顧健

（上海南方管道燃?xì)庥邢薰?，上?201619）

目前在大型氣站的換熱系統(tǒng)中，基本為鍋爐加熱水，通過熱水循環(huán)來換熱，能源利用率較低，如何讓能源的利用更高效是需要不斷研究和考慮的問題。同時PLC 技術(shù)的應(yīng)用深度和廣度在不斷提高，對工業(yè)自動化發(fā)展起到了極大的推動作用，雖然取得了較好的應(yīng)用成效，但在實際應(yīng)用上，還需要不斷的完善和提高。因此在能源的使用中如何結(jié)合PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計，使其能夠達(dá)到更高的利用率，在工業(yè)發(fā)展以及經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮其作用，成為行業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注的問題。

1 項目概述

在中聯(lián)重科項目中，其具有氣量大，壓力高等特點(diǎn)，需對進(jìn)行降壓處理后輸送到各個終端使用，在對天然氣進(jìn)行降壓處理過程中，壓力下降1MPa 產(chǎn)生4～5℃的溫降[1]，就會出現(xiàn)調(diào)壓器和管道的結(jié)霜凍堵問題，影響天然氣的正常供給使用。因此大型氣站項目的加熱裝置是必不可少的，水下燃燒天然氣加熱裝置是一種新型的管道天然氣加熱裝置，采用水下燃燒式水浴加熱技術(shù)對管道內(nèi)天然氣進(jìn)行加熱，具有負(fù)荷可調(diào)節(jié)性、換熱效率高，占地面積小、污染物排放量低等優(yōu)點(diǎn)。

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作原理

水下燃燒天然氣加熱裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。天然氣和空氣按照一定的比例預(yù)混合，進(jìn)入水下燃燒管內(nèi)燃燒生成高溫?zé)煔?，高溫?zé)煔庠陲L(fēng)機(jī)的作用下通過煙管上的鼓泡孔直接進(jìn)入水浴中，水箱中的水在煙氣的作用下，在溫度上升的同時形成急劇上升的氣液兩相流，沖刷上方的換熱盤管，盤管內(nèi)流動的低溫高壓天然氣吸收水的熱量被加熱，換熱后的低溫?zé)煔馔ㄟ^水箱上部的煙囪排出。

圖1 水下燃燒天然氣加熱裝置結(jié)構(gòu)圖

加熱裝置主體為一套帶水下燃燒器的水箱盤管加熱系統(tǒng)，裝置整體主要包括水下天然氣燃燒系統(tǒng)、天然氣換熱盤管系統(tǒng)，水箱防凍電加熱系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)主要設(shè)計要點(diǎn)

3.1 水箱

水箱的材質(zhì)選用304 不銹鋼，內(nèi)層不銹鋼板厚度為5mm。除完成換熱功能外，為了減少水箱內(nèi)熱量的流失，水箱四周及底部需要進(jìn)行保溫處理。水箱頂部留有煙囪口、方形觀察孔、溫度探測點(diǎn)，具有自動補(bǔ)水，排水和防凍功能。

3.2 換熱系統(tǒng)

盤管內(nèi)為需要被加熱的高壓天然氣，整體放置于加熱水箱內(nèi)與水浴進(jìn)行換熱。加熱裝置水箱內(nèi)的水采用常規(guī)自來水，呈弱酸性。換熱盤管規(guī)格為Φ34*2.5mm，材質(zhì)為316L 不銹鋼，管束排列方式為叉排，多層布置。為增加換熱盤管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，補(bǔ)充設(shè)計了管束支架。在換熱的過程中，利用煙氣和水換熱過程中煙氣對水的攪動作用，強(qiáng)化換熱盤管外對流換熱效率[2]。

3.3 燃燒系統(tǒng)

對于水下燃燒器來講，由于燃燒室背壓的存在，需要較高的燃?xì)夂涂諝鈮毫?，而且在鼓泡過程中水浴液位高度的變化會導(dǎo)致燃燒室的背壓隨之波動。為了保證在負(fù)荷可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)燃燒火焰的穩(wěn)定性，同時有效減少NOX和CO 的生成量，本加熱裝置的燃燒器采用鼓風(fēng)式全預(yù)混燃燒器，燃?xì)夂涂諝庠诠娘L(fēng)機(jī)入口處混合，由空氣引射低壓燃?xì)?，然后在文丘里混合器?nèi)混合，最后由鼓風(fēng)機(jī)將混合好的可燃?xì)怏w送到燃燒器頭部，燃燒器頭部采用金屬纖維燃燒器，實現(xiàn)低氮燃燒，具有耐高溫（1100℃）、機(jī)械強(qiáng)度大、抗氧化等特點(diǎn)，另外金屬纖維的熱傳導(dǎo)率低，即使金屬纖維表面溫度極高，未燃燒的可燃?xì)怏w的溫度仍然接近于文丘里混合器內(nèi)可燃?xì)怏w的溫度，不易發(fā)生回火現(xiàn)象。

3.4 數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)主要為數(shù)據(jù)采集、控制燃燒機(jī)運(yùn)行、顯示和輸出報警信息、進(jìn)行遠(yuǎn)程通信和控制。信號線電纜都采用防爆撓性管連接，控制箱整體防爆。數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)為多參數(shù)采集，1 路開關(guān)控制輸出（給燃燒機(jī)），1 路內(nèi)部報警（聲光報警及屏顯閃爍），帶web 遠(yuǎn)傳，帶數(shù)據(jù)存儲。其操控面板包括觸屏面板（可存儲數(shù)據(jù)）、電源開關(guān)、電源指示燈、旋鈕開關(guān)、急停開關(guān)。加熱裝置不主動發(fā)出信號，所有參數(shù)及運(yùn)行報警信息全部保存在其內(nèi)部指定位置存儲器上，站內(nèi)控制系統(tǒng)需要通過485 通訊端口實時讀取各參數(shù)狀態(tài)，對于發(fā)現(xiàn)的報警信息，要及時進(jìn)行相應(yīng)處置。

