智慧用能云互聯平臺設計與研究

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(杭州市特種設備檢測研究院，杭州 310051)

0 引言

我國工業鍋爐既是耗能大戶，也是污染大戶，燃煤工業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%[1]。我國工業窯爐超過16萬座，集中在建材、冶金、化工及陶瓷等行業，年耗煤量3億噸。窯爐平均熱效率僅為40%，較國外低10%～30%[2]。且普遍規模小、裝備陳舊、技術落后、運行管理粗放。燃煤工業鍋爐及工業窯爐帶來的能源利用效率低下、環境污染嚴重問題已經成為影響我國經濟社會發展的制約因素。因此，在工業高耗能領域，抓住了燃煤工業鍋爐和高耗能工業爐窯，就抓住了工業節能減排的牛鼻子。

國家鼓勵采用合同能源管理等方式引導企業、社會資金加大投入力度，建立以市場為主的長效機制實施鍋爐節能技術改造。據文獻[1]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能改造；燃煤工業鍋爐平均運行效率在2013年的基礎上提高6%，形成年4000萬噸標煤的節能能力；減排100萬噸煙塵、128萬噸二氧化硫、24萬噸氮氧化物。因此，全國10噸/時以下燃煤鍋爐改造工程市場巨大。據文獻[3]，2014年底全國工業鍋爐年耗煤量為7.09億噸，10噸/時以下燃煤鍋爐耗煤量約占25%，到2018年將全部10噸/時以下的燃煤鍋爐進行高效鍋爐替代或節能改造，假設原煤價格500元/噸均價，改造工程中以每噸煤改造投資800～1000元，燃煤成本約占運營投入的60%計。據測算，2015～2018年，10噸/時以下燃煤鍋爐改造工程市場空間約為1418～1773億元，對應運營市場空間超過1478億元，具體見表1。若包含環保在內的節能改造，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

工業節能減排有一個現實瓶頸，即耗能設備量大面廣，用能分散，節能減排缺乏有效切入點。企業有意識和積極性，卻無法發現、診斷及改進，無從入手，而政府部門監管也缺乏有效支撐平臺。基于此，本文提出用“云平臺(工具)+工程技術中心(核心)”模式，整合分散用能產業鏈，做綠色智慧能源供應商。即：利用“互聯網+”思維，融“信息互聯、技術支撐、綜合服務”為一體, 建立智慧用能互聯網云平臺(互聯網+智慧鍋爐、爐窯)，將分散用能企業互聯互通，利用大數據整合產業鏈資源，并通過工程中心技術支撐及合同能源托管運營，使耗能設備安全、節能及環保運行。最終形成“互聯網+智慧鍋爐”——“云平臺”、“大數據”——“技術支撐”——“合同能源管理”——“鍋爐三位一體運行體系”閉環。此模式既有平臺，又有工程技術中心支持，開展實體項目。

1 互聯網云平臺設計

1.1 平臺構架

智慧用能互聯網云平臺采用B/S結構，用戶工作界面通過瀏覽器實現。平臺集傳感檢測、信號采集、數據轉換、遠程傳輸、平臺運算及診斷處置為一體，通過現場對耗能設備安裝各型傳感器或和采集終端，實現對實時檢測信號采集、編碼；并通過互聯網傳送至遠程管理平臺；經后臺軟件數據處理、模型運算，實現對耗能設備24小時在線監測；一旦有異常或者報警，平臺會及時發現，通過專家遠程診斷，監測人員以電話、短信等形式，向用戶發出警示，指導處置；最終，工程技術中心人員現場通過管理節能和技改節能等綜合服務方式，實現耗能設備持續高效綠色運行[4-7]。具體如圖1所示。平臺由監測對象、信號采集層、傳輸網絡、中心管理層和用戶應用層組成。監測對象包括工業鍋爐、熱電鍋爐和高耗能工業爐窯等。

圖1 云平臺B/S構架流程圖

1.2 平臺功能

平臺由綜合平臺、政府平臺、公眾平臺、企業平臺和碳排放平臺5個分支平臺組成，具備7大功能：1)在線監測，包含實時監測、GIS監測和Flash監測界面。2)故障診斷和報警，提供異常狀態信息、數據采集器運行信息等方面報警、處理和查詢，及時將信息推送到相關人員手機端，也支持Email、短信通知。3)歷史數據查詢，提供對同類型設備的數據對比和相關參數的關聯性對比分析，歷史數據可歸檔保存，也可直接打印。4)多級權限管理，在每個權限區域下可添加各種受限對象，使不同使用機構根據不同權限，信息分享。5)信息管理，包括用戶信息管、監測裝置在線管理和系統維護日志和操作日志管理。6)能耗統計發布，根據鍋爐運行效率、能耗指標等關鍵參數，對轄區內所有設備進行定期統計公布，可預留數據接口給平臺外。7)支持手機、Ipad等移動終端服務。

