摘 要：【目的】針對目前我國工業(yè)鍋爐在線監(jiān)測程度較低的問題，開發(fā)出基于大數(shù)據(jù)的工業(yè)鍋爐能效在線監(jiān)測系統(tǒng)，以提高鍋爐的運行熱效率?！痉椒ā客ㄟ^在鍋爐側(cè)布置傳感器和數(shù)據(jù)采集傳輸設備，采集鍋爐實時運行的數(shù)據(jù)，并將其上傳至云平臺上的數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)處理中心對采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)診斷，實現(xiàn)對鍋爐運行能效的在線監(jiān)控，并給出優(yōu)化建議?！窘Y(jié)果】遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)能監(jiān)測工業(yè)鍋爐的運行狀態(tài)參數(shù)，并及時反饋，關鍵時刻可快速給出停機信號，保障鍋爐運行安全。同時，可監(jiān)測與鍋爐能效相關的參數(shù)，根據(jù)鍋爐負荷及時調(diào)整鍋爐的燃料量和送風量，從而提高鍋爐運行的經(jīng)濟性?！窘Y(jié)論】通過工業(yè)鍋爐在線監(jiān)測系統(tǒng)科學管理鍋爐，不僅能有效提高鍋爐的安全水平，還能通過管理節(jié)能和技術(shù)節(jié)能的方式提高鍋爐的能效水平，最終實現(xiàn)鍋爐運行過程中的節(jié)能減排。

關鍵詞：工業(yè)鍋爐；在線監(jiān)測；熱效率；在線優(yōu)化

中圖分類號：TK3" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：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

隨著國家節(jié)能減排政策實施力度的加大和科學技術(shù)的不斷進步，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工業(yè)行業(yè)第二，僅次于電站鍋爐，其能源消耗量遠高于冶金、化工、鋼鐵、石油等高耗能行業(yè)［1］。更為嚴重的是，全國有部分城市工業(yè)鍋爐排放的污染已超過當?shù)仉娬惧仩t［2］。這些問題已經(jīng)不能單純地依靠技術(shù)進步來解決，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、未來的技術(shù)發(fā)展、目前經(jīng)濟及社會所能承受的范圍，在平衡中求得可持續(xù)發(fā)展［3］。這使得鍋爐運行時需要監(jiān)測和控制的參數(shù)也逐漸增多。但是，現(xiàn)有的控制與監(jiān)測措施并沒有得到同步發(fā)展，鍋爐運行維護問題也日益突出。因此，實現(xiàn)工業(yè)鍋爐傳統(tǒng)管理模式向安全性和經(jīng)濟性相統(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，對我國推動可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重要意義［4］。

基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和自動化技術(shù)發(fā)展，本研究設計出一種針對工業(yè)燃煤或燃氣鍋爐的在線能效遠程監(jiān)控系統(tǒng)，通過布置在鍋爐側(cè)的數(shù)據(jù)處理工作站和4G信號發(fā)送裝置，將采集到的鍋爐運行數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)皆破脚_的數(shù)據(jù)庫中。在云平臺上編寫能效分析系統(tǒng)，對采集到的鍋爐運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析計算，從而實現(xiàn)對遠程鍋爐系統(tǒng)運行工況的在線監(jiān)控和極端工況的預報預警，能有效滿足企業(yè)和監(jiān)管部門對工業(yè)鍋爐安全高效經(jīng)濟運行的現(xiàn)實需要。

1 研究現(xiàn)狀

隨著鍋爐行業(yè)和自動化技術(shù)的發(fā)展，大多數(shù)鍋爐在一定程度上實現(xiàn)了自動化。目前，較為成熟的鍋爐在線監(jiān)測技術(shù)（如DCS監(jiān)控系統(tǒng)）被廣泛應用于電站鍋爐上，實現(xiàn)了遠程數(shù)據(jù)的在線測量和分析，但其價格昂貴、計算模型復雜、對測量有較高要求，且電站鍋爐的效率計算不同于工業(yè)鍋爐，導致DCS系統(tǒng)并未在工業(yè)鍋爐領域中有著廣泛的應用［5］。