3.5 數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)主要為數(shù)據(jù)采集、控制燃燒機(jī)運(yùn)行、顯示和輸出報警信息、進(jìn)行遠(yuǎn)程通信和控制。整機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖2 所示，信號線電纜都采用防爆撓性管連接，控制箱整體防爆。數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)為多參數(shù)采集，1 路開關(guān)控制輸出（給燃燒機(jī)），1 路內(nèi)部報警（聲光報警及屏顯閃爍），帶web 遠(yuǎn)傳，帶數(shù)據(jù)存儲。其操控面板包括觸屏面板（可存儲數(shù)據(jù)）、電源開關(guān)、電源指示燈、旋鈕開關(guān)、急停開關(guān)。加熱裝置不主動發(fā)出信號，所有參數(shù)及運(yùn)行報警信息全部保存在其內(nèi)部指定位置存儲器上，站內(nèi)控制系統(tǒng)需要通過485 通訊端口實時讀取各參數(shù)狀態(tài)，對于發(fā)現(xiàn)的報警信息，要及時進(jìn)行相應(yīng)處置[3]。

圖2 整機(jī)控制系統(tǒng)框圖

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集匯總統(tǒng)計見表1。

表1 是整個系統(tǒng)需要的采集的一些數(shù)據(jù)歸類。

表1 控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集匯總統(tǒng)計

整機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

圖3 整機(jī)控制系統(tǒng)框圖

4.2 控制柜面板設(shè)計

液晶觸摸屏面板，可儲存數(shù)據(jù)，電源開關(guān)，電源指示燈，手動控制按鈕，急停開關(guān)。所有控制開關(guān)均由明確標(biāo)識。觸摸屏顯示界面示意圖如圖4 所示，點(diǎn)擊按鈕即可控制。

圖4 觸摸屏顯示界面示意圖

4.3 燃燒機(jī)的通訊控制

燃燒控制器通訊出廠默認(rèn)參數(shù)：通訊接口：RS485；接口形式：板載9 針D 型接口，母口，1+、2-；波特率：19200；通訊格式：1 個起始位，8 個數(shù)據(jù)位，無校驗，2 個停止位；從機(jī)地址：1（可更改）；通訊方式：監(jiān)控主機(jī)與本控制器采用一對一（或一對多）主從查詢方式；數(shù)據(jù)協(xié)議：MODBUS-RTU；數(shù)據(jù)格式：標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS 協(xié)議RTU 方式，16 進(jìn)制編碼，若數(shù)字不是一個字節(jié)，則高字節(jié)在前低字節(jié)在后，主從式傳輸，每一幀有固定的格式，包括幾個字節(jié)的數(shù)據(jù)?？勺x取參數(shù)：火力大小、運(yùn)行狀態(tài)、故障標(biāo)志、故障代碼、火焰信號。

燃燒機(jī)通訊代碼含義：

（1）每次通訊必須首先讀取40001，然后再讀取具體參數(shù)。

（2）讀取40006，提取高八位，得到PWM 值（0-99），換算為火力大小，后面增加百分號。例如讀取高八位為23，即火力大小表示為23%。

（3）讀取40009，提取Bit0、Bit1、Bit2，合并得到數(shù)值（0-6），即當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)（燃燒機(jī)狀態(tài)）代碼，具體代碼含義見表2。

表2 燃燒機(jī)運(yùn)行狀態(tài)代碼對照表（40009，Bit0、Bit1、Bit2）

提取Bit12，表示故障標(biāo)志，1 表示有故障鎖定，0 表示正常。如果是1，就提取具體燃燒機(jī)故障代碼，即Bit8、Bit9、Bit10、Bit11 故障信息，合并得到數(shù)值，見表3。

表3 燃燒機(jī)故障代碼對照表（40009，Bit8、Bit9、Bit10、Bit11）

（4）讀取40010，提取Bit8，得到火焰信號，1 表示有火焰信號，0 表示無火焰。

5 系統(tǒng)運(yùn)行

在整套設(shè)備現(xiàn)場安裝完畢后，在PLC 中的PID 調(diào)試中，需要實現(xiàn)燃燒器的能量輸出與管道內(nèi)流動氣體加熱所需的能量達(dá)到動態(tài)平衡，在參數(shù)的來來回回的測試中，使得整個平衡趨于穩(wěn)定，達(dá)到系統(tǒng)的整體平衡，現(xiàn)場無需人員操作。在整套設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后，整套設(shè)備的換熱效率達(dá)到了94%，實現(xiàn)的能源的高效利用。

6 結(jié)論

在城市管網(wǎng)中，每天需要使用的燃?xì)馐翘煳臄?shù)字，而在燃?xì)獾妮斔椭性谶M(jìn)入城市管網(wǎng)時需要進(jìn)行降壓處理，在降壓過程中會產(chǎn)生壓降到時候溫度降低結(jié)霜解凍等凍堵問題，影響城市管網(wǎng)的穩(wěn)定，這時就需要海量的加熱能量，如何能達(dá)到高效的換熱是科技人員需要不斷需要考慮的問題。在經(jīng)過多次嘗試中完成的一個大膽的水下燃燒加熱項目的嘗試，效果斐然，避免了在加熱過程中大量能源的浪費(fèi)，使得能量利用率達(dá)到新的臺階。這也給燃?xì)忾T站換熱指引了一個新的方向。