工業(yè)設(shè)備上云是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè)和應(yīng)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(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè)及推廣指南》，提出要“實施工業(yè)設(shè)備上云‘領(lǐng)跑者’計劃”，并明確了四類十大重點工業(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)動機、大中型電機、大型空壓機為代表的高通用設(shè)備，以工程機械、數(shù)控機床為代表的高價值設(shè)備和以風(fēng)電、光伏為表的新能源設(shè)備。
三年來，工業(yè)設(shè)備上云取得了重大進展，全國重點工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺連接的工業(yè)設(shè)備數(shù)量超過7300萬臺套，上云深度從狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷向預(yù)測預(yù)警、精準(zhǔn)運維演進。為幫助業(yè)界進一步明確不同工業(yè)設(shè)備上云面臨的痛點問題、應(yīng)用場景、實施路徑和推廣前景，賽迪智庫信息化與軟件產(chǎn)業(yè)研究所工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究室在調(diào)研40余家企業(yè)的基礎(chǔ)上，編制形成了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺+工業(yè)設(shè)備上云”系列研究報告。
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)波動大等痛點問題。以和利時、上海鍋爐廠等為代表的解決方案企業(yè)積極探索基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺推動工業(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)鍋爐運行方式，提升工業(yè)鍋爐運行效率。
痛點問題
01能效管理粗放
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(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。
02燃燒狀態(tài)不透明
煤粉燃燒過程工藝復(fù)雜，控制參量多，自動化控制技術(shù)復(fù)雜，實際操作以人工操作為主，大多數(shù)煤粉工業(yè)鍋爐尚未實現(xiàn)煤粉儲供、煤粉倉安全保護、爐膛安全檢測、負(fù)荷調(diào)節(jié)、在線吹灰控制的有機集成以及全自動運行。監(jiān)控系統(tǒng)功能基本上處于本地集中運行監(jiān)控，運行監(jiān)控和生產(chǎn)管理之間及時通信網(wǎng)絡(luò)尚未連通，生產(chǎn)管理系統(tǒng)無法及時了解熱源廠實際生產(chǎn)情況。
03安全隱患高
工業(yè)鍋爐是一種特種專業(yè)化設(shè)施設(shè)備，但是因為專業(yè)技術(shù)人員匱乏，缺乏對其性能與參數(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)大多按照時間制定工業(yè)鍋爐檢修計劃，而非按照工業(yè)鍋爐的運行狀態(tài)制定鍋爐檢修計劃，這就直接加大了工業(yè)鍋爐出現(xiàn)故障的幾率，大大降低了可用性。
04水質(zhì)波動大
工業(yè)鍋爐采用的天然水中由于含有鎂、鈣、氯等離子以及溶解氧，天然水進入鍋爐中在高溫、高壓條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鍋爐產(chǎn)生結(jié)垢、腐蝕以及汽水共騰等現(xiàn)象嚴(yán)重影響了鍋爐的導(dǎo)熱效率，增加了燃料的消耗，影響鍋爐的水循環(huán)，甚至導(dǎo)致爆炸事故的發(fā)生，嚴(yán)重影響了鍋爐的安全穩(wěn)定運行。
數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)水垢厚度達到3.0mm時，鍋爐燃料消耗增加20%以上，我國工業(yè)鍋爐大約有七十多萬臺，每年造成相當(dāng)巨大的資源浪費。當(dāng)前，我國鍋爐水質(zhì)合格率比較低，鍋爐內(nèi)受熱結(jié)垢現(xiàn)象比較普遍，每年因水處理問題造成的鍋爐事故數(shù)量正在逐年增加。
應(yīng)用場景
01鍋爐能效管理
