淺談熱能動(dòng)力工程在鍋爐和能源方面的發(fā)展概況

摘 要：熱能與動(dòng)力工程是以工程熱物理學(xué)科為主要理論基礎(chǔ)，以?xún)?nèi)燃機(jī)和正在發(fā)展中的其它新型動(dòng)力機(jī)械及系統(tǒng)為研究對(duì)象，運(yùn)用工程力學(xué)、機(jī)械工程學(xué)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、環(huán)境科學(xué)、微電子技術(shù)等學(xué)科的知識(shí)和內(nèi)容，研究如何把燃料的化學(xué)能和液體的動(dòng)能安全、高效、低（或無(wú)）污染地轉(zhuǎn)換成動(dòng)力的基本規(guī)律和過(guò)程，研究轉(zhuǎn)換過(guò)程中的系統(tǒng)和設(shè)備的自動(dòng)控制技術(shù)。隨著常規(guī)能源的日漸短缺，人類(lèi)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷增強(qiáng)，節(jié)能、高效、降低或消除污染排放物、發(fā)展新能源及其它可再生能源成為本學(xué)科的重要任務(wù)，在能源、交通運(yùn)輸、汽車(chē)、船舶、電力、航空宇航工程、農(nóng)業(yè)工程和環(huán)境科學(xué)等諸多領(lǐng)域獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)翼型 數(shù)值模擬 鍋爐仿真

1.熱能動(dòng)力工程的研究方向

熱動(dòng)主要研究熱能與動(dòng)力方面，是跨熱能與動(dòng)力工程、機(jī)械工程等學(xué)科領(lǐng)域的工程應(yīng)用型專(zhuān)業(yè)。目前我國(guó)有120多所院校開(kāi)設(shè)有該專(zhuān)業(yè)，它由舊本科的九個(gè)相關(guān)專(zhuān)業(yè)合并而成，包括了原來(lái)的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)（080311）、熱能工程（080501）、流體機(jī)械及流體工程（080313）、熱能工程與動(dòng)力機(jī)械（080319W）、制冷與低溫技術(shù)（080502）、能源工程（080506W）、工程熱物理（080507W）、水利水電動(dòng)力工程（080903）、冷凍冷藏工程（081409）專(zhuān)業(yè)。

熱動(dòng)主要學(xué)習(xí)機(jī)械工程、熱能動(dòng)力工程和工程熱物理的基礎(chǔ)理論，學(xué)習(xí)各種能量轉(zhuǎn)換及有效利用的理論和技術(shù)。專(zhuān)業(yè)通過(guò)理論力學(xué)、材料力學(xué)、工程制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)、電工與電子技術(shù)、工程熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、控制理論、熱工測(cè)試技術(shù)以及專(zhuān)業(yè)方向課程的學(xué)習(xí)，使我們具備工程熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)和熱工測(cè)試技術(shù)等熱能與動(dòng)力工程領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論、實(shí)驗(yàn)技能和基本專(zhuān)業(yè)知識(shí)，掌握制冷空調(diào)設(shè)備、制冷裝置、動(dòng)力機(jī)械與動(dòng)力工程、流體機(jī)械等設(shè)計(jì)、制造和實(shí)驗(yàn)研究的基本技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，它是一個(gè)寬口徑的專(zhuān)業(yè)，拓展空間很大，就業(yè)方向很廣，有電廠熱能工程及其自動(dòng)化方向、工程熱物理過(guò)程及其自動(dòng)控制方向、流體機(jī)械及其自動(dòng)控制方向、空調(diào)制冷方向等。同時(shí)，熱動(dòng)還是現(xiàn)代動(dòng)力工程師的基本訓(xùn)練，可見(jiàn)熱動(dòng)是現(xiàn)代動(dòng)力工程的基礎(chǔ)。

2.熱能工程技術(shù)在能源方面需要解決的問(wèn)題

能源問(wèn)題在當(dāng)今社會(huì)舉足輕重，熱能與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位可想而知。

能源動(dòng)力工業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)與國(guó)防建設(shè)的重要基礎(chǔ)和支柱型產(chǎn)業(yè)，同時(shí)也是涉及多個(gè)領(lǐng)域高新技術(shù)的集成產(chǎn)業(yè)，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)發(fā)展中一直起著極其重要的作用。

風(fēng)機(jī)是一種裝有多個(gè)葉片的通過(guò)軸旋轉(zhuǎn)推動(dòng)氣流的機(jī)械。葉片將施加于軸上旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，轉(zhuǎn)變?yōu)橥苿?dòng)氣體流動(dòng)的壓力，從而實(shí)現(xiàn)氣體的流動(dòng)。風(fēng)機(jī)廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、鍋爐和工業(yè)爐窯的通風(fēng)和引風(fēng)，礦井、隧道、冷卻塔、車(chē)輛、船舶和建筑物的通風(fēng)、排塵和冷卻等[1]。尤其是在電站，隨著機(jī)組向大容量、高轉(zhuǎn)速、高效率、自動(dòng)化方向的發(fā)展，電站也對(duì)風(fēng)機(jī)的安全可靠性提出了越來(lái)越高的要求，鍋爐風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中常發(fā)生燒壞電機(jī)、竄軸、葉輪飛車(chē)、軸承損壞等事故，嚴(yán)重危害設(shè)備、人身安全，也給電廠造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。此外，風(fēng)機(jī)一直是電站的耗電大戶(hù)，電站配備的送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和冷煙風(fēng)機(jī)是鍋爐的重要輔機(jī)，降低其耗電率是節(jié)能的一項(xiàng)重要措施。

