燃气锅炉智能与优化控制系统的研究样本

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, 中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, 特别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。可是, 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, 远不能适应中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。经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, 但至少能够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

根据比较, 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) 经过PC/PPI通信电缆与P LC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, 经过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, 经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, 经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