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硕士论文 锅炉配风监控技术研究 a b s t r a c t m o s t o f t h e b o i l e r s g e n e r a t e e l e c t r i c i ty勿 b u rn i n g p u l v e r i z e d c o a l i n t h e p o w e r s t a t i o n s . t h e a d j u s t m e n t o f t h e p r i m a ry w i n d a n d t h e a u x i l i a ry w i n d i s a n i m p o r t a n t k e y d u r i n g b o i l e r b u rn i n g p r o c e s s . t h e s t a n d o r f a l l o f c o m b u s t i o n p r o c e s s d e c i d e s t h e e ff i c i e n c y 各个燃烧器的一次风的煤粉浓 度等。 对于四角布置组织切圆燃烧的煤粉锅炉， 决定炉内燃烧工况的决定性因素 是炉内的空气动力场和浓度场，要保证良好的燃烧状态，四角燃烧器的一、二、 三次风的风量 ( 风率) 或风速以及一次风的煤粉浓度必须保持在与煤种相适应的 合理值并保证四角均衡， 否则就会破坏正常的燃烧过程， 对煤粉着火， 燃烬不利， 影响燃烧效率，导致炉内流速场， 燃烧物质浓度场和温度场异常， 炉内结渣， 管 壁局部过热等不安全现象; 引起炉膛火焰中心偏斜、 燃烧不稳、 局部结焦、 爆管， 锅炉热效率下降，甚至导致锅炉熄火放炮而诱发事故。 在电 站锅炉运行中， 保持适当的二次风速及风率是建立正常炉内空气动力场 和稳定燃烧的必要条件。 正确使用二次风， 可以搅拌炉内烟气， 不但能够加强烟 气中可燃气体与空气中氧气的良 好混合， 同时可以延长悬浮细煤屑在炉膛中的行 程和停留时间， 提高 燃尽率， 另外二次风能够增强炉内 气流扰动， 依靠旋涡的分 离作用， 把飞 灰和未m尽的碳粒甩回 燃煤层复 燃， 不仅降 低了飞灰含碳量、 减少 化学不完全 燃烧损失， 提高锅炉效率， 同时又可起到良 好的消烟除尘效果 1 10 ) 二次风的布置方便， 炉膛结构也不因之而变得复杂。因此， 无论在锅炉设计还是 改造中， 都是一项花钱少、 效果好的措施， 所以 稍大一点的锅炉上都利用二次风。 随着能源价格的提高和能源紧张的压力， 人们日 益重视二次风的作用， 研究了二 次 风的 进风 速度、 配风比、 喷嘴角 度等对燃烧的影响(2 ,3 .4 .4 ) 对二次风布置不合理 的 锅炉， 纷纷进行了改 造， 提高了 锅炉的 热效率1 5 ,6 .7 .8 ,2 6 1 。且在解决小型工业锅 硕士论文 锅炉配风监控技术研究 炉消烟除尘的措施中， 也特别注重二次风的使用， 取得了很好的效果。 对以往大 都不设尾部受热面的中小型锅炉， 现在人们也开始注重回收烟气余热， 采用热管 空气余热器可以强化预热的空气作为送入锅炉的二次风，可以明显改善燃烧状 况， 有效地提高 锅炉的 热效率和 锅炉地安全经济 运行水平， 大大降 低排烟黑度 1 1 )一、二次 风风 速在线监测现状z 5 ,2 7 . 目 前， 国内采用四角布置切圆燃烧方式的电站锅炉是极为普遍的。对于四角 布置的直流燃烧器来说， 燃烧调整的目的是寻找最佳的燃烧方式， 建立起炉内良 好的空气动力工况。其中， 关键的调整项目 是使四角配风均匀合理。这对于携带 煤粉的一次风有着较为严格的要求， 对动能、 刚性比一次风大得多的二次风有着 更高的要求。而要达到这一目的， 则必须实现对各一、二次风喷口 风速的准确测 量和调控， 这是问题的关键。 从设计、 制造锅炉的角度出发，燃烧系统中燃烧器出口风速是燃烧器设计的 主要参数， 也是指导运行的重要依据。 但是， 由于目 前锅炉烟风系统结构设计及动 压测量装置自 身测量条件要求的限制等原因 ， 使得锅炉燃烧系统的喷口风速， 到 目前为止难以实现准确测量，从而难以谈及配风的合理调节。 多年来， 司炉进行的锅炉燃烧调整一直停留在依靠观测风道静压、风门开 度 和肉眼看火这种传统、 落后的监测手段上。 司炉无法直接、 准确地监测到锅炉一、 二次风的喷口 风速， 燃烧调整一直处于靠感觉、凭经验的盲目、半盲目的状态， 无法有效地监测和调整炉膛内的实际燃烧工况。因此， 如何开发先进的燃烧监测 的手段， 解决实现锅炉燃烧系统一、 二次风喷口 风速实时、 准确测量的问题， 改变 目前的被动局面就成为当务之急。 目 前， 司炉调整锅炉一、二次风风速配比， 主要的监测手段有三种: ( 1 ) 依据安装于每个燃烧器一、二次风支管及风箱上的静压测点指示， 调平 各层风速。 其测量原理是利用流体力学的伯努力方程， 即假设在全压相等的前提 下， 动压等于全压减静压， 通过测量静压来比对动压。 