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）

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多臺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冷凝式鍋爐組成的給水系統(tǒng)的水量平衡和有效供給問題，確定鍋爐最佳運行工況。在1臺或多臺鍋爐運行時，能對該給水系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制，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，確保鍋爐高效運行；同時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開度，實現(xiàn)多臺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、多臺冷凝式鍋爐給水系統(tǒng)構(gòu)成介紹

杭州卷煙廠動力車間現(xiàn)配備有1臺德國產(chǎn)10T/ H產(chǎn)汽量的單爐頭冷凝式鍋爐及4臺20T/H產(chǎn)汽量的雙爐頭冷凝式鍋爐，每臺鍋爐均安裝了一級、二級節(jié)能器用以回收煙氣中的顯熱和潛熱。鍋爐進(jìn)水入爐前通過一級節(jié)能器與煙氣進(jìn)行熱交換，進(jìn)水溫升提高20℃左右，同時降低了煙氣溫升。除氧器進(jìn)水進(jìn)入除氧器之前通過二級節(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)至二級節(jié)能器連接管路、二級節(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、多臺冷凝式鍋爐給水系統(tǒng)水平衡控制系統(tǒng)設(shè)計

1.理想水平衡控制系統(tǒng)必須的滿足工況

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

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

（3）二級節(jié)能器換熱后瞬時水量大于除氧器瞬時需水量時，須開啟回流閥一定開度，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、二級節(jié)能器進(jìn)水調(diào)節(jié)閥共計7個控制量，其中二級節(jié)能器進(jìn)水調(diào)節(jié)閥開度受各臺鍋爐換熱后煙氣溫度直接控制，可通過獨立的溫度PID控制方式實現(xiàn)，而旁通調(diào)節(jié)閥及回流調(diào)節(jié)閥這兩個控制量的控制思路如下所示。

（1）計算旁通調(diào)節(jié)閥和回流調(diào)節(jié)閥流量，以下計算均在理想環(huán)境下（忽略管路壓損，閥門開度與流量線性關(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)閥最小開度對應(yīng)的流量為Qhmin。

即二級節(jié)能器換熱所需水流量大于實際除氧器需水量，此時：

即除氧器需水量大于二級節(jié)能器換熱所需水流量，此時：

（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)閥開度命令值，控制閥門開度，其中各閥門開度與流量的換算公式如下。

設(shè)定開度為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，Q=9540s=53πr2arccos （1-2x）-19080r2（1-2x）；

當(dāng)x＞50%時，Q=πr2+19080r2（2x-1）。

三、水平衡控制系統(tǒng)硬件設(shè)計及搭建

在實際工況中，杭州卷煙廠鍋爐產(chǎn)汽大系統(tǒng)由幾個獨立的小型系統(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)。

水平衡自動化控制系統(tǒng)設(shè)計采用西門子S7-300PLC、輸入輸出模塊、通信模塊、西門子MP377觸摸面板、溫度傳感器、流量計及電動閥組成。其中每臺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節(jié)能器水流量信號，并且安裝有二級節(jié)能器進(jìn)水調(diào)節(jié)閥1個，在總管上安裝有1個旁通調(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

模擬量信號采集及控制數(shù)據(jù)如圖4、5所示。

1.控制原理及實現(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)水開度，鍋爐啟停信號，鍋爐燃油燃?xì)庑盘枴?/p>

圖4

圖5

（2）通過鍋爐啟停信號及鍋爐燃油燃?xì)庑盘栠M(jìn)行邏輯判斷，僅在鍋爐啟動并且燃?xì)鉅顟B(tài)時打開二級節(jié)能器進(jìn)水調(diào)節(jié)閥進(jìn)行煙氣余熱回收。

（3）1#～5#二級節(jié)能器進(jìn)水調(diào)節(jié)閥開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℃開大調(diào)節(jié)閥開度，低于90℃則關(guān)小調(diào)節(jié)閥開度。

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

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

2.需要解決的主要問題

（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)能器無法高效運行。

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

（3）在除氧器較高水位時，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，還是可能會造成除氧器補(bǔ)水不夠，影響鍋爐正常運行。

四、結(jié)語

以上內(nèi)容主要針對基于多臺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，且在杭州卷煙廠動力車間進(jìn)行了實施推廣，在保證除氧器正常供水的前提下，實現(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.

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［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：TP272

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-0711（2016）03-0050-03

收稿日期：（2015-02-16）