工業(yè)鍋爐智能控制混合云
案例概述
工業(yè)鍋爐，在我國國民生產(chǎn)生活中發(fā)揮著重要作用。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國正面臨著亟須解決的能源稀缺問題和環(huán)境污染問題。作為重點(diǎn)能耗設(shè)備，工業(yè)鍋爐能耗高、效率低的不足日益凸顯；而節(jié)能減排，正是現(xiàn)階段我國工業(yè)鍋爐使用過程中，面臨的重要挑戰(zhàn)。
目前工業(yè)鍋爐的污染排放量在全國居于首位，空氣受其影響被污染的程度十分嚴(yán)重，為了構(gòu)建綠色生態(tài)文明社會(huì)，工業(yè)鍋爐的節(jié)能減排工作迫在眉睫。
工業(yè)設(shè)備上云是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)和應(yīng)用的重點(diǎn)、難點(diǎn)，也是切入點(diǎn)，意義十分重大。2018年7月工信部發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)及推廣指南》，提出要“實(shí)施工業(yè)設(shè)備上云‘領(lǐng)跑者’計(jì)劃”，并明確了四類十大重點(diǎn)工業(yè)設(shè)備，即以煉鐵高爐、工業(yè)鍋爐、石化設(shè)備為代表的高能耗設(shè)備，以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、大中型電機(jī)、大型空壓機(jī)為代表的高通用設(shè)備，以工程機(jī)械、數(shù)控機(jī)床為代表的高價(jià)值設(shè)備和以風(fēng)電、光伏為表的新能源設(shè)備。
工業(yè)鍋爐面臨著能效管理粗放、燃燒狀態(tài)不透明、安全隱患高和水質(zhì)波動(dòng)大等痛點(diǎn)問題。以和利時(shí)、解決方案企業(yè)積極探索基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)推動(dòng)工業(yè)鍋爐上云，并開展鍋爐能效管理、鍋爐燃燒管控、鍋爐健康管理和水處理優(yōu)化等新型應(yīng)用服務(wù)，全面優(yōu)化工業(yè)鍋爐運(yùn)行方式，提升工業(yè)鍋爐運(yùn)行效率。
2020年5月，國家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局（國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)）發(fā)布《工業(yè)鍋爐能效限定值及能效等級(jí)》（GB24500-2020），并將于2021年6月1日起正式實(shí)施，這將加速推動(dòng)工業(yè)鍋爐上云改造的步伐。預(yù)計(jì)到2025年，上云工業(yè)鍋爐將有望超過50%，工業(yè)鍋爐上云改造的市場(chǎng)空間將持續(xù)擴(kuò)大。
我國是全球工業(yè)鍋爐生產(chǎn)應(yīng)用數(shù)量最大、應(yīng)用范圍最廣泛的國家，規(guī)模以上鍋爐生產(chǎn)企業(yè)有千余家，2021年1-2月全國工業(yè)鍋爐產(chǎn)量為54884.4蒸發(fā)量噸，同比增長(zhǎng)59%。
我國工業(yè)鍋爐容量小、數(shù)量大、布點(diǎn)散、能耗高，各生產(chǎn)廠家、檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)和監(jiān)管部門對(duì)自己的鍋爐設(shè)備無法做到集中管理和控制，使得設(shè)備使用運(yùn)行狀態(tài)不明，產(chǎn)品維護(hù)成本高，發(fā)生故障定位維修時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)品升級(jí)換代緩慢。推動(dòng)工業(yè)鍋爐設(shè)備上云，可實(shí)時(shí)采集設(shè)備工況數(shù)據(jù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)，開展鍋爐能效管理、鍋爐燃燒管控、鍋爐健康管理等智能服務(wù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備集中管理控制，改善能耗水平和綠色生產(chǎn)水平，因而工業(yè)鍋爐上云的市場(chǎng)推廣空間巨大。
本案例中，基于團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人和團(tuán)隊(duì)成員以往在鍋爐熱能行業(yè)豐富的研究、開發(fā)和工程經(jīng)驗(yàn)，通過數(shù)值模擬技術(shù)和有關(guān)定制化軟件的開發(fā)，可以深入并可視化地再造出鍋爐/爐窯內(nèi)部的物理場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)，從而為設(shè)備的改造提供科學(xué)依據(jù)。并且，通過上述分析，也能對(duì)鍋爐/爐窯的運(yùn)行提供更科學(xué)的建議，從而降低運(yùn)行能耗。