该方法的优点是系统简单、 直观， 存在的问 题是:第一，由于风道系统结构上的差异， 风箱到各个喷口的烟 风阻力不相等， 而且随炉型增大， 差异变大;第二， 一、二次风风道中，尤其是 在二次风管道中， 由于结构的影响， 流场的稳定性相当差， 在不采取二定有效措 施的前提下， 准确测量静压值都是很困难的。 第三， 即使能够侧量到准确的静压， 由于系统中各个管道的阻力无法得到较好的补偿， 只能实现定性测量， 无法实现 与设计风速值的定量比对。 ( 2 ) 通过对各风门 进行冷、热态的风门 特性试验:依据风门开度的大小来实 现二次风的调整。 该方法的前提是风门开度指示与挡板的实际位置建立起一一对应的关系。 但 硕士论文 锅炉配风监控技术研究 是由 于使用年限和炉本体膨胀的影响 ( 热态膨胀量很大) ，易使二次风门 特性改 变， 使一些 二次风门的实际开度与远方指示不一致。为 解决 这个问 题， 文献 1 2 j 在每个二次风门的侧面风箱上开一个环行开口， 用焊接在环开口上的一个环形倒 “ 凸” 形的装置固定云母片， 并同时加装一个标有开度的环状牌。 在挡板的可见部 分的中心， 焊接一个指针， 与执行器连接前， 进行二次风门挡板特性试验， 找出 挡板与喷口风速的关系， 并用二次风门挡板特性曲线建立燃烧运行卡。 但是由 于 风门控制系统结构特点及执行机构、挡板所处的环境恶劣， 风道内挡板的实际开 度往往与执行器开度指示相脱节， 风门 特性经常变化， 加之运行中， 风门的检查、 维 修工作困难难以保证这种一一对应的关系。 (3 ) 近年来， 人们认识到传统的 监测手 段并不可靠，开始依靠安 装全压测 速 管、 靠背管、 笛形管等技术来测量风量来试图解决一、 二次风风速的测量， 但靠 背管等动压测量元件无法用于涡流区， 而二次风等处的测点又无法提供足够的直 管段， 由于现场所能提供的测量条件和上述一次测量元件自身测量条件要求的限 制， 取出的差压有很大的而且难以消除的噪音信号， 在工业现场的实际应用中尚 存在一 些问 题t 且 3 ,2 9 1 2 )二次风道流量特性的研究状况 在锅炉的设计中，二次风设计随着能源供应的紧张而日渐受到人们的重视， 二次风布置得恰当合理， 不但能提高锅炉的热效率， 而且能起到消烟除尘的作用， 减少 烟气中的 污染颗粒和污染 气体29 1 。由 于 二次风随时n ) 脉动量大， 可能导 致 燃烧不稳定; 阻力件调节阀的改变， 对各风道间的相互流量有非常大的影响; 另 外，由于通道很短，二次风得不到充分发展，出口 截面速度极有可能分布不均， 因此， 发展一种比 较可靠的方法， 建立与流量对应的阀门开度的关系， 对于燃烧 的稳定性来说， 有着非常重要的意义。 到现在为止， 虽然很多人对二次风进行了 研究， 但是有关二次风的理论仍不是一套系统的、 成熟的理论， 对于二次风系统 的设计， 大多还是依经验， 没有提出具体明确的设计准则以有效地提高效率， 所 以还需要进一步研究，使之形成完整的理论体系。 文献 1 3 对二次风道流量特性进行了 探讨， 指出目 前普遍使用的二次风道和 二次风门的结构过于简单， 存在很大缺陷， 主要表现在二次风道的原始阻力系数 严重偏小和风门涡流强烈， 从而造成二次风产生强烈的脉动。 通道内的相对流量 二，、 ， ，、_ _ 月. _ 。 二 .， ，二_ _氛二 、。， ， : 。 二，.。 二。 * 可以 简 单的 表 达为:u = 0 十 y ) -0 ， 其中y 二 乎， 点 为风门 阻力系 数， 乱为 风 道 _一 ，、 - ， 一 4 原始阻力系数。 由 简化条件下二次风道的流量特性可得结论为: 通道内的相对流 量不单 纯地取决于风门 阻力系数氛， 而是取决 于风门 阻力系数氛与风道原 始阻 硕士论文 锅炉配风监控技术研究 力 系数4的比 值y 。由以 上分析可 看出目 前二次 风道配风 系统所存在的 一些不足 之处: ( 1 ) 同 样结构的风门 安 装在不同的风道中， 将具有不同的流量调节特征。 在 实炉运行中，用风门开度来调平二次风不合理: ( 2 ) 理想的风量调节 特性如线 性调节特性( 风门开 度与通道流量之间 呈现线性 关系 ) ， 需要在风门 设计中 综合考虑风门阻力系 数与风道原始阻力系数之间的匹 配 ， 使 ( 1 + y ) 一 ， 的 值 与 风 门 开 度 呈 线 性 关 系 才 能 获 得 。 考 虑 到 在 风 门 的 可 调 区 氛 远 大 于 晶 , ， 所 以 乱 的 微 小 变 化 都 足 以 使y 值 产 生 巨 大 变 化 ， 因 此 对 于 二 次 风 道 而言， 通用的线性调节关系的二次风门根本不存在， 必须针对具体的二次风道结 构进行个性化的单独设计。 同理， 通用的等百分比调节关系的二次风门也是根本 不存在的。 ( 3 ) 现有的风门 ( 翻板蝶阀 ) 具有极不理想的 快开 特性， 小开度时阻力系数的 变 化率很大， 大开度时阻力系数的变化率很小， 同时流体通过阀门时在其后侧形成 两个漩涡， 漩涡尺度的大小随阀门开度增大而逐渐消失， 且阀门沿来流方向后端 那 一 侧 的 漩 涡 先 消 失 。 根 据 相 对 流 量 表 达 式 ， 增 加 原 始 阻 力 系 数 氛 ，可 以 使 风 门的调节特性得到改善。 ( 4 ) 从通道内的流 动稳定 性来看， 并联的相邻短通道之间的 相互干扰( 俗称抢 风 ) 造 成 的 流 量 脉 动 主 要 扰 动 因 素 是 o 的 随 机 变 化 . 由以上分析可知， 作为二次风风量调节器件的二次风调节阀调节性能的好坏 对二次风系统来说至关重要。 3 )电厂生产过程监控系统 电厂企业的生产过程监控系统一般应具有如下特点: ( 1 ) 监测、 控制、 管理一体化。 监测功能即生 产现场的数据采集和设备运行 情况的监视及报普。 控制功能， 即p l c 、 单片机或计算机根据工艺要求及设备运 行参数的变化自 动或提示操作人员控制设备的运行。 管理功能， 即生产数据处理、 故障诊断与事故处理、 各种报表统计打印等。 将监测、 控制、 管理功能融合起来， 形成监、 控、 管一体化系统， 是电厂生产自 动化的必然要求和发展趋势。 这样将 有助于资源共享，实现全局自 动化， 增强控制系统的功能，降低系统成本。 ( 2 ) 分布式系统。 电 厂生 产过程是一个复杂的 连续生产过程， 从煤粉的 制成、 煤粉的燃烧到电能的产生等是一个典型而复杂的多点监控系统。 同时各功能单元 地理位置分散， 相互间影响， 相互之间的通讯要保证数据和控制信号等及时正确 的传输。 现阶段应用于生产监控系统的控制系统主要有三种形式，p c总线工控机系 统、 集散控制系统 ( d c s ) 、可编程逻辑控制器 ( p l c )系统 1 5 , 1 6 ,1 7 ,1 z )建立一套锅炉配风监控系统，实现配风系统的在线监控; 3 )重点研究配风系统中二次风及二次风道的 特性， 设计一种全新结构的二次风 调节阀来代替普通的二次风门，具有较好的调节性能， 并建立该调节阀的控 制系统，使其能够完成预定的调节动作; 4 )对所设计的调节阀 和整套系统进行总结， 并对该课题的 进一步深化发展提出 展望。 1 . 4 本章小结 本章总体上介绍了锅炉配风系统的概况， 并对配风系统的研究现状进行了资 料的搜集总结， 提出了配风监测系统、 二次风道及其调节阀的研究重要性， 确立 了论文主要任务。 硕士论文 锅炉配风监控技术研究 2 锅炉配风试验系统的设计 在科学研究中， 模化试验是一种被广泛采用、 行之有效的研究方法. 对于锅 炉设备来说， 有许多试验研究不易甚至不可能在锅炉设备上直接进行， 此时就要 用模化的方法进行试验，来指导新锅炉的设计或对旧锅炉的改造。 本章将对锅炉模拟试验平台的搭建以 及配风试验监控系统进行研究。 2 . 1 锅炉配风试验系统设计概述 锅炉设备因其尺寸大，系统和过程复杂， 在实际锅炉上进行空气动力场试验 研究工作变得越来越困难， 更有许多实验研究不易甚至不可能在锅炉设备上直接 进行:还有，随着锅炉容量的增大， 组织好合理的空间动力场对炉内嫩烧显得尤 为重要。 煤粉炉炉膛运行的可靠性和经济性在很大程度上取决于燃烧器及炉膛的 空气动力工况， 即空气( 包括挟带的燃料) 和姗烧产生的运动情况，良 好的炉膛空 气动力工况关系到炉膛几何尺寸、 燃烧器的结构及其动力参数和布置方式等因素 的恰当选取;另外， 只有了解了气流在炉内的旋流强度、 动态切圆大小以及气流 在炉内的旋转强度、 动态切圆大小以及气流在炉膛出口的分布规律， 才能对防止 炉膛水冷壁结焦， 稳定燃料的着火和嫩烧， 改善炉膛出口后的烟温和气温偏差等 措施的制定起指导作用 。 相似理论是锅炉模化试验的理论基础。在原型和模型中的物理过程相似，就 可从模型试验中获得的数据或资料， 根据相似法则换算到原型上去。 模型和原型 的相似可以分为完全相似和近似相似两类。 锅炉的锅内和炉内过程伴随着许多物 理量的变化， 同时存在几个定性准则， 若完全满足模拟条件要求， 实际上是极困 难， 甚至是无法实现的， 因此只能借助于近似模拟方法， 忽略一些定性准则加以 研究。 模化实验的类型: 1 ) 类比 模化: 在模型和原型中 物理或 化学过程的 性质不同， 但描述这些过程 的数学微分方程相同， 从而用模型的实验结果来预测原型中的 特性。 2 ) 物理模化: 在模型和原型中物理或化学过程的性质相同， 或主要方面是相 同的一种模化。诸如: 炉膛空气动力场的研究， 锅内汽水两相介质分离及混合规 律的研究; 受压原件强度的研究; 一些辅助设备的压降、 流型和磨损; 燃烧器型 式及燃烧方式对燃烧煤种适应性的研究等等都应用这种方法。 3 ) 数学模化:用数学分析或数值模拟的方法， 借助计算机来进行 “ 实 验” ， 从而预示锅炉设备中过程的特性和参数的模化方法。 近几年来， 随着计算机技术 的提高，以及计算流体力学、 计算传热学、 计算燃烧学和燃烧理论等边缘科学的 发展， 数值模拟在锅炉上的应用， 己从简单的一维流场模拟发展到炉膛三维空间 的速度场、 温度场和浓度场的模拟， 并出 现用概率密度函数法来模拟炉内 传热和 硕士论文锅炉配风监控技术研究 结渣趋势，以及n o x 等污染物生成的研究。 锅炉模化试验的最佳方法应是物理模化与数学模化的适当结合。 为了掌握大型电站煤粉锅炉燃烧技术， 将建立大型电站锅炉炉膛冷态模拟试 验台进行炉膛空气动力特性的研究。 