摘要:對(duì)鍋爐水質(zhì)進(jìn)行合理有效地控制是保證蒸汽鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要措施之一,通過(guò)研究分析影響鍋爐熱效率的多種因素,得出影響上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司天津卷煙廠蒸汽鍋爐熱效率的主要原因,同時(shí)針對(duì)影響鍋爐熱效率的主要原因開(kāi)展研究分析,提出通過(guò)開(kāi)發(fā)蒸汽鍋爐水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)鍋爐水質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo)及變化。當(dāng)鍋爐水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)出現(xiàn)波動(dòng)及趨勢(shì)性變化時(shí),及時(shí)通過(guò)前置加藥環(huán)節(jié)干預(yù)鍋爐進(jìn)水,使得鍋爐水質(zhì)保持在最佳指標(biāo)區(qū)間,以此減少鍋爐受熱面的結(jié)垢,降低熱阻,提高傳熱效率,減少運(yùn)行過(guò)程中的定期排污和連續(xù)排污的排水量,進(jìn)一步節(jié)約水資源并降低鍋爐排污熱損耗,進(jìn)而使得鍋爐熱效率得到有效提升。
關(guān)鍵詞:鍋爐水質(zhì);在線監(jiān)測(cè);排污;蒸汽鍋爐;熱效率
隨著全球能源需求的不斷增長(zhǎng)和環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻,如何實(shí)現(xiàn)能源的高效利用和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展,成為亟需突破和完成的重要課題。鍋爐作為工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵熱能設(shè)備,其運(yùn)行效率和安全性對(duì)能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)具有顯著影響。鍋爐水質(zhì)的控制與管理,是確保鍋爐高效、節(jié)能、安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。良好的水質(zhì)可以減少鍋爐受熱面的結(jié)垢,降低熱阻,提高傳熱效率,從而減少能源消耗,良好的鍋爐水質(zhì)管理可以減少燃燒不充分的情況,從而減少SO2、NOx 等有害氣體的排放,改善空氣質(zhì)量。另外,對(duì)鍋爐水質(zhì)進(jìn)行控制還可以減少腐蝕的發(fā)生,進(jìn)而避免設(shè)備腐蝕所導(dǎo)致的泄漏,杜絕能源浪費(fèi)和環(huán)境污染[1]。本文對(duì)上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司天津卷煙廠(簡(jiǎn)稱“天津卷煙廠”)車間的工程概況、影響蒸汽鍋爐熱效率因素、水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)及應(yīng)用等進(jìn)行了詳細(xì)分析,探討了鍋爐水質(zhì)控制在環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)約中的重要作用,為車間生產(chǎn)以鍋爐運(yùn)行為主的企業(yè)提供了節(jié)能減排參考。
1 工程概況
天津卷煙廠位于天津市東麗區(qū),廠內(nèi)下轄一車間、二車間、動(dòng)力車間及倉(cāng)儲(chǔ)車間,其中動(dòng)力車間作為整個(gè)工廠的能源轉(zhuǎn)化和輸送部門,負(fù)責(zé)向整個(gè)工廠提供電力、蒸汽、壓縮空氣等能源,監(jiān)控和管理能源使用效率,確保能源的合理分配和使用,減少能源浪費(fèi)。
在能耗占比方面,動(dòng)力車間能耗占比在工廠整體能耗的57%以上。其中,鍋爐系統(tǒng)能耗占比是動(dòng)力車間能耗占比的重要組成部分,目前天津卷煙廠動(dòng)力車間共有4 臺(tái)燃?xì)庹羝仩t,包括產(chǎn)氣量為4 t/h 的小型燃?xì)庹羝仩t1 臺(tái)、產(chǎn)氣量為20 t/h 的中型燃?xì)庹羝仩t3 臺(tái)。經(jīng)統(tǒng)計(jì),天津卷煙廠燃?xì)庹羝仩t熱效率為88%,處于較低水平,因此提升燃?xì)庹羝仩t熱效率成為工廠能源管理的重要課題。
