熱源廠燃氣鍋爐自動化節能系統的設計與應用研究

摘要：以某熱源廠2#燃氣鍋爐為研究對象，對其能耗情況進行分析，提出節能控制策略。從硬件和軟件層面進行自動化節能系統的設計，并應用于某熱源廠中，對實際應用效果和節能經濟性進行分析。

關鍵詞：燃氣鍋爐；自動化；節能系統；經濟性

中圖分類號：TK229.8? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）12-0039-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.12.010

0? ? 引言

隨著環保工作的不斷推進，天然氣鍋爐由于環保性優異逐步取代了燃煤鍋爐。但天然氣鍋爐在使用過程中耗氣成本相對較高，嚴重影響了相關企業的經營和發展，特別是對于供暖類高耗能企業而言，天然氣鍋爐的改造讓很多熱源廠走向了虧損的道路。因此，如何降低燃氣鍋爐能耗成為工業領域普遍關注的事項[1]。

1? ? 工程概述

某熱源廠為響應國家綠色環保號召，將企業內部的燃煤供熱鍋爐均更換為燃氣鍋爐，但經過長時間的使用發現，燃氣鍋爐費用成本極高，對企業的經營發展產生了嚴重的影響，甚至在2018—2020年三年供暖期，因缺少省內扶持該熱源廠已經出現虧損。針對此種情況，該廠提出了節能降本攻關項目，希望通過此種方式降低企業經營生產成本，實現企業的扭虧為盈。

燃氣鍋爐作為高耗能設備是節能降本項目的重中之重，對燃氣鍋爐進行分析發現，該設備的自動化控制系統主要是以鍋爐的出水與回水溫度來控制燃燒機，此種控制方式雖然能夠保障供暖溫度，但天然氣的實際燃燒效率較低，大量天然氣被浪費。因此，本次自動化節能系統的改造將尾氣含氧量作為一項反饋信號，在原出水溫度控制下對燃燒機的空燃比進行微調節，以此提高燃燒效率，降低鍋爐能耗。

2? ? 熱源廠燃氣鍋爐自動化節能系統的設計

2.1? ? 硬件系統設計

根據某熱源廠2#燃氣鍋爐相關參數，本次中控模塊開發板型號選擇TQ2440 ARM9。該開發板搭載S3C2440處理器，其I/O管腳共計130個，并且具有8路10位模數轉換器、4個PWM輸出通道；該開發板具有USB、串口、電源、儲存、網口等模塊，能夠滿足燃氣鍋爐的控制需求，并且豐富的接口能夠降低開發難度和系統外圍設計工作量。電源模塊是為開發板供電而設計，并且設計有備用電池，在供電設施斷電后，電池能夠繼續給RTC供電。220 V電壓經過電源適配器轉換為5 V，輸入開發板，通過AS1117AR-3.3穩壓模塊轉換為3.3 V電壓，C10、C11電容具有濾波和去耦的作用。系統串口模塊設計為RS-232串口電路，該串口電平與PC機并不匹配，因此在連接中需要設計一個SP3232EEN電路來匹配電平。A/D調理模塊的設計作用是對采集回的數據進行計算，然后將控制量傳遞給相對應的設備，實現設備的自動化調控。本次控制系統主要反饋量有兩方面，分別為出水和煙氣含氧量，針對具體反饋需求調理電路設計如圖1所示。

信號轉換模塊設計選用MAX504 D/A芯片，該芯片與ARM9相互連接；自動化節能系統的PCB控制板設計主要作用是信息的采集以及信號的傳輸，本次根據系統的溫度、尾氣含氧量以及燃空配比需求設計PCB板如圖2所示。溫度信號采集選用原溫度傳感器，含氧量信號采集選用GSCY-2DA氧化鋯分析儀，該儀器量程為0%～25%，測量煙氣溫度為100～650 ℃，能夠滿足燃氣鍋爐尾氣氧含量監測需求。

2.2? ? 軟件設計

本次鍋爐自動化節能系統是基于C語言環境建立的uC/OS-Ⅲ實時操作系統，在設計中根據控制需求對所有控制任務進行優先級的確定，之后根據優先級進行任務調度，實現系統的有序運行，此種方式也能確保系統的運行安全。

系統設計的邏輯控制程序如下：

1）系統啟動后，首先進行初始化操作，對系統接口、定時器、時鐘、圖形界面等進行初始化。

2）對系統硬件部分進行自檢，確保設備信號、傳感器信號等均能反饋回系統中。

3）執行點火任務，對燃氣比例閥、電磁閥、鼓風機、引風機進行檢測啟動。

4）溫度傳感器檢測出水溫度，如出水溫度小于85 ℃，則打開燃氣閥門，提高燃氣輸入量，同時根據既定空燃比提高空氣輸入量，對鍋爐鼓風機和引風機進行調節；反之，則減小燃氣閥門開合度，降低空氣輸入量。

