互联网技术在工业燃气锅炉节能管理的应用与研究

魏玉剑 金 俭

1．上海市能效中心 2．上海东方延华技能技术服务有限公司

1 背景

工业锅炉是量大面广的重点耗能通用设备，广泛应用于社会生产和国民生活的各个领域。目前全国在用工业锅炉保有量超过600000台、容量接近电站锅炉装机容量的2倍，能源消耗占全国一次能源总量的四分之一，实际运行热效率普遍较低，是我国历年安全生产和节能减排专项整治行动的重点。

为了指导用户高效使用工业锅炉，国家出台了相关能效测试分析的标准和规定，主要包括《工业锅炉经济运行》（GB/T 17954-2007）、《工业锅炉能效测试与评价规则》（TSG G0003-2010）、《高耗能特种设备节能监督管理办法》和《锅炉节能技术监督管理规程》（TSGG0002-2010）等。这些标准和规定对工业锅炉技术指标与考核、能效评价的方法和热效率测试以及锅炉的设计、制造和安装改造等环节的节能管理工作提出了明确规定，为做好锅炉系统的节能管理工作奠定了基础。但传统的管理模式还处于编制能耗标准、能效数据静态检测评估阶段，能耗限额标准往往跟不上技术的进步，标准的边界时常模糊，收集数据也有困难。随着互联网技术的发展和成熟，利用互联网技术开展实时动态管理已成为可能，可解决传统能效管理方法的缺点，也是能效管理中最真实和最有效的方法。先进的能效管理既能帮助工业用户掌握自身能耗设备的运行状况，又能监测生产过程中的能耗使用分布情况，使整个系统高效经济地运行，为能源网络的设计、优化、改造提供全面的基础数据，为企业的安全、可靠、高效的用能提供全面的科学指导。能效管理系统还能为当地政府的节能减排政策提供数据参考，协助政府制订合理的能源政策。

目前我国工业锅炉虽然大多配有仪表控制系统，但是基本都不具备涵盖锅炉燃烧、产热、排放等各类参数的在线监测、自动诊断、实时优化调节的自动测控功能。随着互联网及传感器技术的发展，使实时在线能效检测成为可能；特别是“煤改气”工作的开展，燃气工业锅炉越来越多，同燃煤锅炉相比，更易于实现在线检测。

工业燃气锅炉的设计效率一般都很高，大多都在90%以上，冷凝式锅炉按燃料低位发热量计算的热效率都超过100%。但实际运行中还存在较多问题，如排烟温度过高，过量空气系数过大或过小，燃烧调整不佳，平均热效率仅达80%左右，以致能源浪费和环境污染严重，这也是开展工业燃气锅炉在线能效监测评估方法研究的意义所在。

2 燃气工业锅炉能效在线采集技术规范

作为课题研究的内容之一，课题组制定《燃气工业锅炉能效数据在线采集技术规范》标准，这是不同于传统检测方式下的国内第一个在线监测标准，其规定了对燃气工业锅炉实际运行工况下能效相关参数进行在线采集、计算和对标。可以实时监测燃气工业锅炉在正常工作中热量的利用程度，实时测算各项热损失的大小，对锅炉设备的热效率进行实时和定期的计算，从而判断锅炉的运行状况。该标准主要条款包括：

（1）系统组成：包括锅炉能效相关数据在线采集系统的组成部分。

（2）锅炉能效监测和数据采集：包括采集的数据项、数据格式、频率及数据上传方式、能效数据的计算模型和计算时间等规定。

（3）计量采集装置的要求、安装及其采样：包括传感器、仪表精度及安装要求。

（4）能效计算方法：规定了锅炉实时能效采用反平衡法以及各类热损失的计算公式。

（5）能效指标与对标：包括实时能效指标、周期性能效评价指标、能效历史对标方法、能效平台对标方法等内容。

3 锅炉能效评价方法

3.1 实时能效

实时能效指标是通过反平衡方法计算得到的锅炉实时热效率。热效率计算开始时间以风机开启后30分钟为开始，以风机关闭时间为结束。按照TSG G0003—2010《工业锅炉能效测试与评价规则》[1]中规定的对于热效率的计算方法，需计算锅炉运行过程中各项热损失的大小，运用反平衡方法对燃气工业锅炉进行能效测试。

3.2 周期性能指标

周期性能指标是指被测锅炉在一段周期时间内的生产制造中对能源的利用率。通过计算工业锅炉生产单位产品（蒸汽或热水）产量所消耗的全部能源（包括燃料、水和电）的多少评价工业锅炉性能的优劣和实际运行水平。

