發布時間：2021-12-24所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：為了解決工業鍋爐由于量多面廣而不便監管、自 控 水 平 低、能耗及污染較高等問題，在分析總結工業鍋爐使用現狀的基礎上，研究利用物聯網和云計算等新技術對工業鍋爐的運行狀態進行遠程自動監測，提 出 工 業鍋爐物聯網的架構模型和云計算模型，給出了鍋爐能耗
摘 要：為了解決工業鍋爐由于量多面廣而不便監管、自 控 水 平 低、能耗及污染較高等問題，在分析總結工業鍋爐使用現狀的基礎上，研究利用物聯網和云計算等新技術對工業鍋爐的運行狀態進行遠程自動監測，提 出 工 業鍋爐物聯網的架構模型和云計算模型，給出了鍋爐能耗、熱效率等關鍵參數的監測和軟測量方法。針對鍋爐監管、測試、使用、制造和節能服務等環節，給出了對應的解決方案，為降低能耗、減少污染物排放提供了一種新思路。
關鍵詞：物聯網;云計算;工業鍋爐;節能減排;軟測量
0 引言
工業鍋爐作為工業領域的能源轉換特種設備，在生產和生活中占有很重要的地位，是除發電鍋爐之外的第二大煤炭消耗大戶，數量上約占鍋爐總量的85%。工業鍋爐主要用于工業生產與采暖，大多為低參數、小容量鍋爐，因此熱效率較低，其中燃煤鍋爐居多，約占工業鍋爐總量的65%。工業鍋爐總體技術水平落后，主要表現在：①除塵與脫硫技術水平低，燃煤鍋爐污染物排放高;②自動控制水平低; ③鍋爐用煤質量不穩定，不能滿足鍋爐設計要求;④ 鍋爐節能工作監督和管理體系不完善，仍處于碎片化管理階段[1-3]。
趙欽新等[2，4]認為工業鍋爐節能減排工作缺乏具體方案和目標，現狀不容樂觀，尤其在運行狀況監測診斷、自動調節和控制以及工業鍋爐運行科學管理等方面存在如下諸多問題：
(1)人 工業鍋爐運行管理人員和操作人員水平參差不齊，節能減排意識淡薄。
(2)料 煤炭工業一直未能實現工業鍋爐燃煤的分類與分質供應，造成鍋爐燃燒非設計煤種，使鍋爐性能偏離設計值。
(3)爐 工業鍋爐燃料和配風不均勻，對于變化劇烈的煤種缺乏有效的燃燒調節技術，爐渣含碳量過高，鍋爐排煙溫度過高。
(4)機 輔機與鍋爐本體不匹配，普遍處于高消耗、低輸出的狀態，能源浪費嚴重。
(5)控 指監測、診斷和控制。
工業鍋爐自控水平低，不能根據需求及時調節其燃燒和運行狀態來適應實際工況。因此，監測診斷和自動控制涉及工業鍋爐的軟件和硬件，是目前節能減排的關鍵。
楊婷婷等[5]提出鍋爐節能優化主要集中在鍋爐監測與診斷、數據驅動的運行優化、鍋爐燃燒優化等方面。其中鍋爐燃燒優化技術可以分為三類：第一類優化技術通過在線檢測影響鍋爐燃燒的重要參數，如煙氣含氧量、飛灰含碳量等，指導運行人員調節鍋爐燃燒，實現鍋爐的燃燒優化，這類優化技術現已占據了主導地位;第二類優化技術在集散型控制系統(DistributedControlSystem，DCS)層面，通過采用先進的控制邏輯、控制算法或人工智能技術，實現鍋爐的燃燒優化;第三類燃燒優化技術在設備層面，通過燃燒器、受熱面等設備的改造實現鍋爐的燃燒優化調整，這種技術比較成熟。
多數工業鍋爐 配 有 儀 表 控 制 系 統 或 DCS控 制系統，但一般都不完全具備熱工參數和排放參數的在線監測、在 線 診 斷、系統自動調節和系統控制功能，因此在此方面還有很大的改進空間。另外，工業鍋爐存在數量多且分散的情況，其節能減排需要多方面新技術和生產模式的支持。
