太陽能與鍋爐聯(lián)合供暖系統(tǒng)研究

程錦宇

摘要：目前我國的室內(nèi)采暖主要依靠鍋爐供暖，這種供暖方式運(yùn)行費(fèi)用高且污染嚴(yán)重。我國正在推進(jìn)節(jié)能減排和新能源發(fā)展政策，太陽能技術(shù)為室內(nèi)供暖提供了新的發(fā)展方向，但太陽能存在不穩(wěn)定和不均勻性。為了確保室內(nèi)供熱的可靠性，文章以房屋冬季供暖為例，對太陽能與鍋爐聯(lián)合供熱模式進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：太陽能；鍋爐；聯(lián)合供熱系統(tǒng)；節(jié)能環(huán)保；室內(nèi)采暖；供暖方式 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TK229 文章編號：1009-2374（2016）11-0011-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.11.006

由于工業(yè)鍋爐結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此在鍋爐正常運(yùn)行過程中，需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的數(shù)據(jù)較多，且數(shù)據(jù)受鍋爐負(fù)荷影響較大，呈非線性變化，給鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測工作帶來了難度。從目前情況來看，我國鍋爐監(jiān)測系統(tǒng)與發(fā)達(dá)國家相比還有一定的技術(shù)差距，例如數(shù)據(jù)信息較為分散、記錄處理不及時(shí)、人機(jī)交互不友善等，增加了工作人員的工作量，不僅影響了鍋爐運(yùn)行效率，且容易發(fā)生運(yùn)行事故。為克服上述技術(shù)缺陷，本文提出了通用型鍋爐安全與節(jié)能遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集裝置，以期能夠提升工業(yè)鍋爐的遠(yuǎn)程監(jiān)測水平。

1 工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述

工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集方式可分為兩種——有線傳輸和無線傳輸。由于工業(yè)鍋爐作業(yè)環(huán)境大多數(shù)位于偏遠(yuǎn)區(qū)域，且地理分布較廣，若選擇有線傳輸?shù)姆绞綍?huì)增加施工量和施工成本，不利于數(shù)據(jù)采集的統(tǒng)一集中管理。因此，本次研究中，對鍋爐監(jiān)測參數(shù)的遠(yuǎn)程傳輸采用無線傳輸?shù)姆绞剑碐PRS無線服務(wù)，該項(xiàng)技術(shù)既能提高資源的利用率和傳輸速度，又可節(jié)省傳輸費(fèi)用。本次研究所需采集的鍋爐實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息包括給水流量、蒸汽機(jī)蒸汽流量、溫度、煙氣含氧量、壓力等數(shù)值。對鍋爐監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行采集時(shí)，主要以在現(xiàn)場運(yùn)行的數(shù)據(jù)采集器指令為依據(jù)，采集器每隔5min自動(dòng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，將設(shè)置在鍋爐各元件部位的所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合后進(jìn)行校對與核對，將其加密后經(jīng)總線傳輸至采集系統(tǒng)模塊，最后經(jīng)模塊將數(shù)據(jù)輸入監(jiān)測中心的終端計(jì)算機(jī)，根據(jù)監(jiān)測中心對接收到的數(shù)據(jù)予以深度處理，達(dá)到對工業(yè)鍋爐運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并保障鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定與安全。

2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體架構(gòu)分析

2.1 設(shè)計(jì)與架構(gòu)

工業(yè)鍋爐屬結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型特種設(shè)備，一旦運(yùn)行出現(xiàn)故障將導(dǎo)致極為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。本次研究的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測采集裝置以先進(jìn)實(shí)用、安全穩(wěn)定的原則為理念，在鍋爐無人值守的狀態(tài)下仍可保證照常運(yùn)行，這種裝置在原有鍋爐和新安裝的鍋爐中均能通用，監(jiān)測時(shí)只需在鍋爐重要元件部位加裝傳感器等必要裝備即可使用。但在加裝過程中需對傳感器安裝的可行性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、傳輸方式的穩(wěn)定性有充分考慮。若采用將數(shù)據(jù)采集模塊直接并入到儀表信號端的接線方式，雖然可對實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，但所采集到的數(shù)據(jù)信號強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)衰減，因此這種接線法實(shí)用性較低。經(jīng)實(shí)地調(diào)查，本次研究所采用的接線法為信號分配法，配置一入兩出隔離器，將信號分為兩路：一路傳輸給現(xiàn)場儀表；一路連接到數(shù)據(jù)采集器。通過串行通信線將數(shù)據(jù)傳送至GPRS模塊，再以無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。

