【文章內(nèi)容簡介】 據(jù)不同的蒸汽用途，要求有相應(yīng)的蒸汽壓力和蒸汽溫度，也就需要不同參數(shù)的產(chǎn)汽設(shè)備。利 用燃?xì)廨啓C(jī)排氣的熱量來產(chǎn)汽的設(shè)備，稱為“熱回收蒸汽發(fā)生器”，表明回收了排氣的熱量，用英文字母 HRSG 來表示。我國習(xí)慣上稱為“余熱鍋爐 ”，本文也采用“余熱鍋爐”的名稱，并把燃?xì)廨啓C(jī)的排氣簡稱為“煙氣”。 “余熱鍋爐”通常是沒有燃燒器的，如果需要高壓高溫的蒸汽，可以在“余熱鍋爐”內(nèi)裝一個附加燃燒器。通過燃料的燃燒使整個煙氣溫度升高，能夠產(chǎn)生高參數(shù)的蒸汽。例如某余熱鍋爐不裝燃燒器時，入口煙氣溫度為 500℃，裝設(shè)附加燃燒器后，可使入口煙氣溫度達(dá)到 756℃。蒸汽的壓力可以從 4MPa 升到 10MPa，蒸汽的溫度可以從 450℃升到 510℃，蒸汽可以供高溫高壓汽輪機(jī)用，從而增加了電功率輸出。目前我國油田進(jìn)口的余熱鍋爐的蒸汽參數(shù)有： 4MPa 配 450℃及 配 195℃（飽和蒸汽）。前者供給中壓汽輪機(jī)來發(fā)電，后者可以供生產(chǎn)或供生活取暖用。 余熱鍋爐的工作原理 燃燒設(shè)備出來的高溫?zé)煔饨?jīng)煙道輸送至余熱鍋爐入口，再流經(jīng)過熱器、蒸發(fā)器和省煤器，最后經(jīng)煙囪排入大氣，排煙溫度一般為 150～ 180℃ ，煙氣溫度從高溫降到排煙溫度所釋放出的熱量用來使水變成蒸汽。鍋爐給水首先進(jìn)入省煤器，水在省煤器內(nèi)吸收熱量升溫到略低于汽包壓力下的飽和溫 度進(jìn)入鍋筒。進(jìn)入鍋筒的水與鍋筒內(nèi)的飽和水混合后，沿鍋筒下方的下降管進(jìn)入蒸發(fā)器吸收熱量開始產(chǎn)汽，通常是只用一部分水變成汽，所以在蒸汽器內(nèi)流動的是汽水混合物。汽河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文）說明書 8 水混合物離開蒸發(fā)器進(jìn)入上部鍋筒通過汽水分離設(shè)備分離，水落到鍋筒內(nèi)水空間進(jìn)入下降管繼續(xù)吸熱產(chǎn)汽，而蒸汽從鍋筒上部進(jìn)入過熱器，吸收熱量使飽和蒸汽變成過熱蒸汽。根據(jù)產(chǎn)汽過程的三個階段對應(yīng)三個受熱面，即省煤器、蒸發(fā)器和過熱器，如果不需要過熱蒸汽，只需要飽和蒸汽，可以不裝過熱器。當(dāng)有再熱蒸汽時，則可加設(shè)再熱器。 如下圖所示： 由上圖 可看出，余熱鍋爐是一個多輸入、多輸出且相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜控制對象 。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文）說明書 9 第三章 氣泡水位特性及控制 鍋爐汽包水位的特性 鍋爐汽包水位自動調(diào)節(jié)的任務(wù)是使給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量，并維持汽包中的水位在工藝允許的范圍內(nèi)。 維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋?zhàn)o(hù)和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件，也是鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一。水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使汽輪機(jī)產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時會使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質(zhì)，增加在過熱 器管壁和汽輪機(jī)葉片上的結(jié)垢。水位過低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴(yán)重時會造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴(yán)重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對汽包水位實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。汽包水位不僅受汽包中儲水量的影響，亦受水位下汽泡容積的影響。而水位下汽泡容積與鍋爐的負(fù)荷、蒸汽壓力、爐膛熱負(fù)荷等有關(guān)。