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1、燃气锅炉智能与优化控制系统的研究 关键词：燃气锅炉;热负荷预测；智能与优化控制 1 引 言 近几年来，我国城市燃气结构有了很大变化，陕北天然气已进入京津，渤海和东海天然气也已上岸，川气也将出川，尤其是西气东输工程的加速实施，为长期受限制的燃气锅炉的应用推广创造了条件。 应该看到：一方面，燃气锅炉的燃料价格相对较高，因此应尽量提高燃料的利用效率；另一方面，气体燃料易燃易爆，燃气锅炉的危险性大，控制系统的生产保证和安全保障要求严格。 国外，燃气锅炉的研究历史较长，燃气燃烧控制技术比较成熟，发展趋势是采用计算机控制，实现机电一体化，并将安全保护与自动控制相结合。但
2、是，燃气锅炉的计算机控制，多为单回路常规控制，如蒸汽压力的上下限控制、汽包液位的控制、燃气量的分挡控制等，远不能适应我国各地区及各部门条件多变的需要。为了提高燃气锅炉的热效率和安全生产水平，有必要对燃所锅炉的智能与优化控制技术进行研究。 2 燃气锅炉特点与供热对象分析 2.1 燃气锅炉特点与要求 燃气锅炉是以燃气（天然气、LPG、人工煤气等）为燃料，与空气按一定比例混合后，经燃烧器喷入炉膛燃烧，产生的热量传给水，以产生水蒸气或热水供给用户。燃气锅炉优点为：锅炉投资少；运行、调节、维修、保养方便；对环境的污染小。 近年来，中小型燃气锅炉的炉型中，卧式火管锅炉因尺寸小、锅壳
3、结构简单、炉胆形状利于燃气燃烧、螺纹式烟管传热性能好，水容积大、对负荷变化的适应性强等优点，因此，颇受重视。 2.2 供热对象分析 本研究以天津市万辛庄罐站蒸发量2t/h的燃气锅炉为示范装置。供热对象为10万M2湿式储气罐的水槽冬季保暧用。由于湿式储气罐水槽中水量很大，约2万多吨，热惰性很大，温度变化小。通过对储气罐的热平衡得出，湿式储气罐水槽温度T随大气温度T0变化的动态我可用下式表示： 其中： 由式（1），式（2）可知，因G大，则K1也大，当水槽加热用蒸汽出现一个干扰A后，如果水槽中2万多吨水完全混
4、合，则所需时间很长，才能达到新的稳定值。实际上，水槽内水温并非均匀，但至少可以说明水槽的热惰性很大。 3 控制方案与实施 3.1控制系统要求 3.1.1程序控制 在燃气锅炉的开停炉过程中，如果操作不当，很易造成锅炉爆炸等事故。程序控制的目的，就是控制燃气锅炉按照安全的程序进行开炉、停炉和正常运行。开炉、停炉程序的每一步都发布进行逻辑判断，根据条件是否满足，决定下一步操作，遇到异常情况时，应及时报警，并起动相应的联锁装置，以保证锅炉安全运行。 3.1.2安全控制 安全控制主要要求如下： （1）高、低水位报警，超低水位报警，并关闭电磁阀，切断燃气气源，鼓风机
5、30s后停机，引风仍运行。 （2）蒸汽压力高报警，蒸汽超高压报警，同时关闭电磁阀，切断燃气气源，收风仍运行。 （3）燃气高、低压报警，防止火焰脱火、回火。 （4）火焰熄火、脱火保护，关闭电磁阀。 （5）鼓、引风机工况（变频故障、接触器故障等）保护。 3.1.3智能与优化控制 燃气锅炉智能与优化控制包括空气/燃气比优化调节和燃气负荷预测调节二方面。具体要求如下： （1）空气/燃气比优化调节 燃气锅炉中主要的热损失是炉体散热和排烟热损失，后者取决于排烟温度和空气系数。降低空气系数可降低排烟热损失。另一方面，空气系数增加有利于燃料的完全燃烧，不
6、完全燃烧损失下降。总体来讲，燃烧热效率与空气系数的关系为非线性的关系，有一个最佳的空气系数，这时的锅炉热效率最高。空气系数的调节手段主要是鼓风量。测定烟气中的氧含量或二氧化碳会计师即可得知空气系数的大小。在调节过程需预先摸索出空气系数与热效率的关系曲线，即可确定最佳的空气系数。 （2）燃气负荷预测调节 该燃气锅炉的蒸汽到用户之间，未设流量控制回路，原来靠蒸汽压力的高低人 为调节供热量。影响供热量的因素很多，如水槽水量、环境温度、风力与风向、太阳照射强度（指云彩多少）、水槽温度与温度变化趋势、水槽导热性能等。由于各种因素的变化是随机的，而且影响有延迟效应。要求能根据不幸条件和
