新型余熱鍋爐控制系統(tǒng)

安徽理工大學(xué)電氣與信息學(xué)院 張?chǎng)┣?/p>

社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱也是能源發(fā)展的重要?dú)w宿——電力行業(yè)，它的發(fā)展代表著一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)是否發(fā)達(dá)以及發(fā)達(dá)的水平。而對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，電力行業(yè)發(fā)展主要存在著兩大挑戰(zhàn)：一是最大程度的提高燃煤電廠的綜合能源利用效率，以達(dá)到進(jìn)一步降低煤耗，以此來(lái)降低污染；二是逐漸降低燃煤發(fā)電比例，提高天然氣等清潔能源發(fā)電比例，以此來(lái)降低環(huán)境污染。

因此，需要提出余熱鍋爐這種新式鍋爐，提高煙氣余熱的利用率，不斷發(fā)展國(guó)家清潔電力能源，對(duì)應(yīng)國(guó)家能源發(fā)展新要求。

1 余熱鍋爐工作流程

余熱鍋爐就是利用工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中燃燒排放的煙氣，所產(chǎn)生的余熱，對(duì)蒸汽系統(tǒng)的給水進(jìn)行加熱，使其產(chǎn)生的合格水蒸氣，進(jìn)而運(yùn)輸?shù)狡啓C(jī)中去做功，其產(chǎn)生的機(jī)械能再經(jīng)發(fā)電機(jī)通過(guò)電網(wǎng)送往千家萬(wàn)戶。與傳統(tǒng)的使用不可再生資源作為燃料，燒出進(jìn)入汽輪機(jī)做功的蒸汽相比，它合理利用了煙氣余熱甚至是有害廢品的余熱，整個(gè)過(guò)程不發(fā)生燃燒反應(yīng)，也不存在燃燒器、油槍等設(shè)備，設(shè)備更加高效、簡(jiǎn)潔、環(huán)保。發(fā)展至今，余熱鍋爐已經(jīng)成為目前鋼鐵廠、化工廠以及燃煤電廠等大型工業(yè)系統(tǒng)中必不可少的組成部分，對(duì)于節(jié)約各項(xiàng)能源具有不可估量的作用。

2 余熱鍋爐的水位控制

余熱鍋爐運(yùn)行中，汽包水位處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。影響水位變化的因素復(fù)雜，一般采用PID自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，使其穩(wěn)定在規(guī)定值。余熱鍋爐給水調(diào)節(jié)的任務(wù)是使給水量適應(yīng)余熱鍋爐的蒸發(fā)量，并且把汽包水位保持在正常的范圍內(nèi)。

2.1 穩(wěn)定水位的重要性

余熱鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，如果對(duì)你水位監(jiān)視不嚴(yán)或操作不當(dāng)，將會(huì)造成汽包水位過(guò)高或過(guò)低，嚴(yán)重影響蒸汽輪機(jī)和余熱鍋爐安全運(yùn)行。水位過(guò)高，蒸發(fā)空間將縮小，會(huì)影響汽水分離效果，引起蒸汽帶水，飽和蒸汽的濕度增加，含鹽量增多。水位過(guò)低，可能會(huì)破壞自然循環(huán)余熱鍋爐的正常的水循環(huán)來(lái)回使強(qiáng)制循環(huán)余熱鍋爐的爐水循環(huán)泵入口汽化，泵組強(qiáng)烈振動(dòng)，最終會(huì)破壞余熱鍋爐的水循環(huán)。嚴(yán)重缺水而又處理不當(dāng)時(shí)，相關(guān)受熱面管壁溫差變化過(guò)大，導(dǎo)致管材損傷，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致爆管。

