熱源廠燃氣鍋爐自動化節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)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(jié)能控制策略。從硬件和軟件層面進行自動化節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計，并應(yīng)用于某熱源廠中，對實際應(yīng)用效果和節(jié)能經(jīng)濟性進行分析。

關(guān)鍵詞：燃氣鍋爐；自動化；節(jié)能系統(tǒng)；經(jīng)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(huán)保工作的不斷推進，天然氣鍋爐由于環(huán)保性優(yōu)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(guān)企業(yè)的經(jīng)營和發(fā)展，特別是對于供暖類高耗能企業(yè)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(yè)領(lǐng)域普遍關(guān)注的事項[1]。

1? ? 工程概述

某熱源廠為響應(yīng)國家綠色環(huán)保號召，將企業(yè)內(nèi)部的燃煤供熱鍋爐均更換為燃氣鍋爐，但經(jīng)過長時間的使用發(fā)現(xiàn)，燃氣鍋爐費用成本極高，對企業(yè)的經(jīng)營發(fā)展產(chǎn)生了嚴重的影響，甚至在2018—2020年三年供暖期，因缺少省內(nèi)扶持該熱源廠已經(jīng)出現(xiàn)虧損。針對此種情況，該廠提出了節(jié)能降本攻關(guān)項目，希望通過此種方式降低企業(yè)經(jīng)營生產(chǎn)成本，實現(xiàn)企業(yè)的扭虧為盈。

燃氣鍋爐作為高耗能設(shè)備是節(jié)能降本項目的重中之重，對燃氣鍋爐進行分析發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備的自動化控制系統(tǒng)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(jié)能系統(tǒng)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(diào)節(jié)，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(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計

2.1? ? 硬件系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)某熱源廠2#燃氣鍋爐相關(guān)參數(shù)，本次中控模塊開發(fā)板型號選擇TQ2440 ARM9。該開發(fā)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(shù)轉(zhuǎn)換器、4個PWM輸出通道；該開發(fā)板具有USB、串口、電源、儲存、網(wǎng)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(fā)難度和系統(tǒng)外圍設(shè)計工作量。電源模塊是為開發(fā)板供電而設(shè)計，并且設(shè)計有備用電池，在供電設(shè)施斷電后，電池能夠繼續(xù)給RTC供電。220 V電壓經(jīng)過電源適配器轉(zhuǎn)換為5 V，輸入開發(fā)板，通過AS1117AR-3.3穩(wěn)壓模塊轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓，C10、C11電容具有濾波和去耦的作用。系統(tǒng)串口模塊設(shè)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(shè)計一個SP3232EEN電路來匹配電平。A/D調(diào)理模塊的設(shè)計作用是對采集回的數(shù)據(jù)進行計算，然后將控制量傳遞給相對應(yīng)的設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備的自動化調(diào)控。本次控制系統(tǒng)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(diào)理電路設(shè)計如圖1所示。

信號轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計選用MAX504 D/A芯片，該芯片與ARM9相互連接；自動化節(jié)能系統(tǒng)的PCB控制板設(shè)計主要作用是信息的采集以及信號的傳輸，本次根據(jù)系統(tǒng)的溫度、尾氣含氧量以及燃空配比需求設(shè)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(jiān)測需求。

2.2? ? 軟件設(shè)計

本次鍋爐自動化節(jié)能系統(tǒng)是基于C語言環(huán)境建立的uC/OS-Ⅲ實時操作系統(tǒng)，在設(shè)計中根據(jù)控制需求對所有控制任務(wù)進行優(yōu)先級的確定，之后根據(jù)優(yōu)先級進行任務(wù)調(diào)度，實現(xiàn)系統(tǒng)的有序運行，此種方式也能確保系統(tǒng)的運行安全。

系統(tǒng)設(shè)計的邏輯控制程序如下：

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

2）對系統(tǒng)硬件部分進行自檢，確保設(shè)備信號、傳感器信號等均能反饋回系統(tǒng)中。

3）執(zhí)行點火任務(wù)，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(jù)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(diào)節(jié)；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(shù)據(jù)反饋至系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)既定程序?qū)Ψ答亝?shù)進行分析處理，得出機構(gòu)調(diào)控量，并將控制命令發(fā)送至相對應(yīng)的機構(gòu)進行微調(diào)。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(zhuǎn)速；如含氧量低于4%，出水溫度小于85 ℃，則保持空燃比繼續(xù)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(xù)監(jiān)測3 min，如含氧量下降至4%以下，則保持空燃比繼續(xù)燃燒，反之則繼續(xù)降低。

3? ? 自動化節(jié)能系統(tǒng)在熱源廠燃氣鍋爐中的應(yīng)用

某熱源廠于2021年4月—7月對燃氣鍋爐進行節(jié)能降耗改造，完成后當月對設(shè)備進行了試運行，經(jīng)過運行發(fā)現(xiàn)所有設(shè)備均能安全、正常運轉(zhuǎn)，且系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)定要求進行調(diào)控。

3.1? ? 應(yīng)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(chǎn)使用，該熱源廠在供暖期間共投入同種型號規(guī)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(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，三臺同種型號規(guī)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(jié)能系統(tǒng)改造完成后并不會對鍋爐的供熱性能產(chǎn)生影響。

為了分析自動化節(jié)能系統(tǒng)對鍋爐燃燒控制的微量調(diào)節(jié)效果，本次在典型日中對三臺鍋爐某個時段內(nèi)的出水溫度進行分析，結(jié)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(jù)氧化鋯分析儀反饋回的數(shù)值，2#鍋爐的鼓風機、引風機會進行微調(diào)，這能夠有效提高爐膛內(nèi)部燃氣的燃燒效率，進而保障爐膛內(nèi)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(jié)能系統(tǒng)的改造也有助于設(shè)備的良性循環(huán)。

3.2? ? 經(jīng)濟性分析

根據(jù)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(yè)所在區(qū)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(yè)降低約167萬元天然氣費用，如果后續(xù)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(jié)論

1）本文對某熱源廠的情況進行了分析，根據(jù)2#鍋爐的實際情況提出了自動化節(jié)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(jié)能系統(tǒng)進行設(shè)計，明確中控芯片，并對A/D調(diào)理電路、采集與驅(qū)動板PCB板、軟件邏輯程序進行了設(shè)計。

3）將自動化節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)用于某熱源廠2#鍋爐中，經(jīng)過驗證發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)改造完成后并不會對鍋爐的性能產(chǎn)生影響，并且能夠有效降低爐膛內(nèi)部溫度的波動。分析2021—2022年供暖期數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，改造完成后全年能夠為企業(yè)降低167萬元天然氣費用。

[參考文獻]

[1] 崔永.燃氣鍋爐供熱節(jié)能技術(shù)探討與研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)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。