（机械工程专业论文）三剩物直燃微型发电装备的设计与研究.pdf

摘要 摘要 长期以来积累的农村和林区电网结构薄弱 供电能力不足和供电可靠性差等问题阻 碍着农村和林区地区经济和社会更快发展 虽然国家实施电网工程项目基本解决了农村 和林区电网 由于地区经济发展不平衡以及受资金承贷能力弱等多种因素的影响 各地 农网改造的覆盖面存在较大的差距 很多地区至今还没有通电 这些地区现有的充足的三剩物资源却没有得到充分的利用 如果利用三剩物直燃微 型发电装备将生物能转变为热能 进而转变成电能 那么解决用电问题就变成了一件极 具现实意义的事 本文通过详细对比分析国内外对三剩物资源利用的技术现状和生产现状 研究国外 的林电技术 提出了我国发展三剩物直燃发电的重大意义 乐观分析了我国未来三剩物 直燃发电的工业化前景 本文详细研究了三剩物直燃微型发电装备的总体设计方案 包括蒸汽锅炉额定蒸发 量的设计计算 蒸汽锅炉的结构设计及强度校核 安全阀的排量设计 蒸汽锅炉的安全 运行 活塞式微型汽轮机的选型设计 结构分析及结构分析后提出的改进汽轮机效率的 方法 发电机的结构及性能分析 蓄电池的结构分析 逆变电源的设计工作原理及其组 成元件等 本文研究了三剩物直燃微型发电装备控制系统的工作原理及其组成 包括蒸汽锅炉 的水位自动控制 压力自动控制 充电发电系统和同常用水控制系统等 本文运用p r o e 软件对微型汽轮机进行了仿真分析 运用e x c e l 软件对实验数据进 行了仿真分析 得出了三剩物直燃微型发电装备主要参数之间的相互关系 三剩物直燃微型发电装备的研制 为我国农村和林区剩余物的综合利用开辟了一条 新的道路 符合我国可持续发展和建设新农村的方针政策 三剩物直燃微型发电装备在 农村和林区有着广阔的发展前景 关键词三剩物 直燃 发电 实验分析 a b s t r a c t a b s t r a c t l o n g t e r ma c c u m u l a t i o no fw e a kp o w e rs t r u c t u r e s i n s u f f i c i e n tp o w e rs u p p l yc a p a c i t ya n d r e l i a b i l i t yi s s u e sa n dp o o ri nr u r a la n df o r e s ta r e a sh a m p e rt h ee c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p i n g f a s t e r a l t h o u g ht h ep o w e rg r i dp r o j e c to ft h en a t i o n a li m p l e m e n t a t i o nb a s i c a l l ys o l v et h e p o w e rg r i di nr u r a la n df o r e s ta r e a s d u et or e 西o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n ti m b a l a n c e s a n d w e a ki nt h o s el o a n sb yf u n d i n gav a r i e t yo ff a c t o r s t h e r ei sa b i gg a po ft h ec o v e r a g eo fr u r a l p o w e rg r i d s s of a rt h e r ei sn o te l e c t r i c i t yi nm a n ya r e a s t h et h r e er e s i d u e ss u f f i c i e n tr e s o u r c e se x i s t i n gt h e s ea r e a sh a v en o tb e e nf u l l yu t i l i z e d i f w ec o u l dc o n v e r tm i c r o b i o e n e r g yi n t oh e a tw i t ht h r e er e s i d u e sd i r e c tc o m b u s t i o np o w e r g e n e r a t i o ne q u i p m e n t a n dt h e nc o n v e r t e di n t oe l e c t r i c a le n e r g y t h e ns o l v i n gt h ee l e c t r i c i t y p r o b l e mw i l lb e c o m eam a t t e ro fg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rs t u d i e su s i n gs t a t u sa n d p r o d u c t i o ns t a t u so ft h r e er e s i d u e so fr e s o u r c ea th