工业设备上云是工业互联网平台建设和应用的重点、难点，也是切入点，意义十分重大。2018年7月工信部发布的《工业互联网平台建设及推广指南》，提出要“实施工业设备上云‘领跑者’计划”，并明确了四类十大重点工业设备，即以炼铁高炉、工业锅炉、石化设备为代表的高能耗设备，以柴油发动机、大中型电机、大型空压机为代表的高通用设备，以工程机械、数控机床为代表的高价值设备和以风电、光伏为表的新能源设备。
三年来，工业设备上云取得了重大进展，全国重点工业互联网平台连接的工业设备数量超过7300万台套，上云深度从状态监测、故障诊断向预测预警、精准运维演进。为帮助业界进一步明确不同工业设备上云面临的痛点问题、应用场景、实施路径和推广前景，赛迪智库信息化与软件产业研究所工业互联网研究室在调研40余家企业的基础上，编制形成了“工业互联网平台+工业设备上云”系列研究报告。
工业锅炉面临着能效管理粗放、燃烧状态不透明、安全隐患高和水质波动大等痛点问题。以和利时、上海锅炉厂等为代表的解决方案企业积极探索基于工业互联网平台推动工业锅炉上云，并开展锅炉能效管理、锅炉燃烧管控、锅炉健康管理和水处理优化等新型应用服务，全面优化工业锅炉运行方式，提升工业锅炉运行效率。
痛点问题
01能效管理粗放
工业锅炉是工业生产中必不可少的热力能转换设备，也是典型的高耗能设备。我国工业锅炉的效率低下，实际运行热效率往往低于理想热效率，比国外先进水平低15%~20%，造成每年多消耗的煤炭约为两亿吨。
我国燃煤锅炉占全国工业锅炉总量的85%左右，燃煤锅炉污染物排放是重要污染源，年排放烟尘、二氧化硫、氮氧化物分别占全国排放总量的33%、27%、9%。如，10t/h以下燃煤工业锅炉大多没有配置有效除尘装置，基本没有脱硫脱硝设施，排放超标严重，偷排现象突出。
02燃烧状态不透明
煤粉燃烧过程工艺复杂，控制参量多，自动化控制技术复杂，实际操作以人工操作为主，大多数煤粉工业锅炉尚未实现煤粉储供、煤粉仓安全保护、炉膛安全检测、负荷调节、在线吹灰控制的有机集成以及全自动运行。监控系统功能基本上处于本地集中运行监控，运行监控和生产管理之间及时通信网络尚未连通，生产管理系统无法及时了解热源厂实际生产情况。
03安全隐患高
工业锅炉是一种特种专业化设施设备，但是因为专业技术人员匮乏，缺乏对其性能与参数的专业性诊断，局部问题的存在很容易引发重大安全隐患。企业大多按照时间制定工业锅炉检修计划，而非按照工业锅炉的运行状态制定锅炉检修计划，这就直接加大了工业锅炉出现故障的几率，大大降低了可用性。
04水质波动大
工业锅炉采用的天然水中由于含有镁、钙、氯等离子以及溶解氧，天然水进入锅炉中在高温、高压条件下发生化学反应，导致锅炉产生结垢、腐蚀以及汽水共腾等现象严重影响了锅炉的导热效率，增加了燃料的消耗，影响锅炉的水循环，甚至导致爆炸事故的发生，严重影响了锅炉的安全稳定运行。
数据显示，当水垢厚度达到3.0mm时，锅炉燃料消耗增加20%以上，我国工业锅炉大约有七十多万台，每年造成相当巨大的资源浪费。当前，我国锅炉水质合格率比较低，锅炉内受热结垢现象比较普遍，每年因水处理问题造成的锅炉事故数量正在逐年增加。
应用场景
01锅炉能效管理
