燃煤发电厂智能监控系统（一）：燃烧系统监控与Java实现

燃煤发电厂的燃烧系统是整个发电过程的核心，煤炭从储存到燃烧的每个环节都需要精确控制。随着工业4.0的发展，传统的燃烧控制正在向智能化转型。本文将深入探讨燃烧系统的工作原理，并展示如何用Java开发工业物联网监控系统。

1 燃烧系统工作原理

1.1 煤炭处理流程

煤炭从储存到燃烧需要经过多个处理环节。首先，煤炭通过皮带输送机从煤场运输，期间会经过电磁除铁和破碎处理，确保煤炭质量。处理后的煤炭进入煤仓储存，等待进一步加工。

给煤机将煤炭从煤仓送入磨煤机，在这里煤炭被研磨成细粉。磨煤的目的是增加燃烧接触面积，提高燃烧效率。磨好的煤粉通过热空气输送到分离器，合格的煤粉进入粉仓，最终由给粉机送入锅炉炉膛燃烧。

1.2 燃烧过程控制

炉膛内的燃烧过程需要精确控制空气量、煤粉量和燃烧温度。空气通过一次风和二次风系统供给，一次风携带煤粉进入炉膛，二次风提供燃烧所需的氧气。燃烧产生的高温烟气加热水冷壁，将水变成蒸汽。

燃烧效率直接影响发电厂的经济性和环保性能。过量空气会降低炉膛温度，影响燃烧效率；空气不足则会造成不完全燃烧，产生更多污染物。因此需要实时监控和调节各项参数。

2 Java监控系统设计

2.1 系统架构

基于Spring Boot框架设计的燃烧系统监控平台，采用分层架构：

• 数据采集层：通过Modbus协议从PLC和传感器获取实时数据
• 业务逻辑层：处理数据分析、报警判断和控制策略
• 数据存储层：使用时序数据库存储历史数据
• 用户界面层：提供Web界面进行监控和操作

2.2 核心监控类实现

/**
 * 燃烧系统监控类
 * 实时监控煤粉制备和燃烧过程的关键参数
 */
@Component
public class CombustionSystemMonitor {
    
    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(CombustionSystemMonitor.class);
    
    @Autowired
    private SensorDataService sensorService;
    
    @Autowired
    private AlarmService alarmService;
    
    @Autowired
    private ControlService controlService;
    
    /**
     * 监控煤粉制备过程
     * 包括给煤量、磨煤机转速、煤粉细度等参数
     */
    @Scheduled(fixedRate = 5000) // 每5秒检查一次
    public void monitorCoalPreparation() {
        try {
            // 获取给煤机流量数据
            double coalFeedRate = sensorService.getCoalFeedRate();
            
            // 获取磨煤机转速
            double millSpeed = sensorService.getMillSpeed();
            
            // 获取煤粉细度
            double coalFineness = sensorService.getCoalFineness();
            
            // 获取磨煤机出口温度
            double millOutletTemp = sensorService.getMillOutletTemperature();
            
            // 检查给煤量是否在正常范围内
            if (coalFeedRate < 50 || coalFeedRate > 200) {
                alarmService.sendAlarm("给煤量异常: " + coalFeedRate + " t/h", "HIGH");
                logger.warn("Coal feed rate out of range: {} t/h", coalFeedRate);
            }
            
            // 检查磨煤机转速
            if (millSpeed < 15 || millSpeed > 25) {
                alarmService.sendAlarm("磨煤机转速异常: " + millSpeed + " rpm", "MEDIUM");
                // 自动调节转速
                controlService.adjustMillSpeed(millSpeed);
            }
            
            // 检查煤粉细度
            if (coalFineness > 25) { // 煤粉过粗
                alarmService.sendAlarm("煤粉细度过粗: " + coalFineness + "%", "MEDIUM");
                // 降低磨煤机转速，延长研磨时间
                controlService.adjustMillSpeed(millSpeed - 1);
            }
            
            // 检查磨煤机出口温度
            if (millOutletTemp > 80) {
                alarmService.sendAlarm("磨煤机出口温度过高: " + millOutletTemp + "°C", "HIGH");
                // 增加通风量降温
                controlService.increasePrimaryAirFlow();
            }
            
            // 记录正常运行数据
            logger.info("煤粉制备监控 - 给煤量: {}t/h, 磨煤机转速: {}rpm, 煤粉细度: {}%, 出口温度: {}°C", 
                       coalFeedRate, millSpeed, coalFineness, millOutletTemp);
                       
