| 标题 | 燃气锅炉运行气候补偿初步研究与应用 |
| 范文 | 李振虎 摘要：本文研究内容针对燃气锅炉运行参数无室内外温度变化反馈、只能人工手动设定等粗放供热等问题，研究通过增加室外环境温度、用户室内温度和供暖管网末端热水温度检测装置和控制算法，使锅炉和换热站目标温度按照室内外温度变化实时自动调整，从而降低劳动强度，节约能源，增加用户室内温度舒适度。 Abstract： The research content of this paper is based on the problem that the operating parameters of gas boilers have no indoor and outdoor temperature change feedback， and can only be manually set and other problems. By increasing the outdoor ambient temperature， the user's indoor temperature and the hot water temperature detection device and control algorithm at the end of the heating pipe network， the target temperature of the boiler and heat exchange station can be automatically adjusted in real time according to the indoor and outdoor temperature changes， thereby reducing labor intensity， saving energy， and increasing user's indoor temperature comfort 关键词：燃气锅炉；运行；气候补偿；研究应用 Key words： gas boiler；operation；climate compensation；research application 中图分类号：TK229.8 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）33-0255-04 1 概述 1.1 研究必要性 近几年来，由环境污染治理形势严峻，新修订的《环境保护法》和《大气污染防治法》的颁布实施，京津冀环保政策要求越发严格和迫切，各地陆续推行燃煤锅炉进行天然气锅炉等清洁能源置换工作。截止目前，石家庄建筑段维修管理的110处146台锅炉中，燃气锅炉已增加到37处52台，供热面积达到1367814平方米，分布在石家庄、邯郸、保定等地区。 在这些燃气锅炉中，由于不同时期采购招标，锅炉燃烧机和控制柜品牌、规格繁多，热工检测和控制设备也各不相同。燃气锅炉运行温度控制技术和方案还不完善。主要表现在：①锅炉运行启炉温度、目标温度和停炉温度等参数只能人工手动设定，当昼夜交替或节气变化时，司炉工做不到及时调整锅炉设定出水温度目标值等参数。如果以较高负荷运行，会造成采暖用户室内温度偏高和天然气能源的浪费；如果总是低负荷运行，室内供暖温度偏低，造成不良反应和投訴。②如果编制操作指导书，要求司炉工人工手动设定燃气锅炉启炉温度、目标温度和停炉温度等参数的工作比较繁琐重复，增加了司炉工的频繁操作。同时由于司炉工知识水平、操作水平、责任心不同，此项工作落实起来有差距。③原有控制缺乏室外环境温度和采暖用户室内温度反馈，使锅炉运行目标温度不能根据室外环境温度和用户室内采暖温度实时调整，没有形成闭环自动控制。④没有室外环境温度和用户室内采暖温度实时和历史数据，缺乏燃气锅炉操作、设备维修调整、运行检查管理的参考依据。 1.2 初步解决方案 我们选择石家庄铁路32宿舍燃气锅炉房作为研究目标载体，设备情况主要是：32宿舍型号WNS1燃气锅炉一台、WNS7然气锅炉两台，作为一次网热水的热源，分别通过三套板式换热机组换热，换热后的二次网热水，分别供给31宿舍、32宿舍和35宿舍三个铁路宿舍热用户。 结合根据段既有设备，借鉴换热站远程监控系统的成熟技术，利用段已建立运行的“换热站远程监控平台”，继续拓展其功能和模块，探索燃气锅炉气候补偿技术。 