王 凱

（陜西煤業(yè)新型能源科技股份有限公司，陜西 西安 710100）

1 智能技術(shù)和煤粉工業(yè)鍋爐的應(yīng)用背景

隨著現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的快速進步，世界已經(jīng)進入工業(yè)4.0 時代。我國緊密把握時代技術(shù)脈搏，于2015 年提出《中國制造2025》國家戰(zhàn)略，強調(diào)信息化與工業(yè)化深度融合，以信息化帶動工業(yè)化轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、和智能化。以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能為基礎(chǔ)，建立鍋爐的智慧運營系統(tǒng)，全面監(jiān)控供熱中心運行狀態(tài)，實時優(yōu)化運行工藝參數(shù)，提高供熱系統(tǒng)能效，實現(xiàn)節(jié)能減排，同時提高人工作業(yè)效率，為管理層提供數(shù)據(jù)化管理手段，已經(jīng)成為“鍋爐+智能”轉(zhuǎn)型升級和供給側(cè)改革的必然趨勢。

2 傳統(tǒng)工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)和生產(chǎn)管理的痛點分析

煤粉工業(yè)鍋爐是近10 年隨著煤炭清潔高效利用應(yīng)運而生的新型能源供應(yīng)設(shè)備，建設(shè)時間相對較短，已經(jīng)基本實現(xiàn)了自動化控制。然而，隨著環(huán)保政策的不斷升級，鍋爐尾部煙氣的除塵、脫硫、脫硝的自動控制系統(tǒng)往往不能同鍋爐系統(tǒng)集成，從而產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象。此外，由于熱能供應(yīng)屬于傳統(tǒng)行業(yè)，一些老舊的管理理念對安全生產(chǎn)管理的影響較大，制度約束、經(jīng)驗管理的管理思路仍然主導(dǎo)著企業(yè)的正常生產(chǎn)經(jīng)營。從企業(yè)的成本管理角度來講，如何利用智能技術(shù)提高能源轉(zhuǎn)化效率，尤其在熱負荷波動較大的系統(tǒng)中，如何在保證熱載體參數(shù)穩(wěn)定的前提下，控制最優(yōu)化的煤粉消耗量是供熱企業(yè)亟待解決的問題。

3 智能司爐技術(shù)的設(shè)計需求及功能介紹

3.1 設(shè)計需求

為解決傳統(tǒng)供熱行業(yè)的現(xiàn)實問題，利用大數(shù)據(jù)、云計算等智能技術(shù)開發(fā)智能鍋爐管理云平臺軟件，總結(jié)出了以下4個需求。

3.1.1 關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)接入

基于數(shù)據(jù)優(yōu)化控制問題，首先需要解決的是數(shù)據(jù)的來源，對所須的各項關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行接入、整合和匯聚，并通過數(shù)據(jù)采集箱上傳至云服務(wù)器。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集主要由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)IoT Gateway 完成，IoT Gateway 負責(zé)從司爐自動化監(jiān)控系統(tǒng)中采集數(shù)據(jù)，并以MQTT 協(xié)議通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)皆破脚_，然后在平臺進行大數(shù)據(jù)處理、分析及數(shù)字孿生等。

3.1.2 大數(shù)據(jù)存儲

在工業(yè)鍋爐物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)模型中，應(yīng)用層是數(shù)據(jù)采集與鍋爐應(yīng)用的接口[1]，將所有采集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一存儲、分析和深度的數(shù)據(jù)挖掘是智能技術(shù)與工業(yè)結(jié)合的關(guān)鍵步驟。建立一套高可用、高可靠的分布式大數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，對所有數(shù)據(jù)進行不間斷的接收和存儲，同時所存儲的數(shù)據(jù)需要能夠支撐數(shù)據(jù)的分析和建模。

