鍋爐綠色智慧用能互聯(lián)網(wǎng)云平臺設(shè)計(jì)

趙 輝 邢 璐

（杭州市特種設(shè)備檢測研究院 杭州 310051）

鍋爐是我國重要熱能動(dòng)力設(shè)備。圖1所示為近年我國在用鍋爐數(shù)量。由圖1可知，鍋爐數(shù)量在2013年達(dá)峰值，隨后隨著“煤改氣，煤改生物質(zhì)”等政策實(shí)施，鍋爐數(shù)量逐年下降，到2016年底，只有53．44萬臺[1]。其中，工業(yè)鍋爐約近52萬臺，以燃煤鍋爐為主，在用燃煤工業(yè)鍋爐達(dá)46．7萬臺，總?cè)萘窟_(dá)178萬蒸t，年消耗原煤約7億噸，占全國煤炭消耗總量的18%以上[2]。

工業(yè)鍋爐容量，偏小實(shí)際運(yùn)行效率整體偏低。圖2為2016年杭州市200臺在用工業(yè)鍋爐能效測試熱效率整體分布圖。由圖2可知，燃生物質(zhì)鍋爐平均熱效率為76%，而燃煤鍋爐僅有72%，與國家規(guī)定的熱效率目標(biāo)值還有較大差距[3]，單臺平均容量僅為3．8 t/h，其中2 t/h以下臺數(shù)占比達(dá)66．5%。

圖1 近年我國在用鍋爐數(shù)量

工業(yè)鍋爐既是耗能大戶，也是污染大戶，燃煤工業(yè)鍋爐污染物排放是重要污染源，年排放煙塵、二氧化硫、氮氧化物分別占全國排放總量的33%、27%、9%[2]。10t/h以下燃煤工業(yè)鍋爐大多沒有配置有效除塵裝置，基本沒有脫硫脫硝設(shè)施，排放超標(biāo)嚴(yán)重，偷排現(xiàn)象突出。

圖2 杭州市200臺工業(yè)鍋爐熱效率整體分布

我國工業(yè)窯爐超過16萬座，集中在建材、冶金、化工及陶瓷等行業(yè)，年耗煤量3億t。窯爐平均熱效率僅為40%，較國外低10%-30%[4]。且普遍規(guī)模小、裝備陳舊、技術(shù)落后、運(yùn)行管理粗放。

燃煤工業(yè)鍋爐及工業(yè)窯爐帶來的能源利用效率低下、環(huán)境污染嚴(yán)重問題已經(jīng)成為影響我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的制約因素。因此，在工業(yè)高耗能領(lǐng)域，抓住了燃煤工業(yè)鍋爐和高耗能工業(yè)爐窯，就抓住工業(yè)節(jié)能減排的牛鼻子。國家鼓勵(lì)采用合同能源管理等方式引導(dǎo)企業(yè)、社會(huì)資金加大投入力度，建立以市場為主的長效機(jī)制實(shí)施鍋爐節(jié)能技術(shù)改造。據(jù)文獻(xiàn)[2]要求，到2018年底，要淘汰落后燃煤鍋爐40萬蒸噸；完成40萬蒸噸燃煤鍋爐的節(jié)能改造；燃煤工業(yè)鍋爐平均運(yùn)行效率在2013年的基礎(chǔ)上提高6%，形成年4000萬t標(biāo)煤的節(jié)能能力；減排100萬t煙塵、128萬t二氧化硫、24萬t氮氧化物。

因此，全國10 t/h以下燃煤鍋爐改造工程市場巨大。據(jù)文獻(xiàn)[5]，2014年底全國工業(yè)鍋爐年耗煤量為7．09億t，10 t/h以下燃煤鍋爐耗煤量約占25%，到2017年將全部10 t/h以下的燃煤鍋爐進(jìn)行高效鍋爐替代或節(jié)能改造，假設(shè)原煤價(jià)格500元/噸均價(jià)，改造工程中以每噸煤改造投資800~1000元，燃煤成本約占運(yùn)營投入的60%計(jì)。據(jù)測算，2015~2017年底，10 t/h以下燃煤鍋爐改造工程市場空間約為1418~1773億元，對應(yīng)運(yùn)營市場空間超過1478億元，具體見表1。若包含環(huán)保在內(nèi)的節(jié)能改造，則改造市場前景更加巨大。