一是增设室外温度、用户室内温度和供暖管网末端热水温度检测、传输装置。二是改进和提升燃气锅炉温度控制技术和方案，实现燃气锅炉出水和换热机组二次供水目标温度实时自动调整。即燃气锅炉运行按照室外环境温度、采暖用户室内温度反馈值及时调节大小火负荷；换热机组运行按照室外环境温度、采暖用户室内温度反馈值及时调节供水电动调节阀开度。从人工手动粗放供热向自动精细供热转化，节约使用天然气资源，增加采暖用户室内温度舒适度方面进行研究和攻关。 2 研究策略原则 燃气锅炉运行气候补偿控制策略如图1。 根据控制策略，现场PLC 自控柜和换热机组现场PLC 自控柜四台设备需要采集室外环境温度参数。在室外安装一套一体化温度变送器，通过屏蔽线接入燃气锅炉PLC自控柜控制器输入端口，此温度信号同时可以通过工业以太网内传输给换热机组自控柜共用。 同时系统需要设置住户室内温度检测装置。由于三个换热站供热分区位置分散、距离锅炉房较远，采用GPRS无线传输。每个分区根据楼层、位置朝向等因素，选择5户有代表性的用户。将总共15路住户室内温度信号统一发送到换热站远程监控中心，再由换热站远程监控中心通过internet网络转发到集中监控台，作为反馈信号引入到燃气锅炉运行气候补偿控制中。 利用已有的换热站远程监控中心的可扩展裕量，在适当修改系统软件的基础上，扩展出燃气锅炉远程监控平台。由于锅炉房燃气锅炉操作台、换热机组PLC控制柜均有MODBUS通讯协议的RS485接口，用网路交换机将以上设备组成工业以太网络，同时设置一台计算机实现就地集中监控和采暖用户室内温度数据统一处理，最终形成燃气锅炉、换热机组运行两级气候补偿控制系统。 3 系统架构及主要功能研究 3.1 系统组成 ①组网结构。全部燃气锅炉远程监控、气候补偿控制系统分为三级：1）利用原有的换热站远程监控中心平台，对其应用软件进行功能扩展，增加燃气锅炉远程监控界面；2）32锅炉房控制室就地集中监控台；3）燃气锅炉、换热机组PLC自控柜设置室外环境温度、采暖用户室内温度和供暖管网末端热水温度检测、传输装置。 ②远程监控中心。利用既有的换热站远程监控中心的数据服务器、视频服务器、防火墙等主要设备，通过软件升级，扩展出燃气锅炉远程监控界面。通过光纤宽带网与就地集中监控台、室外温度、采暖用户室内、供暖管网末端的远传测温仪进行数据信息通讯联系，完成燃气锅炉远程监控、系统管理员管理维护等任务，作为燃气锅炉运行气候补偿控制系统第一级。 当系统通讯正常时，现场设备运行数据、故障诊断及报警数据通过就地集中监控计算机上传至监控中心，监控中心可实施对燃气锅炉远程控制；当通讯故障时，锅炉房控制室就地集中监控台控制系统能够按照设定的控制策略独立完成控制。 ③32锅炉房控制室就地集中监控台。通过配置一台电脑、三台协议转换器MOXA，宽带专线、网络交换机和硬盘录像机各一台，作为燃气锅炉运行气候补偿控制系统第二级。对现场的运行参数进行实时管理，直接介入系统运行，是燃气锅炉监控子系统和3个换热机组监控子系统显示、报警和控制功能的集成。同时还要承上启下，使监控数据和视频图像在换热站远程监控中心与就地集中监控台之间正常传输。 ④燃气锅炉、换热机组现场PLC自控柜。系统计划设置三个宿舍换热站换热机组现场PLC自控柜、燃气锅炉设备现场PLC自控柜，共计4台，作为燃气锅炉运行气候补偿控制系统第三级，与锅炉房就地集中监控台组成工业以太网进行通讯。 燃气锅炉设备现场PLC自控柜主要用来与燃气锅炉操作台通过协议转换器建立通讯，交换锅炉运行及控制信号。同时采集软化水箱和除氧水箱水位，并远程或就地控制燃气锅炉、循环泵、补水泵启停。另外按照气候补偿策略自动调节燃气锅炉负荷。 换热机组现场PLC自控柜主要用来采集换热机组设备的温度、压力、电动调节阀阀位、循环泵、补水泵电压、室内外环境温度等热工和电气参数，同时进行远程或就地启停循环泵、补水泵，按照气候补偿策略自动调节电动阀门。 ⑤室外环境温度、用户室内采暖温度和供暖管网末端热水温度检测、传输。利用一体化温度变送器测量室外环境温度，将4-20mA信号送到燃气锅炉PLC自控柜，再通过工业以太网进行数据通讯，作为燃气锅炉运行气候补偿控制关键的反馈量之一。 分别三个宿舍采暖用户室内设置一定数量的GPRS远传测温仪，通过GPRS数据卡无线定时发送数据。由换热站远程监控中心数据服务器接收采暖用户室内温度和供暖管网末端热水温度数据，然后批量下发到锅炉房控制室就地集中监控台。