工業鍋爐智能控制混合云
案例概述
工業鍋爐，在我國國民生產生活中發揮著重要作用。隨著經濟的快速發展，我國正面臨著亟須解決的能源稀缺問題和環境污染問題。作為重點能耗設備，工業鍋爐能耗高、效率低的不足日益凸顯；而節能減排，正是現階段我國工業鍋爐使用過程中，面臨的重要挑戰。
目前工業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重，為了構建綠色生態文明社會，工業鍋爐的節能減排工作迫在眉睫。
工業設備上云是工業互聯網平臺建設和應用的重點、難點，也是切入點，意義十分重大。2018年7月工信部發布的《工業互聯網平臺建設及推廣指南》，提出要“實施工業設備上云‘領跑者’計劃”，并明確了四類十大重點工業設備，即以煉鐵高爐、工業鍋爐、石化設備為代表的高能耗設備，以柴油發動機、大中型電機、大型空壓機為代表的高通用設備，以工程機械、數控機床為代表的高價值設備和以風電、光伏為表的新能源設備。
工業鍋爐面臨著能效管理粗放、燃燒狀態不透明、安全隱患高和水質波動大等痛點問題。以和利時、解決方案企業積極探索基于工業互聯網平臺推動工業鍋爐上云，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化等新型應用服務，全面優化工業鍋爐運行方式，提升工業鍋爐運行效率。
2020年5月，國家市場監督管理總局（國家標準化管理委員會）發布《工業鍋爐能效限定值及能效等級》（GB24500-2020），并將于2021年6月1日起正式實施，這將加速推動工業鍋爐上云改造的步伐。預計到2025年，上云工業鍋爐將有望超過50%，工業鍋爐上云改造的市場空間將持續擴大。
我國是全球工業鍋爐生產應用數量最大、應用范圍最廣泛的國家，規模以上鍋爐生產企業有千余家，2021年1-2月全國工業鍋爐產量為54884.4蒸發量噸，同比增長59%。
我國工業鍋爐容量小、數量大、布點散、能耗高，各生產廠家、檢驗機構和監管部門對自己的鍋爐設備無法做到集中管理和控制，使得設備使用運行狀態不明，產品維護成本高，發生故障定位維修時間長，產品升級換代緩慢。推動工業鍋爐設備上云，可實時采集設備工況數據，結合大數據、人工智能等新興技術，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，實現設備集中管理控制，改善能耗水平和綠色生產水平，因而工業鍋爐上云的市場推廣空間巨大。
本案例中，基于團隊負責人和團隊成員以往在鍋爐熱能行業豐富的研究、開發和工程經驗，通過數值模擬技術和有關定制化軟件的開發，可以深入并可視化地再造出鍋爐/爐窯內部的物理場和化學場，從而為設備的改造提供科學依據。并且，通過上述分析，也能對鍋爐/爐窯的運行提供更科學的建議，從而降低運行能耗。
基于本項目團隊成員豐富的統計學和數據挖掘、機器學習的能力，針對鍋爐/爐窯系統的歷史數據庫進行分析建模，從而為工業用戶的大型裝備提供診斷能力和預警提示。更重要的是，基于數據統計分析的軟件開發，可為工業用戶的過程裝備節能提供直接的指導（如更改設定點、優化控制參數等），從而優化操作，降低能耗。
本案例的創新點在于“數值模擬+數據挖掘”雙輪驅動。首先，是鍋爐數值模擬程序的開發，對鍋爐系統進行數值模擬。團隊熟悉鍋爐等爐窯裝備從設計到運行的全過程，因此可以將其數值仿真做得相當逼真。其次，是爐內化學反應過程模型的開發，爐內的數值仿真一直是業內的難點，本案例針對爐窯的設計和運行特點，專門開發相關的用戶自定義程序模塊，獲得接近現場實測結果的高逼真模擬結果。第三，是爐窯系統關鍵參數的預估模型開，通過歷史數據分析建模，對鍋爐負荷、煙氣溫度等關鍵參數進行模型預估，給現場調節手段（燃料、水位等）以相應的預測值作為提前量，為爐窯系統的順行和節能提供重要的手段。最后，是多變量優化節能模塊的開發，基于最優化算法，在一定的上下限范圍內進行參數尋優計算，最終獲得適應各種復雜約束條件下的一整套最優化的參數控制策略。該優化模塊的開發將為鍋爐的節能提供強大的控制手段。
