tǒng)。大部分的工業(yè)鍋爐熱工能效測(cè)試仍由監(jiān)測(cè)人員在現(xiàn)場(chǎng)布置傳感器，運(yùn)行完成幾個(gè)測(cè)試工況后，進(jìn)行紙質(zhì)記錄，并計(jì)算分析和出具能效報(bào)告［6］。在傳統(tǒng)的檢驗(yàn)方法中，測(cè)試人員只能間斷測(cè)量某些工況的數(shù)據(jù)，無(wú)法滿足工業(yè)鍋爐運(yùn)行時(shí)的安全和節(jié)能需要［7］。同時(shí)，測(cè)試人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力，且測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的高溫噪聲等環(huán)境對(duì)測(cè)試人員的安全造成威脅［8］。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，一些鍋爐廠制造的鍋爐安裝了帶有一定在線監(jiān)測(cè)功能的控制系統(tǒng)［9］，但不同廠家所用的軟件系統(tǒng)不同［10］，導(dǎo)致無(wú)法集中監(jiān)控［11］，且智能化程度不足，無(wú)法根據(jù)已有的歷史數(shù)據(jù)準(zhǔn)確識(shí)別出運(yùn)行故障，并評(píng)估設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)［12］，導(dǎo)致目前的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可用性并不強(qiáng)［13］。在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，采用基于大數(shù)據(jù)的鍋爐智能檢測(cè)和管理系統(tǒng)，可以科學(xué)管理鍋爐的日常運(yùn)行，提高鍋爐運(yùn)行熱效率，降低鍋爐運(yùn)行時(shí)的污染物排放，減輕企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，最終實(shí)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行過(guò)程中的節(jié)能減排，并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益［14］。

2 主要功能需求

工業(yè)鍋爐智能在線能效監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控顯示功能，包括鍋爐的宏觀顯示、微觀顯示和流程顯示等?；诘貓D顯示各地區(qū)的鍋爐位置和數(shù)量、鍋爐的運(yùn)行狀況和鍋爐的能效數(shù)據(jù)，當(dāng)點(diǎn)擊選中具體鍋爐時(shí)，顯示傳感器就地測(cè)量鍋爐的具體數(shù)據(jù)及鍋爐的燃燒狀況、水位狀況等參數(shù)。

在用戶側(cè)，用戶可隨時(shí)打開云平臺(tái)上的能效計(jì)算和監(jiān)控平臺(tái)的網(wǎng)頁(yè)畫面，遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理鍋爐的地理位置和運(yùn)行狀態(tài)，查看鍋爐運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及報(bào)警信息，根據(jù)鍋爐的運(yùn)行數(shù)據(jù)，及時(shí)對(duì)鍋爐進(jìn)行管理和調(diào)控。此外，要根據(jù)用戶職能級(jí)別和管理范圍的不同，為用戶設(shè)置不同的管理權(quán)限。

3 工業(yè)爐在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

工業(yè)鍋爐能效在線監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)系統(tǒng)包括工業(yè)鍋爐數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、云平臺(tái)上的鍋爐能效計(jì)算和監(jiān)控平臺(tái)。鍋爐數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)安裝在鍋爐上的傳感器采集鍋爐的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集器對(duì)采集到的參數(shù)進(jìn)行收集和編譯，將編譯好的運(yùn)行參數(shù)通過(guò)通信模塊傳送，并保存在就地側(cè)的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)工作站，如圖1所示。就地側(cè)的數(shù)據(jù)工作站通過(guò)4G通信設(shè)備將鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送出去，并保存到騰訊云上布置的數(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，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器可將在線接收到的鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存起來(lái)，以便能效計(jì)算軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用和分析統(tǒng)計(jì)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行共享和發(fā)布。其中，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程如下，將現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置采集到的數(shù)據(jù)備份到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理工作站上，并通過(guò)4G移動(dòng)通信方式發(fā)送到騰訊云的數(shù)據(jù)處理中心。以河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院檢測(cè)中心為整個(gè)河南省工業(yè)鍋爐在線監(jiān)測(cè)管理中心，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)接入到騰訊云的數(shù)據(jù)處理中心，檢測(cè)中心賬戶具有管理用戶功能。客戶端通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或4G移動(dòng)通信連接到騰訊云上的數(shù)據(jù)中心，除監(jiān)測(cè)中心設(shè)立管理員用戶外，客戶端均為普通用戶，只能瀏覽和查看數(shù)據(jù)。