o m e a n da b r o a d f o r e s te l e c t r i c a lt e c h n o l o g ya ta b r o a d p u tf o r w a r dt h ed e v e l o p i n gt h r e er e s i d u e s t h es i g n i f i c a n c eo fd i r e c tc o m b u s t i o np o w e rg e n e r a t i o ni no u rc o u n t r y a n a l i e st h et h r e es t r a i g h t c o m b u s t i o np o w e rg e n e r a t i o np r o s p e c tf o ri n d u s t r i a l i z a t i o ni nf u t u r eo p t i m i s t i c l y t h i sd e t a i l e ds t u d yo ft h eo v e r a l ld e s i g no fm i c r o p r o g r a m so ft h et h r e er e s i d u e sd i r e c t c o m b u s t i o np o w e rg e n e r a t i o n e q u i p m e n t i n c l u d i n gs t e a mb o i l e r sr a t e dt h ed e s i g no f e v a p o r a t i o n s t e a mb o i l e r so v e r a l ls t r u c t u r a ld e s i g n s a f e t yv a l v ed i s p l a c e m e n td e s i g n s a f e o p e r a t i o no fs t e a mb o i l e r s t h es e l e c t i o np i s t o nm i c r o t u r b i n ed e s i g n s t r u c t u r a la n a l y s i sa n dt h e m e t h o do fi m p r o v i n gt u r b i n ee f f i c i e n c y g e n e r a t o rs t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i s b a t t e r y s t r u c t u r a la n a l y s i s i n v e r t e rp o w e rw o r kt h e o r ya n dc o m p o s i t i o na n ds oo n t h i sp a p e rs t u d i e sc o n t r o ls y s t e mo ft h et h r e er e s i d u e sd i r e c tc o m b u s t i o no fm i c r o g e n e r a t i o ne q u i p m e n t t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n di t sc o m p o n e n t s i n c l u d i n gt h es t e a mb o i l e r w a t e rl e v e l p r e s s u r ea u t o m a t i cc o n t r o la n dc h a r g i n gp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m s r u n n i n g a u t o m a t i c a l l y t h i sp a p e rs i m u l a t i n ga n da n a l y s i s i n gt h es t e a mt u r b i n ew i t hp r o e s o f t w a r e t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a i np a r a m e t e r sh a v eb e e no b t a i n e d w i t he x c e ls o f t w a r ea n a l y z i n g t h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h er e s e a r c h i n go ft h r e er e s i d u e sd i r e c t f i r e dm i c r o p o w e rg e n e r a t i o ne q u i p m e n t o p e n e d u pan e wp a t ho nf o r e s tr e s