燃氣鍋爐運行氣候補償初步研究與應用

李振虎

摘要：本文研究內容針對燃氣鍋爐運行參數無室內外溫度變化反饋、只能人工手動設定等粗放供熱等問題，研究通過增加室外環境溫度、用戶室內溫度和供暖管網末端熱水溫度檢測裝置和控制算法，使鍋爐和換熱站目標溫度按照室內外溫度變化實時自動調整，從而降低勞動強度，節約能源，增加用戶室內溫度舒適度。

Abstract： The research content of this paper is based on the problem that the operating parameters of gas boilers have no indoor and outdoor temperature change feedback， and can only be manually set and other problems. By increasing the outdoor ambient temperature， the user's indoor temperature and the hot water temperature detection device and control algorithm at the end of the heating pipe network， the target temperature of the boiler and heat exchange station can be automatically adjusted in real time according to the indoor and outdoor temperature changes， thereby reducing labor intensity， saving energy， and increasing user's indoor temperature comfort

關鍵詞：燃氣鍋爐；運行；氣候補償；研究應用

Key words： gas boiler；operation；climate compensation；research application

中圖分類號：TK229.8 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）33-0255-04

1 概述

1.1 研究必要性 近幾年來，由環境污染治理形勢嚴峻，新修訂的《環境保護法》和《大氣污染防治法》的頒布實施，京津冀環保政策要求越發嚴格和迫切，各地陸續推行燃煤鍋爐進行天然氣鍋爐等清潔能源置換工作。截止目前，石家莊建筑段維修管理的110處146臺鍋爐中，燃氣鍋爐已增加到37處52臺，供熱面積達到1367814平方米，分布在石家莊、邯鄲、保定等地區。

在這些燃氣鍋爐中，由于不同時期采購招標，鍋爐燃燒機和控制柜品牌、規格繁多，熱工檢測和控制設備也各不相同。燃氣鍋爐運行溫度控制技術和方案還不完善。主要表現在：①鍋爐運行啟爐溫度、目標溫度和停爐溫度等參數只能人工手動設定，當晝夜交替或節氣變化時，司爐工做不到及時調整鍋爐設定出水溫度目標值等參數。如果以較高負荷運行，會造成采暖用戶室內溫度偏高和天然氣能源的浪費；如果總是低負荷運行，室內供暖溫度偏低，造成不良反應和投訴。②如果編制操作指導書，要求司爐工人工手動設定燃氣鍋爐啟爐溫度、目標溫度和停爐溫度等參數的工作比較繁瑣重復，增加了司爐工的頻繁操作。同時由于司爐工知識水平、操作水平、責任心不同，此項工作落實起來有差距。③原有控制缺乏室外環境溫度和采暖用戶室內溫度反饋，使鍋爐運行目標溫度不能根據室外環境溫度和用戶室內采暖溫度實時調整，沒有形成閉環自動控制。④沒有室外環境溫度和用戶室內采暖溫度實時和歷史數據，缺乏燃氣鍋爐操作、設備維修調整、運行檢查管理的參考依據。

1.2 初步解決方案 我們選擇石家莊鐵路32宿舍燃氣鍋爐房作為研究目標載體，設備情況主要是：32宿舍型號WNS1燃氣鍋爐一臺、WNS7然氣鍋爐兩臺，作為一次網熱水的熱源，分別通過三套板式換熱機組換熱，換熱后的二次網熱水，分別供給31宿舍、32宿舍和35宿舍三個鐵路宿舍熱用戶。

結合根據段既有設備，借鑒換熱站遠程監控系統的成熟技術，利用段已建立運行的“換熱站遠程監控平臺”，繼續拓展其功能和模塊，探索燃氣鍋爐氣候補償技術。

一是增設室外溫度、用戶室內溫度和供暖管網末端熱水溫度檢測、傳輸裝置。二是改進和提升燃氣鍋爐溫度控制技術和方案，實現燃氣鍋爐出水和換熱機組二次供水目標溫度實時自動調整。即燃氣鍋爐運行按照室外環境溫度、采暖用戶室內溫度反饋值及時調節大小火負荷；換熱機組運行按照室外環境溫度、采暖用戶室內溫度反饋值及時調節供水電動調節閥開度。從人工手動粗放供熱向自動精細供熱轉化，節約使用天然氣資源，增加采暖用戶室內溫度舒適度方面進行研究和攻關。