        } catch (Exception e) {
            logger.error("煤粉制备监控异常", e);
        }
    }
    
    /**
     * 监控炉膛燃烧状态
     * 包括炉膛温度、氧含量、燃烧效率等
     */
    @Scheduled(fixedRate = 3000) // 每3秒检查一次
    public void monitorFurnaceCombustion() {
        try {
            // 获取炉膛温度
            double furnaceTemp = sensorService.getFurnaceTemperature();
            
            // 获取烟气氧含量
            double oxygenContent = sensorService.getOxygenContent();
            
            // 获取一次风量和二次风量
            double primaryAirFlow = sensorService.getPrimaryAirFlow();
            double secondaryAirFlow = sensorService.getSecondaryAirFlow();
            
            // 获取烟气CO含量
            double coContent = sensorService.getCOContent();
            
            // 计算燃烧效率
            double combustionEfficiency = calculateCombustionEfficiency(furnaceTemp, oxygenContent, coContent);
            
            // 温度过高或过低都会影响燃烧效率
            if (furnaceTemp < 1200 || furnaceTemp > 1600) {
                alarmService.sendAlarm("炉膛温度异常: " + furnaceTemp + "°C", "HIGH");
                
                if (furnaceTemp < 1200) {
                    // 温度过低，增加给煤量或调节风量
                    controlService.adjustCoalFeedRate(5); // 增加5%
                } else {
                    // 温度过高，减少给煤量或增加风量
                    controlService.adjustCoalFeedRate(-3); // 减少3%
                }
            }
            
            // 氧含量过高说明空气过量，过低说明燃烧不充分
            if (oxygenContent < 3 || oxygenContent > 8) {
                alarmService.sendAlarm("烟气氧含量异常: " + oxygenContent + "%", "MEDIUM");
                
                if (oxygenContent < 3) {
                    // 氧含量过低，增加二次风量
                    controlService.adjustSecondaryAirFlow(10);
                } else {
                    // 氧含量过高，减少二次风量
                    controlService.adjustSecondaryAirFlow(-5);
                }
            }
            
            // CO含量过高说明燃烧不完全
            if (coContent > 200) { // ppm
                alarmService.sendAlarm("烟气CO含量过高: " + coContent + " ppm", "HIGH");
                // 增加二次风量改善燃烧
                controlService.adjustSecondaryAirFlow(15);
            }
            
            // 燃烧效率过低需要优化
            if (combustionEfficiency < 85) {
                logger.warn("燃烧效率偏低: {}%", combustionEfficiency);
                // 执行燃烧优化策略
                optimizeCombustion(oxygenContent, coContent);
            }
            
            logger.info("炉膛燃烧监控 - 温度: {}°C, 氧含量: {}%, CO含量: {}ppm, 燃烧效率: {}%", 
                       furnaceTemp, oxygenContent, coContent, combustionEfficiency);
                       
        } catch (Exception e) {
            logger.error("炉膛燃烧监控异常", e);
        }
    }
    
    /**
     * 根据炉膛温度、氧含量和CO含量计算燃烧效率
     */
    private double calculateCombustionEfficiency(double temperature, double oxygen, double co) {
        // 基础燃烧效率
        double baseEfficiency = 88.0;
        
        // 温度影响因子（最佳温度1400°C）
        double tempFactor = 1.0 - Math.abs(temperature - 1400) / 1400 * 0.1;
        
        // 氧含量影响因子（最佳氧含量5-6%）
        double oxygenFactor = 1.0;
        if (oxygen < 3 || oxygen > 8) {
            oxygenFactor = 0.9;
        } else if (oxygen >= 5 && oxygen <= 6) {
            oxygenFactor = 1.0;
        } else {
            oxygenFactor = 0.95;
        }
        
        // CO含量影响因子（CO越高效率越低）
        double coFactor = 1.0 - Math.min(co / 1000, 0.2); // CO超过1000ppm时效率显著下降
        
        return baseEfficiency * tempFactor * oxygenFactor * coFactor;
    }
    
    /**
     * 燃烧优化策略
     */
    private void optimizeCombustion(double oxygen, double co) {
        try {
            if (co > 150 && oxygen > 6) {
                // CO高且氧含量高，说明混合不良，调节风量分配
                controlService.adjustAirDistribution();
                logger.info("执行风量分配优化");
            } else if (co > 150 && oxygen < 4) {
                // CO高且氧含量低，增加总风量
                controlService.adjustTotalAirFlow(8);
                logger.info("增加总风量改善燃烧");
            } else if (co < 100 && oxygen > 7) {
                // CO低但氧含量过高，减少过量空气
                controlService.adjustTotalAirFlow(-5);
                logger.info("减少过量空气提高效率");
            }
        } catch (Exception e) {
            logger.error("燃烧优化失败", e);
        }
    }
}

