1、燃氣鍋爐智能與優(yōu)化控制系統(tǒng)的研究關(guān)鍵詞：燃氣鍋爐;熱負荷預測；智能與優(yōu)化控制 1引 言 近幾年來，我國城市燃氣結(jié)構(gòu)有了很大變化，陜北天然氣已進入京津，渤海和東海天然氣也已上岸，川氣也將出川，尤其是西氣東輸工程的加速實施，為長期受限制的燃氣鍋爐的應用推廣創(chuàng)造了條件。 應該看到：一方面，燃氣鍋爐的燃料價格相對較高，因此應盡量提高燃料的利用效率；另一方面，氣體燃料易燃易爆，燃氣鍋爐的危險性大，控制系統(tǒng)的生產(chǎn)保證和安全保障要求嚴格。 國外，燃氣鍋爐的研究歷史較長，燃氣燃燒控制技術(shù)比較成熟，發(fā)展趨勢是采用計算機控制，實現(xiàn)機電一體化，并將安全保護與自動控制相結(jié)合。但是，燃氣鍋爐的計算機控制，多為單回路常規(guī)

2、控制，如蒸汽壓力的上下限控制、汽包液位的控制、燃氣量的分擋控制等，遠不能適應我國各地區(qū)及各部門條件多變的需要。為了提高燃氣鍋爐的熱效率和安全生產(chǎn)水平，有必要對燃所鍋爐的智能與優(yōu)化控制技術(shù)進行研究。 2燃氣鍋爐特點與供熱對象分析 2.1燃氣鍋爐特點與要求 燃氣鍋爐是以燃氣（天然氣、LPG、人工煤氣等）為燃料，與空氣按一定比例混合后，經(jīng)燃燒器噴入爐膛燃燒，產(chǎn)生的熱量傳給水，以產(chǎn)生水蒸氣或熱水供給用戶。燃氣鍋爐優(yōu)點為：鍋爐投資少；運行、調(diào)節(jié)、維修、保養(yǎng)方便；對環(huán)境的污染小。 近年來，中小型燃氣鍋爐的爐型中，臥式火管鍋爐因尺寸小、鍋殼結(jié)構(gòu)簡單、爐膽形狀利于燃氣燃燒、螺紋式煙管傳熱性能好，水容積大、對負

3、荷變化的適應性強等優(yōu)點，因此，頗受重視。 2.2 供熱對象分析 本研究以天津市萬辛莊罐站蒸發(fā)量2t/h的燃氣鍋爐為示范裝置。供熱對象為10萬M2濕式儲氣罐的水槽冬季保曖用。由于濕式儲氣罐水槽中水量很大，約2萬多噸，熱惰性很大，溫度變化小。通過對儲氣罐的熱平衡得出，濕式儲氣罐水槽溫度T隨大氣溫度T0變化的動態(tài)我可用下式表示： 其中： 由式（1），式（2）可知，因G大，則K1也大，當水槽加熱用蒸汽出現(xiàn)一個干擾A后，如果水槽中2萬多噸水完全混合，則所需時間很長，才能達到新的穩(wěn)定值。實際上，水槽內(nèi)水溫并非均勻，但至少可以說明水槽的熱惰性很大。 3控制方案與實施 3.1控制系統(tǒng)要求 3.1.1程序控制

4、在燃氣鍋爐的開停爐過程中，如果操作不當，很易造成鍋爐爆炸等事故。程序控制的目的，就是控制燃氣鍋爐按照安全的程序進行開爐、停爐和正常運行。開爐、停爐程序的每一步都發(fā)布進行邏輯判斷，根據(jù)條件是否滿足，決定下一步操作，遇到異常情況時，應及時報警，并起動相應的聯(lián)鎖裝置，以保證鍋爐安全運行。 3.1.2安全控制 安全控制主要要求如下： （1）高、低水位報警，超低水位報警，并關(guān)閉電磁閥，切斷燃氣氣源，鼓風機30s后停機，引風仍運行。 （2）蒸汽壓力高報警，蒸汽超高壓報警，同時關(guān)閉電磁閥，切斷燃氣氣源，收風仍運行。 （3）燃氣高、低壓報警，防止火焰脫火、回火。 （4）火焰熄火、脫火保護，關(guān)閉電磁閥。 （5）

