有机热载体炉智能化控制与远程监控系统研究


汪琦,张慧芬,俞红啸,汪育佑

(上海热油炉设计开发中心  上海  200042)


摘  要:介绍了热定型机的智能化控制系统,分析了有机热载体炉燃烧调节控制方式,讨论了有机热载体炉燃烧过程中的报警保护系统,研究了有机热载体炉智能化控制系统,通过互联网大数据分析系统可以对印染企业的有机热载体炉及循环供热系统和热定型机的运行数据进行实时采集、分析、诊断、远程操作互动与系统维护,从而可确保生产企业的有机热载体炉及循环供热系统和热定型机的运行操作能够时刻处在最佳工作状态。

关键词:热定型机;有机热载体炉;循环供热系统;智能化控制;远程监控系统


1.前言

印染工艺设备的主要组成部分是轧、洗、烘、蒸等单元机,热风拉幅定型是印染后整理工艺的一道重要工序。棉、毛、丝、麻、化纤等织物浸轧助剂后,经拉幅、烘燥、定型,以达到印染产品的品质要求。自2021年1月份以来印染企业面临能源、原材料、用工、污水处理等费用大幅度上涨的压力,特别是动力煤的供应十分紧缺,购买价格一路上涨,已上涨到1400~1600元/吨,最高达到1800元/吨以上。

浙江省绍兴市的蒸汽价格从2021年6月份以来到目前9月份已上涨了31元/吨,涨幅为19.8%,宁波市的蒸汽价格从2021年1月份200元/吨上涨至目前9月份的最高达到340元/吨;天然气(计划外气)涨幅为50%以上,污水处理费用涨幅为50%左右,员工工资平均上涨6%;染化料价格平均上涨30%左右,最高达到60%以上。

另外,在电力供应紧张背景下,全国各地发布限电通知,大部分地区则将重点放在生产企业上,部分企业错峰生产或者停产,在2021年10月份浙江省电网电价再次部分上调,印染企业面临各项成本大幅上涨、有序用电缩减产能的双重压力,因此印染行业遭遇的新挑战,却也是顺应了纺织印染行业发展出现的新趋势。

所以,采用高效节能型热定型机的智能化控制系统,就是为织物拉幅定型工艺提供先进的控制技术,并可与市场上最流行的中央控制系统兼容连接。高效节能型的热定型机采用先进的节能控制系统,更加容易操作,并且进一步实现低碳排放,减少能源消耗和降低运行成本,从而提高了印染生产效率,并优化了节能减排效果。

智能化控制系统可以对有机热载体炉在启动和燃烧过程中能够时刻处于监控状态,即在这一过程中,智能化控制系统将对燃烧过程中可能出现的运行参数超限、燃烧设备部件的故障、以及有机热载体炉的运行故障进行监控。如果发生不正常的状况,智能化控制系统将发出声光报警,程序控制器将会执行某种动作保护,甚至执行停止炉子燃烧运行的安全保护。

对于燃煤有机热载体炉的燃烧过程中,主要是对炉膛温度进行监控;而对燃油或燃气有机热载体炉,则需要对燃烧启动、燃烧器点火以及燃烧运行等整个过程进行监控。当发生点火失败或燃烧过程中熄火等状况,智能化控制系统将迅速发出声光报警,同时执行停止运行的安全保护。另外,当燃气有机热载体炉发生燃气阀门泄漏、燃气压力过高或者过低时,智能化控制系统也将会发出声光报警,同时执行停止炉子生产运行的安全保护。

随着互联网以及大数据分析服务系统的发展,有机热载体炉及循环供热系统和热定型机智能化控制可以更加有效的减少人工管理工作量,同时提高有机热载体炉及循环供热系统和热定型机运行的稳定性及合理性。有机热载体炉及循环供热系统和热定型机的远程监测与监控,将会为印染企业生产运行的安全、稳定、节能、环保提供数据支撑和优化改进,并且保证生产运行操作能够时刻处在最佳工作状态。