i d u e su t i l i z a t i o n i ti sp r o p e rf o ro u rs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ta n d t h ec o n s t r u c t i o no fn e wr u r a lp o l i c i e s t h et h r e er e s i d u e sd i r e c t f i r e dm i c r o p o w e rg e n e r a t i o n e q u i p m e n th a sb r o a dp r o s p e c t si nt h ef o r e s td i s t r i c t k e y w o r d sb i o m a s s d i r e c tc o m b u s t i o n p o w e rg e n e r a t i o n e x p e r i m e n t a la n a l y s i s l 绪论 1 绪论 近年来我国能源 电力供求趋紧 而国外在发电行业上对资源丰富 可再生性强 有利于改善环境和可持续发展的生物质资源的开发利用给予了极大的关注 于是生物质 能发电行业应运而生 在我国也掀起了生物质能发电的浪潮 在众多的生物质可再生能源中 林业生物质含量巨大 占地球固定能量的9 0 而 且可以多形式利用 是替代化石燃料的一个很好的选择 相对于发达国家 林木质能源 在发展中国家能源消费中一直占有十分重要的地位 三剩物 也称森林三剩物 是指 采伐剩余物 指枝丫 树梢 树皮 树叶 树 根及藤条 灌木等 造材剩余物 指造材截头 加工剩余物 指板皮 板条 木竹 截头 锯沫 碎单板 木芯 刨花 木块 边角余料等 1 1 国内外三剩物利用的研究现状 目前 国内外对生物质转换技术的研究 ij 如图1 1 所示 物 质 能 技 炉灶燃烧技术 炉灶燃烧技术 炉灶燃烧技术 植物油技术 炉灶燃烧按术 锅炉燃烧技术 致密成型技术 小型户用沼气池技术 大中型厌氧消化技术 制取乙醇技术 广一木材为原料 按工艺形式分 秸秆为原料 禽畜类粪便厌氧 消化技术 工业有机污废水厌氧消化技术 图i 1 生物质转换技术分类与子技术 1 1 1 国内三剩物利用的研究现状 林木生物质能源的生产技术是生物质能源利用技术在林业上的应用 即对林木生物 质采取工业化利用技术转化为工业能源 如表1 1 我们从木质燃料发电 成型燃料 薹丽 篓一 蚕黑 东北林业大学硕 学位论文 生物柴油和木质纤维乙醇四个方面介绍中国林木生物质能源的生产技术情况 2 1 表1 1 林木生物质能源生产技术状况 在木质燃料发电方面 直接燃烧发电和气化发电是目前生物质能转化为电力的两种 主要方式 目前国内直接燃烧发电技术应用较岁引 木质燃料发电技术处于推广阶段 发展迅速 但是国产发电锅炉使用寿命较短 而且相对而言发电的规模较小 从而也降 低了发电效率 据不完全统计 目前已建林木质发电厂2 家 分别是内蒙古通辽市奈曼 旗生物发电厂和黑龙江省庆安县生物发电厂 全部处于内蒙古 东北林区 总投资额为 5 9 9 亿元 年消耗林木生物质3 2 1 5 万t 年发电量为3 亿k 啪 如表1 2 4 1 如果按照2 0 0 7 年0 5 5 元 姗吼收购电价计算 则总产值为1 6 5 亿元 表1 2 林木生物质发电厂家情况 在成型燃料方面 生产技术略有不足 但是产品品质优良 处于推广应用阶段 国 内的常温成型技术能耗低 对原料预处理的要求低 成型模具磨损小 成型燃料的热值 等于原料的热值 燃烧灰分小 燃烧效率高 据估计 全国2 0 0 6 年年产生物质成型燃料 总产值约为6 9 0 万元p j 在生物柴油方面 中国生物柴油技术达到世界先进水平 技术虽略有缺陷 但对生 产的影响较小 技术推广迅速 生物柴油的制备技术基本成熟 但是目前生物柴油产业 的产业链太短 生产的副产品没有合适的处理方式 6 1 中国生物柴油的生产技术日趋成 熟 自2 0 0 1 年起林木生物质柴油生产企业从无到有 几年来生产能力迅速扩大 到 2 0 0 7 年生产能力达到了3 6 万t 产值为1 9 8 亿元 7 1 在木质纤维乙醇方面 中国纤维乙醇转化技术发展很快 已经达到了世界先进水平 引 南京林业大学化学工程学院成功实现了戊糖己糖同步发酵 9 山东大学利用植物纤 维工业废渣成功开发了更为先进的木糖一乙醇联产工艺 实现了生物质资源的综合利用 l o 但是由于纤维素酶和木聚糖酶的生产成本过高以及戊糖的发酵转化效率低 纤维乙 醇还停留在技术研发阶段l l i 绪论 1 1 2 国外三剩物利用的研究现状 国外对农林生物质的利用技术比较先进 我们着重对世界各国生物质发电的现状 1 2 1 1 3 1 进行研究 1 北美地区 目前美国有3 5 0 多座生物质发电站 主要分布在纸浆 纸产品加工厂和其它林产品 加工厂中 装机容量达7 0 0 0 m w 根据美国政府制定的生物质能发展规划 2 0 1 0 年该 比例将提高3 倍 生物质发电将达到1 3 0 0 0 m w 装机容量 可按排1 7 万个以上的就业 人员 对繁荣乡村经济起到积极的推动作用 1 4 1 加拿大有1 2 个实验室和大学开展了生 物质的气化技术研究 1 9 9 8 年8 