0引言

隨著環(huán)保工作的不斷推進(jìn),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(duì)較高,嚴(yán)重影響了相關(guān)企業(yè)的經(jīng)營和發(fā)展,特別是對(duì)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?xì)忮仩t能耗成為工業(yè)領(lǐng)域普遍關(guān)注的事項(xiàng)^[1]。

1 工程概述

某熱源廠為響應(yīng)國家綠色環(huán)保號(hào)召,將企業(yè)內(nèi)部的燃煤供熱鍋爐均更換為燃?xì)忮仩t,但經(jīng)過長時(shí)間的使用發(fā)現(xiàn),燃?xì)忮仩t費(fèi)用成本極高,對(duì)企業(yè)的經(jīng)營發(fā)展產(chǎn)生了嚴(yán)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(duì)此種情況,該廠提出了節(jié)能降本攻關(guān)項(xiàng)目,希望通過此種方式降低企業(yè)經(jīng)營生產(chǎn)成本,實(shí)現(xiàn)企業(yè)的扭虧為盈。

燃?xì)忮仩t作為高耗能設(shè)備是節(jié)能降本項(xiàng)目的重中之重,對(duì)燃?xì)忮仩t進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),該設(shè)備的自動(dòng)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(jī),此種控制方式雖然能夠保障供暖溫度,但天然氣的實(shí)際燃燒效率較低,大量天然氣被浪費(fèi)。因此,本次自動(dòng)化節(jié)能系統(tǒng)的改造將尾氣含氧量作為一項(xiàng)反饋信號(hào),在原出水溫度控制下對(duì)燃燒機(jī)的空燃比進(jìn)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?xì)忮仩t自動(dòng)化節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)某熱源廠2#燃?xì)忮仩t相關(guān)參數(shù),本次中控模塊開發(fā)板型號(hào)選擇TQ2440 ARM9。該開發(fā)板搭載S3C2440處理器,其I/O管腳共計(jì)130個(gè),并且具有8路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、4個(gè)PWM輸出通道;該開發(fā)板具有USB、串口、電源、儲(chǔ)存、網(wǎng)口等模塊,能夠滿足燃?xì)忮仩t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(jì)工作量。電源模塊是為開發(fā)板供電而設(shè)計(jì),并且設(shè)計(jì)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(jì)為RS-232串 口電路,該串口電平與PC機(jī)并不匹配,因此在連接中需要設(shè)計(jì)一個(gè)SP3232EEN電路來匹配電平。A/D調(diào)理模塊的設(shè)計(jì)作用是對(duì)采集回的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,然后將控制量傳遞給相對(duì)應(yīng)的設(shè)備,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)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(duì)具體反饋需求調(diào)理電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)選用MAX504 D/A芯片,該芯片與ARM9相互連接;自動(dòng)化節(jié)能系統(tǒng)的PCB控制板設(shè)計(jì)主要作用是信息的采集以及信號(hào)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(jì)PCB板如圖2所示。溫度信號(hào)采集選用原溫度傳感器,含氧量信號(hào)采集選用GSCY-2DA氧化鋯分析儀,該儀器量程為0%~25%,測(cè)量煙氣溫度為100~650℃,能夠滿足燃?xì)忮仩t尾氣氧含量監(jiān)測(cè)需求。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本次鍋爐自動(dòng)化節(jié)能系統(tǒng)是基于C語言環(huán)境建立的UC/OS-Ⅲ實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),在設(shè)計(jì)中根據(jù)控制需求對(duì)所有控制任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)的確定,之后根據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的有序運(yùn)行,此種方式也能確保系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的邏輯控制程序如下:

1)系統(tǒng)啟動(dòng)后,首先進(jìn)行初始化操作,對(duì)系統(tǒng)接口、定時(shí)器、時(shí)鐘、圖形界面等進(jìn)行初始化。

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

3)執(zhí)行點(diǎn)火任務(wù),對(duì)燃?xì)獗壤y、電磁閥、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)啟動(dòng)。

