摘 要：为了解决工业锅炉由于量多面广而不便监管、自 控 水 平 低、能耗及污染较高等问题，在分析总结工业锅炉使用现状的基础上，研究利用物联网和云计算等新技术对工业锅炉的运行状态进行远程自动监测，提 出 工 业锅炉物联网的架构模型和云计算模型，给出了锅炉能耗、热效率等关键参数的监测和软测量方法。针对锅炉监管、测试、使用、制造和节能服务等环节，给出了对应的解决方案，为降低能耗、减少污染物排放提供了一种新思路。
关键词：物联网;云计算;工业锅炉;节能减排;软测量
0 引言
工业锅炉作为工业领域的能源转换特种设备，在生产和生活中占有很重要的地位，是除发电锅炉之外的第二大煤炭消耗大户，数量上约占锅炉总量的85%。工业锅炉主要用于工业生产与采暖，大多为低参数、小容量锅炉，因此热效率较低，其中燃煤锅炉居多，约占工业锅炉总量的65%。工业锅炉总体技术水平落后，主要表现在：①除尘与脱硫技术水平低，燃煤锅炉污染物排放高;②自动控制水平低; ③锅炉用煤质量不稳定，不能满足锅炉设计要求;④ 锅炉节能工作监督和管理体系不完善，仍处于碎片化管理阶段[1-3]。
赵钦新等[2，4]认为工业锅炉节能减排工作缺乏具体方案和目标，现状不容乐观，尤其在运行状况监测诊断、自动调节和控制以及工业锅炉运行科学管理等方面存在如下诸多问题：
(1)人 工业锅炉运行管理人员和操作人员水平参差不齐，节能减排意识淡薄。
(2)料 煤炭工业一直未能实现工业锅炉燃煤的分类与分质供应，造成锅炉燃烧非设计煤种，使锅炉性能偏离设计值。
(3)炉 工业锅炉燃料和配风不均匀，对于变化剧烈的煤种缺乏有效的燃烧调节技术，炉渣含碳量过高，锅炉排烟温度过高。
(4)机 辅机与锅炉本体不匹配，普遍处于高消耗、低输出的状态，能源浪费严重。
(5)控 指监测、诊断和控制。
工业锅炉自控水平低，不能根据需求及时调节其燃烧和运行状态来适应实际工况。因此，监测诊断和自动控制涉及工业锅炉的软件和硬件，是目前节能减排的关键。
杨婷婷等[5]提出锅炉节能优化主要集中在锅炉监测与诊断、数据驱动的运行优化、锅炉燃烧优化等方面。其中锅炉燃烧优化技术可以分为三类：第一类优化技术通过在线检测影响锅炉燃烧的重要参数，如烟气含氧量、飞灰含碳量等，指导运行人员调节锅炉燃烧，实现锅炉的燃烧优化，这类优化技术现已占据了主导地位;第二类优化技术在集散型控制系统(DistributedControlSystem，DCS)层面，通过采用先进的控制逻辑、控制算法或人工智能技术，实现锅炉的燃烧优化;第三类燃烧优化技术在设备层面，通过燃烧器、受热面等设备的改造实现锅炉的燃烧优化调整，这种技术比较成熟。
多数工业锅炉 配 有 仪 表 控 制 系 统 或 DCS控 制系统，但一般都不完全具备热工参数和排放参数的在线监测、在 线 诊 断、系统自动调节和系统控制功能，因此在此方面还有很大的改进空间。另外，工业锅炉存在数量多且分散的情况，其节能减排需要多方面新技术和生产模式的支持。
物联网(InternetofThings，IoT)于1999年由麻省理工学院提出，目前业界普遍认可的物联网是指利用 射 频 识 别 (RadioFrequencyIdentification，RFID)、全球定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS)，以及传感器、执行器等智能装置对物理世界的声音、图像、光、热、化学和位置等信息进行感知识别，依托通讯网络进行传输和互联，利用计算设施和软件系统进行信息处理和知识挖掘，实现人与物、物与物的信息交互，进而达到对物理世界的感知识别、实时控制、精确管理和科学决策[6-7]。物联网已成为当前世界新一轮经济和科技发展的战略制高点之一，被称为是继计算机和互联网之后的第三次信息技术革命，越来越多的政府部门、研究机构和企业关注物联网、研究物联网、投资物联网[8-11]。物联网会产生大量数据，需要大规模的计算平台作为支撑，而云计算可以处理海量数据，能够满足这种要求。云计算是一种计算模式，服务器、存储、数据、应用等计算资源以服务的方式提供给用户，并可以被迅速使用与释放。它 将 数 据 与 服 务 共 享 计 算 模 式 有 机 结合，是未来计算模式的发展方向。这些特点有助于实现工业锅炉物联网的低成本和智能化应用[12]。
