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热电行业利用软件管理实现节能降耗 * 张延青田喆冀刚高新友 青岛理工大学，山东 青岛 266033 摘要 热电行业是我国经济体系中的能耗大户、 污染大户， 如何在热电行业中做到节能减排、 清洁生产， 关系到我国的 可持续发展。利用软件技术在热电行业中实施清洁生产的管理， 实践中证明能实现节能降耗， 为同行业开展清洁生产 工作提供了新思路。 关键词 热电行业;清洁生产;软件管理 USING SOFTWARE MANAGEMENT TO SAVE ENERGY IN THERMOELECTRIC INDUSTRY Zhang YanqingTian ZheJi GangGao Xinyou Qingdao Technological University，Qingdao 266033，China AbstractThermoelectric industry consumes large amounts of energy and produces serious pollution in China ＇s economic system． How to achieve energy conservation and cleaner production in thermoelectric industry is related to the sustainable development of China． This paper analyzed the s and advantages of using software technology to implement cleaner production in thermoelectric industry and provided new ideas to carry out cleaner production for the whole industry． Keywordsthermoelectric industry;cleaner production;software management * 国家专项课题 2009ZX07317- 008- 02 。 热电行业作为传统的污染和能耗大户， 要完成 “十二五” 规划中制定的目标， 必须始终坚持节能减 排与发展生产协调并进， 把贯彻清洁生产、 低碳经济 作为行业发展的方向。增加企业科技含量是实现热 电行业清洁生产、 健康发展的必由之路， 使用软件技 术进行设备监控和数据分析， 提高管理的自动化程度 是完成这一目标的重要措施。 1我国热电行业概况 1. 1热电行业的现状与问题 我国集中供热事业在第一个五年计划奠定了基 础， 经过五十年的发展， 目前热电、 区域供热结构渐趋 合理， 中国北方城市供热， 大多以热电联产和区域燃 煤锅炉房为主， 以燃气、 电、 中央空调等方式为辅。其 中， 热电联产是蒸汽集中供热的主力军， 无论从供热 能力还是从供热总量上看， 热电联产均占全国蒸汽总 供热能力和总供热量的 60 ～ 70 ， 而锅炉房供热 则主要承担城镇热水集中供应。 ［1］此外， 随着供热技 术设备的发展， 供热方式呈现多样化， 构筑以煤为主， 以气、 油、 电等能源为辅的更加合理的供热能源结构。 热电作为一个重污染行业， 其环境影响主要包 括 生产过程中的水、 气、 渣、 噪声等常规污染物; 燃煤 贮存、 灰渣运输等过程中无组织排放的污染物; 主体 工程、 原料输送、 使用水源等方面的生态影响和社会 影响等。 ［2］这些问题始终制约着热电行业的发展， 节 能减排清洁生产的要求已经迫在眉睫。 近几年能源价格不断上升， 如石油、 煤， 提高了供 暖的成本， 但是国家为了保护人民群众的利益， 限制 了采暖费用的价格。