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摘要：
北京雁栖开发区东站锅炉房项目中，自动控制系统使整个锅炉的运行、生产、管理实现了自动化、数据化，燃烧系统、汽水系统的运行达到初期的工艺设计要求；但从运行产出成本分析，蒸汽成本高达280元/吨；根据对现有运行工艺、设备折损、自控投入、人员管理等几个角度进行深入分析后，制定从凝结水工藝改造进行技术改造和配套控制方案。技改后，凝结水带来的热量使锅炉水系统的除氧自耗蒸汽大大降低，特别是冬季供暖时、供暖凝结水的回收，使蒸汽成本降到195-210元/吨。
关键词：自动控制、凝结水工艺、技术改造、运行成本
中图分类号： F407 文献标识码： A
一、项目背景
1、案例概况
雁栖开发区新建2台20吨和2台45吨锅炉房，属区内基础设施项目，为区内红牛、王老吉等200多家食品、石油、建材企业提供生产用饱和蒸汽，冬季兼顾企业厂房供暖，用户使用生产蒸汽压力范围精度高0.80至0.95MPa；否则影响用户的坯料和局部停工。用户负荷不稳，个别企业用汽不稳定；对于锅炉房负荷而言，变化率有时超过30%。
通过对北京雁栖开发区东站锅炉的3年运行历史数据分析，即使在自控运行的前提下，锅炉房的运行成本比较高，企业一直亏损。目前业界关于锅炉房的运营降低有变频设备节能、太阳能利用节能、富氧燃烧、真空除氧、树脂除氧等新设备、新工艺。当然这些措施也要根据不同的情况加以使用，分析东站锅炉房后，常规节能手段均已实用，但蒸汽使用后的凝结水却没有使用，白白浪费；不同企业用汽工艺不一样，间供凝结水水质符合锅炉水要求，直供工艺凝结水水质不符合锅炉水要求，其中含大量悬浮物、渣质、铁离子，只需通过除污、除铁工艺的投入，即可充分利用；凝结水的温度高达78-90℃；凝结水的流量在35-60吨/时，大量的热量使用减少除氧的自耗蒸汽量，间接提高了蒸汽有效利用率。工艺确定后，配套的自控工艺在原有的自控工艺上进行修改，确保自动化运行。
蒸汽生产成本的降低使企业成功实现了盈利。本方案中的节能措施在各地工业开发区具有推广作用；当然实施时需对工艺对象进行详细分析后，选择适合本地区的节能方案。
2、工艺和自控系统
锅炉房的锅炉的4台链条燃煤蒸汽锅炉，2台20吨和2台45吨；锅炉供水采用母管定压供水，水系统采用高位热力除氧和常温软化水方式。除氧器投入台数是根据当前用汽量进行自动确定。除氧器保证进锅炉的水除氧效果必须满足国标要求即溶解氧<0.1mg/L。供汽母管方式至分汽缸后，主管道分汽至各用户，分汽缸压力控制在0.88MPa。
图1-1汽水工艺图
锅炉自控系统的投入，降低了操作人员的工作强度，提高了生产的自动化程度，控制系统设计遵循安全、可靠、经济的原则，系统选型采用了S7-300PLC系列产品、ABB ACS510变频器、威尔泰变送器为主的控制设备、执行结构、监测仪表。PLC控制设计时按控制单元化、风险分散化方针进行，以锅炉、公用系统为单位进行PLC布置，锅炉PLC控制之间互不影响。
图1-2系统结构图
控制方案采用自学习燃烧控制，变定值恒压控制等多种样式的PID回路，整个项目PID控制回路多达34个。
表1-1 控制回路统计：
3、成本分析
投产3年来，运行、管理均达到了项目设计的要求；但是运营成本较高，从历史数据分析后有下列原因：
1）除氧器的自耗蒸汽高；
除氧器的自耗蒸汽达到锅炉产汽量的15-17%，这是由除氧器的工作原理决定的，除氧水温度需达到104℃，才能保证除氧效果；软化水箱温度为常温20℃左右；加热到目标值主要靠锅炉蒸汽。
