互聯網技術在工業燃氣鍋爐節能管理的應用與研究

魏玉劍 金 儉

1．上海市能效中心 2．上海東方延華技能技術服務有限公司

1 背景

工業鍋爐是量大面廣的重點耗能通用設備，廣泛應用于社會生產和國民生活的各個領域。目前全國在用工業鍋爐保有量超過600000臺、容量接近電站鍋爐裝機容量的2倍，能源消耗占全國一次能源總量的四分之一，實際運行熱效率普遍較低，是我國歷年安全生產和節能減排專項整治行動的重點。

為了指導用戶高效使用工業鍋爐，國家出臺了相關能效測試分析的標準和規定，主要包括《工業鍋爐經濟運行》（GB/T 17954-2007）、《工業鍋爐能效測試與評價規則》（TSG G0003-2010）、《高耗能特種設備節能監督管理辦法》和《鍋爐節能技術監督管理規程》（TSGG0002-2010）等。這些標準和規定對工業鍋爐技術指標與考核、能效評價的方法和熱效率測試以及鍋爐的設計、制造和安裝改造等環節的節能管理工作提出了明確規定，為做好鍋爐系統的節能管理工作奠定了基礎。但傳統的管理模式還處于編制能耗標準、能效數據靜態檢測評估階段，能耗限額標準往往跟不上技術的進步，標準的邊界時常模糊，收集數據也有困難。隨著互聯網技術的發展和成熟，利用互聯網技術開展實時動態管理已成為可能，可解決傳統能效管理方法的缺點，也是能效管理中最真實和最有效的方法。先進的能效管理既能幫助工業用戶掌握自身能耗設備的運行狀況，又能監測生產過程中的能耗使用分布情況，使整個系統高效經濟地運行，為能源網絡的設計、優化、改造提供全面的基礎數據，為企業的安全、可靠、高效的用能提供全面的科學指導。能效管理系統還能為當地政府的節能減排政策提供數據參考，協助政府制訂合理的能源政策。

目前我國工業鍋爐雖然大多配有儀表控制系統，但是基本都不具備涵蓋鍋爐燃燒、產熱、排放等各類參數的在線監測、自動診斷、實時優化調節的自動測控功能。隨著互聯網及傳感器技術的發展，使實時在線能效檢測成為可能；特別是“煤改氣”工作的開展，燃氣工業鍋爐越來越多，同燃煤鍋爐相比，更易于實現在線檢測。

工業燃氣鍋爐的設計效率一般都很高，大多都在90%以上，冷凝式鍋爐按燃料低位發熱量計算的熱效率都超過100%。但實際運行中還存在較多問題，如排煙溫度過高，過量空氣系數過大或過小，燃燒調整不佳，平均熱效率僅達80%左右，以致能源浪費和環境污染嚴重，這也是開展工業燃氣鍋爐在線能效監測評估方法研究的意義所在。

2 燃氣工業鍋爐能效在線采集技術規范

作為課題研究的內容之一，課題組制定《燃氣工業鍋爐能效數據在線采集技術規范》標準，這是不同于傳統檢測方式下的國內第一個在線監測標準，其規定了對燃氣工業鍋爐實際運行工況下能效相關參數進行在線采集、計算和對標?？梢詫崟r監測燃氣工業鍋爐在正常工作中熱量的利用程度，實時測算各項熱損失的大小，對鍋爐設備的熱效率進行實時和定期的計算，從而判斷鍋爐的運行狀況。該標準主要條款包括：

（1）系統組成：包括鍋爐能效相關數據在線采集系統的組成部分。

（2）鍋爐能效監測和數據采集：包括采集的數據項、數據格式、頻率及數據上傳方式、能效數據的計算模型和計算時間等規定。

（3）計量采集裝置的要求、安裝及其采樣：包括傳感器、儀表精度及安裝要求。

（4）能效計算方法：規定了鍋爐實時能效采用反平衡法以及各類熱損失的計算公式。

（5）能效指標與對標：包括實時能效指標、周期性能效評價指標、能效歷史對標方法、能效平臺對標方法等內容。

3 鍋爐能效評價方法

3.1 實時能效

實時能效指標是通過反平衡方法計算得到的鍋爐實時熱效率。熱效率計算開始時間以風機開啟后30分鐘為開始，以風機關閉時間為結束。按照TSG G0003—2010《工業鍋爐能效測試與評價規則》[1]中規定的對于熱效率的計算方法，需計算鍋爐運行過程中各項熱損失的大小，運用反平衡方法對燃氣工業鍋爐進行能效測試。

3.2 周期性能指標

周期性能指標是指被測鍋爐在一段周期時間內的生產制造中對能源的利用率。通過計算工業鍋爐生產單位產品（蒸汽或熱水）產量所消耗的全部能源（包括燃料、水和電）的多少評價工業鍋爐性能的優劣和實際運行水平。

3.3 能效歷史對標

歷史對標是通過縱向對比的方式來評價一臺鍋爐某一日的熱效率在歷史運行記錄內的運行能效情況。一般以日/周/月為對標周期，對鍋爐某一日的熱效率、歷史運行的最佳熱效率和歷史運行加權平均熱效率按公式進行綜合計算得出該鍋爐能效歷史對標評價。