2.有机热载体炉燃烧调节控制系统

有机热载体炉燃烧调节控制系统是根据印染热定型机烘箱内的热量需求自动调节导热油的输出温度及供应热量,输出的导热油温度是衡量输出热能供求关系是否达到平衡的重要指标,导热油输出温度过高或者过低对于有机热载体炉和热定型机都是不好的。

导热油温度过高会加速导热油的氧化和碳化,而导热油温度过低就满足不了热定型机所需的热能和对于印染定型生产温度所需的要求。在有机热载体炉的正常运行过程中,输出的导热油温度降低,说明热定型机消耗热能大于有机热载体炉所产生的热能;而输出的导热油温度升高,则说明热定型机消耗热能小于有机热载体炉所产生的热能。此时就需要根据热定型机实际使用热量的情况,对有机热载体炉的燃烧负荷进行调整。

因此,智能化控制调节导热油输出温度是保持热定型机生产正常运行的需要,也是保证有机热载体炉燃烧正常运行的需要,更是为了保障有机热载体炉的安全稳定运行的节能环保需要。

有机热载体炉的燃烧负荷调节通常是采用对燃料输入量的调节,对燃煤有机热载体炉燃料量的调节是通过改变炉排移动速度来完成的;而对燃油或燃气有机热载体炉燃料量的调节是通过调整调节阀的开度来完成;对于电加热有机热载体炉则是通过电加热元件投入量来进行调节。

为了保证安全经济合理的燃烧,对燃煤、燃油、燃气有机热载体炉,在调节燃料量的同时必须对燃烧所需的空气量进行调节;而要使得有机热载体炉燃烧处于最佳的运行工况,同时为了提高燃烧的热效率,必须使得空气和燃料维持在比较适当的比例[1];并将烟气的含氧量控制在一定的理想水平,这就需要对燃烧系统进行快速和精确地自动调节,以确保燃料和空气达到最佳比例;否则将会降低燃烧的热效率,并造成大气环境污染。

在有机热载体炉燃烧调节控制系统设计开发时,燃煤有机热载体炉通常采用微负压运行,即在运行时炉膛必须保持一定的微负压;而燃油或燃气有机热载体炉通常采用微正压运行,即在运行时炉膛必须保持一定的微正压;这就需要有机热载体炉燃烧控制系统对炉膛内的压力进行自动控制。有机热载体炉的燃烧调节控制方式一般有如下的三种方式:

(1)位式调节控制方式

燃煤有机热载体炉的燃烧调节方法是:对燃煤量供应主要是调节炉排速度,对助燃空气量主要是调节鼓风机和引风机的风量。根据供热负荷的变化,调节燃煤量和空气量、以及两者的比例是燃烧调节关键方法。对于小型燃煤有机热载体炉,燃烧控制方式一般是采用分段式调节,即是位式调节控制方式,燃烧控制系统采用停炉、启动运行的方式,或者根据供热负荷大小来分段控制炉排运行速度,以及鼓风机、引风机转速的方法,这种调节方式的调节精度比较差、被控参数波动也比较大。

而对于大型、中型燃煤有机热载体炉,燃烧控制方式是采用连续调节方式,即燃烧控制系统根据供热负荷变化来改变炉排运行速度,并调整鼓风门、引风门的开启大小;炉排运行速度一般采用无级变速控制,鼓风机、引风机的控制采用调节风门的方法。

随着电动机变频控制技术的提高和普及,炉排、鼓风机、引风机采用电机变频控制也越来越多,这样就为燃烧连续调节控制提供了良好的基础。当然目前所使用的燃煤有机热载体炉中,燃烧位式调节控制方式仍然占有较大的比例。其配套的炉排采用多级变速电机与多级变速箱控制,鼓风机、引风机采用多级变速电机或单速电机控制方法。

