基于模拟机的锅炉节能操作技能培训原理研究

马 舜，李顺荣，孙志敏，刘松国

(杭州市特种设备检测研究院，浙江 杭州 310003)

工业锅炉是一种危险性较大的特种设备，根据《特种设备安全监察条例》及《锅炉司炉人员考核管理规定》，我国在用的锅炉必须由经过培训考核并取得操作证的司炉人员来操作。而目前我国工业锅炉的运行管理能力比较低，尤其是中小型锅炉，一方面分布广泛，自动化程度偏低，另一方面司炉人员的文化水平总体较低，技术水平参差不齐［1］，每年仅因司炉人员操作不当引起的锅炉事故多达数百起，而由操作不合理导致的锅炉长期低效率运行的情况则更加普遍［2］，这直接对国家财产和人民生命安全构成了很大威胁。因此对司炉人员的操作技能进行定期有效的培训具有重要的意义。

传统的培训方式多数通过图片和文字形式来讲解，学员缺少实际操作的机会［3］，因此技能长进缓慢，培训效果较差。随着机电一体化和信息化技术的发展，采用由缩小比例的锅炉实体模型结合后台仿真计算机组成的锅炉模拟机系统开展司炉工培训成为了一种新型方式［4］。该类系统采用与真实锅炉相似的本体外形结构和控制台，但没有燃料、水、汽等介质，也不存在真正的燃烧、蒸发等物理化学过程，由后台仿真软件来模拟锅炉的运行。由于有了实物部分，学员可以进行类似于实际锅炉的操作，因此这类培训装置易取得较好的培训效果，从而引起了较多关注。

近几年我国也开发了一些锅炉模拟机系统，开展研究的单位有大连锅检所、上海锅检所、杭州特检院、大庆石油管理局、三浦锅炉公司、华东理工大学、大连理工大学、浙江大学、大庆石油学院、中国石油大学等［3，5－8］。随着产品的更新换代，人们在希望模拟机的仿真效果、可靠性、实时性及操作感更佳的同时，还对其功能提出了新的要求。目前该装置的研究普遍还停留在安全操作技能培训的设计理念，即以工业锅炉的正确安全操作为准则，保证学员操作的正确性，使司炉工掌握安全操作技能是保证锅炉安全运行的基本要求，然而随着国家节能减排战略的开展，节能思想被摆在了越来越重要的位置［9］，工业锅炉成为了节能的主要对象之一。在工业锅炉的节能方法中操作节能是重要的一面［10］，特别是对于燃煤锅炉这种自动化程度较低的锅炉而言，好的司炉工能够做到在同样的热源下产生更多的蒸汽或热水。实践证明，司炉工的操作水平和节能安全意识是影响锅炉效率的决定性因素，提高司炉人员操作水平而取得的节能效果可占节能总量的1/3左右［11］，开展司炉工节能操作技能的培训显得十分紧迫，而节能操作技能的培训功能在目前的锅炉模拟机研究中并未涉及。

在工业锅炉的节能操作方面，燃煤锅炉最具有代表［12］，因此本文针对现有技术的不足，提出一种基于模拟机的卧式燃煤链条炉排蒸汽锅炉节能操作技能的仿真培训原理和方法，为锅炉模拟机的发展开拓一种新的思路。

1 燃煤锅炉节能操作方法分析

1.1 DZL型燃煤锅炉的结构和特点

卧式燃煤链条锅炉在我国是数量最多最为典型的工业燃煤锅炉，由于燃烧设备、运行管理等因素普遍存在运行效率低的问题，因此节能潜力巨大［12－13］。图1所示为DZL蒸汽锅炉结构图，整套锅炉系统由链条炉排、煤斗、锅筒、水冷壁、烟管、鼓风机、引风机、给水泵、除渣机等组成。工作时燃料自煤斗落在炉排前部，随着炉排运转，煤经过预热干留、着火、燃尽，炉渣落入渣斗，由除渣机随时排出炉外，炉拱采用人字形拱，改善着火条件，烟气在前、后拱间的喉部形成涡流与空气充分混合、燃烧，然后进入两翼烟道，通过烟箱进入烟管，经过省煤器、除尘器，由引风机至烟囱排出。

