引入比重計的燃氣熱值儀設計

摘要：燃氣是工業(yè)生產(chǎn)中的重要能源，最大化地使用燃氣是節(jié)能降耗的首要目標。使用燃氣熱值儀指導現(xiàn)場空燃比既能降低污染排放，又能提高生產(chǎn)效率。已有燃氣熱值儀大多數(shù)是定空燃比燃燒，或者用氧化鋯分析儀測量殘氧含量做反饋，文章舍去殘氧含量的測量，加入氣體比重計進行實驗預測和設計。文章通過氣體比重計測得燃氣與空氣的比重，并結(jié)合現(xiàn)場燃氣空氣爐溫進行數(shù)據(jù)處理后建模預測熱值，設計使用PLC做控制基站且應用上位機進行監(jiān)測。預測的熱值可信度較高，可以指導空燃比，軟件與硬件可以實驗室模擬運行，且符合工藝的生產(chǎn)要求。

關(guān)鍵詞：熱值儀；氣體比重計；PLC

中圖分類號：TM93

文獻標志碼：A

0 引言

熱值檢測儀廣泛應用于冶金、熱加工、電力、礦物加工等行業(yè)。在冶金行業(yè)中，冶煉高爐也是熱值儀的重要使用對象^［1］。在軋鋼廠生產(chǎn)的過程中，燃氣是能源供應的源泉。加熱爐在整個軋鋼工藝中是必不可缺的環(huán)節(jié)，當對鋼坯精加工時，必須將鋼坯投入加熱爐進行加熱，只有精確地測定燃氣熱值才能保證鋼坯生產(chǎn)的精度和質(zhì)量。通過計算機控制系統(tǒng)對煤氣的燃燒狀態(tài)進行控制，使加熱爐達到待軋制的鋼坯進行精加工所要求的溫度并且能夠穩(wěn)定地維持在這一溫度上。在冶金行業(yè)的高溫作業(yè)中，設計一款精準有效的熱值檢測裝置不僅能使冶金一線減少作業(yè)人員，提高軋鋼精度和效率，也是未來熱值儀的發(fā)展趨勢。

由于燃氣的燃燒條件和燃燒環(huán)境不同，燃氣將產(chǎn)生不同的熱量。燃氣的效率和燃燒時的環(huán)境、壓力、氣體比重等有著密不可分的關(guān)系。當助燃空氣含量過多時，將會導致剩余空氣帶走部分熱量，降低了燃氣熱量的利用率；當助燃空氣含量少時，會導致燃氣燃燒不充分，造成燃氣資源的浪費，同時未充分燃燒的燃氣排入大氣造成大氣的污染^［1，5］。因此，研究熱值檢測儀是為了更好地指導空燃配比，從而使燃氣最大化使用，達到節(jié)能環(huán)保的目的。

現(xiàn)階段測量熱值多數(shù)是給定參數(shù)控制，固定空燃比燃燒。這種控制方式隨著燃氣壓力的變化會出現(xiàn)不充分燃燒、過氧燃燒的問題，并且兩種情況交替發(fā)生。這種燃燒狀況會導致生產(chǎn)效率不達標、燃燒利用率低下等問題。本文針對高爐燃燒系統(tǒng)的問題給出了方案且進行建模預測評估，優(yōu)化空燃比，從而使熱值達到最大化，解決了燃燒不充分和過氧燃燒的問題。

1 熱值儀系統(tǒng)

參考德國尤尼熱值儀的工藝流程，熱值儀可分為空氣預處理、吹掃、點火、檢測、控制等步驟。空氣和燃氣進入管路需要做預處理，首先通過風機控制鼓入空氣管道，再次經(jīng)過兩級穩(wěn)壓裝置后進入加熱爐。空氣在燃燒中可以起到良好的助燃作用。分別在空氣與燃氣的管路中安裝流量計來測得流量；通過改變空氣管路中電動閥的給進量來控制燃燒室的燃燒效率；在兩路管道的末端（未進入加熱爐）加入氣體比重計來測量通入加熱爐的空燃氣體比重；在煙道末端進行CO含量的測量。

1.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

熱值儀的控制系統(tǒng)如圖1所示。兩個單閉環(huán)的系統(tǒng)均用到了檢測元件、控制器、執(zhí)行元件、被控對象。檢測元件由流量計、CO檢測儀、氣體比重計組成。被控對象由燃氣流量、空氣流量兩部分組成。兩路閉環(huán)都采用PLC進行控制，雙管路的執(zhí)行機構(gòu)都采用流量調(diào)節(jié)閥。

1.2 PID控制方法

閉環(huán)PID控制的原理是在反饋控制的基礎上進行的，被控量由產(chǎn)生的偏差量來決定，反饋控制系統(tǒng)本身具有服從給定的特性，也具有抵抗擾動的作用。文章通過對模糊控制和PID閉環(huán)控制特性的分析，并結(jié)合實際，認為燃氣熱值儀應用閉環(huán)PID控制最貼合實際。將燃氣可以充分燃燒的狀態(tài)作為探求的狀態(tài)，PID表達式如公式（1）所示。