能效計(jì)算和監(jiān)控平臺(tái)設(shè)有人機(jī)交互界面，能效計(jì)算軟件利用云平臺(tái)上的數(shù)據(jù)庫(kù)所收集到的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)采集數(shù)據(jù)管理模塊、能效計(jì)算模塊和基于大數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)診斷模塊，對(duì)鍋爐運(yùn)行能效進(jìn)行有針對(duì)性的分析處理?；谥悄芡评硭惴?，通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算鍋爐熱效率，并進(jìn)行能耗分析和實(shí)時(shí)顯示，建立鍋爐安全運(yùn)行的監(jiān)控體系和提出高效節(jié)能運(yùn)行控制策略，從而實(shí)現(xiàn)鍋爐能效的實(shí)時(shí)自動(dòng)化管理和在線監(jiān)控顯示功能。

對(duì)于燃煤工業(yè)鍋爐，能效計(jì)算和監(jiān)控平臺(tái)通過(guò)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐燃燒和運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的診斷方法實(shí)現(xiàn)對(duì)給煤量和送風(fēng)量的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)燃煤鍋爐的高效穩(wěn)定燃燒。

對(duì)于工業(yè)燃?xì)忮仩t，通過(guò)監(jiān)測(cè)煙氣成分、及時(shí)調(diào)控鍋爐的過(guò)量空氣系數(shù)，同時(shí)結(jié)合低氮燃燒技術(shù)，綜合調(diào)控入爐空氣與入爐燃?xì)獗壤构I(yè)燃?xì)忮仩t處于最佳運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)燃?xì)忮仩t智能高效運(yùn)行的控制和管理。

3.2 信號(hào)采集

工業(yè)鍋爐能效在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)安裝在鍋爐側(cè)的數(shù)據(jù)采集終端采集鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括溫度、壓力、煙氣傳感器等相關(guān)儀表和數(shù)據(jù)采集器。鍋爐基本參數(shù)作為系統(tǒng)采集的必要參數(shù)，對(duì)燃?xì)忮仩t需要采集的信號(hào)包括天然氣流量和成分、空氣流量、排煙溫度、煙氣成分、給水流量、蒸汽流量溫度和壓力、軟水硬度、環(huán)境溫度；對(duì)燃煤鍋爐需要采集的信號(hào)包括單位時(shí)間燃料消耗量、空氣流量、排煙溫度、煙氣成分、環(huán)境溫度、飛灰可燃物含量、漏煤可燃物含量、爐渣可燃物含量、燃料的收到基低位發(fā)熱量和收到基灰分、給水流量、蒸汽流量溫度和壓力、軟水硬度。

根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)可計(jì)算出鍋爐的過(guò)量空氣系數(shù)和鍋爐的熱效率，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)和調(diào)整鍋爐的運(yùn)行能效。有些信號(hào)可作為選擇性采集信號(hào)，如鍋爐的水位、風(fēng)機(jī)和水泵的啟停、燃燒狀況的監(jiān)控、燃?xì)庑孤┚瘓?bào)等，這些參數(shù)不是計(jì)算熱效率必需的參數(shù)，但這些參數(shù)可以反映出鍋爐運(yùn)行的安全狀況，根據(jù)這些信號(hào)對(duì)工業(yè)鍋爐及時(shí)進(jìn)行調(diào)控，提高鍋爐運(yùn)行的安全性和環(huán)保性。

3.3 熱效率計(jì)算

采用《工業(yè)鍋爐能效測(cè)試與評(píng)價(jià)規(guī)則》（TSG G0003—2010）中的反平衡法，對(duì)鍋爐進(jìn)行簡(jiǎn)單的熱效率測(cè)試，從而計(jì)算出鍋爐熱效率。反平衡計(jì)算公式見式（1）。