2）燃煤原料的热值不稳定；
煤进料的批次不同，热值也有变化；原有的燃烧经验参数需要重新积累，这期间的燃烧效果不好，也带来电耗的增加。
3）企业的人员结构庞大；
锅炉房人员一线生产工人分4班倒班运行，每班 7人，分别负责司炉、水化验、上煤、电工维护专业。但管理人员达24人，增加了企业的成本。
以上分析，第2、3项原因属于管理、集中采购的问题，对第一项原因可以通过一定的技术改造达到节能的目标。
二、技改方案
1、工艺分析
通过上节对蒸汽生产高成本的分析，问题的关键在于除氧自耗蒸汽量太大。如何降低自耗蒸汽为本次技改的核心，蒸汽锅炉目前的除氧方式有以下几种方式：
表2-1 除氧方式对比：
当前的锅炉工况为104℃，树脂除氧和真空除氧方式虽然投资和使用成本比较低，在本项目中还是不宜食用，如果进水温度低，锅炉的热效率发生变化，则需对锅炉内部换热面积重新计算并改造，且投资太大。
高位热力除氧在电厂项目中应用普遍，是因为汽机中产生很多的余热，利用余热进行除氧器的加热，完全不需自耗蒸汽。通过对开发区企业的用汽方式分析，当前蒸汽使用后的凝结水却没有使用，白白浪费；不同企业用汽工艺不一样，间供凝结水水质符合锅炉水要求，直供工艺凝结水水质不符合锅炉水要求，其中含大量悬浮物、渣质、铁离子，只需通过除污、除铁工艺的投入，即可充分利用；
确定本次技改方案主要针对凝结水工艺进行改造，增加除污装置、过滤装置、除铁离子装置、凝结水箱、阀门、水泵及必要的自控装置，达到充分利用凝结水给除氧水加热，从而减少自耗蒸汽的目的。
2、自控改造
工艺确定后，对于自控的改造分为软件硬件两部分；硬件增加两台凝结水泵变频、凝结水箱液位计、总线扩展子站、IO模块。软件部分需首先确定工艺分析清楚：第一确保除氧器进水母管压力稳定，第二选择凝结水或软化水。
图2-1控制工艺图
图2-1控制工艺图
除氧器进水水源分别是凝结水箱和软化水箱；优先使用凝结水箱，水箱高度达到使用液位时，自动启动凝结水泵，进行除氧进水母管压力PID调节控制，同时两泵变频、工频切换功能，
原有除氧水泵在凝结水泵工作时，停止使用；只有在凝结水泵停泵、故障、压力不足时才启动除氧水泵；运行后软件程序设计同凝结水泵工作程序。
程序设计时必须考虑水泵与水箱液位的连锁。
结论
技改后通过1年多的运行，对数据统计分析后，冬季供暖时凝结水比平时要多，平均自耗蒸汽在锅炉蒸汽的5-8%；生产成本降到205元/吨，与原来相比平均降下70元/吨。经济效益巨大，仅此项节能措施计算，按蒸汽负荷110吨/时计算，110*0.10*70*24=18480元/日。
技改设备投资在使用3个月内即可收回。
本项目的技改成功，产生了良好的经济效益和社会效应；因大部分开发区锅炉房目前都是处于亏损状态或微利状态，此项目被北京市节能办等部门推荐为典型，在全市各生产用汽锅炉房进行推广。
本项目的技改措施只是在分析了本开发区内企业的用汽情况做出的方案，如果凝结水经过二次污染，经除污、过滤、除铁工艺处理后，水质还不能满足要求的话，就需重新制定方案。在此只是提供了解决问题的方法和思路。
参考文献：
[1] 工业锅炉水质 GB1576-2001
[2] 工业锅炉节能监测方法 GB/T 15317-1994
[3] 工业锅炉经济运行 GB/T 17954-2000
[4] 工业锅炉运行规程 GB/T 17954-2000
[5]S7-300编程手册西门子公司
