真空相变加热炉仿真平台的研发

刘 超，宋丹丹，苗瑾超，徐圣方，张振洋

（新疆理工学院，新疆维吾尔自治区 阿克苏 843100）

近几年来政府逐步推出煤改气的能源政策，鼓励燃气加热炉/锅炉的发展。燃气加热炉/锅炉能否节约能源，高效率的运行就变得十分重要。因此提出一种加热炉模拟仿真平台，以软件方式对加热炉运行过程进行仿真，探讨验证控制方案可行性时降低消耗的途径。

1 相变换热锅炉的结构、特点

负压相变换热加热炉又称真空相变换热加热炉，简称真空加热炉。真空加热炉在运行时炉体内为负压状态，即使出现故障，炉体也不会有爆炸的危险。真空相变加热炉内部，热媒水吸热蒸发，水蒸气上升遇到表面温度较低的盘管液化放热。相变换热系数明显的要比单相换热系数高出一个数量级。真空相变加热炉换热效率相比于传统加热炉要高出许多。

2 仿真平台系统设计方案

真空相变加热炉仿真平台由以下几个部分构成：PC、模拟量产生模块、开关量输入模块和开关量输出模块，如图1所示。PC模拟真空相变加热炉运行过程中各项的参数，通过通信端口传送给信号产生装置，使仿真系统能够输出与加热炉所安装仪表一致的电信号；仿真平台能够接收控制系统发出的控制燃烧装置的命令，并做出相应增减火力和启停燃烧机的动作。仿真平台和真空相变加热炉的控制系统构成闭环的系统。这样开发人员可以在不启动加热炉的情况下验证控制算法的合理性和可行性，从而减少控制系统开发的周期。见图1。

图1 真空相变加热炉仿真平台的系统框图

仿真平台通过开关量输入模块模拟锅炉中燃烧机启动/停止、增火/大火、小火、减火动作。同时模块将对应的控制信号通过RS-485接口反馈到PC。经处理后的加热炉参数通过模拟量输出模块传输至控制系统中，实现对加热炉出/入口温度，筒体压力/温度等参数的模拟。

3 仿真平台软件设计方案

真空相变加热炉仿真平台的软件模块构成如图2所示，主要由盘管换热模块、启炉阶段计算模块、停炉阶段计算模块、通信端口设计模块组成。

图2 真空相变加热炉仿真平台的软件模块构成

通讯端口把各个模块模拟加热炉的一部分参数传到一线通模拟量输出模块，一线通模块把模拟值转化4～20 mA电流信号；另一部分参数传到一线通数字量输出模块，一线通模块把数字量值转换成I/O信号；同时通信端口采集一线通输入模块各个输入数字量信号，仿真平台周而复始运行完成加热炉的正常模拟。加热炉控制系统再把模拟量值和数字量值采集上来，并对其进行处理和控制，并将需反馈给锅炉的值传给一线通模块，一线通再传给计算机软件，软件通过换热计算出加热炉实时运行状态，周而复始运行完成加热炉运行的模拟。

3.1 启炉模块的设计

实际工作过程中，燃烧机启动后，燃烧机风机对加热炉进行吹扫（燃烧机会给出风机信号），一般吹扫15～20秒，点燃燃烧机（燃烧机给出火焰信号）。在仿真平台中启炉模块中，首先用延时启动做为风机和燃烧机的模拟仿真。启炉后，首先启动风机在延时启动火焰信号，然后加热炉温度才开始发生变化。加热炉从启炉到正常运行要经历三个阶段。

在第一阶段中，由于加热炉内部不是绝对的真空。在初始压力的影响下，启动后，燃烧机提供给加热炉的有效热量主要被分为两个部分：一部分使得加热炉内热媒水的温度升高；另一部分使加热炉内部压强升高，同时空气温度升高。在这个阶段工质没有吸收热量，可认为炉体内热媒水的温度和气体的温度相同。

当加热炉内部气体的温度高于被加热工质的温度，加热炉运行进入第二阶段。在这个阶段内，加热炉炉内部开始同被加热工质以辐射传热的方式与被加热工质进行换热。因此，此时燃烧机提供的有效热量又被分为三个部分：第一部分使加热炉中的热媒水温度继续升高；第二部分使得加热炉内部压强升高，空气温度升高；第三部分使得被加热工质温度升高。

