＊李世強(qiáng) 袁振 吳中平 李海 劉曉娜 袁慧超

（山東?；茉从邢薰緹崃﹄娏Ψ止?山東 261000）

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不僅僅影響著人類自身，同樣也影響著全球的氣候變化。就目前而言，全球每年排放出的溫室氣體約有510億噸，為避免氣候危機(jī)，低碳減排行動(dòng)至關(guān)重要。2020年，國(guó)家提出雙碳政策，為中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展提供方向的同時(shí)，也對(duì)化工行業(yè)的高能耗生產(chǎn)過程，提出了節(jié)能創(chuàng)新與變革的要求。鍋爐作為化工行業(yè)重要的供能設(shè)備，給環(huán)境帶來的影響無(wú)法被忽視，鍋爐節(jié)能技術(shù)的進(jìn)一步提升和發(fā)展十分重要。

作為化工工藝中蒸汽產(chǎn)出的重要設(shè)備，鍋爐通過燃燒煤產(chǎn)生蒸汽以及熱量，為化工工藝提供熱源，用于必要的加熱過程，以及用于自備發(fā)電的設(shè)備發(fā)電。目前化工廠基本為汽包鍋爐，由于加入汽包的給水總是帶有一定的鹽分，鍋內(nèi)進(jìn)行加藥處理后，鍋水的結(jié)垢性物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樗送忮佀g金屬也要產(chǎn)生一些腐蝕產(chǎn)物。因此，在鍋水中含有各種可溶性和不溶性的雜質(zhì)，在鍋爐運(yùn)行中，這些雜質(zhì)部分會(huì)被蒸汽帶走，絕大部分留在鍋水中，隨著鍋水的不斷蒸發(fā)，這些雜質(zhì)濃度逐漸增大。鍋爐爐水雜質(zhì)濃度過高，不僅影響蒸汽品質(zhì)，而且還可造成受熱面的結(jié)垢與腐蝕，影響鍋爐安全運(yùn)行。為了控制鍋水品質(zhì)，必須進(jìn)行鍋爐排污，以排出部分被鹽質(zhì)和水渣污染的鍋水，并以清給水進(jìn)行補(bǔ)充[1]。鍋爐爐水需要對(duì)總含鹽量、二氧化硅、氯離子、磷酸根、pH值、電導(dǎo)率進(jìn)行控制。研究表明，鍋爐水汽質(zhì)量的好壞將影響到設(shè)備和裝置是否可以在長(zhǎng)周期下安全運(yùn)行[2]。實(shí)踐中，定期檢測(cè)水質(zhì)可以有效反映鍋爐設(shè)備的健康情況[3]。但是，僅關(guān)注爐水的品質(zhì)控制，容易造成排污過量的問題。從汽包排出的污水是熱力學(xué)的飽和水，經(jīng)過管路系統(tǒng)和節(jié)流裝置時(shí)，部分介質(zhì)會(huì)發(fā)生相變，形成了氣水混合物（即氣液兩相狀態(tài)）[4]。常規(guī)測(cè)量方法及設(shè)備（轉(zhuǎn)子流量計(jì)等），對(duì)于氣液兩相狀態(tài)的爐水難以準(zhǔn)確地測(cè)量，因而鍋爐爐水排污長(zhǎng)期依靠人工化驗(yàn)與判斷，自動(dòng)化程度低，導(dǎo)致排污量準(zhǔn)確度不高。

為解決鍋爐排污測(cè)量不準(zhǔn)確和連續(xù)性差的問題，本文首先通過使用化學(xué)成分在線測(cè)控模塊得出汽包鍋爐爐水品質(zhì)的四個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)，即二氧化硅（化學(xué)式SiO2）、磷酸根（化學(xué)式PO4，化合價(jià)-3）、電導(dǎo)率與酸堿值（pH值）；其次借助排污流量測(cè)量與控制模塊工具，并自動(dòng)排污并測(cè)量出準(zhǔn)確排污量，將爐水指標(biāo)穩(wěn)定在某一平穩(wěn)值中。在DCS（Distributed Control System）分布式控制系統(tǒng)下控制指標(biāo)，根據(jù)爐水溶解固形物的多少及酸堿度可以設(shè)定鍋爐的排污量，使其保證爐水質(zhì)量，提高鍋爐運(yùn)行的安全性以及經(jīng)濟(jì)效益，降低成本，提升運(yùn)行效率并減少排放量起到環(huán)保作用。本文的創(chuàng)新之處在于將水質(zhì)和排污量數(shù)字化，便于日后鍋爐設(shè)備的管理維護(hù)。