3 传感器数据服务

3.1 数据采集服务

/**
 * 传感器数据服务
 * 负责从各种传感器和PLC获取实时数据
 */
@Service
public class SensorDataService {
    
    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(SensorDataService.class);
    
    @Autowired
    private ModbusClient modbusClient;
    
    @Autowired
    private DataValidationService validationService;
    
    /**
     * 获取给煤机流量
     */
    public double getCoalFeedRate() {
        try {
            // 从Modbus地址1001读取给煤机流量数据
            int rawValue = modbusClient.readHoldingRegister(1001);
            double flowRate = rawValue / 10.0; // 转换为实际流量值
            
            // 数据验证
            if (validationService.isValidCoalFeedRate(flowRate)) {
                return flowRate;
            } else {
                logger.warn("给煤机流量数据异常: {}", flowRate);
                return getLastValidValue("coal_feed_rate");
            }
        } catch (Exception e) {
            logger.error("读取给煤机流量失败", e);
            return getLastValidValue("coal_feed_rate");
        }
    }
    
    /**
     * 获取磨煤机转速
     */
    public double getMillSpeed() {
        try {
            int rawValue = modbusClient.readHoldingRegister(1002);
            double speed = rawValue / 100.0;
            
            if (validationService.isValidMillSpeed(speed)) {
                return speed;
            } else {
                logger.warn("磨煤机转速数据异常: {}", speed);
                return getLastValidValue("mill_speed");
            }
        } catch (Exception e) {
            logger.error("读取磨煤机转速失败", e);
            return getLastValidValue("mill_speed");
        }
    }
    
    /**
     * 获取煤粉细度
     */
    public double getCoalFineness() {
        try {
            int rawValue = modbusClient.readHoldingRegister(1003);
            double fineness = rawValue / 100.0;
            
            if (validationService.isValidCoalFineness(fineness)) {
                return fineness;
            } else {
                logger.warn("煤粉细度数据异常: {}", fineness);
                return getLastValidValue("coal_fineness");
            }
        } catch (Exception e) {
            logger.error("读取煤粉细度失败", e);
            return getLastValidValue("coal_fineness");
        }
    }
    
    /**
     * 获取炉膛温度
     */
    public double getFurnaceTemperature() {
        try {
            int rawValue = modbusClient.readHoldingRegister(1004);
            double temperature = rawValue / 10.0;
            
            if (validationService.isValidFurnaceTemperature(temperature)) {
                return temperature;
            } else {
                logger.warn("炉膛温度数据异常: {}", temperature);
                return getLastValidValue("furnace_temperature");
            }
        } catch (Exception e) {
            logger.error("读取炉膛温度失败", e);
            return getLastValidValue("furnace_temperature");
        }
    }
    
    /**
     * 获取烟气氧含量
     */
    public double getOxygenContent() {
        try {
            int rawValue = modbusClient.readHoldingRegister(1005);
            double oxygen = rawValue / 100.0;
            
            if (validationService.isValidOxygenContent(oxygen)) {
                return oxygen;
            } else {
                logger.warn("氧含量数据异常: {}", oxygen);
                return getLastValidValue("oxygen_content");
            }
        } catch (Exception e) {
            logger.error("读取氧含量失败", e);
            return getLastValidValue("oxygen_content");
        }
    }
    
    /**
     * 获取烟气CO含量
     */
    public double getCOContent() {
        try {
            int rawValue = modbusClient.readHoldingRegister(1006);
            double co = rawValue; // CO含量单位ppm
            
            if (validationService.isValidCOContent(co)) {
                return co;
            } else {
                logger.warn("CO含量数据异常: {}", co);
                return getLastValidValue("co_content");
            }
        } catch (Exception e) {
            logger.error("读取CO含量失败", e);
            return getLastValidValue("co_content");
        }
    }
    
    /**
     * 获取一次风量
     */
    public double getPrimaryAirFlow() {
        try {
            int rawValue = modbusClient.readHoldingRegister(1007);
            return rawValue / 10.0;
        } catch (Exception e) {
            logger.error("读取一次风量失败", e);
            return getLastValidValue("primary_air_flow");
        }
    }
    
    /**
     * 获取二次风量
     */
    public double getSecondaryAirFlow() {
        try {
            int rawValue = modbusClient.readHoldingRegister(1008);
            return rawValue / 10.0;
        } catch (Exception e) {
            logger.error("读取二次风量失败", e);
            return getLastValidValue("secondary_air_flow");
        }
    }
    