3.4 能效平臺對標

基于平臺一定數量規模的鍋爐能效數據之后，可以通過平臺上多臺同類型鍋爐之間的橫向比較的方式來評價特定型號規格鍋爐的運行能效情況，有利于進行同類型鍋爐之間的能效排名，幫助鍋爐的使用方更好地選擇合適類型的鍋爐，同時能夠幫助鍋爐制造廠商對于鍋爐質量進行跟蹤維護。一般以日/周/月為對標周期，對鍋爐的當日熱效率、系統內所有鍋爐的最佳熱效率和熱效率的加權平均值按公式進行綜合計算得出鍋爐能效橫向對標評價。

4 分析軟件設計與開發

4.1 系統架構設計

燃氣工業鍋爐能效在線監測系統是一種監測設備日益遞增、平臺應用需求復雜、數據傳輸要求穩定可靠的互聯網信息化系統，應采用前置數據服務和B/S網絡服務的互聯網系統基本框架。系統由物理層、數據鏈路層、網絡層、存儲層和應用層組成。系統的架構設計如圖1所示：

圖1 系統架構圖

(1)物理層：

物理層主要功能是針對鍋爐各監測點安裝計量設備。計量設備滿足相關規定要求，按照規范將鍋爐各項實際運行數據通過規定的通訊方式上傳到采集裝置中。

(2)數據鏈路層：

采集器設備可根據用戶事先設定的采集間隔自動進行采集、上傳物理層的數據。在該層中采取了多種數據安全性措施，如上層網絡狀態的偵測，下層儀表設備的故障判斷與定位，本地微型數據庫的使用，在網絡狀況不好的情況下，數據可就地保存，網絡狀況恢復時又可“斷點續傳”。

(3)網絡層：

現場架設網絡系統，確保數據實時采集、上傳。

(4)數據存儲層：

存儲的數據是按照數據抽取頻率，把原始采集數據與鍋爐基礎信息、設備基礎信息、報警規則信息結合處理后，形成能源計量和遠程監控系統實時監測、明細查詢、報警提示所需要的原始明細數據。各類數據的大批量加工只是在數據庫上進行處理不影響實時的數據采集，同時也為各類明細查詢顯示提供給數據源。其物理結構與原始采集數據庫有所不同，增加了明細查詢所需的內容。

(5)應用層：

對經過數據處理后的分類、分項能耗數據進行分析匯總和整合，通過靜態表格和動態圖表方式將能耗數據展示出來，為節能運行、節能改造、信息服務和制定相關節能規章制度提供信息服務。采用B/S軟件體系結構，有權限的用戶可以通過網絡直接利用瀏覽器方式訪問能源中心服務器，查看數據報表和圖表等信息，操作方便，免安裝、維護。數據圖表是反映各項采集數據和統計數據的數值、趨勢和分布情況的直觀圖形和對應表格，可分為數據透視表、餅圖、柱狀圖、線圖、儀表盤或動畫等，格式靈活，可交互操作。

4.2 數據庫系統設計

為確保整個系統的安全可靠。在數據平臺采用集群技術，在應用平臺則采用虛擬化技術，即私有云計算技術，數據庫系統拓撲圖如圖2所示。

圖2 數據庫系統拓撲圖

SAN存儲光纖網絡部署：存儲光纖SAN交換機，分別用于內部和外部服務器區域，每個區域采用SAN交換機，實現存儲SAN光纖交換機的冗余,搭建穩定的企業級別的存儲核心SAN網絡。

4.3 系統功能設計

系統根據用戶對鍋爐運行情況和能效水平的監管需求，設計了實時監測、異常預警、數據管理、能效綜合評估和能效對標等幾個主要功能模塊。通過對傳感器從現場采集的各項監測參數進行科學有效的數據分析，為實現各功能提供了判斷依據和數據支持。

(1)實時監測功能模塊

實時監測功能模塊是對于區域范圍內鍋爐工作狀態的實時監測。監測數據用于能效分析與性能評估。用戶可以通過安裝在現場的監測終端或網上監管平臺來觀察實時的動態數據，了解被測鍋爐當前的運行狀態，幫助提高鍋爐能效監管水平。

實時監測功能以圖形化的方式如曲線圖、柱狀復合圖等展示監測參數和實時能效在一定時間段內的變化趨勢，有助于調整鍋爐的工況，保證鍋爐運行的經濟性。用戶可以根據監管的需要設定監測參數的標準值，方便將實時數據與標準值作對比，直觀地衡量鍋爐是否達到經濟、節能的運行標準。

(2)預警功能模塊

預警功能是對于鍋爐現場高能效運行的保障。通過實時監測排煙溫度、煙氣成分、鍋爐表面溫度、蒸汽溫度及壓力和熱水溫度及壓力等重要性能指標，對現場設備的運行狀態實時作出判斷，并將異常情況發布至在線監管平臺上。包括超標報警和能效過低報警，當監測數值超過設定值或者鍋爐實時能效低于設定值時，監測終端便會發出報警。