1.研究方法

(1)改造前設(shè)備狀況

現(xiàn)場(chǎng)為240t/H循環(huán)流化床鍋爐，汽包壓為9.8MPa，溫度設(shè)定為320℃，連排為甲乙雙側(cè)排污。排污管在進(jìn)入連排擴(kuò)容器前合并為一根連排管進(jìn)入連排擴(kuò)容器，擴(kuò)容器壓力為0.6MPa，連排水進(jìn)入連排擴(kuò)容器后進(jìn)行閃蒸，閃蒸成蒸汽的部分通過連通除氧器管道進(jìn)入除氧器，剩余沒有閃蒸的不合格爐水排放到定排擴(kuò)容器。目前連排排放方式為化學(xué)化驗(yàn)人員根據(jù)爐水化驗(yàn)值情況通知運(yùn)行人員調(diào)節(jié)連排調(diào)整門，爐水?dāng)?shù)值依靠人工化驗(yàn)獲得，每班化驗(yàn)兩次。該過程沒有對(duì)連排流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)?；谀壳板仩t的運(yùn)行狀況，如下幾個(gè)方面存在改造的必要性：

①爐水在線化學(xué)化驗(yàn)儀表存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，全部依靠人工調(diào)整連排調(diào)整門，會(huì)產(chǎn)生連排調(diào)整不及時(shí)的問題。

②鍋爐連排流量無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，排污率為粗略估算值，數(shù)據(jù)不精確。

③鍋爐連排調(diào)整門的啟合無(wú)詳細(xì)數(shù)據(jù)支撐，無(wú)法精準(zhǔn)開到合適大小，以致出現(xiàn)排污不足或者排污過量的問題。

(2)改造后設(shè)備情況

改造后增加的爐水品質(zhì)控制系統(tǒng)，以爐水品質(zhì)控制軟件為核心，以化學(xué)在線儀表及氣液兩相流量測(cè)量模塊為數(shù)據(jù)輸入端、根據(jù)爐水品質(zhì)要求設(shè)定參數(shù)，自動(dòng)控制連排閥門開度。主要分為化學(xué)在線測(cè)控模塊和排污流量測(cè)量與控制模塊兩部分。

①化學(xué)在線測(cè)控模塊

化學(xué)水在線儀表實(shí)時(shí)測(cè)量與采集二氧化硅、磷酸根、電導(dǎo)率、pH值信號(hào)，并發(fā)送至控制模塊；控制模塊采用約束條件下的人工智能模糊控制方法，根據(jù)排污控制算法，將二氧化硅作為主控量、磷酸根、pH值與電導(dǎo)率為約束控制變量，在保證爐水指標(biāo)的前提下，自動(dòng)調(diào)整閥門開度，最大限度減少污染排放；考慮到故障情況，若二氧化硅信號(hào)異常，電導(dǎo)率將作為主控量的替代，pH值和磷酸根作為約束控制變量；當(dāng)本系統(tǒng)所有輸入信號(hào)異常，則自動(dòng)轉(zhuǎn)為手動(dòng)控制，并輸出故障信號(hào)給運(yùn)行人員。

A.采用硅酸根和硅酸根分析儀，利用化學(xué)比色法將樣水中的硅酸根、磷酸根轉(zhuǎn)換成黃色或藍(lán)色絡(luò)合物，采用光度計(jì)測(cè)量其吸光度，自動(dòng)消除色濁度干擾，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量爐水中兩者的含量。