2 影響鍋爐熱效率的原因
結(jié)合天津卷煙廠生產(chǎn)實(shí)際情況,對(duì)鍋爐燃燒情況、排煙熱損失、鍋爐保溫情況、給水溫度、傳熱效果5 方面影響燃?xì)庹羝仩t熱效率的因素進(jìn)行分析,促進(jìn)燃?xì)庹羝仩t減少能耗,提升運(yùn)行效率。
2.1 鍋爐燃燒情況
現(xiàn)階段產(chǎn)氣量為20 t/h 的中型燃?xì)庹羝仩t使用煙氣再循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行,保證鍋爐正常燃燒的同時(shí)降低煙氣排放中的污染物。在鍋爐排煙管道出口安裝煙氣檢測(cè)裝置,對(duì)煙氣中的SO2 濃度、NOx 濃度和氧含量進(jìn)行檢測(cè),其中出口氧含量在3.5%~4.5%之間,NOx 折算率數(shù)值為25~30 之間,均處于指標(biāo)要求的數(shù)值區(qū)間,因此考慮鍋爐出口氧含量對(duì)燃?xì)忮仩t熱效率的影響率較低,不將其作為本次研究改進(jìn)的主要方向。
2.2 排煙熱損失
排煙熱損失是影響鍋爐熱效率的重要因素之一。排煙溫度越高,排煙熱損失越大。燃?xì)忮仩t的排煙溫度每增加10~15 ℃,鍋爐熱效率將降低1% 左右。此外,煙氣含水量也會(huì)影響排煙熱損失,原因在于煙氣中的蒸汽會(huì)帶走大量汽化潛熱。通過(guò)加裝溫度傳感器,測(cè)得天津卷煙廠燃?xì)庹羝仩t的排煙溫度在130 ℃左右。和同類燃?xì)庹羝仩t相比,天津卷煙廠排煙溫度處于較低水平,且運(yùn)行多年來(lái),此指標(biāo)數(shù)據(jù)相對(duì)平穩(wěn),因此考慮鍋爐排煙熱損失對(duì)燃?xì)庹羝仩t熱效率的影響率較低,不將其作為本次研究改進(jìn)的主要方向。
2.3 鍋爐保溫情況
鍋爐爐體、汽水管道、煙道等的保溫情況對(duì)鍋爐的熱效率有顯著影響。如果保溫性能較差,鍋爐會(huì)向環(huán)境散熱,造成大量散熱損失,因此加強(qiáng)保溫可以降低散熱損失,提高鍋爐熱效率。通過(guò)對(duì)鍋爐爐體、汽水管道、煙道的保溫情況進(jìn)行逐一徹底摸排,發(fā)現(xiàn)保溫情況完好,保溫隔熱效果完全符合指標(biāo)要求,且工廠定期組織管道保溫巡查檢查,過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)保溫?fù)p壞脫落情況,因此考慮鍋爐保溫情況對(duì)燃?xì)庹羝仩t熱效率的影響率較低,不將其作為本次研究改進(jìn)的主要方向。
2.4 給水溫度
給水溫度對(duì)鍋爐熱效率也具有一定影響,提高給水溫度不僅可以減少鍋爐的熱損失,還能提高熱效率。通過(guò)對(duì)鍋爐給水溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)天津卷煙廠鍋爐給水溫度始終保持在100℃左右。由于鍋爐給水在進(jìn)入鍋爐之前會(huì)經(jīng)過(guò)除氧器處理,去除水中氧氣及其他氣體,使鍋爐給水溶解氧符合要求,因此考慮給水溫度及給水溶解氧對(duì)燃?xì)庹羝仩t熱效率的影響率較低,不將其作為本次研究改進(jìn)的主要方向。
2.5 傳熱效果
傳熱效果直接影響鍋爐的熱效率,如果傳熱較差或長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致傳熱惡化,都會(huì)使鍋爐熱效率降低,因此保持受熱面清潔,避免積灰和結(jié)垢,可提高傳熱效果。通過(guò)對(duì)天津卷煙廠3 臺(tái)產(chǎn)汽量為20 t/h 的燃?xì)庹羝仩t進(jìn)行維保大修,發(fā)現(xiàn)鍋爐受熱面存在部分積灰和結(jié)垢,經(jīng)過(guò)加熱對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)受熱面結(jié)垢會(huì)影響傳熱效果,進(jìn)而影響鍋爐整體熱效率,因此考慮傳熱效果對(duì)燃?xì)庹羝仩t熱效率的影響率較高,計(jì)劃對(duì)鍋爐受熱面結(jié)垢的原因展開(kāi)分析。
