摘要：以某熱源廠2#燃?xì)忮仩t為研究對(duì)象，對(duì)其能耗情況進(jìn)行分析，提出節(jié)能控制策略。從硬件和軟件層面進(jìn)行自動(dòng)化節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并應(yīng)用于某熱源廠中，對(duì)實(shí)際應(yīng)用效果和節(jié)能經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：燃?xì)忮仩t；自動(dòng)化；節(jié)能系統(tǒng)；經(jīng)濟(jì)性

中圖分類號(hào)：TK229.8? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：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(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(guò)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(yíng)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(guó)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(guò)長(zhǎng)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(yíng)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(guò)此種方式降低企業(yè)經(jīng)營(yíng)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(lái)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(kāi)發(fā)板型號(hào)選擇TQ2440 ARM9。該開(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)難度和系統(tǒng)外圍設(shè)計(jì)工作量。電源模塊是為開(kāi)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(guò)電源適配器轉(zhuǎn)換為5 V，輸入開(kāi)發(fā)板，通過(guò)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(lái)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(yǔ)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(kāi)燃?xì)忾y門，提高燃?xì)廨斎肓浚瑫r(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(kāi)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(guò)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(jiàn)，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(jiàn)，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?#鍋爐整個(gè)供暖期燃?xì)庀牧繛?1 295×41+15 271×48+12 252×53=1 845 459 m3，

4#鍋爐整個(gè)供暖期燃?xì)庀牧繛?1 364×41+15 368×

48+12 291×53=1 855 011 m3，相差0.51%。2#鍋爐整個(gè)供暖期燃?xì)庀牧繛? 963×

41+13 786×48+8 367×53=1 431 662 m3，相比3#、4#鍋爐整個(gè)供暖期降低約42萬(wàn)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(jiàn)，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(wàn)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(wàn)元燃?xì)獬杀尽?/p>

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(guò)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(wàn)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.

收稿日期：2024-02-01

作者簡(jiǎn)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(dòng)化。