預警功能包括對于報警閾值的設定和更新、報警記錄的查詢和顯示等相關操作。監測參數的報警閾值參照國家和地方標準，操作人員也可以自行設定報警值的上下限。預警功能模塊會在鍋爐運行時根據設定值對參數進行判斷，當監測數據超過報警閾值時，現場的監測終端會向現場操作人員發出聲光報警信號，并將異常情況發布到在線監管平臺，同時通過短信和郵件的方式通知設備管理人員。用戶可以通過平臺的查詢功能查看鍋爐運行的歷史報警記錄和異常情況分析。

(3)歷史數據功能管理模塊

歷史數據管理功能模塊是對被監測鍋爐運行的歷史數據進行管理和統計。用戶可以通過在線監管平臺查詢鍋爐運行的歷史數據，數據可以圖形化方式展現鍋爐能效歷史變化趨勢，有助于掌握鍋爐壽命周期內的能效水平。

該功能還包括了鍋爐報警記錄的查詢和設備維修記錄的登記，幫助用戶了解鍋爐近期的運行和保養情況。同時，該功能可根據用戶需求提供歷史報表打印服務，用戶可以自定義查詢的起始時間和所需求的數據類型，對數據庫內的歷史數據以報表形式進行統計和篩選，并通過瀏覽器下載報表。

(4)能效綜合評價功能模塊

能效綜合評價功能模塊是對于監測參數進行更深入的數據分析，能夠更加全面地對鍋爐能效以及運行管理水平進行綜合評價。系統設計了多項能效指標，其中包括了實時能效指標、周期性能指標、能效綜合評價指標等。實時能效指標是根據鍋爐運行過程中實時監測數據進行能效計算得到的鍋爐實時熱效率。當鍋爐系統的實時能效低于設定值時，系統會向操作人員及用戶發出低效警報，督促其加強當前的鍋爐管理。

5 示范項目情況

(1)項目概況

圖3 現場鍋爐及傳感器安裝圖

上海新天地朗廷酒店是一家五星級酒店，樓高24層，設有357間客房。酒店共有3臺燃氣鍋爐（圖3），主要用于廚房、洗衣服、生活熱水和供暖所需。設備參數為：額定功率為4T/H，額定壓力為1Mpa，設計熱效率為86%，給水溫度為50℃，室外環境溫度為25℃，設備表面溫度為30℃，排煙溫度為160℃。3臺蒸汽鍋爐產生的蒸汽集中進蒸汽分氣缸，并通過11路蒸汽管道供出，這11路蒸汽管道均安裝蒸汽流量積算儀，可以采集蒸汽的流量、溫度、壓力?，F場蒸汽流量積算儀產品沒有通訊模塊，需要增加RS485通訊模塊才可以進行通訊。

圖4 監控界面

通過對現場安裝燃氣表、智能傳感器、流量計等計量設備，來進行數據監測（圖4）?，F場數據能耗采集器對數據進行采集（圖5），并發送到數據庫服務器。數據采集采取自動實時采集方式，采集器上傳平臺頻率為5分鐘一次，數據傳輸采用有線為主、無線為輔的傳輸方式。

圖5 數據采集設備

(2)系統顯示效果

目前鍋爐在線監測管理系統分為PC端（圖6）和移動端（圖7），PC端系統主要用于對鍋爐在線監測數據提供有效的展示，并提供終端設備的添加關聯線上鍋爐數據等功能；移動端系統主要提供系統線上鍋爐數據的展示與燃料統計功能。

圖6 PC端界面

表1 鍋爐監測數據點位表

圖7 移動端界面

(3)能效分析

本項目正是通過對鍋爐數據實時監測及分析，發現鍋爐能效比低于設計要求，并針對性的提出解決方案，利用實時監測與分析手段，提高了鍋爐的能效水平。

經過現場實時數據監測，發現鍋爐周期性能效值圖8偏低（月平均效率僅為84．3%），相關指標（排煙氣體溫度為167℃，排煙氣體含氧量為11．7%）也偏離設計要求。監測系統建成后，酒店管理方采取了一系列操作改進措施，并安裝了余熱回收系統，2017年8月以后，系統監測到的鍋爐實際運行月平均效率達到了91．2%，排煙溫度不到60℃，排煙含氧量為8．5%，很大程度提升了鍋爐能效，年累計節約費用214,605．00元。

圖8 周期性能效值顯示界面

6 結論

目前正處于一個互聯網快速發展的時代，該研究綜合運用云計算、物聯網、大數據等信息技術手段，實現了能效在線檢測，更加真實地反映了鍋爐的實際能效水平，極大地提高了節能診斷的效率和準確度，為鍋爐的節能改造、優化運行提供可靠依據。

[1]TSG G0003—2010，《工業鍋爐能效測試與評價規則》[s]

[2]何心良．《用全能耗評價工業鍋爐能效水平的探討》[J]工業鍋爐,2010(4)

[3]DB11-T-180-2010，《工業鍋爐系統能效監測與評定》[s]