,,

(杭州市特種設(shè)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(dòng)力設(shè)備，截至2015年底，我國鍋爐總數(shù)達(dá)57.92萬臺(tái)[1]，其中工業(yè)鍋爐約57萬臺(tái)，以燃煤鍋爐為主，年耗煤量達(dá)7.2億t標(biāo)煤，約占我國能源消費(fèi)總量的20%[2]。但是，工業(yè)鍋爐實(shí)際運(yùn)行效率整體偏低，圖1為2016年項(xiàng)目組抽查的杭州市200臺(tái)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(zhì)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(biāo)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(diǎn)分散，對監(jiān)管部門來說，區(qū)域內(nèi)在用鍋爐運(yùn)行動(dòng)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(zhì)不高，責(zé)任心不強(qiáng)，易產(chǎn)生鍋爐安全事故；同時(shí)，企業(yè)節(jié)能意識(shí)淡薄，能源浪費(fèi)和環(huán)境污染嚴(yán)重，是節(jié)能減排的重點(diǎn)和難點(diǎn)。對于檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)，安全檢驗(yàn)、節(jié)能檢測工作都需人工現(xiàn)場進(jìn)行。因此，開發(fā)工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鍋爐監(jiān)管機(jī)構(gòu)、測試機(jī)構(gòu)、使用單位、制造企業(yè)和節(jié)能服務(wù)機(jī)構(gòu)多元共治，對我國建設(shè)能源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)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(shù)對比

目前，鍋爐在線監(jiān)測技術(shù)的研究主要集中在電站鍋爐上，文獻(xiàn)[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(shù)開展廣泛，且手段先進(jìn)，但是能效測試及計(jì)算模型針對性較強(qiáng)，對測量有較高要求，計(jì)算過程復(fù)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(shù)研究相對較少。文獻(xiàn)[7-9]主要在工業(yè)鍋爐的在線監(jiān)測技術(shù)方法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了探討；文獻(xiàn)[10]探討了利用物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等新技術(shù)對工業(yè)鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測，提出工業(yè)鍋爐物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)模型和云計(jì)算模型，給出了鍋爐能耗、熱效率等關(guān)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(jì)算方面的研究具有很好的指導(dǎo)作用，但研究并沒有針對工業(yè)鍋爐提出具體的遠(yuǎn)程監(jiān)測方法和具體實(shí)施技術(shù)。

工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)應(yīng)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(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)管體系多年。但該技術(shù)主要局限性如下：(1)主要是在自己燃油、燃?xì)忮仩t運(yùn)行維?；A(chǔ)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(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)。(2)并沒有覆蓋熱水鍋爐和有機(jī)熱載體鍋爐，沒有把熱電鍋爐納入遠(yuǎn)程檢測體系。(3)并沒有覆蓋地方政府監(jiān)管層面上的內(nèi)容，如：監(jiān)管鍋爐基本信息、該區(qū)域鍋爐總體運(yùn)行參數(shù)(鍋爐總體能耗、總體事故率等)情況等。(4)國內(nèi)工業(yè)鍋爐在線監(jiān)測系統(tǒng)只是簡單的引進(jìn)技術(shù)，并沒有針對我國現(xiàn)有鍋爐檢測和監(jiān)管的特點(diǎn)進(jìn)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(yuǎn)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(xiàng)目組開發(fā)了工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)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(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)采集、編碼、并傳送至遠(yuǎn)程管理平臺(tái)，進(jìn)一步分析計(jì)算并評價(jià)被測鍋爐的安全及能效指標(biāo)，并以視頻、電話、短信或現(xiàn)場診斷等方式對運(yùn)行鍋爐開展有針對性的優(yōu)化運(yùn)行指導(dǎo)。

