真空相變加熱爐仿真平臺的研發(fā)

劉 超，宋丹丹，苗瑾超，徐圣方，張振洋

（新疆理工學(xué)院，新疆維吾爾自治區(qū) 阿克蘇 843100）

近幾年來政府逐步推出煤改氣的能源政策，鼓勵(lì)燃?xì)饧訜釥t/鍋爐的發(fā)展。燃?xì)饧訜釥t/鍋爐能否節(jié)約能源，高效率的運(yùn)行就變得十分重要。因此提出一種加熱爐模擬仿真平臺，以軟件方式對加熱爐運(yùn)行過程進(jìn)行仿真，探討驗(yàn)證控制方案可行性時(shí)降低消耗的途徑。

1 相變換熱鍋爐的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)

負(fù)壓相變換熱加熱爐又稱真空相變換熱加熱爐，簡稱真空加熱爐。真空加熱爐在運(yùn)行時(shí)爐體內(nèi)為負(fù)壓狀態(tài)，即使出現(xiàn)故障，爐體也不會有爆炸的危險(xiǎn)。真空相變加熱爐內(nèi)部，熱媒水吸熱蒸發(fā)，水蒸氣上升遇到表面溫度較低的盤管液化放熱。相變換熱系數(shù)明顯的要比單相換熱系數(shù)高出一個(gè)數(shù)量級。真空相變加熱爐換熱效率相比于傳統(tǒng)加熱爐要高出許多。

2 仿真平臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

真空相變加熱爐仿真平臺由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：PC、模擬量產(chǎn)生模塊、開關(guān)量輸入模塊和開關(guān)量輸出模塊，如圖1所示。PC模擬真空相變加熱爐運(yùn)行過程中各項(xiàng)的參數(shù)，通過通信端口傳送給信號產(chǎn)生裝置，使仿真系統(tǒng)能夠輸出與加熱爐所安裝儀表一致的電信號；仿真平臺能夠接收控制系統(tǒng)發(fā)出的控制燃燒裝置的命令，并做出相應(yīng)增減火力和啟停燃燒機(jī)的動(dòng)作。仿真平臺和真空相變加熱爐的控制系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)的系統(tǒng)。這樣開發(fā)人員可以在不啟動(dòng)加熱爐的情況下驗(yàn)證控制算法的合理性和可行性，從而減少控制系統(tǒng)開發(fā)的周期。見圖1。

圖1 真空相變加熱爐仿真平臺的系統(tǒng)框圖

仿真平臺通過開關(guān)量輸入模塊模擬鍋爐中燃燒機(jī)啟動(dòng)/停止、增火/大火、小火、減火動(dòng)作。同時(shí)模塊將對應(yīng)的控制信號通過RS-485接口反饋到PC。經(jīng)處理后的加熱爐參數(shù)通過模擬量輸出模塊傳輸至控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對加熱爐出/入口溫度，筒體壓力/溫度等參數(shù)的模擬。

3 仿真平臺軟件設(shè)計(jì)方案

真空相變加熱爐仿真平臺的軟件模塊構(gòu)成如圖2所示，主要由盤管換熱模塊、啟爐階段計(jì)算模塊、停爐階段計(jì)算模塊、通信端口設(shè)計(jì)模塊組成。

圖2 真空相變加熱爐仿真平臺的軟件模塊構(gòu)成

通訊端口把各個(gè)模塊模擬加熱爐的一部分參數(shù)傳到一線通模擬量輸出模塊，一線通模塊把模擬值轉(zhuǎn)化4～20 mA電流信號；另一部分參數(shù)傳到一線通數(shù)字量輸出模塊，一線通模塊把數(shù)字量值轉(zhuǎn)換成I/O信號；同時(shí)通信端口采集一線通輸入模塊各個(gè)輸入數(shù)字量信號，仿真平臺周而復(fù)始運(yùn)行完成加熱爐的正常模擬。加熱爐控制系統(tǒng)再把模擬量值和數(shù)字量值采集上來，并對其進(jìn)行處理和控制，并將需反饋給鍋爐的值傳給一線通模塊，一線通再傳給計(jì)算機(jī)軟件，軟件通過換熱計(jì)算出加熱爐實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，周而復(fù)始運(yùn)行完成加熱爐運(yùn)行的模擬。

