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(shè)備，設(shè)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(diào)節(jié)控制，使其穩(wěn)定在規(guī)定值。余熱鍋爐給水調(diào)節(jié)的任務(wù)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(nèi)。

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(guān)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(shè)備的物質(zhì)平衡遭到破壞，即給水量與蒸發(fā)量不一致；

（2）工質(zhì)狀態(tài)發(fā)生了改變，如蒸汽壓力變化引起工質(zhì)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(guān)。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(diào)節(jié)系統(tǒng)中有兩個對象，受到三個調(diào)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(diào)節(jié)系統(tǒng)相比較，相當于加了一個調(diào)節(jié)器。數(shù)據(jù)進入PI調(diào)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(zhuǎn)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(diào)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(diào)節(jié)器最終P為6.2，I為0.198276；副調(diào)節(jié)器P為80，I為16.PV值根據(jù)運行仿真曲線結(jié)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(diào)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(zhì)惡化。

蒸汽壓力過低，機、爐承壓部件承受過大的應力，影響設(shè)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?nèi)菀自斐善摷偎?，若運行調(diào)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(cè)所提供的煙氣熱量的多少和蒸汽輪機側(cè)允許的通流能力所決定。此外余熱鍋爐設(shè)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(cè)、蒸汽輪機側(cè)和余熱鍋爐內(nèi)部影響三個方面。

（1）燃氣輪機側(cè)的影響

余熱鍋爐的熱量來自于燃氣輪機側(cè)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(guān)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(guān)，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(guān)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(zhì)、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(zhì)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(guān)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(diào)節(jié)閥后，依次通過蒸汽輪機內(nèi)部各級完成做功。由于主汽閥和調(diào)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(diào)峰影響蒸汽壓力穩(wěn)定。當蒸汽輪機葉片結(jié)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(nèi)部影響

余熱鍋爐作為換熱設(shè)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(zhì)，工質(zhì)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(nèi)結(jié)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(guān)閉水門，沖洗汽管及玻璃；第三步，開啟水門，關(guān)閉汽門沖洗水管及玻璃；第四步，開啟汽門關(guān)閉放水門，在沖洗水位計前后，應注意水位計內(nèi)水位情況，當關(guān)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(guān)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(shù)員及生產(chǎn)技術(shù)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(jié)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(diào)節(jié)與控制的I/O清單

（7）鍋爐已達到工作壓力，應對設(shè)備進行全面檢查，以確定設(shè)備是否正常。

該升壓過程設(shè)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(jié)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。