2 “平臺+中心”組成

“平臺+中心”運營模式由云平臺、運營團隊和工程技術中心組成，如圖2所示。具體如下：

圖2 “平臺+中心”運營模式聯通用能產業鏈

1)云平臺——千里眼。平臺通過安裝傳感器，采集運行數據，解決耗能設備運行效率低難發現的問題，使耗能設備長了千里眼。

2)運營團隊——智慧腦。平臺采集到的數據通過互聯網傳到平臺，進行在線監測，由運營團隊人員進行診斷和處置，解決耗能設備運行效率低難診斷的問題，使耗能設備長了智慧腦。團隊人員包括：監測人員、運行專家、測試人員、維護人員、研發人員、司爐人員和技改人員等。監測人員負責平臺日常巡查和運行管理；專家負責耗能設備異常信息診斷處置和節能技改的技術支撐，人員應由工業節能領域制造、使用、檢驗等單位的專家組成；測試人員負責耗能設備現場測試及診斷，為節能技改提出技術依據；維護人員負責平臺終端系統安裝調試與軟硬件設施維護；研發人員負責技術創新和平臺管理創新，不斷改進和完善平臺運營模式；司爐人員負責入網耗能設備的操作維護；技改人員負責節能環保技改項目。

3)工程技術中心——技術手。平臺通過管理節能和技改節能，并由工程技術中心幫扶，解決耗能設備運行效率低難改進的問題，使企業節能有了技術手。工程技術中心能夠整合人財物力和相關資質等優勢資源，為云平臺做技術支撐，為用能產業鏈各環節項目開展綜合服務，包括診斷評估、規劃設計、工程總包、投資建設、技術改造、運營管理、系統集成、技術研發及平臺管理等。

3 聯通用能產業鏈

3.1 用能產業鏈

工業用能領域上中下游產業鏈主要分為：1)上游產業，包括燃料供應商和設備制造商。燃料供應商提供固液氣燃料，包括煤炭、生物質顆粒、柴油、生物質柴油、水煤漿、管道天然氣、液化天然氣等；設備制造商提供鍋爐、工業爐窯、輔機及管網等設備。2)中游產業(核心領域)，包括工業用能單位、熱電公司、供熱公司等，用能設備包括工業鍋爐、熱電鍋爐、高耗能工業爐窯等。3)下游產業，包括合同能源管理公司、安裝改造維修公司和節能環保技術公司等。

目前工業用能產業鏈各節點短板為市場的碎片化和信息的片面化。雖然在各自領域都有優質企業，但市場碎片化，各自為戰，核心領域的用能單位數量眾多、分散在冶金、建材、石油、電力、化工、煤炭等各領域，參差不齊；工業用能信息片面，信息不對稱，耗能設備用能信息很難獲得，鍋爐等耗能設備運行信息往往掌握在相關監管機構手中。

3.2 聯通產業鏈

“平臺+中心”運營模式可利用平臺將分散用能單位有機鏈接，掌握用能信息、耗能設備運行信息及節能環保改造等大數據。整合使用領域業務空間，形成用能行業完整的上中下游產業鏈，具體如圖3所示。

圖3 軟件總體邏輯架構

1)對上游燃料供應商。通過平臺，可了解用戶燃料供應信息，通過整合燃料供應商，形成行業聯盟，并由平臺統一供應，降低燃料供應成本。

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

3)對用能單位(核心領域)。平臺24小時在線遠程監測，整合用能領域，掌握大數據。對正常運行設備，可掌握用能單位燃料供應信息、設備運行信息、維保信息及是否需技改等，并按需求提供給燃料供應商、設備制造商、節能服務機構或用能單位；需技改用能單位，由工程技術中心開展咨詢，做技術支撐。需能源托管用能單位，可有工程技術中心開展合同能源管理模式。

4)對服務機構。以上項目可依托技術中心職能或委托外協節能服務機構。

工程技術中心研發人員還可開展新技術研發，并將新技術反饋給平臺用能單位，形成良性循環。

4 “平臺+中心”運營模式

“平臺+中心”運營模式即為監測、巡查、調度和診斷處置為一體的運營模式，由平臺統一調度人員對耗能設備進行診斷處置，最終形成平臺發現、診斷分析、現場檢測、技改落實、高效運行為一體的監測與反饋的閉循環。運營模式如圖4所示，具體流程如下：

1)正常巡視工作。監測人員通過平臺對受監測設備進行日常巡視，對于正常運行(能效達標)的設備，監測人員通過大數據分析，了解用能單位燃料供應信息、設備運行信息、維保信息及是否需技改等，定期下載數據、歸檔，按需求提供給政府機構、燃料供應商、設備制造商、節能服務機構或用能單位。