2.2 監(jiān)測現(xiàn)狀

目前，我國工業(yè)鍋爐設(shè)備存在許多弊端，例如自動(dòng)化、機(jī)械化程度較低，且能耗大、對大氣造成嚴(yán)重污染，同時(shí)鍋爐技術(shù)人員操作水平和綜合素質(zhì)良莠不齊，缺乏積極的責(zé)任心，對爐內(nèi)壓力、溫度、水位等非線性動(dòng)態(tài)參數(shù)缺乏嚴(yán)格監(jiān)控，極易導(dǎo)致安全事故。從現(xiàn)有的監(jiān)測平臺或手段來分析，受限于工業(yè)鍋爐數(shù)量、容量、分布散點(diǎn)等因素影響，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)所有工業(yè)鍋爐基本運(yùn)行信息和安全節(jié)能信息數(shù)據(jù)得不到全面監(jiān)測和獲取，無疑增加了安全監(jiān)察和能耗測定等工作的難度。

衡量鍋爐是否達(dá)到國家要求的節(jié)能運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，常規(guī)檢測方法為現(xiàn)場能效測試，由測試人員根據(jù)結(jié)果開出評定書，并提出改進(jìn)效能的方案。由于鍋爐運(yùn)行過程符合非線性動(dòng)態(tài)特征，大部分鍋爐在采取整改方案后，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行又會(huì)出現(xiàn)能效降低的現(xiàn)象。此外，在能效測試過程中通常以人工現(xiàn)場記錄的方式為主，可能會(huì)存在漏記、錯(cuò)記等狀況，影響鍋爐動(dòng)態(tài)參數(shù)的準(zhǔn)確性和有效性。因此要讓鍋爐長期保持最佳能效運(yùn)行，必須加強(qiáng)日常安全與節(jié)能數(shù)據(jù)監(jiān)測，并按周期對運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)整。

3 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件技術(shù)方案

以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為主導(dǎo)的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)是解決鍋爐監(jiān)測數(shù)據(jù)失真的關(guān)鍵方案，通過在鍋爐運(yùn)行現(xiàn)場安裝傳感器，將運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)傳送至遠(yuǎn)程管理平臺后可進(jìn)行深入分析計(jì)算，并對鍋爐安全性能以及能效指標(biāo)進(jìn)行有效評價(jià)，以互聯(lián)網(wǎng)平臺為載體，發(fā)布鍋爐的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)運(yùn)行情況。本次研究所采用的硬件技術(shù)方案包括以下元件：開關(guān)信號采集裝置、模擬信號采集裝置、UPS電源裝置、網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置、存儲裝置、通信裝置、電源轉(zhuǎn)換裝置、報(bào)警裝置、PLC微控制器、傳感器。接線方式為：開關(guān)信號采集裝置的輸出端與輸入端分別連接鍋爐PLC微控制器和控制柜；模擬信號采集裝置的輸出端與輸入端分別連接傳感器和PLC微控制器，電源轉(zhuǎn)換裝置、存儲裝置、通信裝置、報(bào)警裝置均連接到PLC微控制器；UPS電源裝置分別與電源轉(zhuǎn)換裝置的輸入端和傳感器電源連接；通信裝置與網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置互連。

3.1 元件細(xì)分類別

3.1.1 在鍋爐現(xiàn)場環(huán)境中，傳感器又包括位于爐尾煙道口的煙氣測溫傳感器、測氧傳感器，位于出汽口的蒸汽測壓傳感器，位于蒸汽管道上的蒸汽測溫傳感器和流量傳感器，位于給水管道上的水溫傳感器以及鍋爐房內(nèi)的室內(nèi)溫度傳感器。

3.1.2 模擬信號采集裝置包括I/V轉(zhuǎn)換電路、防干擾信號的濾波電路以及線性光耦隔離電路。

3.1.3 開關(guān)信號包括綜合報(bào)警信號、超水位報(bào)警信號、水位不足報(bào)警信號、運(yùn)行信號、大火和小火燃燒信號、壓力負(fù)荷信號，通過開關(guān)信號采集裝置從鍋爐控制系統(tǒng)內(nèi)的接觸器和繼電器提取相關(guān)的開關(guān)信號。

3.1.4 存儲裝置包括存儲鍋爐實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的內(nèi)存卡（SD卡或TF卡）以及接口電路。

3.1.5 通信裝置包括連接網(wǎng)絡(luò)的傳輸裝置和主控器通信接口電路。

3.1.6 報(bào)警裝置包括報(bào)警電路和LED顯示電路。

3.1.7 電源轉(zhuǎn)換裝置包括降壓穩(wěn)壓電路、去耦電路、電壓檢測線路。

3.2 數(shù)據(jù)采集裝置選型

按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對各方面進(jìn)行綜合考慮后，本次研究決定選用DAM3059數(shù)據(jù)采集裝置，該裝置有8路模擬信號輸入，輸入信號既可以是電壓信號，也可以是電流信號，通信接口設(shè)為RS-485，在輸入、電源、通信等方面均做了完善的保護(hù)措施，保證裝置能正常穩(wěn)定地運(yùn)行。該裝置有體積小、便于安裝調(diào)試的優(yōu)勢，能有效滿足現(xiàn)場信號實(shí)時(shí)采集的需求，并可與監(jiān)測中心通信，保障鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行安全。

