工業(yè)鍋爐相變反應(yīng)中的節(jié)能方案設(shè)計(jì)

姜曉強(qiáng)

(大慶龍化新實(shí)業(yè)總公司，黑龍江 大慶 163714)

0 引言

長期以來，能源效率低下一直是困擾我國經(jīng)濟(jì)增長的關(guān)鍵問題，單位GDP 消耗的能源與世界平均水平有很大差距，節(jié)能問題是急需解決的問題。根據(jù)我國有關(guān)部門的研究報(bào)告，指出在眾多能耗產(chǎn)品中工業(yè)鍋爐在進(jìn)行有效節(jié)能措施后具有巨大的節(jié)能潛力，在排行榜是居于第一位。我國國家質(zhì)檢總局于近年制定并實(shí)施了兩項(xiàng)工業(yè)鍋爐行業(yè)節(jié)能降耗技術(shù)規(guī)范，目的是為了實(shí)現(xiàn)我國的節(jié)能目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)資源的高效利用。這兩項(xiàng)具體的行業(yè)規(guī)范對相關(guān)的鍋爐生產(chǎn)、使用單位以及對鍋爐的質(zhì)量檢測部門提出了明確的規(guī)范和要求，為工業(yè)鍋爐行業(yè)節(jié)能的實(shí)現(xiàn)奠定了制度基礎(chǔ)。在我國的大部分企業(yè)中，工業(yè)鍋爐還沒有實(shí)現(xiàn)自控運(yùn)行技術(shù)，大多還依靠人工控制，所以在精度和準(zhǔn)確度方面控制水平較低。導(dǎo)致運(yùn)行效率低，影響到鍋爐的整體運(yùn)行效率。因此本文通過研究設(shè)計(jì)基于節(jié)能效果的工業(yè)鍋爐自動控制系統(tǒng)具有重要的意義［1－6］。

1 工業(yè)鍋爐高耗能分析

(1)我國大多數(shù)工業(yè)鍋爐生產(chǎn)企業(yè)單位面臨資金短缺、技術(shù)落后且技術(shù)人員數(shù)量不足、生產(chǎn)規(guī)模小、無力開展有力實(shí)驗(yàn)研究工作等問題，在大多數(shù)情況下依賴對國外產(chǎn)品的仿制，不能擁有核心技術(shù)和創(chuàng)新，導(dǎo)致產(chǎn)品技術(shù)含量低、效能低下［7］。在研究設(shè)計(jì)方面，缺乏對燃燒及輔助設(shè)備的開發(fā)，把大部分精力都放在受壓元件部分的安全上。

(2)工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)的配置不夠完善，一些小型工業(yè)鍋爐甚至不能進(jìn)行自動化監(jiān)控，大部分鍋爐只是采用了部分能夠保證鍋爐正常運(yùn)行的設(shè)置，如水位報(bào)警器、溫度壓強(qiáng)控制報(bào)警裝置、聯(lián)鎖保護(hù)裝置等，對爐膛溫度、爐膛負(fù)壓、煙氣含氧量、排煙溫度等缺少監(jiān)控。對鍋爐系統(tǒng)燃燒情況的調(diào)節(jié)僅依靠操作人員的觀察，無法進(jìn)行科學(xué)的在線監(jiān)測調(diào)節(jié)，導(dǎo)致無法充分發(fā)揮燃料效率，使得鍋爐運(yùn)行效率降低。由于缺乏對鍋爐運(yùn)行過程中參數(shù)的實(shí)時調(diào)控，鍋爐無法進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致能源損失過大，一些小型工業(yè)鍋爐熱效率僅僅達(dá)到60%。

(3)對相關(guān)技術(shù)人員及管理人員的培訓(xùn)不到位，相關(guān)人員節(jié)能降耗意識不強(qiáng)，操作水平參差不齊，對鍋爐運(yùn)行效率有較大影響。操作人員水平的提高能夠使工業(yè)鍋爐運(yùn)行效率提高最多10%，在中小型鍋爐企業(yè)這種問題更為突。

(4)鍋爐用煤質(zhì)量不高，主要采用原煤，而燃燒設(shè)備技術(shù)跟不上，采用傳統(tǒng)的鏈帶式結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致爐排漏煤量大，漏風(fēng)等一系列問題，使得燃煤無法燃盡，增加了燃料的損失［8］。