(2)连续调节控制方式

燃烧控制中温度主调节回路是通过系统检测导热油输出温度的大小,与温度设定值进行比较,其偏差在调节器进行PID运算,运算信号输出到控制炉排电机转速的变频器内,同时该信号又与烟气氧量传感器信号和氧量设定值比较差值构成副调节回路,在调节器进行PID运算后,输出到控制鼓风电机转速的变频器内,这样两个回路就构成了燃烧调节控制方式。

燃烧控制系统除了温度主调节回路和氧量副调节回路之外,还有炉膛负压调节回路。保持炉膛负压的主要目的是保证操作人员安全以及避免环境污染。如果炉膛内正压燃烧而且压力较大,炉火将会从观察孔内冒出,从而危害操作人员的人身安全,同时造成环境污染;但是如果炉膛内负压太大,随着引风机排出的流失热能将会增大,从而不利于经济合理的燃烧。

因此,燃烧控制系统将炉膛负压控制在-5Pa~-20Pa范围内,并且炉膛负压控制是通过压力传感器检测出炉膛压力,并与设定的炉膛负压进行比较,其偏差在调节器进行PID运算后,运算信号输出到控制引风电机转速的变频器,从而将炉膛内压力控制在所要求的范围内。

燃油或燃气有机热载体炉的燃烧调节控制是取决于燃烧器的选用形式,即是位式调节控制燃烧器或比例调节燃烧器[2]。通常对于小型燃油或燃气有机热载体炉,所采用的燃烧器一般是分段式控制的位式调节控制燃烧器;对于大型、中型燃油或燃气有机热载体炉,则往往采用连续调节方式控制的比例调节燃烧器。

(3)电子调节控制方式

电子调节燃烧控制系统组件中包含了多个电动执行器,其中的燃料量、一次风、二次风都可以分别由独立的电动执行器带动运行。因此,燃烧控制器即为一套多输入、多输出变量的调节控制系统。

电子调节燃烧控制是一套微调节系统,控制系统运行时,除了根据导热油出口温度的大小数值作为被需要控制调节的参数,并且作为主调节回路控制燃烧负荷之外,还需要设立烟气分析系统的副调节回路,以便能够精确测量烟气含氧量,并将这些量化的数据反馈回微调节控制系统[3],从而电子调节控制系统根据这些数据通过一定的算法,就可以精确控制燃料量与空气量的比例,并可提高有机热载体炉的热效率,使得有机热载体炉的燃烧达到最优化,从而减少有害气体排放,并且保护大气环境,实现节能减排效果。

3.有机热载体炉燃烧过程中的报警保护系统

燃煤有机热载体炉在燃烧过程中,控制系统对炉膛内部的温度进行监控。当炉膛内发生异常超温现象时,表明炉膛内出现严重结焦烧坏的现象,应立即发出声光报警信号,甚至可采取停炉保护措施。而当炉膛内的炉管发生爆裂后,炉管内的导热油会泄漏到炉膛中引起燃烧事故[4],这样不仅会导致炉膛内温度的异常升高,还会引起炉膛内的不正常爆燃现象。此时不仅需要立即执行停炉保护措施,还应采取相应的灭火措施。

因此,在燃煤有机热载体炉的炉膛顶部一般都要配备有蒸汽灭火喷头,在停止鼓风机、引风机、炉排运行的同时,需要立刻打开蒸汽阀门,向炉膛内部喷射蒸汽进行灭火措施。

由于燃油或燃气有机热载体炉的燃料易燃、易爆的性质,决定了在整个燃烧过程中必须按照一定的程序运行。即整个燃烧过程要经历:炉膛前吹扫、燃烧点火、燃烧、燃烧停止、炉膛后吹扫等过程,通常这些过程是由燃烧程序控制控器来完成,常用的燃油或燃气程序控制器的形式目前有三种:机械式程序控制器、电子式程序控制器、可编程式程序控制器。