现阶段已有一些关于锅炉物联网的研究：张士海[13]将物联网引入电厂，实现了传感数据的汇聚和转发，并与现有的互联网进行整合，对物联网络内的人员、设备和基础设施实行实时管控，以更加精细和动态的方式管理电厂生产和经营，从而提高资源利用率和生产力水平;揭骏仁[14]以电厂的环境监测任务为中心，设计了智慧电厂的物联网环境监测平台，主要 监 测 对 象 为 SO2、NOx、烟 雾 粉 尘 等 污 染 性 气体，在无线传感网络数据库思想的基础上，利用节点自身的存储和处理能力，以查询的方式实现感知信息的获取;李飞翔等[7]研发了一种以物联网为架构、以Zigbee为通讯的锅炉能效测试集成系统，实现了现场测试数 据 自 动 采 集、无 线 传 输、数 据 处 理 等 功能，降低了测试人员的劳动强度，提高了工业锅炉能效测试的科学性和可信度;彭彬等[15]提出一种基于无源超高频电子标签，可以实现人员的连续定位，并提供基于位置的服务，从而构建变电站内可移动式定位系统。另有报道：某市特种设备检测研究院“锅炉节能远程监测”项目运用物联网技术，对工业锅炉开展能效测试、节能诊断、管理节能和技术改造，使该市在用锅炉 整 体 能 效 提 高3%，每 年 节 约 标 煤 约24×104t，年减少 SO2 排放3600t，从而有效降低了该 地 区 空 气 中 PM2.5的 浓 度，达 到 改 善 空 气 质量、减少污染排放、促进节能减排的目的[16]。
本文针对工业 锅 炉 使 用 分 散、不 便 监 管、控 制技术水平低、污染 物 排 放 较 高 的 情 况，研 究 利 用 物联网和云计算技术 对 工 业 锅 炉 的 运 行 状 态 和 排 放物进行远 程 自 动 监 测，提出锅炉节能 减排的物联网架构模型和云 计 算 模 型，并 分 析 锅 炉 的 能 耗、热效率等数据的监 测 和 软 测 量 方 法，面 向 锅 炉 监 管、测试、使用、制造和节能服务等 不同环节，给 出 了对应的解决方案，为 降 低 能 耗、减 少 污 染 物 排 放 提供了一种新思路。
1 工业锅炉物联网架构分析
1.1 工业锅炉物联网应用框架
工业锅炉物联网应用框架如图1所示，借助该工业锅炉物 联 网 平 台，可以实现制造企业、使 用 单位、测试机构、监管机构、节能服务机构等多种机构的多元共治。初级阶段的应用支持锅炉运行状态、当前能耗、排放物的在线监测等内容，高级阶段的应用可以支持工业锅炉运行数据分析、在线控制和性能优化等。
1.2 工业锅炉物联网架构模型
关于物联网的体系架构，学术界在层次数目及划分上有诸多不同观点，本文采用感知层、网络层和应用层3层架构模型[17-18]，如图2所示。
1.2.1 感知层
感知层相当于人的眼、耳、鼻、舌等器官，由各种传感器和传感器网关构成，包括：NOx，SO2，CO2，CO等浓度传感器;温度、压力和流量传感器;RFID标签和读写器、图像采集等感知终端。其主要功能是识别物体和采集信息，包括锅炉的燃料、送风、给水、蒸汽以及排烟温度、烟气含氧量等参数。传感器解决的是上行的感知和监测问题，要实现控制，还需要下行的执行器，实现完整的管控一体化[19]。
1.2.2 网络层
网络层支撑感知层信息的传递、路由和控制，为物联网人与物、物与物通信提供支撑，相当于人的神经中枢由有线和无线通信网、网络管理系统等组成。有线通信可分为短距离的现场总线和中、长距离的广域网络。现场总线种类繁多且已大量部署，难以通过一个统一的通用网络协议标准化，一般需要物联网软件、中间件通过软件总线加适配器的方式实现高效率的互联互通。无线通信可分为长距离的无线广 域 网(GlobalSystemfor MobileCommunica-tion，GSM;CodeDivision MultipleAccess，CD-MA;TimeDivision-SynchronousCodeDivisionMultipleAccess，TD-SCDMA)、中距离的无线城域网、短距离的无线局域网(WirelessLocalAreaNet-work，WLAN)和 无 线 个 域 网 (WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN)。几种常用的短距离无线通信标准有 RFID，WIFI，Zigbee，Bluetooth等。
1.2.3 应用层
