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(杭州市特種設(shè)備檢測研究院,浙江 杭州 310051)
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
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。
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)。
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。
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
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。
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。
(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
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。
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。
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