通过测量冷态炉膛模型中冷态气流各点的速 度或设法显示气流分布情况， 从而达到对炉内 空气动力场有比较清楚了解的一种 试验方法。 2 . 2 锅炉配风试验系统的原理 冷态模化是指冷模或冷炉试验时模拟有嫩烧升温状态下的炉内流动情况。 冷 态试验方法是解决热态测量困难， 直观的， 易于做到的一种模拟试验方法。 关键 的问 题是: 冷态试验所得到的流动规律性和热态工况是否相似。 炉的锅内和炉内 过程伴随着许多物理量的变化， 同时存在几个定性准则， 因此只能借助于近似模 拟方法，忽略一些定性准则加以研究。 2 . 2 . 1 相似原理 相似理论的基础是欧拉. 白金汉通过数学方法推导证明的量纲分析基本定 理，即他发表的 “ n 定理”:若一物理现象与n 个物理量有关，在该n 个物理量 中含有m 个独立的量纲，则该物理现象可以 用( n - m ) 个无量纲参数来完全描述出 来。 若是所研究的物理现象可以用n 个物理量组成的方程式来表达， 也一定能用 ( n - m ) 个无量纲参数来表达，这样所表达的方程式比用n 个物理量表达的要简单 得多。当研究的两个物理现象可以用同一方程描述，且这两个物理现象各自的 ( n - m ) 个无量纲参数又分别对应相等. 则称这两个物理现象相似， 称这( n - m ) 个无 量纲参数为该物理现象的相似数。 反之. 若这两个物理现象相似， 那么它们各自 的( n - m ) 个无量纲参数也一定对应相等。 正是这一相似理论规律. 给我们研究物理现象与工程实际带来许多方便: 我 们不必再追究各个参数中的物理量是多少， 只要注意由这些物理量所组成的无量 纲参数的量是多少、 从而大大地减轻了我们的设计、 研究与试验工作， 而且由 此 设计模型， 模型的物理量可以与我们所要探讨的实物的物理量大小不同.， 只要具 有( n - m ) 个无量纲参数相同的 特征， 通过 对它的 无量纲参数关系的 研究、 就可以 . 获得我们所要研究的实物的规律。 相似定理包括s t( 斯特劳哈) 准则、 f r( 弗郎特) 准则、 e u( 欧拉) 准则和 r e( 雷诺) 准则。 根据相似理论， 遵守一定的模拟条件， 冷态试验所得到炉内定 性的规律性和趋势是与热态相符合的。 在二次风流动中， 流体是不可压低速运动的流体， 主要受薪性力和惯性力的 作用，因此，模型试验在几何相似的前提下，主要考虑雷诺相似准则。 硕士论文 锅炉配风监控技术研究 2 . 2 . 2 自 模化条件 自 模化是指某定性准则在一定区间范围内变化时， 对某非定性准则不起影响 或起较小影响作 用的 一种现象3。大家知道，粘性流体具 有两个自 模化区间， 在层流范围内， 流体的速度场彼此相似为一抛物线。 众所周知， 对流动过程起主 要 作 用 的 是 雷 诺 准 则 : r e = 吮 ， 它 表 明 了 流 动 惯 性 力 与 粘 性 力 之 比 值 。 在 等 温流动时，它决定了 气流运动的阻力特性，通常以欧拉准则e u 来表明压力与惯 性力的比值即: eu=a p= p v z ( 2 . 2 . 1 ) 当r e 大于一定值后，e u 值不再与 r e 数有关而保持为一定值，即此时惯性 力是决定因素， 而勤性力的影响可以忽略不计， 因此气流质点的运动轨迹主要受 惯性力的支配而不再受r e 值的影响。这就是气流运动状态进入自 模化区。对大 多数 锅炉， r e :- , 1 0 ， 时即进入自 模化区， 四角布置燃烧器的 情况下， 二次风的r e : 7 . 5 x 1 了， 即进入自 模化区 13 1 1 。 利用进入自 模化区 进行试验的 好处是非常明 显 的:通常大型锅炉 r e 值很高，如果缩小了 几十倍的模型 r e 准则与实物数值相 等， 势必要求模型中流速比实物大十倍以上， 这是不容易实现的. 利用进入自 模 化区的特点，可以在较低的r e 数值下实验而能得到相同的结果。 本课题模拟的哈尔滨锅炉厂生产的2 0 0 mw机组的二次风系统运行时，二次 风 温 度为2 8 0 0c ， 密 度 为。 6 4 k g / m 3 ， 粘 度为1 .7 8 9 4 x 1 0 -5 叼 ( m - 习 ， 总 风管 入 口截面尺寸为3 m x 2 .4 m， 二次风喷口出口 截面尺寸为0 . 5 m x 0 .5 m，出口的当量 直径d 为0 . 5 m，因此进入自 模化区的二次风出口临界速度为: v c , =, u - r e = 7 .5 x 1 0 4 x 1 .7 8 9 4 x 1 0 - 5 _ 川 0 . 6 4 x 0 . 5 4 . 1 9 4 ( m / s )( 2 . 2 . 2 ) 远远小于一般二次风出口所要求的速度。 由进出口 质量守恒换算成临界入口 速度为: v .= 凡 式4 . 1 9 4 x 4 x 0 . 5 x 0 . 5 a e 二 二 二 一二二 3 x 2 . 4 0 . 5 8 ( m / s )( 2 . 3 . 