(5)鍋爐排煙溫度一般高達(dá)200℃以上，會帶出大量的熱量，造成能源的巨大浪費(fèi)，同時還會對環(huán)境造成不良影響，形成溫室效應(yīng)，空氣污染等。排煙問題是鍋爐面臨的重要問題，主要與技術(shù)過低，設(shè)計(jì)不合理，管理不善等相關(guān)。

(6)鍋爐用煤不當(dāng)也是造成效率低下的一個原因，一般來說，鍋爐的爐拱都是經(jīng)過特定設(shè)計(jì)以使用配置煤種，而部分鍋爐不適用設(shè)計(jì)煤種，導(dǎo)致燃料不能完全燃燒，影響了鍋爐運(yùn)行效率，并進(jìn)一步可能影響鍋爐出力［9］。

(7)在鍋爐運(yùn)行過程中，產(chǎn)生大量的熱量，對受熱內(nèi)外表面產(chǎn)生不同程度的污染，鍋爐在長期使用過程中形成的水垢和灰垢在受熱面積累，使鍋爐表面腐蝕，鼓包，對爐管造成破壞，不僅大大降低了鍋爐熱效率，還帶來一定的安全隱患。

(8)鍋爐保溫措施不夠完善，造成熱量的大量浪費(fèi)。工業(yè)鍋爐工作時，熱量通過煙風(fēng)系統(tǒng)、汽水管道系統(tǒng)、爐體系統(tǒng)、輔助設(shè)備等進(jìn)行傳輸，而這些系統(tǒng)無保溫措施或是保溫措施不到位，系統(tǒng)中存在漏氣、跑氣現(xiàn)象，且不回收冷凝水，造成了巨大的浪費(fèi)，嚴(yán)重影響鍋爐效率［10］。

2 工業(yè)鍋爐節(jié)能方案設(shè)計(jì)

從以上分析的工業(yè)鍋爐高耗能的原因可知，工業(yè)鍋爐使用過程中，人員培訓(xùn)以及企業(yè)相關(guān)設(shè)施需要進(jìn)一步的加強(qiáng)和提高。但是在工業(yè)鍋爐設(shè)備控制過程中的高耗能是可以通過控制進(jìn)行改進(jìn)。基于工業(yè)鍋爐的嚴(yán)重耗能現(xiàn)象和巨大的節(jié)能降耗潛力，本文設(shè)計(jì)采用了一些節(jié)能措施，這項(xiàng)系統(tǒng)在爐膛出口溫度、鍋爐煙氣含氧量、鍋爐爐膛負(fù)壓等方面進(jìn)行了控制以達(dá)到節(jié)能減排的效果。

2．1 物料出口溫度控制

通過對鍋爐運(yùn)行情況的分析，發(fā)現(xiàn)物料流量、燃燒工況、空氣量與燃料量的比值等幾個要素會影響鍋爐物料的出口溫度。因此可以通過控制系統(tǒng)中物料流量達(dá)到控制出口溫度的效果，但同樣會受到其他因素諸如風(fēng)力作用，燃料情況等條件的影響。因此選用串級控制系統(tǒng)?？梢宰屓剂铣浞秩紵尫抛銐驘崃?。當(dāng)出口溫度波動時控制物料流量可以使溫度達(dá)到穩(wěn)定水平。空氣量和燃料量的比值通過比值控制器控制，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中兩者流量比需要保持恒定，空氣量隨燃料量的變化而變化，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中鍋爐負(fù)荷量發(fā)生變化時也要相應(yīng)調(diào)整空氣量和燃料量的輸入［11］。物料溫度控制系統(tǒng)具體細(xì)節(jié)見圖1。

這項(xiàng)系統(tǒng)中如果物料出口溫度受影響波動，即可通過物料出口溫度控制器對燃料量進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后控制空氣量以保證空氣量與燃料量的比值不變。在實(shí)際操作過程中，物料出口溫度的變化后燃料量首先做出反應(yīng)進(jìn)而對其進(jìn)行調(diào)節(jié)，隨著通過燃料變送器、空氣量與燃料量比值器調(diào)節(jié)空氣量的輸入，所以空氣量的變化總是比燃料量的變化遲，因此比值處于動態(tài)的變化過程中。因此，在鍋爐運(yùn)行時，為保證燃料充分燃燒，需要采用邏輯提降量的比值控制系統(tǒng)。在提升負(fù)荷時要求先提升空氣量，后提升燃料量;在降低負(fù)荷時，要求先降低燃料量，后降低空氣量。