成本提高了， 而收费没有上涨， 致使很多热电企业处于亏损状态， 虽然有国家的相关 补贴， 但在很大程度上还是限制了热电企业设备与技 术的革新， 使得热电行业在设备和管理两个方面存在 的问题越来越明显地暴露出来。 从设备方面来看， 在国家鼓励引进先进技术、 强 制淘汰落后设备的政策下， 热电设备在近年来已经基 本完成了更新换代， 部分设备达到了世界先进水平。 但是我 国 燃 煤 锅 炉 的 平 均 运 行 效 率 仅 有 60 ～ 65 ， 比国外先进水平低 20 左右， 其中最主要的一 个原因就是管理水平跟不上设备的发展， 暴露出管理 系统自动化控制程度差， 数据反馈与响应迟缓， 统计 701 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 繁杂易出错等问题， 对生产过程的控制调整与国外相 比还有很大差距， 造成了大量的能源浪费。其中电厂 热力设备故障导致机组跳闸会造成巨大的损失， 根据 有关部门统计， 近几年发电机组所有非计划停运中， 热力设备原因引起的跳闸次数约占 70 ， 而其几乎 都和设备控制不力有关 ［3］。 1. 2热电行业当前的软件技术 无论是从“硬件” 生产设备和工艺技术 上还 是从“软件” 监控技术和管理软件 上达到节能降 耗的目的， 都需要一定资金的支持， 尤其是更换新 型设备， 其投资回收周期很长， 并且一次性投入大， 一旦更换新的设备， 在短期内就无法做出大范围的 调整。相比较而言“软件” 的使用就非常灵活， 开发 周期短， 可以分模块开发使用， 一次性投入小， 并且 可以做出及时修改和调整， 这也是近几年热电行业 “软件” 发展速度大于“硬件” 发展速度的原因。虽 然“硬件” 质量没有提高， 但是因为有更好的“软件” 支持， 能够提高管理效率， 充分发挥各个硬件设备 性能， 从而达到节能降耗的目的。当前国家出台各 种政策， 推动热电行业管理技术的进步， 强制热电 企业使用的 DCS 集散控制系统就是其中最主要的 手段。 2DCS 简介 2. 1DCS 的基本概念 DCS distributed control system 集散控制系统是 20 世纪 70 年代中期发展起来的， 它综合了计算机技 术、 控制技术和通信技术， 从生产实现综合自动化的 角度出发， 以计算机及网络系统为核心， 不但具有传 统的数据采集和控制功能， 而且可以通过计算机网络 实现整个生产过程的监控保护， 是继直接作用式气动 仪表、 气动单元组合仪表、 电动单元组合仪表和组件 组 装 式 仪 表 之 后 的 新 一 代 控 制 系 统。 自 美 国 Honeywell 公司于 1975 年 成 功推 出 世 界 上 第 一 套 DCS 系统以来， 它已由初生走向成熟， 随着计算机、 通 信、 控制、 图形显示、 多媒体、 人工智能以及其他高新 技术的发展， DCS 已成为工业生产过程控制、 管理和 决策的核心， 广泛应用于电力、 石油、 化工、 冶金、 建材 等行业的各种生产过程 ［4］。 2. 2DCS 的主要功能 DCS 集散控制系统可以实现生产的全过程监 控 ［5］， 具有数据采集、 过程控制和系统保护等功能。 1 系统管理。系统硬件配置与管理、 数据库及 算法等， 均在工程师站系统配置后， 通过系统网总线 到各操作员站和控制站。 2 人机界面定制。可灵活进入各级流程图， 详 细显示各类运行参数， 各部分运行状态， 对主要设备 如锅炉 进行联锁保护。 3 控制调节。包括测量值、 设定值和输出值的 动态棒图与数字双重显示， 所有的 PID 调节均设手自 动切换按 钮， 可 实 现 手 动 与 自 动 控 制 之 间 的 无 扰 切换。 4 报表生成与趋势显示。可生成 Excel 风格的 报表模板， 供随时调用， 并可定时打印机器的运行参 数， 代替人工抄录， 实现系统自动化。趋势图用于显 示参数的变化趋向， 可对工艺过程进行实时跟踪， 并 为寻找最佳运行状况和故障分析提供依据。 5 报警管理。