但无论何种形式的燃烧程序控制器,其运行过程大致有六个步骤:准备阶段程序、炉膛前吹扫程序、点火程序、火焰监测程序、自动调节投入程序、炉膛后吹扫程序。

对于燃气有机热载体炉,在上述的燃烧程序控制运行之前或在前吹扫程序运行期间,有燃气阀门检漏装置对燃气电磁阀组进行检漏;若发生阀门泄漏,则程序控制器锁定报警,防止有机热载体炉发生爆炸事故。目前常用的阀门检漏系统,可根据其工作原理分为程序式和增压式两种形式。

对于燃气有机热载体炉,考虑到安全可靠点火和安全稳定燃烧,一般在燃气阀门组前安装设置了压力开关,并且压力开关设置燃气压力上限和下限,并将压力开关触点作为燃烧条件。启动时,燃气压力超过上限或低于下限,控制系统将给出报警信号、并停止程序运行;燃烧运行时,燃气压力超过上限或低于下限,燃烧器在安全时间内会自动切断燃气供应,并且整个系统会安全停止有机热载体炉运行。

对于燃烧重油有机热载体炉,为了保证重油的流动性和保证良好的雾化,需要通过提高温度来降低重油粘度。因为如果重油温度过低,达不到燃烧器要求的雾化粘度时,则雾化不好的时候会出现冒黑烟的现象,燃烧效率也会相应降低,从而导致重油燃烧时空气过剩系数增加,热损失会增大,燃料消耗也会增加;但是如果重油温度过高,反而会导致重油的汽化和结碳,从而带来不安全的因素。

因此,燃重油有机热载体炉通常需要采用电加热方式或蒸汽加热方式来预先加热重油,而在重油加热器上设有温度传感器或温度开关。当温度到达设定点时,温度控制器或温度开关就会切断电加热电源或蒸汽加热源,从而达到控制温度的目的;但如果对于控制精度要求不高,则一般采用温度控制方式就能达到重油加热的要求。

4.有机热载体炉智能化控制与远程监控系统

有机热载体炉智能化控制技术的发展方向是:高可靠性、全自动、数据在线远程监控、友好的人性化人机界面等诸多先进技术,利用智能仪表、触摸屏、可编程逻辑控制器(PLC)以及通信控制技术,从而实现对有机热载体炉及循环供热系统运行的智能化控制与远程监控运行[5],并可减轻人工手动的工作量,进而提高有机热载体炉及循环供热系统的运行效率。

有机热载体炉的自动控制系统与上位控制计算机通过网络连接,由上位计算机配备图形显示技术、大容量存储设备以及打印设备构成的操作智能控制系统,采集有机热载体炉燃烧工况的数据、导热油流动工况的数据,并将这些数据传输给控制中心,对有机热载体炉的运行状态进行远程监控;而且采集有机热载体炉控制系统上传数据,监测与分析和管理数据信息;同时根据控制管理中心的要求下达命令,改变运行设置参数。显示与记录历史数据和故障信息,查找故障原因。

可编程逻辑控制器(PLC)由于I/O接口模块丰富,对于目前工业控制场合所使用到的一次仪表、传感器、变送器以及执行机构都能找到相对应接口模块,同时它又具有强大的数据处理运算功能。所以,在有机热载体炉的PLC+PC控制系统中,PLC主要担负着数据采集、数据分析运算以及数据输出,控制设备、执行机构运行的功能。同时PLC通过通讯口与上位工业控制计算机连接,上位工控机将PLC传送来的数据信息,通过用组态软件组态将控制系统设备模拟显示在屏幕上。

在工控机的屏幕上可以逼真地动态显示有机热载体炉燃烧运行状态,例如:燃烧火焰、燃烧器风机运行、导热油在炉管内流动等。PLC采集到的经过运算处理数据实时显示在屏障上。同时工控机会充分发挥存储设备庞大容量的优势,将PLC传送过来的数据存储,建立历史数据库。

它不仅可以定时采样储存历史数据,也可随机储存控制系统给出的有机热载体炉故障报警信息。记录它发生的时间、故障类型、故障消除时间等;并在屏幕上显示报警提示、显示报警点位置,以便及时发现解决[6]