2)異常報警處置。當監測人員發現某臺設備異常報警后，首先判定報警類型：

對于監測系統故障報警，監測人員通知維護人員進行檢修，排除故障，直至報警解除。

對于緊急類報警，如：超壓、低水位等，首先明確用能單位是責任主體，用能單位司爐人員應通過設備本體報警系統或用能單位權限登錄平臺排查報警，進行處置，消除隱患后方可運行。而平臺監測人員會通過電話、短信形式提醒用能單位相關人員，只具有輔助作用，同時平臺具有記錄報警信息(黑匣子)功能，為后續事故調查提供依據。

對于節能環保類報警，監測人員通過專家庫名單通知專家對報警進行診斷。當判斷不需到現場時，專家可遠程診斷，當判斷需到現場時，通知測試人員進行現場測試。測試結果熱效率確實偏低后，專家和測試人員根據測試結果提出診斷指導意見，指導用能單位進行節能整改。若為管理操作不當造成熱效率偏低的，可指導司爐人員優化運行來提高運行效率。若為設備本體問題，專家和測試人員則進行現場技術評價，評價結果有改造價值的，則建議用能單位進行技術改造，技術改造可由工程技術中心技改人員或委托相關節能服務機構承擔；評價結果無改造價值的，監測人員通知用能單位管理人員建議報廢新建用能設施。整改完畢，能效達標并能長期保持節能運行的設備，專家指導其申報相關節能獎勵。

5 項目研究進展

項目組運用信息傳感和互聯網技術，已開發了具有自主知識產權的鍋爐物聯網監測系統，創建了鍋爐物聯網監測智慧云平臺，并建立了日常巡視值班制度和診斷處置機制[8-10]。

5.1 軟件開發

1)數學模型。開發基于燃煤/生物質等固體燃料和基于燃油/氣等氣液燃料鍋爐熱效率數學模型和能效指標判定模型，模型采用效率正平衡和反平衡計算。燃料低位發熱量及固體燃料的灰分、飛灰含碳量、漏煤含碳量、爐渣含碳量等參數在線測量難度大，采用現場采樣，離線分析，結果輸入到模型中的方法，其余參數通過傳感器實時采集輸入。

2)嵌入式終端軟件。用C語言編寫，模塊化結構，用于嵌入式數據采集終端。軟件總體被分解為系統管理、顯示管理、人機接口、串行通信、開關量輸入、模擬量輸入和GPRS通信等任務，運行在μC/OS-II操作系統之上。具備參數檢測、標度變換、能效參數計算、自診斷、報警提示、數據通信、遠程配置及管理、人機交互等功能。

圖4 “平臺+中心”運營模式流程圖

3)平臺上位機軟件。用Java7語言編寫，模塊化設計，B/S 結構，能接入及處理海量鍋爐現場采集裝置能力，圖4所示為總體邏輯構架。總體邏輯架構分為采集層、傳輸層、存儲層、支撐層、應用層和表現層6個層次。包括綜合平臺、政府平臺、企業平臺和公眾平臺四大板塊，具備在線監測、報警、數據查詢、多級權限管理、配置管理、數據發布、手機操作七大功能。在線監測包括實時監測、GIS監測和Flash監測界面。實時監測顯示鍋爐啟停、水位、溫度、壓力、流量、煙溫等運行參數，并以數據列表形式展示；GIS監測配備GIS引擎，將實時信息直觀地呈現在Web頁面上，還可將鍋爐房可定位至地圖上相應位置；Flash監測對每臺鍋爐配備流程圖監測，所有運行實時動態參數可通過Flash界面展示。

4)專用數據傳輸通信協議。以TCP/IP網絡控制協議作為底層通信承載協議，規定了采集終端與云平臺間注冊、登錄、心跳、運行數據上報及查詢、終端參數配置及查詢、能效計算模型參數配置及查詢等發送接收的數據包格式。采集終端與監測平臺間通過傳輸網絡實現可靠數據傳輸，只要采集終端按此協議編碼，都能接入云平臺。此外，還包括采集終端身份識別碼(終端ID)和鍋爐編碼，終端采集與計算參數編碼等，圖5 所示為該協議通信數據包格式。

圖5 通信數據包格式

5.2 傳感器選型和裝置研制

1)傳感器選型。根據鍋爐運行工況所必須提取的參數信號，選取溫度、壓力、氧量、流量及水質等各型傳感器，包括O2傳感器、蒸汽壓力變送器、溫度傳感器、電流傳感器、渦輪給水流量計等。

2)水質硬度在線測控裝置。由試劑盒、注藥部分、攪拌部分、測定部分、給排水部分、控制模塊構成。能定期自動進行樣水的采集、攪拌和判斷等一連串測定動作，線測控采用比色分析法自動得出鍋爐給水硬度是否符合標準，并可根據水質硬度報警信號，及時控制水處理設備進行水處理運行及再生。

