智能司爐技術(shù)在煤粉工業(yè)鍋爐中的應(yīng)用

王 凱

（陜西煤業(yè)新型能源科技股份有限公司，陜西 西安 710100）

1 智能技術(shù)和煤粉工業(yè)鍋爐的應(yīng)用背景

隨著現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的快速進(jìn)步，世界已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)4.0 時(shí)代。我國(guó)緊密把握時(shí)代技術(shù)脈搏，于2015 年提出《中國(guó)制造2025》國(guó)家戰(zhàn)略，強(qiáng)調(diào)信息化與工業(yè)化深度融合，以信息化帶動(dòng)工業(yè)化轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、和智能化。以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能為基礎(chǔ)，建立鍋爐的智慧運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)，全面監(jiān)控供熱中心運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)優(yōu)化運(yùn)行工藝參數(shù)，提高供熱系統(tǒng)能效，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，同時(shí)提高人工作業(yè)效率，為管理層提供數(shù)據(jù)化管理手段，已經(jīng)成為“鍋爐+智能”轉(zhuǎn)型升級(jí)和供給側(cè)改革的必然趨勢(shì)。

2 傳統(tǒng)工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)和生產(chǎn)管理的痛點(diǎn)分析

煤粉工業(yè)鍋爐是近10 年隨著煤炭清潔高效利用應(yīng)運(yùn)而生的新型能源供應(yīng)設(shè)備，建設(shè)時(shí)間相對(duì)較短，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制。然而，隨著環(huán)保政策的不斷升級(jí)，鍋爐尾部煙氣的除塵、脫硫、脫硝的自動(dòng)控制系統(tǒng)往往不能同鍋爐系統(tǒng)集成，從而產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象。此外，由于熱能供應(yīng)屬于傳統(tǒng)行業(yè)，一些老舊的管理理念對(duì)安全生產(chǎn)管理的影響較大，制度約束、經(jīng)驗(yàn)管理的管理思路仍然主導(dǎo)著企業(yè)的正常生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)。從企業(yè)的成本管理角度來(lái)講，如何利用智能技術(shù)提高能源轉(zhuǎn)化效率，尤其在熱負(fù)荷波動(dòng)較大的系統(tǒng)中，如何在保證熱載體參數(shù)穩(wěn)定的前提下，控制最優(yōu)化的煤粉消耗量是供熱企業(yè)亟待解決的問(wèn)題。

3 智能司爐技術(shù)的設(shè)計(jì)需求及功能介紹

3.1 設(shè)計(jì)需求

為解決傳統(tǒng)供熱行業(yè)的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等智能技術(shù)開發(fā)智能鍋爐管理云平臺(tái)軟件，總結(jié)出了以下4個(gè)需求。

3.1.1 關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)接入

基于數(shù)據(jù)優(yōu)化控制問(wèn)題，首先需要解決的是數(shù)據(jù)的來(lái)源，對(duì)所須的各項(xiàng)關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行接入、整合和匯聚，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集箱上傳至云服務(wù)器。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集主要由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)IoT Gateway 完成，IoT Gateway 負(fù)責(zé)從司爐自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中采集數(shù)據(jù)，并以MQTT 協(xié)議通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，然后在平臺(tái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理、分析及數(shù)字孿生等。

3.1.2 大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

在工業(yè)鍋爐物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)模型中，應(yīng)用層是數(shù)據(jù)采集與鍋爐應(yīng)用的接口[1]，將所有采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)、分析和深度的數(shù)據(jù)挖掘是智能技術(shù)與工業(yè)結(jié)合的關(guān)鍵步驟。建立一套高可用、高可靠的分布式大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行不間斷的接收和存儲(chǔ)，同時(shí)所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)需要能夠支撐數(shù)據(jù)的分析和建模。

3.1.3 數(shù)字孿生和數(shù)據(jù)模型

在信息化系統(tǒng)的數(shù)字空間中建立一套與物理世界一樣工作的數(shù)字孿生體系。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、專家知識(shí)、行業(yè)機(jī)理等方式，對(duì)獲得的數(shù)據(jù)從各個(gè)方面進(jìn)行建模，用于描述數(shù)字孿生體系的工作方式。進(jìn)而利用數(shù)字孿生可以對(duì)物理世界鍋爐系統(tǒng)的運(yùn)作方式進(jìn)行仿真、預(yù)測(cè)、診斷等。