4)溫度傳感器檢測(cè)出水溫度,如出水溫度小于85℃ ,則打開燃?xì)忾y門,提高燃?xì)廨斎肓?同時(shí)根據(jù)既定空燃比提高空氣輸入量,對(duì)鍋爐鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié);反之,則減小燃?xì)忾y門開合度,降低空氣輸入量。

5)氧化鋯分析儀檢測(cè)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(jìn)行分析處理,得出機(jī)構(gòu)調(diào)控量,并將控制命令發(fā)送至相對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)進(jìn)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(fēng)機(jī)輸出功率(降幅2 Hz),降低風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)輸入功率(降幅2 Hz),持續(xù)監(jiān)測(cè)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(dòng)化節(jié)能系統(tǒng)在熱源廠燃?xì)忮仩t中的應(yīng)用

某熱源廠于2021年4月—7月對(duì)燃?xì)忮仩t進(jìn)行節(jié)能降耗改造,完成后當(dāng)月對(duì)設(shè)備進(jìn)行了試運(yùn)行,經(jīng)過運(yùn)行發(fā)現(xiàn)所有設(shè)備均能安全、正常運(yùn)轉(zhuǎn),且系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)定要求進(jìn)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(hào)規(guī)格鍋爐3臺(tái),其中僅有2#鍋爐進(jìn)行改造,其余3#、4#并未進(jìn)行改造。在供暖期間,選取典型日對(duì)3臺(tái)鍋爐的出水溫度進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知,三臺(tái)同種型號(hào)規(guī)格的鍋爐在實(shí)際使用當(dāng)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(tái)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(dòng)化節(jié)能系統(tǒng)改造完成后并不會(huì)對(duì)鍋爐的供熱性能產(chǎn)生影響。

為了分析自動(dòng)化節(jié)能系統(tǒng)對(duì)鍋爐燃燒控制的微量調(diào)節(jié)效果,本次在典型日中對(duì)三臺(tái)鍋爐某個(gè)時(shí)段內(nèi)的出水溫度進(jìn)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(duì)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(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)會(huì)進(jìn)行微調(diào),這能夠有效提高爐膛內(nèi)部燃?xì)獾娜紵?進(jìn)而保障爐膛內(nèi)部溫度,使出水溫度變化相對(duì)較為平緩。由此可見,鍋爐自動(dòng)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(jì)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?xì)馊障牧炕疽恢?其中3#鍋爐整個(gè)供暖期燃?xì)庀牧繛?1295 ×41十15271 ×48十12252 ×53=1 845459m³,4#鍋爐整個(gè)供暖期燃?xì)庀牧繛?1364×41十15 368×48十12291× 53=1855011m³,相差0.51%。2#鍋爐整個(gè)供暖期燃?xì)庀牧繛? 963×41十13786 ×48十8367 ×53=1431662m3,相比3#、4#鍋爐整個(gè)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(fèi)用為3.97元/m3,由此可見,一臺(tái)爐改造完成后整個(gè)供暖期能夠?yàn)槠髽I(yè)降低約167萬元天然氣費(fèi)用,如果后續(xù)其余鍋爐均進(jìn)行改造,每年該熱源廠能夠降低近千萬元燃?xì)獬杀尽?

4 結(jié)論

1)本文對(duì)某熱源廠的情況進(jìn)行了分析,根據(jù)2#鍋爐的實(shí)際情況提出了自動(dòng)化節(jié)能降耗措施。

2)從硬件和軟件角度對(duì)熱源廠燃?xì)忮仩t自動(dòng)化節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),明確中控芯片,并對(duì)A/D調(diào)理電 路、采集與驅(qū)動(dòng)板PCB板、軟件邏輯程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

3)將自動(dòng)化節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)用于某熱源廠2#鍋爐中,經(jīng)過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)改造完成后并不會(huì)對(duì)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(dòng)。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?yàn)槠髽I(yè)降低167萬元天然氣費(fèi)用。

[參考文獻(xiàn)]

[1]崔永.燃?xì)忮仩t供熱節(jié)能技術(shù)探討與研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化,2022,12(10):49-50.

2024年第12期第10篇