应用层是物联网与工业锅炉用户的接口，它与行业需求相结合，可实现工业锅炉物联网的智能应用，其作用相当于人的大脑，需要实现三大功能：① 基于数据大集成的上行数据采集，实现物的监测;② 下行的指令下发，实现控制，但以监测为主、控制为 辅;③数据大集成以后的数据存储管理和数据挖掘应用。数据挖掘(datamining)是一些能够实现物联网智能化、智慧化的分析技术和应用的统称，包括数据挖掘和仓储(datawarehousing)、决策支 持(deci-sionsupport)、商业智能(businessintelligence)、报表(reporting)、联 机 分 析 处 理 (On-lineAnalyticalProcessing，OLAP)在线数据分析工具等[19]。
1.3 工业锅炉物联网的云计算模型
工业锅炉物联网运行会产生大量的数据，传统 的 硬 件 架 构 服 务 器 很 难 满 足 数 据 管 理 和 处 理要 求，因 此 需 要 一 个 大 规 模 的 计 算 平 台 作 为 支撑，而云计算本质上是一个用于 海量数据处理的计 算 平 台，能 够 满 足 这 种 要 求。云 计 算 按 需 提 供弹 性 资 源，其 表 现 形 式 为 一 系 列 服 务 集 合，主 要分 为 基 础 设 施 即 服 务(InfrastructureasaService，IaaS)、平 台 即 服 务 (PlatformasaService，PaaS)和 软 件 即 服 务 (SoftwareasaService，SaaS)三 种服 务 模 式，如 图 3 所 示。 其 中：IaaS为 用 户 提 供实 体 或 虚 拟 的 计 算、存 储 和 网 络 资 源，在 使 用 时，用 户 需 要 向IaaS层 服 务 提 供 商 提 供 基 础 设 施 的配 置 信 息、运行于基础设置的程 序代码以及相关的 用 户 数 据;PaaS是云计算应用程序的运行环境，提 供 应 用 程 序 部 署 与 管 理 服 务，通 过 PaaS层的 软 件 工 具 和 开 发 语 言，应 用 程 序 开 发 者 只 需 集中 于 代 码 和 数 据 即 可，不 必 考 虑 底 层 的 服 务 器、操 作 系 统、网 络 和 存 储 等 资 源 的 管 理;SaaS是 基于云计算平台所开发的应用程序，直 接 面 向 最 终的 企 业 用 户，可 以 通 过 租 用SaaS层 服 务 的 方 式 解决 企 业 信 息 化 问 题。
2 工业锅炉物联网监测参数与方法
2.1 工业锅炉的能耗分析与热效率
工业锅炉热损失包括以下几方面：①排烟热损失Q2，指烟气从锅炉排出时所带走的热量，是 锅 炉热损失中最主要的一项;②化学不完全燃烧热损失Q3，指烟气中有一部分可燃气体未燃烧放热就随烟气排除而损失掉的热量;③固体不完全燃烧热损失Q4，指进入炉膛的一部分燃料没有参与燃烧因而造成的热损失，对于燃煤层燃炉而言，Q4 由 灰 渣 热 损失、飞灰热损失和漏煤热损失三部分组成;④散热损失Q5，指工业锅 炉 的 炉 墙、金 属 结 构、烟 风 通 道、管道等外表温度高于周围环境温度而造成的热量损失;⑤其他热损失 Q6，包括燃煤锅炉灰渣物理热损失和冷却热损失，前者指燃煤锅炉中排出的灰渣具有较高的温度而带走的热量，后者指由于锅炉的某些部件采用冷却而造成一部分热量排出炉外。
工业锅炉的热平衡计算是为了建立输入锅炉的热量与有效利用热 Q1 和热损失 Q2，Q3，Q4，Q5，Q6之间的平衡，在热平衡的基础上计算锅炉效率和所需的燃料消耗量，公式表示如下：
Qr =Q1 +Q2 +Q3 +Q4 +Q5 +Q6。 (1)式中Qr 表示入炉热量，锅炉反平衡热效率通过测定锅炉各项热损失的方法来确定。燃烧固体燃料时，用百分数表示的计算公式如下：
η=100% - (q2 +q3 +q4 +q5 +q6)。 (2)对于液 体 燃 料，q2 =0;对 于 气 体 燃 料q4 =q6=0。
2.2 工业锅炉热工参数软测量
由于技术或经济上的原因，工业锅炉的一些参数难以实现直接在线测量。软测量技术通过选择一些容易测量的变量构成某种数学关系，推断或估计难以测量或者暂时不能测量的重要变量，以软件来替代硬件的功能。
排烟热损失 Q2 与 排 烟 温 度 Tpy和 过 量 空 气 系数α 有密切关系，因此将Tpy和α 作为软测量的输入变量;同样，固体不完全燃烧热损失 Q4 与炉渣含碳量CLZ有关，散热损失Q5 与炉体壁温 Tb 相关，因此将CLZ和Tb 分别作为Q4 与 Q5 的软测量输入。从而通过测定Tpy，α和炉渣含碳量基本得到锅炉的热效率η。
