新型余热锅炉控制系统

安徽理工大学电气与信息学院 张雯清

社会经济发展的重要支柱也是能源发展的重要归宿——电力行业，它的发展代表着一个国家经济是否发达以及发达的水平。而对于我国来说，电力行业发展主要存在着两大挑战：一是最大程度的提高燃煤电厂的综合能源利用效率，以达到进一步降低煤耗，以此来降低污染；二是逐渐降低燃煤发电比例，提高天然气等清洁能源发电比例，以此来降低环境污染。

因此，需要提出余热锅炉这种新式锅炉，提高烟气余热的利用率，不断发展国家清洁电力能源，对应国家能源发展新要求。

1 余热锅炉工作流程

余热锅炉就是利用工业生产过程中燃烧排放的烟气，所产生的余热，对蒸汽系统的给水进行加热，使其产生的合格水蒸气，进而运输到汽轮机中去做功，其产生的机械能再经发电机通过电网送往千家万户。与传统的使用不可再生资源作为燃料，烧出进入汽轮机做功的蒸汽相比，它合理利用了烟气余热甚至是有害废品的余热，整个过程不发生燃烧反应，也不存在燃烧器、油枪等设备，设备更加高效、简洁、环保。发展至今，余热锅炉已经成为目前钢铁厂、化工厂以及燃煤电厂等大型工业系统中必不可少的组成部分，对于节约各项能源具有不可估量的作用。

2 余热锅炉的水位控制

余热锅炉运行中，汽包水位处于动态变化过程。影响水位变化的因素复杂，一般采用PID自动调节控制，使其稳定在规定值。余热锅炉给水调节的任务是使给水量适应余热锅炉的蒸发量，并且把汽包水位保持在正常的范围内。

2.1 稳定水位的重要性

余热锅炉运行过程中，如果对你水位监视不严或操作不当，将会造成汽包水位过高或过低，严重影响蒸汽轮机和余热锅炉安全运行。水位过高，蒸发空间将缩小，会影响汽水分离效果，引起蒸汽带水，饱和蒸汽的湿度增加，含盐量增多。水位过低，可能会破坏自然循环余热锅炉的正常的水循环来回使强制循环余热锅炉的炉水循环泵入口汽化，泵组强烈振动，最终会破坏余热锅炉的水循环。严重缺水而又处理不当时，相关受热面管壁温差变化过大，导致管材损伤，严重时导致爆管。

2.2 影响水位变化的因素

余热锅炉运行中，汽包水位经常变化，引起水位变化的根本原因可归纳为两个方面：

（1）蒸发设备的物质平衡遭到破坏，即给水量与蒸发量不一致；

（2）工质状态发生了改变，如蒸汽压力变化引起工质比容改变和谁溶剂中的含汽量变化。

以上任一方面的原因都能引起汽包水位发生变化，其变化的剧烈程度，与受扰动的程度有关。从上述两个方面归纳，运行中影响汽包水位变化的因素有给水蒸汽流量变化、负荷变化和汽包压力变化，因此用考虑扰动的串级三冲量PID控制整定图像如图1所示。

图1 水位控制仿真框图

在串级给水调节系统中有两个对象，受到三个调节变量的影响，分别是图中三个红箭头所表示的。和单级调节系统相比较，相当于加了一个调节器。数据进入PI调节器是不能带单位的，水位的测量是通过装置将水位信号转化为对应的电流信号，以此来反应水位的数据，这些数据在进入PI调节器之前需要经过换算，这样数据才不会出错。

图2 水位控制系统仿真曲线图

图1中Step3到Scope之间是蒸汽流量的前馈反应，主调节器最终P为6.2，I为0.198276；副调节器P为80，I为16.PV值根据运行仿真曲线结果知为15，仿真曲线如图2所示。

相应的I/O清单如表1所示。

表1 水位控制与调节I/O清单

3 余热锅炉汽包压力控制

3.1 必要性

余热锅炉运行时应严格监视蒸汽压力并维持其稳定。蒸汽压力波动过大不仅影响到蒸汽温度和汽包水位，而且直接影响余热锅炉和蒸汽轮机的安全和经济运行。

蒸汽压力降低，蒸汽轮机不能保持额定出力，影响机组发电效率。燃气轮机负荷不变，蒸汽压力降低，必然引起汽包水位的上升，可能会造成蒸汽大量带水，蒸汽品质恶化。

蒸汽压力过低，机、炉承压部件承受过大的应力，影响设备寿命和机组的安全运行。当蒸汽压力过高导致安全门动作时，会造成大量的排气损失，影响经济性，并引起汽包水位较大波动。当蒸汽压力过高时，对应的饱和蒸汽温度相应提高，蒸汽过热度减小，蒸汽轮机末级湿度增加，可能造成叶片侵蚀。