該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)通過增加HS 和LS 兩個選擇器構(gòu)成，K 表示空氣量與燃料量的比值。因需要控制系統(tǒng)中存在的穩(wěn)態(tài)誤差，同時減少流量噪音對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，故燃料流量和空氣流量的控制均使用PI 控制器而不使用微分作用。當(dāng)產(chǎn)生微分作用的情形時，主控制器和輸出的變化會對調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)產(chǎn)生較大影響，因此副控制器使用PI 控制器，便于控制，而主控制器選用PID 控制器［12］。

圖1 燃料－空氣雙閉環(huán)串級控制出口溫度系統(tǒng)

圖2 煙氣含氧量閉環(huán)控制系統(tǒng)

2．2 煙氣含氧量閉環(huán)控制

在燃料燃燒之后產(chǎn)生煙氣，而煙氣中氧氣的含量稱之為煙氣含氧量，主要受到燃料燃燒狀況影響。煙氣含氧量可以校正送風(fēng)量，調(diào)節(jié)燃料量和空氣量的比值進(jìn)行合理配比，而這個比值受燃料的質(zhì)量和流量監(jiān)測誤差的影響，所以經(jīng)常性波動，因此采用閉環(huán)控制系統(tǒng)控制;同時為避免巨大噪音對測定產(chǎn)生偏差，使用比例積分。煙氣中氧氣的含量反應(yīng)了燃料的燃燒情況，通過對系統(tǒng)的設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)燃料燃燒效率的提高，采用變比值控制，避免燃料質(zhì)量變化造成的比值變化，可以達(dá)到最優(yōu)煙氣含氧量，一般在1% ～3%左右，同時也能保證鍋爐處于一個高效運(yùn)作狀態(tài)。煙氣含氧量具體工作流程見圖2。

圖3 爐膛負(fù)壓單閉環(huán)控制系統(tǒng)

2．3 爐膛負(fù)壓控制

對爐膛負(fù)壓的控制也是鍋爐運(yùn)行中一個核心環(huán)節(jié)(見圖3)，爐膛負(fù)壓過高或過低均不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定、維護(hù)和安全運(yùn)行。爐膛負(fù)壓過低可能會產(chǎn)生噴火情況，灼燒爐墻和保溫層，同時對工作人員的人身安全也會造成一定威脅;爐膛負(fù)壓過高則會增加能量損失，不利于節(jié)能減排。爐膛負(fù)壓PI 控制器通過調(diào)節(jié)引風(fēng)量可以使?fàn)t膛負(fù)壓達(dá)到一個相對穩(wěn)定的水平，同時需要注意引風(fēng)過快造成的熱量損失。

對鍋爐控制技術(shù)進(jìn)行研究，信息科技的發(fā)展為控制技術(shù)的提高創(chuàng)造了有利條件，而控制技術(shù)主要是通過傳感器系統(tǒng)對鍋爐運(yùn)行情況如給煤量，給水量，鼓風(fēng)引風(fēng)量等進(jìn)行實(shí)時調(diào)控，通過PID 算法對工業(yè)鍋爐各個參數(shù)進(jìn)行分析，因此對相關(guān)技術(shù)的開發(fā)可以提高控制水平，達(dá)到單控、集控、遠(yuǎn)程監(jiān)控等控制技術(shù)優(yōu)化;再配以先進(jìn)的變頻調(diào)風(fēng)調(diào)速裝置，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。鍋爐控制系統(tǒng)可以對水位控制回路、給煤控制回路、溫度控制回路等各個回路進(jìn)行控制，通過計(jì)算機(jī)輸出鍋爐運(yùn)行結(jié)果。工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)原理見圖4。