月发布了最新生物质循环流化床快速热解技术和设备的 设计图 2 欧盟地区 欧盟各国化石能源较为紧缺 2 0 0 0 年 欧盟委员会在其发布的 欧盟能源发展战略 白皮书 中指出 2 0 1 5 年生物质能将由目前占总能源消费量的2 左右提高到1 5 到 2 0 2 0 年生物质燃料将替代2 0 的化石燃料 1 5 1 芬兰和瑞士是生物质能利用比例较高的国 家 芬兰的生物质能占其总能源消费量的2 4 瑞典则为1 5 他们主要通过直接燃烧 和气化发电来生产热能 c h p 以提供区域性电力和用来采暖 由欧盟及瑞典能源部资 助 在v a r n a m o 建成了b i g c c 示范电站 通过示范运行 他们推测出 在生物质价格为 2 5 0 元 吨左右时 7 0 m w 的b i g c c 发电成本约为0 3 5 元 吨 几乎与小型煤电成本相当 瑞典和丹麦正在实行利用生物质进行热电联产的计划 使生物质能在提供高品位电能的 同时满足供热的需求 3 其他地区 印度a n n a 大学新能源和可再生能源中心最近开发研究用流化床气化农业剩余物如稻 壳 甘蔗渣等 建立了一个中等规模的流化床系统 气体用于柴油发电机的发电 印尼 与马来西亚用丰富的棕榈油生产生物柴油 亚洲及非洲的发展中国家 传统生物质能利 用占有相当高的比例 平均而言 这些国家一次性能源的近3 8 0 0 依赖于通过燃烧薪柴所 获得 1 6 1 1 2 国外林区发电模式 互联大电网是目前电力系统的一种主要方式 正在为全世界9 0 以上的电力负荷供 电 但它也存在一些弊端 对于偏远地区的负荷不能进行理想的供电 一种是距离现有 电力系统太远 输配电系统的投资较大 另一种情况是由于自然条件太恶劣 现有电力 系统到用户的输电线路根本无法架设或建成后会经常出现故障 1 7 所以 分布式电源技 术成为电力系统中一个新的研究热点 分布式林电技术是指将装机容量较小的林电专用成套设备直接布置在配电网或分布 在负荷附近 经济 高效 可靠地发电 t s 分布式林电技术具有不同于辐射状电网的特点 分布式林电电源 d i s t r i b u t e df o r e s t 东北林业人学硕十学位论文 g e n e r a t i n gs o u r e d f g s 位于偏远的山区 林区 远离主变电站 主变电站对其电压难 以控制甚至不能实现 但d f g s 可对林区负荷实现就近供电 降低了大电网向林区送电的 线路损失 如果接于馈电线的d f g s 容额定值大于馈电回路的总负荷 可通过降压变压器反送 致使变压器低压侧成为电源 能实现向林区外供电 电网的损耗主要取决于系统的潮流 d f g s 可能增大也可能减小系统损耗 取决的d f g s 位置和d f g s 的容量与负荷量的相对大 小 以及网络的拓扑结构等因素 可将视d f g s 为备用电源 在辐射状电网中 通过机械或电力电子转换开关将作为备 用电源投人 对大电网起到调峰作用 d f g s 联网运行可能引起系统电压和频率的偏差 电压波动和闪变等影响电能质 的问题 综合考虑系统峰荷特性和用户用电的断续频率 分析电网的故障水平 d f g s 供电能力不同而导致的稳态电压偏移 暂态电压闪变 电压波形崎变 相电压不平衡 以及并网点短路容量等因素 提高分布式林电电能质是分布式林电技术应用中的关键问 题 1 9 1 随着电力系统规模的日益扩大 用户对电能需求的日益增加 分布式林电技术作为 一种新兴的 具有竞争力的发电方式必将在我国现代林区能源系统中占有越来越重要的 地位 欧美少数发达国家对分布式林电技术这一前沿课题已展开了深人地研究 而在我 国 分布式林电技术的研究尚处于起步阶段 1 3 我国微型直燃发电发展的意义 2 0 0 7 年1 月 中央一号文件明确强调要推进生物质产业发展 指出以生物能源 生 物质产品和生物质原料为主要内容的生物质产业 是促进资源高效利用的朝阳产业 作 为重点发展的可再生能源 生物发电有四大显著的优越性 2 0 1 1 为国家的可持续发展提供新能源 促进能源结构的调整 我国的能源资源结构以煤为主 占7 0 左右 为保证经济的持续发展 急需调整现有 的能源结构 增加清洁可再生能源比重 而大力发展太阳能 风能 生物质能等可再生能 源是我国能源结构调整最现实可行的方向之一 据测算 我国近期生物质资源总量约为5 亿t 标准煤 远期可达1 0 亿t 标准煤 如近期的生物质能得以全部利用就可以解决目前能源 消费量的2 0 左右 2 作为一种清洁能源 可以保护环境 为j 下在发烧的地球降温 为解决全球的温室效应问题 联合国和许多国家政府都呼吁全球携手应对气候变暖 京都议定书 为有关国家规定了温室气体减排目标 2 1 1 生物质发电以其二氧化碳的零 排放而备受世界关注 基于生物质燃料本身所具有的低灰 低硫特征 以及生物质生长 燃烧过程中的零排放机理 再加上采用先进的技术 开发生物质能 利用清洁能源 是使地 球降温有效措施 3 变废为宝 有利于建立资源节约型社会 1 绪论 我国生物质能资源极其丰富 除部分用于农村炊事取暖 饲料加工 秸秆还田和造 纸等之外 相当多的农林剩余物被废弃 而这些农林剩余物可为生物质发电提供大量的燃 料 据有关部门的了解 中国可开发的生物质能资源总量近期约为5 亿t 标准煤 远期可达 到1 0 亿t 标准煤 若综合考虑在荒山 荒坡种植各种能源林 