3)燃煤鍋爐斗式和皮帶輸送式稱重計量裝置。斗式裝置即在鍋爐斗式上煤設備基礎上改造并增加燃煤稱重部分與煤量計量控制柜。稱重部分由閘門、氣缸、稱重煤斗、稱重傳感器、固定支架、支撐翻邊構成，負責將斗煤稱重，并將測量信號傳輸給計量控制柜，進行計量、記錄，并將測量數值轉換成不同種類信號輸出，實現耗煤量自動稱重與計量。皮帶輸送式裝置，即拆除原斗式上煤設備，安裝皮帶輸送式上煤設備，并增加燃煤稱重裝置與煤量計量控制柜，從而實現皮帶輸送進煤方式的耗煤量自動稱重與計量。

5.3 采集終端硬件研制

1)通用型數據采集終端。采用外接傳感器結合PLC監測和采集，由采集、供電、PLC、視頻和通訊五組塊組成。采集組塊用于各類信號采集，供電組塊用于轉換電源及對終端各元器件進行供電，PLC組塊用于對各類信號進行匯總、編碼，視頻組塊用于采集鍋爐房視頻信號，通訊組塊用于信號傳輸。

2)嵌入式通用型數據采集終端。采用微控制器(ARM)構成PCB電路板方案，由微控制器、傳感器模塊、信號采集模塊、UPS電源模塊、電源轉換模塊、基本系統模塊、數據存儲通信模塊、顯示報警模塊和網絡傳輸裝置構成。帶光耦隔離的信號采集模塊能確保系統安全，大容量SD存儲卡、具備續航能力電源模塊能為鍋爐故障和事故調查提供可靠數據支撐。成本低，性價比高，適合于各類型、各品牌工業鍋爐。

3)交互型數據采集終端。傳統交互型終端在PLC和工控機基礎上設計而來，由觸控屏、數據采集器(PLC)、工控機、端子排、總開關、熔斷器、功率表、交直流轉換電源和無線網絡傳輸終端組成。便攜交互型終端基于PCB板，由ARM微處理器、LCD觸控屏、采集存儲模塊、電源模塊、GPRS通信模塊等組成，更具輕便和成本優勢。交互型終端具有信號采集、數模轉換、無線傳輸和人機互動功能，適用于多類型鍋爐的現場交互與司爐工培訓。

4)無線型數據采集終端。采用Zigbee技術研制，運行信號可通過無線傳輸(GPRS等方式)匯總到便攜式控制盒，再對信號進行數據收集、存儲。數據傳輸從“有線”改進成“無線”數據連接，并采用多個傳感器點布置一臺微型數據收發器，多個收發器統一將數據“無線”傳輸至便攜式采集通信器，實現了整個監測數據無線傳輸，無需安裝橋架、敷設電纜。

5.4 系統應用

目前，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/生物質鍋爐和4臺熱電鍋爐，并由一家能源公司負責日常維護運營。平臺運行期間，已協調5鍋爐企業安裝余熱回收裝置，解決排煙溫度過高問題；幫助43家企業解決生物質鍋爐燃燒不均、漏風嚴重、冒黑煙等問題；已成功消除20余次安全隱患，監測到上千次能效超標報警，成功幫助80余家企業節能。如通過物聯網監測系統，監測到杭州某食品公司二臺燃氣鍋爐的熱效率只有88.01%和88.37%，通過節能診斷，建議尾部煙道增加節能器，經過節能技改后，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，每年可節約天然氣47000m3，節約費用約20萬元。平臺大數據還為杭州市制定鍋爐產業政策和淘汰落后產能提供理論依據，為監管部門實施執法提供數據支撐。接下來，項目組還將在標準化體系建設、10 t/h以上工業鍋爐和高耗能爐窯數據接入覆蓋率、市場推廣上繼續該項目的推進。

6 總結

本文運用信息傳感和互聯網技術，設計智慧用能互聯網云平臺，并提出用云平臺結合工程技術中心的運營模式，整合分散用能產業鏈，做綠色智慧能源供應商。即通過互聯網+智慧鍋爐、爐窯，將分散用能企業互聯互通，利用大數據整合產業鏈資源，并通過工程中心技術支撐及合同能源托管運營，使耗能設備安全、節能及環保運行。研究已開發了具有自主知識產權的鍋爐物聯網監測系統，創建了鍋爐物聯網監測智慧云平臺，建立了日常巡視值班制度和診斷處置機制，并成功進行了軟件開發，傳感器選型和裝置研制及采集終端硬件研制等。在應用上，已有133臺在用鍋爐接入平臺，并取得良好社會效益和節能效果。