表1 燃煤鍋爐改造市場空間測算表

工業(yè)節(jié)能減排有一個(gè)現(xiàn)實(shí)瓶頸，即耗能設(shè)備量大面廣，用能分散，節(jié)能減排缺乏有效切入點(diǎn)。企業(yè)有意識和積極性，卻無法發(fā)現(xiàn)、診斷及改進(jìn)，無從入手，而政府部門監(jiān)管也缺乏有效支撐平臺?；诖?，本文提出用“云平臺（工具）+工程技術(shù)中心（核心）”模式，整合分散用能產(chǎn)業(yè)鏈，做綠色智慧能源供應(yīng)商。即：利用“互聯(lián)網(wǎng)+”思維，融“信息互聯(lián)、技術(shù)支撐、綜合服務(wù)”為一體， 建立綠色智慧用能互聯(lián)網(wǎng)云平臺（互聯(lián)網(wǎng)+智慧鍋爐、爐窯），將分散用能企業(yè)互聯(lián)互通，利用大數(shù)據(jù)整合產(chǎn)業(yè)鏈資源，并通過工程中心技術(shù)支撐及合同能源托管運(yùn)營，使耗能設(shè)備安全、節(jié)能及環(huán)保運(yùn)行。最終形成“互聯(lián)網(wǎng)+智慧鍋爐”——“云平臺”、“大數(shù)據(jù)”——“技術(shù)支撐”——“合同能源管理”——“鍋爐三位一體運(yùn)行體系”閉環(huán)。此模式既有平臺，又有工程技術(shù)中心支持，開展實(shí)體項(xiàng)目。

1 互聯(lián)網(wǎng)云平臺設(shè)計(jì)

1.1 平臺構(gòu)架

綠色智慧用能互聯(lián)網(wǎng)云平臺采用B/S結(jié)構(gòu)，用戶工作界面通過瀏覽器實(shí)現(xiàn)。平臺集傳感檢測、信號采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程傳輸、平臺運(yùn)算及診斷處置為一體，通過現(xiàn)場對耗能設(shè)備安裝各型傳感器或和采集終端，實(shí)現(xiàn)對實(shí)時(shí)檢測信號采集、編碼；并通過互聯(lián)網(wǎng)傳送至遠(yuǎn)程管理平臺；經(jīng)后臺軟件數(shù)據(jù)處理、模型運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對耗能設(shè)備24h在線監(jiān)測；一旦有異?；蛘邎?bào)警，平臺會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，通過專家遠(yuǎn)程診斷，監(jiān)測人員以電話、短信等形式，向用戶發(fā)出警示，指導(dǎo)處置；最終，工程技術(shù)中心人員現(xiàn)場通過管理節(jié)能和技改節(jié)能等綜合服務(wù)方式，實(shí)現(xiàn)耗能設(shè)備持續(xù)高效綠色運(yùn)行。具體流程如圖3所示。平臺監(jiān)測對象包括工業(yè)鍋爐、熱電鍋爐和高耗能工業(yè)爐窯等。

圖3 云平臺B/S構(gòu)架流程圖

1.2 平臺功能

平臺由綜合平臺、政府平臺、公眾平臺、企業(yè)平臺和碳排放平臺五個(gè)分支平臺組成，具備七大功能：

1）在線監(jiān)測，包含實(shí)時(shí)監(jiān)測、GIS監(jiān)測和Flash監(jiān)測界面。

2）故障診斷和報(bào)警，提供異常狀態(tài)信息、數(shù)據(jù)采集器運(yùn)行信息等方面報(bào)警、處理和查詢，及時(shí)將信息推送到相關(guān)人員手機(jī)端，也支持Email、短信通知。

3）歷史數(shù)據(jù)查詢，提供對同類型設(shè)備的數(shù)據(jù)對比和相關(guān)參數(shù)的關(guān)聯(lián)性對比分析，歷史數(shù)據(jù)可歸檔保存，也可直接打印。

4）多級權(quán)限管理，在每個(gè)權(quán)限區(qū)域下可添加各種受限對象，使不同使用機(jī)構(gòu)根據(jù)不同權(quán)限，信息分享。