允许用户定义各种报警事件的级 别和提示信息， 还可将报警保存到记录库中供日后 查询。 6 安全管理。系统设多层登录级别， 只有获得 相应的输入口令才可获得相应的操作权限， 保证了系 统操作的安全性 ［6］。 2. 3DCS 使用效果 山东省青岛市第一热力公司、 第三热力公司、 第 四热力公司使用 DCS 之后， 在节能减排方面取得了 可观的成果。采用 DCS 及相关控制流程可简化操 作， 提高设备控制精度， 做到调节及时， 超调小， 上下 波动小， 出水温度稳定， 从而提高能源利用率， 保证系 统高效安全运行。其主要成效如下 1控 制 精 度 高。 水 位 10mm;气 压 0. 03 MPa; 气温 5 ℃ ; 负压 4 Pa。 2 节能效果显著。烟气含氧量和渣含碳量明 显降低， 经测试提高运行效率 4 ， 实际节煤 5 ， 一个供暖期耗煤量按 14. 923 万 t 计算， 每吨煤按 360 元人民币计算， 仅节煤一项 1 年可节约 268. 6 万元， 同时大量减少了 CO2与 SO2的产生量。 2010 年青 岛 市 推进民生工程， 新增 供 热 面 积 8. 10 106万 m2， DCS 的使用可为该项目每年节省燃 煤量11 000余吨， 节约费用 400 万元。使用 DCS 前后 节煤情况见表 1。 3云计算简介 3. 1云计算系统研发背景 锅炉运行效率低下， 在一定程度上要改进锅炉设 备和运行调节方式， 但是锅炉各类效率与平衡计算也 801 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 表 1使用 DCS 前后月耗煤量对照表 单位名称 供热面积 / 106m2 使用前 万平米 耗煤量 td － 1 使用后 万平米 耗煤量 td － 1 节煤 率 / 每日 节煤 量 /t 第一热力公司309. 5212. 402. 234. 8035. 67 第三热力公司165. 1262. 712. 564. 9035. 67 第四热力公司117. 0682. 812. 665. 3017. 43 是影响锅炉热效率的一个重要原因。DCS 虽然能够 采集并反馈热电厂生产过程中的各种参数， 但是却不 能直观地显示锅炉热效率等重要参数， 当前热电厂仍 主要采用简单表格法进行各类效率与平衡的计算。 简单表格法由于输入的参数有限， 所得结果误差较 大， 并且人工计算容易出错， 计算速度慢， 对锅炉内异 常状态反应迟缓， 出现问题经常无法在第一时间发 现， 增加了设备发生故障的可能性， 增大了热电厂运 行风险。同时， 各热电厂使用的计算表格不一致， 导 致锅炉效率的计算结果可比性差， 阻碍了各厂数据的 联网共享与相互借鉴 ［7- 10］。为解决以上问题， 本文开 发了一套云计算系统。 3. 2云计算系统开发模式 云计算系统是一个典型的 B /S 架构的小型运算 系统， 这样可以保证用户计算使用的公式的一致性， 保证了计算结果的可比性， 并且对公式的更新十分方 便， 使用也很简单， 用户只需打开相应的网址就可以 使用， 无需安装。 3. 3云计算系统的开发语言和架构 云计算系统是利用 java 语言进行开发的， 它是 当前最流行的跨平台程序语言， tomcat 服务器， mysql 数据库， java 的框架主要用的是 Struts2、 Spring、 Ibatis。 由于 java 语言的跨平台性， 所以对服务器并没有什 么强制的要求。技术上主要是 Ajax 技术的应用， 它 是一个计算系统， 输入的参数可以很多， 页面可以随 便进行跳转， 并且可以保存当前的数据， 操作使用灵 活方便。 3. 4云计算系统公式标准 云计 算 系 统 中 所 使 用 的 公 式 完 全 按 照 GB /T 101841988电站锅炉性能试验规程 执行， 其中包 含热电联产锅炉和供热锅炉两类锅炉， 并且这两类锅 炉从燃料上又分为煤锅炉、 油锅炉和气锅炉。该系统 支持对以上所有类型锅炉的各类平衡与效率计算。 