一种燃煤工业锅炉在线能效监控及诊断装置
技术领域
本实用新型涉及一种燃煤工业锅炉在线能效监控及诊断装置，属于燃煤工业锅炉能效数据采集技术领域。
背景技术
工业锅炉作为我国重要的热能动力设备，属高耗能特种设备之一。当前，由于设计、制造、运行、保养等各方面的原因，我国工业锅炉普遍存在排烟温度高、过量空气系数大、燃料品质不稳定、燃烧不完全和使用单位管理粗放等影响热效率的诸多因素，很多工业锅炉长期处于低效率范围运行，在用燃煤锅炉热效率平均在70％～75％，燃油气锅炉热效率在80％～85％，普遍低于设计效率，平均运行效率比国际先进水平低8％～15％，能源浪费相当严重。近年来，随着资源环境的日益恶化，国家对节能减排的监管力度越来越大，但由于工业锅炉存在单台出力小、数量多、较为分散、主要以中小企业使用为主的特点，给监督带来较大难度。目前对企业的节能监督主要以节能监督检查、能效测试为主，较难准确反映锅炉的长期节能状况。
工业锅炉能效测试是诊断锅炉能耗最有效的方法。它能够找出造成锅炉能量损失的主要因素，以针对性的技术指导企业提高锅炉效率。传统的能效测试工作需要测试人员到现场，通过测试仪器仪表采集相关数据计算锅炉效率，这种方式耗费大量的人力物力，而且只能反应测试时锅炉的效率，不能完全自动监测锅炉实时效率，不能给出锅炉各项热损失的具体数值，不能针对性的分析热损失的因素，难以准确评价锅炉运行周期内能效变化状况，对工业锅炉运行调节指导有限。因此，迫切需要一种相对简便的适用于燃煤工业锅炉的能效在线监控系统。
实用新型内容
本实用新型为了解决现有锅炉节能监测需要人工现场监测，导致人力物力大量耗费的问题，提出了一种燃煤工业锅炉在线能效监控及诊断装置，所采取的技术方案如下：
一种燃煤工业锅炉在线能效监控及诊断装置，所述装置包括锅炉运行能效数据采集装置、节能诊断装置和用户端；所述锅炉运行能效数据采集装置的采集数据信号输出端与所述节能诊断装置的数据信息输入端相连；所述节能诊断装置的数据交互端通过无线网络与所述用户端的数据交互端相连。
进一步地，所述锅炉运行能效数据采集装置包括数据采集传感器组、数据采集器和记录仪。
进一步地，所述数据采集传感器组包括给水流量计、给水温度测量装置、蒸汽温度测量装置、蒸汽压力测量装置、烟气流量计、烟气温度计和烟气氧化锆氧量计；所述水流量计、给水温度测量装置、蒸汽温度测量装置、蒸汽压力测量装置、烟气流量计、烟气温度计和烟气氧化锆氧量计的检测数据信号输出端即为所述锅炉运行能效数据采集装置的采集数据信号输出端。
进一步地，所述给水流量计安装在锅炉总给水管道上，具体安装位置为水平直段给水管中间位置，其中，所述水平直段给水管至少3米。
进一步地，所述给水温度测量装置安装在锅炉总给水管道上。
进一步地，所述蒸汽温度测量装置安装在所述锅炉的蒸汽出口主蒸汽管道上。
进一步地，所述蒸汽压力测量装置安装在所述锅炉的蒸汽出口主蒸汽管道上。
进一步地，所述烟气流量计安装在所述锅炉的最后一级受热面后尾部烟道上，并且所述尾部烟道直段至少2米以上，所述烟气流量计安装在所述尾部烟道直段的中间位置。
进一步地，所述烟气温度计和烟气氧化锆氧量计均安装在锅炉最后一级受热面后尾部烟道上；所述烟气温度计和烟气氧化锆氧量计的距离为距最后一级受热面0.4米，最远安装距离不超过一米；所述烟气温度计和烟气氧化锆氧量计插入尾部烟道的位置为所述尾部烟道的中心位置，并且插入深度至所述尾部烟道的道体中心位置。
进一步地，所述锅炉运行能效数据采集装置的采集数据信号输出端主要分为电流信号采集模块和数字量输入输出模块，并通过现场通信总线与所述节能诊断装置的数据信息输入端相连。
进一步地，所述节能诊断装置采用PLC控制系统装置；所述PLC控制系统装置包括PLC四路模拟量输入装置和PLC二路量输入装置。
本实用新型有益效果：