5）信息管理，包括用戶信息管、監(jiān)測裝置在線管理和系統(tǒng)維護(hù)日志和操作日志管理。

6）能耗統(tǒng)計(jì)發(fā)布，根據(jù)鍋爐運(yùn)行效率、能耗指標(biāo)等關(guān)鍵參數(shù)，對轄區(qū)內(nèi)所有設(shè)備進(jìn)行定期統(tǒng)計(jì)公布，可預(yù)留數(shù)據(jù)接口給平臺外。

7）支持手機(jī)、Ipad等移動(dòng)終端服務(wù)。

2 “平臺＋中心”組成

“平臺＋中心”運(yùn)營模式由云平臺、運(yùn)營團(tuán)隊(duì)和工程技術(shù)中心組成，如圖4所示。

1）云平臺——千里眼。平臺通過安裝傳感器，采集運(yùn)行數(shù)據(jù)，解決耗能設(shè)備運(yùn)行效率低難發(fā)現(xiàn)的問題，使耗能設(shè)備長了千里眼。

2）運(yùn)營團(tuán)隊(duì)——智慧腦。平臺采集到的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳到平臺，進(jìn)行在線監(jiān)測，由運(yùn)營團(tuán)隊(duì)人員進(jìn)行診斷和處置，解決耗能設(shè)備運(yùn)行效率低難診斷的問題，使耗能設(shè)備長了智慧腦。團(tuán)隊(duì)人員包括：監(jiān)測人員、運(yùn)行專家、測試人員、維護(hù)人員、研發(fā)人員、司爐人員和技改人員等。監(jiān)測人員負(fù)責(zé)平臺日常巡查和運(yùn)行管理；專家負(fù)責(zé)耗能設(shè)備異常信息診斷處置和節(jié)能技改的技術(shù)支撐，人員應(yīng)由工業(yè)節(jié)能領(lǐng)域制造、使用、檢驗(yàn)等單位的專家組成；測試人員負(fù)責(zé)耗能設(shè)備現(xiàn)場測試及診斷，為節(jié)能技改提出技術(shù)依據(jù)；維護(hù)人員負(fù)責(zé)平臺終端系統(tǒng)安裝調(diào)試與軟硬件設(shè)施維護(hù)；研發(fā)人員負(fù)責(zé)技術(shù)創(chuàng)新和平臺管理創(chuàng)新，不斷改進(jìn)和完善平臺運(yùn)營模式；司爐人員負(fù)責(zé)入網(wǎng)耗能設(shè)備的操作維護(hù)；技改人員負(fù)責(zé)節(jié)能環(huán)保技改項(xiàng)目。

3）工程技術(shù)中心——技術(shù)手。平臺通過管理節(jié)能和技改節(jié)能，并由工程技術(shù)中心幫扶，解決耗能設(shè)備運(yùn)行效率低難改進(jìn)的問題，使企業(yè)節(jié)能有了技術(shù)手。工程技術(shù)中心能夠整合人財(cái)物力和相關(guān)資質(zhì)等優(yōu)勢資源，為云平臺做技術(shù)支撐，為用能產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)項(xiàng)目開展綜合服務(wù)，包括診斷評估、規(guī)劃設(shè)計(jì)、工程總包、投資建設(shè)、技術(shù)改造、運(yùn)營管理、系統(tǒng)集成、技術(shù)研發(fā)及平臺管理等。

3 聯(lián)通用能產(chǎn)業(yè)鏈

3.1 用能產(chǎn)業(yè)鏈

工業(yè)用能領(lǐng)域上中下游產(chǎn)業(yè)鏈主要分為：

1）上游產(chǎn)業(yè)，包括燃料供應(yīng)商和設(shè)備制造商。燃料供應(yīng)商提供固液氣燃料，包括煤炭、生物質(zhì)顆粒、柴油、生物質(zhì)柴油、水煤漿、天然氣、液化天然氣等；設(shè)備制造商提供鍋爐、工業(yè)爐窯、輔機(jī)及管網(wǎng)等設(shè)備。

2）中游產(chǎn)業(yè)（核心領(lǐng)域），包括工業(yè)用能單位、熱電公司、供熱公司等，用能設(shè)備包括工業(yè)鍋爐、熱電鍋爐、高耗能工業(yè)爐窯等。