3.3 能效历史对标

历史对标是通过纵向对比的方式来评价一台锅炉某一日的热效率在历史运行记录内的运行能效情况。一般以日/周/月为对标周期，对锅炉某一日的热效率、历史运行的最佳热效率和历史运行加权平均热效率按公式进行综合计算得出该锅炉能效历史对标评价。

3.4 能效平台对标

基于平台一定数量规模的锅炉能效数据之后，可以通过平台上多台同类型锅炉之间的横向比较的方式来评价特定型号规格锅炉的运行能效情况，有利于进行同类型锅炉之间的能效排名，帮助锅炉的使用方更好地选择合适类型的锅炉，同时能够帮助锅炉制造厂商对于锅炉质量进行跟踪维护。一般以日/周/月为对标周期，对锅炉的当日热效率、系统内所有锅炉的最佳热效率和热效率的加权平均值按公式进行综合计算得出锅炉能效横向对标评价。

4 分析软件设计与开发

4.1 系统架构设计

燃气工业锅炉能效在线监测系统是一种监测设备日益递增、平台应用需求复杂、数据传输要求稳定可靠的互联网信息化系统，应采用前置数据服务和B/S网络服务的互联网系统基本框架。系统由物理层、数据链路层、网络层、存储层和应用层组成。系统的架构设计如图1所示：

图1 系统架构图

(1)物理层：

物理层主要功能是针对锅炉各监测点安装计量设备。计量设备满足相关规定要求，按照规范将锅炉各项实际运行数据通过规定的通讯方式上传到采集装置中。

(2)数据链路层：

采集器设备可根据用户事先设定的采集间隔自动进行采集、上传物理层的数据。在该层中采取了多种数据安全性措施，如上层网络状态的侦测，下层仪表设备的故障判断与定位，本地微型数据库的使用，在网络状况不好的情况下，数据可就地保存，网络状况恢复时又可“断点续传”。

(3)网络层：

现场架设网络系统，确保数据实时采集、上传。

(4)数据存储层：

存储的数据是按照数据抽取频率，把原始采集数据与锅炉基础信息、设备基础信息、报警规则信息结合处理后，形成能源计量和远程监控系统实时监测、明细查询、报警提示所需要的原始明细数据。各类数据的大批量加工只是在数据库上进行处理不影响实时的数据采集，同时也为各类明细查询显示提供给数据源。其物理结构与原始采集数据库有所不同，增加了明细查询所需的内容。

(5)应用层：

对经过数据处理后的分类、分项能耗数据进行分析汇总和整合，通过静态表格和动态图表方式将能耗数据展示出来，为节能运行、节能改造、信息服务和制定相关节能规章制度提供信息服务。采用B/S软件体系结构，有权限的用户可以通过网络直接利用浏览器方式访问能源中心服务器，查看数据报表和图表等信息，操作方便，免安装、维护。数据图表是反映各项采集数据和统计数据的数值、趋势和分布情况的直观图形和对应表格，可分为数据透视表、饼图、柱状图、线图、仪表盘或动画等，格式灵活，可交互操作。

4.2 数据库系统设计

为确保整个系统的安全可靠。在数据平台采用集群技术，在应用平台则采用虚拟化技术，即私有云计算技术，数据库系统拓扑图如图2所示。

图2 数据库系统拓扑图

SAN存储光纤网络部署：存储光纤SAN交换机，分别用于内部和外部服务器区域，每个区域采用SAN交换机，实现存储SAN光纤交换机的冗余,搭建稳定的企业级别的存储核心SAN网络。

4.3 系统功能设计

系统根据用户对锅炉运行情况和能效水平的监管需求，设计了实时监测、异常预警、数据管理、能效综合评估和能效对标等几个主要功能模块。通过对传感器从现场采集的各项监测参数进行科学有效的数据分析，为实现各功能提供了判断依据和数据支持。

(1)实时监测功能模块

实时监测功能模块是对于区域范围内锅炉工作状态的实时监测。监测数据用于能效分析与性能评估。用户可以通过安装在现场的监测终端或网上监管平台来观察实时的动态数据，了解被测锅炉当前的运行状态，帮助提高锅炉能效监管水平。

实时监测功能以图形化的方式如曲线图、柱状复合图等展示监测参数和实时能效在一定时间段内的变化趋势，有助于调整锅炉的工况，保证锅炉运行的经济性。用户可以根据监管的需要设定监测参数的标准值，方便将实时数据与标准值作对比，直观地衡量锅炉是否达到经济、节能的运行标准。

(2)预警功能模块

预警功能是对于锅炉现场高能效运行的保障。通过实时监测排烟温度、烟气成分、锅炉表面温度、蒸汽温度及压力和热水温度及压力等重要性能指标，对现场设备的运行状态实时作出判断，并将异常情况发布至在线监管平台上。包括超标报警和能效过低报警，当监测数值超过设定值或者锅炉实时能效低于设定值时，监测终端便会发出报警。

