多台冷凝式锅炉给水系统水平衡的研究与应用

何 寅 王 虎 于兴江（浙江中烟工业有限责任公司杭州卷烟厂，浙江 杭州 310024）



多台冷凝式锅炉给水系统水平衡的研究与应用

何 寅 王 虎 于兴江
（浙江中烟工业有限责任公司杭州卷烟厂，浙江 杭州 310024）

摘 要：冷凝式锅炉多利用高效的烟气冷凝余热回收装置来回收烟气中的显热和潜热，以达到提高锅炉热效率的目的。多台冷凝式锅炉给水系统主要由锅炉、给水泵、除氧器、软水箱构成。本文研究解决了多台冷凝式锅炉组成的给水系统的水量平衡和有效供给问题，确定锅炉最佳运行工况。在1台或多台锅炉运行时，能对该给水系统实现自动控制，既充分保证在用锅炉冷凝式节能器的进水量，使烟气中的水蒸汽有效冷凝，确保锅炉高效运行；同时保持了锅炉除氧器的正常水位，防止了因除氧器缺水导致停炉停产。

关键词：冷凝式锅炉；水平衡；二级节能器；烟气余热回收

随着环保及能源消耗要求的不断提高，大量的现代化工厂普遍采用冷凝式锅炉为工厂生产提供蒸汽，其中的烟气冷凝余热回收装置是节能减排的关键，即利用水气热交换的方式回收烟气中的显热和潜热，从而提高锅炉的热效率。如何合理地配比各类阀门开度，实现多台冷凝式锅炉给水系统的水平衡，使烟气余热回收效率最大化，意义重大。

一、多台冷凝式锅炉给水系统构成介绍

杭州卷烟厂动力车间现配备有1台德国产10T/ H产汽量的单炉头冷凝式锅炉及4台20T/H产汽量的双炉头冷凝式锅炉，每台锅炉均安装了一级、二级节能器用以回收烟气中的显热和潜热。锅炉进水入炉前通过一级节能器与烟气进行热交换，进水温升提高20℃左右，同时降低了烟气温升。除氧器进水进入除氧器之前通过二级节能器与烟气进行第二次热交换，进水温升提高60℃，同时进一步降低烟气温升。

锅炉的给水系统主要由锅炉用软水箱、锅炉用恒压供水系统、除氧器、二级节能器、软水箱至恒压供水系统连接管路、恒压供水系统至二级节能器连接管路、二级节能器至除氧器连接管路以及旁通调节阀、回流调节阀、二级节能器进水调节阀、除氧器进水调节阀构成。具体构成如图1所示。

图1

二、多台冷凝式锅炉给水系统水平衡控制系统设计

1.理想水平衡控制系统必须的满足工况

（1）二级节能器烟气换热后温度较高时增大二级节能器进水调节阀，烟气换热后温度较低时减小二级节能器进水调节阀，确保二级节能器的换热效率。

（2）二级节能器换热后瞬时水量小于除氧器瞬时需水量时，须开启旁通阀一定开度，以补偿两者的差值，满足除氧器的正常需水量。

（3）二级节能器换热后瞬时水量大于除氧器瞬时需水量时，须开启回流阀一定开度，将多余的换热后的软水回流到锅炉软水箱，以最大限度地提高二级节能器的换热效率，尽可能多地回收烟气中的显热和潜热。

2.调节阀控制

依据以上设计思路，整套水平衡控制系统应包含旁通调节阀、回流调节阀、二级节能器进水调节阀共计7个控制量，其中二级节能器进水调节阀开度受各台锅炉换热后烟气温度直接控制，可通过独立的温度PID控制方式实现，而旁通调节阀及回流调节阀这两个控制量的控制思路如下所示。

（1）计算旁通调节阀和回流调节阀流量，以下计算均在理想环境下（忽略管路压损，阀门开度与流量线性关系良好）进行。

设定除氧器进水流量为Qc，1#～5#锅炉二级节能器进水流量分别为Qb1～Qb5，旁通调节阀流量为Qp，回流调节阀流量为Qh，回流调节阀最小开度对应的流量为Qhmin。