系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差可由輸入和輸出的結(jié)果表達：E（t）=R（t）-Y（t），PID控制分別由比例積分微分同時作用來控制，可調(diào)節(jié)三者的大小來確定不同算法對控制作用的強弱。以傳遞函數(shù)的形式表示如公式（2）所示。

傳遞函數(shù)中，K_P為比例，T_IS為積分，T_DS為微分。

1.3 熱值計算方法

在正式進行燃燒時，先取少量燃氣，預先進行定量燃燒，再求得華白指數(shù)和氣體比重。在本設計中，只需測得華白指數(shù)，氣體比重由比重計直接給出，如公式（3）所示。

從上述公式可知，燃氣熱值是華白指數(shù)I與氣體比重的乘積。華白指數(shù)是標定系數(shù)K與溫升ΔT的乘積。查閱熱值公式后，K和熱值求取的其他參數(shù)都具有線性關(guān)系。因此，求取K的方法是定量燃燒一種和空氣密度相似的氣體，用一種已有精確的燃氣熱值儀測量得出，再通過這個燃氣熱值儀測出反應爐溫度，從而反推熱值。ΔT為溫升，指氣體進入燃燒爐膛的溫度與排出爐膛的溫度之差。

1.4 CO控制方法

CO是對人身有害的氣體之一，當濃度≥600 mg/L時，會使人受到嚴重危害。燃氣燃燒過后尾部需加CO濃度檢測裝置和CO二次燃燒裝置，熱值儀運行過程中必須實時對CO進行檢測監(jiān)控，其控制流程如圖2所示。

2 數(shù)據(jù)處理與建模

2.1 數(shù)據(jù)剔除與插值

數(shù)據(jù)處理需要用到拉依達準則，首先求出一組數(shù)據(jù)的標準差，然后根據(jù)正態(tài)分布的原理確定需要保留數(shù)據(jù)的區(qū)間，將每一個數(shù)據(jù)與設定的區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)比較，若是超出設定區(qū)間則該數(shù)據(jù)被認為是粗大誤差，則選擇剔除該數(shù)據(jù)。使用該法則必須有多組數(shù)據(jù)，其原理如公式（4）所示。

選用連續(xù)的一組的采樣數(shù)據(jù)x_i=｛x_i1，x_i2，x_i3...x_in｝，其中n為樣總數(shù)，i=1，2…n。e²_ir表示每一個數(shù)據(jù)與均值差值的平方；x^-_i是樣本總數(shù)的平均值。

與實際測量不符的數(shù)據(jù)通過刪除和賦值來處理，與原始數(shù)據(jù)中缺失的值一起組成缺失數(shù)據(jù)集，現(xiàn)階段數(shù)據(jù)補足的方法有數(shù)據(jù)平滑法和插值法，本系統(tǒng)運行時，參數(shù)的變化具有連續(xù)性且沒有較大的波動，所以線性插值法更加優(yōu)秀。插值前后1 000組溫度數(shù)據(jù)如圖3—4所示。

2.2 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡建模

實驗用到的數(shù)據(jù)不能確定其相關(guān)的函數(shù)關(guān)系，也不能做到流量、溫度、比重與熱值具有映射關(guān)系^［2］。在確定各數(shù)組之間的關(guān)系時，大概相等的函數(shù)就有相關(guān)性分析的價值。ρ_xy的絕對值為1時，X與Y的值完全相關(guān)，也表示X與Y存在函數(shù)關(guān)系；ρ_xy的絕對值gt;0.8時，X與Y的值高度相關(guān)；ρ_xy的絕對值lt;0.3

時，X與Y的值低度相關(guān)；ρ_xy的絕對值為0.3～0.8時，則X與Y的值中相關(guān)。相關(guān)系數(shù)公式如公式（5）所示。

為了使建模更加貼近實際，選取工藝現(xiàn)場的燃氣流量、空氣流量、反應爐溫度、氣體比重作為輸入，利用公式求得的熱值作為輸出，進行建模預測控制效果的可行性。建模結(jié)構(gòu)如圖5所示。

建模所用輸入節(jié)點為4，輸出為1。通過公式（6）以及對訓練結(jié)果進行反復對比：

式中，K：隱含層節(jié)點數(shù)目；n：輸出層節(jié)點數(shù)目；a：在1～10范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)常數(shù)；m：輸入層節(jié)點數(shù)目。

