基于燃氣鍋爐的熱管理模式提升探究

張愛君

（西安科技大學高新學院，陜西 西安 710109）

引言

工業供暖體系被應用于國民經濟的各個領域，作為我國社會各個領域普遍采用的熱工裝備，長期以來，傳統供熱大多數為粗放型管理模式，鍋爐運行效率低、成本高、環保不達標、安全問題突顯、故障不能及時解決，嚴重影響著燃氣鍋爐的經濟效益和安全性能[1]。隨著現代信息技術的發展與普及，云計算、大數據、物聯網、機器學習等技術逐漸滲透至傳統工業，工業鍋爐已具備智能化管理模式。

1 智能化管理模式建立的原則

基于傳統的工業燃氣鍋爐，通過加裝溫度、壓力傳感設備，數據采集以及控制設備。實現對主要設備及附屬設備和供熱管網系統的能耗的動態跟蹤與智能遠程控制，實施的具體原則有：

1.1 完整性原則

從數據采集、終端輪詢和響應機制的建立，到數據通道，數據分發和緩存，再到數據存儲，數據提取、查詢和界面展現，實現業務邏輯和數據流程上形成一個完整的閉環結構，同時具備和其他系統進行數據交換的開放功能。

1.2 先進性原則

熱智能管理平臺遵照面向客戶建設的大量最佳實踐性原則進行建設，并運用大規模持久性存儲技術、高性能緩存技術、高并發負載平衡技術以及動態前端頁面技術和圖形單元組合分析技術，共同構建一個高性能、高可用性的先進平臺。

1.3 高擴展性原則

功能擴展性，通過設計的模塊化架構，實現平臺功能上的靈活安裝及擴展；性能擴展性，通過建立服務器的底層集群支撐，以實現平臺性能上的動態擴展，當更大規模的系統數據和底層設備數據接入時，可以通過新增硬件設備，接入集群并簡單配置的方式來完成平臺性能的升級工作，避免復雜繁瑣的停機拆卸再組裝部署流程。

1.4 可靠性原則

熱智能管理平臺采用多服務器群組、負載均衡、異地容災備份、讀寫分離等有效機制，確保平臺無間斷工作，滿足工業領域對平臺穩定性的要求。

1.5 安全性原則

熱智能管理平臺將終端設備采集數據進行不同類型數據分離，同時支持采集數據傳輸到客戶獨立服務器，確保數據的安全性。私密數據將在數據庫中進行加密封裝，確保整個運行數據采集的安全性。這樣既保證了服務器與終端設備之間穩定可靠的通信基礎，也支持多個數據通道之間用戶自定義模版生成，并兼容各種類型的網絡防火墻，增強了系統網絡通信的安全性和穩定性。

1.6 靈活性原則

熱智能管理平臺可對接所有支持485接口MODBUS-RTU標準通信協議控制器和顯示屏。熱智能管理平臺可對數據靈活展現，對復雜的、個性的需求都能直接通過系統配置完。熱智能管理平臺采集規模可進行組合式拆解，不同容量的數據采集展示，只需增加相匹配的設備終端及授權即可。

2 智能化管理模式實現的主要目標

熱管理平臺以科學安全運維管理、方便操作應用、節能降耗為己任，最終達到以下目標：

1）現場設備運行數據進行上傳存儲，現場設備控制智能化運行，燃氣鍋爐能效核算及時展現，規范人人用能行為。

2）根據平臺數據，結合氣候條件補償，智能化調整供暖系統的運行。

3）建立有效、可靠的故障報警機制，同時根據故障原因作出相應的控制機制，降低二次災害。

4）提升對供暖系統運行的科學管理，有利于提高工作效率和信息化應用水平。

3 智能化管理模式建立的內容

功能設計是指在整個供熱系統的框架之下，嚴格遵循控制系統設計標準和設計原則的基礎上，根據設備運行特點和監控系統的功能要求，并考慮控制系統的科學性和先進性要求[2]。

熱管理平臺是整個供熱的數據中心和管理中心，所有設備的信息都集中存儲在云服務器中并應用和展示。在正常運行情況下，操作員可以在控制中心對具有遠程操控的設備進行監測和控制，如控制參數的設置和修改，啟動優化控制程序，采集能耗數據，建立節能分析報表等。主要內容有：

1）加裝智能恒壓補水控制系統，它的主要功能有：采集液位及壓力智能定壓控制補水泵；高液位時關閉軟化水出水閥、低液位時開啟軟化水出水閥；展示液位及壓力信息，故障報警信息提示（短信或者聲光）；相關數據上傳云平臺。通過對鍋爐軟化水箱加裝液位計，控制自來水進水總管電磁閥門，當液位低于設定值時，電動閥門開啟，向水箱補水，當液位高于設定值時，電動閥門關閉，停止補水，保證軟化水箱水位達到系統要求，實現自動化補水。自來水進水總管加裝遠程壓力表、監測自來水供水壓力，加裝智能遠傳水表監測鍋爐系統補水量。向系統管網進行自動補水，主要是對補水泵控制系統，通過系統管網壓力，調節補水泵的啟停，保證系統維持恒定的壓力。

2）加裝燃氣鍋爐控制監測系統，它的主要功能有：采集相關數據，提供控制方式；故障報警信息提示（短信或者聲光）；進行安全聯鎖設計；相關數據上傳云平臺。通過采集器采集燃氣鍋爐、鼓風機的運行狀態數據，并保存。如果燃氣鍋爐在運行的過程中發生故障，采集器將報警信息發送至管理云平臺，同時啟動相對應的控制手段減少鍋爐的損壞，并提供故障原因以便維護人員進行檢修。

