燃?xì)忮仩t的節(jié)能優(yōu)化與運行控制研究

林海 LIN Hai

（紅云紅河煙草（集團）有限責(zé)任公司新疆卷煙廠，烏魯木齊 830000）

0 引言

燃?xì)忮仩t是一種利用燃?xì)庾鳛槿剂袭a(chǎn)生熱能的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工業(yè)和生活領(lǐng)域。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和環(huán)境保護意識的增強，提高能源利用效率和減少環(huán)境污染已成為燃?xì)忮仩t行業(yè)面臨的重要問題。在燃?xì)忮仩t的運行過程中，存在能量損失和環(huán)境排放問題，如燃燒不充分、煙氣中含有大量未利用的熱能等。因此，研究燃?xì)忮仩t的節(jié)能優(yōu)化與運行控制，對于提高能源利用效率、減少能源消耗和環(huán)境污染具有重要意義。

1 現(xiàn)有鍋爐系統(tǒng)設(shè)備運行現(xiàn)狀分析

1.1 鍋爐設(shè)備概況

新疆卷煙廠動力中心的鍋爐系統(tǒng)設(shè)備包括一臺出汽量為6t/h 的勞斯三回程煙管鍋爐（UL—S600）和兩臺出汽量為16t/h 的勞斯三回程煙管鍋爐（UL—S1600）。這些鍋爐設(shè)備是供應(yīng)廠區(qū)熱能和動力所必需的關(guān)鍵設(shè)備。

勞斯三回程煙管鍋爐（UL—S600）是一種常見的燃?xì)忮仩t，其結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1 和圖2 所示。該鍋爐采用煙管式設(shè)計，具有三回程的煙氣通道，能夠提高熱效率和煙氣排放效果。其出汽量為6t/h，可以滿足廠區(qū)的熱能需求。

圖1 勞斯三回程煙管鍋爐（UL—S600）

圖2 勞斯三回程煙管鍋爐（UL—S600）工作原理

勞斯三回程煙管鍋爐（UL—S1600）與UL—S600 相似，但出汽量更大，為16t/h。這種鍋爐適用于大規(guī)模的熱能需求，能夠提供更多的蒸汽供應(yīng)。

除了鍋爐設(shè)備，該廠還配置了兩臺型號為HPCY-25的除氧設(shè)備。這些除氧設(shè)備設(shè)計流量為25m3/h，設(shè)計壓力為0.02MPa，設(shè)計溫度為110℃。除氧設(shè)備在燃?xì)忮仩t系統(tǒng)中起著重要的作用，能夠有效地去除水中的氧氣，防止鍋爐水腐蝕和氧化。

1.2 鍋爐設(shè)備運行效率分析

根據(jù)表1 所示，鍋爐設(shè)備運行效率的分析結(jié)果如下：

表1 鍋爐設(shè)備運行效率

在新疆卷煙廠動力中心，勞斯三回程煙管鍋爐UL—S600 的出汽量為6t/h，年運行小時數(shù)為3000 小時，年蒸汽產(chǎn)量為18,000 噸。根據(jù)數(shù)據(jù)計算，該鍋爐設(shè)備的運行效率為80%。這意味著在燃燒天然氣的過程中，有20%的能量損失未能被充分利用，存在一定的節(jié)能潛力。

同樣地，勞斯三回程煙管鍋爐UL—S1600 的出汽量為16t/h，年運行小時數(shù)為3000 小時，年蒸汽產(chǎn)量為48，000 噸。根據(jù)數(shù)據(jù)計算，該鍋爐設(shè)備的運行效率為85%。相較于UL—S600，UL—S1600 的運行效率更高，表示更高比例的燃料能被轉(zhuǎn)化為蒸汽，能源利用效率更高。

通過對鍋爐設(shè)備的運行效率分析，可以看出存在一定的節(jié)能潛力。為了提高鍋爐設(shè)備的能源利用效率，有必要對燃燒控制系統(tǒng)、煙氣回收和余熱利用等方面進行優(yōu)化。這將有助于減少能源消耗、降低生產(chǎn)成本，并減少對環(huán)境的負(fù)面影響。下一步的研究將著重探討燃?xì)忮仩t的節(jié)能優(yōu)化方案，以提高鍋爐設(shè)備的運行效率和能源利用效率。

2 燃?xì)忮仩t的節(jié)能優(yōu)化方案

2.1 鍋爐熱效率提升方案

2.1.1 改進燃燒控制系統(tǒng)

