水下燃燒天然氣加熱裝置控制系統的設計分析

顧健

（上海南方管道燃氣有限公司，上海 201619）

目前在大型氣站的換熱系統中，基本為鍋爐加熱水，通過熱水循環來換熱，能源利用率較低，如何讓能源的利用更高效是需要不斷研究和考慮的問題。同時PLC 技術的應用深度和廣度在不斷提高，對工業自動化發展起到了極大的推動作用，雖然取得了較好的應用成效，但在實際應用上，還需要不斷的完善和提高。因此在能源的使用中如何結合PLC 控制系統的設計，使其能夠達到更高的利用率，在工業發展以及經濟建設中發揮其作用，成為行業內廣泛關注的問題。

1 項目概述

在中聯重科項目中，其具有氣量大，壓力高等特點，需對進行降壓處理后輸送到各個終端使用，在對天然氣進行降壓處理過程中，壓力下降1MPa 產生4～5℃的溫降[1]，就會出現調壓器和管道的結霜凍堵問題，影響天然氣的正常供給使用。因此大型氣站項目的加熱裝置是必不可少的，水下燃燒天然氣加熱裝置是一種新型的管道天然氣加熱裝置，采用水下燃燒式水浴加熱技術對管道內天然氣進行加熱，具有負荷可調節性、換熱效率高，占地面積小、污染物排放量低等優點。

2 設備結構和工作原理

水下燃燒天然氣加熱裝置結構圖如圖1 所示。天然氣和空氣按照一定的比例預混合，進入水下燃燒管內燃燒生成高溫煙氣，高溫煙氣在風機的作用下通過煙管上的鼓泡孔直接進入水浴中，水箱中的水在煙氣的作用下，在溫度上升的同時形成急劇上升的氣液兩相流，沖刷上方的換熱盤管，盤管內流動的低溫高壓天然氣吸收水的熱量被加熱，換熱后的低溫煙氣通過水箱上部的煙囪排出。

圖1 水下燃燒天然氣加熱裝置結構圖

加熱裝置主體為一套帶水下燃燒器的水箱盤管加熱系統，裝置整體主要包括水下天然氣燃燒系統、天然氣換熱盤管系統，水箱防凍電加熱系統、數據采集控制系統。

3 系統主要設計要點

3.1 水箱

水箱的材質選用304 不銹鋼，內層不銹鋼板厚度為5mm。除完成換熱功能外，為了減少水箱內熱量的流失，水箱四周及底部需要進行保溫處理。水箱頂部留有煙囪口、方形觀察孔、溫度探測點，具有自動補水，排水和防凍功能。

3.2 換熱系統

盤管內為需要被加熱的高壓天然氣，整體放置于加熱水箱內與水浴進行換熱。加熱裝置水箱內的水采用常規自來水，呈弱酸性。換熱盤管規格為Φ34*2.5mm，材質為316L 不銹鋼，管束排列方式為叉排，多層布置。為增加換熱盤管結構穩定性，補充設計了管束支架。在換熱的過程中，利用煙氣和水換熱過程中煙氣對水的攪動作用，強化換熱盤管外對流換熱效率[2]。

3.3 燃燒系統

對于水下燃燒器來講，由于燃燒室背壓的存在，需要較高的燃氣和空氣壓力，而且在鼓泡過程中水浴液位高度的變化會導致燃燒室的背壓隨之波動。為了保證在負荷可調節范圍內燃燒火焰的穩定性，同時有效減少NOX和CO 的生成量，本加熱裝置的燃燒器采用鼓風式全預混燃燒器，燃氣和空氣在鼓風機入口處混合，由空氣引射低壓燃氣，然后在文丘里混合器內混合，最后由鼓風機將混合好的可燃氣體送到燃燒器頭部，燃燒器頭部采用金屬纖維燃燒器，實現低氮燃燒，具有耐高溫（1100℃）、機械強度大、抗氧化等特點，另外金屬纖維的熱傳導率低，即使金屬纖維表面溫度極高，未燃燒的可燃氣體的溫度仍然接近于文丘里混合器內可燃氣體的溫度，不易發生回火現象。

3.4 數據采集控制系統

數據采集與控制系統主要為數據采集、控制燃燒機運行、顯示和輸出報警信息、進行遠程通信和控制。信號線電纜都采用防爆撓性管連接，控制箱整體防爆。數據采集與控制系統為多參數采集，1 路開關控制輸出（給燃燒機），1 路內部報警（聲光報警及屏顯閃爍），帶web 遠傳，帶數據存儲。其操控面板包括觸屏面板（可存儲數據）、電源開關、電源指示燈、旋鈕開關、急停開關。加熱裝置不主動發出信號，所有參數及運行報警信息全部保存在其內部指定位置存儲器上，站內控制系統需要通過485 通訊端口實時讀取各參數狀態，對于發現的報警信息，要及時進行相應處置。