通過(guò)對(duì)受熱面上取下的水垢進(jìn)行試驗(yàn)分析,發(fā)現(xiàn)其主要成分為碳酸鈣、碳酸鎂等物質(zhì),因此進(jìn)一步對(duì)鍋爐給水的水質(zhì)進(jìn)行化驗(yàn)分析,發(fā)現(xiàn)鍋爐給水水質(zhì)硬度偏高,水中鈣、鎂等礦物質(zhì)含量較高,且鍋爐水質(zhì)的pH 在8 ~ 9 之間,略低于指標(biāo)要求的pH 建議區(qū)間,因此得出對(duì)鍋爐水質(zhì)控制和管理的欠缺是導(dǎo)致天津卷煙廠燃?xì)庹羝仩t熱效率偏低的主要原因。
2.6 小結(jié)
綜上所述,本次研究改進(jìn)的主要方向?yàn)閷?duì)鍋爐水質(zhì)的監(jiān)測(cè)與控制,并以此來(lái)減少鍋爐中水垢的產(chǎn)生,進(jìn)而提升天津卷煙廠燃?xì)庹羝仩t熱效率。
3 水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)
3.1 測(cè)量過(guò)程設(shè)計(jì)
3.1.1 爐水取樣與預(yù)處理
當(dāng)取樣管道內(nèi)的溫度傳感器檢測(cè)到管內(nèi)水溫符合鍋爐爐水溫度,確認(rèn)管內(nèi)為爐水,打開(kāi)冷卻系統(tǒng)對(duì)爐水降溫;當(dāng)檢測(cè)到管內(nèi)溫度符合水質(zhì)監(jiān)測(cè)要求水溫,打開(kāi)檢測(cè)管道上的電磁閥,使?fàn)t水流入檢測(cè)管道,進(jìn)行下一步檢測(cè)。
3.1.2 爐水水質(zhì)檢測(cè)
參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)直接檢測(cè)的方式測(cè)得pH、電導(dǎo)率和總?cè)芙夤腆w(Total dissolvedsolids,TDS)[1] 的相應(yīng)數(shù)據(jù),通過(guò)滴定法間接測(cè)得爐水的全堿度和酚酞堿度[2-6]。
3.1.3 污水處理與容器清洗
堿度測(cè)量完成后,通過(guò)蠕動(dòng)泵抽空燒杯內(nèi)廢液至廢液桶中,并進(jìn)行2 次燒杯清洗,完成檢測(cè)過(guò)程。
3.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
對(duì)收集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行積累、加工、分析、判異及利用,實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐水質(zhì)的在線監(jiān)測(cè)功能。
3.3 編程方式
采用流程模塊化編程方式,分為輸入處理、輸出處理、手動(dòng)控制、自動(dòng)取樣、蠕動(dòng)泵控制、清洗、攪拌、計(jì)算、顏色識(shí)別、HMI、單步、滴定實(shí)驗(yàn)。
3.4 控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)
電控系統(tǒng)由IO 控制層、系統(tǒng)層、網(wǎng)絡(luò)層和客戶端構(gòu)成,爐水取樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖1所示。
3.5 鍋爐取樣
3.5.1 取樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
取樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為取樣管路及降溫管路,系統(tǒng)根據(jù)程序指令進(jìn)行電磁閥的開(kāi)啟和關(guān)閉來(lái)控制爐水及冷卻自來(lái)水的流通。當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)鍋爐水溫度符合設(shè)定范圍時(shí),確認(rèn)管內(nèi)為鍋爐爐水,打開(kāi)相應(yīng)電動(dòng)閥,使鍋爐水流入檢測(cè)管道;當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)鍋爐水溫度大于設(shè)定的檢測(cè)溫度時(shí),開(kāi)啟降溫裝置進(jìn)行鍋爐水降溫,直到鍋爐水溫度符合設(shè)定范圍,開(kāi)啟電動(dòng)閥進(jìn)行下一步檢測(cè)[7][8]。各傳感器測(cè)量溫度要求(允許工作溫度范圍)如表1 所示。
3.5.2 取樣系統(tǒng)改造
原有鍋爐檢測(cè)管道如圖2 所示。