即二级节能器换热所需水流量大于实际除氧器需水量，此时：

即除氧器需水量大于二级节能器换热所需水流量，此时：

（2）根据压差和管路管径换算旁通调节阀和回流调节阀开度命令值，控制阀门开度，其中各阀门开度与流量的换算公式如下。

设定开度为x，恒压供水系统供水压力为0.3MPa，则流量Q为：

当x≤50%时，Q=9540s=53πr2arccos （1-2x）-19080r2（1-2x）；

当x＞50%时，Q=πr2+19080r2（2x-1）。

三、水平衡控制系统硬件设计及搭建

在实际工况中，杭州卷烟厂锅炉产汽大系统由几个独立的小型系统构成。该锅炉产汽系统由冷凝水回收装置（S7-200架构）、除氧器除氧系统（S7-200架构）、除氧器恒压供水系统系统（三菱PLC架构）、锅炉本体控制系统（S7-300架构）以及集中监控系统（S7-300架构）组成。其中集中监控系统通过以太网及modbus等通信协议采集了所有小系统的寄存器状态。

水平衡自动化控制系统设计采用西门子S7-300PLC、输入输出模块、通信模块、西门子MP377触摸面板、温度传感器、流量计及电动阀组成。其中每台锅炉采集换热前烟气温度、换热后烟气温度、换热后出水水温以及二级节能器水流量信号，并且安装有二级节能器进水调节阀1个，在总管上安装有1个旁通调节阀和回流调节阀以及采集总管的进水水温。安装位置如图2所示。

图2

PLC硬件组态如图3所示。

图3

模拟量信号采集及控制数据如图4、5所示。

1.控制原理及实现方式

（1）新建的水平衡自控系统与原有集中监控系统共处于同一网段，所有小系统的寄存器信息均通过s7连接从集中监控系统中数据交换得到，主要包括除氧器进水开度，锅炉启停信号，锅炉燃油燃气信号。

图4

图5

（2）通过锅炉启停信号及锅炉燃油燃气信号进行逻辑判断，仅在锅炉启动并且燃气状态时打开二级节能器进水调节阀进行烟气余热回收。

（3）1#～5#二级节能器进水调节阀开度用以控制换热后烟气温度，其中设定换热后烟气温度PID控制目标值为90℃，高于90℃开大调节阀开度，低于90℃则关小调节阀开度。

（4）旁通调节阀和回流调节阀开度控制根据上文的计算公式进行计算及换算。

（5）为保证给水系统变频器最低频率运行，延长电机使用寿命，回流调节阀要求始终保持最小开度以上，保证变频器运行频率高于32.9Hz。

2.需要解决的主要问题

（1）由于在用锅炉节能器之间压差不同，造成节能器进水力不均衡，进水量少的节能器无法高效运行。

（2）不投用的锅炉节能器同时也在进水，会使运行的节能器水量不够，影响节能器的效能发挥，目前运行状态下，几台锅炉的热效率在99%左右。

（3）在除氧器较高水位时，除氧器进水调节阀关小或关闭，影响了所有节能器的工作。

（4）在全厂蒸汽冷凝水回收少或不回收时，还是可能会造成除氧器补水不够，影响锅炉正常运行。

四、结语

以上内容主要针对基于多台冷凝式锅炉给水系统水平衡系统的研究和应用进行了综述，且在杭州卷烟厂动力车间进行了实施推广，在保证除氧器正常供水的前提下，实现了烟气余热的按需回收利用。

参考文献：

［1］贾力，孙金栋.天然气锅炉烟气冷凝热能回收的研究［J］.节能与环保，2010（1）：1-3.

［2］李慧君，王树众等.冷凝式燃气锅炉烟气余热回收可行性经济分析［J］.工业锅炉，2003（2）：1-4.

［3］Lakehal，Djamel.Turbulence and heat exchange in condensing vapor - liquid flow，Physics of Fluids，Volume 20，Issue 6，pp.065101-065101-182008（6）.

中图分类号：TP272

文献标识码：B

文章编号：1671-0711（2016）03-0050-03

收稿日期：（2015-02-16）