物聯網(InternetofThings，IoT)于1999年由麻省理工學院提出，目前業界普遍認可的物聯網是指利用 射 頻 識 別 (RadioFrequencyIdentification，RFID)、全球定位系統(GlobalPositioningSystem，GPS)，以及傳感器、執行器等智能裝置對物理世界的聲音、圖像、光、熱、化學和位置等信息進行感知識別，依托通訊網絡進行傳輸和互聯，利用計算設施和軟件系統進行信息處理和知識挖掘，實現人與物、物與物的信息交互，進而達到對物理世界的感知識別、實時控制、精確管理和科學決策[6-7]。物聯網已成為當前世界新一輪經濟和科技發展的戰略制高點之一，被稱為是繼計算機和互聯網之后的第三次信息技術革命，越來越多的政府部門、研究機構和企業關注物聯網、研究物聯網、投資物聯網[8-11]。物聯網會產生大量數據，需要大規模的計算平臺作為支撐，而云計算可以處理海量數據，能夠滿足這種要求。云計算是一種計算模式，服務器、存儲、數據、應用等計算資源以服務的方式提供給用戶，并可以被迅速使用與釋放。它 將 數 據 與 服 務 共 享 計 算 模 式 有 機 結合，是未來計算模式的發展方向。這些特點有助于實現工業鍋爐物聯網的低成本和智能化應用[12]。
現階段已有一些關于鍋爐物聯網的研究：張士海[13]將物聯網引入電廠，實現了傳感數據的匯聚和轉發，并與現有的互聯網進行整合，對物聯網絡內的人員、設備和基礎設施實行實時管控，以更加精細和動態的方式管理電廠生產和經營，從而提高資源利用率和生產力水平;揭駿仁[14]以電廠的環境監測任務為中心，設計了智慧電廠的物聯網環境監測平臺，主要 監 測 對 象 為 SO2、NOx、煙 霧 粉 塵 等 污 染 性 氣體，在無線傳感網絡數據庫思想的基礎上，利用節點自身的存儲和處理能力，以查詢的方式實現感知信息的獲取;李飛翔等[7]研發了一種以物聯網為架構、以Zigbee為通訊的鍋爐能效測試集成系統，實現了現場測試數 據 自 動 采 集、無 線 傳 輸、數 據 處 理 等 功能，降低了測試人員的勞動強度，提高了工業鍋爐能效測試的科學性和可信度;彭彬等[15]提出一種基于無源超高頻電子標簽，可以實現人員的連續定位，并提供基于位置的服務，從而構建變電站內可移動式定位系統。另有報道：某市特種設備檢測研究院“鍋爐節能遠程監測”項目運用物聯網技術，對工業鍋爐開展能效測試、節能診斷、管理節能和技術改造，使該市在用鍋爐 整 體 能 效 提 高3%，每 年 節 約 標 煤 約24×104t，年減少 SO2 排放3600t，從而有效降低了該 地 區 空 氣 中 PM2.5的 濃 度，達 到 改 善 空 氣 質量、減少污染排放、促進節能減排的目的[16]。
本文針對工業 鍋 爐 使 用 分 散、不 便 監 管、控 制技術水平低、污染 物 排 放 較 高 的 情 況，研 究 利 用 物聯網和云計算技術 對 工 業 鍋 爐 的 運 行 狀 態 和 排 放物進行遠 程 自 動 監 測，提出鍋爐節能 減排的物聯網架構模型和云 計 算 模 型，并 分 析 鍋 爐 的 能 耗、熱效率等數據的監 測 和 軟 測 量 方 法，面 向 鍋 爐 監 管、測試、使用、制造和節能服務等 不同環節，給 出 了對應的解決方案，為 降 低 能 耗、減 少 污 染 物 排 放 提供了一種新思路。
1 工業鍋爐物聯網架構分析
1.1 工業鍋爐物聯網應用框架
工業鍋爐物聯網應用框架如圖1所示，借助該工業鍋爐物 聯 網 平 臺，可以實現制造企業、使 用 單位、測試機構、監管機構、節能服務機構等多種機構的多元共治。初級階段的應用支持鍋爐運行狀態、當前能耗、排放物的在線監測等內容，高級階段的應用可以支持工業鍋爐運行數據分析、在線控制和性能優化等。