远期的生物质能资源可达1 5 亿t 标准煤以上 我国政府提出 要把节约资源和保护环境作为基本国策1 2 2 1 对生物质能 的开发和利用 可变废为宝 有利于加快建设资源节约型 环境友好型社会 4 有利于推动社会主义新农村建设 建设社会主义新农村包括许多方面 其中一项重要措施就是加快发展循环农业 大 力开发节约资源和保护环境的农业技术 重点之一就是可再生能源开发利用技术 开发生 物质能源和生物质材料 培育生物质产业 2 3 1 我国生物质资源主要分布在农村地区 但随 着农民经济收入的增加 农作物秸秆用作日常生活能源比例在逐步降低 农村废弃的秸秆 已经成为严重影响村容村貌 污染环境的一大污染源 因此 生物发电在发展循环农 业 为农民增加收入 给农村提供就业机会等方面均可发挥积极作用 有效地促进 三 农 问题的解决 1 4 我国微型直燃发电发展的展望 我国生物质直燃发电开发利用中还存在一些问题 2 4 如项目规划和容量不合理 政 策优惠程度偏低和不明朗 物流系统没有经验可循 国产锅炉产品价格过于昂贵等等使 生物质发电项目造价上升 经济效益下降 影响推广应用 如果不尽快解决 将影响我 国生物质发电产业的健康和持续发展 下面为解决对策 2 1 合理规划 稳妥推进 目前我国农林生物质直燃发电正处于起步阶段 在产业规划 项目设计上要符合国 情 项目进度上要积极稳妥 示范项目取得经验后 大规模启动建设 避免选址周围有 发达的秸秆利用工业 以免项目建成后争夺原料 最终 两败俱伤 决不能不切实际 的超前规划 盲目布点 2 机组容量不宜过大 生物质发电项目的经济性要求在厂区周围经济范围内收集到足够量的农林生物质 如果发电装备的容量太大 就会增加燃料收集的压力 同样也要求有更大的储存场地 但是一个县城的荒地面积都是有限的 如果过多地占用基本农田 就不能体现电厂本身 环保 惠农的特点 因此对发电装备容量的确定 一定要根据当地的实际情况 不能一 味求大 3 加大和明确优惠政策 国外在发展生物质发电初期 除电价优惠外 还有税收和设备研发 制造 项目投 资补贴等多种优惠政策 应尽快明确示范项目审批时提出的增值税减半征收的建议 或 者加大电价优惠幅度 同时尽快出台设备研发 制造和项目投资的补贴政策 4 尽快摸索出适合国情的物流体系 东北林业大学硕士学位论文 加大力度研发秸秆生物质的收集 打包和输料破碎系统的设备 加大锅炉系统的国 产化扶持力度 切实解决原料收集 储存和锅炉设备价格高的问题 5 加大薪炭林 能源林 燃料作物的种植 我国有约6 5 0 0 万h m 2 盐碱地 荒地 山坡地可以种植薪炭林 能源林 燃料作物 全部开发后相当于年产2 3 8 亿t 标准煤 开发生物质发电产业就要加大薪炭林 能源 林 燃料作物等的种植 6 尽量占用荒地储存燃料 农林剩余物的收集具有时效性 必须在一定时期内将电厂全年所需原料收集上来 这就要求有很大的储存场地对秸秆集中放置 因此必须提倡占用荒地作为燃料的储存场 地 随着我国能源需求的增长 环保压力的加剧 开发生物质发电产业势在必行 在我 国开发生物质发电产业的初期 一定要合理规划 循序渐进 解决好存在的问题 积累 经验 生物质直燃发电以其特有的循环经济特性 集节约化石能源 环保 改善生活环 境 解决 三农问题 等优势于一身 一定能得到快速发展 实现国家的战略举措 1 5 我国三剩物直燃发电的工业化前景 三剩物微型直燃发电装备是分散在林区 服务于林区人民的发电装备 该装备以三 剩物为原料 从业人员大多来自林区 属于林区电力 发电装备的投资 建设 经营 管理应该以林区人为主 这是一项划时代的改革 林区人成为电力的主人 可以说 唯 有广大林区人民的积极参与 这项事业才能成功 利用清林 育林和间伐剩余物开发林电 可以使清林 育林和间伐剩余物产生直接 的经济效益 会使现在的被动清林 育林和问伐变成主动行为 让这些剩余物的增值率大 幅度提高 激励林区闲散劳动力主动进山清林 育林和间伐 这种经济利益驱使的自发 行为会大幅度提高清林 育林和间伐的质量和数量 大幅度加快森林的生长速度 进一 步提高我国的森林顶盖率 三剩物微型直燃发电装备 需要足够的水源 作为动力转换之用 取水及水处理应 与林区水务建设和供热统一规划 发电设备的副产物是热水 热水可供生活 采暖等用 途 由于发电装备规模小 相应的供热距离短 管网投资小 散热和输水功率小 易于 解决 三剩物直燃微型发电装备可以断续运行 运行方式灵活多样 它也可与太阳能 风 力发电共同使用 2 6 2 7 如图1 2 三剩物直燃微型发电装备做成半固定式 遇到问题 可 以轻松迁徙 三剩物微型直燃发电装备可联接到国家电网 以确保周波稳定 电压稳 定 电价回收 补贴落实 这种几k w 小电站的上网问题似乎给人们带来困惑 要知道 对于规模几k w 的众多小电站而言 百k w 的电厂已属中等规模 有些电网有大批小水电 站并网运行 它们已经积累了丰富的小电站上网经验 不论是规章制度还是调度通讯 保护 运行方式 各类装置都很成熟 因此这种小电站上网模式 可以参照已经十分成 熟的小水电厂上网模式 稍加改进即可运用 l 绪论 图1 2 三剩物直燃发电 风力发电 太阳能发电与并网使用 对于电网企业 众多小型的三剩物直燃微型发电装备并入 是一件不太麻烦而有诸 多好处的新业务 也是一件政治和经济效益都十分可观的业务扩充 三剩物直燃微型发 电装备着眼于可再生资源分布式电源 