3）下游產(chǎn)業(yè)，包括合同能源管理公司、安裝改造維修公司和節(jié)能環(huán)保技術(shù)公司等。

目前工業(yè)用能產(chǎn)業(yè)鏈各節(jié)點(diǎn)短板為市場的碎片化和信息的片面化。雖然在各自領(lǐng)域都有優(yōu)質(zhì)企業(yè)，但市場碎片化，各自為戰(zhàn)，核心領(lǐng)域的用能單位數(shù)量眾多、分散在冶金、建材、石油、電力、化工、煤炭等各領(lǐng)域，參差不齊；工業(yè)用能信息片面，信息不對稱，耗能設(shè)備用能信息很難獲得，鍋爐等耗能設(shè)備運(yùn)行信息往往掌握在相關(guān)監(jiān)管機(jī)構(gòu)手中。

3.2 聯(lián)通產(chǎn)業(yè)鏈

“平臺＋中心”運(yùn)營模式可利用平臺將分散用能單位有機(jī)鏈接，掌握用能信息、耗能設(shè)備運(yùn)行信息及節(jié)能環(huán)保改造等大數(shù)據(jù)。整合使用領(lǐng)域業(yè)務(wù)空間，形成用能行業(yè)完整的上中下游產(chǎn)業(yè)鏈，具體如圖4所示。

1）對上游燃料供應(yīng)商。通過平臺，可了解用戶燃料供應(yīng)信息，通過整合燃料供應(yīng)商，形成行業(yè)聯(lián)盟，并由平臺統(tǒng)一供應(yīng)，降低燃料供應(yīng)成本。

2）對設(shè)備制造商。通過平臺，能夠獲得用能單位更精準(zhǔn)的新設(shè)備需求信息，平臺也能為需要改造提升用能單位的耗能設(shè)備做選型代理。

3）對用能單位（核心領(lǐng)域）。平臺24小時(shí)在線遠(yuǎn)程監(jiān)測，整合用能領(lǐng)域，掌握大數(shù)據(jù)。對正常運(yùn)行設(shè)備，可掌握用能單位燃料供應(yīng)信息、設(shè)備運(yùn)行信息、維保信息及是否需技改等，并按需求提供給燃料供應(yīng)商、設(shè)備制造商、節(jié)能服務(wù)機(jī)構(gòu)或用能單位；需技改用能單位，由工程技術(shù)中心開展咨詢，做技術(shù)支撐。需能源托管用能單位，可有工程技術(shù)中心開展合同能源管理模式。

4）對服務(wù)機(jī)構(gòu)。以上項(xiàng)目可依托技術(shù)中心職能或委托外協(xié)節(jié)能服務(wù)機(jī)構(gòu)。

工程技術(shù)中心研發(fā)人員還可開展新技術(shù)研發(fā)，并將新技術(shù)反饋給平臺用能單位，形成良性循環(huán)。

圖4 “平臺＋中心”運(yùn)營模式聯(lián)通用能產(chǎn)業(yè)鏈

4 “平臺＋中心”運(yùn)營模式

“平臺＋中心”運(yùn)營模式即為監(jiān)測、巡查、調(diào)度和診斷處置為一體的運(yùn)營模式，由平臺統(tǒng)一調(diào)度人員對耗能設(shè)備進(jìn)行診斷處置，最終形成平臺發(fā)現(xiàn)、診斷分析、現(xiàn)場檢測、技改落實(shí)、高效運(yùn)行為一體的監(jiān)測與反饋的閉循環(huán)。運(yùn)營模式如圖5所示．

1）正常巡視工作。監(jiān)測人員通過平臺對受監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行日常巡視，對于正常運(yùn)行（能效達(dá)標(biāo)）的設(shè)備，監(jiān)測人員通過大數(shù)據(jù)分析，了解用能單位燃料供應(yīng)信息、設(shè)備運(yùn)行信息、維保信息及是否需技改等，定期下載數(shù)據(jù)、歸檔，按需求提供給政府機(jī)構(gòu)、燃料供應(yīng)商、設(shè)備制造商、節(jié)能服務(wù)機(jī)構(gòu)或用能單位。

