热能动力工程在锅炉中的应用毕业论文

哈尔滨工业大学成人教育学院毕业设计（论文）2017年04月成人高等教育毕业设计（论文）题目热能动力工程在锅炉中的应用 类别 函授 层次高起专专业热能动力设备与应用班号学号学生姓名杨兴宏指导老师哈尔滨工业大学成人教育学院2017年04月7日姓名 杨兴宏 专业 热能动力设备与应用 指导老师评语评阅人评语评阅人（签字）答辩委员会主任（签字）答辩委员会副主任（签字）答辩委员会委员（签字）【摘要】随着我国社会和科技的不断发展，常规的能源正面临着严峻的短缺问题，使得热能动力工程在我国获得越来越广泛的应用，在我国发挥着越来越重要的作用。锅炉的制造与控制中热能动力工程技术是不可缺少的一部分，尤其在当今以节约能源，增大能源利用率的年代，如何合理运用热能动力工程技术对于锅炉进行改造和创新成为重中之重。当前，我国面临着比较严峻的能源形势，经济社会的快速发展造成了能源的过度消耗，尤其是常规能源和不可再生资源的过度消耗。但是随着科学技术日新月异的发展，人们对于热能动力工程的研究也取得了一定的进展，而热能动力工程中的锅炉专业可以说是最早建立起来的，工程的核心也是锅炉技术的应用。热能动力工程在锅炉中的应用技术取得了良好的发展，但是还存在能源利用率低、污染严重、温度控制难度大等问题，只有不断提高热能动力工程技术研究力度，尤其是高效燃煤锅炉技术开发，提高锅炉自动化控制水平，加强节能减排环保力度，才能提高能源利用率，促进我国经济可持续发展。热能动力工程的相关概念热能动力工程是以工程热物理学为主要理论基础，主要包括工程热力学、燃烧学、传热传质学、气动热力学等，以内燃机和其它新型动力机械为研究对象，运用热力发电机、工程力学、自动化控制、计算机科学技术、能源工程等学科知识和技术，研究如何把燃料的热能转化为工程动力学。对于工业生产而言锅炉是密不可分的一个重要动力工具。但是随着我国实施可持续发展战略及以原材料的价格普遍上涨，如何合理的利用资源已经成为了所有企业都在考虑的问题。工自业革命以来，热动能力被广泛应用于企业的生产之中，本文首概先述了热能动工程力，对工业生产过程内中燃控技制术的用应及以热动力工程能在锅炉方面的应用和锅炉的计算机化发展方面进行了分析。 关键词：热能 热能与动力工程 锅炉 问题 计算机化目录摘要 41.热能与动力工程在锅炉方面的应用概述 62.锅炉在电厂方面的应用 83.锅炉的计算机控制 94.热能动力工程炉内燃烧控制技术运用 11 5.结束语 12参考文献 131.热能与动力工程在锅炉方面的应用概述热能与动力工程是一项十分复杂的学科，包含很多其他周边学科的内容，其主要是以跨热能动力工程及机械工程方面为理论基础，实现机械和热能之间的能量转换。锅炉作为一种十分重要的能量转换机械设备，锅炉的燃烧过程就是能量转换过程，需要计算出锅炉在燃烧的过程中需要的动力值。为了能够提高锅炉的燃烧效率，节省资源，就需要在锅炉的设计过程中以热能与动力工程为原则。但是目前来看，我国针对锅炉热能方面的研究还比较少，研究的还不够深入和透彻，距离理想的水平还存在着一定的差距，需要相关学者对锅炉的运用和热能与动力工程的关系进行深入分析。1.1热能与动力工程研究的基本内容热能与动力工程可以说是一门研究热能与动能之间转化规律的学科，包含的内容涉及的范围比较广泛，影响因素也比较多，需要研究人员对该学科进行全方位了解，并能够找到该学科的发展规律，使其能够在其他学科建设中更好地被应用。锅炉是热能与动力工程研究的主要设备，在锅炉的设计和生产过程中会运用到大量的热能与动力工程知识，并形成了系统性的理论知识。因此在锅炉应用的过程中特别注意机械工程、能源工程、物理工程等领域的应用情况，从中发现提高锅炉燃烧效率的规律。