3.1.3 數(shù)字孿生和數(shù)據(jù)模型

在信息化系統(tǒng)的數(shù)字空間中建立一套與物理世界一樣工作的數(shù)字孿生體系。通過機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、專家知識、行業(yè)機理等方式，對獲得的數(shù)據(jù)從各個方面進行建模，用于描述數(shù)字孿生體系的工作方式。進而利用數(shù)字孿生可以對物理世界鍋爐系統(tǒng)的運作方式進行仿真、預(yù)測、診斷等。

3.1.4 能效提升

在鍋爐的運行過程中，通過對鍋爐變量數(shù)據(jù)信息的深度挖掘，能夠得到鍋爐熱效率和負荷直接的強相關(guān)特性[2]。此外，熱負荷的參數(shù)變化也能夠直接反映出當(dāng)前熱需求的變化規(guī)律，對傳統(tǒng)人工操盤有至關(guān)重要的影響。如果能利用數(shù)字孿生建立符合與常規(guī)操作參數(shù)對應(yīng)的數(shù)字模型，那么在理論上就能夠計算出特定負荷下的最優(yōu)操作參數(shù)。

3.2 功能介紹

基于上海全應(yīng)公司的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺和陜西慧能數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司的智慧熱力軟件的基礎(chǔ)功能，進行應(yīng)用軟件開發(fā)的熱力管理軟件，對目標熱力站煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)進行接入和互聯(lián)，進行固定端Web 或移動端App 發(fā)布，管理人員可以通過計算機和手機實時訪問，具體功能如下。

3.2.1 熱能生產(chǎn)監(jiān)控及主動預(yù)警推送

通過物聯(lián)網(wǎng)全面采集其生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括鍋爐主機、輔機、原料、環(huán)保等設(shè)備或系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，在平臺進行數(shù)據(jù)綁定，組態(tài)到監(jiān)控界面后，再利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時發(fā)布到PC 端或手機端，并進行數(shù)據(jù)的動態(tài)更新，這樣就可以實現(xiàn)對供熱站的全面監(jiān)控。監(jiān)控平臺采用私有云架構(gòu)部署在云服務(wù)器上，完成對海量數(shù)據(jù)的存儲、分析與處理、數(shù)據(jù)可視化渲染、Web服務(wù)等功能，建立了主動報警和消息推送機制。此外，通過對經(jīng)營數(shù)據(jù)的收集和分析，實現(xiàn)了物料單耗和生產(chǎn)報表的定期生成，極大地改善了經(jīng)營數(shù)據(jù)混亂分散的現(xiàn)狀。

基于流數(shù)據(jù)技術(shù)，再根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則，對其變化趨勢和預(yù)定閾值進行比對和預(yù)測，綜合地對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行實時分析和運算，判斷生成告警信息，對符合條件的告警信息，通過互聯(lián)網(wǎng)、移動App 按照一定的權(quán)限標準發(fā)布給運行和管理人員。

3.2.2 定時巡檢和一建工單閉環(huán)管理

配置必要的巡檢機，采用RFID（射頻識別）技術(shù)，實現(xiàn)了快捷、方便、準確地對熱能生產(chǎn)過程進行巡檢。巡檢人員必須到達現(xiàn)場才能成功打卡，并且打卡后的所有巡檢項都必須一一填寫，解決了以往巡檢工作易走流程、走形式，且巡檢工作的質(zhì)量不易跟蹤的問題。此外，巡檢機支持移動網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)巡檢數(shù)據(jù)即時上傳服務(wù)器，使后端管理人員能夠隨時掌握巡檢進度、質(zhì)量，對巡檢異常情況可以一鍵生成工單并下發(fā)至檢修班組。

對于預(yù)警中出現(xiàn)的各類異常情況，同樣也可以一鍵生成工單并派發(fā)，對工單的派發(fā)、響應(yīng)、處理結(jié)果、驗收和評價環(huán)節(jié)進行可視化和數(shù)字化的全生命周期痕跡管理，定期生成考核表單，徹底解決生產(chǎn)過程告警或隱患問題處理低效、不及時的問題，實現(xiàn)結(jié)果追溯和閉環(huán)管理。工單流程圖如圖1所示。