7、历史数据，建立数学模型进行燃气负荷预测控制。 3.2控制系统 3.2.1控制系统方案选择 燃气锅炉系统控制方案有多种，控制方案的性能比较见表1。 表1 锅炉系统控制方案比较 系统 可靠性 价格 功能 数字通讯功能 通用锅炉容量 自诊断功能 冗余功能 维修 电动仪表系统 一般 低 较差 无 中小 无 无 复杂 PLC系统 高 略高 强 有 大中小 有 有 方便 微机控制系统 中等 一般 强 有 中大 有 有 方便 集散控制系统 高 高 强 有 大中 有 有 方便 根据比较，
8、我们选择用上位机与可编程序控制器（PLC）相结合的控制方案，液晶触摸屏作为人机对话界面。为确保试验安全可靠，数据处理与数学模型的建立彩上位机，在线控制彩可编程序控制器（PLC）。 3.2.2上位计算机软件构成与功能 燃气优化计算机控制系统是由上位计算机（IPC）通过PC/PPI通信电缆与PLC进行通讯数据交换，将PLC从现场采集和各项系统运行参数的信号值实现上传至LPC进行处理和运算，通过IPC软件实现实时监视系统运行、人机交互和实时控制。上位机软件主要功能包括： 将从LPC采集传来的数据，通过组态软件制作控制系统各部分不同 显示画面； （2）建立锅炉优化控制系统运
9、行参数的报警和事件记录； （3）建立系统参数的趋势分析和历史数据曲线； （4）对系统运行过程中数据、状态等反映系统实时生产情况的参数建立数据报表； （5）利用WINDOWS的DDE通信协议，完成组态软件与Visual Basic或EXCEL等高级语言软件进行在线数据交换和链接，通过预测模型将采集到的天然气锅炉优化控制系统实时数据进行分析和处理，预测计算出最新控制参数的优化值，并可用人机交互的方式决定是否将数据下传至PLC进行指导控制。 3.2.3控制系统回路 控制系统主要控制回路有： （1）锅炉热负荷调节 由于该锅炉主要供湿式储气罐供蒸汽，并兼顾办公室采暖。故采
10、用根据环境温度及储气罐水槽湿度调节燃气量，以节省燃气。软件还有优化控制系数的设定，以提高控制系统的性能。 （2）燃气量控制 该系统燃气调节采用电动机执行机构闭环调节。为优化系统提高可靠性，燃气调节打破传统调节方式。传统方式是采集燃气量和需要的燃气量进行比较，经PID调节算法，PLC的D/A输出，经手操器到伺服放大器，带动电动机执行机构进行调节。现在的方法是将伺服放大器功能用PLC软件实现，由PLC直接驱动电动执行机构进行自动调节。手操器功能由人机界面实现。每一个阀位调节，能节省一个手操器、一个伺服放大器和一路D/A模块，提高了系统的可靠性。 （3）鼓风、引风调节 由于试
11、验用燃气锅炉是由燃煤锅炉改造而来的，锅炉烟气系统阻力比燃气锅炉大，故仍然保留引风机。鼓风、引风机由变频调速器调节，以达到优化燃烧的目的。 3.2.4系统安全保障 为保障系统的正常、可靠地运行，该系统设置并显示了15种报警、停炉和安全联锁目的。 3.2.5 （1）燃气负荷预测调节 根据环境条件和历史数据，将主要的因素之间的数据建立回归预测数学模型，再加上其他因素进行修正，得到的数学模型用于预测控制。 （2）鼓风变频控制 首先根据燃气量与燃气热值计算出燃烧用空气量，然后，确定最佳空气系数。再根据最佳空气系数和燃气量即可计算出空气量。再根据空气量对鼓风机进行变
12、频控制。 （3）引风变频控制 燃气锅炉炉内压力一般控制在微压操作。压力太高，烟气易外漏，影响操作环境；负压太大，易向炉内漏入空气，增加过量空气系数，降低燃烧效率。而漏进风量又与炉内负压有关，因此根据鼓风量和炉内负压可以确定引风量。借此可对引风机进行变频控制。由于试验用燃气锅炉负荷小，空气系数较高，又是采用负压操作，漏风量大，烟气中氧含量高，因此不能用烟气中氧含量和炉内压力来控制引风量。根据试验结果决定，鼓风和引风采用分阶段线性调节。 3.3燃气负荷预测数学模型 （1）模型的选择 操作条件的选择可采用试验法和模型法，对于燃气锅炉的控制，因锅炉蒸汽输出参数相对于输入燃气