1.2 工業鍋爐物聯網架構模型
關于物聯網的體系架構，學術界在層次數目及劃分上有諸多不同觀點，本文采用感知層、網絡層和應用層3層架構模型[17-18]，如圖2所示。
1.2.1 感知層
感知層相當于人的眼、耳、鼻、舌等器官，由各種傳感器和傳感器網關構成，包括：NOx，SO2，CO2，CO等濃度傳感器;溫度、壓力和流量傳感器;RFID標簽和讀寫器、圖像采集等感知終端。其主要功能是識別物體和采集信息，包括鍋爐的燃料、送風、給水、蒸汽以及排煙溫度、煙氣含氧量等參數。傳感器解決的是上行的感知和監測問題，要實現控制，還需要下行的執行器，實現完整的管控一體化[19]。
1.2.2 網絡層
網絡層支撐感知層信息的傳遞、路由和控制，為物聯網人與物、物與物通信提供支撐，相當于人的神經中樞由有線和無線通信網、網絡管理系統等組成。有線通信可分為短距離的現場總線和中、長距離的廣域網絡。現場總線種類繁多且已大量部署，難以通過一個統一的通用網絡協議標準化，一般需要物聯網軟件、中間件通過軟件總線加適配器的方式實現高效率的互聯互通。無線通信可分為長距離的無線廣 域 網(GlobalSystemfor MobileCommunica-tion，GSM;CodeDivision MultipleAccess，CD-MA;TimeDivision-SynchronousCodeDivisionMultipleAccess，TD-SCDMA)、中距離的無線城域網、短距離的無線局域網(WirelessLocalAreaNet-work，WLAN)和 無 線 個 域 網 (WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN)。幾種常用的短距離無線通信標準有 RFID，WIFI，Zigbee，Bluetooth等。
1.2.3 應用層
應用層是物聯網與工業鍋爐用戶的接口，它與行業需求相結合，可實現工業鍋爐物聯網的智能應用，其作用相當于人的大腦，需要實現三大功能：① 基于數據大集成的上行數據采集，實現物的監測;② 下行的指令下發，實現控制，但以監測為主、控制為 輔;③數據大集成以后的數據存儲管理和數據挖掘應用。數據挖掘(datamining)是一些能夠實現物聯網智能化、智慧化的分析技術和應用的統稱，包括數據挖掘和倉儲(datawarehousing)、決策支 持(deci-sionsupport)、商業智能(businessintelligence)、報表(reporting)、聯 機 分 析 處 理 (On-lineAnalyticalProcessing，OLAP)在線數據分析工具等[19]。
1.3 工業鍋爐物聯網的云計算模型
工業鍋爐物聯網運行會產生大量的數據，傳統 的 硬 件 架 構 服 務 器 很 難 滿 足 數 據 管 理 和 處 理要 求，因 此 需 要 一 個 大 規 模 的 計 算 平 臺 作 為 支撐，而云計算本質上是一個用于 海量數據處理的計 算 平 臺，能 夠 滿 足 這 種 要 求。云 計 算 按 需 提 供彈 性 資 源，其 表 現 形 式 為 一 系 列 服 務 集 合，主 要分 為 基 礎 設 施 即 服 務(InfrastructureasaService，IaaS)、平 臺 即 服 務 (PlatformasaService，PaaS)和 軟 件 即 服 務 (SoftwareasaService，SaaS)三 種服 務 模 式，如 圖 3 所 示。 