    /**
     * 获取磨煤机出口温度
     */
    public double getMillOutletTemperature() {
        try {
            int rawValue = modbusClient.readHoldingRegister(1009);
            return rawValue / 10.0;
        } catch (Exception e) {
            logger.error("读取磨煤机出口温度失败", e);
            return getLastValidValue("mill_outlet_temperature");
        }
    }
    
    /**
     * 获取最后一个有效值（用于数据异常时的备用）
     */
    private double getLastValidValue(String parameterName) {
        // 从缓存或数据库获取最后一个有效值
        // 这里简化处理，返回默认值
        switch (parameterName) {
            case "coal_feed_rate": return 120.0;
            case "mill_speed": return 20.0;
            case "coal_fineness": return 15.0;
            case "furnace_temperature": return 1400.0;
            case "oxygen_content": return 5.5;
            case "co_content": return 100.0;
            case "primary_air_flow": return 800.0;
            case "secondary_air_flow": return 1200.0;
            case "mill_outlet_temperature": return 70.0;
            default: return 0.0;
        }
    }
}

4 控制服务实现

4.1 燃烧控制服务

/**
 * 燃烧控制服务
 * 负责执行各种控制操作
 */
@Service
public class ControlService {
    
    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(ControlService.class);
    
    @Autowired
    private ModbusClient modbusClient;
    
    @Autowired
    private SafetyCheckService safetyService;
    
    /**
     * 调节给煤量
     * @param adjustmentPercent 调节百分比（正数增加，负数减少）
     */
    public void adjustCoalFeedRate(double adjustmentPercent) {
        try {
            // 安全检查
            if (!safetyService.canAdjustCoalFeed()) {
                logger.warn("安全检查失败，无法调节给煤量");
                return;
            }
            
            // 获取当前给煤量设定值
            int currentSetpoint = modbusClient.readHoldingRegister(2001);
            
            // 计算新的设定值
            int newSetpoint = (int) (currentSetpoint * (1 + adjustmentPercent / 100));
            
            // 限制在安全范围内
            newSetpoint = Math.max(500, Math.min(2000, newSetpoint)); // 50-200 t/h
            
            // 写入新的设定值
            modbusClient.writeHoldingRegister(2001, newSetpoint);
            
            logger.info("给煤量调节: {}% -> {}%, 调节幅度: {}%", 
                       currentSetpoint / 10.0, newSetpoint / 10.0, adjustmentPercent);
                       
        } catch (Exception e) {
            logger.error("调节给煤量失败", e);
        }
    }
    
    /**
     * 调节磨煤机转速
     */
    public void adjustMillSpeed(double targetSpeed) {
        try {
            if (!safetyService.canAdjustMillSpeed()) {
                logger.warn("安全检查失败，无法调节磨煤机转速");
                return;
            }
            
            // 限制转速范围
            targetSpeed = Math.max(15, Math.min(25, targetSpeed));
            
            int speedSetpoint = (int) (targetSpeed * 100);
            modbusClient.writeHoldingRegister(2002, speedSetpoint);
            
            logger.info("磨煤机转速调节至: {} rpm", targetSpeed);
            
        } catch (Exception e) {
            logger.error("调节磨煤机转速失败", e);
        }
    }
    
    /**
     * 调节二次风量
     */
    public void adjustSecondaryAirFlow(double adjustmentPercent) {
        try {
            if (!safetyService.canAdjustAirFlow()) {
                logger.warn("安全检查失败，无法调节风量");
                return;
            }
            
            int currentFlow = modbusClient.readHoldingRegister(2003);
            int newFlow = (int) (currentFlow * (1 + adjustmentPercent / 100));
            
            // 限制风量范围
            newFlow = Math.max(8000, Math.min(15000, newFlow));
            
            modbusClient.writeHoldingRegister(2003, newFlow);
            
            logger.info("二次风量调节: {} -> {}, 调节幅度: {}%", 
                       currentFlow / 10.0, newFlow / 10.0, adjustmentPercent);
                       
        } catch (Exception e) {
            logger.error("调节二次风量失败", e);
        }
    }
    
    /**
     * 调节总风量
     */
    public void adjustTotalAirFlow(double adjustmentPercent) {
        try {
            // 同时调节一次风和二次风
            adjustPrimaryAirFlow(adjustmentPercent * 0.3); // 一次风调节幅度较小
            adjustSecondaryAirFlow(adjustmentPercent * 0.7); // 二次风调节幅度较大
            
            logger.info("总风量调节完成，调节幅度: {}%", adjustmentPercent);
            