图1 卧式燃煤链条炉排(DZL)蒸汽锅炉结构

工业燃煤锅炉具有运行监测仪表不全，控制水平低的硬件缺陷［1，14］，系统内没有连续闭环控制，无法根据外界变化自动调节锅炉运行状态，同时也缺少显示锅炉经济运行参数的仪表，使得运行工况的稳定、运行效率的保证和提高受到了很大的限制，因此司炉人员的操作技术水平和节能意识显得格外重要。在锅炉运行时，由于缺少数据，司炉人员往往是通过观察火焰、烟气等的颜色，依赖一定经验对锅炉的运行状态做出准确的判断并手动实行相应的运行调整。

1.2 燃煤锅炉运行状态的判断方法分析

对锅炉进行节能操作和调节的前提是正确判断锅炉的运行状态，对于真实燃煤锅炉，判断其运行状态的方法主要有两种［15－16］:第一种，通过观察炉膛内的燃烧情况来判断锅炉的燃烧状态，比如炉膛火焰呈金黄色或浅橙色，炉渣呈灰白色且不夹有黑色小煤粒，烟囱冒出的烟呈浅灰色，说明炉内燃烧工况良好;第二种，通过热工测试测量排烟温度、炉渣含碳量、过量空气系数等参数来评价锅炉的运行水平和热工性能。

1.3 燃煤锅炉经济运行的操作手段分析

在确定锅炉的运行状态后需要采取合理正确的操作对锅炉进行调节，燃煤链条锅炉经济运行的实际操作手段主要包括［12，17］:燃烧调整、煤质调整、水质调整、辅机调整等，其中燃烧调整是最重要最有效的一种节能操作方式，而煤质、水质、辅机的调整更多依赖于管理。

所谓的燃烧调整，即根据外界条件的变化(如煤质和负荷)来调整燃料量、空气量、给水量，从而使压力、水位、温度保持相对稳定，锅炉保持高效运行。涉及的调节参数包括:煤层厚度、炉排速度、分段送风的风门开度、鼓风机挡板开度、引风机挡板开度、给水阀开度等。例如在固定负荷下，对于无烟煤、劣质烟煤或大块煤，需要厚煤层，高风压，慢速度;对于烟煤或末煤，则需要薄煤层，低风压，快速度［15］。而当负荷增加，汽压降低时，应增加风量，先增引风，再增送风，然后增加炉排速度;当负荷减小，压力上升时，应减小风量，先减小送风，再减小引风，然后降低炉排速度。

2 节能操作培训软硬件条件分析

2.1 节能操作技能培训可实现性分析

由于真实的燃煤锅炉缺乏能效监控仪表，司炉工主要依靠观察和一定的经验判断锅炉的燃烧工况，这在模拟机系统中是不可行的。对于模拟机，由于不存在燃烧介质和反应，要逼真模拟链条炉的燃烧很难实现，司炉工判断锅炉状态所依赖的火焰颜色、火势大小、烟气颜色、炉渣颜色和颗粒无法完全模拟，因此必须考虑一种新的途径来呈现模拟机系统中锅炉的燃烧状态。考虑到在模拟机中锅炉的运行是由基于数学模型的数字仿真程序实现的，因此锅炉运行的热工测试参数可在线实时获得，故可将仿真程序计算出的锅炉热力学参数以一定的形式反馈给模拟机操作人员，以供其判断锅炉运行状态。在操作调节方面，煤质、水质、辅机的调整在模拟机系统中较难实现培训，而燃烧调整是可实现的，同时也应该是锅炉模拟机节能操作技能培训的重点内容。

2.2 节能操作技能培训软硬件需求

基于上述分析提出锅炉模拟机上实现节能操作技能培训所需具备的软硬件条件。首先在软件上，包含燃煤锅炉全工况运行精确数学模型的数字仿真程序是必须的。数学模型根据锅炉设置参数，如煤层高度、炉排速度、风门开度等，计算出作为反馈信号和评价指标的热效率、排烟温度、过量空气系数、炉体外表温度、炉膛负压、蒸汽压力、水位、煤斗煤余量、炉膛火焰大小等热力学参数，使学员操作时各物理量之间建立联动关系。而对于只有安全操作技能培训功能的模拟机，数学模型的准确性甚至必要性无关紧要，因为诸如点火、升压、压火、停炉、安全附件检查等操作培训主要与操作顺序有关，培训过程中并不需要数学模型计算热力学参数，只需将操作步骤和正确的步骤进行对比和评价即可。

