熱能與動(dòng)力工程在鍋爐領(lǐng)域的應(yīng)用分析

閆天明

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州 510663）

熱能與動(dòng)力工程在鍋爐領(lǐng)域的應(yīng)用分析

閆天明

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州 510663）

在介紹鍋爐結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)熱能與動(dòng)力工程在鍋爐風(fēng)機(jī)監(jiān)控及燃燒控制中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，并探討了熱能與動(dòng)力工程的發(fā)展方向。

熱能與動(dòng)力工程；鍋爐；應(yīng)用

0 引言

經(jīng)濟(jì)的持續(xù)提升需要有充足的能源作支撐，當(dāng)下能源日益緊張，提高能源的利用率是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵。在我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)中鍋爐有著非常廣泛的應(yīng)用，是能源轉(zhuǎn)換的主要媒介，同時(shí)也是熱能與動(dòng)力工程最為主要的研究對(duì)象。我國(guó)雖然資源儲(chǔ)備量大，但是由于一些企業(yè)的無(wú)節(jié)制開(kāi)采，能源被大量浪費(fèi)，加之我國(guó)人口基數(shù)大，人均資源量很少，僅為全球人均水平的60%左右，能源業(yè)已成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵性因素。

煤炭燃燒后會(huì)產(chǎn)生二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳、一氧化氮等對(duì)動(dòng)植物生存、土壤環(huán)境產(chǎn)生威脅的有害氣體。所以，努力研發(fā)新的脫硫技術(shù)，減少有害氣體的產(chǎn)生和對(duì)環(huán)境的污染危害，將煤炭資源較為高效地轉(zhuǎn)化和利用，成為一項(xiàng)十分艱巨的任務(wù)。我國(guó)能源利用率較低，在鍋爐領(lǐng)域有著較大的改善和提升空間。首先，要做好階段性目標(biāo)和總體目標(biāo)的規(guī)劃，這樣才能在充分了解熱能與動(dòng)力工程的基礎(chǔ)上規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)；其次，要充分了解鍋爐的運(yùn)行原理，提出可行性方案，有的放矢地進(jìn)行建設(shè)；最后，要提升熱能與動(dòng)力工程的應(yīng)用創(chuàng)新水平和人才培養(yǎng)力度，推進(jìn)熱能與動(dòng)力工程的發(fā)展。

1 鍋爐結(jié)構(gòu)分析

鍋爐作為能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，能夠?qū)⑷剂现械臒崮苻D(zhuǎn)換成電能、化學(xué)能、光能等。鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)的動(dòng)力源，鍋爐的技術(shù)水平直接決定工業(yè)的發(fā)展程度。根據(jù)用途、外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，鍋爐可以分為許多種類(lèi)，但其本質(zhì)都是相同的，都是能源轉(zhuǎn)換裝置。在我國(guó)大量應(yīng)用的鍋爐大致有兩種:工業(yè)鍋爐和電站鍋爐。前者應(yīng)用范圍較廣，在鋼鐵、機(jī)電生產(chǎn)、礦產(chǎn)加工等行業(yè)都有應(yīng)用，后者主要應(yīng)用在發(fā)電廠，是火力發(fā)電廠主要的供能設(shè)備。

鍋爐包括外殼和電氣控制部分。外殼可以分為底殼和面殼兩部分，其中每個(gè)部分都有不同的作用，底殼承擔(dān)著鍋爐燃燒的任務(wù)，是鍋爐燃燒的主要環(huán)節(jié)，底殼上有熱交換器和電控盒等部件，通過(guò)底殼的連接鍋爐形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，從而保證其能夠更好地與其他部分進(jìn)行連接。面殼的主要作用是防止灰塵等進(jìn)入鍋爐內(nèi)部，它能夠更好地保護(hù)鍋爐，從而延長(zhǎng)鍋爐的使用壽命。電氣控制部分是鍋爐的核心部件，對(duì)于控制鍋爐的燃燒及其他各項(xiàng)工作有著重要的作用?，F(xiàn)如今，鍋爐的控制都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，這對(duì)于鍋爐的燃燒控制和熱平衡控制都有著非常好的效果，能夠更好地提高鍋爐燃燒的效率及熱能利用率，從而減少資源的浪費(fèi)。

