1. 引言
目前,我国正使用的工业锅炉总量约有62万台,每年燃烧煤炭资源约7亿吨。随着节能减排的深度发展,确保机组效率,减少排放,越来越成为发电企业的首要任务 [1] [2] [3] [4] [5] ,电站锅炉作为我国电厂的重要设备,其能否长期安全稳定地运行,对于电力企业的发展至关重要。其电站锅炉的性能试验是评价锅炉运行状况,保障锅炉高效运作的必要试验,对于整个电厂的安全运行与高效管理具有很大的影响。通过性能试验对锅炉进行能效计算,分析结果,研究得出锅炉的状态是否符合安全要求,从而为电厂安全运行提供数据参考。当前,电站锅炉能效测试数据的采集大多采用人工现场采集,但是由于锅炉房高温的测试现场,测试人员普遍工作强度大、工作环境恶劣,并且测量数据多变、分布广,导致对测试人员需求量较大,也容易产生测量误差。因此,迫切需要利用最新的信息技术来适应多变量、分布式、实时、同步等特定要求的在线数据采集、处理系统 [6] [7] 。
2. 电站锅炉发展弊端
2.1. 计算过程繁琐,耗费时间长
电站锅炉的运作、材料、材料形式、工质等都对其节能发展有重要影响。对于不同种类锅炉的计算,都关联着不同的数理公式,需要不同数据信息和图形表格,从而加大了电站锅炉能效监测计算和管理的难度,一次性能试验的能效计算,平均需三天以上时间,耗时长;且在能效计算时,还要对信息进行判断并舍弃无效信息,对错误进行检测,因此,对于能效统计和管理人员,具有较高要求。
2.2. 能效监测设备性能低下
随着科学技术的发展,电力企业的研究人员,为进行电站锅炉效率统计和管理活动,已开发新的能效检测设备,但电力企业只有对自己使用的设备模型的分析,忽视检测与分析的整体性。因而需构建一体化能效检测体系,如果监测模型不一致,不能对不同电站设备进行计算,使用性就不能发挥。
2.3. 统计结果和精确度低下
计算机监控设备的检测精度低。造成这种现象的原因主要是因为根据热力学统计,给出统计结果,电站锅炉实际运行数值误差,重新对设备进行检测和计算。这些数据的修复工作,和电力单位以及工作人员工作技能具有极大关联 [8] 。
2.4. 未形成对性能试验和计算数据的良好管理和利用
过去,完成锅炉效率的计算,测试数据以纸质形式报告存储,或使用Access或Excel储存。纸张报告不容易存储,且不能复现计算过程。Excel中的数据是彼此独立的,不容易找出测试数据之间的关系。Access在一定程度上解决了上述问题,但数据量的小幅增加,数据库的性能就会受到很大的影响。因此,建立电站锅炉能效数据库,存储性能测试和计算数据是非常有必要的。
3. 论电站锅炉性能试验计算
3.1. 正平衡
电站锅炉的输入热量是相应每千克固体、液体燃料,或者每标准立方米气体燃料进入锅炉机组热平衡系统边界所有热量的总和,包括燃料的应用基低位发热量、送入锅炉的燃料所携带的物理热、经省煤器和空气预热器与燃料一起进入炉膛的空气所携带的热量,锅炉的辅机设备消耗的热量以及燃油雾化过程中所用蒸汽带入的热量 [9] 。电站锅炉的输出热量是相应每千克固体、液体燃料,或者每标准立方米气体燃料,工质(饱和蒸汽、过热蒸汽)在电站锅炉热平衡系统中所吸收的总有效热量,包括排污水和其它外用蒸汽所消耗的热量。
正平衡法,也即输入-输出热量法,是通过计算每千克(标准立方米)燃料的电站锅炉输出输入热量之比通过式(1)计算得来的,即:
(1)
式中,Q1和QR分别为相应于每千克固体、液体燃料或每标准立方米气体燃料,电站锅炉的输出和输入热量,kJ/kg、kJ/m3。
3.2. 反平衡
反平衡法,也即热损失法,是通过计算电站锅炉各项热损失逆向得出锅炉热效率的性能试验方法 [10] 。它可以通过式(2)计算:
(2)
式中,q2为排烟热损失,q3为可燃气体未完全燃烧热损失、q4为固体未完全燃烧热损失、q5为锅炉散热损失、q6为灰渣物理热损失。
4. 电站锅炉体系和计算体系阐述
4.1. 性能试验数据计算体系
性能试验数据计算阶段是基于电站锅炉能效计算原理对性能试验数据进行计算的过程。根据原理中的计算公式,数据表,线形图,建立计算逻辑和计算程序,将数据表和线图按照数值分析的方法转换为数学计算公式。提交测试数据后,根据计算逻辑关系和相应的计算公式选择计算程序,生成计算结果。如果计算结果符合电厂锅炉能效计算原理的计算结果,则计算有效。反之,需要检查、修改相关信息和数据,重新计算。对于有效的计算结果,将测试数据和计算数据存储在电站能效数据库中,并生成统一的性能测试报告。
4.2. 性能试验数据管理体系
性能测试数据管理阶段主要是测试数据、计算数据和性能测试报告的存储与管理。对于未完成的性能测试,可以临时存储输入数据,以便将来进行能效计算。对于完成的性能测试,可以查看测试数据和性能测试报告,或者记录数据修改并重新计算,然后生成新的性能测试报告。性能测试报告完成后,有必要验证报告的合格性,因此系统需要两种用户:测试人员和审核员。测试人员只能查询修改的性能测试报告,将完成的性能测试报告提交。审核人员可以对性能试验报告进行查询审批。
5. 锅炉性能试验数据处理系统软件体系构建
5.1. 需求分析
电站锅炉性能试验数据处理系统的功能分析图:如图1所示。
5.2. 总体架构
电站锅炉性能试验数据处理系统的用户包括电站锅炉监管机构、电站锅炉生产厂商、电站锅炉性能试验机构等,为了简化操作,提高易用性,该系统拟采用B/S架构,用户只需在浏览器中完成测试信息的录入就可以即时得到能效计算结果和报告 [11] 。图2显示了电站锅炉性能试验数据处理系统的B/S整体架构。