提高燃?xì)忮仩t熱效率的核心在于燃燒控制系統(tǒng)的技術(shù)升級。對燃燒過程進行精細(xì)化管理，不僅可確保燃料完全燃燒，降低有害排放，還能實現(xiàn)高效的熱能轉(zhuǎn)化。

技術(shù)細(xì)節(jié)上，首先應(yīng)采用高靈敏度的燃燒器檢測傳感器，持續(xù)監(jiān)測燃燒器的工況，確保其處于最佳燃燒狀態(tài)。引入自適應(yīng)算法來動態(tài)調(diào)整燃料供給速率，使其隨時與實際的熱負(fù)荷保持一致，消除能源過度消耗。進一步，根據(jù)實時數(shù)據(jù)，自動調(diào)整空氣和燃料的混合比，確保在所有工況下都能達(dá)到近乎完美的空燃比。

最新的燃燒控制技術(shù)，如基于機器學(xué)習(xí)的控制策略，可以實時預(yù)測鍋爐的負(fù)荷需求，并自動調(diào)節(jié)燃燒參數(shù)以滿足即時需求。此外，引入閉環(huán)反饋系統(tǒng)，使得控制策略在面對外部擾動時仍能維持燃燒的穩(wěn)定性[1]。

在實施中，每項技術(shù)方案都需要經(jīng)過模擬和實際測試，來驗證其在實際運行中的效果和穩(wěn)定性。持續(xù)的監(jiān)測和維護，結(jié)合高度自動化的技術(shù)手段，是確保燃燒控制系統(tǒng)持續(xù)高效運行的關(guān)鍵。綜合應(yīng)用這些高端技術(shù)，可以有效地提升燃?xì)忮仩t的整體性能，為實現(xiàn)企業(yè)的綠色高效運行做出實質(zhì)性貢獻(xiàn)。

2.1.2 優(yōu)化煙氣回收

燃?xì)忮仩t的熱效率提升，離不開煙氣回收技術(shù)的精細(xì)化應(yīng)用。為了充分捕捉煙氣中潛藏的熱能，必須采納高效的技術(shù)策略，確保每一步操作都達(dá)到能量利用的最大化。

選擇先進的煙氣余熱回收裝置是至關(guān)重要的。例如，采用高效熱傳導(dǎo)材料和先進的換熱結(jié)構(gòu)的煙氣余熱換熱器，可以提高熱交換效率，從而確保盡可能多的熱能從煙氣中傳遞到冷卻水或空氣。對于煙氣余熱鍋爐，利用超導(dǎo)熱管和增強型換熱面，可以在較低的溫差下實現(xiàn)更高的熱轉(zhuǎn)移率。

其次，引入煙氣再循環(huán)技術(shù)，不僅需要重新導(dǎo)入部分煙氣參與燃燒，而且需配備傳感器與控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測并調(diào)整煙氣的流速和量，確保其在最佳的條件下進入燃燒室，從而提高整體的熱效率。

此外，通過流體動力學(xué)模擬，可以對煙氣的流動路徑進行優(yōu)化，減少因湍流和死角導(dǎo)致的熱損失。并且，還可以采用變頻驅(qū)動的風(fēng)機，根據(jù)實時需求動態(tài)調(diào)整煙氣流速，進一步降低能耗[2]。

總之，通過技術(shù)手段深度優(yōu)化煙氣回收系統(tǒng)，不僅能大幅提高燃?xì)忮仩t的熱效率，更能為企業(yè)節(jié)省大量的能源成本，實現(xiàn)經(jīng)濟與環(huán)境的雙重效益。

2.1.3 加強余熱利用

燃?xì)忮仩t的能源利用優(yōu)化中，技術(shù)層面的余熱回收和再利用顯得尤為關(guān)鍵。這一過程不僅能顯著提高能效，還有助于減少對環(huán)境的負(fù)面影響。

具體地說，高效的余熱回收裝置，如螺旋板式余熱換熱器或帶有高導(dǎo)熱材料的余熱蓄熱器，可以確保鍋爐煙氣中的熱量被充分轉(zhuǎn)化。這種轉(zhuǎn)化利用熱量，無論是供暖、工藝熱或產(chǎn)生熱水，都顯得效率極高。在更高級的設(shè)計中，即使在較小的溫差下，微通道熱交換器也可以提供更高的熱傳遞效率。

除了傳統(tǒng)的余熱回收裝置，熱管技術(shù)和吸熱式熱泵也可以進一步提高低溫余熱的利用效率。例如，吸熱式熱泵可以利用低溫余熱為其他系統(tǒng)提供高溫?zé)嵩?，而不需要額外的能源輸入。