蒸汽压力频繁波动，承压部件经常承受交变应力，易引起部件金属的疲劳损坏，同时蒸汽压力的突变容易造成汽包虚假水位，若运行调整不当或误操作，容易发生满水或缺水事故。

由于F级联合循环机组多为单元制机组，没有母管及相邻机组的缓冲作用，蒸汽压力对机组的影响更为突出。

3.2 影响蒸汽压力稳定的主要因素

余热锅炉正常运行时，其蒸汽压力是由燃气轮机侧所提供的烟气热量的多少和蒸汽轮机侧允许的通流能力所决定。此外余热锅炉设备部件出现异常时，也会导致蒸汽压力波动。影响蒸汽压力稳定的因素可归纳为燃气轮机侧、蒸汽轮机侧和余热锅炉内部影响三个方面。

（1）燃气轮机侧的影响

余热锅炉的热量来自于燃气轮机侧的排气，当燃气轮机工况发生变化时，排气温度和流量的变化对蒸汽压力产生影响。蒸汽压力能够表示余热锅炉产汽量和蒸汽轮机用汽量之间的关系（或其他蒸汽用户）。当用汽量增加，产汽量不变，压力降低，反之压力升高。产汽量与吸热量有关，燃气轮机排气温度升高或排气量增加，产汽量也增加。产汽量与燃气轮机排气流量和燃气轮机排气温度的关系如图3所示。

影响燃气轮机工况变化的原因有很多，如外界负荷需求、燃料的品质、空气参数等，当外界负荷增加、天然气热值增高、单位体积空气质量流量大时会导致燃气轮机排气的热量增加，蒸汽压力升高，反之则下降。

图3 产汽量与排气量、排气温度的线性关系

（2）蒸汽轮机的影响

余热锅炉产生产生的蒸汽流经蒸汽轮机主汽阀和调节阀后，依次通过蒸汽轮机内部各级完成做功。由于主汽阀和调节阀一般处于全开状态，蒸汽流通的阻力是不变的，因此在机组正常运行时，不会因调峰影响蒸汽压力稳定。当蒸汽轮机叶片结垢严重、机组超速、阀门误动时会导致蒸汽压力波动。另外，蒸汽轮机旁路系统、轴封系统、疏水系统，与余热锅炉蒸汽系统相联，也会对蒸汽压力产生影响。

（3）余热锅炉内部影响

余热锅炉作为换热设备，由受热面、汽水管道、泵、阀等部件组成。烟气经过受热面，将热量传递给工质，工质完成状态变化产生蒸汽去做功。为了最大程度的实现热量的传递，现代大型余热锅炉使用了大量的小口径鳍片管，这些鳍片管如果出现管外积灰或者管内结垢后，都会大大影响换热效果，导致蒸汽压力下降。另外，如果余热锅炉炉墙出现破损，烟气外泄，热量减少也将导致蒸汽压力下降。最后，当汽水管道出现泄漏，受热面出现爆管，安全阀、对空排气阀、疏水阀等阀门出现误动、卡涩时，也会导致蒸汽压力下降。

3.3 操作规程

根据底吹熔炼炉生产情况，随着进口烟气温度升高，锅炉开始产生压力：

（1）当压力升至0.05—0.1mpa时，冲洗汽包水位计程序：第一步，微开放水门，使汽管、水管及其玻璃得到冲洗；第二步，关闭水门，冲洗汽管及玻璃；第三步，开启水门，关闭汽门冲洗水管及玻璃；第四步，开启汽门关闭放水门，在冲洗水位计前后，应注意水位计内水位情况，当关闭放水门后，水位应能很快上升，此后水面应有轻微波动，否则应予再冲洗，冲洗时动作应缓慢，工作人员脸部不应正对水位计，并带防护手套。

（2）当压力升至0.1-0.15mpa时，冲洗压力表。

（3）当压力升至0.15-0.2mpa时，检查各连接处有无泄漏现象，对人孔和检修时拆卸的法兰螺栓进行一次再拧紧。

（4）当压力升至0.3-0.4mpa进行一次排污，目的是检查放水门是否良好，放出沉淀物，使下部联箱受热均匀。

（5）当压力升至0.4-0.6mpa，缓慢开启主蒸汽阀进行暖管。

（6）当压力升至3.5mpa时，通知有关人员校安全阀；安全阀校正者：分厂厂长或其指派人员，锅炉组长、锅炉值班员、检修工、技术员及生产技术部代表，校验顺序：汽包工作安全阀，汽包控制安全阀，分气缸安全阀，升压速度控制在0.05mpa / min左右，不准过快以免引起水位剧烈波动，造成假水位，校验完毕把实际结果记在运行日志上。

表2 汽包压力与电信号对应值参考表

表3 汽包压力调节与控制的I/O清单

（7）锅炉已达到工作压力，应对设备进行全面检查，以确定设备是否正常。

该升压过程设计是一个模拟量，因此将输入输出的电信号来对应汽包的升压过程，压力与4-20mA电信号对应表如表2所示。

此程序相应I/O清单如表3所示。

4 结论

总的来说，余热锅炉控制系统相较传统锅炉控制系统相比，有很大的优势，它将传统锅炉中经过一系列工业过程产生的废品（诸如有害烟气等）所产生的热能，或者燃烧系统与燃气轮机所产生的高温烟气余热重新利用起来。由于它并不需要燃烧，所以可以说，它只是一个换热器——水热换热器。非常贴合现在绿色节能环保的大趋势，同时也会使电厂的发电效率大大提高。