3. 5云计算系统功能 3. 5. 1标准计算 云计算系统包含了 GB /T 101841988 中所有的 计算公式， 可计算规章中涉及到的所有内容， 具体内 容包括 锅炉热效率、 固体未完全燃烧热损失、 灰渣中 平均总碳量与燃烧煤总灰量之比率、 燃料应用基实际 燃烧掉的碳、 理论干空气量、 理论干烟气量、 每千克燃 料干烟气体积、 干烟气平均比热、 干烟气带走的热量、 烟气中水蒸气容积、 烟气含水蒸气显热、 锅炉排烟热 损失计算、 可燃气体未燃尽热损失等计算。 3. 5. 2自动查值 在手工计算锅炉效率时， 用到的各种焓值通常需 要查表取值， 而且对于一些表上没有准确值的， 还需 要进行估算， 这样不仅效率低下， 且误差较大。云计 算系统不仅是个“高级计算器” ， 还封装了这些焓值 的计算模型， 可以根据压强、 温度等信息计算出当前 的焓值， 既提高了工作效率， 又降低了计算误差。 3. 5. 3异常跟踪 进行锅炉效率计算的最终目的是想找出存在哪 些异常数值， 从而找出锅炉效率低下的原因， 以便对 设备进行维修改进， 对运行状态进行调整， 使锅炉始 终保持高效率运行， 从而达到节能、 降耗、 减污、 增效 的目的。云计算系统就具备这样的功能， 当计算出锅 炉的运行效率不理想时， 它会自动检测哪些输入参量 是异常的， 并给予操作人员信息提示， 操作人员通过 这样的信息就可以及时发现锅炉运行时出现的问题， 并在第一时间予以解决， 降低热电设备的故障率， 减 少能源的浪费。 3. 6云计算系统使用效果 经青岛几个热力公司试用， 采用云计算系统大幅 度地简化了热电厂运行中各类数据的分析与管理， 工 作效率明显提高， 各类计算出错率为零。按照传统的 工作模式， 每天花费在数据录入和分析上的时间至少 有4 h， 使用该系统后只需要15 min， 工作时间缩短了 近 95 ， 反应速度和工作效率提高了 15 倍， 并且将 设备发生故障的风险压到了最低。在传统能耗指标 制动模式中， 对传达给各分公司的信息做出临时修 改几乎是不可能的， 而现在只需要在云计算系统中 修改几个数字就可以做到即时修改， 十分方便。过 去进行能耗数据达标检测需要操作人员对数据进 行一一核对， 工作效率很低， 而现在这些工作完全 由软件程序进行， 操作人员只需检测由系统排查后 返回的异常数据， 对相关问题进行判断处理， 工作 效率明显提高。 901 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 4结语 扩展热电行业软件管理的普及程度与应用深度 具有明显的现实意义。 1 可以提高工作效率与精度， 减少操作人员数 量， 降低操作人员的劳动强度， 减少人为原因造成的 错误与损失。 2 保证管理的严密性， 减少管理漏洞， 保证各指 标的强制性， 从而减少能源浪费。 3 实时了解锅炉、 热网运行情况， 通过远程数据 获取， 操作人员在操作室内就可以随时掌握整个电厂 和热网的运行情况， 也可根据末端供汽品质的要求， 适当调节供汽出口运行参数， 保证锅炉高效率运行， 减少管网的不必要损失; 最后， 通过软件系统进行计 算机自动化管理， 不仅可以提高企业经营管理水平， 而且可以深挖企业内部潜力， 降低生产成本和管理成 本， 做到清洁生产， 提高企业的经济效益和环境效益， 推动热电行业向规范化方向发展， 实现资源利用率最 大化、 污染物产生 排放 最小化。 参考文献 ［1］付颖， 宋凯华． 热电联产发展综述［J］． 黑龙江科技信息， 2009 34 5． ［2］汪翠英， 裴锋， 毛焕华． 火力发电厂清洁生产的可持续发展初探 ［J］． 电力建设， 2005， 26 3 56- 58． ［3］孙金国． 关于热电厂 DCS 系统安全和可靠性分析［J］． 黑龙江 科技信息， 2007 02S 49． ［4］刘媛杰， 曾如意． 浅谈 DCS 在新疆某热电厂中的应用［J］． 