新型余熱鍋爐控制系統(tǒng)

安徽理工大學電氣與信息學院 張雯清

社會經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱也是能源發(fā)展的重要歸宿——電力行業(yè)，它的發(fā)展代表著一個國家經(jīng)濟是否發(fā)達以及發(fā)達的水平。而對于我國來說，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，以達到進一步降低煤耗，以此來降低污染；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)展國家清潔電力能源，對應國家能源發(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)過程中燃燒排放的煙氣，所產(chǎn)生的余熱，對蒸汽系統(tǒng)的給水進行加熱，使其產(chǎn)生的合格水蒸氣，進而運輸?shù)狡啓C中去做功，其產(chǎn)生的機械能再經(jīng)發(fā)電機通過電網(wǎng)送往千家萬戶。與傳統(tǒng)的使用不可再生資源作為燃料，燒出進入汽輪機做功的蒸汽相比，它合理利用了煙氣余熱甚至是有害廢品的余熱，整個過程不發(fā)生燃燒反應，也不存在燃燒器、油槍等設備，設備更加高效、簡潔、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，對于節(jié)約各項能源具有不可估量的作用。

2 余熱鍋爐的水位控制

余熱鍋爐運行中，汽包水位處于動態(tài)變化過程。影響水位變化的因素復雜，一般采用PID自動調節(jié)控制，使其穩(wěn)定在規(guī)定值。余熱鍋爐給水調節(jié)的任務是使給水量適應余熱鍋爐的蒸發(fā)量，并且把汽包水位保持在正常的范圍內。

2.1 穩(wěn)定水位的重要性

余熱鍋爐運行過程中，如果對你水位監(jiān)視不嚴或操作不當，將會造成汽包水位過高或過低，嚴重影響蒸汽輪機和余熱鍋爐安全運行。水位過高，蒸發(fā)空間將縮小，會影響汽水分離效果，引起蒸汽帶水，飽和蒸汽的濕度增加，含鹽量增多。水位過低，可能會破壞自然循環(huán)余熱鍋爐的正常的水循環(huán)來回使強制循環(huán)余熱鍋爐的爐水循環(huán)泵入口汽化，泵組強烈振動，最終會破壞余熱鍋爐的水循環(huán)。嚴重缺水而又處理不當時，相關受熱面管壁溫差變化過大，導致管材損傷，嚴重時導致爆管。

2.2 影響水位變化的因素

余熱鍋爐運行中，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方面：

（1）蒸發(fā)設備的物質平衡遭到破壞，即給水量與蒸發(fā)量不一致；

（2）工質狀態(tài)發(fā)生了改變，如蒸汽壓力變化引起工質比容改變和誰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，與受擾動的程度有關。從上述兩個方面歸納，運行中影響汽包水位變化的因素有給水蒸汽流量變化、負荷變化和汽包壓力變化，因此用考慮擾動的串級三沖量PID控制整定圖像如圖1所示。

圖1 水位控制仿真框圖

在串級給水調節(jié)系統(tǒng)中有兩個對象，受到三個調節(jié)變量的影響，分別是圖中三個紅箭頭所表示的。和單級調節(jié)系統(tǒng)相比較，相當于加了一個調節(jié)器。數(shù)據(jù)進入PI調節(jié)器是不能帶單位的，水位的測量是通過裝置將水位信號轉化為對應的電流信號，以此來反應水位的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在進入PI調節(jié)器之前需要經(jīng)過換算，這樣數(shù)據(jù)才不會出錯。

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，主調節(jié)器最終P為6.2，I為0.198276；副調節(jié)器P為80，I為16.PV值根據(jù)運行仿真曲線結果知為15，仿真曲線如圖2所示。

相應的I/O清單如表1所示。

表1 水位控制與調節(jié)I/O清單

3 余熱鍋爐汽包壓力控制

3.1 必要性

余熱鍋爐運行時應嚴格監(jiān)視蒸汽壓力并維持其穩(wěn)定。蒸汽壓力波動過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的安全和經(jīng)濟運行。

蒸汽壓力降低，蒸汽輪機不能保持額定出力，影響機組發(fā)電效率。燃氣輪機負荷不變，蒸汽壓力降低，必然引起汽包水位的上升，可能會造成蒸汽大量帶水，蒸汽品質惡化。

蒸汽壓力過低，機、爐承壓部件承受過大的應力，影響設備壽命和機組的安全運行。當蒸汽壓力過高導致安全門動作時，會造成大量的排氣損失，影響經(jīng)濟性，并引起汽包水位較大波動。當蒸汽壓力過高時，對應的飽和蒸汽溫度相應提高，蒸汽過熱度減小，蒸汽輪機末級濕度增加，可能造成葉片侵蝕。

蒸汽壓力頻繁波動，承壓部件經(jīng)常承受交變應力，易引起部件金屬的疲勞損壞，同時蒸汽壓力的突變容易造成汽包虛假水位，若運行調整不當或誤操作，容易發(fā)生滿水或缺水事故。