就地集中监控台上的计算机对采暖用户室内温度数据进行算数平均，然后采暖用户室内温度平均值与目标设定值比较，再乘以调节系数得出用户对温度的偏移量，作为燃气锅炉运行气候补偿控制另一个关键的反馈量。 3.2 主要控制流程及功能实现 ①燃气锅炉运行气候补偿控制流程原理（见图3）。 ②换热机组运行气候补偿控制流程原理（见图4）。 ③燃气锅炉运行气候补偿各主要功能。 1）燃气锅炉、换热机组运行两级气候补偿控制。系统同时进行燃气锅炉、换热机组两级气候补偿控制，燃气锅炉供水目标温度和换热机组二次供水目标温度均是在室外温度变化的对应值上叠加用户对室内温度的偏移量后得到，因此设备运行实时调节，实现住户室内温度在达标的基础上平稳。 2）工艺流程图运行显示功能的实现。根据实际需要设置工艺流程图控制页面。工艺流程图包括燃气锅炉、31宿舍换热机组、32宿舍换热机组和35宿舍换热机组4个显示页面，以工艺流程图形式直观显示设备运行实时数据，以便及时准确监视燃气锅炉的具体运行情况，能够对现场设备的故障进行实施诊断。所有热工参数、电力参数及设备状态，一目了然。 3）设备就地/远程控制和调整功能实现。在燃气锅炉、换热机组设备现场和换热站远程监控中心，通过就地/远程转换，可集中控制四个系统的室外环境温度与目标温度的对应关系、采暖用户室内温度目标值、室内温度调节系数、燃气锅炉启炉温度、停炉温度、水箱水位上下限等参数，控制四个供暖系统8台循环泵、8台补水泵以及燃气锅炉、软水箱电动阀门的启动、停止等。 4）集中监测功能。对燃气锅炉、3台换热机组热工、电力参数施行集中监测管理。主要监测数据包括燃气锅炉出水温度、回水温度、排烟温度等热工参数；高温系统循环泵、补水泵电压、电流、频率，供回水压力、温度；软化水箱、除氧水箱水位；换热站一、二次供水压力、温度；电动调节阀阀位；二次系统循环泵、补水泵电压、电流、频率等。 5）设备报警联锁功能。包括燃气锅炉排烟温度超高、出水压力超高、燃烧机故障、温度传感器故障报警；水箱液位低限报警；循环泵联锁故障报警；循环泵电流高报警；系统停电报警；网络通信故障报警等。 6）采暖用户室内温度等供暖数据网络发布功能。利用GPRS远传测温仪，自动定时把用户室内温度、供暖管网末端热水温度通过移动通信网络发送到换热站远程监控中心数据服务器，和燃气锅炉供暖数据进行网络发布。远传测温仪带有电源电压、通讯故障报警功能，方便维护并为管理人员及时了解供暖质量提供了便利途径，增加供暖管理手段。 7）生产现场视频圖像实时监视。分别在燃气锅炉间、换热机组间、软化和除氧水处理间生产现场共设置3台带云台控制的摄像机，实时采集现场图像信号，由硬盘录像机通过网络系统上传到监控中心视频服务器，进行生产现场视频图像实时监视。 8）设备运行历史曲线查询功能。系统设置历史曲线查询功能模块，对室外环境温度、用户室内平均温度、燃气锅炉出水目标温度等关键热工参数历史曲线进行查询分析，直接指导设备管理和操作。通过对现场历史运行数据的统计，以曲线的形式表现出来，直观明晰。特别是室外环境温度、用户室内平均温度、燃气锅炉出水目标温度对设备管理和操作有直接的指导意义。 ④主要控制策略的实现。 室外环境温度、住户室内温度平均值、目标温度曲线的控制，是气候补偿系统的核心。因此将室外环境温度、住户室内温度平均值、目标温度曲线信息做好梳理、采集汇总，与程序算法相结合生成目标温度，以目标温度来做到调节燃气锅炉燃气蝶阀和风门开度、调节换热机组电动调节阀开度，达到气候补偿的功能。 ⑤燃气锅炉目标温度的生成过程。1）采集到的采暖用户室内温度实际值和室内温度目标值比较后的差值取反，乘以室内温度调节系数，得出用户对温度的偏移量。2）按照预先设置的不同的室外环境温度和燃气锅炉供水温度目标初值对应关系，室外环境温度变化时得出对应的燃气锅炉供水温度目标初值。3）用户对温度的偏移量与燃气锅炉供水温度目标初值的和就生燃气锅炉目标温度的最终值。不同时刻的室外温度、室内平均温度、燃气锅炉目标温度和实际供水温度曲线。 ⑥换热站目标温度的生成过程。1）采集到的采暖用户室内温度实际平均值和室内温度目标值比较后的差值取反，乘以室内温度调节系数（可调），得出用户对温度的偏移量0.7℃（举例值）。2）按照预先设置的不同的室外环境温度和换热机组二次供水温度目标初值对应关系，室外环境温度变化时得出对应的换热机组二次供水温度目标初值。3）用户对温度的偏移量与换热机组二次供水温度目标初值的和就生成换热机组二次供水目标温度的最终值。 