因此，影響水位變化的因素很多，其中主要是鍋爐蒸發(fā)量即蒸汽流量和給水流量。 綜上，引起水位變化的主要擾動是蒸汽流量的變化和給水流量的 變化。 汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性 給水量是鍋爐的輸入量，如果蒸汽負(fù)荷不變，那么在給水流量產(chǎn)生變化時，汽包水位的運(yùn)動方程式可以表示為： (31) 經(jīng)拉氏變換后可得 : (32) 從式 (32)，可以方便地得到汽包水位在給水流量作用下的傳遞函數(shù)為： (33) 21 2 12 ()WW W WdudhdhT T T T k udt d t d t+ = +21 2 1( ) ( ) ( ) ( )WWT T S H S T SH S T SU S K U S+ = +01 21 2 1()() () WWT S kHSGS U S T T S T S+== +河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文）說明書 10 對于中壓鍋爐，上式中 TW 的數(shù)值很小，常常可以忽略不計(jì)，因此式 (33)可以進(jìn)一步改寫為： (34) 其中 反應(yīng)速度，即給水流量改變單位流量時水位的變化速度，單位為毫米／秒 (噸／小時 )。 從式 (34)可知，汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性為一個積分環(huán)節(jié)和一個一階滯后環(huán)節(jié)所組成 ,ε、 T2 的數(shù)值可通過實(shí)驗(yàn)測試求得，數(shù)值的大小同鍋爐的結(jié)構(gòu)有關(guān)。有些鍋爐當(dāng)給水量增加時，在較長的一段時間里，汽包水位并不增加，有一較長的起始慣性段，對于這種鍋爐用式 (34)來表示它的動態(tài)待性，誤差較大，這時可選用下面 (35)式近似計(jì)算： (35) τ 給水量擾動下的純滯后時 間，對于非沸騰式省煤器的鍋爐，τ為0100 秒，對于沸騰式省煤器的鍋爐，τ＝ 100200 秒； Ta=1/ε 水位的反應(yīng)時間，它也與鍋爐結(jié)構(gòu)有關(guān)。 反應(yīng)速度ε及反應(yīng)時間 Ta 都用相對量來表示：ε定義為：當(dāng)擾動量為100%(從滿負(fù)荷突然變化到零 )，水位 (以允許變化的范圍為 100%)的變化速度，單位為每秒。 Ta定義為：擾動量為 100%，水位變化 100%所經(jīng)歷的時間，單位為秒，例如：一臺 230 噸／小時的鍋爐，假設(shè)汽包的正常水位力 200 毫米，水位的反應(yīng)時間 Ta為 30 鈔。這就是說，當(dāng)鍋爐在滿負(fù)荷運(yùn)行時，如果突然停止 供水，則由于出汽和進(jìn)水流量的不平衡，水位將等速度下降， 30 秒鐘下降 200 毫米，如果給水量減少 10%(23 噸／小時 )，則將在 30 秒鐘水位下降 20毫米。如果用反 應(yīng)速度ε表示，則當(dāng)對于中壓多汽包鍋爐， Ta 為 300 秒；一般中壓鍋爐， Ta＝30100 秒；高壓鍋爐 Ta＜ 30 秒。 01 21 2 1 1 2 2()() ( ) ( 1 ) ( 1 )W W W WT S k T S kHSGS U S T T S T S T S T S S T S++ e= = = =+ + +1WkTe=01 ( ) 1() () SWaHSG S eU S T S t==河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文）說明書 11 圖 31給水量擾動下的水位飛升曲線 根據(jù)式 (35)在階躍輸入下作給水?dāng)_動 (假定在一定范圍內(nèi)汽包的橫截面積不變，或變化不大 )?？梢缘玫饺鐖D 31 所示的反應(yīng)曲線。由曲線可知：當(dāng)突然加大給水量后 (這時假 定蒸汽量不變 )，給水量大于蒸發(fā)量，但汽包水位一開始并不立即增加，而呈現(xiàn)出一段起始慣性段，這是因?yàn)闇囟容^低時更多的給水進(jìn)入水循環(huán)系統(tǒng)，它從原有飽和汽水中吸取一部分熱量，汽包和汽水管路中由于熱量的“損失”汽泡體積減少。進(jìn)入省煤器的給水，首先必須填補(bǔ)由于汽水管路中汽泡減少所讓出的空間，這時，雖然給水量增加，但水位基本不變。當(dāng)水面下汽泡容積變化過程逐漸平靜時，汽包水位才由于貯水量的增加而逐漸上升。當(dāng)水面下汽泡容積不再變化、完全穩(wěn)定下來時，水位變化就隨著貯水量的增加而直線上升。