燃气锅炉耗能量评价和监测系统设计与应用

1 概述

随着清洁供暖工作不断推进，天然气已经成为北方城市集中供暖系统的主要能源，城市燃气需求量在不断增长。城市燃气企业对燃气管网设施布局的合理性和区域燃气输配调节管理都有了更高要求。现有燃气输配系统中，多采用SCADA、GIS等数据管理系统对城镇管网进行统一调度

。有些燃气锅炉用户通过对表具改动造成锅炉实际用气量与仪表读数的偏差，严重损害燃气企业的利益，也带来了很大的安全隐患。

目前城市燃气企业对现有燃气锅炉耗能量合理化评价只能通过单位面积耗气量和单位锅炉容量耗气量进行评判，评价方法为事后分析评价，仅能根据往年评价结果指导来年的监督核查，不能及时发现异常问题，实时性差。在针对异常用户的管理上，只能通过加大人工突击检查和日常巡检频次打击偷盗气行为，成本高效率低，威慑作用大于实际成效。因此，在城市燃气用户管理工作中，需要一套能够与智能化管理系统相配合的燃气锅炉耗能量评价与监测系统(以下简称监测系统)，通过有效的算法实时分析重点用户的耗气情况，在出现用气问题时及时向管理人员报警，有效提高监管力度，降低人力资源成本。

第一，连通域算法在对物体实时跟踪和标记过程中有着重要的作用，可以标记出物体的形状和大小，对后续判断有着重要的作用，因此首先要研究并使用连通域算法选出图像中的颗粒状农产品目标，才能进行下一步分类。

广义互相关时延估计算法(GCC)是在互相关函数基础上用加权函数对输入函数进行滤波，增强了信号中的信噪比，从而提升了互相关分析和时延估计的精度

。GCC具有算法简单、计算量小等优点，在时延估计领域中应用广泛。对于一个锅炉系统，其输入燃气量与输出热量的关系与GCC数学模型的输入函数相符，因此本文结合该算法，设计了一套最大化符合生产需求的监测系统，通过多参数耦合分析方式，对具有偷盗气、私改燃气表等行为用户的用气情况进行实时分析，结合数据统计、人工监管和法律手段，有效杜绝偷盗气行为。

2 广义互相关算法

相关分析是源自信号分析学科的一种概念，数学含义为对两个函数分别作复数共轭和反向平移并使其相乘的无穷积分；在物理概念上表示两个时间序列函数之间的相关程度。在理想状态下，两个相关函数的互相关函数曲线会存在明显的单一峰值，该峰值对应点表示两个函数的最相关点

，该点的横坐标表示两函数平移的距离，即两个函数之间的时间延迟

。对于一个固定的供暖系统，其锅炉热功率、热效率等参数皆为定值，因此正常运营状态下供水温度应与燃气流量呈正相关关系。将锅炉的供水温度与燃气流量等参数作为输入，可以根据输出广义互相关曲线判断两者之间的相关性。

在实际的互相关运算中大多采用有限长序列来代替无限长

，虽然运算简单、快速，但是互相关算法并未考虑干扰值之间可能存在的相关性，这可能会导致互相关函数的峰值弱化或出现多个峰值

。

在互相关函数的实际应用中，为了克服互相关算法的缺陷，研究人员在其基础上采用了广义互相关算法，以此增强了时延估计的准确性

。该算法引入了一个加权函数，将输入函数转换至频域，之后通过加权函数提升频域中互相关函数信噪比，提高互相关函数的性能

。常用的加权函数有Roth函数、相位变换加权函数(PHAT)、平滑相干变换(SCOT)函数等

。在本研究的监测数据分析中，采用了较为常用的SCOT加权函数

，该加权函数可以有效抑制干扰，并展宽互相关函数的峰值。

近年来，我国一些经济发达地区在职业教育培养模式、课程设计、教学方法、校企合作等方面获得了很多成功经验。我州中职教育发展阶段、模式、理论、方向均带有明显其他省份职业教育的特点，在专业设置、课程开发和人才培养体系上大多跟随和模仿发达地区，从而导致专业设置不合理，没有根据本地区文化特色和社会经济发展实际办学。

