多臺(tái)冷凝式鍋爐給水系統(tǒng)水平衡的研究與應(yīng)用

何 寅 王 虎 于興江（浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司杭州卷煙廠，浙江 杭州 310024）

?

多臺(tái)冷凝式鍋爐給水系統(tǒng)水平衡的研究與應(yīng)用

何 寅 王 虎 于興江
（浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司杭州卷煙廠，浙江 杭州 310024）

摘 要：冷凝式鍋爐多利用高效的煙氣冷凝余熱回收裝置來(lái)回收煙氣中的顯熱和潛熱，以達(dá)到提高鍋爐熱效率的目的。多臺(tái)冷凝式鍋爐給水系統(tǒng)主要由鍋爐、給水泵、除氧器、軟水箱構(gòu)成。本文研究解決了多臺(tái)冷凝式鍋爐組成的給水系統(tǒng)的水量平衡和有效供給問(wèn)題，確定鍋爐最佳運(yùn)行工況。在1臺(tái)或多臺(tái)鍋爐運(yùn)行時(shí)，能對(duì)該給水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，既充分保證在用鍋爐冷凝式節(jié)能器的進(jìn)水量，使煙氣中的水蒸汽有效冷凝，確保鍋爐高效運(yùn)行；同時(shí)保持了鍋爐除氧器的正常水位，防止了因除氧器缺水導(dǎo)致停爐停產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：冷凝式鍋爐；水平衡；二級(jí)節(jié)能器；煙氣余熱回收

隨著環(huán)保及能源消耗要求的不斷提高，大量的現(xiàn)代化工廠普遍采用冷凝式鍋爐為工廠生產(chǎn)提供蒸汽，其中的煙氣冷凝余熱回收裝置是節(jié)能減排的關(guān)鍵，即利用水氣熱交換的方式回收煙氣中的顯熱和潛熱，從而提高鍋爐的熱效率。如何合理地配比各類閥門(mén)開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)冷凝式鍋爐給水系統(tǒng)的水平衡，使煙氣余熱回收效率最大化，意義重大。

一、多臺(tái)冷凝式鍋爐給水系統(tǒng)構(gòu)成介紹

杭州卷煙廠動(dòng)力車間現(xiàn)配備有1臺(tái)德國(guó)產(chǎn)10T/ H產(chǎn)汽量的單爐頭冷凝式鍋爐及4臺(tái)20T/H產(chǎn)汽量的雙爐頭冷凝式鍋爐，每臺(tái)鍋爐均安裝了一級(jí)、二級(jí)節(jié)能器用以回收煙氣中的顯熱和潛熱。鍋爐進(jìn)水入爐前通過(guò)一級(jí)節(jié)能器與煙氣進(jìn)行熱交換，進(jìn)水溫升提高20℃左右，同時(shí)降低了煙氣溫升。除氧器進(jìn)水進(jìn)入除氧器之前通過(guò)二級(jí)節(jié)能器與煙氣進(jìn)行第二次熱交換，進(jìn)水溫升提高60℃，同時(shí)進(jìn)一步降低煙氣溫升。

鍋爐的給水系統(tǒng)主要由鍋爐用軟水箱、鍋爐用恒壓供水系統(tǒng)、除氧器、二級(jí)節(jié)能器、軟水箱至恒壓供水系統(tǒng)連接管路、恒壓供水系統(tǒng)至二級(jí)節(jié)能器連接管路、二級(jí)節(jié)能器至除氧器連接管路以及旁通調(diào)節(jié)閥、回流調(diào)節(jié)閥、二級(jí)節(jié)能器進(jìn)水調(diào)節(jié)閥、除氧器進(jìn)水調(diào)節(jié)閥構(gòu)成。具體構(gòu)成如圖1所示。

圖1

二、多臺(tái)冷凝式鍋爐給水系統(tǒng)水平衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.理想水平衡控制系統(tǒng)必須的滿足工況

（1）二級(jí)節(jié)能器煙氣換熱后溫度較高時(shí)增大二級(jí)節(jié)能器進(jìn)水調(diào)節(jié)閥，煙氣換熱后溫度較低時(shí)減小二級(jí)節(jié)能器進(jìn)水調(diào)節(jié)閥，確保二級(jí)節(jié)能器的換熱效率。