2.1 系統(tǒng)介紹

工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)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(luò)與監(jiān)測中心平臺(tái)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(guān)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(guān)信號采集裝置的鍋爐主控制柜輸出開關(guān)信號數(shù)據(jù)到信號采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)燃油、燃?xì)狻⑷济汉蜕镔|(zhì)等多類型鍋爐狀態(tài)參數(shù)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測指標(biāo)對鍋爐開展安全與節(jié)能診斷處置，實(shí)現(xiàn)鍋爐動(dòng)態(tài)監(jiān)管。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件、軟件均是針對工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測而研發(fā)、設(shè)計(jì)的定制設(shè)備。技術(shù)特點(diǎn)如下：(1)在于“監(jiān)測”鍋爐運(yùn)行，而非對鍋爐運(yùn)行進(jìn)行“控制”。(2)上位機(jī)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(shè)置就可進(jìn)行用戶的增加。(3)由于裝置的針對性較強(qiáng)，在研發(fā)過程中相對于DCS、PLC系統(tǒng)整體價(jià)格更便宜。(4)能解決在用鍋爐普遍無運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)，而運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整難題，能形成人機(jī)互補(bǔ)關(guān)系，提高鍋爐操作管理水平，實(shí)現(xiàn)鍋爐動(dòng)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(jìn)節(jié)能減排。

圖2 工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)圖1-水質(zhì)硬度報(bào)警儀;2-給水流量計(jì);3-給水溫度傳感器;4-燃油、燃?xì)饬髁坑?jì);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(luò)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(wù)器;20-調(diào)制解調(diào)器;21-Internet網(wǎng)絡(luò);22-GPRS網(wǎng)絡(luò);23-3G網(wǎng)絡(luò);24-平臺(tái)VPN服務(wù)器;25-平臺(tái)服務(wù)器;26-平臺(tái)顯示屏;27-平臺(tái)電話;28-平臺(tái)短信發(fā)射器;29-智能手機(jī);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(yùn)行信號、電流、電壓、高水位、低水位、綜合報(bào)警。(3)根據(jù)以上信號參數(shù)得出的在線運(yùn)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(fēng)機(jī)啟停、電流、電壓、高水位、低水位、綜合報(bào)警;(3)根據(jù)以上信號參數(shù)得出的在線運(yùn)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(jì)算

遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)熱效率計(jì)算采用TSG G0003-2010 《工業(yè)鍋爐能效測試與評價(jià)規(guī)則》中鍋爐運(yùn)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(xiàng)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(xiàng)。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(xiàng)，(6)～(8)項(xiàng)在線測量難度比較大，一般是通過現(xiàn)場采集樣品，拿回實(shí)驗(yàn)室分析的離線測量。為了實(shí)現(xiàn)在線測量，考慮如下方法：(1)鍋爐煤質(zhì)工業(yè)分析、灰渣含碳量在線測量根據(jù)國內(nèi)各煤質(zhì)大量測試數(shù)據(jù)結(jié)果和數(shù)學(xué)模型修正而來，并和現(xiàn)場能效測試進(jìn)行比對修正；(2)定期到該鍋爐房采集煤樣、灰渣離線分析，結(jié)果輸入到遠(yuǎn)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(shí)時(shí)運(yùn)行功能。安全、節(jié)能、環(huán)保及鍋爐房管理等多個(gè)參數(shù)能實(shí)時(shí)顯示、集中管理，強(qiáng)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(yùn)行的趨勢動(dòng)態(tài)，實(shí)時(shí)與歷史趨勢的轉(zhuǎn)換有利于跟蹤數(shù)據(jù)變化規(guī)律，查找問題根源。

(3)報(bào)警提醒、報(bào)警查詢功能。報(bào)警信息實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，并按法規(guī)及用戶自定義設(shè)置報(bào)警限定值，可有效實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警及節(jié)能告警。

(4)多功能報(bào)表查詢、打印功能。日報(bào)、月報(bào)、年報(bào)等多種報(bào)表提供，運(yùn)行信息的查詢、導(dǎo)出功能為集中進(jìn)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(nèi)鍋爐運(yùn)行情況，實(shí)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(diǎn)

目前，該系統(tǒng)已在杭州市14個(gè)區(qū)縣示點(diǎn)，完成53臺(tái)在用工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)試點(diǎn)安裝調(diào)試工作，包括17臺(tái)燃油(氣)鍋爐，32臺(tái)燃煤鍋爐，4臺(tái)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(shù)改造，燃煤和燃?xì)忮仩t整體熱效率分別提高5%、3%，取得良好的社會(huì)效益和節(jié)能效果。