2 研究策略原則

燃氣鍋爐運行氣候補償控制策略如圖1。

根據控制策略，現場PLC 自控柜和換熱機組現場PLC 自控柜四臺設備需要采集室外環境溫度參數。在室外安裝一套一體化溫度變送器，通過屏蔽線接入燃氣鍋爐PLC自控柜控制器輸入端口，此溫度信號同時可以通過工業以太網內傳輸給換熱機組自控柜共用。

同時系統需要設置住戶室內溫度檢測裝置。由于三個換熱站供熱分區位置分散、距離鍋爐房較遠，采用GPRS無線傳輸。每個分區根據樓層、位置朝向等因素，選擇5戶有代表性的用戶。將總共15路住戶室內溫度信號統一發送到換熱站遠程監控中心，再由換熱站遠程監控中心通過internet網絡轉發到集中監控臺，作為反饋信號引入到燃氣鍋爐運行氣候補償控制中。

利用已有的換熱站遠程監控中心的可擴展裕量，在適當修改系統軟件的基礎上，擴展出燃氣鍋爐遠程監控平臺。由于鍋爐房燃氣鍋爐操作臺、換熱機組PLC控制柜均有MODBUS通訊協議的RS485接口，用網路交換機將以上設備組成工業以太網絡，同時設置一臺計算機實現就地集中監控和采暖用戶室內溫度數據統一處理，最終形成燃氣鍋爐、換熱機組運行兩級氣候補償控制系統。

3 系統架構及主要功能研究

3.1 系統組成

①組網結構。全部燃氣鍋爐遠程監控、氣候補償控制系統分為三級：1）利用原有的換熱站遠程監控中心平臺，對其應用軟件進行功能擴展，增加燃氣鍋爐遠程監控界面；2）32鍋爐房控制室就地集中監控臺；3）燃氣鍋爐、換熱機組PLC自控柜設置室外環境溫度、采暖用戶室內溫度和供暖管網末端熱水溫度檢測、傳輸裝置。

②遠程監控中心。利用既有的換熱站遠程監控中心的數據服務器、視頻服務器、防火墻等主要設備，通過軟件升級，擴展出燃氣鍋爐遠程監控界面。通過光纖寬帶網與就地集中監控臺、室外溫度、采暖用戶室內、供暖管網末端的遠傳測溫儀進行數據信息通訊聯系，完成燃氣鍋爐遠程監控、系統管理員管理維護等任務，作為燃氣鍋爐運行氣候補償控制系統第一級。

當系統通訊正常時，現場設備運行數據、故障診斷及報警數據通過就地集中監控計算機上傳至監控中心，監控中心可實施對燃氣鍋爐遠程控制；當通訊故障時，鍋爐房控制室就地集中監控臺控制系統能夠按照設定的控制策略獨立完成控制。

③32鍋爐房控制室就地集中監控臺。通過配置一臺電腦、三臺協議轉換器MOXA，寬帶專線、網絡交換機和硬盤錄像機各一臺，作為燃氣鍋爐運行氣候補償控制系統第二級。對現場的運行參數進行實時管理，直接介入系統運行，是燃氣鍋爐監控子系統和3個換熱機組監控子系統顯示、報警和控制功能的集成。同時還要承上啟下，使監控數據和視頻圖像在換熱站遠程監控中心與就地集中監控臺之間正常傳輸。

④燃氣鍋爐、換熱機組現場PLC自控柜。系統計劃設置三個宿舍換熱站換熱機組現場PLC自控柜、燃氣鍋爐設備現場PLC自控柜，共計4臺，作為燃氣鍋爐運行氣候補償控制系統第三級，與鍋爐房就地集中監控臺組成工業以太網進行通訊。