得到的實驗結(jié)果如圖6所示。

用現(xiàn)場的熱值作為參考，工藝生產(chǎn)中熱值基本是趨向于一個固定值附近小幅度波動的。由RBF神經(jīng)網(wǎng)絡建模后預測的熱值能較為準確地反映熱值的變化趨勢，可以看出預測的熱值與計算所得的熱值存在小幅度偏差，但大體上趨于一致，所以引入氣體比重數(shù)據(jù)進行分析，控制方法具有較高的可行性。以30組計算熱值和預測熱值的結(jié)果為例說明，兩組值雖然存在點與點不貼合的現(xiàn)象，在隨樣本數(shù)量的增加中預測值和計算值基本一致，且在誤差值的范圍內(nèi)。通過調(diào)節(jié)訓練次數(shù)可以預測到實際熱值比較準確，并且能對現(xiàn)場空燃比的調(diào)節(jié)進行指導，也可以判斷過往煤氣熱值的走向。

3 PLC與上位機設計

3.1 PLC選型及控制點數(shù)規(guī)劃

西門子S7系列PLC具有體積小、速度快、功能強、可靠性高的顯著優(yōu)點^［3］。西門子S7-200系列可編程控制器能夠擴展輸入/輸出和功能模塊^［4］。S7-200指令集豐富，集成能力強，同時也具有較高的價格比。本系統(tǒng)選擇CPU224XP作為主機，又考慮到CPU輸入端口的靈活性，滿足日后更多信號的植入，有必要選擇一塊數(shù)字量的擴展模塊。因此，選擇EM223以此滿足系統(tǒng)的要求。由于該系統(tǒng)有模擬量的輸入和輸出，即需要采集管道內(nèi)的流量信號、氣體比重信號、溫度信號以及對流量調(diào)節(jié)閥的控制信號輸出，所以還需要擴展兩塊模擬量輸入/輸出模塊。在本系統(tǒng)中配置了EM235和EM231模塊，EM235模塊具有4個模擬量輸入端口和1個模擬量輸出端口，EM231模塊具有4個模擬量輸入端口。

本熱值檢測控制系統(tǒng)共有8個輸入量，8個輸出量，其中數(shù)字量有6個輸入7個輸出，模擬量有2個輸入1個輸出^［5］。具體的I/O口的分配如表2所示。

3.2 上位機設計

在實現(xiàn)人機交互和連接PLC控制站的軟件中，MCGS軟件具有簡潔、可靠、成本低的優(yōu)點，同時可視化的操作界面可以實時反應現(xiàn)場情況。設計中有熱值儀整體的啟停、手動燃氣空氣等數(shù)據(jù)輸入、各類閥位的指示、控制參數(shù)的調(diào)節(jié)和報警設定等功能。部分設計內(nèi)容如圖7—8所示。

4 結(jié)語

本設計舍棄了殘氧含量檢測，所以避免了后期在煙道處維護的多余操作量，也降低了更換氧化鋯探頭的成本。加入氣體比重計來分析設計熱值儀，相對于原有的殘氧含量檢測更加方便，且在可行性上并未有明顯的降低，可以滿足現(xiàn)場的所有控制需求。由RBF神經(jīng)網(wǎng)絡建模后，可以把預測的結(jié)果作為實時的參考值顯示在觸摸屏中，作為現(xiàn)場人員的實時參考。本次設計加入的氣體比重更加貼合工藝的流程需要，并且本身具有使用范圍廣闊、測量精確的優(yōu)點。

參考文獻

［1］白龍飛.空燃比動態(tài)尋優(yōu)系統(tǒng)在加熱爐上的應用［J］.工業(yè)爐，2014（6）：25-27.

［2］張建平.熱值的智能檢測及建模分析［D］.包頭：內(nèi)蒙古科技大學，2017.

［3］程玉華.西門子S7-200工程應用實例分析［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［4］程安宇.快速學通西門子PLC S7-200/300［M］.北京：人民郵電出版社，2011.

［5］劉通.燃氣熱值儀的設計與優(yōu)化［D］.包頭：內(nèi)蒙古科技大學，2020.

（編輯 王雪芬）

Design of gas calorific value meter with hydrometer

Yang Yuhan， Liu Piliang， Liang Long， Lu Jianli

（School of Information Engineering， Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou 014010， China）

Abstract： Gas is an important energy source in industrial production， and maximizing the use of gas is the primary goal of energy conservation and consumption reduction. Using a gas calorific value meter to guide the onsite airfuel ratio can not only reduce pollution emissions， but also improve production efficiency. Most of the existing gas calorific value meters are constant airfuel ratio combustion， or use zirconia analyzers to measure residual oxygen content for feedback， this paper design to remove the measurement of residual oxygen content， and add gas hydrometers for experimental prediction and design. The specific gravity of gas and air is measured by gas hydrometer， and the calorific value is predicted by data processing combined with the onsite gas air furnace temperature， and the PLC is used as the control base station and the upper computer is used for monitoring. The predicted calorific value is highly reliable， can guide the airfuel ratio， and the software and hardware can be simulated in the laboratory and meet the production requirements of the process.

Key words： calorimeter; gas hydrometer; PLC