運行策略上的優(yōu)化也極為關(guān)鍵。通過智能傳感器和控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測煙氣和余熱的參數(shù)，從而動態(tài)調(diào)整運行條件，確保余熱被最大程度地利用。這也涉及到復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，以預(yù)測并調(diào)整鍋爐的運行狀態(tài)，實現(xiàn)最佳的熱效率[3]。

總之，技術(shù)驅(qū)動的余熱利用策略可以顯著提高燃?xì)忮仩t的運行效率，同時為企業(yè)帶來經(jīng)濟收益，為環(huán)境提供了實質(zhì)性的保護。

2.2 燃料的選擇與優(yōu)化

燃燃?xì)忮仩t運行效率的優(yōu)化，在很大程度上依賴于燃料選擇與處理技術(shù)。通過引入先進的燃料分析與處理技術(shù)，我們可以有效提高燃燒效率，從而減少能源開銷和環(huán)境污染。

燃料特性分析技術(shù)允許對不同的燃料進行詳盡的化學(xué)和熱學(xué)評估。例如，采用高分辨率質(zhì)譜或紅外光譜技術(shù)可以提供關(guān)于燃料組成和燃燒特性的詳細(xì)信息，從而為選擇最佳的燃料提供科學(xué)依據(jù)。對于天然氣，其高甲烷含量和低硫含量使其在燃?xì)忮仩t中具有高效和清潔的燃燒特性。而針對煤炭等固態(tài)燃料，可以采用氣化技術(shù)，將其轉(zhuǎn)化為合成氣，再進行優(yōu)化處理以滿足燃燒需求。

其次，燃料處理技術(shù)，如脫硫、脫氮和水分控制技術(shù)，可以進一步優(yōu)化燃料質(zhì)量，提高燃燒效率并降低排放。例如，采用膜分離技術(shù)或吸附技術(shù)可以從燃料中有效去除硫化合物或氮化合物，從而減少煙氣中的SOX和NOX排放。

智能控制系統(tǒng)可以實時監(jiān)測燃料的物理和化學(xué)特性，自動調(diào)整燃燒參數(shù)，以確保燃?xì)忮仩t始終在最佳燃燒狀態(tài)下運行。

總之，結(jié)合先進的燃料分析、處理和控制技術(shù)，不僅可以選擇最適合的燃料，還可以優(yōu)化燃料的燃燒特性，從而在技術(shù)層面確保燃?xì)忮仩t的高效運行[4]。

3 燃?xì)忮仩t的運行控制措施

3.1 鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)控制

在燃?xì)忮仩t的高效操作中，實施先進的負(fù)荷調(diào)節(jié)控制技術(shù)對于優(yōu)化性能和確保設(shè)備安全至關(guān)重要。精準(zhǔn)的負(fù)荷調(diào)節(jié)可以避免熱效率降低、設(shè)備疲勞和潛在的過載風(fēng)險。

首先，基于現(xiàn)代計算方法，如機器學(xué)習(xí)或時間序列分析，可以進行實時負(fù)荷預(yù)測，從而更精準(zhǔn)地預(yù)測不同時段和季節(jié)的熱需求，為鍋爐負(fù)荷提供明確指導(dǎo)。

核心技術(shù)在于燃燒器的精細(xì)控制。燃燒器的燃料噴射率和噴射模式可以通過先進的電磁閥和PID 控制技術(shù)進行微調(diào)，以實現(xiàn)熱輸出的精確控制。同時，通過安裝高精度的空氣流量傳感器和燃料流量計，可以實時監(jiān)控燃燒器的空/燃料比，確保最佳燃燒效率。

為了進一步增強負(fù)荷調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性，鍋爐的工藝參數(shù)如水位、蒸汽壓力和水化學(xué)狀態(tài)都可以通過智能傳感器進行持續(xù)監(jiān)測。例如，采用超聲波水位傳感器可以確保水位的高精度監(jiān)測，而微處理器控制的壓力調(diào)節(jié)閥可以實時調(diào)整蒸汽壓力以滿足系統(tǒng)需求[1]。

對于聯(lián)鎖多鍋爐系統(tǒng)，先進的負(fù)載分配算法可以自動調(diào)整各鍋爐的工作狀態(tài)，如啟動、負(fù)荷或停機，以確保系統(tǒng)總負(fù)荷均勻分配，同時優(yōu)化整體熱效率。此外，引入的冗余和自適應(yīng)控制策略可以自動應(yīng)對系統(tǒng)擾動，從而保障鍋爐在各種工況下的穩(wěn)定和高效運行。