只要生物还在生长 我们就可以在家门口获取电 力 就地原料就地转化就地使用 改变林区产业结构和生活方式 三剩物直燃微型发电装备使国家发电能源多元化 分散化 它是一条高效率 低成 本 市场化 规模化 上马快 见效快的路线 比较符合自然规律和我国国情 符合党和 国家关于科学发展和可持续发展以及建设新农村的方针 有着广阔的发展前景 1 6 本文研究的主要内容 落后的农村和林区地区拥有的充足的三剩物资源 如果利用三剩物直燃微型发电装 备将三剩物资源加以利用 那么解决农村和林区地区用电问题就变成一件极具现实意义 的事 能量转化路线为 生物质能一热能一电能 本文研究的主要内容是 在查阅国内外相关资料的基础上 研制三剩物直燃微型发 电装备 其包括蒸汽锅炉额定蒸发量的设计计算 蒸汽锅炉的结构设计及强度校核 安 全阀的排量设计 蒸汽锅炉的安全运行 活塞式微型汽轮机的选型设计 结构分析及结 构分析后提出的改进汽轮机效率的方法 发电机的结构及性能分析 蓄电池的结构分 析 逆变电源的设计工作原理及其组成元件等 本文开发三剩物直燃微型发电装备控制系统 包括蒸汽锅炉的水位自动控制 压力 自动控制 充电发电系统和日常用水控制系统的工作原理及其电控柜总成等 本文运用p r o e 软件对微型汽轮机进行仿真分析 运用e x c e l 软件的拓展功能对实 验数据进行仿真分析 得出三剩物直燃微型发电装备主要参数之间的相互关系 这些关 系的得出为今后改进三剩物直燃微型发电装备提供理论基础 东北林业大学硕一f 学位论文 2 三剩物直燃微型发电装备的总体设计 2 1 三剩物直燃微型发电装备的工作原理 本论文设计研制的三剩物直燃微型发电装备如图2 1 图2 i 三剩物直燃微型发电装备 如图2 2 三剩物直燃微型发电装备工作原理是利用三剩物直接燃烧对蒸汽锅炉内 的水进行加热 蒸汽锅炉内产生的蒸汽推动微型汽轮机转动进而带动发电机发电 发出 的电储存到蓄电池中 2 8 1 蓄电池中储存的电可以直接用于照明或通过2 4 v d c 2 2 0 v a c 逆变电源转换后输出到各用电器 i 水i 汽i 电 丽赢丽卜坠丁1 蓊 厂磊面芦 百一 f f i 制i 水i 交 百荔涿1 型u 荪橱 虿函订型幽 生活用热水 取暖等 图2 2 三剩物直燃微型发电装备的j i 作原理 微型汽轮机的工作效率很低 大量蒸汽直接排入空气会造成很大浪费 水箱的设置 很好地解决了这一问题 从微型汽轮机出来的蒸汽直接进入水箱 水箱内的水会达到较 高的温度 水箱内的热水通过高压隔膜泵进入蒸汽锅炉后只需较短的时间即可再次变为 2 一i 剩物直燃微型发电装舒的总体设计 蒸汽继续循环使用 较好的保证了整个设备工作的持续性 也可作为日常生活用水 单 向自吸泵可将水箱内的热水抽至暖气管道或水暖空调实现取暖作用 废汽直接进入水 箱 提高了整个机组的热利用率1 2 9 1 电控系统通过对采集来的信号进行分析处理并作出指示 保证蒸汽锅炉内的水位和 压力均处于正常范围内 3 0 1 同时 电控系统控制面板上设置有锅炉的压力指示 电压指 示 充电电流指示等各种指示装置及机组出现紧急状况时报警装置 1 电控柜2 单相自吸泵3 蒸汽锅炉4 微型汽轮机 5 高压隔膜泵6 水箱7 发电机8 机架 图2 3 三剩物直燃微型发电装备总图 三剩物直燃微型发电装备总图如图2 3 其组成包括蒸汽锅炉 汽轮机 发电机 电控柜 水箱和机架等 蓄电池和逆变电源安装在电控柜内部 下面就各个组成部分进 行详细说明 2 2 蒸汽锅炉的设备特点 2 2 1 蒸汽锅炉的参数 根据j b t 1 6 2 6 2 0 0 2 工业锅炉产品型号编制方法 规定 本发电装备中锅炉型 号 l s g 0 0 3 0 4 一m 其含义如表2 1 表2 1 锅炉型号含义 东北林业大学硕士学位论文 2 2 2 立式横水管锅炉结构特点 立式横水管锅炉型号是l s g 是由锅壳 炉胆 封头 下脚圈 炉胆顶 横水管 冲天管 底圈等组成 我所设计的锅炉如图2 4 所示 1 冲天管2 封头3 锅壳4 炉胆 页 5 横水管6 炉胆7 下脚圈8 底圈 1 要t 2 4 立式横水管锅炉 横水管有大横水管和多横水管之分 大横水管直径较大 有2 3 根 多横水管有数 十根 该立式横水管锅炉为多横水管 其燃料设备为固定炉排 人工操作 燃料燃烧产 生的高温烟气向上冲刷炉胆和横水管 在经过冲天管由烟囱排出 该立式横水管锅炉结 构特点如下 1 锅炉下脚圈是关键部件 采用u 型下脚圈 由于工作压力较低 采用角焊缝形 式 2 水质较差时 横水管内部和锅壳与炉胆之间底部易积渣污垢 影响传热 会导 致炉胆过热变形 3 直接安装在水泥基础上 便于操作 防止下部受潮腐蚀 锅壳外部包有保温 层 降低了锅炉房内温度 减少了散热损失 4 封头和炉胆顶制成凸型 中间向上扳边与冲天管焊接 扳边圆弧半径不能太 小 否则扳边处易出现裂纹 5 烟囱穿过屋面处 与屋面留有一定缝隙 并加以隔热 以防发生火灾 在烟囱 上方的适当位置 装风缆绳 以防大风刮倒烟囱 在烟囱顶端装有烟囱帽 以防雨水进 入锅炉 腐蚀内部金属 3 1 1 2 三剩物直燃微型发电装备的总体设计 2 2 3 锅炉的安全附件和仪表 锅炉上安装有很多附件 其中压力表 安全阀和水位表为三大附件 在锅炉的运行 中 它们起着极其重要的作用 1 压力表 压力表用来准确测量所需测量部分压力的大小 准确测量出锅炉上的压力不仅能正 