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1、燃气锅炉智能与优化限制系统的探讨关键词：燃气锅炉;热负荷预料；智能与优化限制 1引 言 近几年来，我国城市燃气结构有了很大改变，陕北自然气已进入京津，渤海和东海自然气也已上岸，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建了条件。 应当看到：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，燃气锅炉的危急性大，限制系统的生产保证和平安保障要求严格。 国外，燃气锅炉的探讨历史较长，燃气燃烧限制技术比较成熟，发展趋势是采纳计算机限制，实现机电一体化，并将平安爱护与自动限制相结合。但是，燃气锅炉的计算机限制，多为单回路常规
2、限制，如蒸汽压力的上下限限制、汽包液位的限制、燃气量的分挡限制等，远不能适应我国各地区及各部门条件多变的须要。为了提高燃气锅炉的热效率和平安生产水平，有必要对燃所锅炉的智能与优化限制技术进行探讨。 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（自然气、LPG、人工煤气等）为燃料，与空气按肯定比例混合后，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应用户。燃气锅炉优点为：锅炉投资少；运行、调整、修理、保养便利；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、锅壳结构简洁、炉胆形态利于燃气燃烧、螺纹式烟管传热性能好，水容积大、对负
3、荷改变的适应性强等优点，因此，颇受重视。 2.2 供热对象分析 本探讨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，温度改变小。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改变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，假如水槽中2万多吨水完全混合，则所需时间很长，才能达到新的稳定值。事实上，水槽内水温并非匀称，但至少可以说明水槽的热惰性很大。 3限制方案与实施 3.1限制系统要求 3.1.1程序限制
4、在燃气锅炉的开停炉过程中，假如操作不当，很易造成锅炉爆炸等事故。程序限制的目的，就是限制燃气锅炉依据平安的程序进行开炉、停炉和正常运行。开炉、停炉程序的每一步都发布进行逻辑推断，依据条件是否满意，确定下一步操作，遇到异样状况时，应刚好报警，并起动相应的联锁装置，以保证锅炉平安运行。 3.1.2平安限制 平安限制主要要求如下： （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、脱火爱护，关闭电磁阀。 （5）
5、鼓、引风机工况（变频故障、接触器故障等）爱护。 3.1.3智能与优化限制 燃气锅炉智能与优化限制包括空气/燃气比优化调整和燃气负荷预料调整二方面。详细要求如下： （1）空气/燃气比优化调整 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。空气系数的调整手段主要是鼓风量。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。在调整过程需预先摸索出空气系数与热效率的关系曲线，即可
6、确定最佳的空气系数。 （2）燃气负荷预料调整 该燃气锅炉的蒸汽到用户之间，未设流量限制回路，原来靠蒸汽压力的凹凸人 为调整供热量。影响供热量的因素许多，如水槽水量、环境温度、风力与风向、太阳照耀强度（指云彩多少）、水槽温度与温度改变趋势、水槽导热性能等。由于各种因素的改变是随机的，而且影响有延迟效应。要求能依据不幸条件和历史数据，建立数学模型进行燃气负荷预料限制。 3.2限制系统 3.2.1限制系统方案选择 燃气锅炉系统限制方案有多种，限制方案的性能比较见表1。 表1 锅炉系统限制方案比较 系统牢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修理电动仪表系统一般低较差无中小无无困难PL
7、C系统高略高强有大中小有有便利微机限制系统中等一般强有中大有有便利集散限制系统高高强有大中有有便利依据比较，我们选择用上位机与可编程序限制器（PLC）相结合的限制方案，液晶触摸屏作为人机对话界面。为确保试验平安牢靠，数据处理与数学模型的建立彩上位机，在线限制彩可编程序限制器（PLC）。 3.2.2上位计算机软件构成与功能 燃气优化计算机限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、人机交互和实时限制。上位机软件主要功能包括： 将从LPC采集传来的数
8、据，通过组态软件制作限制系统各部分不同 显示画面； （2）建立锅炉优化限制系统运行参数的报警和事务记录； （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状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，通过预料模型将采集到的自然气锅炉优化限制系统实时数据进行分析和处理，预料计算出最新限制参数的优化值，并可用人机交互的方式确定是否将数据下传至PLC进行指导限制。 3.2.3限制系统回路 限制系统主要限制回路有： （1）锅炉热负荷调整 由于该锅
