燃煤鍋爐自動控制改造節(jié)能經(jīng)濟(jì)性分析研究

史俊彪

（太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 太原 030000）

1 基于PLC 鍋爐自動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 硬件

本次系統(tǒng)改造采用PLC 控制芯片型號為ATMEGA128、顯示器、控制臺、TLV5618D/A 轉(zhuǎn)換器。ATMEGA128 單片機(jī)是RISC 結(jié)構(gòu)，具有較高的運(yùn)輸處理速度，并且該單片機(jī)具有兩個獨(dú)立定時器和計數(shù)器[2]，能夠滿足鍋爐的多樣化控制需求；顯示器控制模塊為OCMJ2X8C，能夠顯示數(shù)字符號、字母以及中文字形，具有三種接口模式（8 位/4 位微處理器接口、串行接口），與PLC 控制芯片接口相匹配；TLV5618D/A轉(zhuǎn)換器是八路10 位轉(zhuǎn)接器，能夠滿足本次系統(tǒng)設(shè)計需求。其余硬件沿用以前控制系統(tǒng)硬件，其中包括熱力傳感器、壓力傳感器等[1]。

1.2 模擬量輸入電路設(shè)計

在燃燒系統(tǒng)的控制當(dāng)中，一共有四個測點，分別為鍋爐蒸汽生產(chǎn)量、爐膛溫度、煙氣含氧量以及爐膛負(fù)壓，其中鍋爐蒸汽生產(chǎn)量主要利用渦街流量計（檢測范圍為4~17 800 m3/h，電信號為0~5 V）進(jìn)行監(jiān)測；爐膛溫度采用S 型熱電偶（檢測范圍為0~1 200 ℃，電信號0~5 V）進(jìn)行監(jiān)測；煙氣含氧量主要利用氧化鋯傳感器（檢測范圍為0~25%，電信號為0~5 V）監(jiān)測；爐膛負(fù)壓采用1151 壓力傳感器監(jiān)測（檢測范圍為-0.3~0.3 kPa%，電信號為0~5 V）。在各傳感器采集信息后直接將電信號傳輸?shù)紸TMEGA128芯片當(dāng)中，由各傳感器內(nèi)部的D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

1.3 模擬量輸出電路設(shè)計

鍋爐控制主要包含有三個部分，分別為給煤系統(tǒng)、引風(fēng)系統(tǒng)和鼓風(fēng)系統(tǒng)。在實現(xiàn)信號傳輸過程中，主要在ATMEGA128 輸出端口外接入兩個TLV5618D/A轉(zhuǎn)換器，進(jìn)而實現(xiàn)電信號的模擬輸出。TLV5618D/A 轉(zhuǎn)換器為單一I/O 周期，外部時鐘對其進(jìn)行控制。在實際控制過程中，TLV5618 D/A 讀入命令字符是在16個時鐘周期內(nèi)下降沿開始，在讀入16 位數(shù)據(jù)后進(jìn)入轉(zhuǎn)換周期，直至再次出現(xiàn)時鐘下降沿。

2 基于PLC 鍋爐自動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

主控制程序是自動化控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，本次研究的系統(tǒng)軟件設(shè)計環(huán)境為AVR 單片機(jī)專用環(huán)境WINAVR。整體控制方向是在程序控制時鐘周期內(nèi)，ATMEGA128 單片機(jī)將采集到的各類信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換分析，與預(yù)設(shè)值相比較根據(jù)差值大小查找提前設(shè)置的模糊控制表計算出執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)量，之后輸出數(shù)字信號經(jīng)由TLV5618D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號，傳遞給給煤系統(tǒng)、引風(fēng)系統(tǒng)和鼓風(fēng)系統(tǒng)?？刂七壿嫵绦蛉缦拢?/p>

1）在開啟系統(tǒng)后，系統(tǒng)首先進(jìn)行自檢，如果正常則進(jìn)行系統(tǒng)初始化，反之發(fā)出聲光報警，顯示器中顯示路徑故障；

2）在系統(tǒng)初始化完成后，鍋爐點火啟動，之后由傳感器采集鍋爐爐膛壓力、出水溫度、煙氣含氧量等相關(guān)信息；

3）將采集到的電信號傳輸至ATMEGA128 單片機(jī)中，經(jīng)由內(nèi)部D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，與預(yù)設(shè)模糊PID 算法范圍比較，如果超出范圍，則取限定范圍的上限值或下限值，否則取用原值；

4）將經(jīng)過模糊算法所得到數(shù)值進(jìn)行計算，獲取到具體設(shè)備調(diào)控量，而后經(jīng)過TLV5618D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號傳輸給執(zhí)行機(jī)構(gòu)；

5）執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成后，系統(tǒng)在一個時鐘周期后再次重復(fù)上述步驟。

3 燃煤鍋爐自動控制改造節(jié)能經(jīng)濟(jì)性

本次所設(shè)計的系統(tǒng)主要應(yīng)用在某工業(yè)企業(yè)2 號燃煤鍋爐中，該鍋爐主要用于生產(chǎn)蒸汽，額定蒸汽生產(chǎn)量為2.5 t/h，共有四種運(yùn)行工況（1 t/h，1.5 t/h，2 t/h、2.5 t/h），蒸汽溫度為226 ℃。本次改造于2022 年6 月7 日—6 月16 日進(jìn)行，本節(jié)對改造前后鍋爐節(jié)能效果以及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析研究，研究所燃燒的煤熱值、力度、灰分等均一致，為同一批次入場的燃煤。