工业锅炉的能效管理是企业成本控制的重要方面，利用云平台的工业机理模型和人工智能算法，对锅炉能耗的智能管理与优化，可有效降低企业成本。一是能效数据的采集。实时采集排烟温度、炉膛出口氧量、燃烧器喷口风速、燃尽风挡板开度等影响锅炉热效率和氮氧化物排放量的关键数据。二是锅炉能效分析模型的构建。基于工业锅炉设备结构和热平衡模型，结合大数据算法和人工智能技术，构建工业锅炉能效分析模型，分析影响锅炉节能运行的排烟损失、不完全燃烧损失、散热损失、燃料与给水等关键因素，动态分析锅炉能耗水平。三是“感知—管控—再感知—再管控”的良性循环。一旦系统判断某锅炉处于高耗能运行状态，便会自动发送报警信号，并直观准确地显示造成该状态的关键因素，管理人员可以及时调整优化节能方案，实现“感知—管控—再感知—再管控”的良性循环。
例如，和利时在永泰源热电公司部署锅炉燃烧优化控制系统，利用模糊控制、自动寻优、机器学习、卡边控制等技术，优化锅炉工艺操作和控制，实现锅炉给煤、一次风、二次风的二维优化，各项燃烧控制指标波动比手动调节降低30%，减少氨水和石灰使用量3%以上，提高锅炉效率2%以上，提高锅炉的经济效益2%左右。东方国信构建工业锅炉的数字孪生体，基于在云端汇聚的工业锅炉数据，对工业锅炉进行工序协同、工艺优化和能效管理，实现工业锅炉综合能效提升20%。
02锅炉燃烧管控
锅炉燃烧管控对锅炉机组低负荷安全运行至关重要。影响锅炉燃烧效率的因素很多，包括风粉配合、一二次风配比、送引风配合、炉膛温度等，如何将它们进行综合调整和优化，达到最佳配比，是锅炉燃烧管控需要解决的问题。一是对制粉系统和燃烧系统的数据采集。制粉系统的状态数据包括磨煤机出口压力、电流、料位、燃烧器风粉温度等;制粉系统的动作数据包括给煤机的给煤量，磨煤机冷热风、旁路风等阀门的开度大小，一次风机动叶调节阀位大小等。燃烧系统的状态数据包括主、再热蒸汽温度、压力，减温水流量，炉膛负压，锅炉氧量，排烟温度，排烟含氧量，锅炉效率，NOx含量等信息;燃烧系统的动作数据包括给水温度、流量，减温水流量，再热烟气挡板阀位，送、引风机执行器阀位，二次风执行器阀位等。二是锅炉炉内燃烧模型的构建。基于传统热力学过程和化学反应等机理，结合大数据算法和人工智能技术，构建锅炉炉内燃烧模型。三是锅炉炉内燃烧模型的训练。使用历史数据训练基于深度神经网络的锅炉燃烧模拟器，再进行深度学习，评价当前工况，既能模拟真实的燃烧过程，也可以用其探索燃烧控制优化问题中的状态及动作空间，弥补真实历史数据的不足，最终得到当前工况的锅炉优化控制方案，实现锅炉内着火迅速、燃烧完全，减少锅炉各项热损失，提高锅炉效率。
例如，湖北三宁化工股份有限公司积极推动工业锅炉上云，在2*75t/hCFB锅炉上部署锅炉汽机控制优化软件，在云端将专家策略、人工智能与锅炉燃烧的实际情况相结合，优化锅炉燃烧，提高锅炉运行的稳定性和安全性，实现自动回路投入率大于99.16%，重要工艺参数工艺合格率大于99.94%。东方国信的锅炉云平台，通过机理模型和大数据分析算法，优化NOx排放指标，实现脱硝效率的最大化和经济效益的最大化，解决负荷波动时的锅炉燃烧稳定性，减少负荷波动，实现NOx排放达标率≥99%，燃料消耗量降低8~12%。
03锅炉健康管理