3 ) 在实 验 模型 冷 态 测 量中 ， 二 次 风温 度为1 0 0c ， 密 度 为1 .2 2 5 k g /m 3 , 粘 度为 1 .7 8 9 4 x 1 0 5 k g / ( m - s ) ， 总 风 管 入口 截 面 尺 寸 为0 .4 m x 0 .3 m ， 二 次 风 喷口 出口 截 面尺寸为0 .2 5 m x 0 .2 m，出口当量直径d为0 .2 2 m，根据式 ( 2 .2 .2 ) , ( 2 .2 .3 )计 算得出进入自模化区的二次风出口临界速度为 4 .9 1 m / s ,临界入口速度为 1 6 . 3 7 m / s 。 因此， 只需保证实验模型的入口速度大于1 6 . 3 7 m / s ， 便可保证试验与 实际的流动相似。 硕士论文锅炉配风监控技术研究 综上所述，开展锅炉冷态模化研究必须保证: 模型与原型几何相似; 气流运 动进入自 模区;速度一尺寸比数 c v 1 0=常数;模型和原型各次风气流动量比 对应相等、 模型和原型锅炉炉内燃烧器区气流旋转动量与燃烧器喷口射流动量比 相 等、 模 型 和 原 型 锅 炉 炉内 上升 气 流 动 量 与 燃 烧 器 喷口 射 流 动量比 相 等 13 2 ,3 3 ,3 4 1 2 . 3 锅炉配风试验系统平台的搭建 冷态模化试验台以煤粉锅炉设计方案为原型按一定比例建立，该炉采用四 角布置切向 燃烧技术， 每角燃烧器有两层一次风喷口，试验台本体用透明有机玻 璃板来搭建，以适用于多种试验用途。 试验台本体用透明有机玻璃板来搭建， 有机玻璃的厚度为 i o c m ， 由螺钉固 定， 用透明胶带密封， 可以拆卸。由于实验台整体高2 2 0 0 m m，体积比 较大，如 果采用自 下而上的搭建方法， 工程会变得复杂和困难， 所以 采用分批搭建， 将实 验台分为炉膛、配风风道、烟道、顶盖分别制作，如图2 . 3 . 1 所示. ( 1 ) 炉膛 炉膛是冷态模化实验的主要观测空间，炉膛的高度设计为 1 . 8 米， 横截面是 一个4 0 0 m m x 4 0 0 m m 正方形。 ( 2 ) 烟道 烟道用于连接炉膛，负压空气将通过，烟道通道截面为4 0 0 m m x 2 0 0 m 的长 方形。 ( 3 ) 底座连接器 实验台要联接到一个负压风道，由负压风道产生动力， 驱动空气流动。 所以 就需要底座连接器来联接实验台和动力装置。 ( 4 ) 配风风道 该炉采用四角布置切向燃烧技术， 所以正方形每角有两层配风风道。炉膛内 实际切圆直径的大小是切向燃烧锅炉炉膛内的一个重要参数， 它影响到炉内的着 火、 燃烧、 结渣等， 为了了 解在八个配风风道不同射流方向条件下气流在炉内的 旋流强 度以 及在炉膛的速度分布规律， 所以 设计八个风道为可调式， 这样炉膛内 实际切圆直径就可变。 ( 5 ) 顶盖 锅炉配风试验系统中对炉膛进行封闭，防止炉膛风的大量泄露。 ( 6 ) 支架 整个试验平台的支撑部分，主要负责固定炉膛结构以及支撑八个配风风道。 硕士论文锅炉配风监控技术研究 2 . 4 . 1 分布式监控系统常用控制方法 目 前构成分布式控制系统的主要形式有以 下几种: 1 ) 基于成熟的 集散 控制系统3 5 ,3 6 集散控制系统以 其集中管理、 集中 操作与功能分散、 危险分散的 特点适应了 工厂自 动化的要求，在工控系统中应用较多。它由 三大部分组成: 分散过程控制 装置、 操作管理装置、 通信系统。 分散过程控制装置是集散控制系统与生产过程 之间的界面，生产过程的各种过程变量通过分散过程装置转化为操作监控数据， 而操作的各种信息也通过分散过程控制装置送到执行机构。 在分散过程控制装置 内， 进行模数、 数模转换， 完成控制算法的各种运算。 操作管理装置是操作人员 与集散控制系统之间的界面。 操作人员通过操作管理装置了解生产过程的运行状 况， 并通过它发出操作指令给生产过程。 生产过程的各种参数在操作管理装置上 显示， 以便于操作人员的监视和操作。 通信系统起沟通协调操作管理装置和分散 过程控制装置的桥梁作用。 集散控制系统具有控制功能多样、 操作简便、 维护方便、 可靠性高、 便于与 系统内部其它计算机互联等优点。 但其主要缺点是不同厂家的集散控制系统产品 有着不同的通信方式， 因此不同厂家的集散控制系统之间以及与其上层网络之问 难以实现互联和信息共享，从而形成所谓的 “ 信息孤岛” 。从这个角度讲集散控 制系统是不开放的。 此外山于从现场到控制室信号电缆接线过多， 造成资金投入 量很大，且系统维护起来也很困难。 2 ) 基于i p c的分布式控制系统13 71 基于i p c的分布式控制系统结构往往采用嵌入式结构特点， 并结合e t h e m e t 技术构成分布式网络， 实现模块化和组合化。 在硬件方面， 许多工控硬件公司相 继推出了 符合 p c标准的各种控制模块， 例如u o卡、 a / d卡、 d / a卡等。可以 根据需要购买相应的模块插到i p c的扩展槽中， 搭建起自己的工业控制系统， 实 现“ 即 插即用” ( p l u g a n d p l a y ) 。 在软件方面， 国 际、 国内 有众多的基于p c 机平 台的工控软件， 这些成熟的工控软件极大地节省了工控应用软件的开发时间。 利 用i p c丰富的软硬件资源可组成各种控制装置、 各种数据采集装置和计算机监控 系统等。 