3.3 無線通信裝置

由于鍋爐設(shè)備分布地點(diǎn)較為分散，采用有線通信有一定的局限性，GPRS無線通信具有建設(shè)周期短、維護(hù)簡單的優(yōu)點(diǎn)，對鍋爐系統(tǒng)的安全與節(jié)能要求進(jìn)行分析后，本次研究選用CM3160EP GPRS DTU作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信模塊，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。該裝置可提供RS-485、USB、TTL等接口，能直接連接到客戶端串口或USB，且支持雙數(shù)據(jù)備份，具備傳輸穩(wěn)定、鏈路通暢、終端永久在線的優(yōu)勢。

3.4 設(shè)備控制

3.4.1 D/A轉(zhuǎn)換。主要用于將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，實(shí)現(xiàn)外部變頻器的控制，系統(tǒng)所采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，變頻器控制的電流信號輸出通常以4～20mA為準(zhǔn)，輸出通道電壓信號以MAX521為準(zhǔn)，采用電流變送器AD694構(gòu)建電流信號輸出通道，輸出0～10mA和4～20mA的量程電流。

3.4.2 A/D轉(zhuǎn)換。壓力和水位傳感器均采用接觸式傳感器，由于導(dǎo)電性受水和金屬的接觸影響，鍋爐長期使用會(huì)存在諸多水垢，降低傳感器導(dǎo)電性能，水位與電極接觸時(shí)，電壓波動(dòng)幅度較大，在對水位進(jìn)行測量時(shí)將開關(guān)量信息作為判斷電極導(dǎo)通情況的標(biāo)準(zhǔn)并非完全精確，因此通過A/D轉(zhuǎn)換器可將電極電壓模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以數(shù)字量大小對電極導(dǎo)通狀態(tài)進(jìn)行判斷。水位和壓力變送傳感器所傳送的模擬信號為4～20mA，數(shù)字信號則由單片機(jī)接收，因此需要通過I/V轉(zhuǎn)換將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號（1～5V），再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（A/D轉(zhuǎn)換），采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則以12位串行轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，0～4.095轉(zhuǎn)換值對應(yīng)0～5V的電壓模擬量。

4 監(jiān)測中心設(shè)計(jì)

4.1 鍋爐安全運(yùn)行控制

監(jiān)測中心控制臺屬于系統(tǒng)上位機(jī)程序，一方面，可通過RS485串行通信，接收下位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)（包括溫度、壓力值、水位狀態(tài)等），并將其保存在控制臺數(shù)據(jù)庫中，以LED顯示屏顯示；另一方面，可對數(shù)據(jù)采集通道進(jìn)行設(shè)置，例如變送器極限量程以及上下限位的報(bào)警設(shè)置，與下位機(jī)通信，對鍋爐運(yùn)行的安全性進(jìn)行有效控制。

4.2 網(wǎng)絡(luò)客戶端遠(yuǎn)程監(jiān)控

本地客戶端對上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)訪問可通過局域網(wǎng)進(jìn)行，訪問界面與控制臺界面類似，監(jiān)控人員通過網(wǎng)絡(luò)對GPRS數(shù)據(jù)接收服務(wù)器進(jìn)行訪問，準(zhǔn)確了解鍋爐運(yùn)行信息，由GPRS發(fā)送的鍋爐監(jiān)測數(shù)據(jù)可通過遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行多點(diǎn)處理，通常情況下可處理10個(gè)或更多的設(shè)備信息數(shù)據(jù)，且客戶端能提供地圖功能（GIS），能有效提升鍋爐使用單位的多點(diǎn)監(jiān)測能力。

5 結(jié)語

本文對通用型工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行了研究，提出了無線數(shù)據(jù)傳輸、傳感器多點(diǎn)監(jiān)測的優(yōu)化措施。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，本次研究所提出的采集裝置設(shè)計(jì)有很強(qiáng)的通用性，廣泛適用于各個(gè)類型和品牌的工業(yè)鍋爐，無論鍋爐主控器通訊協(xié)議是否開啟，均可精確采集到鍋爐運(yùn)行安全和能耗的實(shí)時(shí)參數(shù)，并傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺，實(shí)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行的精準(zhǔn)控制。

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作者簡介：唐艷芬（1981-），女，湖南益陽人，湖南省工業(yè)設(shè)備安裝有限公司工程師，研究方向：電氣自控。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）