5、鼓、引風機工況（變頻故障、接觸器故障等）保護。 3.1.3智能與優(yōu)化控制 燃氣鍋爐智能與優(yōu)化控制包括空氣/燃氣比優(yōu)化調(diào)節(jié)和燃氣負荷預測調(diào)節(jié)二方面。具體要求如下： （1）空氣/燃氣比優(yōu)化調(diào)節(jié) 燃氣鍋爐中主要的熱損失是爐體散熱和排煙熱損失，后者取決于排煙溫度和空氣系數(shù)。降低空氣系數(shù)可降低排煙熱損失。另一方面，空氣系數(shù)增加有利于燃料的完全燃燒，不完全燃燒損失下降。總體來講，燃燒熱效率與空氣系數(shù)的關(guān)系為非線性的關(guān)系，有一個最佳的空氣系數(shù)，這時的鍋爐熱效率最高。空氣系數(shù)的調(diào)節(jié)手段主要是鼓風量。測定煙氣中的氧含量或二氧化碳會計師即可得知空氣系數(shù)的大小。在調(diào)節(jié)過程需預先摸索出空氣系數(shù)與熱效率的關(guān)系曲線，即可

6、確定最佳的空氣系數(shù)。 （2）燃氣負荷預測調(diào)節(jié) 該燃氣鍋爐的蒸汽到用戶之間，未設流量控制回路，原來靠蒸汽壓力的高低人 為調(diào)節(jié)供熱量。影響供熱量的因素很多，如水槽水量、環(huán)境溫度、風力與風向、太陽照射強度（指云彩多少）、水槽溫度與溫度變化趨勢、水槽導熱性能等。由于各種因素的變化是隨機的，而且影響有延遲效應。要求能根據(jù)不幸條件和歷史數(shù)據(jù)，建立數(shù)學模型進行燃氣負荷預測控制。 3.2控制系統(tǒng) 3.2.1控制系統(tǒng)方案選擇 燃氣鍋爐系統(tǒng)控制方案有多種，控制方案的性能比較見表1。 表1 鍋爐系統(tǒng)控制方案比較 系統(tǒng)可靠性價格功能數(shù)字通訊功能通用鍋爐容量自診斷功能冗余功能維修電動儀表系統(tǒng)一般低較差無中小無無復雜PL

7、C系統(tǒng)高略高強有大中小有有方便微機控制系統(tǒng)中等一般強有中大有有方便集散控制系統(tǒng)高高強有大中有有方便根據(jù)比較，我們選擇用上位機與可編程序控制器（PLC）相結(jié)合的控制方案，液晶觸摸屏作為人機對話界面。為確保試驗安全可靠，數(shù)據(jù)處理與數(shù)學模型的建立彩上位機，在線控制彩可編程序控制器（PLC）。 3.2.2上位計算機軟件構(gòu)成與功能 燃氣優(yōu)化計算機控制系統(tǒng)是由上位計算機（IPC）通過PC/PPI通信電纜與PLC進行通訊數(shù)據(jù)交換，將PLC從現(xiàn)場采集和各項系統(tǒng)運行參數(shù)的信號值實現(xiàn)上傳至LPC進行處理和運算，通過IPC軟件實現(xiàn)實時監(jiān)視系統(tǒng)運行、人機交互和實時控制。上位機軟件主要功能包括： 將從LPC采集傳來的數(shù)

8、據(jù)，通過組態(tài)軟件制作控制系統(tǒng)各部分不同 顯示畫面； （2）建立鍋爐優(yōu)化控制系統(tǒng)運行參數(shù)的報警和事件記錄； （3）建立系統(tǒng)參數(shù)的趨勢分析和歷史數(shù)據(jù)曲線； （4）對系統(tǒng)運行過程中數(shù)據(jù)、狀態(tài)等反映系統(tǒng)實時生產(chǎn)情況的參數(shù)建立數(shù)據(jù)報表； （5）利用WINDOWS的DDE通信協(xié)議，完成組態(tài)軟件與Visual Basic或EXCEL等高級語言軟件進行在線數(shù)據(jù)交換和鏈接，通過預測模型將采集到的天然氣鍋爐優(yōu)化控制系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)進行分析和處理，預測計算出最新控制參數(shù)的優(yōu)化值，并可用人機交互的方式?jīng)Q定是否將數(shù)據(jù)下傳至PLC進行指導控制。 3.2.3控制系統(tǒng)回路 控制系統(tǒng)主要控制回路有： （1）鍋爐熱負荷調(diào)節(jié) 由于該鍋