工業(yè)鍋爐的能效管理是企業(yè)成本控制的重要方面，利用云平臺的工業(yè)機理模型和人工智能算法，對鍋爐能耗的智能管理與優(yōu)化，可有效降低企業(yè)成本。一是能效數(shù)據(jù)的采集。實時采集排煙溫度、爐膛出口氧量、燃燒器噴口風(fēng)速、燃盡風(fēng)擋板開度等影響鍋爐熱效率和氮氧化物排放量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。二是鍋爐能效分析模型的構(gòu)建?；诠I(yè)鍋爐設(shè)備結(jié)構(gòu)和熱平衡模型，結(jié)合大數(shù)據(jù)算法和人工智能技術(shù)，構(gòu)建工業(yè)鍋爐能效分析模型，分析影響鍋爐節(jié)能運行的排煙損失、不完全燃燒損失、散熱損失、燃料與給水等關(guān)鍵因素，動態(tài)分析鍋爐能耗水平。三是“感知—管控—再感知—再管控”的良性循環(huán)。一旦系統(tǒng)判斷某鍋爐處于高耗能運行狀態(tài)，便會自動發(fā)送報警信號，并直觀準(zhǔn)確地顯示造成該狀態(tài)的關(guān)鍵因素，管理人員可以及時調(diào)整優(yōu)化節(jié)能方案，實現(xiàn)“感知—管控—再感知—再管控”的良性循環(huán)。
例如，和利時在永泰源熱電公司部署鍋爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)，利用模糊控制、自動尋優(yōu)、機器學(xué)習(xí)、卡邊控制等技術(shù)，優(yōu)化鍋爐工藝操作和控制，實現(xiàn)鍋爐給煤、一次風(fēng)、二次風(fēng)的二維優(yōu)化，各項燃燒控制指標(biāo)波動比手動調(diào)節(jié)降低30%，減少氨水和石灰使用量3%以上，提高鍋爐效率2%以上，提高鍋爐的經(jīng)濟效益2%左右。東方國信構(gòu)建工業(yè)鍋爐的數(shù)字孿生體，基于在云端匯聚的工業(yè)鍋爐數(shù)據(jù)，對工業(yè)鍋爐進行工序協(xié)同、工藝優(yōu)化和能效管理，實現(xiàn)工業(yè)鍋爐綜合能效提升20%。
02鍋爐燃燒管控
鍋爐燃燒管控對鍋爐機組低負(fù)荷安全運行至關(guān)重要。影響鍋爐燃燒效率的因素很多，包括風(fēng)粉配合、一二次風(fēng)配比、送引風(fēng)配合、爐膛溫度等，如何將它們進行綜合調(diào)整和優(yōu)化，達到最佳配比，是鍋爐燃燒管控需要解決的問題。一是對制粉系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。制粉系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)包括磨煤機出口壓力、電流、料位、燃燒器風(fēng)粉溫度等;制粉系統(tǒng)的動作數(shù)據(jù)包括給煤機的給煤量，磨煤機冷熱風(fēng)、旁路風(fēng)等閥門的開度大小，一次風(fēng)機動葉調(diào)節(jié)閥位大小等。燃燒系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)包括主、再熱蒸汽溫度、壓力，減溫水流量，爐膛負(fù)壓，鍋爐氧量，排煙溫度，排煙含氧量，鍋爐效率，NOx含量等信息;燃燒系統(tǒng)的動作數(shù)據(jù)包括給水溫度、流量，減溫水流量，再熱煙氣擋板閥位，送、引風(fēng)機執(zhí)行器閥位，二次風(fēng)執(zhí)行器閥位等。二是鍋爐爐內(nèi)燃燒模型的構(gòu)建?；趥鹘y(tǒng)熱力學(xué)過程和化學(xué)反應(yīng)等機理，結(jié)合大數(shù)據(jù)算法和人工智能技術(shù)，構(gòu)建鍋爐爐內(nèi)燃燒模型。三是鍋爐爐內(nèi)燃燒模型的訓(xùn)練。使用歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鍋爐燃燒模擬器，再進行深度學(xué)習(xí)，評價當(dāng)前工況，既能模擬真實的燃燒過程，也可以用其探索燃燒控制優(yōu)化問題中的狀態(tài)及動作空間，彌補真實歷史數(shù)據(jù)的不足，最終得到當(dāng)前工況的鍋爐優(yōu)化控制方案，實現(xiàn)鍋爐內(nèi)著火迅速、燃燒完全，減少鍋爐各項熱損失，提高鍋爐效率。
例如，湖北三寧化工股份有限公司積極推動工業(yè)鍋爐上云，在2*75t/hCFB鍋爐上部署鍋爐汽機控制優(yōu)化軟件，在云端將專家策略、人工智能與鍋爐燃燒的實際情況相結(jié)合，優(yōu)化鍋爐燃燒，提高鍋爐運行的穩(wěn)定性和安全性，實現(xiàn)自動回路投入率大于99.16%，重要工藝參數(shù)工藝合格率大于99.94%。東方國信的鍋爐云平臺，通過機理模型和大數(shù)據(jù)分析算法，優(yōu)化NOx排放指標(biāo)，實現(xiàn)脫硝效率的最大化和經(jīng)濟效益的最大化，解決負(fù)荷波動時的鍋爐燃燒穩(wěn)定性，減少負(fù)荷波動，實現(xiàn)NOx排放達標(biāo)率≥99%，燃料消耗量降低8~12%。
03鍋爐健康管理