        } catch (Exception e) {
            logger.error("调节总风量失败", e);
        }
    }
    
    /**
     * 增加一次风量（用于磨煤机降温）
     */
    public void increasePrimaryAirFlow() {
        adjustPrimaryAirFlow(10); // 增加10%
    }
    
    /**
     * 调节一次风量
     */
    private void adjustPrimaryAirFlow(double adjustmentPercent) {
        try {
            int currentFlow = modbusClient.readHoldingRegister(2004);
            int newFlow = (int) (currentFlow * (1 + adjustmentPercent / 100));
            
            // 限制风量范围
            newFlow = Math.max(6000, Math.min(10000, newFlow));
            
            modbusClient.writeHoldingRegister(2004, newFlow);
            
            logger.info("一次风量调节: {} -> {}", currentFlow / 10.0, newFlow / 10.0);
            
        } catch (Exception e) {
            logger.error("调节一次风量失败", e);
        }
    }
    
    /**
     * 优化风量分配
     * 调节一次风和二次风的比例以改善燃烧
     */
    public void adjustAirDistribution() {
        try {
            // 获取当前风量
            int primaryAir = modbusClient.readHoldingRegister(2004);
            int secondaryAir = modbusClient.readHoldingRegister(2003);
            
            // 计算当前比例
            double ratio = (double) primaryAir / secondaryAir;
            
            // 理想比例约为0.6-0.8
            if (ratio < 0.6) {
                // 一次风比例过低，增加一次风或减少二次风
                adjustPrimaryAirFlow(5);
                adjustSecondaryAirFlow(-3);
            } else if (ratio > 0.8) {
                // 一次风比例过高，减少一次风或增加二次风
                adjustPrimaryAirFlow(-3);
                adjustSecondaryAirFlow(5);
            }
            
            logger.info("风量分配优化完成，当前比例: {}", ratio);
            
        } catch (Exception e) {
            logger.error("风量分配优化失败", e);
        }
    }
}

5 报警服务

5.1 智能报警系统

/**
 * 报警服务
 * 处理各种报警信息的发送和管理
 */
@Service
public class AlarmService {
    
    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(AlarmService.class);
    
    @Autowired
    private NotificationService notificationService;
    
    @Autowired
    private AlarmRepository alarmRepository;
    
    /**
     * 发送报警
     * @param message 报警消息
     * @param severity 严重程度：LOW, MEDIUM, HIGH, CRITICAL
     */
    public void sendAlarm(String message, String severity) {
        try {
            // 创建报警记录
            Alarm alarm = new Alarm();
            alarm.setMessage(message);
            alarm.setSeverity(severity);
            alarm.setTimestamp(LocalDateTime.now());
            alarm.setSystem("COMBUSTION");
            alarm.setStatus("ACTIVE");
            
            // 保存到数据库
            alarmRepository.save(alarm);
            
            // 根据严重程度选择通知方式
            switch (severity) {
                case "CRITICAL":
                    notificationService.sendSMS(message);
                    notificationService.sendEmail(message);
                    notificationService.sendWebNotification(message);
                    break;
                case "HIGH":
                    notificationService.sendEmail(message);
                    notificationService.sendWebNotification(message);
                    break;
                case "MEDIUM":
                    notificationService.sendWebNotification(message);
                    break;
                case "LOW":
                    // 仅记录日志
                    break;
            }
            
            logger.warn("报警发送: [{}] {}", severity, message);
            
        } catch (Exception e) {
            logger.error("发送报警失败", e);
        }
    }
    
    /**
     * 确认报警
     */
    public void acknowledgeAlarm(Long alarmId, String operator) {
        try {
            Alarm alarm = alarmRepository.findById(alarmId).orElse(null);
            if (alarm != null) {
                alarm.setStatus("ACKNOWLEDGED");
                alarm.setAcknowledgedBy(operator);
                alarm.setAcknowledgedAt(LocalDateTime.now());
                alarmRepository.save(alarm);
                
                logger.info("报警已确认: ID={}, 操作员={}", alarmId, operator);
            }
        } catch (Exception e) {
            logger.error("确认报警失败", e);
        }
    }
}

6 总结

本文介绍了燃煤发电厂燃烧系统的工作原理，并展示了如何使用Java开发智能监控系统。通过实时监控煤粉制备和炉膛燃烧过程，系统能够及时发现异常并自动调节控制参数，提高燃烧效率和设备安全性。

关键技术要点：

• 基于Spring Boot的分层架构设计
• Modbus协议实现设备通信
• 实时数据采集和验证机制
• 智能控制策略和安全保护
• 多级报警和通知系统

下一篇文章将介绍汽水系统智能控制与发电监测的实现方案。