同时每个学科的发展方向和研究领域会随着社会的发展以及科技的进步发生改变，热能与动力工程的应用领域也向着智能化方向发展，特别是物理工程领域，我国相关拓展领域的研究还处于初级阶段，专业人才数量严重不足，面临这些情况需要加强对热能与动力工程领域的研究，逐步地积累经验，发挥出热能与动力工程的最大作用，提高锅炉生产企业的经济效益，促进相关领域的共同发展。1.2对锅炉结构及动力原理的分析一般的锅炉结构主要包括外壳、燃气的控制及锅炉生产主体部分。其中外壳又分为底壳和面壳两部分，底壳承担锅炉燃烧的功能，也是锅炉在燃烧过程中的主要涉及环节。在底壳处安设有热交换器以及电控盒等主要部件，同时底壳还是连接锅炉各部分的枢纽，对锅炉的整体性稳定起到决定性的作用。面壳主要作用是防止灰尘以及其它不相关物质进入到锅炉内部，扮演保护伞的角色，从而更好的保护锅炉，延长锅炉的使用寿命。燃气的控制及锅炉生产主体部分是锅炉结构的核心，对控制锅炉生产活动起到决定性作用。1.3热能与动力工程在锅炉应用中存在的问题过去的工业锅炉主要的作用就是满足人们对热能的需要，随着工业化的不断发展，工业生产中需要大量的动力，而工业锅炉就作为热能转化为动能的主要设备。此外，在制造业生产中，锅炉能够提供热能和动力。科技的进步以及社会的发展，促进了工业锅炉生产技术的提高，同时也扩大了工业锅炉的应用范围。在工业锅炉发展的过程中也加深了对热能与动力功能之间的转化研究，转化效率得到了极大的提高，但是当前仍然存在着一些问题需要解决，保证工业锅炉的正常使用。锅炉的构成部件十分复杂，其中风机是通过把电能转化为动能并向锅炉内部输送氧气的重要部件，风机的工作承受度是有限的，随着人们对能源需求量的逐年增加，企业为了追求更多的利益，开始盲目地增加锅炉的工作量，进而超过风机工作的承受度，导致风机出现损坏的现象，不仅对锅炉整体设备造成不良影响，同时也中断了企业的生产。由于风机内部构造十分繁杂，工作人员很难准确判定风机内部的温度，所以应该加强对锅炉中风机内部温度测量的研究，目前最为常用的方法就是通过对不同方向上流入风机叶片的燃烧速度进行测量，根据测量的数据进行建模并划分出网络结构，直观地观察风机和其他部件之间的联系，并逐渐完善风机的设计，提高风机的工作能力和效率，进而提高整个锅炉的运转能力。 1.4热能与动力工程在锅炉领域的应用目前，热能与动力工程在锅炉领域里应用越来越广泛，并且还在不断开发出新的应用技术，总的来说有以下几点：1.4.1 热能与动力工程在锅炉内部燃烧控制技术的应用锅炉内部的燃烧控制是能否成功地调整能量的转换幅度的核心技术，在科技水平不断发展的今天，锅炉的燃料已由从前的人工向锅炉填充燃料变为步进式的自动化填充燃料，甚至有些先进的锅炉已经开始进入全自动填充燃烧燃料的阶段。锅炉的燃烧控制根据热能动力自控技术的不同，可以分为两种：第一种是由燃烧控制器、电动蝶阀、比例阀、烧嘴、热电偶、流量计、plc等部件组合而成的连续控制系统。这种系统的控制方式是先由热电偶检测出数据，传送至plc与其设定好的数值比较，算出的差异值输出相应的电信号，并根据电动蝶阀和比例阀门的开放程度的对比情况进行相应的调节，以此来进行炉内温度的调节。这种方法的缺点是温控不够精确，需要仔细确认；第二种是由燃烧控制器、流量阀、流量计、烧嘴和热电偶组成的双交叉控制系统，它的控制方式是先由热电偶把需要精确测量的温度变成电信号，根据实际温度和预存温度数据间的差异值，由plc进行燃料与空气阀门的开合调节。这种控制方式可以节约材料，也可以把温度控制在较为精确的范围内。