應用場景
場景1：解決工業鍋爐能效管理粗放問題
工業鍋爐是工業生產中必不可少的熱力能轉換設備，也是典型的高耗能設備。我國工業鍋爐的效率低下，實際運行熱效率往往低于理想熱效率，比國外先進水平低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以下燃煤工業鍋爐大多沒有配置有效除塵裝置，基本沒有脫硫脫硝設施，排放超標嚴重，偷排現象突出。構建了工業鍋爐六大系統在線監控管理系統。
場景2：解決工業鍋爐燃燒狀態不透明
煤粉燃燒過程工藝復雜，控制參量多，自動化控制技術復雜，實際操作以人工操作為主，大多數煤粉工業鍋爐尚未實現煤粉儲供、煤粉倉安全保護、爐膛安全檢測、負荷調節、在線吹灰控制的有機集成以及全自動運行。監控系統功能基本上處于本地集中運行監控，運行監控和生產管理之間及時通信網絡尚未連通，生產管理系統無法及時了解熱源廠實際生產情況。構建工業鍋爐先進燃燒控制系統。
來源：上海灝領科技集團有限公司
場景3：解決工業鍋爐安全隱患高問題
工業鍋爐是一種特種專業化設施設備，但是因為專業技術人員匱乏，缺乏對其性能與參數的專業性診斷，局部問題的存在很容易引發重大安全隱患。企業大多按照時間制定工業鍋爐檢修計劃，而非按照工業鍋爐的運行狀態制定鍋爐檢修計劃，這就直接加大了工業鍋爐出現故障的概率，大大降低了可用性。構建了工業鍋爐全面優化控制系統。
案例應用中價值效益體現在能源管理系統實施完成后，全面提升企業對產線的管控水平，實現能耗的精細化管理，節約成本，提高企業生產效益。主要包括以下方面：
第一，節約經濟成本，提高生產效益。由人工報表統計轉變為平臺全自動統計數據，極大提升了工作人員的工作效率，節約每年紙張費用。能源管理系統通過能耗可視化管理、能耗動態化監測從不同角度對能耗數據進行分析，及時發現能耗異常，根除能耗漏洞，減少能耗損失、降低運營成本，提高效益，實現可持續發展。
第二，實時監控運行數據，降低故障率。對工廠內關鍵的生產要素進行實時采集，全局收集設備觸覺數據。多角度、多方式展示設備的工作狀況和使用情況，提前對設備狀態進行預判分析，對異常行為進行提前預警，減少設備故障率60%。
第三，打通系統間數據孤島，提高管理效率。能源管理系統是一個綜合信息化管理平臺，將所有分散的能源子系統進行統一的數據采集、存儲。通過集中監視頁面、集中報警中心等實現能源管控的集中化管理，通過比對生產車間、用能設備的能源投入產出比，挖掘各用能子系統的效能指標，持續不斷地為管理人員提供合理的運行調節建議。
案例總結
平臺部署靈活并支持敏捷開發。本項目可部署在私有云或混合云平臺，滿足企業對數據私密性的要求。同時，平臺功能支持模塊化可配置，開放二次開發接口，當企業生產流程發生變更時，可隨時根據實際場景進行業務流程改造。
降本增效綜合實施效益顯著。一是節省能源成本。基于能源管理系統，調度人員可以有效地平衡能源系統的最大負荷，一年電費支出降低10%。二是提高能源二次利用率。對天然氣、蒸汽等可二次利用能源的管理，提高天然氣的使用效率15%。三是降低設備故障率。系統將設備運行狀態數據進行實時上報，提前預判設備運行故障，降低設備故障率40%。四是減少人力投入，通過系統的遠程數據監測和控制，可減少廠區10%的巡檢人員。
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