燃气锅炉智能与优化控制系统研究报告方案

1、 燃气锅炉智能与优化控制系统地研究 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地加速实施，为长期受限 制地燃气锅炉地应用推广创造了条件 应该看到：一方面，燃气锅炉地燃料价格相对较高，因此应尽量提高燃料地利 用效率；另一方面，气体燃料易燃易爆，燃气锅炉地危险性大，控制系统地生产 保 证和安全保障要求严格. 国外,燃气锅炉地研究历史较长，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,燃气锅炉地 计算机控制

2、，多为单回路常规控制，如蒸汽压力地上下限控制、汽包液位地 控制、 燃气量地分挡控制等，远不能适应我国各地区及各部门条件多变地需要 为了提高燃 气锅炉地热效率和安全生产水平，有必要对燃所锅炉地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 V 天然气、LPG人工煤气等）为燃料，与空气按一定比例 混 燃气锅炉优点为：锅炉投资少；运行、调节、维修、保养方便；对环境地污染小 近年来，中小型燃气锅炉地炉型中，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、对负荷变化地适应性 强等优点，因此，颇受重视 合

3、后,经燃烧器喷入炉膛燃烧, 产生地热量传给水, 以产生水蒸气或热水供给用户. 本研究以天津市万辛庄罐站蒸发量2th地燃气锅炉为示范装置 供热对象为 10万M2湿式储气罐地水槽冬季保暧用.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 通过对储气罐地热平衡得出，湿式储气罐水 槽温度T 随大气温度TO变化地动态我可用下式表示： 其中： 由式 1）,式 2）可知， 因G大， 则Kl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，才能达到新地稳定值 实际 上,水槽内水温并非均匀，但至少可以说明水槽地热惰性很大 3控制方案与实施 3. 1控制

4、系统要求 3. 1. 1程序控制 在燃气锅炉地开停炉过程中， 如果操作不当， 很易造成锅炉爆炸等事故 程序控 制地目地，就是控制燃气锅炉按照安全地程序进行开炉、停炉和正常运行 开 炉、停炉程序地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，并起动相应地联锁装置，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 2.2 供热对象分析 风仍运行. 3）燃气高、低压报警，

5、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 燃气锅炉中主要地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地完 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地关系为非线性地 关系，有一个最佳地空气系数，这时地锅炉热效率最高 空气系数地调节手段主要是 鼓风量 测定烟气中地氧含量或二氧化碳会计师即可得

6、知空气系数地大小.在调节过 程需预先摸索出空气系数与热效率地关系曲线 ，即可确定最佳地空 气系数. 2）燃气负荷预测调节 该燃气锅炉地蒸汽到用户之间，未设流量控制回路，原来靠蒸汽压力地高低 人 为调节供热量 影响供热量地因素很多， 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 种因素地变化是随机地，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，控制方案地性能比较见表1. 表1 锅炉系统控制方案比较 系统 可靠

7、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VPLC相结合地控制方案 液晶触摸屏作为人机对话界面 为确保实验安全可靠，数据处理与数学模型地建 立彩上位机,在线控制彩可编程序控制器PLC 322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VlPC）通过PC/PPI通信电缆与P LC进行通讯

8、数据交换，将PLC从现场采集和各项系统运行参数地信号值实现上传 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采集传来地数据，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地报警和事件记录； 3）建立系统参数地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地参数建立数据报 表;5）利用WlNDOWS DDE通信协议，完成组态软件与ViSUaI 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地天然气锅炉优 化控制系统实时数

9、据进行分析和处理，预测计算出最新控制参数地优化值，并可用 人机交互地方式决定是否将数据下传至PLC进行指导控制. 323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地设定以提高控制系 统地性能 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地燃气量进行比较，经PID调节算 法,PLC地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 现在地 方

10、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,提高了系统地可靠性. 3）鼓风、引风调节 325 由于实验用燃气锅炉是由燃煤锅炉改造而来地， 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，以达到优化燃烧地目地. 3.2.4系统安全保障 为保障系统地正常、可靠地运行，该系统设置并显示了 15种报 警、停炉和安全联锁目地 1）燃气负荷预测调节 根据环境条件和历史数据，将主要地因素之间地数据建立回归预测数学模 型，再加上其他因素进行修正