3.1 啟爐模塊的設(shè)計(jì)

實(shí)際工作過程中，燃燒機(jī)啟動(dòng)后，燃燒機(jī)風(fēng)機(jī)對加熱爐進(jìn)行吹掃（燃燒機(jī)會給出風(fēng)機(jī)信號），一般吹掃15～20秒，點(diǎn)燃燃燒機(jī)（燃燒機(jī)給出火焰信號）。在仿真平臺中啟爐模塊中，首先用延時(shí)啟動(dòng)做為風(fēng)機(jī)和燃燒機(jī)的模擬仿真。啟爐后，首先啟動(dòng)風(fēng)機(jī)在延時(shí)啟動(dòng)火焰信號，然后加熱爐溫度才開始發(fā)生變化。加熱爐從啟爐到正常運(yùn)行要經(jīng)歷三個(gè)階段。

在第一階段中，由于加熱爐內(nèi)部不是絕對的真空。在初始壓力的影響下，啟動(dòng)后，燃燒機(jī)提供給加熱爐的有效熱量主要被分為兩個(gè)部分：一部分使得加熱爐內(nèi)熱媒水的溫度升高；另一部分使加熱爐內(nèi)部壓強(qiáng)升高，同時(shí)空氣溫度升高。在這個(gè)階段工質(zhì)沒有吸收熱量，可認(rèn)為爐體內(nèi)熱媒水的溫度和氣體的溫度相同。

當(dāng)加熱爐內(nèi)部氣體的溫度高于被加熱工質(zhì)的溫度，加熱爐運(yùn)行進(jìn)入第二階段。在這個(gè)階段內(nèi)，加熱爐爐內(nèi)部開始同被加熱工質(zhì)以輻射傳熱的方式與被加熱工質(zhì)進(jìn)行換熱。因此，此時(shí)燃燒機(jī)提供的有效熱量又被分為三個(gè)部分：第一部分使加熱爐中的熱媒水溫度繼續(xù)升高；第二部分使得加熱爐內(nèi)部壓強(qiáng)升高，空氣溫度升高；第三部分使得被加熱工質(zhì)溫度升高。

只有當(dāng)熱媒水的實(shí)時(shí)溫度大于或等于實(shí)時(shí)熱媒水沸點(diǎn)溫度時(shí)，第三階段，也就是“蒸發(fā)過程”開始。在蒸發(fā)過程中，加熱爐中的水開始蒸發(fā)，產(chǎn)生蒸汽。在這個(gè)過程中，燃燒機(jī)提供的有效熱量主要被分為四個(gè)部分：第一部分使得加熱爐中熱媒水的溫度升高；第二部分使水蒸發(fā)為水蒸汽；第三部分使水蒸汽和空氣溫度升高；第四部分，使工質(zhì)溫度升高。當(dāng)進(jìn)入蒸發(fā)過程后，由于開始產(chǎn)生水蒸汽，加熱爐內(nèi)部壓力變化速度升高，并且，由于水蒸汽的換熱效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空氣，被加熱工質(zhì)的溫升速度也大幅提高。

3.2 盤管換熱模塊

在盤管換熱設(shè)計(jì)的時(shí)候，由于盤管長度較長，盤管各處的熱量交換肯定不同。采用積分的思想，將盤管分成n個(gè)小段。每一段分別進(jìn)行處理。將前一段盤管內(nèi)計(jì)算所得的末端工質(zhì)的溫度做為下一段盤管的初始溫度。計(jì)算出每一段盤管吸收的熱量，并將所有吸收熱量相加。當(dāng)所有分段計(jì)算完畢，最后一段盤管的末端溫度就作為加熱爐的出口溫度，同時(shí)得到盤管在一個(gè)過程中吸收的熱量。

加熱爐通過盤管換熱實(shí)現(xiàn)對工質(zhì)的加熱。在運(yùn)行過程中，盤管的換熱有兩種類型。當(dāng)筒體溫度低于熱媒水的臨界沸騰溫度，即沒有水蒸汽產(chǎn)生。此時(shí)盤管內(nèi)工質(zhì)吸熱主要靠熱媒水的輻射傳熱。此過程工質(zhì)吸熱較少，換熱未大規(guī)模進(jìn)行，加熱爐處于過渡階段。