工业锅炉在长期运行中，其性能和健康状态不可避免的下降，如果不能及时发现其退化或异常，轻则造成设备失效或故障，重则造成财产损失和人员伤亡甚至环境破坏。一是锅炉安全预警。采集工业锅炉的温度、压力、液位等关键安全数据，并结合检修数据，对工业锅炉运行状态进行实时动态监测。结合锅炉安全预警模型，一旦判定锅炉安全异常，立即以电话、短信等形式向锅炉管理员发出警示，指导处置。二是预测性维护。采集实时的锅炉工况、历史维修记录、锅炉维护的先验知识等数据，利用人工智能技术，结合物理退化模型和经验退化模型，构建锅炉寿命预测和维修决策的预测性维护模型，及时检测到设备异常并预测设备剩余使用寿命，设计合理的最优维修方案，降低维修成本，减少停机时间。三是在线测量预警及调整。通过新增可靠性强、准确度高的测量设备，监测原有锅炉未监测的腐蚀相关数据，比如H2S浓度，HCl浓度，二噁英浓度等。将测量结果与燃烧机理结合，实时提供优化调整建议;并建立测量结果与腐蚀速率之间的模型，对易腐蚀位置进行寿命预测及预警。
例如，上海锅炉厂通过对锅炉四管进行详细分段，从壁厚磨损、高温蠕变、氧化皮、应力裂纹等四个维度进行了精确到锅炉各管段的寿命模型，依托实际运行数据进行寿命预测，通过历史检修数据修正预测模型，目前锅炉关键受热面各管的寿命预测准确率能到85%以上。
04水处理优化
高效除垢是提高锅炉传热效率、维护锅炉安全运行的一项重要工作。水垢降低了锅炉受热面的传热效率，使锅炉受热面温度升高，当超过金属所能承受的温度时，金属锅筒、管壁等受热面会发生鼓包、穿孔和破裂等事故，严重影响锅炉安全运行，降低了锅炉的使用寿命。一是实时监测水质。利用水质在线监测仪表等智能传感器，实时采集锅炉水的溶解氧、PH值、磷酸根、电导率、硅等参数，并上传到工业互联网平台上。二是水质分析和决策。利用水处理控制模型，对水质参数和水量进行智能分析，自动生成水质优化处理方案。三是智能加药。输出水质优化处理信号到锅炉的上位机系统和PLC系统，实时智能调节化学药剂的添加浓度和剂量，达到最佳水处理效果。
例如，东方希望包头铝业对155MW机组锅炉汽水加药系统进行了智能化改造，将锅炉实际运行数据上传到云端，化学值班员在云端远程设定每台锅炉给水PH值，使给水PH值稳定在9.2±0.1范围内，实现了汽水指标的精准控制。同时，原来8人四班三倒的工作模式，现在只需要1名化学值班员夜间监测4次运行参数，大幅提升了劳动效率。
推广前景
我国是全球工业锅炉生产应用数量最大、应用范围最广泛的国家，规模以上锅炉生产企业有千余家，2021年1-2月全国工业锅炉产量为54884.4蒸发量吨，同比增长59%。
我国工业锅炉容量小、数量大、布点散、能耗高，各生产厂家、检验机构和监管部门对自己的锅炉设备无法做到集中管理和控制，使得设备使用运行状态不明，产品维护成本高，发生故障定位维修时间长，产品升级换代缓慢。推动工业锅炉设备上云，可实时采集设备工况数据，结合大数据、人工智能等新兴技术，开展锅炉能效管理、锅炉燃烧管控、锅炉健康管理等智能服务，实现设备集中管理控制，改善能耗水平和绿色生产水平，因而工业锅炉上云的市场推广空间巨大。
2020年5月，国家市场监督管理总局(国家标准化管理委员会)发布《工业锅炉能效限定值及能效等级》(GB24500-2020)，并将于2021年6月1日起正式实施，这将加速推动工业锅炉上云改造的步伐。预计到2025年，上云工业锅炉将有望超过50%，工业锅炉上云改造的市场空间将持续扩大。
文 | 赛迪智库信软所工业互联网研究室 徐靖
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