表示层即客户端的Web浏览器,它是系统与用户进行交互的载体,在本系统中,表示层的作用表现在两个方面:在性能试验阶段完成测试相关信息、测试数据和化验分析数据的采集之后,用户将这些信息通过表示层提交给服务器;在能效计算阶段,当服务器完成能效计算后将能效的计算结果和测试报告返回给表示层,并以一定的形式显示给用户。
业务逻辑层即具有应用程序扩展功能的Web服务器,在本系统中,业务逻辑层是表示层和数据访问层的中间层。首先,它接收表示层提交的数据信息,根据电站锅炉燃料、燃烧方式、出口介质和工况的
Figure 1. Function analysis chart of data processing system for boiler performance test
图1. 锅炉性能试验数据处理系统的功能分析图
Figure 2. B/S architecture of data processing system for power plant boiler performance test
图2. 电站锅炉性能试验数据处理系统的B/S架构
不同选择不同的计算流程,实现能效的计算;其次,它根据用户的不同请求向数据访问层发出对电站锅炉能效数据库的查询、修改和更新等请求,在完成相应操作后将结果返回给表示层。
数据访问层即数据库系统服务器,在本系统中是实际对电站锅炉能效数据库进行处理的单元,并完成对象实体和关系数据库的映射,它接受业务逻辑层对数据操作的请求,实现对电站锅炉能效数据库査询、修改、更新等功能,并把运行结果返回给业务逻辑层。
5.3. 计算软件的开发
电站锅炉能效计算软件利用Spring MVC + MyBatis作为开发模式,利用MyBatis作为持久层框架,用FreeMaker作为表现层技术。
软件的Spring MVC + Mybatis流程图如图3所示。Spring MVC + Mybatis架构很好的体现了MVC
Figure 3. Spring MVC + MyBatis flow chart of data processing software for power plant boiler performance test
图3. 电站锅炉性能试验数据处理软件的Spring MVC + MyBatis流程图
的设计模式,它将Web系统中的表示层、业务层和逻辑层有效的分开,有效的解除了各部分的耦合,使得系统有良好的可维护性、可扩展性和可重用性 [12] 。
6. 电站锅炉性能试验数据系统原型
基于以上架构及技术所搭建的电站锅炉性能试验数据系统如图4~图8所示。输入用户名密码,登陆系统,如图4所示。
登录后,点击上传数据,进入下一页面,输入电站锅炉基本信息,这里选择煤作为燃料、过热蒸汽为出口介质,燃烧方式为层状燃烧,利用反平衡法计算锅炉能效,如图5所示。
燃煤锅炉设计数据综合表,主要包括设计参数和燃料元素设计数据相关信息,如图6所示。
最终的计算结果如图7所示。
点击完成,将以上生成最终报表,可保存或打印。如图8所示。
Figure 5. Data processing system for performance test of power plant boiler-basic information page of boiler
图5. 电站锅炉性能试验数据处理系统-锅炉基本信息页
Figure 6. Data processing system for performance test of power plant boiler-comprehensive table of design data for coal-fired boiler
图6. 电站锅炉性能试验数据处理系统-燃煤锅炉设计数据综合表页
Figure 7. Data processing system for performance test of power plant boiler-results page of boiler energy efficiency calculation
图7. 电站锅炉性能试验数据处理系统-锅炉能效计算结果页
Figure 8. Power plant boiler performance test data processing system-output report page
图8. 电站锅炉性能试验数据处理系统-输出报告页
通过电站锅炉性能试验数据处理系统对该电站锅炉性能试验数据进行计算得的锅炉各项热损失和能效与原测试报告中各项热损失和能效基本上保持一致,故电站锅炉能效计算模型和该系统的正确性得到验证。
7. 总结
虽然目前电站锅炉性能测试数据的计算和管理活动,可以满足电站锅炉发展的要求,但随着科技的不断发展,电站锅炉不断改革创新,出现了许多新产品,为电站锅炉的节能计算和管理工作带来了巨大的挑战。面对这种形式,锅炉性能试验数据处理系统的建设具有重大意义。目前,电脑设备在电站锅炉能效统计管理活动中广泛应用,推动了电站锅炉能效计算和管理工作的发展,但其在整个行业的运行需要时间,进而要对当前电站锅炉发展弊端及时改善,加强电站锅炉科学的管理,把电站锅炉的管理和计算机设备有机结合,从而促进电站锅炉管理和统计工作科学有效地进行。
基金项目
国家自然科学基金项目(编号:61475049),国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(编号:2013CB29204)。
参考文献