应该说i p c是分布式控制系统的理想平台之一， 但是系统的可靠性不高， 一旦i p c出现故障系统就陷入瘫痪，而且可维护性较差。 3 ) 基于i p c + p l c的分布式控制系统 以p l c构成系统的 控制站， i p c构成系统的操作站。 过程的数据采集和过程 控制都由p l c来完成， p c完成数据显示、人机界面操作和对整个工艺、控制 系统的管理，以及报表打印等，这种方式结合上述两种方案的优点。 在这种结构的分布式控制系统中，p l c一般用于底层的数据采集和过程控 硕士论文锅炉配风监控技术研究 制、 运动控制， 实现控制算法等功能， 而i p c上位机主要用于人机交互， 实现数 据显示、 工艺流程显示、 报带以及报表打印等功能。由于底层的控制检测是通过 p l c来完成的，而p l c在恶劣工业现场运行的稳定性是日前各种控制方式中最 高的， 因此这种方案的整体可靠性是最高的， 系统整体稳定性最好， 且系统在结 构和功能上分层分布，是目 前工业现场运用最多的结构。 4 ) 基 于i p c + p l c + 现场总 线的 分布式控制系统 在这种方式中，一般是通过直接利用p l c的c p u上内置的现场总线接口 或 通过在p l c背板总线上安装现场总线通讯接口模块来扩展出现场总线，然后在 上面挂接各种支持该现场总线的传感器、 执行器、 驱动装置、 智能仪表等。 上位 机i p c仍然通过以 太网或其它串行通信方式与p l c连接，实现人机交互功能. 与传统的基于 i p c + p l c的分布式控制系统相比， p l c的作用和地位发生了 变化。 在传统的基于i p c + p l c的分布式控制系统中，所有控制功能无论是基本 的控制回路控制算法的运算，还是各回路之间的协调以及数据的采集都是通过 p l c来完成的，其程序运行负担较重。引入现场总线以后，由于底层的传感器、 执行器具备了一定的控制和数据处理能力， 一些底层的控制功能就能由现场设备 完成， p l c 只需要负责完成协调功能和其它一些更高层次的控制算法。 当 然如果 需要，p l c也可以完成一些基本的控制功能。 这种结构适合于1 / o点数多且分布分散、 工艺比较复杂的工业控制过程， 尤 其是那些对各回路之间联系密切、 协调性要求比较高以及有特殊控制要求的生产 过程。 它既适用于新建项目， 也适用于改造项目， 且硬件投资虽然比 基于i p c的 分布式系统要多，但相对于d c s 来说也要便宜很多，具有较高的性价比 3 8 在充分比较上述几种常用分布式控制系统的形式的优缺点后， 结合锅炉配风 系统监控要求，决定整个系统采用多级分布式结构，控制方式为 i p c 十 控制器十 现场总线，鉴于单片机的便宜和灵活， 这里借鉴 p l c控制器原理而选用单片机 代替工业现场常用的p l c . 2 . 4 . 2 监控试验系统的硬件设计 所要设计锅炉配风试验监控系统， 主要由四个子系统构成: 1 、 二次风道的风 速监测模块 :2 、二次风道的风温监测模块;3 、电机控制调节阀开度系统: 4 . 炉膛内气流流场监视系统。 系统被监控时，要求下列各项必须做到: 1 )风 温须实时地显示出 来， 温度的规定 范围 可设置， 温度过低或过高 时， 誉戒 灯亮起; 2 )风速须实时地显示出来， 风速的规定范围可设置， 风速过低或过高时， 替戒 灯亮起: 硕士论文锅炉配风监控技术研究 处理:其次，采用模块化程序设计，把一个大的程序划分为若千小的功能模块， . 每个模块之间既相互独立又相互联系，这样可以提高软件的可维护性、可读性、 可靠性和高效性。软件的功能划分如图2 .4 . 2 所示。 圈形显示曹理盈据存传管理 初始俗 自 位功自公 块 班场偏况 且示 同门开度 且示j 调盛 风速里示目度星示 器器 ! = a 魏 申行通讯初始化 砚场位翻单元初 始化 图2 .4 2监控系统功能框图 2 。 5 本章小结 本章介绍了锅炉配风试验系统设计的原理，以及该试验平台的搭建和总体监 控系统的设计。该试验系统的主要特点: 1 ) 在结构上的主要特点是燃烧器采用摆动结构，可适应负荷调节，取用较 大的切角布置。基本上解决了大容量锅炉燃烧器高宽比大引起补气条件差的矛 盾。 2 ) 改变喷嘴的摆动角度，可以改变强烈旋转区的位置，从而改变火焰中心 高度。 当角度改变到某值时使气流冲侧壁面， 形成“ 风卷粉” 使一次风有贴壁现象。 3 ) 采用基于r s - 4 8 5 总线协议的分布式监控系统作为锅炉配风试验监控系 统， 控制系统依托集中监测、 分散控制的现代控制技术， 组成监控系统的硬件和 软件采用标准化、 模块化和系统化设计， 系统的配置具有通用性强、 系统组态灵 活、 控制功能完善以及系统安装、调试和维修简便等特点. 硕士论文锅炉配风监控技术研究 3 新型调节阀设计 二次风调节阀是二次风系统中的重要组成部分， 其调节性能的好坏直接影响 着锅炉的运行效率及安全。 本章基于目 前二次风调节阀在应用中存在的问题， 提 出改进方案，并进行实体设计。 3 . 1 调节阀概述及设计依据 3 . 1 . 1 概述 现阶段，用于二次风道中的调节阀主要是蝶阀，如图 3 . 