基于本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員豐富的統(tǒng)計(jì)學(xué)和數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)的能力，針對(duì)鍋爐/爐窯系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析建模，從而為工業(yè)用戶的大型裝備提供診斷能力和預(yù)警提示。更重要的是，基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的軟件開發(fā)，可為工業(yè)用戶的過程裝備節(jié)能提供直接的指導(dǎo)（如更改設(shè)定點(diǎn)、優(yōu)化控制參數(shù)等），從而優(yōu)化操作，降低能耗。
本案例的創(chuàng)新點(diǎn)在于“數(shù)值模擬+數(shù)據(jù)挖掘”雙輪驅(qū)動(dòng)。首先，是鍋爐數(shù)值模擬程序的開發(fā)，對(duì)鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬。團(tuán)隊(duì)熟悉鍋爐等爐窯裝備從設(shè)計(jì)到運(yùn)行的全過程，因此可以將其數(shù)值仿真做得相當(dāng)逼真。其次，是爐內(nèi)化學(xué)反應(yīng)過程模型的開發(fā)，爐內(nèi)的數(shù)值仿真一直是業(yè)內(nèi)的難點(diǎn)，本案例針對(duì)爐窯的設(shè)計(jì)和運(yùn)行特點(diǎn)，專門開發(fā)相關(guān)的用戶自定義程序模塊，獲得接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的高逼真模擬結(jié)果。第三，是爐窯系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的預(yù)估模型開，通過歷史數(shù)據(jù)分析建模，對(duì)鍋爐負(fù)荷、煙氣溫度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行模型預(yù)估，給現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)手段（燃料、水位等）以相應(yīng)的預(yù)測(cè)值作為提前量，為爐窯系統(tǒng)的順行和節(jié)能提供重要的手段。最后，是多變量?jī)?yōu)化節(jié)能模塊的開發(fā)，基于最優(yōu)化算法，在一定的上下限范圍內(nèi)進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)計(jì)算，最終獲得適應(yīng)各種復(fù)雜約束條件下的一整套最優(yōu)化的參數(shù)控制策略。該優(yōu)化模塊的開發(fā)將為鍋爐的節(jié)能提供強(qiáng)大的控制手段。
應(yīng)用場(chǎng)景
場(chǎng)景1：解決工業(yè)鍋爐能效管理粗放問題
工業(yè)鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的熱力能轉(zhuǎn)換設(shè)備，也是典型的高耗能設(shè)備。我國工業(yè)鍋爐的效率低下，實(shí)際運(yùn)行熱效率往往低于理想熱效率，比國外先進(jìn)水平低15%-20%，造成每年多消耗的煤炭約為兩億噸。
我國燃煤鍋爐占全國工業(yè)鍋爐總量的85%左右，燃煤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%。如，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。構(gòu)建了工業(yè)鍋爐六大系統(tǒng)在線監(jiān)控管理系統(tǒng)。
場(chǎng)景2：解決工業(yè)鍋爐燃燒狀態(tài)不透明
煤粉燃燒過程工藝復(fù)雜，控制參量多，自動(dòng)化控制技術(shù)復(fù)雜，實(shí)際操作以人工操作為主，大多數(shù)煤粉工業(yè)鍋爐尚未實(shí)現(xiàn)煤粉儲(chǔ)供、煤粉倉安全保護(hù)、爐膛安全檢測(cè)、負(fù)荷調(diào)節(jié)、在線吹灰控制的有機(jī)集成以及全自動(dòng)運(yùn)行。監(jiān)控系統(tǒng)功能基本上處于本地集中運(yùn)行監(jiān)控，運(yùn)行監(jiān)控和生產(chǎn)管理之間及時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)尚未連通，生產(chǎn)管理系統(tǒng)無法及時(shí)了解熱源廠實(shí)際生產(chǎn)情況。構(gòu)建工業(yè)鍋爐先進(jìn)燃燒控制系統(tǒng)。