（2）二級(jí)節(jié)能器換熱后瞬時(shí)水量小于除氧器瞬時(shí)需水量時(shí)，須開(kāi)啟旁通閥一定開(kāi)度，以補(bǔ)償兩者的差值，滿足除氧器的正常需水量。

（3）二級(jí)節(jié)能器換熱后瞬時(shí)水量大于除氧器瞬時(shí)需水量時(shí)，須開(kāi)啟回流閥一定開(kāi)度，將多余的換熱后的軟水回流到鍋爐軟水箱，以最大限度地提高二級(jí)節(jié)能器的換熱效率，盡可能多地回收煙氣中的顯熱和潛熱。

2.調(diào)節(jié)閥控制

依據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，整套水平衡控制系統(tǒng)應(yīng)包含旁通調(diào)節(jié)閥、回流調(diào)節(jié)閥、二級(jí)節(jié)能器進(jìn)水調(diào)節(jié)閥共計(jì)7個(gè)控制量，其中二級(jí)節(jié)能器進(jìn)水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度受各臺(tái)鍋爐換熱后煙氣溫度直接控制，可通過(guò)獨(dú)立的溫度PID控制方式實(shí)現(xiàn)，而旁通調(diào)節(jié)閥及回流調(diào)節(jié)閥這兩個(gè)控制量的控制思路如下所示。

（1）計(jì)算旁通調(diào)節(jié)閥和回流調(diào)節(jié)閥流量，以下計(jì)算均在理想環(huán)境下（忽略管路壓損，閥門(mén)開(kāi)度與流量線性關(guān)系良好）進(jìn)行。

設(shè)定除氧器進(jìn)水流量為Qc，1#～5#鍋爐二級(jí)節(jié)能器進(jìn)水流量分別為Qb1～Qb5，旁通調(diào)節(jié)閥流量為Qp，回流調(diào)節(jié)閥流量為Qh，回流調(diào)節(jié)閥最小開(kāi)度對(duì)應(yīng)的流量為Qhmin。

即二級(jí)節(jié)能器換熱所需水流量大于實(shí)際除氧器需水量，此時(shí)：

即除氧器需水量大于二級(jí)節(jié)能器換熱所需水流量，此時(shí)：

（2）根據(jù)壓差和管路管徑換算旁通調(diào)節(jié)閥和回流調(diào)節(jié)閥開(kāi)度命令值，控制閥門(mén)開(kāi)度，其中各閥門(mén)開(kāi)度與流量的換算公式如下。

設(shè)定開(kāi)度為x，恒壓供水系統(tǒng)供水壓力為0.3MPa，則流量Q為：

當(dāng)x≤50%時(shí)，Q=9540s=53πr2arccos （1-2x）-19080r2（1-2x）；

當(dāng)x＞50%時(shí)，Q=πr2+19080r2（2x-1）。

三、水平衡控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及搭建

在實(shí)際工況中，杭州卷煙廠鍋爐產(chǎn)汽大系統(tǒng)由幾個(gè)獨(dú)立的小型系統(tǒng)構(gòu)成。該鍋爐產(chǎn)汽系統(tǒng)由冷凝水回收裝置（S7-200架構(gòu)）、除氧器除氧系統(tǒng)（S7-200架構(gòu)）、除氧器恒壓供水系統(tǒng)系統(tǒng)（三菱PLC架構(gòu)）、鍋爐本體控制系統(tǒng)（S7-300架構(gòu)）以及集中監(jiān)控系統(tǒng)（S7-300架構(gòu)）組成。其中集中監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)及modbus等通信協(xié)議采集了所有小系統(tǒng)的寄存器狀態(tài)。

水平衡自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用西門(mén)子S7-300PLC、輸入輸出模塊、通信模塊、西門(mén)子MP377觸摸面板、溫度傳感器、流量計(jì)及電動(dòng)閥組成。其中每臺(tái)鍋爐采集換熱前煙氣溫度、換熱后煙氣溫度、換熱后出水水溫以及二級(jí)節(jié)能器水流量信號(hào)，并且安裝有二級(jí)節(jié)能器進(jìn)水調(diào)節(jié)閥1個(gè)，在總管上安裝有1個(gè)旁通調(diào)節(jié)閥和回流調(diào)節(jié)閥以及采集總管的進(jìn)水水溫。安裝位置如圖2所示。

