馬 舜，李順榮，孫志敏，劉松國

(杭州市特種設備檢測研究院，浙江 杭州 310003)

工業(yè)鍋爐是一種危險性較大的特種設備，根據(jù)《特種設備安全監(jiān)察條例》及《鍋爐司爐人員考核管理規(guī)定》，我國在用的鍋爐必須由經(jīng)過培訓考核并取得操作證的司爐人員來操作。而目前我國工業(yè)鍋爐的運行管理能力比較低，尤其是中小型鍋爐，一方面分布廣泛，自動化程度偏低，另一方面司爐人員的文化水平總體較低，技術水平參差不齊［1］，每年僅因司爐人員操作不當引起的鍋爐事故多達數(shù)百起，而由操作不合理導致的鍋爐長期低效率運行的情況則更加普遍［2］，這直接對國家財產(chǎn)和人民生命安全構成了很大威脅。因此對司爐人員的操作技能進行定期有效的培訓具有重要的意義。

傳統(tǒng)的培訓方式多數(shù)通過圖片和文字形式來講解，學員缺少實際操作的機會［3］，因此技能長進緩慢，培訓效果較差。隨著機電一體化和信息化技術的發(fā)展，采用由縮小比例的鍋爐實體模型結合后臺仿真計算機組成的鍋爐模擬機系統(tǒng)開展司爐工培訓成為了一種新型方式［4］。該類系統(tǒng)采用與真實鍋爐相似的本體外形結構和控制臺，但沒有燃料、水、汽等介質，也不存在真正的燃燒、蒸發(fā)等物理化學過程，由后臺仿真軟件來模擬鍋爐的運行。由于有了實物部分，學員可以進行類似于實際鍋爐的操作，因此這類培訓裝置易取得較好的培訓效果，從而引起了較多關注。

近幾年我國也開發(fā)了一些鍋爐模擬機系統(tǒng)，開展研究的單位有大連鍋檢所、上海鍋檢所、杭州特檢院、大慶石油管理局、三浦鍋爐公司、華東理工大學、大連理工大學、浙江大學、大慶石油學院、中國石油大學等［3，5－8］。隨著產(chǎn)品的更新?lián)Q代，人們在希望模擬機的仿真效果、可靠性、實時性及操作感更佳的同時，還對其功能提出了新的要求。目前該裝置的研究普遍還停留在安全操作技能培訓的設計理念，即以工業(yè)鍋爐的正確安全操作為準則，保證學員操作的正確性，使司爐工掌握安全操作技能是保證鍋爐安全運行的基本要求，然而隨著國家節(jié)能減排戰(zhàn)略的開展，節(jié)能思想被擺在了越來越重要的位置［9］，工業(yè)鍋爐成為了節(jié)能的主要對象之一。在工業(yè)鍋爐的節(jié)能方法中操作節(jié)能是重要的一面［10］，特別是對于燃煤鍋爐這種自動化程度較低的鍋爐而言，好的司爐工能夠做到在同樣的熱源下產(chǎn)生更多的蒸汽或熱水。實踐證明，司爐工的操作水平和節(jié)能安全意識是影響鍋爐效率的決定性因素，提高司爐人員操作水平而取得的節(jié)能效果可占節(jié)能總量的1/3左右［11］，開展司爐工節(jié)能操作技能的培訓顯得十分緊迫，而節(jié)能操作技能的培訓功能在目前的鍋爐模擬機研究中并未涉及。

在工業(yè)鍋爐的節(jié)能操作方面，燃煤鍋爐最具有代表［12］，因此本文針對現(xiàn)有技術的不足，提出一種基于模擬機的臥式燃煤鏈條爐排蒸汽鍋爐節(jié)能操作技能的仿真培訓原理和方法，為鍋爐模擬機的發(fā)展開拓一種新的思路。

1 燃煤鍋爐節(jié)能操作方法分析

1.1 DZL型燃煤鍋爐的結構和特點

臥式燃煤鏈條鍋爐在我國是數(shù)量最多最為典型的工業(yè)燃煤鍋爐，由于燃燒設備、運行管理等因素普遍存在運行效率低的問題，因此節(jié)能潛力巨大［12－13］。圖1所示為DZL蒸汽鍋爐結構圖，整套鍋爐系統(tǒng)由鏈條爐排、煤斗、鍋筒、水冷壁、煙管、鼓風機、引風機、給水泵、除渣機等組成。工作時燃料自煤斗落在爐排前部，隨著爐排運轉，煤經(jīng)過預熱干留、著火、燃盡，爐渣落入渣斗，由除渣機隨時排出爐外，爐拱采用人字形拱，改善著火條件，煙氣在前、后拱間的喉部形成渦流與空氣充分混合、燃燒，然后進入兩翼煙道，通過煙箱進入煙管，經(jīng)過省煤器、除塵器，由引風機至煙囪排出。