9、爐主要供濕式儲氣罐供蒸汽，并兼顧辦公室采暖。故采用根據(jù)環(huán)境溫度及儲氣罐水槽濕度調(diào)節(jié)燃氣量，以節(jié)省燃氣。軟件還有優(yōu)化控制系數(shù)的設定，以提高控制系統(tǒng)的性能。 （2）燃氣量控制 該系統(tǒng)燃氣調(diào)節(jié)采用電動機執(zhí)行機構(gòu)閉環(huán)調(diào)節(jié)。為優(yōu)化系統(tǒng)提高可靠性，燃氣調(diào)節(jié)打破傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方式。傳統(tǒng)方式是采集燃氣量和需要的燃氣量進行比較，經(jīng)PID調(diào)節(jié)算法，PLC的D/A輸出，經(jīng)手操器到伺服放大器，帶動電動機執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)節(jié)。現(xiàn)在的方法是將伺服放大器功能用PLC軟件實現(xiàn)，由PLC直接驅(qū)動電動執(zhí)行機構(gòu)進行自動調(diào)節(jié)。手操器功能由人機界面實現(xiàn)。每一個閥位調(diào)節(jié)，能節(jié)省一個手操器、一個伺服放大器和一路D/A模塊，提高了系統(tǒng)的可靠性。 （3

10、）鼓風、引風調(diào)節(jié) 由于試驗用燃氣鍋爐是由燃煤鍋爐改造而來的，鍋爐煙氣系統(tǒng)阻力比燃氣鍋爐大，故仍然保留引風機。鼓風、引風機由變頻調(diào)速器調(diào)節(jié)，以達到優(yōu)化燃燒的目的。 3.2.4系統(tǒng)安全保障 為保障系統(tǒng)的正常、可靠地運行，該系統(tǒng)設置并顯示了15種報警、停爐和安全聯(lián)鎖目的。 3.2.5 （1）燃氣負荷預測調(diào)節(jié) 根據(jù)環(huán)境條件和歷史數(shù)據(jù)，將主要的因素之間的數(shù)據(jù)建立回歸預測數(shù)學模型，再加上其他因素進行修正，得到的數(shù)學模型用于預測控制。 （2）鼓風變頻控制 首先根據(jù)燃氣量與燃氣熱值計算出燃燒用空氣量，然后，確定最佳空氣系數(shù)。再根據(jù)最佳空氣系數(shù)和燃氣量即可計算出空氣量。再根據(jù)空氣量對鼓風機進行變頻控制。 （3）

11、引風變頻控制 燃氣鍋爐爐內(nèi)壓力一般控制在微壓操作。壓力太高，煙氣易外漏，影響操作環(huán)境；負壓太大，易向爐內(nèi)漏入空氣，增加過量空氣系數(shù)，降低燃燒效率。而漏進風量又與爐內(nèi)負壓有關(guān)，因此根據(jù)鼓風量和爐內(nèi)負壓可以確定引風量。借此可對引風機進行變頻控制。由于試驗用燃氣鍋爐負荷小，空氣系數(shù)較高，又是采用負壓操作，漏風量大，煙氣中氧含量高，因此不能用煙氣中氧含量和爐內(nèi)壓力來控制引風量。根據(jù)試驗結(jié)果決定，鼓風和引風采用分階段線性調(diào)節(jié)。 3.3燃氣負荷預測數(shù)學模型 （1）模型的選擇 操作條件的選擇可采用試驗法和模型法，對于燃氣鍋爐的控制，因鍋爐蒸汽輸出參數(shù)相對于輸入燃氣參數(shù)的反應較慢，而儲氣罐水槽溫度變化相對于燃

12、氣鍋爐輸入?yún)?shù)的反應更要慢得多。在這種情況下，如果采用連續(xù)的實時控制，不僅需要增加有關(guān)設備，而且被調(diào)參數(shù)還可能會出現(xiàn)波動。如采用單純的采樣控制，周期也比較長。 鑒于燃氣鍋爐主要用戶的控制參數(shù)的變化慢，而且可以輸入較多的歷史數(shù)據(jù)，又有多因素的修正，因此采取燃氣負荷預測和采樣控制結(jié)合的方法。 （2）歷史數(shù)據(jù) 要建立燃氣鍋爐預測數(shù)學模型，必須有一定數(shù)量的歷史數(shù)據(jù)。由于2t/h燃氣鍋爐的歷史數(shù)據(jù)缺少，只好采用4t/h燃氣鍋爐的歷史數(shù)據(jù)。 （3）數(shù)學模型的建立 對于控制用模型與模擬計算用模型的要求又不一樣，它要求模型的形成和運算快。模型的選擇主要取決于對象的復雜程度和擁有數(shù)據(jù)的多少。燃氣鍋爐控制數(shù)學模型