本实用新型所述燃煤工业锅炉在线能效监控及诊断装置只通过在线热工参数即实现实时能效监测，避免了燃煤锅炉传统能效测试方法需要监测燃煤热值及用量的特点，真正实现在线实时监控燃烧锅炉能效值。能够完全避免人员到锅炉现场监测，有效减少了人力物力资源的浪费，并有效提高了节能监测的效率。本实用新型所述燃煤工业锅炉在线能效监控及诊断装置全面提高锅炉经济运行管理水平，为锅炉节能监督管理提供有效的技术支撑。
附图说明
图1为本实用新型所述燃煤工业锅炉在线能效监控及诊断装置的锅炉测点示意图。
图2为本实用新型所述燃煤工业锅炉在线能效监控及诊断装置的网络连接拓扑图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型做进一步说明，但本实用新型不受实施例的限制。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”和“竖着”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，亦可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”、“多组”、“多根”的含义是两个或两个以上。
以下实施方式中所用材料、仪器和方法，未经特殊说明，均为本领域常规材料、仪器和方法，均可通过商业渠道获得。
实施例1：
一种燃煤工业锅炉在线能效监控及诊断装置，如图1和图2所示，所述装置包括锅炉运行能效数据采集装置、节能诊断装置和用户端；所述锅炉运行能效数据采集装置的采集数据信号输出端与所述节能诊断装置的数据信息输入端相连；所述节能诊断装置的数据交互端通过无线网络与所述用户端的数据交互端相连。
所述锅炉运行能效数据采集装置包括数据采集传感器组、数据采集器和记录仪。
所述数据采集传感器组包括给水流量计1、给水温度测量装置2、蒸汽温度测量装置4、蒸汽压力测量装置3、烟气流量计5、烟气温度计7和烟气氧化锆氧量计6；所述水流量计、给水温度测量装置、蒸汽温度测量装置、蒸汽压力测量装置、烟气流量计、烟气温度计和烟气氧化锆氧量计的检测数据信号输出端即为所述锅炉运行能效数据采集装置的采集数据信号输出端。其中，所述给水流量计采用西门子公司变送器7ME6910-1AA10-1AA0和传感器7ME6580-2YF14-2AA1安装在锅炉总给水管道上，具体安装位置为水平直段给水管中间位置，其中，所述水平直段给水管至少3米。所述给水温度测量装置采用罗斯蒙特公司产的248HA一体化温度传感变送器安装在锅炉总给水管道上。所述蒸汽温度测量装置采用罗斯蒙特公司产的248HA一体化温度传感变送器安装在所述锅炉的蒸汽出口主蒸汽管道上。所述蒸汽压力测量装置采用罗斯蒙特公司产的3051G共平面压力变送器安装在所述锅炉的蒸汽出口主蒸汽管道上。所述烟气流量计采用德闻计量设备(上海)有限公司的气体涡轮流量计IGTM PTZ BoX V2安装在所述锅炉的最后一级受热面后尾部烟道上，并且所述尾部烟道直段至少2米以上，所述烟气流量计安装在所述尾部烟道直段的中间位置。所述烟气温度计和烟气氧化锆氧量计(采用深圳市欧森杰科技有限公司设计与生产的OS6-02-H烟气成分检测装置)均安装在锅炉最后一级受热面后尾部烟道上；所述烟气温度计和烟气氧化锆氧量计的距离为距最后一级受热面0.4米，最远安装距离不超过一米；所述烟气温度计和烟气氧化锆氧量计插入尾部烟道的位置为所述尾部烟道的中心位置，并且插入深度至所述尾部烟道的道体中心位置。
所述锅炉运行能效数据采集装置的采集数据信号输出端主要采用ADAM-4017作为电流信号采集模块和ADAM-4055作为数字量输入输出模块，并通过RS_485现场通信总线与所述节能诊断装置的数据信息输入端相连。