通过有机热载体炉及循环供热系统的远程监测与监控系统,可在智能手机、平板电脑、远端工作站等智能终端监测和监视有机热载体炉及循环供热系统运行的实时状态,支持有机热载体炉的过去运行数据和以前记录报表的查看与导出,并进行有机热载体炉及循环供热系统和热定型机的管理评估、远程监控、数据分析,为有机热载体炉和热定型机生产运行的安全、稳定、节能、环保提供大数据支撑。

为了达到有机热载体炉和热定型机的节能降耗,实现热量的供需平衡,避免有机热载体炉和热定型机运行过程中产出过多的热量造成浪费、以及供应热量过低满足不了热定型机的用热需求,可通过建立有机热载体炉及各个循环供热回路和热定型机的联动控制系统,将有机热载体炉及各个循环供热回路和热定型机的现场仪表、测量的现场数据通过互联网传送到控制中心监控站,由控制中心监控站根据这些实际测得的热负荷参数算出热定型机所需的总热量,再通过互联网传送给有机热载体炉的监控站,有机热载体炉的监控站会根据热负荷需求,自动调节有机热载体炉的实际热负荷输出的总热量,从而达到按照印染企业生产的实际需求进行供热,进而实现节能降耗的目的。

5.互联网大数据云平台

建立互联网大数据云平台,利用不断发展的互联网技术,将有机热载体炉的开车调试、运行操作、维护管理从过去的固定设备、固定地点、固定人员,扩展到任何网络覆盖场所、所有被授权人员、各类可上网设备。

通过互联网大数据云平台,可在远离有机热载体炉和热定型机的地点,进行实时显示、监控、操作、维护有机热载体炉及循环供热系统和热定型机,还可下载、存储、分析、优化有机热载体炉及循环供热系统和热定型机的运行参数,从而可以优化有机热载体炉和热定型机的运行调试、生产管理、维护保养,提高有机热载体炉的热效率和节能减排效果。

通过互联网大数据云平台,与有机热载体炉及循环供热系统和热定型机进行联网,与印染企业的终端模块数据无线传输,全天候24小时在线监测服务,以确保有机热载体炉及循环供热系统和热定型机的运行处于最佳状态。

根据有机热载体炉及循环供热系统和热定型机的安全运行参数,自动计算运行的效率和能耗,帮助印染企业设定其最佳的运行状态。并且根据热定型机生产加工使用温度的变化情况,通过温度补偿程序自动跟踪,以确保有机热载体炉及循环供热系统自动调节至节能减排的最佳运行模式。

有机热载体炉控制中心的云平台能够实时观察到有机热载体炉及循环供热系统和热定型机的运行状态,通过互联网实现远程互动,并根据印染企业的实时请求,有针对性地对有机热载体炉及循环供热系统和热定型机的运行工况数据进行专家诊断,实行远程操作互动。

无论何时何地,经过许可授权的印染企业负责人,就可随时通过互联网访问有机热载体炉控制中心的云平台,查阅和备案有机热载体炉及循环供热系统和热定型机的运行状态、导热油在生产使用过程中的变质情况,并进行有效监测与监控,从而防止事故的发生。另外,根据大数据的分析,实时指导印染企业的运行操作步骤,降低发生导热油局部过热现象,从而防止出现导热油结焦积垢的概率。

有机热载体炉控制中心的云平台必须设置安全防护,防止被恶意攻击或截获,且还需要配备防火墙,严格限制操作权限,避免数据被非授权修改或误操作。对于远程操作行为,都应由印染企业端发起或得到印染企业的授权许可,而且还要在有机热载体炉控制中心的云平台上保留记录。

6.结束语

高效节能型的热定型机各节烘箱内温度分布均匀,而且在最后一节烘箱的织物出口处安置一个温度传感器,通过检测温度变化来降低排气的风扇马达速度,从而避免过多的冷空气进入烘箱。

