張金梅

(廈門市標(biāo)準(zhǔn)化研究院，福建 廈門 361004)

0 引言

近年來，我國(guó)已步入重工業(yè)化、高耗能化發(fā)展階段，能源需求量猛增，全國(guó)已普遍出現(xiàn)能源短缺問題，嚴(yán)重影響了我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，為此推廣節(jié)能減排勢(shì)在必行［1］。鍋爐、換熱壓力容器、電梯等高耗能特種設(shè)備因其數(shù)量多、增長(zhǎng)快、分布廣、能源消耗量大等特點(diǎn)，擁有巨大的節(jié)能空間［2－4］。因此，做好高耗能特種設(shè)備節(jié)能工作對(duì)我國(guó)節(jié)能減排戰(zhàn)略具有十分重要的意義。

2010 年以來，國(guó)家開始推進(jìn)高耗能特種設(shè)備節(jié)能降耗工作，即通過能效測(cè)試診斷高耗能特種設(shè)備能耗現(xiàn)狀從而推行高耗能特種設(shè)備節(jié)能改造。目前，高耗能特種設(shè)備能效測(cè)試機(jī)構(gòu)在開展能效測(cè)試工作時(shí)，需要測(cè)試人員先到現(xiàn)場(chǎng)通過測(cè)試儀器儀表采集能耗數(shù)據(jù)，然后再人工進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，這種方式不僅耗時(shí)耗力，而且只能測(cè)出高耗能特種設(shè)備當(dāng)時(shí)狀態(tài)的熱效率，無法測(cè)定運(yùn)行工況變化前后的實(shí)時(shí)效率，難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)運(yùn)行周期能效變化狀況［5］。因此，如何對(duì)高耗能特種設(shè)備能效測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、便捷、有效的統(tǒng)計(jì)分析，已成為高耗能特種設(shè)備能效測(cè)試機(jī)構(gòu)十分關(guān)注的課題。

目前，國(guó)外對(duì)能源效率和消耗的管理主要是通過內(nèi)部建立能源信息管理系統(tǒng)和統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，外部通過能源標(biāo)識(shí)的方式進(jìn)行配套推廣。國(guó)內(nèi)在這方面的相關(guān)研究與開發(fā)主要有交通部的《交通運(yùn)輸行業(yè)能源消耗狀況分析及能源標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)研究與開發(fā)》研究項(xiàng)目、中原節(jié)能公司開發(fā)的河南省公共機(jī)構(gòu)能耗統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)及北京和利時(shí)股份有限公司開發(fā)的能源管理系統(tǒng)等。本文在這些研究的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)基于B/S 與C/S 架構(gòu)，集高耗能特種設(shè)備能效測(cè)試數(shù)據(jù)采集、匯總、統(tǒng)計(jì)和分析計(jì)算等于一體的高耗能特種設(shè)備能耗統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則及工作原理

1．1 設(shè)計(jì)原則

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)遵循了易用性、安全性、可靠性、先進(jìn)性、靈活性、成熟性、模塊化和開放性等原則［6－8］。其中，易用性原則體現(xiàn)在系統(tǒng)具有統(tǒng)一的瀏覽器界面，操作簡(jiǎn)單、使用方便，重要輸入信息特別提示，人機(jī)交互界面遵循使用習(xí)慣，按鈕定義清晰、命名直觀，可視化工作流配置，直觀易懂;先進(jìn)性原則體現(xiàn)在系統(tǒng)采用先進(jìn)的多層體系結(jié)構(gòu)，中間件(包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)接口等)采用． Netframe work 2．0 + WebService 相結(jié)合的技術(shù)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用MS SQL Server;開放性原則體現(xiàn)在源碼及數(shù)據(jù)字典等完全開放。

1．2 工作原理

首先，通過網(wǎng)絡(luò)將高耗能特種設(shè)備能效測(cè)試數(shù)據(jù)從測(cè)試管理平臺(tái)采集至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù);其次，分析軟件通過提取數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)信息以及預(yù)先設(shè)計(jì)的統(tǒng)計(jì)分析算法，對(duì)高耗能特種設(shè)備的能效狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;最后，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果以圖表的形式表現(xiàn)出來。系統(tǒng)的工作原理如圖1 所示。