燃氣鍋爐設備現場PLC自控柜主要用來與燃氣鍋爐操作臺通過協議轉換器建立通訊，交換鍋爐運行及控制信號。同時采集軟化水箱和除氧水箱水位，并遠程或就地控制燃氣鍋爐、循環泵、補水泵啟停。另外按照氣候補償策略自動調節燃氣鍋爐負荷。

換熱機組現場PLC自控柜主要用來采集換熱機組設備的溫度、壓力、電動調節閥閥位、循環泵、補水泵電壓、室內外環境溫度等熱工和電氣參數，同時進行遠程或就地啟停循環泵、補水泵，按照氣候補償策略自動調節電動閥門。

⑤室外環境溫度、用戶室內采暖溫度和供暖管網末端熱水溫度檢測、傳輸。利用一體化溫度變送器測量室外環境溫度，將4-20mA信號送到燃氣鍋爐PLC自控柜，再通過工業以太網進行數據通訊，作為燃氣鍋爐運行氣候補償控制關鍵的反饋量之一。

分別三個宿舍采暖用戶室內設置一定數量的GPRS遠傳測溫儀，通過GPRS數據卡無線定時發送數據。由換熱站遠程監控中心數據服務器接收采暖用戶室內溫度和供暖管網末端熱水溫度數據，然后批量下發到鍋爐房控制室就地集中監控臺。就地集中監控臺上的計算機對采暖用戶室內溫度數據進行算數平均，然后采暖用戶室內溫度平均值與目標設定值比較，再乘以調節系數得出用戶對溫度的偏移量，作為燃氣鍋爐運行氣候補償控制另一個關鍵的反饋量。

3.2 主要控制流程及功能實現

①燃氣鍋爐運行氣候補償控制流程原理（見圖3）。

②換熱機組運行氣候補償控制流程原理（見圖4）。

③燃氣鍋爐運行氣候補償各主要功能。

1）燃氣鍋爐、換熱機組運行兩級氣候補償控制。系統同時進行燃氣鍋爐、換熱機組兩級氣候補償控制，燃氣鍋爐供水目標溫度和換熱機組二次供水目標溫度均是在室外溫度變化的對應值上疊加用戶對室內溫度的偏移量后得到，因此設備運行實時調節，實現住戶室內溫度在達標的基礎上平穩。

2）工藝流程圖運行顯示功能的實現。根據實際需要設置工藝流程圖控制頁面。工藝流程圖包括燃氣鍋爐、31宿舍換熱機組、32宿舍換熱機組和35宿舍換熱機組4個顯示頁面，以工藝流程圖形式直觀顯示設備運行實時數據，以便及時準確監視燃氣鍋爐的具體運行情況，能夠對現場設備的故障進行實施診斷。所有熱工參數、電力參數及設備狀態，一目了然。

3）設備就地/遠程控制和調整功能實現。在燃氣鍋爐、換熱機組設備現場和換熱站遠程監控中心，通過就地/遠程轉換，可集中控制四個系統的室外環境溫度與目標溫度的對應關系、采暖用戶室內溫度目標值、室內溫度調節系數、燃氣鍋爐啟爐溫度、停爐溫度、水箱水位上下限等參數，控制四個供暖系統8臺循環泵、8臺補水泵以及燃氣鍋爐、軟水箱電動閥門的啟動、停止等。

4）集中監測功能。對燃氣鍋爐、3臺換熱機組熱工、電力參數施行集中監測管理。主要監測數據包括燃氣鍋爐出水溫度、回水溫度、排煙溫度等熱工參數；高溫系統循環泵、補水泵電壓、電流、頻率，供回水壓力、溫度；軟化水箱、除氧水箱水位；換熱站一、二次供水壓力、溫度；電動調節閥閥位；二次系統循環泵、補水泵電壓、電流、頻率等。