另外,通过安装在入口轨道上的光电传感器,进而实现对热定型机排出废气的控制操作。当控制系统检测到热定型机轧导上针处无织物时,控制系统将会降低循环风机和排风机的转速,并通过控制排风机转速,避免不必要的能源浪费,从而达到节能降耗的目的。

热定型机智能化控制系统的操作台采用触摸屏控制和PLC可编程逻辑控制,能全自动地控制完成整个定型工艺,人机对话的中文操作版面能使操作人员轻松控制工艺流程;并且拥有功能强大的菜单系统,配有ERP接口,工艺记忆储存功能,配套消防自动灭火系统、面料密度自动检测系统等能自动记录全部工艺参数以及储存工艺处方,从而减轻了操作工作负荷;而且还能确保各种不同的整理工序的重演性,进而降低企业生产成本,提高了印染生产效率。

对于燃煤有机热载体炉燃烧调节的智能化控制目标是:在保证炉子的导热油出口温度稳定的前提下,根据热负荷变化实现其按需供应煤燃料,同时要优化鼓风量,把鼓风量与煤炭量的比例控制好。对于链条炉排型燃煤有机热载体炉,空气过剩系数应控制在1.3~1.8之间,燃烧效率则会为最高,相对应的烟气含氧率约在5%~9%之间,该区间既能保证煤燃料充分燃尽,又不会让排烟热损失太多。

而对于燃油或燃气有机热载体炉,整个燃烧过程是由燃烧程序控制器来执行和完成的,并按照一定的程序运行,通过调节空气量和燃油或燃气输入阀门的开关及相应的开度来控制有机热载体炉的燃烧过程。

通过计算机智能化控制系统可以实时跟踪有机热载体炉的热负荷变化,让有机热载体炉每时每刻保持最佳空气/燃料的比例,同时合理控制有机热载体炉的出口烟气含氧量,有效地降低炉子的排烟热损失和不完全燃烧热损失,从而能够及时与平稳地调整有机热载体炉的热负荷,并且维持有机热载体炉的导热油出口温度稳定,有效地提高有机热载体炉的运行效率和节能降耗指标。

通过互联网大数据云平台,建立安装纺织印染企业终端模块,对印染企业的有机热载体炉及循环供热系统和热定型机进行实时、连续、动态、全面的24小时在线监测服务,通过大数据云平台的服务系统,可以对印染企业的运行数据进行实时采集、分析、诊断和系统维护,并进行专家诊断和远程操作互动,使得印染企业的有机热载体炉及循环供热系统和热定型机每时每刻都处在最佳的运行状态,从而可达到有机热载体炉的热量供给与热定型机实际使用热量需求的动态平衡,进而完成印染企业的能源降耗与节能减排的目标。

 

参考文献:

[1]汪琦,汪萍.载热体加热炉燃烧过程的研究[J].化工装备技术,1997,18(6):7-12.

[2]汪琦,张慧芬,俞红啸等.燃天然气导热油炉的设计开发[J].工业炉,2019,41(2):41-45.

[3]汪琦,俞红啸,蒋伟忠等.载热体加热炉计算机控制技术[J].化工装备技术,2012,33(2):49-51.

[4]汪琦,俞红啸,张慧芬等.导热油炉和供热系统的泄漏原因及处置方法[J].工业炉,2017,39(3):39-41.

[5]汪琦,俞红啸,张慧芬.热载体加热炉结构与供热循环系统智能化控制的应用研究[J].化工装备技术,2016,37(2):27-33.

[6]汪琦,俞红啸,张慧芬等.导热油循环供热系统的自动控制技术研究[J].上海化工,2017,42(3):36-39.

 

作者简介:

汪琦,硕士,高级工程师,长期从事于热载体加热技术、新能源技术、节能减排技术、热油炉、热风炉、热水炉、熔盐炉、道生炉、焚烧炉、生物质气化炉的研究设计开发工作。

手  机:13311629783    13817605032

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