13、参数的反应较慢，而储气罐水槽温度变化相对于燃气锅炉输入参数的反应更要慢得多。在这种情况下，如果采用连续的实时控制，不仅需要增加有关设备，而且被调参数还可能会出现波动。如采用单纯的采样控制，周期也比较长。 鉴于燃气锅炉主要用户的控制参数的变化慢，而且可以输入较多的历史数据，又有多因素的修正，因此采取燃气负荷预测和采样控制结合的方法。 （2）历史数据 要建立燃气锅炉预测数学模型，必须有一定数量的历史数据。由于2t/h燃气锅炉的历史数据缺少，只好采用4t/h燃气锅炉的历史数据。 （3）数学模型的建立 对于控制用模型与模拟计算用模型的要求又不一样，它要求模型的形成和运算
14、快。模型的选择主要取决于对象的复杂程度和拥有数据的多少。燃气锅炉控制数学模型以热效率为目标函数，因传热过程的机理较清楚，故采用机理模型进行优化。 影响燃气量的因素很多，根据传热学理论，湿式储气罐水槽温度和大气温度之差是储气罐散热的主要推动力，因此采用燃气量与湿式储气罐水槽温度和大气温度之差进行校正，以得到比较可靠的预测控制用数学模型。考虑到试验现场的具体条件，为了方便控制，对模型又进行了简化，得出下述预测控制用数学模型。 式中：V燃—预测燃气流量，m3/h; T0—水槽温度设定值，℃； T环—环境温度实测值，℃； T槽—水槽温度实测
15、值，℃； K1—耗气量预测方程系数（由历史数据回归得出），m3/h/℃。 K2—耗气量预测议程系数（由历史数据回归得出），m3/h/℃。 K3—水槽实测温度与设定温度偏差修正强度系数，K3=1.0~100 初次建立的数学模型不一定准确，但是通过自学习，能随着操作数据的积累，不断用新的数据更新历史数据，使之逐渐适合于在控对象。 4实验结果与分析 4.1安全保护功能 经过测定，16种故障的报警值均可以在人机界面上设定后进入监控运行，均能在报警记录上记下发生时间、报警名称等信息，故障消除也可记录同样信息；报警频次表上在报警名称下
16、有累计报警及停炉次数，以供管理人员制定设备维修计划，改进操作用。 4.2燃气于烟气分析数据 （1）燃气分析 燃气分析结果见表2。 CH4/% C2H6/% C3H8/% CO2/% N3/% 低热值MJ/m3 85.90 9.62 0.40 2.87 1.21 37.38 (2) 烟气分析结果 烟气分析数据（见表3）还表明，烟气中一氧化碳含量很低，排放至大气，污染很小。 4.3节电测试数据 节电测试数据见表4。 在未采用变频调速前，鼓风机和引风机在额定转速（全开）下运行。采用变频调速后，不同风量下，节电约为30%—70%。
17、 4.4节气测试数据 燃气耗量的节约可从热效率的提高、蒸汽压力的提高和预测燃气负荷的降低三个方面来说明。 （1） 燃气锅炉热效率的提高 2t/h和4t/h燃气锅炉热效率的比较见表5。 表3 烟气分析结果 燃气量/（m3/h） 99 100 121 129 139 149 159 169 空气量/（m3/h） 1650 1640 1990 1980 1990 1980 2280 2280 烟气温度/℃ 155 156 164 169 171 175 183 187 烟气含量 CO/10-6 2.0
18、2.5 2.0 3.0 2.5 3.0 3.0 3.0 CO2/% 5.2 5.7 5.5 5.9 6.5 7.0 6.6 7.1 O2/% 11.9 10.9 11.4 10.5 9.6 8.6 9.4 8.5 表4 节电测试数据 全开 1档 2档 3档 4档 鼓风机频率/H2 50 40 30 20 10 引风机频率/H2 50 45 40 35 30 燃气量/（m3/h） — 164 126 85 54 空气量/（m3/h） 3000 2270 1990 1710 141