2 熱能與動(dòng)力工程在鍋爐領(lǐng)域的應(yīng)用

熱能與動(dòng)力工程以機(jī)械工程學(xué)和跨熱能動(dòng)力學(xué)為理論基礎(chǔ)，研究熱能和機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律，探究在生產(chǎn)中如何持續(xù)保持最優(yōu)的能量轉(zhuǎn)化效率，具有很強(qiáng)的工程專(zhuān)業(yè)性。熱能與動(dòng)力之間的轉(zhuǎn)化是熱能與動(dòng)力工程的研究主體，我們?cè)诩訌?qiáng)對(duì)熱能與動(dòng)力工程研究的同時(shí)，還要注意對(duì)機(jī)械工程、工程熱物理等多種領(lǐng)域的研究。鍋爐涉及熱能和動(dòng)力工程的方方面面，并且有著一定的系統(tǒng)性，因此，鍋爐運(yùn)行屬于熱能與動(dòng)力工程的研究?jī)?nèi)容。隨著信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，熱能與動(dòng)力工程和自動(dòng)化技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用成為鍋爐發(fā)展的一個(gè)重要方向，綜合應(yīng)用多種學(xué)科，充分發(fā)揮熱能與動(dòng)力工程的重要作用，才能進(jìn)一步提高鍋爐的運(yùn)行效率，從而為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

2.1 熱能與動(dòng)力工程在鍋爐風(fēng)機(jī)監(jiān)控中的應(yīng)用

鍋爐在工作中必不可少的一個(gè)裝置就是風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)將外界含有氧氣的氣體送入鍋爐中，來(lái)促進(jìn)爐中燃料的燃燒。社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)能源的需求不斷增加，因此延長(zhǎng)鍋爐風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間可以有效提升鍋爐的能源供應(yīng)能力。但是盲目增加風(fēng)機(jī)的工作量，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中風(fēng)機(jī)就會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，加上和鍋爐距離較近，風(fēng)機(jī)得不到有效降溫，就會(huì)被燒壞，這非但起不到增加供能的目的，反而會(huì)由于風(fēng)機(jī)被燒壞影響鍋爐的正常工作。針對(duì)上述矛盾，運(yùn)用熱能與動(dòng)力工程的基本原理來(lái)改善風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中找出正常工作和散熱之間的平衡點(diǎn)是關(guān)鍵。

風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，利用常規(guī)的測(cè)量方式難以得到有效的溫度數(shù)據(jù)，受到技術(shù)發(fā)展的限制，目前尚沒(méi)有可行的電氣技術(shù)方案能實(shí)時(shí)直接地對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行溫度作出監(jiān)控?，F(xiàn)在可行的一種解決措施是應(yīng)用熱能與動(dòng)力工程研發(fā)軟件，從不同的方向來(lái)測(cè)定流入風(fēng)機(jī)葉片燃料的速度，并通過(guò)創(chuàng)建數(shù)值模擬的二維模型，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后利用求解器求出所需結(jié)果，也就是鍋爐風(fēng)機(jī)翼型邊界層分離和攻角的關(guān)系。當(dāng)然，這種方式雖然有一定的效果，但仍然存在一定的溫度誤差。

2.2 熱能與動(dòng)力工程在鍋爐燃燒控制中的應(yīng)用

鍋爐的燃燒控制是調(diào)整能量轉(zhuǎn)換幅度的核心技術(shù)，在當(dāng)今社會(huì)，鍋爐由人力向爐內(nèi)填充燃料逐漸轉(zhuǎn)型為步進(jìn)式自動(dòng)控制填充燃料，更加先進(jìn)的鍋爐甚至使用全自動(dòng)燃燒控制。根據(jù)其運(yùn)用熱能與動(dòng)力自動(dòng)控制技術(shù)的不同，鍋爐的燃燒控制分為以下兩種:

(1）以燒嘴、燃燒控制器、電動(dòng)蝶閥、熱電偶、比例閥、流量計(jì)、氣體分析裝置以及PLC等部件組成的空燃比例連續(xù)控制系統(tǒng)。這種燃燒控制系統(tǒng)是由熱電偶檢測(cè)出數(shù)據(jù)傳送至PLC，與其本身設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較，偏差值通過(guò)使用比例積分及微分運(yùn)算輸出電信號(hào)，同時(shí)分別對(duì)比例閥及電動(dòng)蝶閥的開(kāi)合程度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到控制空氣與燃料比例、 調(diào)節(jié)鍋爐內(nèi)溫度的目的。此種方式溫度控制并不十分精確，需要仔細(xì)確認(rèn)額定數(shù)值。