[6] 智能控制与应用姜长生 编著 科学出版社
北京雁栖开发区东站锅炉房项目中，自动控制系统使整个锅炉的运行、生产、管理实现了自动化、数据化，燃烧系统、汽水系统的运行达到初期的工艺设计要求；但从运行产出成本分析，蒸汽成本高达280元/吨；根据对现有运行工艺、设备折损、自控投入、人员管理等几个角度进行深入分析后，制定从凝结水工藝改造进行技术改造和配套控制方案。技改后，凝结水带来的热量使锅炉水系统的除氧自耗蒸汽大大降低，特别是冬季供暖时、供暖凝结水的回收，使蒸汽成本降到195-210元/吨。
关键词：自动控制、凝结水工艺、技术改造、运行成本
中图分类号： F407 文献标识码： A
一、项目背景
1、案例概况
雁栖开发区新建2台20吨和2台45吨锅炉房，属区内基础设施项目，为区内红牛、王老吉等200多家食品、石油、建材企业提供生产用饱和蒸汽，冬季兼顾企业厂房供暖，用户使用生产蒸汽压力范围精度高0.80至0.95MPa；否则影响用户的坯料和局部停工。用户负荷不稳，个别企业用汽不稳定；对于锅炉房负荷而言，变化率有时超过30%。
通过对北京雁栖开发区东站锅炉的3年运行历史数据分析，即使在自控运行的前提下，锅炉房的运行成本比较高，企业一直亏损。目前业界关于锅炉房的运营降低有变频设备节能、太阳能利用节能、富氧燃烧、真空除氧、树脂除氧等新设备、新工艺。当然这些措施也要根据不同的情况加以使用，分析东站锅炉房后，常规节能手段均已实用，但蒸汽使用后的凝结水却没有使用，白白浪费；不同企业用汽工艺不一样，间供凝结水水质符合锅炉水要求，直供工艺凝结水水质不符合锅炉水要求，其中含大量悬浮物、渣质、铁离子，只需通过除污、除铁工艺的投入，即可充分利用；凝结水的温度高达78-90℃；凝结水的流量在35-60吨/时，大量的热量使用减少除氧的自耗蒸汽量，间接提高了蒸汽有效利用率。工艺确定后，配套的自控工艺在原有的自控工艺上进行修改，确保自动化运行。
蒸汽生产成本的降低使企业成功实现了盈利。本方案中的节能措施在各地工业开发区具有推广作用；当然实施时需对工艺对象进行详细分析后，选择适合本地区的节能方案。
2、工艺和自控系统
锅炉房的锅炉的4台链条燃煤蒸汽锅炉，2台20吨和2台45吨；锅炉供水采用母管定压供水，水系统采用高位热力除氧和常温软化水方式。除氧器投入台数是根据当前用汽量进行自动确定。除氧器保证进锅炉的水除氧效果必须满足国标要求即溶解氧<0.1mg/L。供汽母管方式至分汽缸后，主管道分汽至各用户，分汽缸压力控制在0.88MPa。
图1-1汽水工艺图
锅炉自控系统的投入，降低了操作人员的工作强度，提高了生产的自动化程度，控制系统设计遵循安全、可靠、经济的原则，系统选型采用了S7-300PLC系列产品、ABB ACS510变频器、威尔泰变送器为主的控制设备、执行结构、监测仪表。PLC控制设计时按控制单元化、风险分散化方针进行，以锅炉、公用系统为单位进行PLC布置，锅炉PLC控制之间互不影响。
图1-2系统结构图
控制方案采用自学习燃烧控制，变定值恒压控制等多种样式的PID回路，整个项目PID控制回路多达34个。
表1-1 控制回路统计：
3、成本分析
投产3年来，运行、管理均达到了项目设计的要求；但是运营成本较高，从历史数据分析后有下列原因：
1）除氧器的自耗蒸汽高；
除氧器的自耗蒸汽达到锅炉产汽量的15-17%，这是由除氧器的工作原理决定的，除氧水温度需达到104℃，才能保证除氧效果；软化水箱温度为常温20℃左右；加热到目标值主要靠锅炉蒸汽。
