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(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)的設計

2.1硬件系統(tǒng)設計

根據(jù)某熱源廠2#燃氣鍋爐相關參數(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)外圍設計工作量。電源模塊是為開發(fā)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(xù)給RTC供電。220 V電壓經(jīng)過電源適配器轉換為5 V,輸入開發(fā)板,通過AS1117AR-3.3穩(wěn)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(tǒng)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(diào)理模塊的設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的設備,實現(xiàn)設備的自動化調(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(jié)能系統(tǒng)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(jù)系統(tǒng)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(jiān)測需求。

2.2 軟件設計

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),在設計中根據(jù)控制需求對所有控制任務進行優(yōu)先級的確定,之后根據(jù)優(yōu)先級進行任務調(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,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,得出機構調(diào)控量,并將控制命令發(fā)送至相對應的機構進行微調(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,完成后當月對設備進行了試運行,經(jīng)過運行發(fā)現(xiàn)所有設備均能安全、正常運轉,且系統(tǒng)能夠根據(jù)設定要求進行調(diào)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(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11295 ×41十15271 ×48十12252 ×53=1 845459m³,4#鍋爐整個供暖期燃氣消耗量為11364×41十15 368×48十12291× 53=1855011m³,相差0.51%。2#鍋爐整個供暖期燃氣消耗量為7 963×41十13786 ×48十8367 ×53=1431662m3,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計。

3)將自動化節(jié)能系統(tǒng)應用于某熱源廠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)能技術探討與研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化,2022,12(10):49-50.

2024年第12期第10篇