對于采用沸騰式省煤器的鍋爐，給水作用下的 慣性段要比上述情況嚴(yán)重得多，甚至還可能出現(xiàn)“假水位”現(xiàn)象，在這種情況下，水位變化的特性應(yīng)該采用如下傳遞函數(shù)： (36) 式中： 2012( ) 1() ( ) 1WaKHSGS U S T S T S= = +1aWTT K=221WWK T TK T=h Uw Δ w t t Ho 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文）說明書 12 圖 32 采用沸騰式省煤器給水作用下的水位飛升曲線 圖 32是給水作用下汽包水位的反應(yīng)曲線。 Hl 是只考慮物料不平衡，即給水量大于蒸發(fā)量而產(chǎn)生的上升曲線，它由式 (36)的 1／ Ta 這一項(xiàng)所確定，其特性表現(xiàn)為積分環(huán)節(jié)，無自平衡能力； H2 是由于給水量增加，蒸發(fā)面以下汽泡容積的變化引起的。 H 是由 H1(t)為 H2(t)迭加而成的．它的特性實(shí)際上是兩個環(huán)節(jié)的并聯(lián)。 汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性 汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性，可以直接從式 (32)導(dǎo)出 (假定給水量不變 )： (37) 拉氏變換后可得： (38) 則： 21 2 12 ()DD D DdudhdhT T T T k udt d t d t+ = +21 2 1( ) ( ) ( ( ) ( ) )DDT T S H S T S H S T S U S K U S+ = +Us t t H w H1 H H2 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文）說明書 13 (39) 上式可以用兩個動態(tài)環(huán)節(jié)的并聯(lián)來等效，即： (310) 其中 , 圖 33 蒸汽流量擾動下時的水位飛升曲線 在蒸汽流量擾動下水位的階躍反應(yīng)曲線如圖 33所示。對大部分調(diào)節(jié)對象而言，平衡受到破壞的主要影響因素是系統(tǒng)中物料或能量的不平衡。鍋爐汽包水位對象，除上述對象具有的特性以外．還有它特有的性質(zhì)。當(dāng)負(fù)荷設(shè)備的用汽量突然增加△ D(假定供熱量及時跟上 )，單從物料不平衡考慮，汽包中蒸發(fā)量大于給水量，汽包水位應(yīng)如圖 33 中 H1所示，相當(dāng)于式 (310)中的 1／ Ta這一項(xiàng)，是直線下降的。但是實(shí)際水位不 是 H1 而是 H，在擾動的初始瞬間水位不但沒有下降而且是上升的。這是由于鍋爐汽包蒸發(fā)面以下和水管系統(tǒng)中蒸汽容積隨負(fù)荷的變化而改變所致。在蒸發(fā)面下的水中有蒸汽存在，是由于蒸發(fā)過程的連續(xù)性，在蒸汽向汽水分界面移動的過程中，會有一部分蒸汽在某一段時間內(nèi)處于水中．在一定負(fù)荷和一定壓力下，蒸汽發(fā)生量與蒸發(fā)面以下蒸汽含量之間有一個確定的對UD D t t H2 H H1 H3 2 12()() ( ) ( 1 )DDF D T S kHSGS U S T S T S+= = +39。22 39。 2( ) 1() ( ) 1F Da kHSGS U S T S T S= = + +39。 221DDk T Tk T= 39。 1a DTT k=河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文）說明書 14 應(yīng)關(guān)系，蒸發(fā)面以下的蒸汽容積可以用下式表示： (311) 式中， Vs蒸發(fā)面以下的蒸汽容積； k比例系數(shù)，隨負(fù)荷不同而異； W1汽化強(qiáng)度； γ 飽和蒸汽重度； τ 汽泡在水中平均停留時間。 當(dāng)蒸汽流量 D 階躍增加時，汽包中壓力減小，汽水循環(huán)管路中水的汽化強(qiáng)度W1加，蒸發(fā)面以下蒸汽容積 VS增加。汽泡體積膨脹而使水位變化的曲線如圖 33中 H2所示，實(shí)際水位變化曲線 H就是 H1 和 H2的迭加。 從圖中可以看出，當(dāng)蒸汽量變化時，汽包水位的變化具有特殊的形式，負(fù)荷階躍增大時，汽水混合物中蒸汽的容積迅速增加。此時雖然蒸發(fā)量大于給水量，但水位不僅不 下降，反而迅速上升。這種特殊現(xiàn)象稱為“虛假水位”。當(dāng)汽水混合物中汽泡容積與負(fù)荷相適應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定后，水位才反映出物料的不平衡，開始下降。 應(yīng)該