人 工 神 经 网 络 (ArtificialNeuralNetworks，ANN)是对人脑若干基本特征通过数学方法进行的抽象和模拟，是一种模仿人脑结构及其功能的非线性信息处理系 统，而 BP 神经网络将大量具有有限信息处理能力的人工神经元相互连接起来，能够处理复杂的信息。信息流由输入层逐级向下层传递，经过网络处理，由输出层输出。用于测量 Q2，Q4 和Q5 的 BP前馈网络如图4所示。
2.3 工业锅炉的节能监测内容、方法及指标
GB/T15317-1994《工业锅炉节能监测方法》适用于额 定 蒸 发 量 介 于0.7MW(1t/h)～24.5 MW(35t/h)之间的工业蒸汽锅炉和额定供热量大于等于2.5GJ/h的工业热水锅炉。监测方法如下：①锅炉监测测试应在正常生产实际运行工况下进行;② 监测时间从热工况达到稳定状态开始，应不少于1h;③监测所用仪表应能满足监测项目的要求，且功能完好，精度满足要求。一般监测测试项目有以下几类[21]：(1)排烟温 度 Tpy 在 工 业 锅 炉 末 级 尾 部 受 热面后1m 以内的烟道上取样，测温热电偶应处于烟道中心并保持密封性。(2)过量空 气 系 数α 在 工 业 锅 炉 末 尾 部 受 热面后1m 以内的烟道中心位置取样，并与测温同步进行。
3 工业锅炉物联网的应用
3.1 面向用户的应用
工业锅炉物联网面向用户的应用首先主要监测并记录设备运行历史数据，接收锅炉设备的运行故障报警信号并及时处理，以保证锅炉的安全、经济地运行。表1所 示 为 某 工 业 锅 炉 主 要 数 据 的 监 测 结果，数值为平均值。经初步测试可知，实现了对工业锅炉的远程监测，能够使锅炉效率提高6%～10%。
3.2 面向制造企业的应用
物联网的应用正在改变着传统工业锅炉制造业，随着制造业利润的降低，企业将从整个产品生命周期来考虑，其利益和价值链不仅局限在设计和制造环节，而且随着物联网的应用延伸到工业锅炉的远程监测、故障诊断、运行优化等管理环节。工业锅炉制造企业可以借此将出售锅炉的盈利模式转变为出租锅炉并提供后续服务的盈利模式。
3.3 面向测试机构的应用
锅炉使用单位每两年应对在用锅炉进行一次能效测试，通过对工业锅炉关键参数的在线监测和测量，结合由国家质监总局公布的在用锅炉能效测试机构(多数为特种设备检验机构)进行外部检验，可以及时获知其能效水平，并对锅炉的当前性能进行分析和评估，为锅炉改造和调整提供数据支持。按照《工业锅炉能效测试与评价规则》，对不符合节能要求的锅炉及其系统，检验机构应下达意见书，限期整改。
3.4 面向监管机构的应用
通过对工业锅炉的在线监测，监管机构可以获取辖区内的工业锅炉的基本数据信息，为行业管理和节能减排政策的制定与落实提供数据基础;及时发现安全隐患，便于实现安全的监管和运营;整体提高锅炉的信息化程度，更好地实现燃煤锅炉生产运行的管控一体化，并降低生产成本、管理成本和提高能源利用效率，从而达到节能减排的效果。
3.5 面向节能服务机构的应用
我国节能服务公司总体实力不强，规模普遍较小，技术力量薄弱，服务水平不高，大多数企业属于中小型民营科技企业，只能提供点对点式的节能服务。在用能企业对从节能诊断到节能项目设计、施工、运行和维护，特别是结合工业生产特点开展“一条龙”节能技术服务上有巨大的市场需求。工业锅炉在线监测的实施为第三方节能服务机构提供了所需的数据支撑，通过分析锅炉的运行情况，可以有针对性地实施优化和控制，达到节能减排的目的。
4 结束语
本文分析总结了工业锅炉的使用现状，利用物联网和云计算对工业锅炉运行状态进行远程自动监测，提出工业锅炉物联网架构模型，给出锅炉能耗、热效率等数据的监测和软测量方法，并分析了面向多种锅炉相关机构的不同应用，达到了节能减排的目的。不足之处在于：工业锅炉的自控水平较低，在初步实现远程监测和数据分析的基础上，还需要对工业锅炉的硬件进行改造，以实现真正意义上的锅炉自动优化控制。下一步将对采集的数据进行分析计算，通过锅炉自动控制系统调节相应的给煤、给水、送风等参数，最终实现锅炉的最优运行。——论文作者：仝 营，顾新建，纪杨建，岳 芳
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