來源：上海灝領(lǐng)科技集團(tuán)有限公司
場(chǎng)景3：解決工業(yè)鍋爐安全隱患高問題
工業(yè)鍋爐是一種特種專業(yè)化設(shè)施設(shè)備，但是因?yàn)閷I(yè)技術(shù)人員匱乏，缺乏對(duì)其性能與參數(shù)的專業(yè)性診斷，局部問題的存在很容易引發(fā)重大安全隱患。企業(yè)大多按照時(shí)間制定工業(yè)鍋爐檢修計(jì)劃，而非按照工業(yè)鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)制定鍋爐檢修計(jì)劃，這就直接加大了工業(yè)鍋爐出現(xiàn)故障的概率，大大降低了可用性。構(gòu)建了工業(yè)鍋爐全面優(yōu)化控制系統(tǒng)。
案例應(yīng)用中價(jià)值效益體現(xiàn)在能源管理系統(tǒng)實(shí)施完成后，全面提升企業(yè)對(duì)產(chǎn)線的管控水平，實(shí)現(xiàn)能耗的精細(xì)化管理，節(jié)約成本，提高企業(yè)生產(chǎn)效益。主要包括以下方面：
第一，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，提高生產(chǎn)效益。由人工報(bào)表統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)槠脚_(tái)全自動(dòng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，極大提升了工作人員的工作效率，節(jié)約每年紙張費(fèi)用。能源管理系統(tǒng)通過能耗可視化管理、能耗動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)從不同角度對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)能耗異常，根除能耗漏洞，減少能耗損失、降低運(yùn)營(yíng)成本，提高效益，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
第二，實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行數(shù)據(jù)，降低故障率。對(duì)工廠內(nèi)關(guān)鍵的生產(chǎn)要素進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，全局收集設(shè)備觸覺數(shù)據(jù)。多角度、多方式展示設(shè)備的工作狀況和使用情況，提前對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判分析，對(duì)異常行為進(jìn)行提前預(yù)警，減少設(shè)備故障率60%。
第三，打通系統(tǒng)間數(shù)據(jù)孤島，提高管理效率。能源管理系統(tǒng)是一個(gè)綜合信息化管理平臺(tái)，將所有分散的能源子系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)。通過集中監(jiān)視頁面、集中報(bào)警中心等實(shí)現(xiàn)能源管控的集中化管理，通過比對(duì)生產(chǎn)車間、用能設(shè)備的能源投入產(chǎn)出比，挖掘各用能子系統(tǒng)的效能指標(biāo)，持續(xù)不斷地為管理人員提供合理的運(yùn)行調(diào)節(jié)建議。
案例總結(jié)
平臺(tái)部署靈活并支持敏捷開發(fā)。本項(xiàng)目可部署在私有云或混合云平臺(tái)，滿足企業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)私密性的要求。同時(shí)，平臺(tái)功能支持模塊化可配置，開放二次開發(fā)接口，當(dāng)企業(yè)生產(chǎn)流程發(fā)生變更時(shí)，可隨時(shí)根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行業(yè)務(wù)流程改造。
降本增效綜合實(shí)施效益顯著。一是節(jié)省能源成本。基于能源管理系統(tǒng)，調(diào)度人員可以有效地平衡能源系統(tǒng)的最大負(fù)荷，一年電費(fèi)支出降低10%。二是提高能源二次利用率。對(duì)天然氣、蒸汽等可二次利用能源的管理，提高天然氣的使用效率15%。三是降低設(shè)備故障率。系統(tǒng)將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)上報(bào)，提前預(yù)判設(shè)備運(yùn)行故障，降低設(shè)備故障率40%。四是減少人力投入，通過系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和控制，可減少廠區(qū)10%的巡檢人員。
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