3 結(jié)論

項(xiàng)目組利用傳感和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開發(fā)了工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)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(yùn)行管理，實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行(管理節(jié)能)。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)在線反映鍋爐運(yùn)行效率，運(yùn)行數(shù)據(jù)一旦有任何異?；蛘咂睿惨暼藛T都會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并通過專家系統(tǒng)進(jìn)行分析，向企業(yè)發(fā)出警示和整改措施。從而能夠指導(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)，節(jié)約能源，減少浪費(fèi)，使鍋爐的各項(xiàng)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(shí)施節(jié)能改造(技術(shù)節(jié)能)。如監(jiān)測到鍋爐的運(yùn)行狀況不佳，且分析認(rèn)為由于鍋爐本身的結(jié)構(gòu)、技術(shù)、老化等原因，無法通過調(diào)整運(yùn)行參數(shù)來提高鍋爐運(yùn)行效率時(shí)，可以建議用戶進(jìn)行技術(shù)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(shù)等，可以大大提高鍋爐燃燒效率。

(3)提高檢測機(jī)構(gòu)能效測試效率。該系統(tǒng)只要運(yùn)用得當(dāng)，完全可以減少檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場能效測試工作。且由于具備實(shí)時(shí)在線監(jiān)測功能，其數(shù)據(jù)監(jiān)測更具準(zhǔn)確性、科學(xué)性。

(4)實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐運(yùn)行云數(shù)據(jù)共享。建立工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測中心，能夠?qū)崿F(xiàn)對燃煤、燃油、燃?xì)狻⒂袡C(jī)熱載體及電廠等各種型式鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測的全覆蓋；能夠形成集鍋爐安全運(yùn)行、在線能耗診斷及遠(yuǎn)程監(jiān)管為一體鍋爐檢測和監(jiān)管完備體系；能夠?qū)崿F(xiàn)政府監(jiān)管部門、使用單位、制造單位和安全節(jié)能服務(wù)機(jī)構(gòu)四個(gè)層面的信息共享；能夠?yàn)殄仩t安全節(jié)能監(jiān)管和政策制定提供可靠依據(jù)，實(shí)現(xiàn)政府部門運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對在用鍋爐真正意義上的安全與節(jié)能動(dòng)態(tài)監(jiān)管。

[1]國家質(zhì)檢總局.全國特種設(shè)備安全狀況通報(bào)[R].北京:2015.

[2]中華人民共和國統(tǒng)計(jì)局.中國統(tǒng)計(jì)年鑒[R].北京:2016.

[3]燃煤鍋爐節(jié)能環(huán)保綜合提升工程實(shí)施方案[R].北京:2014.

[4]郭鵬,朱赫,凌榮華,等.全壽期數(shù)字化電廠建設(shè)現(xiàn)狀及其解決方案[J].節(jié)能技術(shù),2016,34(1):73-76.

[5]班淑珍，韓俊峰.改進(jìn)關(guān)聯(lián)規(guī)則方法在電力設(shè)備故障預(yù)測中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)與清潔能源，2015, 31(10):83-88.

[6]馬益新,梁希,馬會(huì)鈞.電站鍋爐遠(yuǎn)程在線服務(wù)系統(tǒng)研究[J].順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2015(1):11-17.

[7]盧偉業(yè),李越勝,馮國行,等.一種用于燃天然氣蒸汽鍋爐熱效率的快速預(yù)測方法[J].節(jié)能技術(shù),2017,35(1):21-25.

[8]陳偉,張繼陽,裴喜平,等.基于偏差補(bǔ)償最小二乘的諧波發(fā)射水平估計(jì)方法[J].電網(wǎng)與清潔能源，2016,32(4):1-5,23.

[9]粱航,吳亦鋒,林曉琪.基于GPRS的工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電技術(shù),2013,36(6):44-46.

[10]仝營,顧新建,紀(jì)楊建.基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的工業(yè)鍋爐在線監(jiān)測[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2016,22(1):213-219.