2.2 影響水位變化的因素

余熱鍋爐運(yùn)行中，汽包水位經(jīng)常變化，引起水位變化的根本原因可歸納為兩個(gè)方面：

（1）蒸發(fā)設(shè)備的物質(zhì)平衡遭到破壞，即給水量與蒸發(fā)量不一致；

（2）工質(zhì)狀態(tài)發(fā)生了改變，如蒸汽壓力變化引起工質(zhì)比容改變和誰(shuí)溶劑中的含汽量變化。

以上任一方面的原因都能引起汽包水位發(fā)生變化，其變化的劇烈程度，與受擾動(dòng)的程度有關(guān)。從上述兩個(gè)方面歸納，運(yùn)行中影響汽包水位變化的因素有給水蒸汽流量變化、負(fù)荷變化和汽包壓力變化，因此用考慮擾動(dòng)的串級(jí)三沖量PID控制整定圖像如圖1所示。

圖1 水位控制仿真框圖

在串級(jí)給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)中有兩個(gè)對(duì)象，受到三個(gè)調(diào)節(jié)變量的影響，分別是圖中三個(gè)紅箭頭所表示的。和單級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比較，相當(dāng)于加了一個(gè)調(diào)節(jié)器。數(shù)據(jù)進(jìn)入PI調(diào)節(jié)器是不能帶單位的，水位的測(cè)量是通過(guò)裝置將水位信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)，以此來(lái)反應(yīng)水位的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在進(jìn)入PI調(diào)節(jié)器之前需要經(jīng)過(guò)換算，這樣數(shù)據(jù)才不會(huì)出錯(cuò)。

圖2 水位控制系統(tǒng)仿真曲線圖

圖1中Step3到Scope之間是蒸汽流量的前饋反應(yīng)，主調(diào)節(jié)器最終P為6.2，I為0.198276；副調(diào)節(jié)器P為80，I為16.PV值根據(jù)運(yùn)行仿真曲線結(jié)果知為15，仿真曲線如圖2所示。

相應(yīng)的I/O清單如表1所示。

表1 水位控制與調(diào)節(jié)I/O清單

3 余熱鍋爐汽包壓力控制

3.1 必要性

余熱鍋爐運(yùn)行時(shí)應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)視蒸汽壓力并維持其穩(wěn)定。蒸汽壓力波動(dòng)過(guò)大不僅影響到蒸汽溫度和汽包水位，而且直接影響余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

蒸汽壓力降低，蒸汽輪機(jī)不能保持額定出力，影響機(jī)組發(fā)電效率。燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷不變，蒸汽壓力降低，必然引起汽包水位的上升，可能會(huì)造成蒸汽大量帶水，蒸汽品質(zhì)惡化。

蒸汽壓力過(guò)低，機(jī)、爐承壓部件承受過(guò)大的應(yīng)力，影響設(shè)備壽命和機(jī)組的安全運(yùn)行。當(dāng)蒸汽壓力過(guò)高導(dǎo)致安全門(mén)動(dòng)作時(shí)，會(huì)造成大量的排氣損失，影響經(jīng)濟(jì)性，并引起汽包水位較大波動(dòng)。當(dāng)蒸汽壓力過(guò)高時(shí)，對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度相應(yīng)提高，蒸汽過(guò)熱度減小，蒸汽輪機(jī)末級(jí)濕度增加，可能造成葉片侵蝕。

蒸汽壓力頻繁波動(dòng)，承壓部件經(jīng)常承受交變應(yīng)力，易引起部件金屬的疲勞損壞，同時(shí)蒸汽壓力的突變?nèi)菀自斐善摷偎唬暨\(yùn)行調(diào)整不當(dāng)或誤操作，容易發(fā)生滿水或缺水事故。

由于F級(jí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組多為單元制機(jī)組，沒(méi)有母管及相鄰機(jī)組的緩沖作用，蒸汽壓力對(duì)機(jī)組的影響更為突出。