2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)及功能

2．1 軟件框架

系統(tǒng)采用的B/S 架構(gòu)是WEB 興起后的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，屬于一種“廋”客戶端的系統(tǒng)架構(gòu)，大多數(shù)或主要的業(yè)務(wù)邏輯都在服務(wù)器端。B/S 架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是具有分布性特點(diǎn)，可隨時(shí)隨地進(jìn)行查詢、瀏覽等業(yè)務(wù)處理，并且業(yè)務(wù)擴(kuò)展簡(jiǎn)單方便，維護(hù)、開發(fā)簡(jiǎn)單，共享性強(qiáng)。其缺點(diǎn)是個(gè)性化特點(diǎn)明顯降低，無法實(shí)現(xiàn)具有個(gè)性化的功能要求，無法滿足快速操作的要求，頁面動(dòng)態(tài)刷新、響應(yīng)速度明顯降低，功能弱化，難以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)模式下的特殊功能要求。

圖1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)采用的另一種軟件架構(gòu)——C/S 架構(gòu)，則是基于LAN 下的一種體系結(jié)構(gòu)，是一種典型的二層應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)。C/S 架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，操作界面漂亮、形式多樣，可充分滿足客戶自身的個(gè)性化要求，管理信息系統(tǒng)具有較強(qiáng)的事務(wù)處理能力，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的業(yè)務(wù)流程。其缺點(diǎn)是需專門的客戶端安裝程序，分布功能弱，不能夠?qū)崿F(xiàn)快速部署安裝和配置，兼容性差，開發(fā)成本較高。

在適用Internet、維護(hù)工作量等方面，B/S 比C/S要強(qiáng)得多，但在運(yùn)行速度、數(shù)據(jù)安全、人機(jī)交互等方面，B/S 遠(yuǎn)不如C/S。綜合發(fā)現(xiàn)，凡是C/S 的強(qiáng)項(xiàng)，便是B/S 的弱項(xiàng)，反之亦然。為此，系統(tǒng)開發(fā)采用了B/S 與C/S 相結(jié)合的形式。

2．2 主要功能

系統(tǒng)功能模塊主要由二大塊組成，即能效測(cè)試數(shù)據(jù)采集中間件和能耗統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)平臺(tái)。

能效測(cè)試數(shù)據(jù)采集中間件包括網(wǎng)頁數(shù)據(jù)采集中間件和數(shù)據(jù)同步接口。網(wǎng)頁數(shù)據(jù)采集中間件是實(shí)現(xiàn)從不同系統(tǒng)，采用自動(dòng)登錄的方式進(jìn)入到測(cè)試管理平臺(tái)，將能效測(cè)試數(shù)據(jù)從平臺(tái)采集至能耗統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，便于后續(xù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的需要。數(shù)據(jù)同步接口是對(duì)高耗能特種設(shè)備信息需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)傳送的數(shù)據(jù)留下接口，只需調(diào)用該接口即可將能源信息傳送至能耗統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)。

能耗統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)平臺(tái)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)高耗能特種設(shè)備的熱效率、排煙溫度、過量空氣系數(shù)、爐渣或飛灰含碳量以及爐體外表面溫度等能效指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析計(jì)算。以鍋爐為例，根據(jù)介質(zhì)、燃料和燃燒方式的不同，其又可細(xì)分為蒸汽鍋爐、熱水鍋爐、燃煤鍋爐、燃油鍋爐、燃生物質(zhì)鍋爐和層狀燃燒鍋爐等。在對(duì)這些不同類型和不同蒸發(fā)量鍋爐的能效指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，首先需要剔除不達(dá)標(biāo)的測(cè)試數(shù)據(jù)。為此，系統(tǒng)選取《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》TSG G0002 －2010、《燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測(cè)》GB/T 15317 －2009、《工業(yè)鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》GB/T 17954 －2007 和《工業(yè)鍋爐能效限定值及能效等級(jí)》GB 24500 －2009 四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的能效值作為判斷條件，未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的，說明測(cè)試鍋爐的能效不達(dá)標(biāo)，排除在統(tǒng)計(jì)分析范圍之外。對(duì)于達(dá)標(biāo)的鍋爐，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的統(tǒng)計(jì)分析算法對(duì)其能效測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析計(jì)算，得出能耗分布特征及限定值，用以指導(dǎo)測(cè)試人員及時(shí)調(diào)整鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行參數(shù)，做好鍋爐日常運(yùn)行的節(jié)能工作。鍋爐能耗統(tǒng)計(jì)分析流程如圖2 所示。