2）異常報(bào)警處置。當(dāng)監(jiān)測人員發(fā)現(xiàn)某臺設(shè)備異常報(bào)警后，首先判定報(bào)警類型：

對于監(jiān)測系統(tǒng)故障報(bào)警，監(jiān)測人員通知維護(hù)人員進(jìn)行檢修，排除故障，直至報(bào)警解除。

圖5 “平臺＋中心”運(yùn)營模式流程圖

對于緊急類報(bào)警，如：超壓、低水位等，首先明確用能單位是責(zé)任主體，用能單位司爐人員應(yīng)通過設(shè)備本體報(bào)警系統(tǒng)或用能單位權(quán)限登錄平臺排查報(bào)警，進(jìn)行處置，消除隱患后方可運(yùn)行。而平臺監(jiān)測人員會(huì)通過電話、短信形式提醒用能單位相關(guān)人員，只具有輔助作用，同時(shí)平臺具有記錄報(bào)警信息（黑匣子）功能，為后續(xù)事故調(diào)查提供依據(jù)。

對于節(jié)能環(huán)保類報(bào)警，監(jiān)測人員通過專家?guī)烀麊瓮ㄖ獙＜覍?bào)警進(jìn)行診斷。當(dāng)判斷不需到現(xiàn)場時(shí)，專家可遠(yuǎn)程診斷，當(dāng)判斷需到現(xiàn)場時(shí)，通知測試人員進(jìn)行現(xiàn)場測試。測試結(jié)果熱效率確實(shí)偏低后，專家和測試人員根據(jù)測試結(jié)果提出診斷指導(dǎo)意見，指導(dǎo)用能單位進(jìn)行節(jié)能整改。若為管理操作不當(dāng)造成熱效率偏低的，可指導(dǎo)司爐人員優(yōu)化運(yùn)行來提高運(yùn)行效率。若為設(shè)備本體問題，專家和測試人員則進(jìn)行現(xiàn)場技術(shù)評價(jià)，評價(jià)結(jié)果有改造價(jià)值的，則建議用能單位進(jìn)行技術(shù)改造，技術(shù)改造可由工程技術(shù)中心技改人員或委托相關(guān)節(jié)能服務(wù)機(jī)構(gòu)承擔(dān)；評價(jià)結(jié)果無改造價(jià)值的，監(jiān)測人員通知用能單位管理人員建議報(bào)廢新建用能設(shè)施。整改完畢，能效達(dá)標(biāo)并能長期保持節(jié)能運(yùn)行的設(shè)備，專家指導(dǎo)其申報(bào)相關(guān)節(jié)能獎(jiǎng)勵(lì)。

5 項(xiàng)目進(jìn)展

項(xiàng)目組運(yùn)用信息傳感和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，已開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的鍋爐物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，創(chuàng)建了鍋爐物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測智慧云平臺，并建立了日常巡視值班制度和診斷處置機(jī)制。已有133臺在用鍋爐接入平臺，包括60臺燃油氣鍋爐，69臺燃煤/生物質(zhì)鍋爐和4臺熱電鍋爐，并由一家能源公司負(fù)責(zé)日常維護(hù)運(yùn)營。平臺運(yùn)行期間，已協(xié)調(diào)5鍋爐企業(yè)安裝余熱回收裝置，解決排煙溫度過高問題；幫助43家企業(yè)解決生物質(zhì)鍋爐燃燒不均、漏風(fēng)嚴(yán)重、冒黑煙等問題；已成功消除20余次安全隱患，監(jiān)測到上千次能效超標(biāo)報(bào)警，成功幫助80余家企業(yè)節(jié)能。通過物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測到杭州某食品公司2臺燃?xì)忮仩t的熱效率只有88．01%和88．37%，通過節(jié)能診斷，建議尾部煙道增加節(jié)能器，經(jīng)過節(jié)能技改后，該公司的鍋爐熱效率分別提高到93．25%和93．67%，提高了5%以上，每年可節(jié)約天然氣47000m3，節(jié)約費(fèi)用約20萬元。平臺大數(shù)據(jù)還為杭州市制定鍋爐產(chǎn)業(yè)政策和淘汰落后產(chǎn)能提供理論依據(jù)，為監(jiān)管部門實(shí)施執(zhí)法提供數(shù)據(jù)支撐。接下來，項(xiàng)目組還將在標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)、10t/h以上工業(yè)鍋爐和高耗能爐窯數(shù)據(jù)接入覆蓋率、市場推廣上繼續(xù)該項(xiàng)目的推進(jìn)。