1.4.2 热能与动力工程在锅炉领域中存在的问题热能与动力工程在锅炉应用中存在的问题主要在于锅炉的风机方面，风机作为气体的压缩和输送装置，可以把旋转的机械能转化为气体的动能和气体的压力能，并将其输送到指定的机械里，所以经常应用在锅炉运作中，但是随着锅炉对于能源的需求愈来愈大，在锅炉中工作运转的风机也会承受越来越大的负荷，经常会出现把电机烧坏烧毁的情况，不仅会让工厂遭受巨大的经济损失，也会严重威胁到工厂人员的人身财产安全。所以，只有不断地改进风机，合理地使用热能与动力工程技术，才能更好的保证锅炉的正常运转和工厂人员的安全。 5 热能与动力工程的发展方向目前，随着各行各业的不断发展，热能与动力工程的发展方向是比较可观的，它可以在多个领域发展。比如说可以发展热能动力及控制工程、热力发电机及汽车工程等多个方向。但是，需要注意的是，在发展不同的工程时，要掌握不同的热能与动力工程的技术和原理知识，做到具体问题具体分析，更好地促进各工程的较好较快发展。此外，正是由于热能与动力工程拥有较好的发展前景，因此我们更加需要不断提高与该工程有关的技术水平，增强工作人员的专业素质，为该工程的质量提供良好的保证。我们从各方面分析了热能与动力工程在锅炉中的应用，并对其存在的问题提出了相关的解决措施，这些方法定会促进锅炉的运转，提高锅炉的工作效率，从而为企业带来更大的经济效益。只要我们始终坚持发展热能与动力工程，把理论与实际相结合，做到实事求是，具体问题具体分析，并且在工作中要敢于积极创新，寻求更高效、便捷的方法技术。我相信企业做到了这些，就一定会改变我国的能源短缺的现实状况，促进我国经济的发展，增强我国的综合实力。2.锅炉在电厂方面的应用电厂锅炉是发电厂的重要生产设备，为了提高发电厂的工作效率和经济效益，必须认真探讨如何利用热能动力知识来提高电厂锅炉的运行效率，研究新形势下电厂锅炉应用的发展前景。2.1 电厂锅炉的构成要素电厂锅炉作为发电厂的支柱设备，在发电厂中发挥着重要的作用。电厂锅炉主要由两个方面组成：一方面是外壳部分，另一方面则是锅炉控制部分。从外壳来说，外壳是由底壳和面壳组成的，底壳的作用就是加强稳固燃烧器，另外，底壳的膨胀水箱等部分要件都是由底壳连接在一起的，通过底壳的作用从而固定在墙体上。从面壳来说，面壳的主要作用是防止风尘的污染，从而保护各个重要部件及环境。锅炉控制部分是电厂锅炉最重要的构成要素，是整个锅炉构造中的核心部分，它主要控制燃料的燃烧。传统的控制方式以人力为主，不能很好地控制温度，使其数值失真，而现在控制系统大部分都是由电子控制，这样能够保证操作准确，达到控制效果，实现控制目标，符合控制要求。2.2电厂锅炉在热能动力工程中的应用社会生产和人们生活都需要电力的支持，社会和经济的发展也都离不开电。另外，我国主要是依靠火力发电来满足我们用电需求。随着人类的进步和社会的进展，人们对电力的使用需求也在不断增大，我们不仅要提供充足的电量，并且还要保证电力质量。因此，为了适应社会变革，火力发电厂只有改进生产技术，提高工作效率，不断完善电厂锅炉的运作系统和整体构造，从而提高锅炉性能和燃烧效率。我们在改进的同时，要明确电厂锅炉是由众多部分组成的，每一部分都要引起重视，提高各个部分的性能，从而促进整体发展。基于以上研究，热能动力工程的应用研究便成为首要关注问题。电厂锅炉在应用中主要是实现热能和机械能的转换，而根据热能动力工程学的研究对象原理来看，电厂锅炉便是我们将要研究的对象，因此热能动力工程学具有极强的综合性和实践性。我们需要运用热能动力学知识来探究电厂锅炉的构造技术和工作流程。众所周知，随着经济的发展，我们可以使用的资源越来越少，地球上的资源受到了前所未有的挑战，面对当前形势，我们只有节能减排，重视电厂锅炉的应用技术才能实现社会的良性运转。