预警功能包括对于报警阈值的设定和更新、报警记录的查询和显示等相关操作。监测参数的报警阈值参照国家和地方标准，操作人员也可以自行设定报警值的上下限。预警功能模块会在锅炉运行时根据设定值对参数进行判断，当监测数据超过报警阈值时，现场的监测终端会向现场操作人员发出声光报警信号，并将异常情况发布到在线监管平台，同时通过短信和邮件的方式通知设备管理人员。用户可以通过平台的查询功能查看锅炉运行的历史报警记录和异常情况分析。

(3)历史数据功能管理模块

历史数据管理功能模块是对被监测锅炉运行的历史数据进行管理和统计。用户可以通过在线监管平台查询锅炉运行的历史数据，数据可以图形化方式展现锅炉能效历史变化趋势，有助于掌握锅炉寿命周期内的能效水平。

该功能还包括了锅炉报警记录的查询和设备维修记录的登记，帮助用户了解锅炉近期的运行和保养情况。同时，该功能可根据用户需求提供历史报表打印服务，用户可以自定义查询的起始时间和所需求的数据类型，对数据库内的历史数据以报表形式进行统计和筛选，并通过浏览器下载报表。

(4)能效综合评价功能模块

能效综合评价功能模块是对于监测参数进行更深入的数据分析，能够更加全面地对锅炉能效以及运行管理水平进行综合评价。系统设计了多项能效指标，其中包括了实时能效指标、周期性能指标、能效综合评价指标等。实时能效指标是根据锅炉运行过程中实时监测数据进行能效计算得到的锅炉实时热效率。当锅炉系统的实时能效低于设定值时，系统会向操作人员及用户发出低效警报，督促其加强当前的锅炉管理。

5 示范项目情况

(1)项目概况

图3 现场锅炉及传感器安装图

上海新天地朗廷酒店是一家五星级酒店，楼高24层，设有357间客房。酒店共有3台燃气锅炉（图3），主要用于厨房、洗衣服、生活热水和供暖所需。设备参数为：额定功率为4T/H，额定压力为1Mpa，设计热效率为86%，给水温度为50℃，室外环境温度为25℃，设备表面温度为30℃，排烟温度为160℃。3台蒸汽锅炉产生的蒸汽集中进蒸汽分气缸，并通过11路蒸汽管道供出，这11路蒸汽管道均安装蒸汽流量积算仪，可以采集蒸汽的流量、温度、压力。现场蒸汽流量积算仪产品没有通讯模块，需要增加RS485通讯模块才可以进行通讯。

图4 监控界面

通过对现场安装燃气表、智能传感器、流量计等计量设备，来进行数据监测（图4）。现场数据能耗采集器对数据进行采集（图5），并发送到数据库服务器。数据采集采取自动实时采集方式，采集器上传平台频率为5分钟一次，数据传输采用有线为主、无线为辅的传输方式。

图5 数据采集设备

(2)系统显示效果

目前锅炉在线监测管理系统分为PC端（图6）和移动端（图7），PC端系统主要用于对锅炉在线监测数据提供有效的展示，并提供终端设备的添加关联线上锅炉数据等功能；移动端系统主要提供系统线上锅炉数据的展示与燃料统计功能。

图6 PC端界面

表1 锅炉监测数据点位表

图7 移动端界面

(3)能效分析

本项目正是通过对锅炉数据实时监测及分析，发现锅炉能效比低于设计要求，并针对性的提出解决方案，利用实时监测与分析手段，提高了锅炉的能效水平。

经过现场实时数据监测，发现锅炉周期性能效值图8偏低（月平均效率仅为84．3%），相关指标（排烟气体温度为167℃，排烟气体含氧量为11．7%）也偏离设计要求。监测系统建成后，酒店管理方采取了一系列操作改进措施，并安装了余热回收系统，2017年8月以后，系统监测到的锅炉实际运行月平均效率达到了91．2%，排烟温度不到60℃，排烟含氧量为8．5%，很大程度提升了锅炉能效，年累计节约费用214,605．00元。

图8 周期性能效值显示界面

6 结论

目前正处于一个互联网快速发展的时代，该研究综合运用云计算、物联网、大数据等信息技术手段，实现了能效在线检测，更加真实地反映了锅炉的实际能效水平，极大地提高了节能诊断的效率和准确度，为锅炉的节能改造、优化运行提供可靠依据。

[1]TSG G0003—2010，《工业锅炉能效测试与评价规则》[s]

[2]何心良．《用全能耗评价工业锅炉能效水平的探讨》[J]工业锅炉,2010(4)

[3]DB11-T-180-2010，《工业锅炉系统能效监测与评定》[s]