李亮亮，，， ，，

(廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院惠州檢測(cè)院，廣東 惠州 516003)

目前，我國(guó)在用燃煤工業(yè)鍋爐約47萬(wàn)余臺(tái)，占在用工業(yè)鍋爐80%以上，每年消耗原煤約7億t，約占全國(guó)煤炭消耗總量的四分之一左右；我國(guó)燃煤工業(yè)鍋爐以鏈條爐排為主，平均運(yùn)行效率不足70%，比國(guó)際先進(jìn)水平低15%，每年約有1億t原煤的節(jié)能潛力，節(jié)能空間巨大[1-3]。

近年來(lái)，隨著資源環(huán)境的日益惡化，國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的監(jiān)管力度越來(lái)越大，但由于工業(yè)鍋爐存在單臺(tái)出力小、數(shù)量多、較為分散、主要以中小企業(yè)使用為主的特點(diǎn)，給監(jiān)督產(chǎn)生較大難度。目前對(duì)企業(yè)的節(jié)能監(jiān)督主要以節(jié)能監(jiān)督檢查、能效測(cè)試為主，較難準(zhǔn)確反映鍋爐的長(zhǎng)期節(jié)能狀況[4-5]。

國(guó)外的在線監(jiān)測(cè)及優(yōu)化控制技術(shù)發(fā)展的較早，形成了比較成熟的優(yōu)化軟件，主要在一些電廠應(yīng)用，而針對(duì)燃煤工業(yè)鍋爐的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究應(yīng)用的較少[6-8]。國(guó)內(nèi)有學(xué)者對(duì)工業(yè)鍋爐能效在線監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)展了研究，福建省計(jì)量院系統(tǒng)研究了鍋爐煤耗/效率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鍋爐煤耗、鍋爐熱效率、鍋爐實(shí)際熱能利用效率，以及鍋爐排水率的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)[9]；東南大學(xué)采用在線監(jiān)測(cè)與人工分析相結(jié)合的方式對(duì)燃煤鍋爐能效進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需要人工現(xiàn)場(chǎng)取燃煤樣品分析燃煤的含碳量和計(jì)量鍋爐若干小時(shí)的實(shí)際燃煤量，從而計(jì)算得出燃煤鍋爐在這若干小時(shí)內(nèi)平均每小時(shí)的總發(fā)熱量，然后計(jì)算得出鍋爐的熱效率[10]。這兩種方法需要人工監(jiān)測(cè)燃料消耗指標(biāo)，不能完全自動(dòng)監(jiān)測(cè)鍋爐實(shí)時(shí)效率，不能給出鍋爐各項(xiàng)熱損失的具體數(shù)值，不能針對(duì)性的分析熱損失的因素，對(duì)工業(yè)鍋爐運(yùn)行調(diào)節(jié)指導(dǎo)有限。

因此，研究一種相對(duì)簡(jiǎn)便的適用于燃煤工業(yè)鍋爐的能效在線監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)鍋爐運(yùn)行能效參數(shù)并計(jì)算出鍋爐運(yùn)行熱效率，指導(dǎo)運(yùn)行人員及時(shí)調(diào)整鍋爐運(yùn)行參數(shù)，為節(jié)能監(jiān)管提供有力的技術(shù)支撐，在工業(yè)鍋爐能效實(shí)時(shí)監(jiān)控領(lǐng)域具有較為廣泛的應(yīng)用前景。

1 原理探討

根據(jù)《鍋爐房實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(cè)》，燃煤工業(yè)鍋爐運(yùn)行效率可以用下面的計(jì)算公式來(lái)計(jì)算

式中GC——實(shí)測(cè)煙氣量/m3·h-1；

θpy——排煙溫度/℃；

QGL——鍋爐運(yùn)行時(shí)每小時(shí)的有效吸收熱量/kJ·h-1。

α、θpy、GC可以通過(guò)熱工儀表直接測(cè)量;QGL可根據(jù)鍋爐介質(zhì)流量、工作壓力、進(jìn)出口溫度等數(shù)據(jù)由電腦計(jì)算得出[4]。