3 监测系统设计与安装

① 监测系统设计考虑的问题

对特定用户进行准确的耗气量合理化分析，最有效的方法是直接对比锅炉输入燃气量与输出热量的关系。同时，在监测系统的设计中，要同时考虑以下问题。

a.燃气企业与锅炉用户的协调

现场安装与监测工作需要尽量避免影响锅炉房的正常运营，避免对锅炉主体、管线的改造，控制设备不应占据过多锅炉房空间。

小学生具有丰富的想象能力，因此，教师应充分根据这一特点，合理利用数字化的教学资源开展教学活动。小学生对一切新鲜事物有强大的好奇心，教师就应利用数字化的学习资源，营造合理的学习情境，从而促使学生能够进行知识的联想，自主地接受知识。如在讲解“乘法”这一课时，教师可以利用数字化的学习资源，制作相关的课件，促使学生能够通过数字化的资源，深刻理解视频中出现的数学知识，最大程度地刺激其想象能力，有利于学生将难以理解的数学知识转变为容易理解的数学知识，从而突破教学的难点，促使学生更深刻地理解数学知识，因此，教师在数学课堂的教学活动中，应充分利用数字化的学习资源，达到预期的教学效果[3]。

设备数据采集应完善，满足多参数耦合分析需要，提高监测预警的可靠性，同时数据采集频率应适宜，既要保证广义互相关函数的精度又要经济可行。

通过MATLAB建模，应用广义互相关算法，分析2020年1月20日锅炉供水温度与燃气流量的关系，同时也对1月19日、21日的监测数据进行广义互相关分析作为对比，3天的锅炉供水温度与燃气流量广义互相关曲线见图6。可以看出，3天锅炉供水温度与燃气流量的广义互相关曲线都有明显的峰值，且峰值对应的横坐标都为1。根据互相关函数基本原理可知，横坐标为1代表输入函数最相关相位差为1个采样周期，在本次模拟中为5 min，因此说明该锅炉系统的燃气输入到热量输出之间有5 min左右时间延迟，并较为稳定，说明该广义互相关算法分析结果准确。

应尽量简化监测设备与安装流程，在保证准确分析用户耗气的情况下减少设备和安装成本。

c.设备运行安全性

实验中,节点数2、3、4时的平均精度分别为98.82%、90.29%、76.72%,可见,随着预测节点数增多,预测精度降低,预测结果的稳定性也开始下滑.这是因为,当预测的节点数增多时,所有节点组成区域内的链路组合数量呈指数倍增长,而组合数越多,使得预测结果的搜索空间越大,模型越难准确地命中真实的情况,从而导致其预测稳定性的下滑;同时,当数据集大小有限时,对于每种组合下的输入数据就会更少,即每种标签下对应的训练样本变少,使得各标签的训练过程不充分,模型出现欠拟合现象,从而导致其预测精度变低.

依据广义互相关函数的理论，将燃气流量和供水温度作为输入函数进行耗气量合理化评价，先将两个输入函数进行快速傅里叶变换，再运算求得互功率谱密度函数

。对互功率谱密度函数利用加权函数滤波后，再进行快速傅里叶逆变换,可得供水温度与燃气流量的广义互相关曲线。通过该曲线峰值及对应的横坐标能展示被分析函数间相关性与时间差，可以判断该时段内锅炉运行耗气量是否合理

。

保证设备运行安全性，设备布局以及走线应符合锅炉房以及燃气表间相关安全规范。

d.设备数据采集

b.设备成本与安装成本

② 监测系统设备

a.温度传感器

项目组选定了某燃气锅炉房作为试点，安装监测系统，在供暖期进行数据采集和分析。为了保证监测系统分析的可靠性，该监测系统采用了多耦合参数广义互相关分析方式，采集燃气流量、燃气压力、锅炉供水温度，汇总并对采样频率统一化处理后进行广义互相关运算，输出锅炉供水温度与燃气流量、燃气压力的广义互相关曲线,进行对比分析，多参数同时分析可以在实际运行中减少误报警。本次模拟中主要选择燃气流量、燃气压力、锅炉供水温度作为分析参数，由于燃气计量表内数据间隔为5 min，因此本次模拟中采样周期也同步为5 min。