3.2 除氧設(shè)備的運行控制

在燃?xì)忮仩t系統(tǒng)中，高精度除氧設(shè)備對鍋爐水質(zhì)的維護至關(guān)重要。該設(shè)備有效地移除水中的氧分子，從而避免了在鍋爐內(nèi)部的腐蝕和氧化作用，進而延長了鍋爐的使用壽命，并保障了其運行效率。

關(guān)于除氧設(shè)備的操作，先進的傳感器技術(shù)如電化學(xué)氧傳感器被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測水中的氧含量。根據(jù)這些讀數(shù)，微處理器控制系統(tǒng)可實時調(diào)節(jié)除氧塔的操作參數(shù)，例如介質(zhì)流速和加熱溫度，確保最大的除氧效率。此外，持續(xù)的水質(zhì)分析能夠監(jiān)測到潛在的水質(zhì)變化，比如離子濃度的變化，這是通過離子交換色譜儀完成的。這樣的信息不僅對調(diào)整除氧參數(shù)有幫助，還有助于決定何時以及如何投加特定的水處理化學(xué)品。

除此之外，集成的PLC 控制系統(tǒng)不僅可以實時監(jiān)測除氧器的運行狀態(tài)，還可以自動響應(yīng)任何異常，如超出設(shè)定的氧濃度閾值。這種系統(tǒng)通過先進的算法和自適應(yīng)控制策略，可以與鍋爐的主控系統(tǒng)、循環(huán)泵和其他相關(guān)設(shè)備協(xié)同工作，確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[5]。

最后，為確保系統(tǒng)的整體協(xié)同運作，鍋爐與除氧設(shè)備之間的通訊接口及標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議至關(guān)重要。例如，通過Modbus 或Profibus 等通訊協(xié)議，這種集成可以確保在鍋爐負(fù)荷變化時，除氧設(shè)備能夠相應(yīng)地自動調(diào)整，實現(xiàn)最優(yōu)的水質(zhì)條件和能效。

4 效果評估

根據(jù)表2 所示的數(shù)據(jù)，可以對燃?xì)忮仩t系統(tǒng)的優(yōu)化效果進行評估和分析。

表2 優(yōu)化后的鍋爐設(shè)備運行效率

首先，針對勞斯三回程煙管鍋爐UL—S600，經(jīng)過優(yōu)化措施的實施，鍋爐的效率從初始的80%提高到了優(yōu)化后的85%。這意味著在相同的出汽量下，鍋爐能夠更有效地轉(zhuǎn)化燃料能量為蒸汽能量，減少了能源的浪費和損耗。通過對燃燒控制系統(tǒng)的改進，燃料的燃燒更充分，煙氣中的熱量回收更高效，同時加強了余熱的利用。優(yōu)化后的鍋爐設(shè)備能夠更高效地滿足生產(chǎn)需求，提高了能源利用效率。

對于勞斯三回程煙管鍋爐UL—S1600，經(jīng)過優(yōu)化措施的實施，鍋爐的效率從初始的85%提高到了優(yōu)化后的88%。通過改進燃料的選擇和優(yōu)化燃燒過程，鍋爐能夠更有效地轉(zhuǎn)化燃料能量為蒸汽能量，提高了能源的利用效率。同時，通過加強余熱利用，鍋爐的熱損失減少，提高了整體的能源回收效果。優(yōu)化后的鍋爐設(shè)備能夠更高效地滿足生產(chǎn)需求，降低了生產(chǎn)成本，同時也減少了對環(huán)境的影響。通過對比優(yōu)化前后的效率數(shù)據(jù)，可以看出兩臺鍋爐設(shè)備在節(jié)能優(yōu)化措施的實施下均取得了顯著的改進。勞斯三回程煙管鍋爐UL—S600 的優(yōu)化效率為6.25%，而勞斯三回程煙管鍋爐UL—S1600 的優(yōu)化效率為3.53%。這表明優(yōu)化措施在提高鍋爐設(shè)備的效率和性能方面取得了良好的效果。

5 結(jié)語

本文研究了燃?xì)忮仩t的節(jié)能優(yōu)化與運行控制。通過分析現(xiàn)有系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀，提出了包括改進燃燒控制、優(yōu)化煙氣回收、加強余熱利用和燃料選擇在內(nèi)的一系列優(yōu)化措施。實施這些建議后，鍋爐的熱效率和能源利用得到顯著提升，同時降低了能源消耗和環(huán)境污染。特別地，鍋爐負(fù)荷的調(diào)節(jié)和除氧設(shè)備的控制對保證其穩(wěn)定高效運行至關(guān)重要。未來的研究將進一步探討這一領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，旨在為燃?xì)忮仩t的節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展提供更多貢獻(xiàn)。