B.當(dāng)爐水濃縮后，其電導(dǎo)率會(huì)升高，通過電導(dǎo)率可以間接地表示出水中溶解鹽類的含量，其計(jì)算公式如下：

式中，Q為溶液的電導(dǎo)；A為測(cè)量電極的面積；σ為溶液的電導(dǎo)率；k為電極常數(shù)。

C.pH值與爐水中氫離子濃度有關(guān)，當(dāng)氫離子影響到還原物活性或者氧化物活性的時(shí)候，會(huì)影響電極電勢(shì)，根據(jù)能斯特方程可反映爐水pH值的酸堿度，其計(jì)算公式如下：

式中，Ex為預(yù)測(cè)電勢(shì)；E0為標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)；R為氣體常量（8.314J/kmol）；T為絕對(duì)溫度（273+T·C）；F為法拉第常數(shù)；fx為活度系數(shù)；cx為濃度。

②排污流量測(cè)量與控制模塊

鍋爐排污是保證鍋爐正常安全運(yùn)行的重要步驟之一，排污方式主要有分為連續(xù)排污和定期排污。連續(xù)排污的主要目的是讓部分溶解鹽通過蒸發(fā)排出，保證爐水的含鹽量以及堿度。定期排污是通過聯(lián)箱排出爐水中的不溶性水渣，排污時(shí)間是間斷性的，需要根據(jù)水汽質(zhì)量具體設(shè)置排污間隔和排污量。

鍋爐排污流量測(cè)量系統(tǒng)包括專用節(jié)流閥、變送器和兩相流流量算法軟件。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)（氣液兩相爐水）流經(jīng)節(jié)流元件時(shí)，在節(jié)流元件前后產(chǎn)生壓差ΔP，該壓差通過變送器轉(zhuǎn)換成4～20mA DC標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，送至排污流量測(cè)量模塊，與此同時(shí)，差壓變送器高壓側(cè)收集來流壓力信號(hào)，鍋爐分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）收集汽包壓力信號(hào)，二者同時(shí)將這兩個(gè)信號(hào)送入排污流量測(cè)量模塊中，運(yùn)用多相流測(cè)量原理計(jì)算被測(cè)介質(zhì)的瞬時(shí)流量和累計(jì)流量[5]。

DCS系統(tǒng)又稱集散控制系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)集中控制的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)分散控制，作為一種新型微機(jī)控制系統(tǒng)，DCS主要借助于計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，具有高可靠性、靈活性、協(xié)調(diào)性以及開放性的特點(diǎn)，是控制功能齊全的綜合型設(shè)備控制裝置，在熱電廠機(jī)中的應(yīng)用效果良好[6]。DCS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，模擬量控制以及順序控制，為鍋爐排污提供信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此使用DCS系統(tǒng)可以大幅度提升排污準(zhǔn)確度，起到保證爐水質(zhì)量和降低環(huán)境污染的作用。

多相流指同時(shí)存在兩種或多種不同相的物質(zhì)流動(dòng)，兩相流一般分為氣液兩相、氣固兩相、液液兩相以及液固兩相，多存在于能源化工領(lǐng)域。兩相流應(yīng)用過程中的主要參數(shù)有6類，分別為流型、分項(xiàng)含率、流量、速度、壓力降和密度。本實(shí)驗(yàn)計(jì)算氣液兩相狀態(tài)下流量大小。

多相流測(cè)量流量公式如下：

其中，O表示流量；c為速度修正系數(shù)；ρ1為兩相流的平均密度；△P為形成的局部壓力差；S1為管道橫截面面積。

(3)設(shè)備布置

①化學(xué)自動(dòng)化及控制模塊

汽包鍋爐爐水品質(zhì)及自動(dòng)化排污控制系統(tǒng)采用專用自適應(yīng)爐水pH值表，爐水硅表、磷表、電導(dǎo)率表各一塊。安裝位置定于化水取樣間，從原手工取樣處取一分支進(jìn)行化學(xué)儀表的在線取樣，并將信號(hào)送入控制柜?？刂葡到y(tǒng)及軟件控制柜布置在化學(xué)取樣間，將調(diào)節(jié)門信號(hào)和流量信號(hào)一同送入DCS系統(tǒng)中，其他化學(xué)數(shù)據(jù)均在設(shè)備終端體現(xiàn)。