b.计量通信设备

燃气端数据可直接与燃气集团安装的智能燃气计量表进行RS485通信取得，采集数据包括标准状况瞬时流量、标准状况累积体积、温度、压力等。在燃气表间内进行走线时，需要充分考虑到不同锅炉房的实际情况，符合防火防爆等燃气安全要求。

c.数据采集监控箱

① 基础数据

姥爷最拿手的是高汤汆大白菜：切掉菜根，将摘洗干净的菜身拦腰切开一分为二，上边是新嫩青绿的菜叶，下边则是晶莹粗厚的菜帮子，用香浓月白的高汤汆烫，然后加粉丝和红肉丸子，出锅的时候来一点香油和虾米，美味至极，是我童年味蕾上最美好的记忆。

4 监测数据的广义互相关分析实例

为了避免对锅炉正常运行产生影响，采用一体化贴片式温度传感器，测量锅炉供水水温。温度传感器通过喉箍贴在管道表面，实现较理想的测温效果，温度传感器安装见图1。贴片弧度根据现场管道直径定制，确保贴合紧密。此外，安装位置要根据锅炉房的实际情况确定，当无法安装在管道保温层之内时，需要在贴片式传感器外侧加装保温材料，避免测量结果受室内温度影响，采取保温措施的温度传感器见图2。

Wilson & Freeda指出,隐喻翻译是一个复杂的认知过程,译者在将源文转换为目的语文本的过程中,需要进行一系列的分析、解释和阐释等认知活动,译者运用语言和认知思维活动尽量贴切地把源语信息对等地传递给目的语读者,使两种不同语言中所包含的隐喻内容相互映照对等映射[5]。就语言符号(概念、本体/喻体)而言,翻译中的语义转换,首先接受翻译规则和条件的制约,隐喻翻译只有保持语义内涵的不变才能达到隐喻的功能对等;然后接受其他可能影响到翻译的因素的制约,如意义、结构、语境、文化等。

数据采集监控箱采用壁挂式，主要包括开关电源、智能电表、PLC(CPU)、PLC控制模块、触摸屏等，数据采集监控箱设备外观以及操作界面见图3。数据采集监控箱可读取温度、压力、流量等，保证监测数据可存储、可导出。为了适用广义互相关分析算法对锅炉进行耗气量评价工作，可根据工作需求随时调整读取数据的范围、频率，并能够进一步完成数据处理、远端实时传输、自动报警等功能。

1938年4月3日，熊式辉曾向蒋介石提出:“本党成立将近三十年，由革命党改为政党，现在却一不像美之共和民主等政党，二不像苏俄之共产革命专政党，三不像德意之纳粹党及法西斯党，实际并以上三种性质兼有而不俱全，以此来与民社等政党及凭借武力革命之共产党相周旋，一切政治施为，固难求其适应。”㉞蒋介石侍从室的高级幕僚唐纵在1944年4月28日的日记中也提到，“目今党何以不能在政治上起领导作用?党的上层干部，对于主义政策的认识，并不彻底。由革命到取得政权，思想和观念已为之大变，现在大家的观念是现实问题。上级干部在追求权位，下级同志在追求生活。主义、政治、革命，都已忘却了! 消失了!”㉟

选定2020年1月20日锅炉系统数据进行分析，锅炉供水温度与燃气流量、燃气压力的关系分别见图4、5。锅炉采用间歇运行控制方式，当供水温度达到设定最高值时锅炉停止运行，低于设定最低值时锅炉开始运行，因此供水温度在一定范围内波动，燃气流量相应变化。

② 供水温度与燃气流量广义互相关曲线分析

复合趋向构式的隐含复杂性特征 ………………………………………………………… 胡图南 吴义诚（4.24）

本次沙龙的演讲嘉宾有国药集团医药物流有限公司冷链事业部总监余涛、天士力控股集团有限公司物流总监徐伟、九州通医药集团物流有限公司首席运营官刘俊林、德马泰克物流系统（苏州）有限公司设计评估经理贺文文、永恒力中国区大客户总监钱国平等。

③ 供水温度与燃气压力广义互相关曲线分析

1月20日锅炉供水温度与燃气压力广义互相关曲线见图7。可以看出峰值对应的横坐标也为1，说明供水温度与燃气压力也具有相应的广义互相关关系。还可根据现场设备条件增加锅炉回水温度、燃气温度、热水流量等进行多参数耦合的广义互相关分析，以保证分析的可信度。