其 中：IaaS為 用 戶 提 供實 體 或 虛 擬 的 計 算、存 儲 和 網 絡 資 源，在 使 用 時，用 戶 需 要 向IaaS層 服 務 提 供 商 提 供 基 礎 設 施 的配 置 信 息、運行于基礎設置的程 序代碼以及相關的 用 戶 數 據;PaaS是云計算應用程序的運行環境，提 供 應 用 程 序 部 署 與 管 理 服 務，通 過 PaaS層的 軟 件 工 具 和 開 發 語 言，應 用 程 序 開 發 者 只 需 集中 于 代 碼 和 數 據 即 可，不 必 考 慮 底 層 的 服 務 器、操 作 系 統、網 絡 和 存 儲 等 資 源 的 管 理;SaaS是 基于云計算平臺所開發的應用程序，直 接 面 向 最 終的 企 業 用 戶，可 以 通 過 租 用SaaS層 服 務 的 方 式 解決 企 業 信 息 化 問 題。
2 工業鍋爐物聯網監測參數與方法
2.1 工業鍋爐的能耗分析與熱效率
工業鍋爐熱損失包括以下幾方面：①排煙熱損失Q2，指煙氣從鍋爐排出時所帶走的熱量，是 鍋 爐熱損失中最主要的一項;②化學不完全燃燒熱損失Q3，指煙氣中有一部分可燃氣體未燃燒放熱就隨煙氣排除而損失掉的熱量;③固體不完全燃燒熱損失Q4，指進入爐膛的一部分燃料沒有參與燃燒因而造成的熱損失，對于燃煤層燃爐而言，Q4 由 灰 渣 熱 損失、飛灰熱損失和漏煤熱損失三部分組成;④散熱損失Q5，指工業鍋 爐 的 爐 墻、金 屬 結 構、煙 風 通 道、管道等外表溫度高于周圍環境溫度而造成的熱量損失;⑤其他熱損失 Q6，包括燃煤鍋爐灰渣物理熱損失和冷卻熱損失，前者指燃煤鍋爐中排出的灰渣具有較高的溫度而帶走的熱量，后者指由于鍋爐的某些部件采用冷卻而造成一部分熱量排出爐外。
工業鍋爐的熱平衡計算是為了建立輸入鍋爐的熱量與有效利用熱 Q1 和熱損失 Q2，Q3，Q4，Q5，Q6之間的平衡，在熱平衡的基礎上計算鍋爐效率和所需的燃料消耗量，公式表示如下：
Qr =Q1 +Q2 +Q3 +Q4 +Q5 +Q6。 (1)式中Qr 表示入爐熱量，鍋爐反平衡熱效率通過測定鍋爐各項熱損失的方法來確定。燃燒固體燃料時，用百分數表示的計算公式如下：
η=100% - (q2 +q3 +q4 +q5 +q6)。 (2)對于液 體 燃 料，q2 =0;對 于 氣 體 燃 料q4 =q6=0。
2.2 工業鍋爐熱工參數軟測量
由于技術或經濟上的原因，工業鍋爐的一些參數難以實現直接在線測量。軟測量技術通過選擇一些容易測量的變量構成某種數學關系，推斷或估計難以測量或者暫時不能測量的重要變量，以軟件來替代硬件的功能。
排煙熱損失 Q2 與 排 煙 溫 度 Tpy和 過 量 空 氣 系數α 有密切關系，因此將Tpy和α 作為軟測量的輸入變量;同樣，固體不完全燃燒熱損失 Q4 與爐渣含碳量CLZ有關，散熱損失Q5 與爐體壁溫 Tb 相關，因此將CLZ和Tb 分別作為Q4 與 Q5 的軟測量輸入。從而通過測定Tpy，α和爐渣含碳量基本得到鍋爐的熱效率η。
人 工 神 經 網 絡 (ArtificialNeuralNetworks，ANN)是對人腦若干基本特征通過數學方法進行的抽象和模擬，是一種模仿人腦結構及其功能的非線性信息處理系 統，而 BP 神經網絡將大量具有有限信息處理能力的人工神經元相互連接起來，能夠處理復雜的信息。信息流由輸入層逐級向下層傳遞，經過網絡處理，由輸出層輸出。用于測量 Q2，Q4 和Q5 的 BP前饋網絡如圖4所示。
2.3 工業鍋爐的節能監測內容、方法及指標