對鍋爐水處理情況進(jìn)行檢測，水處理過程是消耗能量較多的過程，對水處理設(shè)置及相關(guān)操作人員的監(jiān)測和檢查是保證節(jié)能效率的重要舉措。部分企業(yè)不配備或者不適用水處理設(shè)備，導(dǎo)致水垢厚度超標(biāo)，監(jiān)測不合格，必須要納入整頓行列。對水質(zhì)的檢查也是一個重要的環(huán)節(jié)，可以適當(dāng)加藥水以調(diào)節(jié)水質(zhì)，同時要做好水質(zhì)酸性的控制工作，以免對鍋爐造成腐蝕，對排污水質(zhì)量、污染做到嚴(yán)格控制，避免對環(huán)境造成過大影響。同時避免增大排污率以滿足排污要求的企業(yè)，這樣一方面增大了排污量，還會造成熱量的大大浪費(fèi)。同時鍋爐的水位控制也是保證鍋爐安全運(yùn)行的一個重要參數(shù)，水位過高或過低均會影響鍋爐蒸汽循環(huán)，產(chǎn)生事故。水位過高，鍋爐內(nèi)溫度過高，容易損壞管壁，進(jìn)而鍋爐內(nèi)部產(chǎn)生水沖擊，損害鍋爐;水位過低時，引起水冷管壁破裂，嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致爆炸。水位控制系統(tǒng)可以采用單水位控制模式、雙水位控制模式和三沖量的水位控制模式［13］。水位控制系統(tǒng)具體細(xì)節(jié)見圖5。

圖4 控制系統(tǒng)原理圖

圖5 基于模糊自適應(yīng)PID 控制算法的水位控制回路

2．4 鍋爐控制方案設(shè)計(jì)中的節(jié)能減排

本文為達(dá)到節(jié)能降耗目的，采用多種方案，提出節(jié)能控制系統(tǒng)。為保證燃料燃盡，控制燃料量與空氣量比值處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，采用邏輯提降量的比值控制系統(tǒng)，改變了提升負(fù)荷和降低負(fù)荷時燃料量和空氣量的添加順序。同時在燃料燃盡的前提下，控制煙氣含氧量大小，使之處于最優(yōu)水平，通過對煙氣含氧量實(shí)現(xiàn)對空氣量的校正，實(shí)現(xiàn)鍋爐高效運(yùn)行。調(diào)節(jié)燃料量和空氣量的比值進(jìn)行合理配比，使燃料充分燃燒，煙氣中氧氣的含量反應(yīng)了燃料的燃燒情況，通過對系統(tǒng)的設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)燃料燃燒效率的提高，采用變比值控制，避免燃料質(zhì)量變化造成的比值變化;同時通過采用擋板控制引風(fēng)速率，保證爐膛負(fù)壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行效率的提升。鍋爐燃燒后產(chǎn)生的廢氣如CO、CO2、O2、SO2等用含氧量表示，可以在一定程度上反映鍋爐效率，也作為廢氣排放的一項(xiàng)指標(biāo)，需要在鍋爐運(yùn)行中進(jìn)行控制，一般情況下在1% ～3%鍋爐效率最高。通過煙氣含氧量可以校正送風(fēng)量，使燃料充分燃燒，并讓尾氣達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，這是另一節(jié)能措施。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的工業(yè)鍋爐節(jié)能控制系統(tǒng)主要從鍋爐設(shè)備系統(tǒng)方面進(jìn)行節(jié)能處理，該系統(tǒng)從從鍋爐物料出口溫度、鍋爐煙氣含氧量、鍋爐爐膛負(fù)壓等方面進(jìn)行控制，達(dá)到了預(yù)期結(jié)果。

3 結(jié)語

在社會建設(shè)的新階段，工業(yè)鍋爐行業(yè)面臨著巨大的發(fā)展機(jī)遇，同時也面臨著技術(shù)、效率等各項(xiàng)問題的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，工業(yè)鍋爐節(jié)能降耗是一項(xiàng)重要方針。在國家能源戰(zhàn)略和環(huán)保政策的推動下，工業(yè)鍋爐正以高效、節(jié)能、降耗作為研發(fā)中心環(huán)節(jié)，加強(qiáng)培養(yǎng)相關(guān)研發(fā)的技術(shù)人員，以減少對環(huán)境帶來的危害。我國正逐步健全工業(yè)鍋爐生產(chǎn)、控制等相關(guān)制度標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步推動工業(yè)鍋爐的開發(fā)和應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排這一重要戰(zhàn)略目標(biāo)，從而達(dá)到能源的高效利用。

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