目前，國內(nèi)尚無成熟的工業(yè)鍋爐數(shù)據(jù)在線監(jiān)測和分析系統(tǒng)。大部分的工業(yè)鍋爐熱工能效測試仍由監(jiān)測人員在現(xiàn)場布置傳感器，運行完成幾個測試工況后，進行紙質(zhì)記錄，并計算分析和出具能效報告［6］。在傳統(tǒng)的檢驗方法中，測試人員只能間斷測量某些工況的數(shù)據(jù)，無法滿足工業(yè)鍋爐運行時的安全和節(jié)能需要［7］。同時，測試人員在現(xiàn)場進行監(jiān)測需要耗費大量的時間和人力，且測試現(xiàn)場的高溫噪聲等環(huán)境對測試人員的安全造成威脅［8］。隨著自動化技術(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］，導致無法集中監(jiān)控［11］，且智能化程度不足，無法根據(jù)已有的歷史數(shù)據(jù)準確識別出運行故障，并評估設備運行狀態(tài)［12］，導致目前的檢測和監(jiān)測系統(tǒng)可用性并不強［13］。在鍋爐運行過程中，采用基于大數(shù)據(jù)的鍋爐智能檢測和管理系統(tǒng)，可以科學管理鍋爐的日常運行，提高鍋爐運行熱效率，降低鍋爐運行時的污染物排放，減輕企業(yè)的經(jīng)濟負擔，最終實現(xiàn)鍋爐運行過程中的節(jié)能減排，并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益［14］。

2 主要功能需求

工業(yè)鍋爐智能在線能效監(jiān)測系統(tǒng)需要實現(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、鍋爐的運行狀況和鍋爐的能效數(shù)據(jù)，當點擊選中具體鍋爐時，顯示傳感器就地測量鍋爐的具體數(shù)據(jù)及鍋爐的燃燒狀況、水位狀況等參數(shù)。

在用戶側(cè)，用戶可隨時打開云平臺上的能效計算和監(jiān)控平臺的網(wǎng)頁畫面，遠程監(jiān)控和管理鍋爐的地理位置和運行狀態(tài)，查看鍋爐運行的實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及報警信息，根據(jù)鍋爐的運行數(shù)據(jù)，及時對鍋爐進行管理和調(diào)控。此外，要根據(jù)用戶職能級別和管理范圍的不同，為用戶設置不同的管理權(quán)限。

3 工業(yè)爐在線監(jiān)測系統(tǒng)總體設計

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

工業(yè)鍋爐能效在線監(jiān)測和評價系統(tǒng)包括工業(yè)鍋爐數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、云平臺上的鍋爐能效計算和監(jiān)控平臺。鍋爐數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過安裝在鍋爐上的傳感器采集鍋爐的運行數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)采集器對采集到的參數(shù)進行收集和編譯，將編譯好的運行參數(shù)通過通信模塊傳送，并保存在就地側(cè)的數(shù)據(jù)處理和存儲工作站，如圖1所示。就地側(cè)的數(shù)據(jù)工作站通過4G通信設備將鍋爐運行數(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)處理中心上設有數(shù)據(jù)庫服務器，數(shù)據(jù)庫服務器可將在線接收到的鍋爐運行數(shù)據(jù)儲存起來，以便能效計算軟件對數(shù)據(jù)進行調(diào)用和分析統(tǒng)計，并將相關數(shù)據(jù)進行共享和發(fā)布。其中，數(shù)據(jù)傳輸過程如下，將現(xiàn)場遠程監(jiān)控裝置采集到的數(shù)據(jù)備份到現(xiàn)場數(shù)據(jù)存儲及處理工作站上，并通過4G移動通信方式發(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研究院檢測中心為整個河南省工業(yè)鍋爐在線監(jiān)測管理中心，通過互聯(lián)網(wǎng)接入到騰訊云的數(shù)據(jù)處理中心，檢測中心賬戶具有管理用戶功能。客戶端通過互聯(lián)網(wǎng)或4G移動通信連接到騰訊云上的數(shù)據(jù)中心，除監(jiān)測中心設立管理員用戶外，客戶端均為普通用戶，只能瀏覽和查看數(shù)據(jù)。

能效計算和監(jiān)控平臺設有人機交互界面，能效計算軟件利用云平臺上的數(shù)據(jù)庫所收集到的運行數(shù)據(jù)，通過采集數(shù)據(jù)管理模塊、能效計算模塊和基于大數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)診斷模塊，對鍋爐運行能效進行有針對性的分析處理?；谥悄芡评硭惴?，通過實時計算鍋爐熱效率，并進行能耗分析和實時顯示，建立鍋爐安全運行的監(jiān)控體系和提出高效節(jié)能運行控制策略，從而實現(xiàn)鍋爐能效的實時自動化管理和在線監(jiān)控顯示功能。