3.1.4 能效提升

在鍋爐的運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)對(duì)鍋爐變量數(shù)據(jù)信息的深度挖掘，能夠得到鍋爐熱效率和負(fù)荷直接的強(qiáng)相關(guān)特性[2]。此外，熱負(fù)荷的參數(shù)變化也能夠直接反映出當(dāng)前熱需求的變化規(guī)律，對(duì)傳統(tǒng)人工操盤有至關(guān)重要的影響。如果能利用數(shù)字孿生建立符合與常規(guī)操作參數(shù)對(duì)應(yīng)的數(shù)字模型，那么在理論上就能夠計(jì)算出特定負(fù)荷下的最優(yōu)操作參數(shù)。

3.2 功能介紹

基于上海全應(yīng)公司的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)和陜西慧能數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司的智慧熱力軟件的基礎(chǔ)功能，進(jìn)行應(yīng)用軟件開發(fā)的熱力管理軟件，對(duì)目標(biāo)熱力站煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行接入和互聯(lián)，進(jìn)行固定端Web 或移動(dòng)端App 發(fā)布，管理人員可以通過(guò)計(jì)算機(jī)和手機(jī)實(shí)時(shí)訪問(wèn)，具體功能如下。

3.2.1 熱能生產(chǎn)監(jiān)控及主動(dòng)預(yù)警推送

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)全面采集其生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括鍋爐主機(jī)、輔機(jī)、原料、環(huán)保等設(shè)備或系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，在平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)綁定，組態(tài)到監(jiān)控界面后，再利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)發(fā)布到PC 端或手機(jī)端，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)供熱站的全面監(jiān)控。監(jiān)控平臺(tái)采用私有云架構(gòu)部署在云服務(wù)器上，完成對(duì)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析與處理、數(shù)據(jù)可視化渲染、Web服務(wù)等功能，建立了主動(dòng)報(bào)警和消息推送機(jī)制。此外，通過(guò)對(duì)經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)的收集和分析，實(shí)現(xiàn)了物料單耗和生產(chǎn)報(bào)表的定期生成，極大地改善了經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)混亂分散的現(xiàn)狀。

基于流數(shù)據(jù)技術(shù)，再根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則，對(duì)其變化趨勢(shì)和預(yù)定閾值進(jìn)行比對(duì)和預(yù)測(cè)，綜合地對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和運(yùn)算，判斷生成告警信息，對(duì)符合條件的告警信息，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)App 按照一定的權(quán)限標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布給運(yùn)行和管理人員。

3.2.2 定時(shí)巡檢和一建工單閉環(huán)管理

配置必要的巡檢機(jī)，采用RFID（射頻識(shí)別）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了快捷、方便、準(zhǔn)確地對(duì)熱能生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行巡檢。巡檢人員必須到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)才能成功打卡，并且打卡后的所有巡檢項(xiàng)都必須一一填寫，解決了以往巡檢工作易走流程、走形式，且巡檢工作的質(zhì)量不易跟蹤的問(wèn)題。此外，巡檢機(jī)支持移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)巡檢數(shù)據(jù)即時(shí)上傳服務(wù)器，使后端管理人員能夠隨時(shí)掌握巡檢進(jìn)度、質(zhì)量，對(duì)巡檢異常情況可以一鍵生成工單并下發(fā)至檢修班組。

對(duì)于預(yù)警中出現(xiàn)的各類異常情況，同樣也可以一鍵生成工單并派發(fā)，對(duì)工單的派發(fā)、響應(yīng)、處理結(jié)果、驗(yàn)收和評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)進(jìn)行可視化和數(shù)字化的全生命周期痕跡管理，定期生成考核表單，徹底解決生產(chǎn)過(guò)程告警或隱患問(wèn)題處理低效、不及時(shí)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)結(jié)果追溯和閉環(huán)管理。工單流程圖如圖1所示。