圖1 臥式燃煤鏈條爐排(DZL)蒸汽鍋爐結構

工業(yè)燃煤鍋爐具有運行監(jiān)測儀表不全，控制水平低的硬件缺陷［1，14］，系統(tǒng)內沒有連續(xù)閉環(huán)控制，無法根據(jù)外界變化自動調節(jié)鍋爐運行狀態(tài)，同時也缺少顯示鍋爐經(jīng)濟運行參數(shù)的儀表，使得運行工況的穩(wěn)定、運行效率的保證和提高受到了很大的限制，因此司爐人員的操作技術水平和節(jié)能意識顯得格外重要。在鍋爐運行時，由于缺少數(shù)據(jù)，司爐人員往往是通過觀察火焰、煙氣等的顏色，依賴一定經(jīng)驗對鍋爐的運行狀態(tài)做出準確的判斷并手動實行相應的運行調整。

1.2 燃煤鍋爐運行狀態(tài)的判斷方法分析

對鍋爐進行節(jié)能操作和調節(jié)的前提是正確判斷鍋爐的運行狀態(tài)，對于真實燃煤鍋爐，判斷其運行狀態(tài)的方法主要有兩種［15－16］:第一種，通過觀察爐膛內的燃燒情況來判斷鍋爐的燃燒狀態(tài)，比如爐膛火焰呈金黃色或淺橙色，爐渣呈灰白色且不夾有黑色小煤粒，煙囪冒出的煙呈淺灰色，說明爐內燃燒工況良好;第二種，通過熱工測試測量排煙溫度、爐渣含碳量、過量空氣系數(shù)等參數(shù)來評價鍋爐的運行水平和熱工性能。

1.3 燃煤鍋爐經(jīng)濟運行的操作手段分析

在確定鍋爐的運行狀態(tài)后需要采取合理正確的操作對鍋爐進行調節(jié)，燃煤鏈條鍋爐經(jīng)濟運行的實際操作手段主要包括［12，17］:燃燒調整、煤質調整、水質調整、輔機調整等，其中燃燒調整是最重要最有效的一種節(jié)能操作方式，而煤質、水質、輔機的調整更多依賴于管理。

所謂的燃燒調整，即根據(jù)外界條件的變化(如煤質和負荷)來調整燃料量、空氣量、給水量，從而使壓力、水位、溫度保持相對穩(wěn)定，鍋爐保持高效運行。涉及的調節(jié)參數(shù)包括:煤層厚度、爐排速度、分段送風的風門開度、鼓風機擋板開度、引風機擋板開度、給水閥開度等。例如在固定負荷下，對于無煙煤、劣質煙煤或大塊煤，需要厚煤層，高風壓，慢速度;對于煙煤或末煤，則需要薄煤層，低風壓，快速度［15］。而當負荷增加，汽壓降低時，應增加風量，先增引風，再增送風，然后增加爐排速度;當負荷減小，壓力上升時，應減小風量，先減小送風，再減小引風，然后降低爐排速度。

2 節(jié)能操作培訓軟硬件條件分析

2.1 節(jié)能操作技能培訓可實現(xiàn)性分析

由于真實的燃煤鍋爐缺乏能效監(jiān)控儀表，司爐工主要依靠觀察和一定的經(jīng)驗判斷鍋爐的燃燒工況，這在模擬機系統(tǒng)中是不可行的。對于模擬機，由于不存在燃燒介質和反應，要逼真模擬鏈條爐的燃燒很難實現(xiàn)，司爐工判斷鍋爐狀態(tài)所依賴的火焰顏色、火勢大小、煙氣顏色、爐渣顏色和顆粒無法完全模擬，因此必須考慮一種新的途徑來呈現(xiàn)模擬機系統(tǒng)中鍋爐的燃燒狀態(tài)。考慮到在模擬機中鍋爐的運行是由基于數(shù)學模型的數(shù)字仿真程序實現(xiàn)的，因此鍋爐運行的熱工測試參數(shù)可在線實時獲得，故可將仿真程序計算出的鍋爐熱力學參數(shù)以一定的形式反饋給模擬機操作人員，以供其判斷鍋爐運行狀態(tài)。在操作調節(jié)方面，煤質、水質、輔機的調整在模擬機系統(tǒng)中較難實現(xiàn)培訓，而燃燒調整是可實現(xiàn)的，同時也應該是鍋爐模擬機節(jié)能操作技能培訓的重點內容。

2.2 節(jié)能操作技能培訓軟硬件需求

基于上述分析提出鍋爐模擬機上實現(xiàn)節(jié)能操作技能培訓所需具備的軟硬件條件。首先在軟件上，包含燃煤鍋爐全工況運行精確數(shù)學模型的數(shù)字仿真程序是必須的。數(shù)學模型根據(jù)鍋爐設置參數(shù)，如煤層高度、爐排速度、風門開度等，計算出作為反饋信號和評價指標的熱效率、排煙溫度、過量空氣系數(shù)、爐體外表溫度、爐膛負壓、蒸汽壓力、水位、煤斗煤余量、爐膛火焰大小等熱力學參數(shù)，使學員操作時各物理量之間建立聯(lián)動關系。而對于只有安全操作技能培訓功能的模擬機，數(shù)學模型的準確性甚至必要性無關緊要，因為諸如點火、升壓、壓火、停爐、安全附件檢查等操作培訓主要與操作順序有關，培訓過程中并不需要數(shù)學模型計算熱力學參數(shù)，只需將操作步驟和正確的步驟進行對比和評價即可。