5）設備報警聯鎖功能。包括燃氣鍋爐排煙溫度超高、出水壓力超高、燃燒機故障、溫度傳感器故障報警；水箱液位低限報警；循環泵聯鎖故障報警；循環泵電流高報警；系統停電報警；網絡通信故障報警等。

6）采暖用戶室內溫度等供暖數據網絡發布功能。利用GPRS遠傳測溫儀，自動定時把用戶室內溫度、供暖管網末端熱水溫度通過移動通信網絡發送到換熱站遠程監控中心數據服務器，和燃氣鍋爐供暖數據進行網絡發布。遠傳測溫儀帶有電源電壓、通訊故障報警功能，方便維護并為管理人員及時了解供暖質量提供了便利途徑，增加供暖管理手段。

7）生產現場視頻圖像實時監視。分別在燃氣鍋爐間、換熱機組間、軟化和除氧水處理間生產現場共設置3臺帶云臺控制的攝像機，實時采集現場圖像信號，由硬盤錄像機通過網絡系統上傳到監控中心視頻服務器，進行生產現場視頻圖像實時監視。

8）設備運行歷史曲線查詢功能。系統設置歷史曲線查詢功能模塊，對室外環境溫度、用戶室內平均溫度、燃氣鍋爐出水目標溫度等關鍵熱工參數歷史曲線進行查詢分析，直接指導設備管理和操作。通過對現場歷史運行數據的統計，以曲線的形式表現出來，直觀明晰。特別是室外環境溫度、用戶室內平均溫度、燃氣鍋爐出水目標溫度對設備管理和操作有直接的指導意義。

④主要控制策略的實現。

室外環境溫度、住戶室內溫度平均值、目標溫度曲線的控制，是氣候補償系統的核心。因此將室外環境溫度、住戶室內溫度平均值、目標溫度曲線信息做好梳理、采集匯總，與程序算法相結合生成目標溫度，以目標溫度來做到調節燃氣鍋爐燃氣蝶閥和風門開度、調節換熱機組電動調節閥開度，達到氣候補償的功能。

⑤燃氣鍋爐目標溫度的生成過程。1）采集到的采暖用戶室內溫度實際值和室內溫度目標值比較后的差值取反，乘以室內溫度調節系數，得出用戶對溫度的偏移量。2）按照預先設置的不同的室外環境溫度和燃氣鍋爐供水溫度目標初值對應關系，室外環境溫度變化時得出對應的燃氣鍋爐供水溫度目標初值。3）用戶對溫度的偏移量與燃氣鍋爐供水溫度目標初值的和就生燃氣鍋爐目標溫度的最終值。不同時刻的室外溫度、室內平均溫度、燃氣鍋爐目標溫度和實際供水溫度曲線。

⑥換熱站目標溫度的生成過程。1）采集到的采暖用戶室內溫度實際平均值和室內溫度目標值比較后的差值取反，乘以室內溫度調節系數（可調），得出用戶對溫度的偏移量0.7℃（舉例值）。2）按照預先設置的不同的室外環境溫度和換熱機組二次供水溫度目標初值對應關系，室外環境溫度變化時得出對應的換熱機組二次供水溫度目標初值。3）用戶對溫度的偏移量與換熱機組二次供水溫度目標初值的和就生成換熱機組二次供水目標溫度的最終值。

4 應用效果與評價

燃氣鍋爐運行氣候補償控制系統于2014年12月投入正式運行，經過2014-2015，2016-2016兩個供暖期的運行檢驗，實現預期效果。

4.1 實現氣候補償控制 控制系統引入了室外環境溫度、住戶室內溫度反饋值，通過內部運算，自動修正目標給定值和偏移量，實現了燃氣鍋爐高溫系統和二次供水目標溫度實時自動調節。

以下選取了2015年2月13日和23日鍋爐運行參數歷史曲線圖，刪除其它參數，只留室外環境溫度（線a）、住戶室內平均溫度（線b）、燃氣鍋爐運行目標溫度（線c）三條歷史曲線。