對(duì)原有鍋爐檢測(cè)管道的改造設(shè)計(jì)如圖3 所示。增加自動(dòng)取樣管路,通過(guò)溫度傳感器對(duì)爐水溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),并通過(guò)對(duì)電動(dòng)閥及電磁閥的控制實(shí)現(xiàn)鍋爐水取樣和冷卻水/ 除鹽水降溫;增加水流開(kāi)關(guān)對(duì)管路中的水流進(jìn)行監(jiān)測(cè);增加pH 傳感器、溶解固形物傳感器、電導(dǎo)率傳感器檢測(cè)爐水的各項(xiàng)指標(biāo);增加取樣桶進(jìn)行爐水收集及堿度滴定檢測(cè)。
3.5.3 取樣系統(tǒng)控制
自主搭建定時(shí)器,設(shè)置采樣周期;自動(dòng)打開(kāi)電磁閥、電動(dòng)閥進(jìn)行取水;加入溫度判斷,確定取水為當(dāng)前爐水,確??偣軠囟葷M足測(cè)量傳感器工況要求;通過(guò)水流開(kāi)關(guān)監(jiān)測(cè)確保冷卻水正常供應(yīng),無(wú)冷卻水時(shí),爐水電動(dòng)閥不會(huì)開(kāi)啟。
3.6 直接檢測(cè)
直接檢測(cè)系統(tǒng)采用直接測(cè)量的方法,在檢測(cè)管道內(nèi)安裝傳感器,檢測(cè)鍋爐水的pH、電導(dǎo)率及TDS。
3.7 堿度滴定
堿度滴定系統(tǒng)共使用了5 臺(tái)蠕動(dòng)泵,其中標(biāo)準(zhǔn)型蠕動(dòng)泵3 臺(tái),用于取樣、滴定酸、排液,分配型蠕動(dòng)泵2 臺(tái),用于滴定甲基橙試劑和酚酞試劑。根據(jù)《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》(GB/T 1576-2018)[9] 附錄E1.2可知,酚酞堿度是以酚酞作為試劑時(shí)所測(cè)出的量,全堿度是以甲基橙作指示劑時(shí)測(cè)出的量。根據(jù)GB/T 1576-2018 附錄E4 測(cè)定方法,E4.1適用于鍋水、化學(xué)凈水、冷卻水、生水等堿度≥ 0.5 mmol/L 水樣,E4.2 適用于凝結(jié)水、除鹽水等堿度lt; 0.5 mmol/L 水樣。本系統(tǒng)所測(cè)量的屬于鍋水,因此選用標(biāo)準(zhǔn)中E4.1 的測(cè)定方法。
按照GB/T 1576-2018 提供的流程,設(shè)計(jì)了符合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的堿度滴定流程,即通過(guò)蠕動(dòng)泵從取樣桶中取樣100 mL 注入化驗(yàn)瓶?jī)?nèi),隨后滴入酚酞試劑及甲基橙試劑,通過(guò)磁力攪拌器使之充分混合變色,顏色識(shí)別傳感器識(shí)別到溶液顏色變化后啟動(dòng)加酸滴定[10],當(dāng)?shù)味ㄟ^(guò)程中溶液顏色再次變化時(shí),顏色識(shí)別傳感器傳輸數(shù)字量信號(hào),系統(tǒng)通過(guò)滴定時(shí)間分別記錄2次耗酸體積。
GB/T 1576-2018 附錄E4.4 闡述的酚酞堿度、全堿度的計(jì)算如式(1)、式(2)所示。
通過(guò)式(1)、式(2)計(jì)算耗酸量,試驗(yàn)測(cè)得轉(zhuǎn)速15 r/min 運(yùn)行20 min 后耗酸10 mL。
3.8 廢液處理與清潔
堿度測(cè)量流程結(jié)束后,將燒杯中的廢液排入廢液桶中,再抽取取樣桶內(nèi)的爐水加入至燒杯中,啟動(dòng)磁力攪拌器對(duì)燒杯進(jìn)行涮洗,并將涮洗燒杯的液體排入廢液桶,重復(fù)涮洗燒杯2次后,開(kāi)啟取樣桶電磁閥排空取樣桶內(nèi)剩余爐水,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束。
4 水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用
4.1 數(shù)據(jù)積累
在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,將所測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集歸檔。選取2024 年1 月8 日的5 個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行采樣,測(cè)量結(jié)果如表2 所示。