1 . 1 所示。其流量调 节特性不是很理想， 主要表现为: 一是蝶阀的流量调节特性为快开特性， 即当蝶 阀的阀门开度很小时， 改变阀门的开度， 其流量变化非常大。 二是气体在流过蝶 阀后， 在阀后会形成气旋， 无法形成稳定流场， 漩涡尺度的大小随阀门开度增大 而逐渐消失， 且阀门沿来流方向后端那一侧的 漩涡先消失。 设计的新阀门 就力求 其流量特性接近等百分比 特性，以及减小气旋的形成，形成稳定流场。 司z r 1 调节阀壳体 2 调节帆板 3 气旋 图3 . 1 . 1 普通二次风门调节阀 3 . 1 . 2 调节阀的设计依据 调节阀 不同， 其 调 节 流 量特性有 很大的 不同 。 .调 节阀 的 流量 特性是 指流过阀 门的相对流量与阀芯相对行程的关系。 一般来说， 改变调节阀的阀芯与阀座间的 节流面积就可以调节流量。 但实际上节流面积改变的同时， 还发生阀前后压差的 变化，这种变化会引起流量的变化。 每种不同结构的阀门有不同的调节特性， 称为阀门的固有调节特性。 最常见 的9 种流量调节特性如下: ( p )快开型:阀门 在接近闭合位置时，由于阀门开度的变化使阀门流量大大 增加，相反，阀门在接近全开启位置时，流量增加较小。通常用于开关场合: 硕士论文锅炉配风监控技术研究 ( 2 )线性:阀门按阀门 行程以 一对一比例增加流量; ( 3 )等百分比:阀板位置的每次变化使阀门的流量产生相等百分比的变化: ( 4 )等线性:阀门流量与阀门行程的关系介于线性和等百分比之间。 就其调节性能上讲，以等百分比特性为最优，其调节稳定、调节性能好。等 百分比特性调节阀的相对行程和相对流量不成直线关系， 在每一行程点上的单位 行程变化所引起的流量变化与此点的流量成正比，即流量变化的百分比是相等 的。 所以， 它的优点是流量小时流量变化小、 流量大时则流量变化也大， 也就是 在不同开度上具有相同的调节精度，等百分比 流量特性调节阀的放大系数( 即曲 线斜率) 是随行程的增大而递增的。 同样的行程， 在低负荷( 小开度) 时流量变化小; 在高负荷( 大开度) 时流量变化大。因 此， 这种调节阀在接近全关时工作得缓和平 稳， 而在接近全开时放大作用大， 工作得灵敏有效， 适用于负荷变化大的系统中。 现有二次风门的流量调节特性存在很多不足的地方， 为了更好地实现等百分 比调节的目的， 采用多通道的方法。以前的调节阀只是单一的管道，当气体流过 调节阀的时候， 由于调节阀开口面积的突然变化会导致气体在阀门前后不平稳 流动， 而这种不平稳的流动也会带来很大的气体阻力， 使得阀门流量特性出现很 大的畸变。 阀门进风口附近会出现很大的涡漩， 这样引起的沿程阻力会很大。 所 以 在设计的新调节阀中， 采用改变喷口面积的方法来调节流量， 可以用平板实现 进风口的逐渐缩小过程， 这样可以 减少进风口的阻力。 在阀门的出风口， 同样用 平板来实现出风口的逐渐扩张过程，这样可以使得出风口的气体可以平稳的流 动， 造成的阀门阻力将减少， 尺寸方面设计上， 进风口 平板小于出风口 平板， 有 利于出风口 处气流的平稳流动。 尤其是当把一个通道分开成两个或者更多的通道 时， 风道的当量直径缩短， 气体的平稳流动性将更好， 但是当通道数更多的时候， 其沿程阻力也将更大， 所以， 设计时将单一的通道隔离成两个小通道， 其结构简 图如图3 . 1 .2 所示。 出风口 入风口 图3 . 1 .2调节阀结构示愈图 硕士论文 锅炉配风监控技术研究 出风口流量 les月1几es， d0 dd dd 64 月.j. 1 2 0 0 0 1 00 00 8 0 0 0 6 000 4 0 0 0 2 0 0 0 阀门开度 ( % ) - 2 0 0 0 1 0 0 图3 . 1 .3 调节阀理论流量特性 在计算调节阀的理论流量特性的时候，把这个调节阀看作是一个渐缩管，对 其进行流体力学分析， 图3 . 1 . 3 所示，为此调节阀的流量特性图。 通过理论流量 特性图可以看出: 此调节阀的调节特性曲线与等百分比调节特性曲线很相似， 通 过合理地设计调节阀，完全能够实现调节阀的等百分比流量特性。 3 . 2 调节阀的结构设计 该调节阀主要由壳体、调节帆板 ( 迎风帆板和背风帆板) 、中间连杆、活动 铰支部分、中间支撑柱、 螺旋传动部分、 侧箱、 动力驱动部分 ( 步进电机) 等机 构组成，如图3 .2 . 1 所示。机构中分别有四片迎风帆板和四片背风帆板，一个迎 风帆板和一个背风帆板通过连接脚板和中间连杆组成类似于合页结构的帆板副， 这样就有四个帆板副，如图3 .2 .3 所示，为了论述方便从上至下，分别称其为帆 板副一、帆板副二、帆板副三、帆板副四，相邻两他 板副组成一个流通通道， 这样整个调节阀通道就被等分成了两个流通通道。 硕士论文 锅炉配风监控技术研究 行程可以自 锁;4 . 传动平稳，噪声小，工作可靠。 考虑到调节阀传动机构的功能要求以 及对其紧凑性和控制简便性的要求， 结 合各种传动机构的特点，选用螺旋传动类型作为本处的传动机构。 常见传动螺纹有梯形螺纹、 矩形螺纹和锯齿形螺纹三种，而梯形螺纹是最常 用的传动螺纹。 