其次在硬件上，需要对炉排的进煤量、炉膛的进风量、锅筒的进水量、汽包的出汽量进行测量和计算，即需要连续测量煤层高度、炉排速度、分段送分门开度、鼓风挡板开度、引风挡板开度、给水阀开度、主汽阀开度等节能操作关键物理量，并设计相应的煤量调节检测装置、风量调节检测装置、给水量及出汽量调节检测装置、及热力学参数显示反馈装置等。而对于只有安全操作技能培训的模拟机，通常对这些操作机构进行简化，如省略煤层高度调节机构，省略分段风门，并以简单的开关量或档位量的形式来处理上述物理量的状态。

3 节能操作技能培训原理及方法

提出的节能操作型燃煤锅炉模拟机由锅炉实体物理模型、操作控制台、传感检测控制器、仿真微机四部分组成，其中各类传感器和显示装置安装在锅炉模型的各操作机构、阀门、仪表上;操作控制台上布置有操作按键、仪表指示灯、以及一台用来显示锅炉运行热力学参数动态曲线的触摸屏显示器;仿真微机上运行着包含燃煤锅炉数字仿真程序及操作记录评分程序的培训考核软件;传感检测控制器集成在操作控制台内，用来处理传感显示元件和仿真微机之间的信息交换。

系统内各部件之间的信号流关系如图2所示，实现节能操作技能仿真培训的原理如下:学员通过观察水位表、压力表、煤量指示装置、火焰模拟装置，控制台上的各指示灯、电流电压表、报警灯，以及触摸屏显示的热力学参数曲线，如热效率、炉膛出口烟温及过量空气系数、排烟温度及过量空气系数、炉体外表温度、炉膛负压等，对锅炉的运行工况及低效原因做出分析和判断，然后调节锅炉模型上与节能操作相关的各操作机构，如煤闸板手轮、炉排调速器、分段风门调节手柄、鼓风挡板调节手柄、引风挡板调节手柄、给水阀、主汽阀等，同时根据锅炉出现的状况，对与安全操作相关的各操作机构进行辅助调节，如排气阀、安全阀、快开排污阀、慢开排污阀、观火窗、拨火门、三通旋塞、水位表上的各旋塞、控制柜上的各按键等。各类传感器将各操作机构的机械信号转换成电信号，传感检测控制器按一定频率采样各传感器及控制台各按键的状态，将状态信号转换成各类操作信号，并通过以太网输入仿真微机;仿真微机一方面依据操作记录评分程序记录并判断学员操作的正误，另一方面依据燃煤锅炉数字仿真程序计算出锅炉仿真运行的各参数信号，其中包含蒸汽压力、水位、煤斗煤余量、炉膛火焰大小在内的参数信号通过以太网输出给传感检测控制器，包含热效率、排烟温度、过量空气系数、炉体外表温度、炉膛负压在内的参数信号输出给触摸屏显示器;控制器将各参数信号转换成驱动信号并分别输出至锅炉模型及控制台上的各类显示装置，触摸屏将各参数信号以动态曲线形式显示，从而将锅炉运行工况反馈给学员，使学员做出进一步的判断和调节。当培训练习完成后，操作记录评分程序根据规定时间内锅炉仿真运行的平均热效率、平均排烟温度、以及操作步骤进行评分，并将评分信息通过触摸屏显示给学员。依此实现燃煤锅炉节能操作技能及安全操作技能的仿真培训。

图2 仿真培训原理信号流图

4 结论

(1)在锅炉模拟机上实现节能操作技能的仿真培训具有一定可行性，是锅炉模拟机发展的一种新思路和新趋势。

(2)燃烧调整技能是仿真培训的重点内容，在模拟机上实现需具备燃煤锅炉精确数学模型的软件条件，以及对炉排进煤量、炉膛进风量、锅筒进水量、汽包出汽量进行连续测量和计算的硬件条件。

(3)提出的基于传感元件检测、控制器采集转换、仿真微机运算评价、显示装置反馈的燃煤锅炉节能操作技能培训原理及方法，具有一定指导意义和参考价值。

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