從低溫儀表架上端分支處取樣，保留原測(cè)量方式，新的取樣管路連接到新安裝的分析儀表，并將信號(hào)送入控制柜，控制系統(tǒng)和計(jì)算模塊布置在化水取樣間連排控制內(nèi)部，經(jīng)過核心軟件計(jì)算后的執(zhí)行信號(hào)，將調(diào)節(jié)門信號(hào)和流量信號(hào)一同送入DCS系統(tǒng)中。

②連排流量排污模塊

排污介質(zhì)流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)孔板時(shí)會(huì)產(chǎn)生分離，并在其上游側(cè)沉積，因而原有的流量測(cè)量系統(tǒng)壓差信號(hào)失真，且不穩(wěn)定，采用非標(biāo)節(jié)流裝置解決了差壓信號(hào)測(cè)量的穩(wěn)定性問題[4]。本系統(tǒng)布置的非標(biāo)異型節(jié)流裝置安裝特點(diǎn)如下：首先，在鍋爐汽包下方、連續(xù)排污擴(kuò)容器前的一段水平管道上安裝排污節(jié)流裝置，節(jié)流裝置安裝在排污調(diào)節(jié)閥后。其次，節(jié)流件前后直管段內(nèi)壁光滑平整，無(wú)影響介質(zhì)流動(dòng)的粗焊等缺陷。最后，節(jié)流閥上標(biāo)注的“介質(zhì)流向”與水流方向一致。

來流壓力變送器與差壓變送器于節(jié)流裝置下方現(xiàn)場(chǎng)就近布置，進(jìn)廠壓力變送器取壓管可與差壓變送器取壓管正壓側(cè)的三通管連接，一路與進(jìn)廠壓力變送器連接，另一路與差壓變送器連接，信號(hào)送至連續(xù)排水控制柜。

汽包壓力信號(hào)來自DCS系統(tǒng)（4～20mA DC），整體系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 整體系統(tǒng)流程

(4)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)

系統(tǒng)自動(dòng)采集及存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)，爐水品質(zhì)數(shù)據(jù)、連排流量瞬時(shí)量以及累計(jì)量數(shù)據(jù)，可為后續(xù)輸入數(shù)字化電廠管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)平臺(tái)，可視化數(shù)據(jù)便于進(jìn)一步對(duì)汽包鍋爐進(jìn)行管理及維護(hù)，在降低損耗和保證環(huán)保的同時(shí)，提升行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

(5)運(yùn)行安全性評(píng)價(jià)

本系統(tǒng)在運(yùn)行過程中不會(huì)對(duì)鍋爐系統(tǒng)產(chǎn)生影響，內(nèi)置多重保護(hù)，當(dāng)受控信號(hào)故障或遇到斷電情況時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)切換為手動(dòng)控制狀態(tài)，并附有信號(hào)故障的提示。如果故障點(diǎn)沒有恢復(fù)，人工無(wú)法將其強(qiáng)制切換為自動(dòng)控制，因此系統(tǒng)安全性很高，十分可靠。

2.結(jié)果與分析

本系統(tǒng)通過在線儀表實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鍋爐爐水的電導(dǎo)率、pH值、二氧化硅以及磷酸根，監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)引入至控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)具有歷史數(shù)據(jù)追憶功能，可對(duì)以往時(shí)間進(jìn)行記錄數(shù)據(jù)，改進(jìn)后的鍋爐排污流量監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖

從上圖可以看出，彩色曲線為監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，通過曲線的持續(xù)變換顯示數(shù)值與不同趨勢(shì)，表明該工藝可在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行檢查和故障分析。

改進(jìn)后的流量排污模塊測(cè)量瞬時(shí)流量、累計(jì)流量和排污調(diào)整門的控制狀態(tài)，情況如圖3所示。

從圖3可以看出，通過流量排污模塊可實(shí)時(shí)觀測(cè)瞬時(shí)流量和累計(jì)流量值，顯示閥門控制狀態(tài)，解決了對(duì)爐水排污量不準(zhǔn)確的問題。

