水下燃烧天然气加热装置控制系统的设计分析

顾健

（上海南方管道燃气有限公司，上海 201619）

目前在大型气站的换热系统中，基本为锅炉加热水，通过热水循环来换热，能源利用率较低，如何让能源的利用更高效是需要不断研究和考虑的问题。同时PLC 技术的应用深度和广度在不断提高，对工业自动化发展起到了极大的推动作用，虽然取得了较好的应用成效，但在实际应用上，还需要不断的完善和提高。因此在能源的使用中如何结合PLC 控制系统的设计，使其能够达到更高的利用率，在工业发展以及经济建设中发挥其作用，成为行业内广泛关注的问题。

1 项目概述

在中联重科项目中，其具有气量大，压力高等特点，需对进行降压处理后输送到各个终端使用，在对天然气进行降压处理过程中，压力下降1MPa 产生4～5℃的温降[1]，就会出现调压器和管道的结霜冻堵问题，影响天然气的正常供给使用。因此大型气站项目的加热装置是必不可少的，水下燃烧天然气加热装置是一种新型的管道天然气加热装置，采用水下燃烧式水浴加热技术对管道内天然气进行加热，具有负荷可调节性、换热效率高，占地面积小、污染物排放量低等优点。

2 设备结构和工作原理

水下燃烧天然气加热装置结构图如图1 所示。天然气和空气按照一定的比例预混合，进入水下燃烧管内燃烧生成高温烟气，高温烟气在风机的作用下通过烟管上的鼓泡孔直接进入水浴中，水箱中的水在烟气的作用下，在温度上升的同时形成急剧上升的气液两相流，冲刷上方的换热盘管，盘管内流动的低温高压天然气吸收水的热量被加热，换热后的低温烟气通过水箱上部的烟囱排出。

图1 水下燃烧天然气加热装置结构图

加热装置主体为一套带水下燃烧器的水箱盘管加热系统，装置整体主要包括水下天然气燃烧系统、天然气换热盘管系统，水箱防冻电加热系统、数据采集控制系统。

3 系统主要设计要点

3.1 水箱

水箱的材质选用304 不锈钢，内层不锈钢板厚度为5mm。除完成换热功能外，为了减少水箱内热量的流失，水箱四周及底部需要进行保温处理。水箱顶部留有烟囱口、方形观察孔、温度探测点，具有自动补水，排水和防冻功能。

3.2 换热系统

盘管内为需要被加热的高压天然气，整体放置于加热水箱内与水浴进行换热。加热装置水箱内的水采用常规自来水，呈弱酸性。换热盘管规格为Φ34*2.5mm，材质为316L 不锈钢，管束排列方式为叉排，多层布置。为增加换热盘管结构稳定性，补充设计了管束支架。在换热的过程中，利用烟气和水换热过程中烟气对水的搅动作用，强化换热盘管外对流换热效率[2]。

3.3 燃烧系统

对于水下燃烧器来讲，由于燃烧室背压的存在，需要较高的燃气和空气压力，而且在鼓泡过程中水浴液位高度的变化会导致燃烧室的背压随之波动。为了保证在负荷可调节范围内燃烧火焰的稳定性，同时有效减少NOX和CO 的生成量，本加热装置的燃烧器采用鼓风式全预混燃烧器，燃气和空气在鼓风机入口处混合，由空气引射低压燃气，然后在文丘里混合器内混合，最后由鼓风机将混合好的可燃气体送到燃烧器头部，燃烧器头部采用金属纤维燃烧器，实现低氮燃烧，具有耐高温（1100℃）、机械强度大、抗氧化等特点，另外金属纤维的热传导率低，即使金属纤维表面温度极高，未燃烧的可燃气体的温度仍然接近于文丘里混合器内可燃气体的温度，不易发生回火现象。

3.4 数据采集控制系统

数据采集与控制系统主要为数据采集、控制燃烧机运行、显示和输出报警信息、进行远程通信和控制。信号线电缆都采用防爆挠性管连接，控制箱整体防爆。数据采集与控制系统为多参数采集，1 路开关控制输出（给燃烧机），1 路内部报警（声光报警及屏显闪烁），带web 远传，带数据存储。其操控面板包括触屏面板（可存储数据）、电源开关、电源指示灯、旋钮开关、急停开关。加热装置不主动发出信号，所有参数及运行报警信息全部保存在其内部指定位置存储器上，站内控制系统需要通过485 通讯端口实时读取各参数状态，对于发现的报警信息，要及时进行相应处置。