3.1 燃煤鍋爐自動控制節(jié)能效果分析

3.1.1 爐渣、飛灰可燃物含量檢測分析

改造前后，分別對燃燒后的爐渣以及飛灰進(jìn)行檢測，每種工況下00：00—00：30、8：00—8：30、16：00—16：30 時段取樣，連續(xù)三日取樣作為一組數(shù)據(jù)計算平均值，每種工況取兩組數(shù)據(jù)，共計8 組數(shù)據(jù)，分別為#I-1、#I-2、#II-1、#II-2、#III-1、#III-2、#IV-1、#IV-2。經(jīng)過計算分析可得結(jié)果如圖1、圖2 所示。

圖1 改造前后不同工況下爐渣可燃物比例情況

圖2 改造前后不同工況下飛灰可燃物比例情況

由圖1、圖2 可知，在改造之前，四種工況下2 號鍋爐所產(chǎn)生的爐渣內(nèi)部可燃物質(zhì)量占比均在12.1%以上，四種工況鍋爐爐渣可燃物質(zhì)量占比平均為12.9%；改造完成后，爐渣內(nèi)部可燃物質(zhì)量占比有了極大的下降，平均為1.78%，下降11.12%。從飛灰角度來看，改造前四種工況下鍋爐飛灰內(nèi)部可燃物質(zhì)量占比在12.7%以上，經(jīng)過改造后飛灰內(nèi)部的可燃物平均質(zhì)量占比下降了11.78%，這也表明在自動控制系統(tǒng)改良后，燃煤燃燒更加充分，改造效果良好。

3.1.2 空預(yù)器出口處煙氣氧氣含量

空預(yù)器出口煙氣氧氣含量主要由氧化鋯傳感器監(jiān)測，經(jīng)過調(diào)取自動化系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，不同工況下每日空預(yù)器出口煙氣氧氣質(zhì)量占比均值結(jié)果如圖3 所示：

圖3 改造前后不同工況下每日空預(yù)器出口煙氣氧氣含量均值情況

由圖3 可知，在改造之前，空預(yù)器出口處煙氣φ（O2）最低為#I-2（1.5 t/h 蒸汽量工況下的第二批次）工況下，為10.73%，改造前整體平均值為11.09%。經(jīng)過改造后，空預(yù)器出口處煙氣φ（O2）降低至6.42%，降低量為4.67%，具有明顯的效果?？疹A(yù)器出口煙氣氧氣含量與鼓風(fēng)機(jī)頻率和引風(fēng)機(jī)頻率有著直接的關(guān)系，鼓風(fēng)機(jī)頻率越大，鍋爐內(nèi)部含氧量越高，燃煤燃燒越充分，但同時引風(fēng)機(jī)頻率也需要相應(yīng)增大，此時尾氣中的含氧量也會增大，此種情況下風(fēng)機(jī)的能耗比相對較高。而經(jīng)過自動控制系統(tǒng)改造，系統(tǒng)能夠根據(jù)鍋爐爐膛內(nèi)部壓力值、蒸汽流量以及尾氣含氧量對鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，在確保燃煤充分燃燒的條件下盡可能降低風(fēng)機(jī)頻率，提高能源利用效率。

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

某工業(yè)企業(yè)2 號燃煤鍋爐在生產(chǎn)過程中主要在2.5 t/h 的條件下運(yùn)行，本次經(jīng)濟(jì)性分析在常規(guī)狀態(tài)下進(jìn)行。改造前，該鍋爐在2.5 t/h 工況下燃煤消耗量為276 kg/h，改造完成后在同樣工況下該鍋爐燃煤消耗量為259 kg/h，消耗量降低6.2%。該鍋爐為不間斷使用，只有在年度保養(yǎng)時停機(jī)維護(hù)，停機(jī)維護(hù)時間為15 d，以一年365 d 計算，某工業(yè)企業(yè)2 號燃煤鍋爐每年實際使用時間為350 d×24 h/d=8 400 h，因此燃煤節(jié)約量為（276~259）kg/h×8 400 h=142 800 kg。該企業(yè)在2022 年全年平均燃料煤價為1 103.26 元/t，以此為基準(zhǔn)，在改造完成后該企業(yè)每年煤價能夠降低157 545.528 元，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

從電能角度來看，2 號燃煤鍋爐電能消耗主要集中在鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)方面，經(jīng)過改造前后對比分析，可知該燃煤鍋爐風(fēng)機(jī)能耗情況如表1 所示。

表1 2 號燃煤鍋爐改造前后電能消耗情況

由表1 可知，改造完成后鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)能耗均有大幅度降低，特別是引風(fēng)機(jī)節(jié)能率達(dá)到了24.82%。該工業(yè)企業(yè)所在區(qū)域工業(yè)電價為0.75 元/h，以一年工作8 400 h 計算，每年電費(fèi)能夠降低102 564元。

由此可見，在改造完成后，某工業(yè)企業(yè)2 號燃煤鍋爐全年正常使用狀態(tài)下能夠降低26 萬余元。

4 結(jié)論

1）以某工業(yè)企業(yè)2 號燃煤鍋爐為例，確立以PLC為核心的鍋爐自動控制系統(tǒng)，并對模擬量輸入電路、模擬量輸出電路進(jìn)行設(shè)計。

2）對自動控制系統(tǒng)軟件程序進(jìn)行設(shè)計，確定基于模糊PID 算法控制的軟件程序邏輯。

3）對2 號燃煤鍋爐的改造效能和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)，改造完成后燃煤燃燒更加充分，風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率也有極大提升；綜合耗電、燃煤消耗，改造完成后

2 號燃煤鍋爐正常使用情況下，全年能夠節(jié)約26 萬元。