4 应用效果与评价 燃气锅炉运行气候补偿控制系统于2014年12月投入正式运行，经过2014-2015，2016-2016两个供暖期的运行检验，实现预期效果。 4.1 实现气候补偿控制 控制系统引入了室外环境温度、住户室内温度反馈值，通过内部运算，自动修正目标给定值和偏移量，实现了燃气锅炉高温系统和二次供水目标温度实时自动调节。 以下选取了2015年2月13日和23日锅炉运行参数历史曲线图，删除其它参数，只留室外环境温度（线a）、住户室内平均温度（线b）、燃气锅炉运行目标温度（线c）三条历史曲线。 由图中可以分析：三条曲线按照规律变化，室外环境温度和住户室内平均温度每天从中午开始至第二日上午6时左右下降，燃气锅炉运行目标温度自动调节上升；室外环境温度和住户室内平均温度每天从上午6时左右至第二日中午开始上升，燃气锅炉运行目标温度自动调节下降，实现了燃气锅炉运行气候补偿控制。如果再适当调整不同气候温度条件下的供水温度设定值对应表、住户室内温度偏移量比例系数等参数，住户室内平均温度曲线将趋于水平，在合理使用天然气资源的基础上，会达到恒温供暖、增加供暖舒适度的目标。 4.2 无线远传测温仪的开发使用 系统首次选用的住户室内温度检测仪，利用无线GPRS通信技术，只要在移动手机信号覆盖范围内，均可将分散的住户室内温度信号定时无线发送到监控中心，克服了地理位置分散的困难，且后期运行费用低廉，供暖期间五个月内每卡每月10元。 4.3 加强供暖集中管理 可以根据需要随时查询各燃气锅炉的运行数据、运行状态和报警信息，并显示当前未消除的报警信息。数据库服务器存储的历史报警可根据需要按照任意指定的时间段，分类统计并产生EXCEL报表。可以根据需要，按照任意给定的时间段，分项调看数据服务器的存储数据，生成EXCEL表格、曲线图。 4.4 加强对巡检人员的考核管理 巡检人员根据分配的工号，在负责巡检的站点进行设备检查完毕后，需到控制柜操作屏上进行巡检登陆，此项措施大大提高了巡检人员的责任意识，减少了故障发生造成的设备损坏机率，降低了设备维修费用，有效保证了设备的安全经济运行。 4.5 其他推广应用前景 根据燃气锅炉品牌规格不同，燃气锅炉运行气候补偿控制还可以适用于小功率燃气锅炉温度控制，因地制宜地采取以下简单方案：①增加和使用燃气锅炉启炉温度、目标温度和停炉温度等参数分时段设置功能；②只采集室外环境温度，燃气锅炉目标温度参数按照室外环境温度变化自动实时调整。 可在其它燃气锅炉、燃煤锅炉、高铁地源热泵、中央空调、污水提升泵站及自来水二次加压泵站因地制宜的推广运用，为提高铁路房建设备管理提供了推广经验。 5 存在问题和改进方向 ①不同室外环境温度条件下的供水温度对应值、住户室内温度偏移量比例系数等参数需继续积累数据、总结經验。②系统涉及锅炉运行工艺、自动控制、传感器等多领域、多专业技术，使用了服务器、交换机、硬盘刻录机、可编程控制器、一体化温度变送器、压力变送器、磁翻板液位变送器、变频器、电动调节阀、燃烧机程控器、检漏控制器、电磁阀组等，因此需要逐步培训相应的技术人员、配置相应的工具仪器，制定相应的设备调校、维修、保养工艺。③远传测温仪在使用中有电源电压低、通讯故障等问题。 6 结束语 本文针对燃气锅炉运行参数无室内外温度变化反馈、只能人工手动设定等粗放供热等问题，研究通过增加室外环境温度、采暖用户室内温度和供暖管网末端热水温度检测装置和控制算法，使锅炉和换热站目标温度按照室外环境温度和采暖用户室内温度的变化实时自动调整，从而达到降低人员劳动强度，节约使用天然气资源，提高采暖用户室内温度舒适度的目的。初步形成了燃气锅炉运行气候补偿双闭环负反馈自动控制，由粗放供热提升为信息化精细供热，既满足了住户室内温度需求，又达到了燃气锅炉经济运行的节能目标，气候补偿功能初步实现。希望为其他燃气锅炉气候补偿、科学供暖提供参考和借鉴。 参考文献： [1]施帅.住宅小区供热锅炉远程监控系统设计与实现 [J].北京建筑大学学报，2014，30（4）：61-65. [2]高剑.基于PLC和GPRS技术的换热站无线远程控制系统[J].电流系统和工程，2006，3：21-23. [3]邢宁.锅炉房“煤改气”技术规划及节能效益分析[J].现代物业，2010，9（6）：18-20. |
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