3.5 數據采集控制系統

數據采集與控制系統主要為數據采集、控制燃燒機運行、顯示和輸出報警信息、進行遠程通信和控制。整機控制系統框圖如圖2 所示，信號線電纜都采用防爆撓性管連接，控制箱整體防爆。數據采集與控制系統為多參數采集，1 路開關控制輸出（給燃燒機），1 路內部報警（聲光報警及屏顯閃爍），帶web 遠傳，帶數據存儲。其操控面板包括觸屏面板（可存儲數據）、電源開關、電源指示燈、旋鈕開關、急停開關。加熱裝置不主動發出信號，所有參數及運行報警信息全部保存在其內部指定位置存儲器上，站內控制系統需要通過485 通訊端口實時讀取各參數狀態，對于發現的報警信息，要及時進行相應處置[3]。

圖2 整機控制系統框圖

4 控制系統設計

4.1 控制系統數據采集匯總統計見表1。

表1 是整個系統需要的采集的一些數據歸類。

表1 控制系統數據采集匯總統計

整機控制系統框圖如圖3 所示。

圖3 整機控制系統框圖

4.2 控制柜面板設計

液晶觸摸屏面板，可儲存數據，電源開關，電源指示燈，手動控制按鈕，急停開關。所有控制開關均由明確標識。觸摸屏顯示界面示意圖如圖4 所示，點擊按鈕即可控制。

圖4 觸摸屏顯示界面示意圖

4.3 燃燒機的通訊控制

燃燒控制器通訊出廠默認參數：通訊接口：RS485；接口形式：板載9 針D 型接口，母口，1+、2-；波特率：19200；通訊格式：1 個起始位，8 個數據位，無校驗，2 個停止位；從機地址：1（可更改）；通訊方式：監控主機與本控制器采用一對一（或一對多）主從查詢方式；數據協議：MODBUS-RTU；數據格式：標準的MODBUS 協議RTU 方式，16 進制編碼，若數字不是一個字節，則高字節在前低字節在后，主從式傳輸，每一幀有固定的格式，包括幾個字節的數據。可讀取參數：火力大小、運行狀態、故障標志、故障代碼、火焰信號。

燃燒機通訊代碼含義：

（1）每次通訊必須首先讀取40001，然后再讀取具體參數。

（2）讀取40006，提取高八位，得到PWM 值（0-99），換算為火力大小，后面增加百分號。例如讀取高八位為23，即火力大小表示為23%。

（3）讀取40009，提取Bit0、Bit1、Bit2，合并得到數值（0-6），即當前運行狀態（燃燒機狀態）代碼，具體代碼含義見表2。

表2 燃燒機運行狀態代碼對照表（40009，Bit0、Bit1、Bit2）

提取Bit12，表示故障標志，1 表示有故障鎖定，0 表示正常。如果是1，就提取具體燃燒機故障代碼，即Bit8、Bit9、Bit10、Bit11 故障信息，合并得到數值，見表3。

表3 燃燒機故障代碼對照表（40009，Bit8、Bit9、Bit10、Bit11）

（4）讀取40010，提取Bit8，得到火焰信號，1 表示有火焰信號，0 表示無火焰。

5 系統運行

在整套設備現場安裝完畢后，在PLC 中的PID 調試中，需要實現燃燒器的能量輸出與管道內流動氣體加熱所需的能量達到動態平衡，在參數的來來回回的測試中，使得整個平衡趨于穩定，達到系統的整體平衡，現場無需人員操作。在整套設備運行穩定后，整套設備的換熱效率達到了94%，實現的能源的高效利用。

6 結論

在城市管網中，每天需要使用的燃氣是天文數字，而在燃氣的輸送中在進入城市管網時需要進行降壓處理，在降壓過程中會產生壓降到時候溫度降低結霜解凍等凍堵問題，影響城市管網的穩定，這時就需要海量的加熱能量，如何能達到高效的換熱是科技人員需要不斷需要考慮的問題。在經過多次嘗試中完成的一個大膽的水下燃燒加熱項目的嘗試，效果斐然，避免了在加熱過程中大量能源的浪費，使得能量利用率達到新的臺階。這也給燃氣門站換熱指引了一個新的方向。