④ 偷盗气工况分析

此外，项目组还模拟了某日用户偷盗气工况，偷盗气工况燃气流量见图8。假定该用户在某一时刻对燃气表进行干扰，使燃气流量为0，受到影响后，偷盗气工况锅炉供水温度与燃气流量广义互相关曲线见图9。广义互相关曲线出现了大量的干扰峰值，主峰值不明显。在实际的运行工作中，监测系统可以依此判定该锅炉出现运行问题，及时向燃气公司发出报警。

5 结论与展望

① 锅炉供水温度与燃气流量、燃气压力的广义互相关曲线具有明显峰值，锅炉系统的燃气输入到热量输出之间有5 min左右时间延迟，并较为稳定，说明该广义互相关算法分析结果准确。

② 偷盗气工况锅炉供水温度与燃气流量广义互相关曲线出现大量干扰峰值，主峰值不明显，可判定该锅炉出现运行问题。

③ 通过对相关参数进行广义互相关分析，可有效判断燃气锅炉运行与燃气计量情况，实现耗能量评价、计量异常情况报警等功能。

④ 由于燃气计量表内部读数时间间隔为5 min，所以监测最小时间间隔也限定为5 min，导致广义互相关运算时的时间跨度不能过小，否则结果不稳定。若想进一步增加时间延迟估计的准确性、监测系统报警的实时性，可以进一步提高数据读取频率。此外，也可以根据一次广义互相关运算的时间跨度来控制监测系统的灵敏程度，防止由其他原因引起的误报警。

在科拉科夫斯基看来，所有可能的认识对象都限制在实践的范围之内，幻想摆脱实践关系而认识“纯粹的自我”或“纯粹的‘外物’”，这根本是不可能的。因此，离开实践而谈论思维的现实性或非现实性是无意义的虚假问题。“实践功效不是用以证实知识之独立于人的真理性的工具，而是创造真理的东西。”[10]实践是构成真理概念的因素。

⑤ 数据采集监控箱作为数据采集、分析平台，还可以整合更多功能，例如远端传输智能报警、燃气端数据分析、锅炉节能效率评价等，可根据不同需求连接不同的末端设备，具有较大的发展应用潜力。

[ 1 ] 许璐. 城市燃气管理信息系统的分析与设计[J]. 邢台职业技术学院学报，2014(1): 102-104.

[ 2 ] 景思源，冯西安，张亚辉. 广义互相关时延估计声定位算法研究[J]. 声学技术，2014(5): 464-468.

[ 3 ] 董晓红,康平. 广义互相关时延估计法声源定位研究[J]. 无线互联科技,2020(22):5-6.

[ 4 ] 茅惠达,张玲华. 声源定位中广义互相关时延估计算法的研究[J]. 计算机工程与应用，2016(22): 138-142.

[ 5 ] 孙洋,徐慨,杨海亮. 基于广义互相关时延估计算法的性能分析[J]. 计算机与数字工程,2013(1):33-34.

[ 6 ] 周鹤峰,田章福,曾旸,等. 基于广义互相关算法的时延估计改进[C]// 四川省声学学会,上海声学学会,山东声学学会,等. 2020中国西部声学学术交流会论文集. 酒泉：《声学技术》编辑部,2020:450-452.

[ 7 ] 马一凡,高艳,崔希望,等. 广义互相关算法在供水管道泄漏检测中的应用[C]// 中国声学学会. 中国声学学会2017年全国声学学术会议论文集. 哈尔滨：中国声学学会，2017:635-636.

[ 8 ] 梁宇,马良,纳霞,等. 基于广义互相关算法的时延估计[J]. 计算机科学，2011(S1): 454-456.

[ 9 ] CHEN J D，BENESTY J，HUANG Y T. Performance of GCC and AMDF-based time delay estimation in practical reverberant environments[J]. EURASIP Journal on Applied Signal Processing，2005(1): 25-36.

[10] 朱超，屈晓旭，娄景艺. 基于广义互相关的时延估计算法研究[J]. 通信技术，2018(5): 1030-1035.