圖1 工單流程圖

3.2.3 智能司爐

根據(jù)已經(jīng)接入的某75 t/h 煤粉工業(yè)鍋爐的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，建立智能化模型，利用采集到的母管網(wǎng)蒸汽的壓力和溫度參數(shù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和必要的變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)，從而計(jì)算出理論的煤粉供應(yīng)量和空氣供應(yīng)量。再考慮過(guò)量空氣系數(shù)、煙氣氧含量等參數(shù)以及煤粉喂料器的給料特性，推算并向操作員發(fā)布實(shí)時(shí)的煤粉給定量（喂料器頻率）和風(fēng)量（鼓、引風(fēng)機(jī)頻率），幫助司爐工將蒸汽參數(shù)穩(wěn)定在要求范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)因系統(tǒng)不穩(wěn)定導(dǎo)致的料、風(fēng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，最大限度地降低了因頻繁超調(diào)或欠調(diào)導(dǎo)致的負(fù)荷壓力變化的影響，從而減少燃料和動(dòng)力的浪費(fèi)。

4 智能司爐的驗(yàn)證

選取平臺(tái)投運(yùn)前的生產(chǎn)數(shù)據(jù)（煤粉單耗量）作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，平臺(tái)投運(yùn)后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)作為優(yōu)化數(shù)據(jù)。為保證該次比較的真實(shí)性，選取的數(shù)據(jù)均考慮該供熱系統(tǒng)白天固定時(shí)段來(lái)源，2 筆數(shù)據(jù)分別包括以下字段：時(shí)間、煤粉消耗、鍋爐給水、減溫水流量1、減溫水流量2。

將以上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（每10 s）按照小時(shí)進(jìn)行聚合，計(jì)算每小時(shí)的煤?jiǎn)魏?，用鍋爐給水加兩路減溫水流量作為鍋爐負(fù)荷。

將基準(zhǔn)期和優(yōu)化期每小時(shí)的負(fù)荷和單耗的對(duì)應(yīng)關(guān)系繪制成對(duì)應(yīng)關(guān)系圖，如圖2 所示。

圖2 負(fù)荷與煤粉單耗關(guān)系圖

該圖中橫軸為負(fù)荷（蒸噸）、縱軸為單耗（kg/蒸噸）?！顸c(diǎn)代表基準(zhǔn)期負(fù)荷與單耗的分布，實(shí)線是利用二次曲線對(duì)所有●點(diǎn)進(jìn)行擬合的基準(zhǔn)期鍋爐運(yùn)行性能曲線。★點(diǎn)代表優(yōu)化期負(fù)荷與單耗的分布，虛線是利用二次曲線對(duì)所有★點(diǎn)進(jìn)行擬合的優(yōu)化期鍋爐運(yùn)行性能曲線。從圖中可以看出，優(yōu)化期在不同負(fù)荷下的單耗均低于基準(zhǔn)期。由于鍋爐運(yùn)行的負(fù)荷量隨用戶用量情況不斷變化，在單一負(fù)荷量狀態(tài)下持續(xù)的累積時(shí)間不同，無(wú)法精確計(jì)算每天/月/年的節(jié)煤量。但在45 蒸噸/h～55 蒸噸/h 的日常負(fù)荷狀態(tài)下，可以看出優(yōu)化期煤?jiǎn)魏谋然鶞?zhǔn)期低3 kg/蒸噸～5 kg/蒸噸，低于或高于該用量時(shí)，節(jié)煤量還將進(jìn)一步增加。工業(yè)供熱鍋爐煤粉單耗一般有強(qiáng)烈的周期性變化，一般在95 kg～110 kg，所以在平臺(tái)投運(yùn)后，最少能夠?yàn)橄到y(tǒng)降低2.7%～5%的實(shí)際燃料能耗?？傮w來(lái)講，節(jié)煤效果顯著。

5 結(jié)語(yǔ)

該文介紹了智能司爐軟件應(yīng)用的工業(yè)化的實(shí)施情況，預(yù)計(jì)、工單、智能巡檢等功能的應(yīng)用，有效克服了傳統(tǒng)管理經(jīng)驗(yàn)中經(jīng)驗(yàn)化、滯后性等弊端，有效完善了高效閉環(huán)集約型管理特征。對(duì)軟件部署前后的煤粉消耗指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)算和比對(duì)，顯示平臺(tái)應(yīng)用后燃料能效均有所提高，使企業(yè)經(jīng)營(yíng)得到了較好的改善，基本達(dá)成了安全生產(chǎn)、節(jié)能減排、智慧運(yùn)營(yíng)的目標(biāo)。這是“智能+熱力生產(chǎn)”模式的初步探索，隨著供給側(cè)改革和大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷深化研究和利用，傳統(tǒng)能源的生產(chǎn)條件和經(jīng)營(yíng)模式將進(jìn)一步得到優(yōu)化和提升。