2）燃煤原料的热值不稳定；
煤进料的批次不同，热值也有变化；原有的燃烧经验参数需要重新积累，这期间的燃烧效果不好，也带来电耗的增加。
3）企业的人员结构庞大；
锅炉房人员一线生产工人分4班倒班运行，每班 7人，分别负责司炉、水化验、上煤、电工维护专业。但管理人员达24人，增加了企业的成本。
以上分析，第2、3项原因属于管理、集中采购的问题，对第一项原因可以通过一定的技术改造达到节能的目标。
二、技改方案
1、工艺分析
通过上节对蒸汽生产高成本的分析，问题的关键在于除氧自耗蒸汽量太大。如何降低自耗蒸汽为本次技改的核心，蒸汽锅炉目前的除氧方式有以下几种方式：
表2-1 除氧方式对比：
当前的锅炉工况为104℃，树脂除氧和真空除氧方式虽然投资和使用成本比较低，在本项目中还是不宜食用，如果进水温度低，锅炉的热效率发生变化，则需对锅炉内部换热面积重新计算并改造，且投资太大。
高位热力除氧在电厂项目中应用普遍，是因为汽机中产生很多的余热，利用余热进行除氧器的加热，完全不需自耗蒸汽。通过对开发区企业的用汽方式分析，当前蒸汽使用后的凝结水却没有使用，白白浪费；不同企业用汽工艺不一样，间供凝结水水质符合锅炉水要求，直供工艺凝结水水质不符合锅炉水要求，其中含大量悬浮物、渣质、铁离子，只需通过除污、除铁工艺的投入，即可充分利用；
确定本次技改方案主要针对凝结水工艺进行改造，增加除污装置、过滤装置、除铁离子装置、凝结水箱、阀门、水泵及必要的自控装置，达到充分利用凝结水给除氧水加热，从而减少自耗蒸汽的目的。
2、自控改造
工艺确定后，对于自控的改造分为软件硬件两部分；硬件增加两台凝结水泵变频、凝结水箱液位计、总线扩展子站、IO模块。软件部分需首先确定工艺分析清楚：第一确保除氧器进水母管压力稳定，第二选择凝结水或软化水。
图2-1控制工艺图
图2-1控制工艺图
除氧器进水水源分别是凝结水箱和软化水箱；优先使用凝结水箱，水箱高度达到使用液位时，自动启动凝结水泵，进行除氧进水母管压力PID调节控制，同时两泵变频、工频切换功能，
原有除氧水泵在凝结水泵工作时，停止使用；只有在凝结水泵停泵、故障、压力不足时才启动除氧水泵；运行后软件程序设计同凝结水泵工作程序。
程序设计时必须考虑水泵与水箱液位的连锁。
结论
技改后通过1年多的运行，对数据统计分析后，冬季供暖时凝结水比平时要多，平均自耗蒸汽在锅炉蒸汽的5-8%；生产成本降到205元/吨，与原来相比平均降下70元/吨。经济效益巨大，仅此项节能措施计算，按蒸汽负荷110吨/时计算，110*0.10*70*24=18480元/日。
技改设备投资在使用3个月内即可收回。
本项目的技改成功，产生了良好的经济效益和社会效应；因大部分开发区锅炉房目前都是处于亏损状态或微利状态，此项目被北京市节能办等部门推荐为典型，在全市各生产用汽锅炉房进行推广。
本项目的技改措施只是在分析了本开发区内企业的用汽情况做出的方案，如果凝结水经过二次污染，经除污、过滤、除铁工艺处理后，水质还不能满足要求的话，就需重新制定方案。在此只是提供了解决问题的方法和思路。
参考文献：
[1] 工业锅炉水质 GB1576-2001
[2] 工业锅炉节能监测方法 GB/T 15317-1994
[3] 工业锅炉经济运行 GB/T 17954-2000
[4] 工业锅炉运行规程 GB/T 17954-2000
[5]S7-300编程手册西门子公司
[6] 智能控制与应用姜长生 编著 科学出版社