9、炉主要供湿式储气罐供蒸汽，并兼顾办公室采暖。故采纳依据环境温度及储气罐水槽湿度调整燃气量，以节约燃气。软件还有优化限制系数的设定，以提高限制系统的性能。 （2）燃气量限制 该系统燃气调整采纳电动机执行机构闭环调整。为优化系统提高牢靠性，燃气调整打破传统调整方式。传统方式是采集燃气量和须要的燃气量进行比较，经PID调整算法，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整。现在的方法是将伺服放大器功能用PLC软件实现，由PLC干脆驱动电动执行机构进行自动调整。手操器功能由人机界面实现。每一个阀位调整，能节约一个手操器、一个伺服放大器和一路D/A模块，提高了系统的牢靠性。 （3
10、）鼓风、引风调整 由于试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，故仍旧保留引风机。鼓风、引风机由变频调速器调整，以达到优化燃烧的目的。 3.2.4系统平安保障 为保障系统的正常、牢靠地运行，该系统设置并显示了15种报警、停炉和平安联锁目的。 （1）燃气负荷预料调整 依据环境条件和历史数据，将主要的因素之间的数据建立回来预料数学模型，再加上其他因素进行修正，得到的数学模型用于预料限制。 （2）鼓风变频限制 首先依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。再依据最佳空气系数和燃气量即可计算出空气量。再依据空气量对鼓风机进行变频限制。 （3）引风变频限制
11、 燃气锅炉炉内压力一般限制在微压操作。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，因此依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限制。由于试验用燃气锅炉负荷小，空气系数较高，又是采纳负压操作，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限制引风量。依据试验结果确定，鼓风和引风采纳分阶段线性调整。 3.3燃气负荷预料数学模型 （1）模型的选择 操作条件的选择可采纳试验法和模型法，对于燃气锅炉的限制，因锅炉蒸汽输出参数相对于输入燃气参数的反应较慢，而储气罐水槽温度改变相对于燃气锅炉输入参
12、数的反应更要慢得多。在这种状况下，假如采纳连续的实时限制，不仅须要增加有关设备，而且被调参数还可能会出现波动。如采纳单纯的采样限制，周期也比较长。 鉴于燃气锅炉主要用户的限制参数的改变慢，而且可以输入较多的历史数据，又有多因素的修正，因此实行燃气负荷预料和采样限制结合的方法。 （2）历史数据 要建立燃气锅炉预料数学模型，必需有肯定数量的历史数据。由于2t/h燃气锅炉的历史数据缺少，只好采纳4t/h燃气锅炉的历史数据。 （3）数学模型的建立 对于限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快。模型的选择主要取决于对象的困难程度和拥有数据的多少。燃气锅炉限制数学模型以热效率为目
13、标函数，因传热过程的机理较清晰，故采纳机理模型进行优化。 影响燃气量的因素许多，依据传热学理论，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，因此采纳燃气量与湿式储气罐水槽温度和大气温度之差进行校正，以得到比较牢靠的预料限制用数学模型。考虑到试验现场的详细条件，为了便利限制，对模型又进行了简化，得出下述预料限制用数学模型。 式中：V燃预料燃气流量，m3/h; T0水槽温度设定值，； T环环境温度实测值，； T槽水槽温度实测值，； K1耗气量预料方程系数（由历史数据回来得出），m3/h/。 K2耗气量预料议程系数（由历史数据回来得出），m3/h/。 K3水槽实测温度与设定温度偏差修正
14、强度系数，K3=1.0100 初次建立的数学模型不肯定精确，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，使之渐渐适合于在控对象。 4试验结果与分析 4.1平安爱护功能 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，均能在报警记录上登记发生时间、报警名称等信息，故障消退也可记录同样信息；报警频次表上在报警名称下，有累计报警及停炉次数，以供管理人员制定设备修理安排，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/m385.909.620.402.871.2137.38(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。 在未采纳变频调速前，鼓风机和引风机在额定转速（全开）下运行。采纳变频调速后，不同风量下，节电约为30%70%。 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料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）99100121129139149159169空气量/（m3/h）165016401990198