3.5 数据采集控制系统

数据采集与控制系统主要为数据采集、控制燃烧机运行、显示和输出报警信息、进行远程通信和控制。整机控制系统框图如图2 所示，信号线电缆都采用防爆挠性管连接，控制箱整体防爆。数据采集与控制系统为多参数采集，1 路开关控制输出（给燃烧机），1 路内部报警（声光报警及屏显闪烁），带web 远传，带数据存储。其操控面板包括触屏面板（可存储数据）、电源开关、电源指示灯、旋钮开关、急停开关。加热装置不主动发出信号，所有参数及运行报警信息全部保存在其内部指定位置存储器上，站内控制系统需要通过485 通讯端口实时读取各参数状态，对于发现的报警信息，要及时进行相应处置[3]。

图2 整机控制系统框图

4 控制系统设计

4.1 控制系统数据采集汇总统计见表1。

表1 是整个系统需要的采集的一些数据归类。

表1 控制系统数据采集汇总统计

整机控制系统框图如图3 所示。

图3 整机控制系统框图

4.2 控制柜面板设计

液晶触摸屏面板，可储存数据，电源开关，电源指示灯，手动控制按钮，急停开关。所有控制开关均由明确标识。触摸屏显示界面示意图如图4 所示，点击按钮即可控制。

图4 触摸屏显示界面示意图

4.3 燃烧机的通讯控制

燃烧控制器通讯出厂默认参数：通讯接口：RS485；接口形式：板载9 针D 型接口，母口，1+、2-；波特率：19200；通讯格式：1 个起始位，8 个数据位，无校验，2 个停止位；从机地址：1（可更改）；通讯方式：监控主机与本控制器采用一对一（或一对多）主从查询方式；数据协议：MODBUS-RTU；数据格式：标准的MODBUS 协议RTU 方式，16 进制编码，若数字不是一个字节，则高字节在前低字节在后，主从式传输，每一帧有固定的格式，包括几个字节的数据。可读取参数：火力大小、运行状态、故障标志、故障代码、火焰信号。

燃烧机通讯代码含义：

（1）每次通讯必须首先读取40001，然后再读取具体参数。

（2）读取40006，提取高八位，得到PWM 值（0-99），换算为火力大小，后面增加百分号。例如读取高八位为23，即火力大小表示为23%。

（3）读取40009，提取Bit0、Bit1、Bit2，合并得到数值（0-6），即当前运行状态（燃烧机状态）代码，具体代码含义见表2。

表2 燃烧机运行状态代码对照表（40009，Bit0、Bit1、Bit2）

提取Bit12，表示故障标志，1 表示有故障锁定，0 表示正常。如果是1，就提取具体燃烧机故障代码，即Bit8、Bit9、Bit10、Bit11 故障信息，合并得到数值，见表3。

表3 燃烧机故障代码对照表（40009，Bit8、Bit9、Bit10、Bit11）

（4）读取40010，提取Bit8，得到火焰信号，1 表示有火焰信号，0 表示无火焰。

5 系统运行

在整套设备现场安装完毕后，在PLC 中的PID 调试中，需要实现燃烧器的能量输出与管道内流动气体加热所需的能量达到动态平衡，在参数的来来回回的测试中，使得整个平衡趋于稳定，达到系统的整体平衡，现场无需人员操作。在整套设备运行稳定后，整套设备的换热效率达到了94%，实现的能源的高效利用。

6 结论

在城市管网中，每天需要使用的燃气是天文数字，而在燃气的输送中在进入城市管网时需要进行降压处理，在降压过程中会产生压降到时候温度降低结霜解冻等冻堵问题，影响城市管网的稳定，这时就需要海量的加热能量，如何能达到高效的换热是科技人员需要不断需要考虑的问题。在经过多次尝试中完成的一个大胆的水下燃烧加热项目的尝试，效果斐然，避免了在加热过程中大量能源的浪费，使得能量利用率达到新的台阶。这也给燃气门站换热指引了一个新的方向。