13、以熱效率為目標函數(shù)，因傳熱過程的機理較清楚，故采用機理模型進行優(yōu)化。 影響燃氣量的因素很多，根據(jù)傳熱學理論，濕式儲氣罐水槽溫度和大氣溫度之差是儲氣罐散熱的主要推動力，因此采用燃氣量與濕式儲氣罐水槽溫度和大氣溫度之差進行校正，以得到比較可靠的預測控制用數(shù)學模型。考慮到試驗現(xiàn)場的具體條件，為了方便控制，對模型又進行了簡化，得出下述預測控制用數(shù)學模型。 式中：V燃預測燃氣流量，m3/h; T0水槽溫度設定值，； T環(huán)環(huán)境溫度實測值，； T槽水槽溫度實測值，； K1耗氣量預測方程系數(shù)（由歷史數(shù)據(jù)回歸得出），m3/h/。 K2耗氣量預測議程系數(shù)（由歷史數(shù)據(jù)回歸得出），m3/h/。 K3水槽實測溫度與設定

14、溫度偏差修正強度系數(shù)，K3=1.0100 初次建立的數(shù)學模型不一定準確，但是通過自學習，能隨著操作數(shù)據(jù)的積累，不斷用新的數(shù)據(jù)更新歷史數(shù)據(jù)，使之逐漸適合于在控對象。 4實驗結(jié)果與分析 4.1安全保護功能 經(jīng)過測定，16種故障的報警值均可以在人機界面上設定后進入監(jiān)控運行，均能在報警記錄上記下發(fā)生時間、報警名稱等信息，故障消除也可記錄同樣信息；報警頻次表上在報警名稱下，有累計報警及停爐次數(shù)，以供管理人員制定設備維修計劃，改進操作用。 4.2燃氣于煙氣分析數(shù)據(jù) （1）燃氣分析 燃氣分析結(jié)果見表2。 CH4/%C2H6/%C3H8/%CO2/%N3/%低熱值MJ/m385.909.620.402.871

15、.2137.38(2) 煙氣分析結(jié)果 煙氣分析數(shù)據(jù)（見表3）還表明，煙氣中一氧化碳含量很低，排放至大氣，污染很小。 4.3節(jié)電測試數(shù)據(jù) 節(jié)電測試數(shù)據(jù)見表4。 在未采用變頻調(diào)速前，鼓風機和引風機在額定轉(zhuǎn)速（全開）下運行。采用變頻調(diào)速后，不同風量下，節(jié)電約為30%70%。 4.4節(jié)氣測試數(shù)據(jù) 燃氣耗量的節(jié)約可從熱效率的提高、蒸汽壓力的提高和預測燃氣負荷的降低三個方面來說明。 （1） 燃氣鍋爐熱效率的提高 2t/h和4t/h燃氣鍋爐熱效率的比較見表5。 表3 煙氣分析結(jié)果 燃氣量/（m3/h）99100121129139149159169空氣量/（m3/h）165016401990198019901

16、98022802280煙氣溫度/155156164169171175183187煙氣含量CO/10-62.02.52.03.02.53.03.03.0CO2/%5.25.75.55.96.57.06.67.1O2/%11.910.911.410.59.68.69.48.5表4 節(jié)電測試數(shù)據(jù) 全開1檔2檔3檔4檔鼓風機頻率/H25040302010引風機頻率/H25045403530燃氣量/（m3/h）1641268554空氣量/（m3/h）30002270199017101410鼓引風電機總功率/KW9.607.054.793.242.10相對耗電量1.000.730.500.340.22節(jié)電

17、率/%0.0027.0050.0066.0078.00 表5 2 t/h和4 t/h燃氣鍋爐熱效率的比較 燃氣量/（m3/h）空氣量/（m3/h）煙氣溫度/蒸汽壓力/MPa蒸汽量/（kg/h）熱效率/%2 t/h燃氣鍋爐9716401560.099102074.511016401630.120120077.3811115801610.143130083.2811819901790.173138083.1613519201690.178146076.9114819101780.196157075.2515123001950.242156073.29平均77.384 t/h燃氣鍋爐13530000

18、.120130066.3113830000.140130066.8215230000.160150070.0015730000.180160072.2916630000.200170072.65平均70.18（2）不同蒸汽壓力的燃氣耗量 不同燃氣鍋爐蒸汽壓力的燃氣耗量測定數(shù)據(jù)見表6。 表6 不同燃氣鍋爐蒸汽壓力的燃氣耗量 2t/h鍋爐蒸汽壓力/MPa0.0990.1110.1280.1460.1690.1830.2040.225燃氣量/（m3/h）991001211291391491591694t/h鍋爐蒸汽壓力/MPa0.120.140.160.180.20燃氣量/（m3/h）135138152157166表7 鍋爐燃氣用量V燃的模型計算結(jié)果 水槽溫度設定值/16151413121110987計算燃氣用量/（m3/h）166163159156153149146143139136相對燃氣用量/%10098969492908