2.3热能动力工程中锅炉及工业炉的发展1872年第一台锅炉在英国被制造，随着锅炉的产生，蒸汽机时代出现，1796年瓦特发明了分离冷凝器，代表着锅炉的完整运作体系的初步确立，工业炉和锅炉原理类似，从某些方面来讲，锅炉也是工业炉的一种，工业炉是指在工厂的工业生产过程中通过燃料的燃烧进行热量的转换，对材料进行加热的设备，工业炉产生于中国商代，主要的工作方式是通过加热提炼铜器，春秋时期产生了铸铁技术，这证明着工业炉的温度控制正在进步1794年熔炼铸铁的高炉出现，1864年马丁建造了气体燃料加热的平炉，随着现代化科技的进步，计算机逐渐代替了人工进行对锅炉系统的控制，推钢式炉和步进式炉成为吸纳带连续加热炉的两种基本类型，两者只有运输燃料的方式有所不同而已。2.4热能动力工程炉内燃烧控制技术运用锅炉的燃烧控制是调整能量转换幅度的核心技术，在当今社会，锅炉由人力向锅炉内填充燃料逐渐转型为步进式的自动控制填充燃料所代替，更加先进的锅炉甚至使用全自动燃烧控制，根据其运用热能动力自动控制技术的不同，锅炉的燃烧控制分为以下几种：2.4.1 以烧嘴燃烧控制器电动蝶阀热电偶比例阀流量计气体分析装置以及PLC等部件组成的空燃比里连续控制系统这种燃烧控制系统是由热电偶检测出数据传送至PLC与其本身设定的数值进行比较，偏差值通过使用比例积分及微分运算输出电信号同时分别对比例阀门以及电动蝶阀的开放程度进行调节，从而达到控制空气与燃料比例调节锅炉内温度的目的，此种方式温度控制并不十分精确，需要仔细确认额定数值。2.4.2 由烧嘴燃烧控制器流量阀流量计热电偶几个部分组成的双交叉先付控制系统其工作原理主要是通过温度传感器热电偶把需要进行精确测量的温度变成电信号，这个电信号即是用来代表测量点的实际温度，此测量点温度期望给定值是由预先存贮在上位机中的工艺曲线自动给定的，并根据两者数据之间的偏差值的大小，由PLC自动调整燃料与空气流量阀门的开合程度，通过电动的方式运行机构的定位以及空气和燃料的控制比例，并接住孔板和差压变送器测量空气的流量，燃料的控制也通过一个专用的质量控制装置来测量，是温度精确的控制在必要的数值上，这种燃烧控制优点在于方式节省部件，并且温度控制精确。火力发电中热动工程最重要的两个专业的核心是汽轮机和锅炉，两个专业设置时间长，反映热电力工程的核心技术，包括火电工程方面主要表现在锅炉设备，制药工厂等等，可以说随着社会的发展科技进步日新月异，社会逐渐短缺的能源，锅炉燃烧技术凭借其高效率的使用性能在火力发电中的运用更为广泛，在推动我国家经济发展中扮演一个越来越重要的角色。3.锅炉的计算机控制锅炉微机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我国现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，大多数锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染等严重的生产状态。提高热效率，降低耗煤量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作。作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、运行，减轻操作人员的劳动强度。采用微计算机控制，能对锅炉进行过程的自动检测、自动控制等多项功能。锅炉微机控制系统，一般由以下几部分组成，即由锅炉本体、一次仪表、微机、手自动切换操作、执行机构及阀、滑差电机等部分组成，一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机，手自动切换操作部分，手动时由操作人员手动控制，用操作器控制滑差电机及阀等，自动时对微机发出控制信号经执行部分进行自动操作。