燃气锅炉智能与优化控制系统的研究

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，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VisualBasic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，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/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%。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）99100121129139149159169空气量/（m3/h）16501640199019801990198022802280烟气温度/℃155156164169171175183187烟气含量CO/10-62.02.52.03.02.53.03.03.0CO2/%5.25.75.55.96.57.06.67.1O2/%11.910.911.410.59.68.69.48.5表4节电测试数据全开1档2档3档4档鼓风机频率/H25040302010引风机频率/H25045403530燃气量/（m3/h）—1641268554空气量/（m3/h）30002270199017101410鼓引风电机总功率/KW9.607.054.793.242.10相对耗电量1.000.730.500.340.22节电率/%0.0027.0050.0066.0078.00表52t/h和4t/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/%2t/h燃气锅炉9716401560.099102074.511016401630.120120077.3811115801610.143130083.2811819901790.173138083.1613519201690.178146076.9114819101780.196157075.2515123001950.242156073.29平均77.384t/h燃气锅炉1