[η]=100-（q2+q3+q4+q5+q6）" " "（1）

式中：q2為排煙熱損失；q3為氣體未完全燃燒熱損失；q4為固體未完全燃燒熱損失；q5為散熱損失；q6為灰渣物理熱損失。在對(duì)熱效率進(jìn)行在線測(cè)試時(shí)，通過(guò)測(cè)量入爐空氣溫度、煙氣的排煙溫度和排煙處過(guò)量空氣系數(shù)，可計(jì)算出排煙熱損失q2；通過(guò)測(cè)量排煙處CO含量，可計(jì)算出氣體未完全燃燒熱損失q3；通過(guò)分析飛灰可燃物含量、漏煤可燃物含量和爐渣可燃物含量及燃料收到基低位發(fā)熱量和收到基灰分，可計(jì)算出固體未完全燃燒熱損失q4；通過(guò)收到基低位發(fā)熱量和爐渣可燃物含量、收到基灰分，可計(jì)算出灰渣物理熱損失q6。

對(duì)于燃?xì)忮仩t，熱損失主要為q2、q3和q5這三項(xiàng)，在線測(cè)量項(xiàng)包括排煙溫度、排煙處過(guò)量空氣系數(shù)、排煙處CO含量和入爐冷空氣溫度。對(duì)燃煤鍋爐，需要計(jì)算所有的熱損失項(xiàng)，而燃料發(fā)熱量、爐渣、飛灰、漏煤的可燃物含量在線測(cè)量困難，通常需要定期到鍋爐房進(jìn)行采集煤樣、灰渣離線分析，并將結(jié)果輸入到能效在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，根據(jù)用戶用煤批次的更換而更新。

3.4 鍋爐運(yùn)行效率優(yōu)化

①對(duì)在線采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，診斷并去除測(cè)量數(shù)據(jù)中的無(wú)效數(shù)據(jù)（空值和異常值）。

②鍋爐運(yùn)行參數(shù)的在線采集和鍋爐熱效率計(jì)算。通過(guò)能效在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在線采集鍋爐的運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用反平衡方法計(jì)算鍋爐在不同運(yùn)行工況下的熱效率。

③基于大數(shù)據(jù)的鍋爐熱效率預(yù)測(cè)模型建立。利用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)和計(jì)算得到的熱效率，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立工業(yè)鍋爐熱效率的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)模型。

④根據(jù)熱效率預(yù)測(cè)模型在線優(yōu)化鍋爐效率?；诮⒌腻仩t熱效率預(yù)測(cè)模型，針對(duì)與鍋爐熱效率相關(guān)度較高且可調(diào)控的參數(shù)——鍋爐送風(fēng)量，以鍋爐熱效率為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而提高鍋爐運(yùn)行熱效率。鍋爐運(yùn)行效率在線優(yōu)化示意如圖2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)工業(yè)鍋爐，不僅能有效提高鍋爐的安全水平，還能通過(guò)管理節(jié)能和技術(shù)節(jié)能的方式來(lái)提高鍋爐的能效水平，具體如下。

①實(shí)時(shí)在線反饋鍋爐運(yùn)行過(guò)程中的多種關(guān)鍵參數(shù)，指導(dǎo)鍋爐運(yùn)行操作，提高鍋爐的技術(shù)性能和運(yùn)行狀態(tài)。例如，為鍋爐安裝溫度、壓力、水位高度、水質(zhì)硬度、流量等傳感器，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一旦出現(xiàn)異?；蚱睿杉皶r(shí)反饋，便于鍋爐使用單位進(jìn)行改進(jìn)，提高鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)，節(jié)約能源。

②監(jiān)測(cè)影響鍋爐能效水平相關(guān)的主要參數(shù)，如過(guò)量空氣系數(shù)、燃料燃燒、排煙溫度、爐膛出口煙溫、節(jié)能裝置進(jìn)出口煙溫、水蒸氣含量等，通過(guò)分析主要參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律（具有周期變化負(fù)荷的鍋爐，監(jiān)測(cè)其周期規(guī)律），提出對(duì)應(yīng)的節(jié)能方法，實(shí)現(xiàn)鍋爐能效的提升。

③對(duì)典型鍋爐能效的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，應(yīng)建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，為能源管理部門節(jié)能政策的制定提供依據(jù)。

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