對于燃煤工業(yè)鍋爐，能效計算和監(jiān)控平臺通過運行數(shù)據(jù)的實時顯示和人機交互界面，實現(xiàn)對鍋爐燃燒和運行情況的實時監(jiān)控，并采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡算法的診斷方法實現(xiàn)對給煤量和送風量的實時調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)工業(yè)燃煤鍋爐的高效穩(wěn)定燃燒。

對于工業(yè)燃氣鍋爐，通過監(jiān)測煙氣成分、及時調(diào)控鍋爐的過量空氣系數(shù)，同時結(jié)合低氮燃燒技術(shù)，綜合調(diào)控入爐空氣與入爐燃氣比例，使工業(yè)燃氣鍋爐處于最佳運行工況，實現(xiàn)對工業(yè)燃氣鍋爐智能高效運行的控制和管理。

3.2 信號采集

工業(yè)鍋爐能效在線監(jiān)測系統(tǒng)通過安裝在鍋爐側(cè)的數(shù)據(jù)采集終端采集鍋爐運行數(shù)據(jù)，包括溫度、壓力、煙氣傳感器等相關儀表和數(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)，對燃氣鍋爐需要采集的信號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；對燃煤鍋爐需要采集的信號包括單位時間燃料消耗量、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)可計算出鍋爐的過量空氣系數(shù)和鍋爐的熱效率，實現(xiàn)在線監(jiān)測和調(diào)整鍋爐的運行能效。有些信號可作為選擇性采集信號，如鍋爐的水位、風機和水泵的啟停、燃燒狀況的監(jiān)控、燃氣泄漏警報等，這些參數(shù)不是計算熱效率必需的參數(shù)，但這些參數(shù)可以反映出鍋爐運行的安全狀況，根據(jù)這些信號對工業(yè)鍋爐及時進行調(diào)控，提高鍋爐運行的安全性和環(huán)保性。

3.3 熱效率計算

采用《工業(yè)鍋爐能效測試與評價規(guī)則》（TSG G0003—2010）中的反平衡法，對鍋爐進行簡單的熱效率測試，從而計算出鍋爐熱效率。反平衡計算公式見式（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。在對熱效率進行在線測試時，通過測量入爐空氣溫度、煙氣的排煙溫度和排煙處過量空氣系數(shù)，可計算出排煙熱損失q2；通過測量排煙處CO含量，可計算出氣體未完全燃燒熱損失q3；通過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，可計算出固體未完全燃燒熱損失q4；通過收到基低位發(fā)熱量和爐渣可燃物含量、收到基灰分，可計算出灰渣物理熱損失q6。

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

3.4 鍋爐運行效率優(yōu)化

①對在線采集到的數(shù)據(jù)進行預處理，診斷并去除測量數(shù)據(jù)中的無效數(shù)據(jù)（空值和異常值）。

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

③基于大數(shù)據(jù)的鍋爐熱效率預測模型建立。利用在線監(jiān)測系統(tǒng)采集到的鍋爐運行數(shù)據(jù)和計算得到的熱效率，基于神經(jīng)網(wǎng)絡算法建立工業(yè)鍋爐熱效率的數(shù)據(jù)驅(qū)動預測模型。

④根據(jù)熱效率預測模型在線優(yōu)化鍋爐效率。基于建立的鍋爐熱效率預測模型，針對與鍋爐熱效率相關度較高且可調(diào)控的參數(shù)——鍋爐送風量，以鍋爐熱效率為目標函數(shù)進行優(yōu)化，從而提高鍋爐運行熱效率。鍋爐運行效率在線優(yōu)化示意如圖2所示。

4 結(jié)語

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

①實時在線反饋鍋爐運行過程中的多種關鍵參數(shù)，指導鍋爐運行操作，提高鍋爐的技術(shù)性能和運行狀態(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)測數(shù)據(jù)一旦出現(xiàn)異常或偏差，可及時反饋，便于鍋爐使用單位進行改進，提高鍋爐的運行狀態(tài)，節(jié)約能源。

②監(jiān)測影響鍋爐能效水平相關的主要參數(shù)，如過量空氣系數(shù)、燃料燃燒、排煙溫度、爐膛出口煙溫、節(jié)能裝置進出口煙溫、水蒸氣含量等，通過分析主要參數(shù)的動態(tài)變化規(guī)律（具有周期變化負荷的鍋爐，監(jiān)測其周期規(guī)律），提出對應的節(jié)能方法，實現(xiàn)鍋爐能效的提升。

③對典型鍋爐能效的長期監(jiān)測，應建立相應的數(shù)據(jù)庫，為能源管理部門節(jié)能政策的制定提供依據(jù)。

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