圖1 工單流程圖

3.2.3 智能司爐

根據(jù)已經(jīng)接入的某75 t/h 煤粉工業(yè)鍋爐的實時數(shù)據(jù)，建立智能化模型，利用采集到的母管網(wǎng)蒸汽的壓力和溫度參數(shù)進行大數(shù)據(jù)分析和必要的變化趨勢預(yù)測，從而計算出理論的煤粉供應(yīng)量和空氣供應(yīng)量。再考慮過量空氣系數(shù)、煙氣氧含量等參數(shù)以及煤粉喂料器的給料特性，推算并向操作員發(fā)布實時的煤粉給定量（喂料器頻率）和風(fēng)量（鼓、引風(fēng)機頻率），幫助司爐工將蒸汽參數(shù)穩(wěn)定在要求范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)因系統(tǒng)不穩(wěn)定導(dǎo)致的料、風(fēng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，最大限度地降低了因頻繁超調(diào)或欠調(diào)導(dǎo)致的負荷壓力變化的影響，從而減少燃料和動力的浪費。

4 智能司爐的驗證

選取平臺投運前的生產(chǎn)數(shù)據(jù)（煤粉單耗量）作為基準數(shù)據(jù)，平臺投運后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)作為優(yōu)化數(shù)據(jù)。為保證該次比較的真實性，選取的數(shù)據(jù)均考慮該供熱系統(tǒng)白天固定時段來源，2 筆數(shù)據(jù)分別包括以下字段：時間、煤粉消耗、鍋爐給水、減溫水流量1、減溫水流量2。

將以上的實時數(shù)據(jù)（每10 s）按照小時進行聚合，計算每小時的煤單耗，用鍋爐給水加兩路減溫水流量作為鍋爐負荷。

將基準期和優(yōu)化期每小時的負荷和單耗的對應(yīng)關(guān)系繪制成對應(yīng)關(guān)系圖，如圖2 所示。

圖2 負荷與煤粉單耗關(guān)系圖

該圖中橫軸為負荷（蒸噸）、縱軸為單耗（kg/蒸噸）?！顸c代表基準期負荷與單耗的分布，實線是利用二次曲線對所有●點進行擬合的基準期鍋爐運行性能曲線?！稂c代表優(yōu)化期負荷與單耗的分布，虛線是利用二次曲線對所有★點進行擬合的優(yōu)化期鍋爐運行性能曲線。從圖中可以看出，優(yōu)化期在不同負荷下的單耗均低于基準期。由于鍋爐運行的負荷量隨用戶用量情況不斷變化，在單一負荷量狀態(tài)下持續(xù)的累積時間不同，無法精確計算每天/月/年的節(jié)煤量。但在45 蒸噸/h～55 蒸噸/h 的日常負荷狀態(tài)下，可以看出優(yōu)化期煤單耗比基準期低3 kg/蒸噸～5 kg/蒸噸，低于或高于該用量時，節(jié)煤量還將進一步增加。工業(yè)供熱鍋爐煤粉單耗一般有強烈的周期性變化，一般在95 kg～110 kg，所以在平臺投運后，最少能夠為系統(tǒng)降低2.7%～5%的實際燃料能耗。總體來講，節(jié)煤效果顯著。

5 結(jié)語

該文介紹了智能司爐軟件應(yīng)用的工業(yè)化的實施情況，預(yù)計、工單、智能巡檢等功能的應(yīng)用，有效克服了傳統(tǒng)管理經(jīng)驗中經(jīng)驗化、滯后性等弊端，有效完善了高效閉環(huán)集約型管理特征。對軟件部署前后的煤粉消耗指標進行了測算和比對，顯示平臺應(yīng)用后燃料能效均有所提高，使企業(yè)經(jīng)營得到了較好的改善，基本達成了安全生產(chǎn)、節(jié)能減排、智慧運營的目標。這是“智能+熱力生產(chǎn)”模式的初步探索，隨著供給側(cè)改革和大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷深化研究和利用，傳統(tǒng)能源的生產(chǎn)條件和經(jīng)營模式將進一步得到優(yōu)化和提升。