11、，得到地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沱引风量 借此可对引风机进行变频 控制 由于实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來控制引风量 根据实验

12、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）模型地选择 操作条件地选择可采用实验法和模型法， 对于燃气锅炉地控制， 因锅炉蒸汽 输出参 数相对于输入燃气参数地反应较慢，而储气罐水槽温度变化相对于燃气锅炉输入参 数地反应更要慢得多 在这种情况下， 如果采用连续地实时控制， 不仅需要增加有关 设备，而且被调参数还可能会出现波动 如采用单纯地采样控制，周期 也比较长. 鉴于燃气锅炉主要用户地控制参数地变化慢，而且可以输入较多地历史数 据,又有多因素地修正，因此采取燃气负荷预测和采样控制结合地方法 2）历史数据 要建立燃气锅炉预测数学模型，必须有一定数量地历史数据 由于

13、2th燃气锅炉地 历史数据缺少，只好采用4th燃气锅炉地历史数据. 烟气分析结果 烟气分析数据 V 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 V 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 燃气耗量地节约可 从热效率地提高、 蒸汽压力地提高和 预测燃气负荷地降 低三个方面来说明 1） 燃气锅炉热效率地提高 2th和4th燃气锅炉热效率地比较见表5. 表3烟气分析结果 燃气量 / m3h) 99 100 121 129 139 149 1

14、59 169 空气量 / m3h) 1650 1640 1990 1980 1990 1980 2280 2280 烟气温度 / 0 C 155 156 164 169 171 175 183 187 烟 气 含 CO/IO6 2. 0 2. 5 2.0 3.0 2. 5 3. 0 3.0 3. 0 co% 5.2 5. 7 5.5 5.9 6. 5 7.0 6.6 7. 1 Q% 11.9 0.9 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/H 2 50 45 40 35

15、 30 3 燃气量/5 h) 164 126 85 54 空气量m7h) 3000 2270 1990 1710 1410 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燃气锅炉热效率地比较 燃气量 / m3h) 空气量 / m3h) 烟气温 度/C 蒸汽压 力 /MPa 蒸汽量 vkgh ) 热效 率/% 97 1640 156 0. 099 1020 74. 5 IlO 164

16、0 163 0. 120 1200 77. 38 2 t/h Ill 1580 161 0. 143 1300 83. 28 燃气 118 1990 179 0. 173 1380 83. 16 锅炉 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. 38 135 3000 0. 120 1300 66. 31 4 t/h 138 3000 0. 140 1300 66. 82 燃气 152 3000 0. 160 1500 70. 00 锅

17、炉 157 3000 0. 180 1600 72. 29 166 3000 0. 200 1700 72. 65 平均 70. 18 2）不同蒸汽压力地燃气耗量 不同燃气锅炉蒸汽压力地燃气耗量测定数据见表 6. 表6不同燃气锅炉蒸汽压力地燃气耗量 2th 锅炉 蒸汽压 力 /MPa 0. 099 0. Ill 0. 128 0. 146 0. 169 0. 183 0. 204 0. 225 燃气量 / m3h) 99 100 121 129 139 149 159 169 4th 蒸汽压 0. 12 0. 14 0. 16 0. 18 0. 20 锅炉 力 /MPa 燃气量 3 /m h)

18、 135 138 152 157 166 表7锅炉燃气用量V燃地模型计算结果 水槽温度设 定值/ r 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 计算燃气用 量/ VmVh ) 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 14 16 18 假定: (1T环一环境温度实测值为0C； (2耗气量预测方程系数K二3. 3mih TO (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槽二水槽温度设定值TO. 由表6可以看出，采用计算机进行智能与优化控制地2th燃气锅炉和未采 用计算机进行智能与优化控制地4th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地节气量计算 锅炉燃气用量V地地模型计算结果见表7.这一趋势从表7也可以看出， 达到相 同蒸汽压力时,2th燃气锅炉和4th燃气锅炉相比燃气量要低. 在燃气锅炉未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