只有当热媒水的实时温度大于或等于实时热媒水沸点温度时，第三阶段，也就是“蒸发过程”开始。在蒸发过程中，加热炉中的水开始蒸发，产生蒸汽。在这个过程中，燃烧机提供的有效热量主要被分为四个部分：第一部分使得加热炉中热媒水的温度升高；第二部分使水蒸发为水蒸汽；第三部分使水蒸汽和空气温度升高；第四部分，使工质温度升高。当进入蒸发过程后，由于开始产生水蒸汽，加热炉内部压力变化速度升高，并且，由于水蒸汽的换热效率远远高于空气，被加热工质的温升速度也大幅提高。

3.2 盘管换热模块

在盘管换热设计的时候，由于盘管长度较长，盘管各处的热量交换肯定不同。采用积分的思想，将盘管分成n个小段。每一段分别进行处理。将前一段盘管内计算所得的末端工质的温度做为下一段盘管的初始温度。计算出每一段盘管吸收的热量，并将所有吸收热量相加。当所有分段计算完毕，最后一段盘管的末端温度就作为加热炉的出口温度，同时得到盘管在一个过程中吸收的热量。

加热炉通过盘管换热实现对工质的加热。在运行过程中，盘管的换热有两种类型。当筒体温度低于热媒水的临界沸腾温度，即没有水蒸汽产生。此时盘管内工质吸热主要靠热媒水的辐射传热。此过程工质吸热较少，换热未大规模进行，加热炉处于过渡阶段。

当炉体内的热媒水沸腾，水蒸汽大量产生，开始进行盘管进行大规模换热。对盘管的换热由于采用的是积分的方法，盘管每一段的各个参数存在区别，位置不同每一段工质的各个物性参数（工质比热、运动粘度、密度、导热系数等等）也有着很大区别。真空相变加热炉进行相变换热的时候，每一段盘管的换热系数是由管内换热系数和管外换热系数共同决定的。管内换热系数是根据管内工质的流动状态（由雷诺数区分）来确定。

停炉阶段其实也就是启炉阶段的一个逆过程。但是由于在运行过程中，加热炉可能处于不同的阶段。

当停炉时，炉体内有大量水蒸气，出口温度处于上升阶段，也就是燃烧机提供的有效热量大于工质吸收的热量。停炉后，由于有余热的存在，水蒸气将会持续产生，出口温度有一个短暂的增长。

停炉一段时间后，炉体内的水蒸气全部凝结，此时盘管吸收的热量来自水的辐射传热。筒体温度缓慢降低，筒体压力根据温度变化，也相应的降低。

3.3 人机交互的设计

仿真平台由于采用的是WINDOWS窗体控制程序，因此在界面设计时有着很大的优势。界面设计主要分为加载界面、主界面、量程设置界面，以及手动设置界面四个人机交互界面。加载界面主要完成加载显示；主界面中主要分为加热炉参数输入区域，信号输出区，加热炉控制区，仿真控制区，以及信号显示区。量程设置界面主要完成对现场的各种仪表的量程模拟。手动设置界面中主要用于完成手动处理时各种数字信号，例如风机火焰、数字量故障信号的模拟以及对加热炉各个参数的模拟。

4 系统调试

真空相变加热炉仿真平台的联调，从手动情况下与控制柜联调、系统本身调试、与控制系统联调三方面进行。图3为真空相变加热炉仿真平台的实物图。

图3 仿真平台实物图

为方便进行测试，选用1 t（700 kW）加热炉进行测试。分别改变加热炉的各项参数，例如改变工质流量、改变气体体积等进行调试。表1是在调试过程中得到的不同的数据。

表1 1t加热炉仿真数据

该表中可以看出当改变初始筒体温度、气体体积或者水的体积的时候，最后达到平衡时候的出口参数是相同的。

5 总结

本仿真平台只是实现了对原油和水的加热模拟，对天然气的物性参数，程序中已经给出了计算，缺少在盘管换热部分加入对天然气的计算。本仿真平台虽然已经实现预期的基本功能，但还是存在可以进一步完善和优化的地方。