调节阀螺纹传动的受力较为复杂， 对其强度和工艺性要求比较高， 根据各传 动螺纹的 特点选用梯形螺纹传动合适， 梯形螺纹传动特点可查阅相关资料， 鉴于 篇幅原因这里不再赘述. 最终的螺纹传动机构为变回转运动为直线运动的传力螺旋机构，如图 3 .2 .3 所示， 螺杆上有四段螺纹， 分别与四个螺母副相旋合， 为了能够顺利安装，由上 到下四段螺纹的中径依次增大，四段螺纹的螺距均定为 2 m m，一、三段旋向相 同为左旋， 二、四段旋向亦相同为右旋， 因此当螺杆转过一定角度后， 一、 三段 螺母副运动的方向和路程均相等，同样， 二、 四段螺母副运动的方向和路程也相 等，但是一、三段和二、四段的运动方向相反。 这样，上下两个通道的截流面变 化就相同， 完成了预期调节目 标。 经以上分析可知， 螺纹传动能够满足调节阀的 调节要求，同时该传动机构结构简单， 控制方便， 只需要一个电机即能控制四个 帆板副运动。 3 . 3 调节闷主要部件的受力情况分析 3 . 3 . 1 调节阀整体受力分析 在整个调节阀的结构设计中， 一个重要的问题就是避免各个帆板由于调节前 后压差作用力而与调节阀壳体直接接触，从而使壳体与帆板之间形成滑动摩擦， 此类摩擦将大大增加整个机构的运动阻力， 极有可能使调节阀卡死， 同时此类摩 擦也使帆板磨损加剧， 影响调节阀的使用寿命. 在导轨设计中， 这个问题已经提 出并得到了 解决， 采用方柱形导轨轴承布置方式后， 使作为一个整体运动的四块 帆板组只能沿风道方向 运动， 只有一个直线方向的自由度， 另外两个方向上的壳 体对帆板的载荷由 轴承承受， 这样摩擦形式就由 滑动摩擦转变为轴承和壳体的滚 动摩擦， 大大降低了摩擦阻力，从而使整个运动更加的顺畅。如图3 . 2 . 2 所示， 调节阀帆板副的运动形式是中间连接轴不能有风道方向上 ( x 方向)的运动，而 只能沿z 方向 运动， 这就需要在x 方向 上有一运动约束， 这里我们依然采用轴承 形式， 即在中间连杆两端装配两个轴承， 轴承位于调节阀左右壳体的槽道内， 槽 道对轴承的径向约束实现了对帆板副中间连杆部分沿风道方向 ( x 方向) 的运动 约束. 综合以上分析， 壳体对各个帆板副的作用载荷， 均通过各方向上的深沟球轴 承给转化掉了， 同时深沟球轴承能够承受一定的径向载荷， 使载荷能够分配到各 硕士论文 锅炉配风监控技术研究 图3 .3 . 3中间连杆受力图 根据材料学原理， 梁的弯矩最大值一般在剪力突变处或剪力为0 处，由此可 知中间连杆在b 处弯矩最大。 *， 。二， 、 ， 。二，、. ，q， ， 1 = 0i mi f u z a a1 】 一ih .i 1 j r 1 . 37 i m 1 n , - 2 . 一 7l 二 .升 ， 一二 . ， _，一 一二* ， ，f _ . 仕 b傲 四田 y l学 圆四俐芍犯 m ，=丁 儿 l 则b 截面上的弯矩 m = m ry + m l,z 一 愕l )2 十 (2 l ,)2 = 夸 q z + f ( 3 . 3 . 1 0 ) 将f 和q 值代入式 ( 3 . 3 . 1 0 )得 = 互 2a p d l ( 116 l 2 - h z 4 l v 1 6 l 2 一 h2 4 l+ apdl 4l 2 , 整 理 ” : 1-2 m= 上 尸 。 乙 、 1 6 6 4 尸h2 一 3 h2 1 6 尸一 h2 材料弯曲的强度条件为口 .= 竺-:5 1, 1 , 若 材 料的 截 面 是 直 径 为d 的 圆 形， 则 : = .rd 33 2 工a p d l 6 4 若h2 一 3 h2 2 ap dl 6 4 尸h2 一 3 h2 1 6 l 2 一 h21 6 l 2 一 hz 口 飞万一一 一- =一 一 m d -耐3 碑 ， 5 a 上式即为中间连杆的强度校核条件， 其中 p 为风道压差， d为帆板宽度， l 为帆板长度，h为风道高度，l 为中间连杆上两轴承之间的轴向距离。 硕士论文锅炉配风监控技术研究 3 . 3 . 4丝杆传动部分受力分析 在整个机构中，丝杆螺母作为传动机构，按用途可以 把它归结为传导螺纹， 根据螺纹副的摩擦情况，可归为滑动螺旋。设计中 丝杆螺母机构采用梯形螺纹， 根据螺旋传动的要求， 考虑到该处螺纹传动的应用类型， 需要对耐磨性、 自 锁性、 螺杆的 强度进行校核 计算。 此处丝杆传动有四 处螺 旋传动部分， 为了 使四 个螺母 都能顺利地安装在丝杆上， 四处螺纹直径依次增大。 在这里， 仅拿出一段做分析， 其他部分只需将具体参数带入计算公式中进行强度核算。 ( 1 ) 耐磨性计算 作 用 于 螺 杆 的 轴 向 力 为 q ， 其 大 小 前 面 已 算 出 q = 粤 。 ( 艺c o s 8一 c o s 8 ) ， 螺 纹的承压面积( 指螺纹工作表面投影到垂直于轴向力的平面上的面积) 为 a ( m m , ) ， 螺 纹中 径 为姚( m m ) ， 螺 纹 工 作高 度为h ( m m ) , 螺 母高 度为h ( m m ) , 螺纹螺距为 p ( m m) ，则螺纹工作面上的耐磨性条件 q p - , _ , 一下一 丁 了 二= l fl 刀r