此公式同TSG G0003-2010《工業(yè)鍋爐能效測(cè)試與評(píng)價(jià)規(guī)則》中的計(jì)算公式相比，同時(shí)采用了正反平衡參數(shù)，不需要計(jì)算燃料消耗量、煤的發(fā)熱量等耗時(shí)耗力的參數(shù)[12]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

燃煤工業(yè)鍋爐在線能效監(jiān)控系統(tǒng)包括鍋爐運(yùn)行能效數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和節(jié)能智能診斷系統(tǒng)兩部分組成。鍋爐運(yùn)行能效數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)由數(shù)據(jù)傳感器、數(shù)據(jù)采集器、相關(guān)儀表以及記錄儀組成的鍋爐能效數(shù)據(jù)采集終端采集能效數(shù)據(jù)，并將實(shí)時(shí)采集到的鍋爐運(yùn)行熱工數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心，其中采集的熱工數(shù)據(jù)包括鍋爐給水流量、給水溫度、飽和蒸汽壓力、煙氣氧含量、煙氣溫度、煙氣流量[13]。系統(tǒng)平臺(tái)則利用數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)，對(duì)鍋爐燃燒熱效率、飽和蒸汽比焓、給水比焓、過(guò)量空氣系數(shù)、排煙熱損失、氣體未完全熱損失、固體未完全熱損失、散熱損失、灰渣物理熱損失等與能效相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行分析、計(jì)算，通過(guò)不同的數(shù)據(jù)展現(xiàn)方式向用戶直觀地提供服務(wù)。節(jié)能智能診斷系統(tǒng)則是對(duì)數(shù)據(jù)處理中心采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)性的分析研究，同時(shí)將結(jié)果反饋給鍋爐用戶，從而針對(duì)異常的能效參數(shù)及各項(xiàng)熱損失采取針對(duì)性的處理措施。通過(guò)此系統(tǒng)能夠使鍋爐用戶和管理機(jī)構(gòu)及時(shí)掌握鍋爐運(yùn)行能耗情況。

圖1 燃煤工業(yè)鍋爐在線能效監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

此系統(tǒng)的示意圖如圖1所示，界面包括用戶管理、在線系統(tǒng)、參數(shù)一覽、歷史數(shù)據(jù)等項(xiàng)目。在用戶管理中，可以在管理員和各種用戶之間切換。在線系統(tǒng)界面中，可以直觀地觀察到鍋爐的主要部件和主要的能效參數(shù)。在參數(shù)一覽中，可以觀察到設(shè)置的所有與能效相關(guān)的參數(shù)值。在歷史數(shù)據(jù)項(xiàng)目中，可以調(diào)出任意時(shí)間各種參數(shù)的數(shù)值。

此系統(tǒng)借助PLC為運(yùn)算核心，外擴(kuò)展1塊模擬量輸入模塊、1塊模擬量輸出模塊、1塊熱電偶模塊來(lái)讀取鍋爐運(yùn)行在線熱工數(shù)據(jù)，并運(yùn)算處理得出各項(xiàng)能效數(shù)據(jù)，再借助上位機(jī)實(shí)現(xiàn)各數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示及存儲(chǔ)。本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了以下兩大功能：

一是只通過(guò)在線熱工參數(shù)即實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)能效監(jiān)測(cè)，避免了燃煤鍋爐傳統(tǒng)能效測(cè)試方法需要監(jiān)測(cè)燃煤熱值及用量的特點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控燃燒鍋爐的能效狀況。

二是通過(guò)累計(jì)各時(shí)段鍋爐熱效率，可以監(jiān)控和評(píng)價(jià)考核一段時(shí)間的鍋爐運(yùn)行效率，全面提高鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理水平，為鍋爐節(jié)能監(jiān)督管理提供有效的技術(shù)支撐。