3.2 影響蒸汽壓力穩(wěn)定的主要因素

余熱鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，其蒸汽壓力是由燃?xì)廨啓C(jī)側(cè)所提供的煙氣熱量的多少和蒸汽輪機(jī)側(cè)允許的通流能力所決定。此外余熱鍋爐設(shè)備部件出現(xiàn)異常時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致蒸汽壓力波動(dòng)。影響蒸汽壓力穩(wěn)定的因素可歸納為燃?xì)廨啓C(jī)側(cè)、蒸汽輪機(jī)側(cè)和余熱鍋爐內(nèi)部影響三個(gè)方面。

（1）燃?xì)廨啓C(jī)側(cè)的影響

余熱鍋爐的熱量來(lái)自于燃?xì)廨啓C(jī)側(cè)的排氣，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)工況發(fā)生變化時(shí)，排氣溫度和流量的變化對(duì)蒸汽壓力產(chǎn)生影響。蒸汽壓力能夠表示余熱鍋爐產(chǎn)汽量和蒸汽輪機(jī)用汽量之間的關(guān)系（或其他蒸汽用戶）。當(dāng)用汽量增加，產(chǎn)汽量不變，壓力降低，反之壓力升高。產(chǎn)汽量與吸熱量有關(guān)，燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度升高或排氣量增加，產(chǎn)汽量也增加。產(chǎn)汽量與燃?xì)廨啓C(jī)排氣流量和燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度的關(guān)系如圖3所示。

影響燃?xì)廨啓C(jī)工況變化的原因有很多，如外界負(fù)荷需求、燃料的品質(zhì)、空氣參數(shù)等，當(dāng)外界負(fù)荷增加、天然氣熱值增高、單位體積空氣質(zhì)量流量大時(shí)會(huì)導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)排氣的熱量增加，蒸汽壓力升高，反之則下降。

圖3 產(chǎn)汽量與排氣量、排氣溫度的線性關(guān)系

（2）蒸汽輪機(jī)的影響

余熱鍋爐產(chǎn)生產(chǎn)生的蒸汽流經(jīng)蒸汽輪機(jī)主汽閥和調(diào)節(jié)閥后，依次通過(guò)蒸汽輪機(jī)內(nèi)部各級(jí)完成做功。由于主汽閥和調(diào)節(jié)閥一般處于全開(kāi)狀態(tài)，蒸汽流通的阻力是不變的，因此在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，不會(huì)因調(diào)峰影響蒸汽壓力穩(wěn)定。當(dāng)蒸汽輪機(jī)葉片結(jié)垢嚴(yán)重、機(jī)組超速、閥門(mén)誤動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸汽壓力波動(dòng)。另外，蒸汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)，與余熱鍋爐蒸汽系統(tǒng)相聯(lián)，也會(huì)對(duì)蒸汽壓力產(chǎn)生影響。

（3）余熱鍋爐內(nèi)部影響

余熱鍋爐作為換熱設(shè)備，由受熱面、汽水管道、泵、閥等部件組成。煙氣經(jīng)過(guò)受熱面，將熱量傳遞給工質(zhì)，工質(zhì)完成狀態(tài)變化產(chǎn)生蒸汽去做功。為了最大程度的實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞，現(xiàn)代大型余熱鍋爐使用了大量的小口徑鰭片管，這些鰭片管如果出現(xiàn)管外積灰或者管內(nèi)結(jié)垢后，都會(huì)大大影響換熱效果，導(dǎo)致蒸汽壓力下降。另外，如果余熱鍋爐爐墻出現(xiàn)破損，煙氣外泄，熱量減少也將導(dǎo)致蒸汽壓力下降。最后，當(dāng)汽水管道出現(xiàn)泄漏，受熱面出現(xiàn)爆管，安全閥、對(duì)空排氣閥、疏水閥等閥門(mén)出現(xiàn)誤動(dòng)、卡澀時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致蒸汽壓力下降。