圖2

PLC硬件組態(tài)如圖3所示。

圖3

模擬量信號(hào)采集及控制數(shù)據(jù)如圖4、5所示。

1.控制原理及實(shí)現(xiàn)方式

（1）新建的水平衡自控系統(tǒng)與原有集中監(jiān)控系統(tǒng)共處于同一網(wǎng)段，所有小系統(tǒng)的寄存器信息均通過(guò)s7連接從集中監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)交換得到，主要包括除氧器進(jìn)水開(kāi)度，鍋爐啟停信號(hào)，鍋爐燃油燃?xì)庑盘?hào)。

圖4

圖5

（2）通過(guò)鍋爐啟停信號(hào)及鍋爐燃油燃?xì)庑盘?hào)進(jìn)行邏輯判斷，僅在鍋爐啟動(dòng)并且燃?xì)鉅顟B(tài)時(shí)打開(kāi)二級(jí)節(jié)能器進(jìn)水調(diào)節(jié)閥進(jìn)行煙氣余熱回收。

（3）1#～5#二級(jí)節(jié)能器進(jìn)水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度用以控制換熱后煙氣溫度，其中設(shè)定換熱后煙氣溫度PID控制目標(biāo)值為90℃，高于90℃開(kāi)大調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，低于90℃則關(guān)小調(diào)節(jié)閥開(kāi)度。

（4）旁通調(diào)節(jié)閥和回流調(diào)節(jié)閥開(kāi)度控制根據(jù)上文的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算及換算。

（5）為保證給水系統(tǒng)變頻器最低頻率運(yùn)行，延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命，回流調(diào)節(jié)閥要求始終保持最小開(kāi)度以上，保證變頻器運(yùn)行頻率高于32.9Hz。

2.需要解決的主要問(wèn)題

（1）由于在用鍋爐節(jié)能器之間壓差不同，造成節(jié)能器進(jìn)水力不均衡，進(jìn)水量少的節(jié)能器無(wú)法高效運(yùn)行。

（2）不投用的鍋爐節(jié)能器同時(shí)也在進(jìn)水，會(huì)使運(yùn)行的節(jié)能器水量不夠，影響節(jié)能器的效能發(fā)揮，目前運(yùn)行狀態(tài)下，幾臺(tái)鍋爐的熱效率在99%左右。

（3）在除氧器較高水位時(shí)，除氧器進(jìn)水調(diào)節(jié)閥關(guān)小或關(guān)閉，影響了所有節(jié)能器的工作。

（4）在全廠蒸汽冷凝水回收少或不回收時(shí)，還是可能會(huì)造成除氧器補(bǔ)水不夠，影響鍋爐正常運(yùn)行。

四、結(jié)語(yǔ)

以上內(nèi)容主要針對(duì)基于多臺(tái)冷凝式鍋爐給水系統(tǒng)水平衡系統(tǒng)的研究和應(yīng)用進(jìn)行了綜述，且在杭州卷煙廠動(dòng)力車間進(jìn)行了實(shí)施推廣，在保證除氧器正常供水的前提下，實(shí)現(xiàn)了煙氣余熱的按需回收利用。

參考文獻(xiàn)：

［1］賈力，孫金棟.天然氣鍋爐煙氣冷凝熱能回收的研究［J］.節(jié)能與環(huán)保，2010（1）：1-3.

［2］李慧君，王樹(shù)眾等.冷凝式燃?xì)忮仩t煙氣余熱回收可行性經(jīng)濟(jì)分析［J］.工業(yè)鍋爐，2003（2）：1-4.

［3］Lakehal，Djamel.Turbulence and heat exchange in condensing vapor - liquid flow，Physics of Fluids，Volume 20，Issue 6，pp.065101-065101-182008（6）.

中圖分類號(hào)：TP272

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-0711（2016）03-0050-03

收稿日期：（2015-02-16）