19、0 鼓引风电机总功率/KW 9.60 7.05 4.79 3.24 2.10 相对耗电量 1.00 0.73 0.50 0.34 0.22 节电率/% 0.00 27.00 50.00 66.00 78.00 表5 2 t/h和4 t/h燃气锅炉热效率的比较 燃气量/（m3/h） 空气量/（m3/h） 烟气温度/℃ 蒸汽压力/MPa 蒸汽量/（kg/h） 热效率/% 2 t/h燃气锅炉 97 1640 156 0.099 1020 74.5 110 1640 163 0.120 1200 77.3
20、8 111 1580 161 0.143 1300 83.28 118 1990 179 0.173 1380 83.16 135 1920 169 0.178 1460 76.91 148 1910 178 0.196 1570 75.25 151 2300 195 0.242 1560 73.29 平均 77.38 4 t/h燃气锅炉 135 3000 — 0.120 1300 66.31 138 3000 — 0.140 1300 66.82 152 3000 — 0.160 1500
21、70.00 157 3000 — 0.180 1600 72.29 166 3000 — 0.200 1700 72.65 平均 70.18 （2）不同蒸汽压力的燃气耗量 不同燃气锅炉蒸汽压力的燃气耗量测定数据见表6。 表6 不同燃气锅炉蒸汽压力的燃气耗量 2t/h锅炉 蒸汽压力/MPa 0.099 0.111 0.128 0.146 0.169 0.183 0.204 0.225 燃气量/（m3/h） 99 100 121 129 139 149 159 169 4t/h锅炉 蒸汽压力/MPa 0.12
22、 0.14 0.16 0.18 0.20 — — — 燃气量/（m3/h） 135 138 152 157 166 — — — 表7 锅炉燃气用量V燃的模型计算结果 水槽温度设定值/℃ 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 计算燃气用量/ （m3/h） 166 163 159 156 153 149 146 143 139 136 相对燃气用量/% 100 98 96 94 92 90 88 86 84 82 节气量/% 0 2 4 6 8 10 12 1
23、4 16 18 假定： (1)T环—环境温度实测值为0℃； (2)耗气量预测方程系数K=3.3m3/h/℃; (3)水槽实测温度与设定温度偏差修正系数K3=10； (4)水槽温度实测值T槽=水槽温度设定值T0。 由表6可以看出，采用计算机进行智能与优化控制的2t/h燃气锅炉和未采用计算机进行智能与优化控制的4t/h燃气锅炉相比，热效率提高了7.2%。 （3）用燃气负荷预测模型控制的节气量计算 锅炉燃气用量V地的模型计算结果见表7。这一趋势从表7也可以看出，达到相同蒸汽压力时，2t/h燃气锅炉和4t/h燃气锅炉相比燃气量要低。 在燃气锅炉未
24、采用计算机进行智能与优化控制以前，对水槽温度未加设定，当大气测试高时，水槽温度就比较高，经常达16℃以上。实际上，水槽温度为7℃-10℃时仍很安全。在此情况下，由表8可知，与水槽温度16℃相比，节气量达12%-18%。如果加上燃气锅炉热效率的提高，节气量还会提高。 5结论 （1）通过实验表明，在燃气锅炉上采用研究开发的计算机控制系统，能保证安全和保障生产； （2）在燃气锅炉上采用研究开发的计算机控制系统，节电与节燃气效果明显，一般可节电20%以上，节燃气10%以上。 （3）研究开发的控制样机稳定可靠，与国外设备相比，不但功能多，而且制造成本低约50%； （4）试验中采用的数学模型是以湿式储气罐的水槽为主要供热对象而建立的，不同供热对象的数学模型应有所区别。
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