3.3 操作規(guī)程

根據(jù)底吹熔煉爐生產(chǎn)情況，隨著進(jìn)口煙氣溫度升高，鍋爐開(kāi)始產(chǎn)生壓力：

（1）當(dāng)壓力升至0.05—0.1mpa時(shí)，沖洗汽包水位計(jì)程序：第一步，微開(kāi)放水門(mén)，使汽管、水管及其玻璃得到?jīng)_洗；第二步，關(guān)閉水門(mén)，沖洗汽管及玻璃；第三步，開(kāi)啟水門(mén)，關(guān)閉汽門(mén)沖洗水管及玻璃；第四步，開(kāi)啟汽門(mén)關(guān)閉放水門(mén)，在沖洗水位計(jì)前后，應(yīng)注意水位計(jì)內(nèi)水位情況，當(dāng)關(guān)閉放水門(mén)后，水位應(yīng)能很快上升，此后水面應(yīng)有輕微波動(dòng)，否則應(yīng)予再?zèng)_洗，沖洗時(shí)動(dòng)作應(yīng)緩慢，工作人員臉部不應(yīng)正對(duì)水位計(jì)，并帶防護(hù)手套。

（2）當(dāng)壓力升至0.1-0.15mpa時(shí)，沖洗壓力表。

（3）當(dāng)壓力升至0.15-0.2mpa時(shí)，檢查各連接處有無(wú)泄漏現(xiàn)象，對(duì)人孔和檢修時(shí)拆卸的法蘭螺栓進(jìn)行一次再擰緊。

（4）當(dāng)壓力升至0.3-0.4mpa進(jìn)行一次排污，目的是檢查放水門(mén)是否良好，放出沉淀物，使下部聯(lián)箱受熱均勻。

（5）當(dāng)壓力升至0.4-0.6mpa，緩慢開(kāi)啟主蒸汽閥進(jìn)行暖管。

（6）當(dāng)壓力升至3.5mpa時(shí)，通知有關(guān)人員校安全閥；安全閥校正者：分廠廠長(zhǎng)或其指派人員，鍋爐組長(zhǎng)、鍋爐值班員、檢修工、技術(shù)員及生產(chǎn)技術(shù)部代表，校驗(yàn)順序：汽包工作安全閥，汽包控制安全閥，分氣缸安全閥，升壓速度控制在0.05mpa / min左右，不準(zhǔn)過(guò)快以免引起水位劇烈波動(dòng)，造成假水位，校驗(yàn)完畢把實(shí)際結(jié)果記在運(yùn)行日志上。

表2 汽包壓力與電信號(hào)對(duì)應(yīng)值參考表

表3 汽包壓力調(diào)節(jié)與控制的I/O清單

（7）鍋爐已達(dá)到工作壓力，應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面檢查，以確定設(shè)備是否正常。

該升壓過(guò)程設(shè)計(jì)是一個(gè)模擬量，因此將輸入輸出的電信號(hào)來(lái)對(duì)應(yīng)汽包的升壓過(guò)程，壓力與4-20mA電信號(hào)對(duì)應(yīng)表如表2所示。

此程序相應(yīng)I/O清單如表3所示。

4 結(jié)論

總的來(lái)說(shuō)，余熱鍋爐控制系統(tǒng)相較傳統(tǒng)鍋爐控制系統(tǒng)相比，有很大的優(yōu)勢(shì)，它將傳統(tǒng)鍋爐中經(jīng)過(guò)一系列工業(yè)過(guò)程產(chǎn)生的廢品（諸如有害煙氣等）所產(chǎn)生的熱能，或者燃燒系統(tǒng)與燃?xì)廨啓C(jī)所產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥酂嶂匦吕闷饋?lái)。由于它并不需要燃燒，所以可以說(shuō)，它只是一個(gè)換熱器——水熱換熱器。非常貼合現(xiàn)在綠色節(jié)能環(huán)保的大趨勢(shì)，同時(shí)也會(huì)使電廠的發(fā)電效率大大提高。