由圖中可以分析：三條曲線按照規律變化，室外環境溫度和住戶室內平均溫度每天從中午開始至第二日上午6時左右下降，燃氣鍋爐運行目標溫度自動調節上升；室外環境溫度和住戶室內平均溫度每天從上午6時左右至第二日中午開始上升，燃氣鍋爐運行目標溫度自動調節下降，實現了燃氣鍋爐運行氣候補償控制。如果再適當調整不同氣候溫度條件下的供水溫度設定值對應表、住戶室內溫度偏移量比例系數等參數，住戶室內平均溫度曲線將趨于水平，在合理使用天然氣資源的基礎上，會達到恒溫供暖、增加供暖舒適度的目標。

4.2 無線遠傳測溫儀的開發使用 系統首次選用的住戶室內溫度檢測儀，利用無線GPRS通信技術，只要在移動手機信號覆蓋范圍內，均可將分散的住戶室內溫度信號定時無線發送到監控中心，克服了地理位置分散的困難，且后期運行費用低廉，供暖期間五個月內每卡每月10元。

4.3 加強供暖集中管理 可以根據需要隨時查詢各燃氣鍋爐的運行數據、運行狀態和報警信息，并顯示當前未消除的報警信息。數據庫服務器存儲的歷史報警可根據需要按照任意指定的時間段，分類統計并產生EXCEL報表?？梢愿鶕枰?，按照任意給定的時間段，分項調看數據服務器的存儲數據，生成EXCEL表格、曲線圖。

4.4 加強對巡檢人員的考核管理 巡檢人員根據分配的工號，在負責巡檢的站點進行設備檢查完畢后，需到控制柜操作屏上進行巡檢登陸，此項措施大大提高了巡檢人員的責任意識，減少了故障發生造成的設備損壞機率，降低了設備維修費用，有效保證了設備的安全經濟運行。

4.5 其他推廣應用前景 根據燃氣鍋爐品牌規格不同，燃氣鍋爐運行氣候補償控制還可以適用于小功率燃氣鍋爐溫度控制，因地制宜地采取以下簡單方案：①增加和使用燃氣鍋爐啟爐溫度、目標溫度和停爐溫度等參數分時段設置功能；②只采集室外環境溫度，燃氣鍋爐目標溫度參數按照室外環境溫度變化自動實時調整。

可在其它燃氣鍋爐、燃煤鍋爐、高鐵地源熱泵、中央空調、污水提升泵站及自來水二次加壓泵站因地制宜的推廣運用，為提高鐵路房建設備管理提供了推廣經驗。

5 存在問題和改進方向

①不同室外環境溫度條件下的供水溫度對應值、住戶室內溫度偏移量比例系數等參數需繼續積累數據、總結經驗。②系統涉及鍋爐運行工藝、自動控制、傳感器等多領域、多專業技術，使用了服務器、交換機、硬盤刻錄機、可編程控制器、一體化溫度變送器、壓力變送器、磁翻板液位變送器、變頻器、電動調節閥、燃燒機程控器、檢漏控制器、電磁閥組等，因此需要逐步培訓相應的技術人員、配置相應的工具儀器，制定相應的設備調校、維修、保養工藝。③遠傳測溫儀在使用中有電源電壓低、通訊故障等問題。

6 結束語

本文針對燃氣鍋爐運行參數無室內外溫度變化反饋、只能人工手動設定等粗放供熱等問題，研究通過增加室外環境溫度、采暖用戶室內溫度和供暖管網末端熱水溫度檢測裝置和控制算法，使鍋爐和換熱站目標溫度按照室外環境溫度和采暖用戶室內溫度的變化實時自動調整，從而達到降低人員勞動強度，節約使用天然氣資源，提高采暖用戶室內溫度舒適度的目的。初步形成了燃氣鍋爐運行氣候補償雙閉環負反饋自動控制，由粗放供熱提升為信息化精細供熱，既滿足了住戶室內溫度需求，又達到了燃氣鍋爐經濟運行的節能目標，氣候補償功能初步實現。希望為其他燃氣鍋爐氣候補償、科學供暖提供參考和借鑒。

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