由于F級聯(lián)合循環(huán)機組多為單元制機組，沒有母管及相鄰機組的緩沖作用，蒸汽壓力對機組的影響更為突出。

3.2 影響蒸汽壓力穩(wěn)定的主要因素

余熱鍋爐正常運行時，其蒸汽壓力是由燃氣輪機側所提供的煙氣熱量的多少和蒸汽輪機側允許的通流能力所決定。此外余熱鍋爐設備部件出現(xiàn)異常時，也會導致蒸汽壓力波動。影響蒸汽壓力穩(wěn)定的因素可歸納為燃氣輪機側、蒸汽輪機側和余熱鍋爐內部影響三個方面。

（1）燃氣輪機側的影響

余熱鍋爐的熱量來自于燃氣輪機側的排氣，當燃氣輪機工況發(fā)生變化時，排氣溫度和流量的變化對蒸汽壓力產(chǎn)生影響。蒸汽壓力能夠表示余熱鍋爐產(chǎn)汽量和蒸汽輪機用汽量之間的關系（或其他蒸汽用戶）。當用汽量增加，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，燃氣輪機排氣溫度升高或排氣量增加，產(chǎn)汽量也增加。產(chǎn)汽量與燃氣輪機排氣流量和燃氣輪機排氣溫度的關系如圖3所示。

影響燃氣輪機工況變化的原因有很多，如外界負荷需求、燃料的品質、空氣參數(shù)等，當外界負荷增加、天然氣熱值增高、單位體積空氣質量流量大時會導致燃氣輪機排氣的熱量增加，蒸汽壓力升高，反之則下降。

圖3 產(chǎn)汽量與排氣量、排氣溫度的線性關系

（2）蒸汽輪機的影響

余熱鍋爐產(chǎn)生產(chǎn)生的蒸汽流經(jīng)蒸汽輪機主汽閥和調節(jié)閥后，依次通過蒸汽輪機內部各級完成做功。由于主汽閥和調節(jié)閥一般處于全開狀態(tài)，蒸汽流通的阻力是不變的，因此在機組正常運行時，不會因調峰影響蒸汽壓力穩(wěn)定。當蒸汽輪機葉片結垢嚴重、機組超速、閥門誤動時會導致蒸汽壓力波動。另外，蒸汽輪機旁路系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)，與余熱鍋爐蒸汽系統(tǒng)相聯(lián)，也會對蒸汽壓力產(chǎn)生影響。

（3）余熱鍋爐內部影響

余熱鍋爐作為換熱設備，由受熱面、汽水管道、泵、閥等部件組成。煙氣經(jīng)過受熱面，將熱量傳遞給工質，工質完成狀態(tài)變化產(chǎn)生蒸汽去做功。為了最大程度的實現(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)管外積灰或者管內結垢后，都會大大影響換熱效果，導致蒸汽壓力下降。另外，如果余熱鍋爐爐墻出現(xiàn)破損，煙氣外泄，熱量減少也將導致蒸汽壓力下降。最后，當汽水管道出現(xiàn)泄漏，受熱面出現(xiàn)爆管，安全閥、對空排氣閥、疏水閥等閥門出現(xiàn)誤動、卡澀時，也會導致蒸汽壓力下降。

3.3 操作規(guī)程

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

（1）當壓力升至0.05—0.1mpa時，沖洗汽包水位計程序：第一步，微開放水門，使汽管、水管及其玻璃得到?jīng)_洗；第二步，關閉水門，沖洗汽管及玻璃；第三步，開啟水門，關閉汽門沖洗水管及玻璃；第四步，開啟汽門關閉放水門，在沖洗水位計前后，應注意水位計內水位情況，當關閉放水門后，水位應能很快上升，此后水面應有輕微波動，否則應予再沖洗，沖洗時動作應緩慢，工作人員臉部不應正對水位計，并帶防護手套。

（2）當壓力升至0.1-0.15mpa時，沖洗壓力表。

（3）當壓力升至0.15-0.2mpa時，檢查各連接處有無泄漏現(xiàn)象，對人孔和檢修時拆卸的法蘭螺栓進行一次再擰緊。

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

（5）當壓力升至0.4-0.6mpa，緩慢開啟主蒸汽閥進行暖管。

（6）當壓力升至3.5mpa時，通知有關人員校安全閥；安全閥校正者：分廠廠長或其指派人員，鍋爐組長、鍋爐值班員、檢修工、技術員及生產(chǎn)技術部代表，校驗順序：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，不準過快以免引起水位劇烈波動，造成假水位，校驗完畢把實際結果記在運行日志上。

表2 汽包壓力與電信號對應值參考表

表3 汽包壓力調節(jié)與控制的I/O清單

（7）鍋爐已達到工作壓力，應對設備進行全面檢查，以確定設備是否正常。

該升壓過程設計是一個模擬量，因此將輸入輸出的電信號來對應汽包的升壓過程，壓力與4-20mA電信號對應表如表2所示。

此程序相應I/O清單如表3所示。

4 結論

總的來說，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，它將傳統(tǒng)鍋爐中經(jīng)過一系列工業(yè)過程產(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)與燃氣輪機所產(chǎn)生的高溫煙氣余熱重新利用起來。由于它并不需要燃燒，所以可以說，它只是一個換熱器——水熱換熱器。非常貼合現(xiàn)在綠色節(jié)能環(huán)保的大趨勢，同時也會使電廠的發(fā)電效率大大提高。