工業(yè)鍋爐在長期運行中，其性能和健康狀態(tài)不可避免的下降，如果不能及時發(fā)現(xiàn)其退化或異常，輕則造成設(shè)備失效或故障，重則造成財產(chǎn)損失和人員傷亡甚至環(huán)境破壞。一是鍋爐安全預(yù)警。采集工業(yè)鍋爐的溫度、壓力、液位等關(guān)鍵安全數(shù)據(jù)，并結(jié)合檢修數(shù)據(jù)，對工業(yè)鍋爐運行狀態(tài)進行實時動態(tài)監(jiān)測。結(jié)合鍋爐安全預(yù)警模型，一旦判定鍋爐安全異常，立即以電話、短信等形式向鍋爐管理員發(fā)出警示，指導(dǎo)處置。二是預(yù)測性維護。采集實時的鍋爐工況、歷史維修記錄、鍋爐維護的先驗知識等數(shù)據(jù)，利用人工智能技術(shù)，結(jié)合物理退化模型和經(jīng)驗退化模型，構(gòu)建鍋爐壽命預(yù)測和維修決策的預(yù)測性維護模型，及時檢測到設(shè)備異常并預(yù)測設(shè)備剩余使用壽命，設(shè)計合理的最優(yōu)維修方案，降低維修成本，減少停機時間。三是在線測量預(yù)警及調(diào)整。通過新增可靠性強、準(zhǔn)確度高的測量設(shè)備，監(jiān)測原有鍋爐未監(jiān)測的腐蝕相關(guān)數(shù)據(jù)，比如H2S濃度，HCl濃度，二噁英濃度等。將測量結(jié)果與燃燒機理結(jié)合，實時提供優(yōu)化調(diào)整建議;并建立測量結(jié)果與腐蝕速率之間的模型，對易腐蝕位置進行壽命預(yù)測及預(yù)警。
例如，上海鍋爐廠通過對鍋爐四管進行詳細(xì)分段，從壁厚磨損、高溫蠕變、氧化皮、應(yīng)力裂紋等四個維度進行了精確到鍋爐各管段的壽命模型，依托實際運行數(shù)據(jù)進行壽命預(yù)測，通過歷史檢修數(shù)據(jù)修正預(yù)測模型，目前鍋爐關(guān)鍵受熱面各管的壽命預(yù)測準(zhǔn)確率能到85%以上。
04水處理優(yōu)化
高效除垢是提高鍋爐傳熱效率、維護鍋爐安全運行的一項重要工作。水垢降低了鍋爐受熱面的傳熱效率，使鍋爐受熱面溫度升高，當(dāng)超過金屬所能承受的溫度時，金屬鍋筒、管壁等受熱面會發(fā)生鼓包、穿孔和破裂等事故，嚴(yán)重影響鍋爐安全運行，降低了鍋爐的使用壽命。一是實時監(jiān)測水質(zhì)。利用水質(zhì)在線監(jiān)測儀表等智能傳感器，實時采集鍋爐水的溶解氧、PH值、磷酸根、電導(dǎo)率、硅等參數(shù)，并上傳到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺上。二是水質(zhì)分析和決策。利用水處理控制模型，對水質(zhì)參數(shù)和水量進行智能分析，自動生成水質(zhì)優(yōu)化處理方案。三是智能加藥。輸出水質(zhì)優(yōu)化處理信號到鍋爐的上位機系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)，實時智能調(diào)節(jié)化學(xué)藥劑的添加濃度和劑量，達到最佳水處理效果。
例如，東方希望包頭鋁業(yè)對155MW機組鍋爐汽水加藥系統(tǒng)進行了智能化改造，將鍋爐實際運行數(shù)據(jù)上傳到云端，化學(xué)值班員在云端遠(yuǎn)程設(shè)定每臺鍋爐給水PH值，使給水PH值穩(wěn)定在9.2±0.1范圍內(nèi)，實現(xiàn)了汽水指標(biāo)的精準(zhǔn)控制。同時，原來8人四班三倒的工作模式，現(xiàn)在只需要1名化學(xué)值班員夜間監(jiān)測4次運行參數(shù)，大幅提升了勞動效率。
推廣前景
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59%。
我國工業(yè)鍋爐容量小、數(shù)量大、布點散、能耗高，各生產(chǎn)廠家、檢驗機構(gòu)和監(jiān)管部門對自己的鍋爐設(shè)備無法做到集中管理和控制，使得設(shè)備使用運行狀態(tài)不明，產(chǎn)品維護成本高，發(fā)生故障定位維修時間長，產(chǎn)品升級換代緩慢。推動工業(yè)鍋爐設(shè)備上云，可實時采集設(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)鍋爐上云的市場推廣空間巨大。
2020年5月，國家市場監(jiān)督管理總局(國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會)發(fā)布《工業(yè)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(yè)鍋爐上云改造的步伐。預(yù)計到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空間將持續(xù)擴大。
文 | 賽迪智庫信軟所工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究室 徐靖
（轉(zhuǎn)載）