其次在硬件上，需要對爐排的進煤量、爐膛的進風量、鍋筒的進水量、汽包的出汽量進行測量和計算，即需要連續(xù)測量煤層高度、爐排速度、分段送分門開度、鼓風擋板開度、引風擋板開度、給水閥開度、主汽閥開度等節(jié)能操作關鍵物理量，并設計相應的煤量調節(jié)檢測裝置、風量調節(jié)檢測裝置、給水量及出汽量調節(jié)檢測裝置、及熱力學參數(shù)顯示反饋裝置等。而對于只有安全操作技能培訓的模擬機，通常對這些操作機構進行簡化，如省略煤層高度調節(jié)機構，省略分段風門，并以簡單的開關量或檔位量的形式來處理上述物理量的狀態(tài)。

3 節(jié)能操作技能培訓原理及方法

提出的節(jié)能操作型燃煤鍋爐模擬機由鍋爐實體物理模型、操作控制臺、傳感檢測控制器、仿真微機四部分組成，其中各類傳感器和顯示裝置安裝在鍋爐模型的各操作機構、閥門、儀表上;操作控制臺上布置有操作按鍵、儀表指示燈、以及一臺用來顯示鍋爐運行熱力學參數(shù)動態(tài)曲線的觸摸屏顯示器;仿真微機上運行著包含燃煤鍋爐數(shù)字仿真程序及操作記錄評分程序的培訓考核軟件;傳感檢測控制器集成在操作控制臺內，用來處理傳感顯示元件和仿真微機之間的信息交換。

系統(tǒng)內各部件之間的信號流關系如圖2所示，實現(xiàn)節(jié)能操作技能仿真培訓的原理如下:學員通過觀察水位表、壓力表、煤量指示裝置、火焰模擬裝置，控制臺上的各指示燈、電流電壓表、報警燈，以及觸摸屏顯示的熱力學參數(shù)曲線，如熱效率、爐膛出口煙溫及過量空氣系數(shù)、排煙溫度及過量空氣系數(shù)、爐體外表溫度、爐膛負壓等，對鍋爐的運行工況及低效原因做出分析和判斷，然后調節(jié)鍋爐模型上與節(jié)能操作相關的各操作機構，如煤閘板手輪、爐排調速器、分段風門調節(jié)手柄、鼓風擋板調節(jié)手柄、引風擋板調節(jié)手柄、給水閥、主汽閥等，同時根據(jù)鍋爐出現(xiàn)的狀況，對與安全操作相關的各操作機構進行輔助調節(jié)，如排氣閥、安全閥、快開排污閥、慢開排污閥、觀火窗、撥火門、三通旋塞、水位表上的各旋塞、控制柜上的各按鍵等。各類傳感器將各操作機構的機械信號轉換成電信號，傳感檢測控制器按一定頻率采樣各傳感器及控制臺各按鍵的狀態(tài)，將狀態(tài)信號轉換成各類操作信號，并通過以太網(wǎng)輸入仿真微機;仿真微機一方面依據(jù)操作記錄評分程序記錄并判斷學員操作的正誤，另一方面依據(jù)燃煤鍋爐數(shù)字仿真程序計算出鍋爐仿真運行的各參數(shù)信號，其中包含蒸汽壓力、水位、煤斗煤余量、爐膛火焰大小在內的參數(shù)信號通過以太網(wǎng)輸出給傳感檢測控制器，包含熱效率、排煙溫度、過量空氣系數(shù)、爐體外表溫度、爐膛負壓在內的參數(shù)信號輸出給觸摸屏顯示器;控制器將各參數(shù)信號轉換成驅動信號并分別輸出至鍋爐模型及控制臺上的各類顯示裝置，觸摸屏將各參數(shù)信號以動態(tài)曲線形式顯示，從而將鍋爐運行工況反饋給學員，使學員做出進一步的判斷和調節(jié)。當培訓練習完成后，操作記錄評分程序根據(jù)規(guī)定時間內鍋爐仿真運行的平均熱效率、平均排煙溫度、以及操作步驟進行評分，并將評分信息通過觸摸屏顯示給學員。依此實現(xiàn)燃煤鍋爐節(jié)能操作技能及安全操作技能的仿真培訓。

圖2 仿真培訓原理信號流圖

4 結論

(1)在鍋爐模擬機上實現(xiàn)節(jié)能操作技能的仿真培訓具有一定可行性，是鍋爐模擬機發(fā)展的一種新思路和新趨勢。

(2)燃燒調整技能是仿真培訓的重點內容，在模擬機上實現(xiàn)需具備燃煤鍋爐精確數(shù)學模型的軟件條件，以及對爐排進煤量、爐膛進風量、鍋筒進水量、汽包出汽量進行連續(xù)測量和計算的硬件條件。

(3)提出的基于傳感元件檢測、控制器采集轉換、仿真微機運算評價、顯示裝置反饋的燃煤鍋爐節(jié)能操作技能培訓原理及方法，具有一定指導意義和參考價值。

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