圖2 鍋爐能耗統(tǒng)計(jì)分析流程

3 數(shù)據(jù)處理算法

3．1 主要算法介紹

(1)快速排序算法

快速排序是對(duì)冒泡排序的一種改進(jìn)。其基本思想是:通過一趟排序?qū)⒁判虻臄?shù)據(jù)分割成獨(dú)立的兩部分，其中一部分的所有數(shù)據(jù)都比另外一部分的所有數(shù)據(jù)小，然后再按此方法對(duì)這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)分別進(jìn)行快速排序，整個(gè)排序過程可以遞歸進(jìn)行，以此達(dá)到整個(gè)數(shù)據(jù)變成有序序列。

(2)蟻群算法

蟻群算法又稱螞蟻算法，是一種用來在圖中尋找優(yōu)化路徑的機(jī)率型算法。蟻群優(yōu)化算法是模擬螞蟻覓食的原理，設(shè)計(jì)出的一種群集智能算法。螞蟻能夠在其經(jīng)過的路徑上留下一種稱之為信息素的物質(zhì)，在覓食過程中能夠感知這種物質(zhì)的強(qiáng)度，并指導(dǎo)自己的行動(dòng)方向，它們總是朝著該物質(zhì)強(qiáng)度高的方向移動(dòng)，因此大量螞蟻組成的集體覓食就表現(xiàn)為一種對(duì)信息素的正反饋現(xiàn)象。某一條路徑越短，路徑上經(jīng)過的螞蟻越多，其信息素遺留的也就越多，信息素的濃度也就越高，螞蟻選擇這條路徑的幾率也就越高，由此構(gòu)成正反饋過程，從而逐漸的逼近直至最優(yōu)路徑。

(3)聚類分析算法

聚類分析又稱群分析，它是研究(樣品或指標(biāo))分類問題的一種統(tǒng)計(jì)分析方法，同時(shí)也是數(shù)據(jù)挖掘的一個(gè)重要算法。聚類分析是由若干模式組成的。通常，模式是一個(gè)度量的向量，或者是多維空間中的一個(gè)點(diǎn)。聚類分析以相似性為基礎(chǔ)，在一個(gè)聚類中的模式之間比不在同一聚類中的模式之間具有更多的相似性。傳統(tǒng)的聚類分析算法可以分為劃分法、層次法、基于密度的方法、基于網(wǎng)格的方法和基于模型的方法五類。

(4)百分位數(shù)法

百分位數(shù)屬于頻度統(tǒng)計(jì)方法，主要考慮統(tǒng)計(jì)變量出現(xiàn)的次數(shù)而非數(shù)值大小。百分位數(shù)提供了關(guān)于數(shù)據(jù)是如何在最小值與最大值之間分布的信息。百分位數(shù)用P 加下標(biāo)m(特定百分點(diǎn))表示，即Pm。

計(jì)算第P 百分位數(shù)的步驟:

(1)以遞增順序排列原始數(shù)據(jù)(即從小到大排列);

(2)計(jì)算指數(shù)i=nP%;

(3)若i 不是整數(shù)，將i 向上取整，大于i 的毗鄰整數(shù)即為第P 百分位數(shù)的位置;若i 是整數(shù)，則第P百分位數(shù)是第i 項(xiàng)與第(i+1)項(xiàng)數(shù)據(jù)的平均值。

百分位數(shù)的原理如圖3 所示。

圖3 百分位數(shù)原理

3．2 算法實(shí)現(xiàn)