(2）由燒嘴、燃燒控制器、流量閥、流量計(jì)、熱電偶等組成的雙交叉限幅控制系統(tǒng)。其工作原理主要是通過(guò)溫度傳感器和熱電偶把需要進(jìn)行精確測(cè)量的溫度變成電信號(hào)，這個(gè)電信號(hào)即測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際溫度，此測(cè)量點(diǎn)溫度期望值是由預(yù)先存貯在上位機(jī)中的工藝曲線自動(dòng)給定的，根據(jù)這兩個(gè)數(shù)據(jù)之間偏差值的大小，由PLC自動(dòng)調(diào)整燃料與空氣流量閥門(mén)的開(kāi)合程度，通過(guò)電動(dòng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的定位及空氣和燃料的比例控制，并借助孔板和差壓變送器測(cè)量空氣的流量，采用一個(gè)專(zhuān)用的質(zhì)量控制裝置來(lái)控制燃料量，從而使溫度精確地控制在需要的數(shù)值上。

3 熱能與動(dòng)力工程的發(fā)展方向

熱能與動(dòng)力工程的應(yīng)用范圍十分廣泛，不僅僅是在鍋爐領(lǐng)域，在機(jī)車(chē)內(nèi)燃機(jī)控制、空調(diào)制冷等方面它也都有著很好的應(yīng)用前景。

(1）熱能動(dòng)力及控制工程方向(含能源環(huán)境工程方向），關(guān)注熱能與動(dòng)力測(cè)試技術(shù)、鍋爐原理、汽輪機(jī)原理、燃燒污染與環(huán)境、動(dòng)力機(jī)械設(shè)計(jì)、熱力發(fā)電廠、熱工自動(dòng)控制、傳熱傳質(zhì)數(shù)值計(jì)算、流體機(jī)械等知識(shí)。

(2）熱力發(fā)動(dòng)機(jī)及汽車(chē)工程方向:關(guān)注內(nèi)燃機(jī)(或透平機(jī)）原理、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、測(cè)試，燃料和燃燒，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)排放與環(huán)境工程，能源工程概論，內(nèi)燃機(jī)電子控制，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱和熱負(fù)荷，汽車(chē)工程概論等知識(shí)。

(3）制冷低溫工程與流體機(jī)械方向:關(guān)注制冷、低溫原理、人工環(huán)境自動(dòng)化、暖通空調(diào)系統(tǒng)、低溫技術(shù)學(xué)、熱工過(guò)程自動(dòng)化、流體機(jī)械原理、流體機(jī)械系統(tǒng)仿真與控制等知識(shí)。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，熱能與動(dòng)力工程在諸多領(lǐng)域都有應(yīng)用，其在火電領(lǐng)域?qū)τ谔岣咤仩t運(yùn)行效率和燃料燃燒率也有著突出作用，無(wú)論是改進(jìn)鍋爐燃燒方式還是對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化控制，都涉及熱動(dòng)知識(shí)體系。我國(guó)在鍋爐燃燒水平方面有很大的提升空間，綜合交叉應(yīng)用其他學(xué)科的知識(shí)，深度探究熱能與動(dòng)力工程在鍋爐運(yùn)作和能源生產(chǎn)中的應(yīng)用，可以促進(jìn)我國(guó)能源利用率的不斷提高和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展。謹(jǐn)希望本文能夠?qū)?shí)際的工程生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)作用，由于筆者知識(shí)體系和實(shí)踐研究有限，文章尚存在一些不足之處，還望讀者包涵。

[1]齊盛.熱能與動(dòng)力工程在鍋爐運(yùn)用中存在的問(wèn)題及解決對(duì)策[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014(17）:109

[2]田青.熱能與動(dòng)力工程在鍋爐領(lǐng)域的應(yīng)用探究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014(19）:21

2014-10-14

閆天明(1979—），男，吉林長(zhǎng)春人，工程師，研究方向:項(xiàng)目管理。