3.熱能專(zhuān)業(yè)中工業(yè)爐的發(fā)展

工業(yè)爐是在工業(yè)生產(chǎn)中，利用燃料燃燒或電能轉(zhuǎn)化的熱量，將物料或工件加熱的熱工設(shè)備。

中國(guó)在商代出現(xiàn)了較為完善的煉銅爐，在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，人們?cè)谌坫~爐的基礎(chǔ)上進(jìn)一步掌握了提高爐溫的技術(shù)，從而生產(chǎn)出了鑄鐵。1794年，世界上出現(xiàn)了熔煉鑄鐵的直筒形沖天爐。后到1864年，法國(guó)人馬丁運(yùn)用英國(guó)人西門(mén)子的蓄熱式爐原理，建造了用氣體燃料加熱的第一臺(tái)煉鋼平爐。隨著現(xiàn)代化管理水平的提高，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的不斷完善，現(xiàn)代連續(xù)加熱爐也應(yīng)運(yùn)而生. 現(xiàn)代連續(xù)加熱爐爐型可以歸入兩大類(lèi)：推鋼式爐和步進(jìn)式爐。兩類(lèi)爐型的根本區(qū)別，僅在于爐內(nèi)的輸料方式。

4.爐內(nèi)燃燒控制技術(shù)

其燃燒控制是步進(jìn)爐的核心技術(shù)之一，手動(dòng)控制已被自動(dòng)控制方式所取代。目前大規(guī)格鋼錠推鋼式加熱爐可選用的燃燒自控方式通常有：

（1）空燃比例連續(xù)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由燒嘴、燃燒控制器、空氣/燃?xì)獗壤y、空氣/燃?xì)怆妱?dòng)蝶閥、空氣/燃?xì)饬髁坑?jì)、熱電偶、氣體分析裝置、PLC等組成。工作原理是由熱電偶或氣體分析裝置檢測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)傳送到PLC與其設(shè)定值進(jìn)行比較，偏差值按比例積分、微分運(yùn)算輸出4-20 mA的電信號(hào)分別對(duì)空氣/燃?xì)獗壤y和空氣/燃?xì)怆妱?dòng)蝶閥的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到控制空氣/燃?xì)獗壤蜖t內(nèi)溫度之目的。

（2）雙交叉限幅控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由燒嘴、燃燒控制器、空氣/燃?xì)饬髁块y、空氣/燃?xì)饬髁坑?jì)、熱電偶等組成。工作原理是：通過(guò)一個(gè)溫度傳感器熱電偶把測(cè)量的溫度變成一個(gè)電信號(hào)，該信號(hào)表示測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際溫度，該測(cè)量點(diǎn)的溫度期望給定值是由預(yù)存貯在上位機(jī)中的工藝曲線(xiàn)自動(dòng)給定的。根據(jù)這兩個(gè)溫度值偏差的大小，PLC自動(dòng)校準(zhǔn)燃?xì)?空氣流量閥的開(kāi)度。該閥通過(guò)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)定位?？諝?燃料比控制，借助于孔板和差壓變送器來(lái)測(cè)量空氣流量，燃?xì)獾牧髁渴墙柚谝慌_(tái)安裝在燃?xì)庵Ч苌系馁|(zhì)量流量計(jì)來(lái)測(cè)量，使精確的溫度控制得以實(shí)現(xiàn)。

5.軟件仿真鍋爐風(fēng)機(jī)翼型葉片

由于鍋爐葉輪機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)非常復(fù)雜，并帶有強(qiáng)烈的非定常特征，進(jìn)行細(xì)致的實(shí)驗(yàn)測(cè)量非常困難，目前尚沒(méi)有完善的流體力學(xué)理論解釋諸如流動(dòng)分離、失速和喘振等流動(dòng)現(xiàn)象，這就迫切需要可靠詳細(xì)的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬工作來(lái)了解機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)本質(zhì)。將利用軟件對(duì)鍋爐風(fēng)機(jī)翼型葉片進(jìn)行二維的數(shù)值模擬，研究空氣以不同的方向流入翼型葉片入口所造成的流動(dòng)分離。根據(jù)數(shù)值模擬的一般步驟：創(chuàng)建二維模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定邊界條件和區(qū)域，輸出網(wǎng)格，再利用求解器求解，對(duì)不同空氣來(lái)流攻角角下的流動(dòng)進(jìn)行二維數(shù)值模擬。在得到模擬結(jié)果后，對(duì)不同攻角下模擬所得到的速度矢量圖進(jìn)行比較分析，得出鍋爐風(fēng)機(jī)翼型邊界層分離和攻角的關(guān)系。（作者單位：遼寧工程技術(shù)大學(xué)）

參考文獻(xiàn)：

[1] 安連鎖.泵與風(fēng)機(jī)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2001.

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[3] 蔡兆林，吳克啟，穎達(dá).離心風(fēng)機(jī)損失的計(jì)算[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，1993，14（1）：53-56.

[4] 王松嶺.流體力學(xué)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004