5）氧化鋯分析儀檢測氧含量，并將數據反饋至系統中，系統根據既定程序對反饋參數進行分析處理，得出機構調控量，并將控制命令發送至相對應的機構進行微調。如含氧量高于4%，且出水溫度小于85 ℃，則需要減小引風機輸出功率（降幅2 Hz），降低風機轉速；如含氧量低于4%，出水溫度小于85 ℃，則保持空燃比繼續燃燒；如含氧量高于4%，且水溫高于85 ℃，則需要先降低燃料輸入量，且依照既定空燃比降低空氣輸入量，之后降低鼓風機和引風機輸入功率（降幅2 Hz），持續監測3 min，如含氧量下降至4%以下，則保持空燃比繼續燃燒，反之則繼續降低。

3? ? 自動化節能系統在熱源廠燃氣鍋爐中的應用

某熱源廠于2021年4月—7月對燃氣鍋爐進行節能降耗改造，完成后當月對設備進行了試運行，經過運行發現所有設備均能安全、正常運轉，且系統能夠根據設定要求進行調控。

3.1? ? 應用效果分析

某熱源廠改造完成后，2#鍋爐于2021—2022年供暖期投入生產使用，該熱源廠在供暖期間共投入同種型號規格鍋爐3臺，其中僅有2#鍋爐進行改造，其余3#、4#并未進行改造。在供暖期間，選取典型日對3臺鍋爐的出水溫度進行檢測，檢測結果如圖3所示。

由圖3可知，三臺同種型號規格的鍋爐在實際使用當中，2#鍋爐平均出水溫度為85.76 ℃，3#鍋爐平均出水溫度為85.81 ℃，4#鍋爐平均出水溫度為86.33 ℃，三臺鍋爐出水溫度基本一致。其中2#鍋爐與4#鍋爐平均出水溫度相差最大，相差0.67%。由此可見，自動化節能系統改造完成后并不會對鍋爐的供熱性能產生影響。

為了分析自動化節能系統對鍋爐燃燒控制的微量調節效果，本次在典型日中對三臺鍋爐某個時段內的出水溫度進行分析，結果如圖4所示。

由圖4可知，相比較3#鍋爐、4#鍋爐，改造后的2#鍋爐出水溫度變化相對較為平緩，此種情況主要是由于根據氧化鋯分析儀反饋回的數值，2#鍋爐的鼓風機、引風機會進行微調，這能夠有效提高爐膛內部燃氣的燃燒效率，進而保障爐膛內部溫度，使出水溫度變化相對較為平緩。由此可見，鍋爐自動化節能系統的改造也有助于設備的良性循環。

3.2? ? 經濟性分析

根據2021—2022年供暖期某熱源廠2#、3#、4#鍋爐能耗情況，可知在供暖初、中、末期各爐的能耗情況，如表1所示。

由表1可知，3#、4#鍋爐在供暖期間燃氣日消耗量基本一致，其中3#鍋爐整個供暖期燃氣消耗量為11 295×41+15 271×48+12 252×53=1 845 459 m3，

4#鍋爐整個供暖期燃氣消耗量為11 364×41+15 368×

48+12 291×53=1 855 011 m3，相差0.51%。2#鍋爐整個供暖期燃氣消耗量為7 963×

41+13 786×48+8 367×53=1 431 662 m3，相比3#、4#鍋爐整個供暖期降低約42萬m3天然氣。某企業所在區域天然氣費用為3.97元/m3，由此可見，一臺爐改造完成后整個供暖期能夠為企業降低約167萬元天然氣費用，如果后續其余鍋爐均進行改造，每年該熱源廠能夠降低近千萬元燃氣成本。

4? ? 結論

1）本文對某熱源廠的情況進行了分析，根據2#鍋爐的實際情況提出了自動化節能降耗措施。

2）從硬件和軟件角度對熱源廠燃氣鍋爐自動化節能系統進行設計，明確中控芯片，并對A/D調理電路、采集與驅動板PCB板、軟件邏輯程序進行了設計。

3）將自動化節能系統應用于某熱源廠2#鍋爐中，經過驗證發現，系統改造完成后并不會對鍋爐的性能產生影響，并且能夠有效降低爐膛內部溫度的波動。分析2021—2022年供暖期數據發現，改造完成后全年能夠為企業降低167萬元天然氣費用。

[參考文獻]

[1] 崔永.燃氣鍋爐供熱節能技術探討與研究[J].現代工業經濟和信息化，2022，12（10）：49-50.

收稿日期：2024-02-01

作者簡介：寧新鋒（1988—），男，山西太原人，工程師，研究方向：電氣工程及其自動化。