确控制锅筒内的压力 保证了锅炉的安全 而且对锅炉的经济运行有着重要的意义 本蒸汽锅炉上采用的压力表为普通弹性压力表 其结构如图2 5 弹性压力表利用 各种弹性元件来感受压力 并以弹性元件受压后变形产生的反作用力与被测压力平衡 此时弹性元件的变形就是压力的函数 这样 用测量弹性元件变形的方法来测得压力的 大小 1 接头2 衬圈3 度盘4 指针 5 弹簧管6 传动机构 机芯 7 连杆8 表壳 图2 5 弹簧管压力表 图2 石压力表图2 7 表弯 本锅炉上使用的压力表为y 1 0 0 型 如图2 6 表盘直径l o o m m 便于司炉人员看清 压力 该压力表测量蒸汽锅炉内蒸汽压力 压力表设有存水弯管如图2 7 压力表与锅炉简体之间的连接管上安装有三通阀门 便于吹洗管路 更换 校验压 力表 汽空间压力表上的三通阀门装在压力表与存水弯管之间 2 安全阀 锅炉是一种压力容器 如发生爆炸事故 就是一种严重的破坏性伤亡事故 必须杜 绝发生 因此 必须采取必要的安全措施 一是加强锅炉运行的监视和控制 二是在锅 炉上安装足够数量 合格的安全阀 防止超压运行 东北林业人学硕士学位论文 1 阀瓣2 调节圈3 阀座 图2 8 弹簧微启式安全阀 安全阀是锅炉中防止超压工作的重要安全附件 它的主要作用是将锅炉内的压力控 制在允许的范围内 当锅炉压力超过允许值时 安全阀将自动开启 排汽 减压 同时 发出警报声 提醒司炉人员及时采取措施 迅速降低锅炉压力 确保锅炉始终处于正常 压力下安全运行 从而避免锅炉发生爆炸事故 另外 在锅炉点火进水 灭火排气时 均可将安全阀强行抬启 排除或吸入空气 根据本机组实际参数要求 蒸汽锅炉工作压力小于0 4 0 m p a 工作介质为饱和蒸 汽 选择弹簧微启式安全阀如图2 8 设计过程在第三章有详细计算 其型号 a 2 8 h 1 0 d n 2 0 开启压力0 4 3 m p a 弹簧微启式安全阀是利用压缩弹簧的力来平衡作用在 阀瓣上的力 螺旋圈形弹簧的压缩量可以通过转动它上面的调整螺母来调节 利用这种 结构就可以根据需要校正安全阀的开启 整定 压力 3 2 弹簧微启式安全阀结构轻便紧 凑 灵敏度也比较高 安装位置不受限制 而且因为对振动的敏感性小 所以可用于移 动式的压力容器上 3 水位计 锅炉是以水位介质进行传热的 水位是锅炉安全的重要标志 准确 有效 安装合 理的水位表能使司炉工人正确的控制锅炉水位 防止发生事故 保证安全运行 本锅炉采用的是普通双面玻璃板水位计 如图2 9 参数如表2 2 它是由两块水位 表平板玻璃通过螺栓紧固在水位计表体上 照明光线是从后部透过平板玻璃射出 这种 水位计有两块平板玻璃 两块玻璃中间的空间和锅筒的内部通过汽 水管相通 玻璃的 里面有数条三角形截面的反射沟 灯光从水位计的后部通过两块玻璃射出 由于反射沟 的棱镜现象 水部分反射出的光现出黑色条纹 而蒸汽部分的反射沟现出亮白色 其原 理如图2 1 0 图2 1 l 是水位计表体与阀门连接示意图 表2 2 水位计参数表 2 三剩物直燃微型发电装备的总体设计 容体 黑白视镜 表体 连接杆 大螺母 压圈 密封圈 挡圈 阀门 图2 9 普通双面玻璃板水位计 图2 1 0h b 黑白显示 图2 1 1 表体与阀门连接示意图 刷洗锅炉时要把水位计卸下 避免挂垢或堵塞 在停炉时 把水位计刷洗干净后将 水放掉 如长期停炉 把水位计取下刷净晾干放在通风干燥的库房中保存 2 2 4 锅炉的自动控制运行 锅炉的自动控制运行包括水位的自动控制 压力的自动控制等 第五章将对其进行 详细分析 在此不予分析 2 3 微型汽轮机的结构与特点 本机组选用活塞式微型汽轮机 活塞式微型汽轮机主要由 连杆 曲轴 活塞 气 缸 机体 配气阀等组成 饱和蒸汽通过配气阀 依次向各气缸供气 通过连杆推动曲 轴旋转 图2 1 2 为活塞微型汽轮机工作原理图 蒸汽由进气口 图中未画出 进入配气 阀套1 及配气阀2 经配气阀及配气阀套上的孔进入气缸3 图示进入气缸i 和i i 推动 活塞4 及连杆组件5 运动 通过活塞连杆带动曲轴6 旋转 曲轴旋转的同时 带动与曲轴 固定在一起的配气阀2 同步转动 使蒸汽随着配气阀角度位置的改变进入不同的缸内 图示顺序为i i i i v 依次推动各个活塞运动 各活塞及连杆带动曲轴 连续运转 与此同时 与进气缸相对应的气缸分别处于排气状态 1 配气阀套2 配气阀3 气缸体4 活塞5 连杆组件6 曲轴 图2 1 2 活塞式汽轮机结构与工作原理 东北林业大学硕士学位论文 量 锝 罨 巨 z 卜 袋 掉 转速n r m i n 1 转速n r m i n l a b 图2 1 3a 功率曲线b 转矩曲线 图2 1 3 为一活塞式微型汽轮机的特性曲线 可见活塞式微型汽轮机也具有软特性的 特点 特性曲线各值随微型汽轮机工作压力的变化有较大的变化 工作压力增高 微型 汽轮机的输出功率 转矩和转速均大幅度增加 当工作压力不变时 其转速 转矩及功 率均随外加载荷的变化而变化 活塞式微型汽轮机有以下优点 1 小体积能产生高功率 2 高适应性 温升较小 转速可随负载改变 直至超载停机而不会对微型汽轮机 产生任何损伤 因此选择时可考虑采用较低的安全系数 3 急启动 急停机 特别适合频繁启动的场合 而且换向非常容易 4 简单的无级调速 从零到最大 操作灵活 5 启动扭矩较大 能带载启动 6 结构简单 