微机对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可靠地运行，除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行微机系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，这是必不可少的，以免锅炉发生重大事故。3.1控制系统：锅炉是一个较为复杂的调节对象，它不仅调节量多，而且各种量之间相互联系，相互，相互制约，锅炉内部的能 量转换机理比较复杂，所以要对锅炉建立一个较为理想的数学模型比较困难。为此，把锅炉系统作了简化处理，化分为三个相对独立的调节系统。 当然在某些系统中还可以细分出其它系统如一次风量控制回路，但是其主要是以下三个部分： 炉膛负压为主调量的特殊燃烧自动调节系统锅炉燃烧过程有三个任务：给煤控制，给风控制，炉膛负压控制。保持煤气与空气比例使空气过剩系数在1.08左右、燃烧过程的经济性、维持炉膛负压，所以锅炉燃烧过程的自动调节是一个复杂的。对于36.5t/h锅炉来说燃烧放散高炉煤气，要求是最大限度地利用放散的高炉煤气，故可按锅炉的最大出力运行，对蒸汽压力不做严格要求；燃烧的经济性也不做较高的要求。这样锅炉燃烧过程的自动调节简化为炉膛负压为主参数的定煤气流量调节。 炉膛负压Pf的大小受引风量、鼓风量与煤气量（压力）三者的影响。炉膛负压太小，炉膛向外喷火和外泄漏高炉煤气，危及设备与运行人员的安全。负压太大，炉膛漏风量增加，排烟损失增加，引风机电耗增加。根据多年的人工手动调节摸索，6.5t/h锅炉的Pf=100Pa来进行设计。调节是初始状态先由人工调节空气与煤气比例，达到理想的燃烧状态，在引风机全开时达到炉膛负压100Pa，投入自动后，只调节煤气蝶阀，使压力波动下的高炉煤气流量趋于初始状态的煤气流量，来保持燃烧中高炉煤气与空气比例达到最佳状态。3.2锅炉水位调节单元汽包水位是锅炉安全运行的重要参数，水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，增加在管壁上的结垢和影响蒸汽质量。水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，损坏汽包。所以其值过高过低都可能造成重大事故。它的被调量是汽包水位，而调节量则是给水流量，通过对给水流量的调节, 使汽包内部的物料达到动态平衡，变化在允许范围之内，由于锅炉汽包水位对蒸气流量和给水流量变化的响应呈积极特性。但是在负荷(蒸气流量)急剧增加时，表现却为逆响应特性，即所谓的虚假水位，造成这一原因是由于负荷增加时，导致汽包压力下降，使汽包内水的沸点温度下降，水的沸腾突然加剧，形成大量汽泡，而使水位抬高。 汽包水位控制系统，实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。它是以水位作为水量平衡与否的控制指标，通过调整进水量的多少来达到进出平衡，将汽包水位维持在汽水分离界面最大的汽包中位线附近，以提高锅炉的蒸发效率，保证生产安全。由于锅炉水位系统是一个设有自平衡能力的被控对象，运行中存在虚假水位现象，实际中可根据情况采用水位单冲量、水位蒸汽量双重量和水位、蒸汽量、给水量三冲量的控制系统。除氧器压力和水位调节：除氧器部分均采用单冲量控制方案，单回路的PID调节。 监控管理系统：以上控制系统一般由PLC或其它硬件系统完成控制，而在上位机中要完成以下功能： 实时准确检测锅炉的运行参数：为全面 掌握整个系统的运行工况，监控系统将实时监测并采集锅炉有关的工艺参数、电气参数、以及设备的运行状态等。系统具有丰富的图形库，通过组态可将锅炉 的设备图形连同相关的运行参数显示在画面上；除此之外，还能将参数以列表或分组等形式显示出来。