4.2 數(shù)據(jù)加工及分析
將所收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和加工,繼而通過(guò)圖形、圖表等方式作進(jìn)一步處理,將其轉(zhuǎn)化為折線圖、趨勢(shì)圖等可直觀觀測(cè)且具有利用價(jià)值的信息。
4.3 信息利用
對(duì)所得到的信息進(jìn)行甄別和分析,如圖4所示,根據(jù)指標(biāo)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)分析鍋爐系統(tǒng)各個(gè)工段的健康狀態(tài),進(jìn)而判斷鍋爐系統(tǒng)的運(yùn)行狀況,為鍋爐系統(tǒng)的運(yùn)維提供參考。
通過(guò)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上線運(yùn)行,可對(duì)鍋爐水質(zhì)進(jìn)行更為清晰、及時(shí)地了解;通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)的預(yù)警,在2023 年6 月—2024 年6 月期間,對(duì)鍋爐水質(zhì)進(jìn)行了數(shù)十次提前干預(yù),且系統(tǒng)運(yùn)行后在鍋爐大修維保期間檢查鍋爐受熱面發(fā)現(xiàn)無(wú)明顯水垢及灰塵。因此,受鍋爐水質(zhì)得到有效控制影響,由水質(zhì)問(wèn)題導(dǎo)致的連續(xù)排污次數(shù)和定時(shí)排污次數(shù)降低為原來(lái)的1/3,累計(jì)節(jié)水187 t,減少排污導(dǎo)致的熱量損失7.8 億kJ。經(jīng)統(tǒng)計(jì),在此期間,天津卷煙廠燃?xì)庹羝仩t熱效率始終保持在93% 以上。
5 結(jié)束語(yǔ)
綜上所述,通過(guò)對(duì)影響鍋爐熱效率的多種因素作深入分析,以及水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用,有效降低了燃?xì)庹羝仩t受熱面結(jié)垢程度,減少了由水質(zhì)不合格導(dǎo)致的排污問(wèn)題,進(jìn)而減少了能源浪費(fèi),有效提升了燃?xì)庹羝仩t的熱效率。
隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,未來(lái)的鍋爐系統(tǒng)將更加智能化和自動(dòng)化,鍋爐水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可與鍋爐的智能控制系統(tǒng)進(jìn)一步集成,實(shí)現(xiàn)更高效的能源管理和優(yōu)化。此外,研究還應(yīng)擴(kuò)展到其他影響鍋爐熱效率的因素,如燃燒器的優(yōu)化、余熱回收技術(shù)的應(yīng)用等,以全面實(shí)現(xiàn)蒸汽鍋爐的節(jié)能減排。因此,未來(lái)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)不局限于在蒸汽鍋爐中的應(yīng)用,其技術(shù)也可推廣到其他類型的鍋爐和工業(yè)熱交換設(shè)備中,并通過(guò)跨領(lǐng)域的技術(shù)融合,讓未來(lái)的工業(yè)生產(chǎn)更加高效、環(huán)保,為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)做出更多貢獻(xiàn)。
總之,研究展示了通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和管理優(yōu)化提升燃?xì)忮仩t熱效率的有效途徑,期待這些成果能夠?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域的研究和實(shí)踐提供參考,并推動(dòng)工業(yè)能源利用的持續(xù)進(jìn)步。
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作者簡(jiǎn)介
金正旭(1988—),男,漢族,天津人,工程師,大學(xué)本科,主要從事企業(yè)高低壓配電、能源運(yùn)行管理工作。
加工編輯:馮為為
收稿日期:2024-07-19