农村 经济与科技， 2010 1 135- 137． ［5］李婕姝， 杨润清． 基于 DCS 的 燃 气 热 处 理 炉 自 动 控 制 系 统 ［J］． 黑龙江科技信息， 2009 14 32． ［6］刘良． DCS 集散控制系统在锅炉热电行业的应用［J］． 煤矿机 电， 2006 3 54- 57． ［7］朱春钟． 分散控制系统 DCS 应用技术有待完善［J］． 浙江电 力， 2001 1 8- 11． ［8］万文军， 周克毅， 胥建群． 火电厂优化技术发展趋势［J］． 中国 电力， 2003， 36 7 44- 47． ［9］朱斌帅， 李蔚， 陈坚红， 等． 基于 Web 的热电厂生产过程管理系 统的研究与实现［J］． 电站系统工程， 2007， 23 6 56- 58． ［ 10］孙琳雅． DCS 控制系统在热电站中的应用［J］． 电气应用， 2007， 26 3 95- 98． 作者通信处张延青266033青岛抚顺路 11 号青岛理工大学环境 与市政工程学院 E- mailzyq_luck 163. com 2010 － 09 － 03 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 106 页 景。我国应积极开发与应用该项技术， 推动节能减排 的进展。 参考文献 ［1］张洪伟， 沈鸿鹄． 低碳经济下煤气化产业发展的新动力［J］． 能 源环境保护， 2010， 24 4 16- 17． ［2］王庆一． 中国能源 100 问数字解读 八 ［J］． 节能与环保， 2010 8 58． ［3］王庆一． 中国能源 100 问数字解读 七 ［J］． 节能与环保， 2010 7 58． ［4］刘宇， 王凡， 朱金伟． 燃煤工业锅炉减排 NOX研究分析［J］． 中 国环保产业， 2010， 150 12 11- 12． ［5］庄永茂， 施惠邦． 燃烧与污染控制［M］． 上海 同济大学出版社， 1998． ［6］周学礼． 低氧燃烧技术在 410 t/h 锅炉上的应用［J］． 电力设 备， 2008， 9 3 72- 75． ［7］Wang Aihua，Cai Jiuju，Xie Guowei．Numerical simulation of combustion characteristicsinhightemperatureaircombustion furnace［J］．Journal of Iron and steel Research，International， 2009， 16 2 6- 10． ［8］夏德宏， 薛根山， 敖雯青， 等． 低氧燃烧技术研究［J］． 冶金能 源， 2009， 28 1 35- 37． ［9］徐树海． 高温低氧燃烧技术在工业炉上的应用 ［J］． 重型机械 科技， 2004 1 31- 33． ［ 10］马永杰． 高温空气燃烧技术的节能与环保 ［J］． 装备制造技术， 2008 5 142- 143． ［ 11］王曼华， 蔡九菊， 王连勇， 等． 高温空气燃烧技术进展与应用 ［J］． 中国冶金， 2006， 16 8 1- 5． ［ 12］蒋绍坚， 艾元才， 彭好义， 等． 高温低氧燃烧技术及其高效低污 染特性分析［J］ ， 中南工业大学学报， 2000， 31 4 311- 313． ［ 13］张国华． 神华煤低氧燃烧技术在锅炉运行中的应用［J］． 电力 科学与工程， 2007， 23 5 1- 4． ［ 14］曾培强， 郑伟林， 刘道鹏． 采用低氧燃烧促进锅炉环保经济运行 ［J］． 节能与环保， 2010 6 33- 36． 作者通信处陆轶青100035北京市西城区后英房胡同 5 号环 境保护部环境保护对外合作中心 电话 010 82268856 E- mailyiqing_lu 126． com 2010 － 11 － 11 收稿 011 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期