GB/T15317-1994《工業鍋爐節能監測方法》適用于額 定 蒸 發 量 介 于0.7MW(1t/h)～24.5 MW(35t/h)之間的工業蒸汽鍋爐和額定供熱量大于等于2.5GJ/h的工業熱水鍋爐。監測方法如下：①鍋爐監測測試應在正常生產實際運行工況下進行;② 監測時間從熱工況達到穩定狀態開始，應不少于1h;③監測所用儀表應能滿足監測項目的要求，且功能完好，精度滿足要求。一般監測測試項目有以下幾類[21]：(1)排煙溫 度 Tpy 在 工 業 鍋 爐 末 級 尾 部 受 熱面后1m 以內的煙道上取樣，測溫熱電偶應處于煙道中心并保持密封性。(2)過量空 氣 系 數α 在 工 業 鍋 爐 末 尾 部 受 熱面后1m 以內的煙道中心位置取樣，并與測溫同步進行。
3 工業鍋爐物聯網的應用
3.1 面向用戶的應用
工業鍋爐物聯網面向用戶的應用首先主要監測并記錄設備運行歷史數據，接收鍋爐設備的運行故障報警信號并及時處理，以保證鍋爐的安全、經濟地運行。表1所 示 為 某 工 業 鍋 爐 主 要 數 據 的 監 測 結果，數值為平均值。經初步測試可知，實現了對工業鍋爐的遠程監測，能夠使鍋爐效率提高6%～10%。
3.2 面向制造企業的應用
物聯網的應用正在改變著傳統工業鍋爐制造業，隨著制造業利潤的降低，企業將從整個產品生命周期來考慮，其利益和價值鏈不僅局限在設計和制造環節，而且隨著物聯網的應用延伸到工業鍋爐的遠程監測、故障診斷、運行優化等管理環節。工業鍋爐制造企業可以借此將出售鍋爐的盈利模式轉變為出租鍋爐并提供后續服務的盈利模式。
3.3 面向測試機構的應用
鍋爐使用單位每兩年應對在用鍋爐進行一次能效測試，通過對工業鍋爐關鍵參數的在線監測和測量，結合由國家質監總局公布的在用鍋爐能效測試機構(多數為特種設備檢驗機構)進行外部檢驗，可以及時獲知其能效水平，并對鍋爐的當前性能進行分析和評估，為鍋爐改造和調整提供數據支持。按照《工業鍋爐能效測試與評價規則》，對不符合節能要求的鍋爐及其系統，檢驗機構應下達意見書，限期整改。
3.4 面向監管機構的應用
通過對工業鍋爐的在線監測，監管機構可以獲取轄區內的工業鍋爐的基本數據信息，為行業管理和節能減排政策的制定與落實提供數據基礎;及時發現安全隱患，便于實現安全的監管和運營;整體提高鍋爐的信息化程度，更好地實現燃煤鍋爐生產運行的管控一體化，并降低生產成本、管理成本和提高能源利用效率，從而達到節能減排的效果。
3.5 面向節能服務機構的應用
我國節能服務公司總體實力不強，規模普遍較小，技術力量薄弱，服務水平不高，大多數企業屬于中小型民營科技企業，只能提供點對點式的節能服務。在用能企業對從節能診斷到節能項目設計、施工、運行和維護，特別是結合工業生產特點開展“一條龍”節能技術服務上有巨大的市場需求。工業鍋爐在線監測的實施為第三方節能服務機構提供了所需的數據支撐，通過分析鍋爐的運行情況，可以有針對性地實施優化和控制，達到節能減排的目的。
4 結束語
本文分析總結了工業鍋爐的使用現狀，利用物聯網和云計算對工業鍋爐運行狀態進行遠程自動監測，提出工業鍋爐物聯網架構模型，給出鍋爐能耗、熱效率等數據的監測和軟測量方法，并分析了面向多種鍋爐相關機構的不同應用，達到了節能減排的目的。不足之處在于：工業鍋爐的自控水平較低，在初步實現遠程監測和數據分析的基礎上，還需要對工業鍋爐的硬件進行改造，以實現真正意義上的鍋爐自動優化控制。下一步將對采集的數據進行分析計算，通過鍋爐自動控制系統調節相應的給煤、給水、送風等參數，最終實現鍋爐的最優運行。——論文作者：仝 營，顧新建，紀楊建，岳 芳
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