综合及时发出控制指令：监控系统根据监测到的锅炉运行数据，按照设定好的控制策略，发出控制指令，调节锅炉系统设备的运行，从而保证锅炉高效、可靠运行。3.3诊断故障与报警管理：主控中 心可以显示、管理、传送锅炉运行的各种报警信号，从而使锅炉的安全防爆、安全运行等级大大的提高。同时，对报警的档案管理可使业主对于锅炉运行的各种、弱点等了如指掌。为保证 锅炉系统安全、可靠地运行，监控系统将根据所监测的参数进行故障诊断，一旦发生故障，监控系统将及时在操作员屏幕上显示报警点。报警相关的显示功能使用户定义的显示画面与每个点联系起来，这样，当报警发生时，操作员可立即访问该报警点的详细信息和按照所推荐采取的应急措施进行处理。记录运行参数：监控系统的实时数据库将维护锅炉运行参数的历史记录，另外监控系统还。设有专门的报警事件日志，用以记录报警事件信息和操作员的变化等。历史记录的数据根据操作人员的要求，系统可以显示为瞬时值，也可以为某一段时间内的平均值。历史记录的数据可有多种显示方式，例如曲线、特定图形、报表等显示方式；此外历史记录的数据还可以由以为基础的多种应用软件所应用。计算运行参数：锅炉运行的某些运行参数不能够直接测量，如年运行负荷量、蒸汽耗量、补水量、冷凝水返回量、设备的累积运行时间等。监控系统提供了丰富的标准处理算法，根据所测得的运行参数，将这些导出量计算出来。热能动力技术普遍应用于工业锅炉，提高锅炉的燃烧控制双交叉先付系统对于锅炉的控制主要依靠温度传感系统来达到生产企业要求的的各个环节中都离不开热能动力技术的实现。通过对于温度的准备测量，将温度信号传递到控逻辑参与。因此热能动力学对于我国工业生产过程中的动力改制器，然后通过逻辑控制 器对空气量阀流的打开程度进行调节具有不可替代的作用。所以利用热能动力学的相关原理对于燃料的进出口进行调解，精确的控制温度对工业锅炉进行极积的改造，对于高提生产效率、节约能源都具有极大意义。热能动力工程在锅炉方面的应用将发挥巨大的作用 。由此可见，锅炉的运用在工业的历史发展中具有举足轻重的作用。目前的工业锅炉是利用动力工程建设，是相对造但价要传比动动力设备高。目前虽然国家在大力提倡环保、节能建设，但是水电利动力工程燃料燃烧的或者是能转化的电热量对于物料者或件进行加工仅仅是有条件的企业在采用。4.热能动力工程炉内燃烧控制技术运用在实际的操作过程中，对于能量转换环节的控制时工业炉或锅炉对于动力燃料燃烧控制技术的核心。随着时代的进步，传统的人力添加燃料的模式已经无法满足实际工厂生产的需要，由此自动填充模式成为了主流。部分大企业引入的国外设备已经能够实现整个流程的全自动化，微电脑操作系统完全实现了对于燃烧的控制。根据控制技术的不同，目前将锅炉的燃烧控制系统主要分为了一下两种。（1）以烧嘴、燃烧控制器、电动蝶阀、热电偶、比例阀、流量计、气体分析装置以及 PLC等部件组成的空燃比里连续控制系统。这种燃烧控制系统是由热电偶检测出数据传送至 PLC与其本身设定的数值进行比较，偏差值通过使用比例积分及微分运算输出电信号同时分别对比例阀门以及电动蝶阀的开放程度进行调节，从而达到控制空气与燃料比例调节锅炉内温度的目的。目前，空燃比里连续控制系统主要是利用锅炉内部相关燃烧数据的分析传入可编程的逻辑控制器，通过逻辑控制器对于向比例阀传输电子信号，对其开放程度进行调控，由此来控制锅炉内部的温度。但是，受到科技发展的局限性，目前利用空燃比里的连续控制系统在具体操作过程中，其对于温度控制的准确度没有达到预想的目标，还是需要专业技术人员的操作干涉。（2）由烧嘴、燃烧控制器、流量阀、流量计、热电偶几个部分组成的双交叉先付控制系统，其工作原理主要是通过温度传感器热电偶把需要进行精确测量的温度变成电信号，这个电信号即是用来代表测量点的实际温度，此