當(dāng)爐體內(nèi)的熱媒水沸騰，水蒸汽大量產(chǎn)生，開始進(jìn)行盤管進(jìn)行大規(guī)模換熱。對盤管的換熱由于采用的是積分的方法，盤管每一段的各個(gè)參數(shù)存在區(qū)別，位置不同每一段工質(zhì)的各個(gè)物性參數(shù)（工質(zhì)比熱、運(yùn)動(dòng)粘度、密度、導(dǎo)熱系數(shù)等等）也有著很大區(qū)別。真空相變加熱爐進(jìn)行相變換熱的時(shí)候，每一段盤管的換熱系數(shù)是由管內(nèi)換熱系數(shù)和管外換熱系數(shù)共同決定的。管內(nèi)換熱系數(shù)是根據(jù)管內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)（由雷諾數(shù)區(qū)分）來確定。

停爐階段其實(shí)也就是啟爐階段的一個(gè)逆過程。但是由于在運(yùn)行過程中，加熱爐可能處于不同的階段。

當(dāng)停爐時(shí)，爐體內(nèi)有大量水蒸氣，出口溫度處于上升階段，也就是燃燒機(jī)提供的有效熱量大于工質(zhì)吸收的熱量。停爐后，由于有余熱的存在，水蒸氣將會持續(xù)產(chǎn)生，出口溫度有一個(gè)短暫的增長。

停爐一段時(shí)間后，爐體內(nèi)的水蒸氣全部凝結(jié)，此時(shí)盤管吸收的熱量來自水的輻射傳熱。筒體溫度緩慢降低，筒體壓力根據(jù)溫度變化，也相應(yīng)的降低。

3.3 人機(jī)交互的設(shè)計(jì)

仿真平臺由于采用的是WINDOWS窗體控制程序，因此在界面設(shè)計(jì)時(shí)有著很大的優(yōu)勢。界面設(shè)計(jì)主要分為加載界面、主界面、量程設(shè)置界面，以及手動(dòng)設(shè)置界面四個(gè)人機(jī)交互界面。加載界面主要完成加載顯示；主界面中主要分為加熱爐參數(shù)輸入?yún)^(qū)域，信號輸出區(qū)，加熱爐控制區(qū)，仿真控制區(qū)，以及信號顯示區(qū)。量程設(shè)置界面主要完成對現(xiàn)場的各種儀表的量程模擬。手動(dòng)設(shè)置界面中主要用于完成手動(dòng)處理時(shí)各種數(shù)字信號，例如風(fēng)機(jī)火焰、數(shù)字量故障信號的模擬以及對加熱爐各個(gè)參數(shù)的模擬。

4 系統(tǒng)調(diào)試

真空相變加熱爐仿真平臺的聯(lián)調(diào)，從手動(dòng)情況下與控制柜聯(lián)調(diào)、系統(tǒng)本身調(diào)試、與控制系統(tǒng)聯(lián)調(diào)三方面進(jìn)行。圖3為真空相變加熱爐仿真平臺的實(shí)物圖。

圖3 仿真平臺實(shí)物圖

為方便進(jìn)行測試，選用1 t（700 kW）加熱爐進(jìn)行測試。分別改變加熱爐的各項(xiàng)參數(shù)，例如改變工質(zhì)流量、改變氣體體積等進(jìn)行調(diào)試。表1是在調(diào)試過程中得到的不同的數(shù)據(jù)。

表1 1t加熱爐仿真數(shù)據(jù)

該表中可以看出當(dāng)改變初始筒體溫度、氣體體積或者水的體積的時(shí)候，最后達(dá)到平衡時(shí)候的出口參數(shù)是相同的。

5 總結(jié)

本仿真平臺只是實(shí)現(xiàn)了對原油和水的加熱模擬，對天然氣的物性參數(shù)，程序中已經(jīng)給出了計(jì)算，缺少在盤管換熱部分加入對天然氣的計(jì)算。本仿真平臺雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的基本功能，但還是存在可以進(jìn)一步完善和優(yōu)化的地方。