下面，以統(tǒng)計(jì)分析鍋爐的熱效率值為例，說明上述算法在高耗能特種設(shè)備能耗統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。首先，系統(tǒng)利用快速排序算法對(duì)鍋爐的熱效率比例進(jìn)行排序，以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣本數(shù)據(jù)信息的快速讀取;其次，系統(tǒng)利用蟻群算法實(shí)現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)樣本篩選時(shí)以最快捷的方式找到鍋爐熱效率達(dá)標(biāo)值;再次，系統(tǒng)通過聚類分析算法分解標(biāo)準(zhǔn)值，逐個(gè)匹配熱效率達(dá)標(biāo)值;最后，系統(tǒng)利用百分位數(shù)法統(tǒng)計(jì)出鍋爐的熱效率限定值(在額定工況下所允許的熱效率最低值)和熱效率目標(biāo)值(在額定工況下所能達(dá)到的熱效率最佳值)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用舉例

水煤漿是70 年代興起的一種新型、高效、清潔的煤基液體燃料。它改變了煤的傳統(tǒng)燃燒方式，顯示出巨大的環(huán)保節(jié)能優(yōu)勢(shì)。然而，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的缺失，使得許多熱效率不達(dá)標(biāo)的燃水煤漿工業(yè)鍋爐投入使用，水煤漿燃料的優(yōu)勢(shì)得不到充分發(fā)揮。

鑒于此，筆者及其項(xiàng)目組借助于高耗能特種設(shè)備能耗統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)平臺(tái)，完成了對(duì)福建省在用的30 多臺(tái)不同燃燒方式(壓力霧化燃燒、懸浮流化燃燒)、不同容量(2≤D≤6、6 ＜D≤20、20 ＜D≤35)、不同燃料品種(Ⅰ級(jí)漿、Ⅱ級(jí)漿、Ⅲ級(jí)漿)燃水煤漿工業(yè)鍋爐熱效率測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，得出燃水煤漿工業(yè)鍋爐的能效值，并最終形成了福建省地方標(biāo)準(zhǔn)《燃水煤漿工業(yè)鍋爐能效限定值》DB35/T 1366 －2013。壓力霧化燃燒水煤漿鍋爐能效值和懸浮流化燃燒水煤漿鍋爐能效值分別如圖4 和圖5 所示。

圖4 壓力霧化燃燒水煤漿鍋爐能效值

圖5 懸浮流化燃燒水煤漿鍋爐能效值

該標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)已成為福建省燃水煤漿工業(yè)鍋爐定型產(chǎn)品熱效率測(cè)試和在用燃水煤漿工業(yè)鍋爐定期熱效率測(cè)試結(jié)果的判定依據(jù)。

［1］崔大光，杜明坤． 對(duì)工業(yè)鍋爐節(jié)能改造中節(jié)能與安全問題的思考［J］．工業(yè)鍋爐，2013(1):55 －57．

［2］趙永黎，王永春，于連軍．能源數(shù)據(jù)分析在鍋爐節(jié)能中的應(yīng)用［J］．節(jié)能，2013(5):35 －36．

［3］程更生．工業(yè)鍋爐節(jié)能技術(shù)及其應(yīng)用［J］．能源與節(jié)能，2013(11):104 －106．

［4］李以善，王同果． 我國(guó)燃煤鍋爐節(jié)能問題探討［J］．現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2013(4):83 －84．

［5］李茂東，洪文健，葉向榮，等． 工業(yè)鍋爐能效在線管理評(píng)價(jià)系統(tǒng)的研究開發(fā)［J］． 全面腐蝕控制，2014，28(5):21 －23．

［6］商斌，吳飛，楊宏橋．基于Web 服務(wù)的醫(yī)院運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)［J］．中國(guó)醫(yī)療設(shè)備，2013，28(4):48 －49．

［7］王凱．石油煉化中物料平衡統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．當(dāng)代化工，2013，42(6):855 －856．

［8］李硯勤．?dāng)?shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)在鐵路客運(yùn)智能統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．電腦開發(fā)與應(yīng)用，2013，26(3):68 －71．