3 運(yùn)行分析

為了研究此燃煤工業(yè)鍋爐在線能效監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況，我們將此系統(tǒng)安裝在某企業(yè)一臺(tái)型號(hào)為SZL10-1.25-AⅡ的燃煤鍋爐上，通過(guò)與傳統(tǒng)能效測(cè)試方法對(duì)比研究，以此來(lái)驗(yàn)證此系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。針對(duì)此臺(tái)鍋爐，傳統(tǒng)能效測(cè)試方法是按照TSG G0003-2010《工業(yè)鍋爐能效測(cè)試與評(píng)價(jià)規(guī)則》，采用正平衡法和反平衡法進(jìn)行4h的測(cè)試，然后取正平衡和反平衡的平均值作為熱效率的值[12]。圖中在線系統(tǒng)熱效率、在線過(guò)量空氣系數(shù)是計(jì)算一段時(shí)間的平均值得到。

3.1 同一種煤樣不同負(fù)荷條件下在線系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較

在同一臺(tái)爐同一種煤樣的情況下，我們通過(guò)操作鍋爐使其分別在100%、80%、60%三種負(fù)荷(以實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷為準(zhǔn))穩(wěn)定的工況下運(yùn)行，對(duì)在線系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)得出的能效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比。由于能效相關(guān)參數(shù)較多，我們選擇最具代表性的熱效率、過(guò)量空氣系數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

圖2 同一臺(tái)爐同一種煤樣在三種負(fù)荷條件下實(shí)驗(yàn)熱效率與在線系統(tǒng)熱效率

圖3 同一臺(tái)爐同一種煤樣在三種負(fù)荷條件下實(shí)驗(yàn)過(guò)量空氣系數(shù)與在線系統(tǒng)過(guò)量空氣系數(shù)

通過(guò)圖2、圖3的數(shù)據(jù)，我們可以發(fā)現(xiàn)此系統(tǒng)在不同負(fù)荷下測(cè)得的熱效率和過(guò)量空氣系數(shù)與傳統(tǒng)能效測(cè)試方法所得結(jié)果一致，在誤差范圍內(nèi)，同時(shí)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，系統(tǒng)所得參數(shù)具有很好的穩(wěn)定性，說(shuō)明此系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)具有可靠性。

3.2 不同煤樣同一負(fù)荷條件下在線系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較

對(duì)于同一臺(tái)鍋爐，我們選取兩種不同的煤作為燃料，在100%負(fù)荷穩(wěn)定的工況下運(yùn)行，分析對(duì)比在線系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)得出的能效數(shù)據(jù)。

圖4 燃Ⅱ類煙煤實(shí)驗(yàn)?zāi)苄?shù)據(jù)與在線系統(tǒng)能效數(shù)據(jù)

圖5 燃貧煤實(shí)驗(yàn)?zāi)苄?shù)據(jù)與在線系統(tǒng)能效數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)圖4、圖5數(shù)據(jù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)此系統(tǒng)在不同煤樣燃料條件下測(cè)得的熱效率、過(guò)量空氣系數(shù)與傳統(tǒng)能效測(cè)試方法所得結(jié)果一致，同時(shí)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，系統(tǒng)所得參數(shù)具有很好的穩(wěn)定性。

綜上所述，此系統(tǒng)與傳統(tǒng)能效測(cè)試方法所得主要能效參數(shù)具有很好的吻合性，此系統(tǒng)具有很高的可靠性，可以為用戶和鍋爐管理機(jī)構(gòu)提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，為鍋爐節(jié)能提供有效的技術(shù)支持。

4 結(jié)論

通過(guò)采集燃煤工業(yè)鍋爐在線熱工數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理可以實(shí)現(xiàn)能效的在線監(jiān)測(cè)。本文將自行開(kāi)發(fā)研究的能效在線監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到燃煤工業(yè)鍋爐的能效監(jiān)測(cè)上，通過(guò)與傳統(tǒng)能效測(cè)試方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在線監(jiān)控系統(tǒng)得出的能效參數(shù)結(jié)果與傳統(tǒng)能效測(cè)試一致，說(shuō)明此系統(tǒng)可以應(yīng)用于燃煤工業(yè)鍋爐在線能效測(cè)試，用來(lái)提高用戶的鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理水平，為鍋爐節(jié)能監(jiān)督管理提供有效的技術(shù)支撐。