圖3 每月排污量統(tǒng)計(jì)

改進(jìn)后的排污流量測(cè)量與控制模塊測(cè)量的流量情況如表1所示。

表1 每月排污量統(tǒng)計(jì)

本項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益分兩項(xiàng)計(jì)算，一部分為節(jié)能量，一部分為節(jié)水量。

減少熱量損失的效益公式如下：

其中，C為擴(kuò)容系數(shù)（取值0.6）；G為降低的排污量（取值4.5t/h）；hq為汽包內(nèi)飽和水焓值（額定工況下，汽包壓力為9.8MPa，汽包水溫316℃）；hgs為補(bǔ)給水焓值（取值125.8kJ/kg）；n為年利用小時(shí)（7200h）；q為標(biāo)準(zhǔn)煤低熱值（29300kJ/kg）；Q為年減少的熱量損失；XB為減少熱量損失帶來的經(jīng)濟(jì)效益；JB為標(biāo)準(zhǔn)煤的價(jià)格（取1099元/t）；B為年減少的熱量損失折合為標(biāo)準(zhǔn)煤量，t。

減少排污節(jié)省除鹽水的效益計(jì)算公式如下：

其中，XD為減少水量損失后帶來的經(jīng)濟(jì)效益；JW為化學(xué)除鹽軟水的價(jià)格（11.04元/t）。

一臺(tái)鍋爐改造后的經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算公式如下：

其中，Xm為鍋爐改造后的經(jīng)濟(jì)效益。

從上表可以看出，240t/h鍋爐實(shí)施爐水測(cè)控技術(shù)改造后，實(shí)現(xiàn)了爐水水質(zhì)的在線分析，爐水連排系統(tǒng)投用前排污率約為2.5%，改造后汽包連續(xù)排污率平均下降至0.5%，根據(jù)減少熱量損失效益計(jì)算公式得出，減少排污量B=823.78t/年，減少水量帶來的經(jīng)濟(jì)效益XD=22.16萬(wàn)元，表明該技術(shù)可以控制排污量，降低成本，從而提高整體經(jīng)濟(jì)效益。

3.結(jié)論

本系統(tǒng)運(yùn)用爐水品質(zhì)關(guān)聯(lián)曲線，采用主控下的約束控制方法，有依據(jù)地控制連排調(diào)整門，精準(zhǔn)控制連排量，對(duì)爐水進(jìn)行及時(shí)控制，可有效實(shí)現(xiàn)汽包鍋爐循環(huán)水品質(zhì)自動(dòng)化測(cè)量、控制目標(biāo)，保證設(shè)備運(yùn)行安全；采用自適應(yīng)化學(xué)儀表，實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償、壓力補(bǔ)償、流量補(bǔ)償功能，給連排控制系統(tǒng)提供了可靠穩(wěn)定且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，并且提供了爐水品質(zhì)參數(shù)及排放參數(shù)。

研究結(jié)果證明，鍋爐排污量每增加1%，循環(huán)水損失1%。同時(shí)，鍋爐排污每增加1%，將導(dǎo)致鍋爐燃料消耗增加0.12%～0.18%。系統(tǒng)解決了“氣液兩相狀態(tài)下”，鍋爐爐水測(cè)量不精準(zhǔn)的問題，實(shí)現(xiàn)鍋爐爐水自動(dòng)化適量排放，實(shí)現(xiàn)節(jié)能節(jié)水目標(biāo)；系統(tǒng)內(nèi)置多重保護(hù)措施，在信號(hào)故障或斷電情況時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)切換為手動(dòng)狀態(tài)，并將信號(hào)故障信息顯示，提醒系統(tǒng)問題，在保證安全性的前提下達(dá)到環(huán)保作用。

本文的不足之處在于只解決了汽包鍋爐連續(xù)排污的自動(dòng)化測(cè)量與控制部分，針對(duì)鍋爐定期排污，由于測(cè)量難度的問題，未能提出有效解決方案，依然需要人工操作。但相對(duì)連續(xù)排污而言，定期排污量一般較小，可留待后續(xù)解決。