气动马达使用寿命特别长 7 不受外部环境的影响 甚至在水中 多尘 潮湿 脏污等恶劣环境中 因为微 型汽轮机运转时内部压力都比外部压力大 8 安全 防爆 微型汽轮机不产生火花 过热 爆炸 短路 电 等危险因素 尤其 适用于带易燃易爆物质或高温的环境 如对溶剂 油漆 化学品等的搅拌 2 4 交流发电机结构与特点 2 4 1 交流发电机的结构及工作原理 发电机在工农业生产 国防 科技及日常生活中有广泛的用途 发电机的形式很 多 但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律 因此 其构造的原则是 用适当 的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路 以产生电磁功率 达到能量转 换的目的 图2 1 4 为本装备中所采用的交流发电机 型号为j f z 2 9 b 参数为2 8 v 2 0 0 0 w 图2 1 4 交流发电机j f z 2 9 b 2 三剩物直燃微型发电装备的总体设计 交流发电机通常由定子 转子 端盖及轴承等部件构成如图2 1 5 定子由定子铁 芯 线包绕组 机座以及固定这些部分的其他结构件组成 转子由转子铁芯 或磁极 磁扼 绕组 护环 中心环 滑环 风扇及转轴等部件组成 1 带轮2 风扇叶片3 封套4 转子组件5 整流器 6 弹簧7 电刷8 接线9 整流器1 0 定子组件11 轴承 图2 1 5 内部结构 工作原理如图2 1 6 由轴承及端盖将发电机的定子 转子连接组装起来 使转子能 在定子中旋转 做切割磁力线的运动 从而产生感应电势 通过接线端子引出 接在回 路中 便产生了电流 甲一 丙丁 a b c d 线框a b 电刷l k 铜滑环 图2 1 6 工作原理 发电机的尾部安装有电子调节器 交流发电机输出电压的大小通常与发电机的转速 成正比 而发电机的转速与蒸汽锅炉的压力变化有关 变化比较频繁 且变化范围较 大 因此 为了使发电机在不同转速下输出较为稳定的电压 在发电机的尾部安装有电 子调节器 j f z 2 9 b 交流发电机尾部接线说明如图2 1 7 东北林业人学硕十学位论文 l 激磁端b 输出端 蓄电池正极 n 中性端 至仪表 e 搭铁 图2 1 7 尾部接线说明 2 4 2 交流发电机的性能指标 额定电压 空载转速 额定转速 额定电流为交流发电机的重要性能指标 图2 1 8 为交流发电机的输出特性曲线 图2 1 8 输出特性曲线 1 额定电压 在发动机j 下常转速下发电机应达到的输出电压称为发电机的额定 电压 2 空载转速n 1 发电机达到额定电压 但输出电流为0 时的转速 3 额定转速n 2 发电机达到额定电流时的转速 4 额定电流 把发电机输出最大电流的2 3 作为评价发电机的性能指标 称为 额定电流 2 5 蓄电池的结构分析 蓄电池是电池中的一种 它的作用是能把有限的电能储存起来 在合适的地 方使用 它的 f 作原理就是把化学能转化为电能 蓄电池主要由极板 隔板 电 解槽等组成 如图2 19 2 三剩物直燃微型发电装备的总体设计 1 单格隔壁2 电解槽3 正极板4 防护板5 负极板 图2 1 9 外形及结构 蓄电池用填满海绵状铅的铅板作负极 填满二氧化铅的铅板作正极 并用2 2 2 8 的稀硫酸作电解质 在充电时 电能转化为化学能 放电时化学能又转化 为电能 电池在放电时 金属铅是负极 发生氧化反应 被氧化为硫酸铅 二氧 化铅是正极 发生还原反应 被还原为硫酸铅 蓄电池在用直流电充电时 两极 分别生成铅和二氧化铅 移去电源后 它又恢复到放电前的状态 组成化学电 池 铅蓄电池是能反复充电 放电的电池 叫做二次电池 它的电压是2 v 通常 把三个铅蓄电池串联起来使用 电压是6 v 6 个铅蓄电池串联成1 2 v 的电池组 铅蓄电池在使用一段时间后要补充蒸馏水 使电解质保持含有2 2 2 8 的稀硫 酸 放电时 电极反应为 p b 0 2 4 h s 0 4 2 2 e p b s 0 4 2 h 2 0 负极反应 p b s 0 4 2 2 e p b s 0 4 总反应 p b 0 2 p b 2 h 2 s 0 4 2 p b s 0 4 2 h 2 0 向右反应是放电 向左反应是充电 蓄电池的应用十分广泛 可用于u p s 电动车 滑板车 汽车 风能太阳能 系统 安全报警等等方面 本装备选用储能用蓄电池为1 2 v 2 0 a h 数量根据用户需求而定 同容量蓄电池 充电采取串联方式 如图2 2 0 所示以四块两组蓄电池为例的串联连接方式 3 3 1 图2 2 0 串联连接充电图 东北林 i k 人学f 口 t 1 手位论文 2 6 逆变电源的设计分析 2 6 1 逆变电源的工作原理 通过一个震荡芯片 或者特定的电路 控制着震荡信号输出 比如输出5 0 h z 信 号 然后这个信号通过放大 推动m o s 管 场效应管或晶体闸管 不断开关 这样直 流电输入之后 经过这个m o s 管的开关动作 就形成一定的交流特性 经过修正电路 修正 就可以得到类似电网上的那种正弦波交流 然后送入一个变压器 这个变压器就 是工频变压器 它足2 2 0 v a c 到2 4 v d c 的变压器 即输入2 4 v d c 输出则为2 2 0 v a c 然后变压器输出 输出后再送到稳压电路 保护电路 送给负载使用 3 引 图2 2