所述节能诊断装置采用PLC控制系统装置；所述PLC控制系统装置包括PLC四路模拟量输入装置和PLC二路量输入装置。如图2所示，所述给水流量计、烟气流量计、烟气温度计和烟气氧化锆氧量计与1块PLC四路模拟量输入模块(TM5SAI4L)连接，将测量数据输入到PLC控制系统。
所述给水温度测量装置和蒸汽压力测量装置与1块PLC二路量输入模块(TM5SAO2L)连接，并将测量数据输入到PLC控制系统。
所述PLC控制系统读取锅炉运行在线热工数据(锅炉给水流量、给水温度、饱和蒸汽压力、烟气氧含量、烟气温度、烟气流量)，通过上位机，人机界面(HMI)对PLC给定饱和蒸汽比焾、给水比焓等参数进行处理，实现上位机实时显示锅炉能效值、各项热损失情况，同时将结果反馈给用户终端。所述用户终端通过互联网和控制柜与PLC控制系统连接，获取处理得到的数据和信息，掌握锅炉运行能耗情况。
所述燃煤工业锅炉在线能效监控及诊断装置涉及的热损失计算方法(即PLC诊断方法)为现有技术已有方法，本实用新型只对燃煤工业锅炉在线能效监控及诊断装置的硬件装置进行设计，并未对其所涉及的热损失计算方法(即PLC诊断方法)进行改进，现有技术中所述热损失计算方法的原理如下：
根据《锅炉房实用设计手册》，燃用烟煤理论空气量有以下经验公式：
对于挥发份大于15％的烟煤，理论空气量V0(m3/kg)与煤的低位发热量Qydw(kj/kg)存在如下关系：
对于劣质烟煤，关系如下：
从公式(1)、(2)可看出，V0与Qydw之间为线性函数关系，为了应用更加方便，在进行大量校核计算后，将上述两公式归纳为：
V0＝2.63×10-4×Qydw(3)
实际应用中，公式(3)对AⅡ、AⅢ类煤种(热值18000-22000kj/kg)的适应性很好，误差＜1％。
排烟处理论烟气量G(m3/h)与理论空气量V0与的关系式为：
G＝B(α+β)V0(4)
式中B为燃料质量，kg/h；α为排烟处过量空气系数；β为燃料特性系数。
锅炉的热效率可以表示为：
式中QGL表示锅炉运行时每小时的有效吸收热量，kj/h。
将公式(3)、(4)代入公式(5)并整理得：
燃煤锅炉排烟过量空气系数α多在2左右，β占α的5％，将上式中(α+β)项化为α+β＝nα形式(其中n＝1.05)并代入公式(6)进一步简化得：
理论烟气量G与实测烟气量GC存在如下关系：
式中GC为实测烟气量，m3/h；θpy为排烟温度，℃。
将公式(8)代入公式(7)整理最终得出锅炉运行效率简单计算公式为：
公式(9)中α、θpy、GC可以通过热工仪表直接测量，QGL可根据锅炉介质流量、工作压力、进出口温度等数据由电脑计算得出。
另从锅炉的反平衡表示可知：
η＝100-(q2+q3+q4+q5+q6)(10)
式中q2、q3、q4、q5、q6分别表示为排烟热损失、气体未完全燃烧热损失、固体未完全燃烧热损失、散热损失、灰渣物理热损失。对于燃煤工业锅炉来说，q6也可采用一固定值，q3、q5可以采用《工业锅炉能效测试与评价规则》TSG G003-2010的方法，采用一固定值，当锅炉出力低于额定出力的75％时，也可通过计算修正。q2通过以下式计算：
q4可以预先给定一值q4'，计算出q2后再通过下式计算：
q4＝100-(η+q2+q3+q5+q6)(12)
比较|q4-q4'|≤0.1，即认可所得值，如果超出范围，将计算后的q4再赋与q4'，直至满足要求，这样就可求出所有热损失。
上述所述热损失计算方法为现有方法，本领域技术人员根据《锅炉房实用设计手册》和《工业锅炉能效测试与评价规则》即可获得。
虽然本实用新型已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本实用新型，任何熟悉此技术的人，在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本实用新型的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