3）加裝循環泵監控系統，它的主要功能有：控制二次循環泵啟停狀態；采集二次循環泵運行狀態和用能情況；故障報警信息提示（短信或者聲光）；進行安全聯鎖設計；相關數據上傳云平臺。

4）加裝氣候補償控制系統，它的主要功能有：根據室內外溫度自動調節一次出水溫度；根據天氣預報情況進行提前調節以及相關聯控機制；故障報警信息提示（短信或者聲光）；進行安全聯鎖設計；相關數據上傳云平臺。

5）加裝樓宇分時分區控制系統，它的主要功能有：根據建筑屬性進行分時分區控制；根據室內外溫度或者回水溫度進行自動調節；水平衡或者管網失壓故障報警信息提示（短信或者聲光）。

6）加裝管網管控與監測系統，它的主要功能有：安裝于干管的供回水管道，監測供暖熱量和供回水流量；根據供回水流量判斷干管管網是否存在跑冒滴漏現象；管網水力平衡調節功能；管網備用控制功能；管網產生爆管時，發出緊急報警信息，同時聯動該干管的循環泵停止；數據上傳云平臺。在干支管道加裝熱計量表、流量表，監測干支管道的熱量與流量。供回水流量是否一致。如果一致，管道無跑冒滴漏現象；如果不一致，根據差值判斷管道受損情況。并同時發送警報信息，關閉該支管到的閥門，減少二次災害。遠程控制單元平衡閥的運行，最終確保二網平衡，解決溫度不達標現象和節能降耗作用。

7）加裝視頻監控系統，它的主要功能有：燃氣鍋爐房內安裝視頻攝像頭，監測現場設備的運行工況，視頻監控設備數據接入智能化供暖管理云平臺，視頻展示至控制管理平臺界面。

4 智能化管理模式建立后的效益分析

熱智能管理平臺節能產品技術的應用，標志著供暖技術在實際應用中再一次創新性大提高，徹底改變了供熱采用傳統模式的方式，熱量利用率低，浪費嚴重，節能技術水平差的窘狀，為供暖利用節能技術的進步起到了積極有力的推進作用。

熱管理平臺的應用，將提高供回水的給水率、利用率和損失率，它的具體優點體現在技術先進、工藝合理、節能顯著、應用廣、投資少、見效快和效益可觀。與傳統供暖系統相比，除在高效、節能、節水、環保等方面處于領先地位外，在投資和運行費用方面，尤其在技術經濟效益方面更具有明顯優勢[3]。本文從以下幾方面進行分析：

4.1 氣候技術效益

以氣候補償系統作為效益對比條件，每升降1℃作為對比單元，以燃氣鍋爐對比能源設備進行節能效益計算。

根據氣候變化情況，變時定值調節鍋爐出水溫度，每降低調節一次出水溫度5℃，燃氣鍋爐每小時節能計算如下：

式中：C為比熱容，取4.2×103J/（kg·℃）；M為質量，取1 000 kg；△T為溫度變化量，取5℃。將數值帶入公式計算得Q=500 000 kcal。

燃氣的熱轉換率約為70%，每立方燃氣燃燒釋放的最大熱量為8 500 kcal。

式中：Q放為燃氣燃燒時釋放的熱量，取8 500 kcal/m3；η為熱轉換率，取0.7。將數值帶入公式計算得Q有放=5 950 kcal/m3。

每噸水的耗氣量為：V=Q/Q有放=500 000 kcal/5 950 kcal/m3=84.03 m3。

民用燃氣的價格為2.05元/m3。

100 t熱水每降低5℃節省的費用為：84.03 m3×2.05元/m3=172.26元。

綜上可得一個供暖季的節能費用為：172.26元×8 h×120 d=3 165 369.6元。

4.2 分時分區技術效益

現在以一個沒有熱惰性的建筑物為例，假設它的室內溫度可以瞬間由20℃下降至8℃或由8℃上升至20℃，該建筑的夜間室內溫度設低周期8 h，則24 h的平均溫度為16℃。24 h的室內平均溫度比不使用分時分區控制技術時下降了4℃，每下降1℃計算可節能5%，則共節能20%。其節能效益分析如表1所示。

表1 燃氣鍋爐系統節能效益匯總表

運行費用節約計算如下：

節水646 kg/h，軟水價格為4.5元/t，則節水費用為0.646×4.5=2.91元/h；

節氣84.03 kg/h，燃氣價格為2.05元/m3，則節氣費用為84.03×2.05=172.26元/h；

節電3.3 kW/h，電費價格為1.0元/（kW·h），則節電費用為3.3×1.0=3.30元/h；

人員成本：2×12.5元/（人·h）=25元/h；

運行費用節約總計：203.47元/h。

通過上述節能計算可看到，提升熱管理模式可大幅度降低燃氣鍋爐運行費用。

5 結語

通過在線監測和云技術對燃氣鍋爐的熱效能進行智能化管理，將主要設備運行數據和管網運行狀態匯集至服務器，管理人員通過訪問PC端，了解供熱運行情況及能耗使用情況。再結合大數據云平臺的數據挖掘與分析，將為熱管理模式提供決策依據，同時實現節能減耗的目標。也為傳統工業發展找到新的突破口，將會促進傳統工業健康發展。