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1、工业锅炉CAD在新型锅炉设计中的应用热动1001 10460106 卢海超摘 要：新型29 MW锅炉利用工业锅炉CAD系统进行了设计，充分发挥了计算机技术的优越性，为实现锅炉技术与计算机技术的结合发挥了积极的作用。实践证明，工业锅炉CAD软件能提高设计效率，能对锅炉方案进行优选对比以更好地体现所设计锅炉的特色，并能使计算与绘图有机地融为一体，为锅炉设计实现技术上的创新提供有利条件。 关键词：工业锅炉CAD；29 MW新型锅炉；方案对比优选 根据国家大力建设区域锅炉房进行集中供热的要求，我国工业锅炉产品主要是向大容量热水锅炉方向发展。考虑到 集中供热发展大容量热水锅炉的优越性，本文利用工业锅炉C
2、AD系统完成了新型29 MW往复斜推炉排热水锅炉的研制。现将整个设计过程介绍如下。 1 锅炉的总体方案 1.1 锅炉的整体布置 该锅炉为29MW热水锅炉，锅炉型式为双锅筒横置式往复斜推炉排锅炉，由侧墙水冷壁管和前后拱管构成炉膛辐 射受热面，炉膛后设有燃尽室、对流管束及省煤器，锅炉本体设有5个独立的水循环回路，水冷壁在下降管入口处采用射流装置增强自然循环而组成复合循环。本锅炉的创新点有：采用一个整体的29 MW往复斜推炉排，炉排为前后双行程，保证了燃烧工况的稳定；对流管束采用自然循环，保 证了水循环的安全与可靠；炉排的配风采用降低配风动压 头，增加风室静压力而在结构上省去分流板、导向装置等设备的
3、方法1，3。 该锅炉的热力计算利用工业锅炉CAD系统的计算软件包完成4，总图利用工业锅炉CAD系统进行绘制，实现了智能化绘图，解决了大量的工作量。通常手工进行这样的锅炉设计至少需要花费大约半年左右的时间，而采用IBCS后一个月左右即可完成。 1.2 锅炉水系统的设计 该锅炉对流管束完全采用自然循环。自然循环方式的特利用工业锅炉CAD系统对该锅炉的水系统进行了多方案对比4，通过工业锅炉CAD系统提供的参数化绘图程序实现了智能化设计，有效地避免了大量的重复计算和绘图工作。例如，上、下锅筒间距由原来的8.5 m压低到8 m，利用工业锅炉CAD系统在一天内就完成了这两次计算和绘图工作，如果用手工计算和
4、绘图大约需要一个多月的时间。由此可见工业锅炉CAD系统可大大提高设计效率，效果是显而易见的。 2 锅炉的主要创新点 2.1 炉排的设计 课题组对大容量锅炉的往复斜推炉排的设计进行了技术革新1。由于29MW锅炉的炉排片较宽，炉排的材料采用铸铁，加工时不能保证炉排面的平直，容易造成弯曲，质 量不能保证，因此采用两个铸铁炉排，中间不设置联箱，而 是加强密封。两个炉排采用一套驱动装置，使两个炉排上燃 烧工况同步和稳定，同时也易于控制，保证了锅炉的效率和出力，这是该炉在技术上的突破和创新之处。 在工业锅炉CAD系统中绘制炉排非常方便，只需20 s即可完成，这是手工绘制所无法比拟的，所以说工业锅炉CAD系
5、统可把设计人员从繁重的绘图工作中解脱出来。 2.2 炉排的配风 该锅炉没有采用导流均风装置，而是总结吸收了多年的 运行实践经验，采用降低进风动压头，减小炉排缝隙，增加 风室静压压力的方法来解决炉排横向配风的设计问题2。这 样，动压头与静压之比变小，从而使得动压头对横向配风均匀的影响降低，这是本锅炉的创新点之一。2.3 炉膛的设计 为使本锅炉能稳定、经济地运行，正确地布置炉膛结构 非常重要。炉膛出口烟温对稳定燃烧的影响很大，所以在设 计炉膛时1，首先要考虑到尽可能合理地提高炉膛出口烟 温，从而提高火焰的平均温度，使大量的挥发分及时燃尽， 增强炉拱对新煤的辐射作用。经过若干个热力计算的方案比温段上
6、，就会对管壁造成腐蚀，影响管束的寿命。如果尾部 装上铸铁省煤器，由于对流管束的壁温高于烟气中水蒸气的 露点温度，腐蚀将在省煤器上发生，由于铸铁省煤器抗腐蚀 能力较强，所以就会减弱低温腐蚀的程度，延长锅炉的使用寿命。本锅炉省煤器的绘制利用工业锅炉CAD系统提供的省煤器绘制功能完成，绘制起来非常方便、快速和有效，达到得知最佳的炉膛容积热强度q，此时炉r821.7 kJ/m2_膛的出口烟气温度为1 022.8 。为了使烟气充分燃尽并保证炉膛的高温，在炉膛后面布置了一个燃尽室，以延长燃料的燃烧时间，燃尽室出口烟温降到830.4 。这样，便实现了燃料的充分燃尽，使热量在炉内最大限度地释放出来。该锅炉炉膛
7、布置如图所示。该锅炉设计了铸铁省煤器，这主要是为了防止尾部受热比值。因为锅炉在运行中，停炉后如果再启用，回水温度只有2030 ，则供水温度不能在短时间内升上去，从而会造成省煤器水管的壁面温度较低，一般低于烟气中水蒸气的露点，水蒸气就会凝结成水滴，烟气中的SO3与水滴结合生成硫酸，如果不设计尾部省煤器，硫酸附着在对流管束低锅炉总图的绘制是在工业锅炉CAD系统的绘图软件包中进行的。鉴于该锅炉是利用工业锅炉CAD系统进行多方案对比优选的成果，特别是在水管系统图的优选对比上节省 了大量的时间，使提出的方案更具有优越性，体现了自己的创新特色。2.4 炉拱的设计 炉拱的布置是否合理，关键要看前后拱的配合是
8、否能够 组织起良好的空气动力工况。该锅炉炉拱根据多年来积累的经验设计，具有自己的特色。 锅炉前拱与后拱的有效配合增强了该锅炉对煤种的适 应性，并通过前拱与后拱形成的喉口促进了炉内烟气的扰动了该功能预期的目的，为总图的完成节省了大量的时间。 3 IBCS对该炉优化所起的积极作用 3.1 结构尺寸的降低 该锅炉的长_宽_高尺寸为13.34 m_8.11 m_12.2 m，与国内同容量锅炉产品相比较小，这是另一个重要突破。锅炉结构尺寸的降低与工业锅炉CAD系统直接有关，由于工业锅炉CAD系统可缩短每一次方案对比过程所需的设计时间，从而为结构的优选创造了便利条件。该锅炉从水管系统 的结构优选入手，压低
9、了上下锅筒中心距，降低了炉排的倾 角，由于每一次方案对比都需要进行大量的设计计算和绘图工作，而这些工作利用工业锅炉CAD系统可在很短的时间内完成4，用手工进行设计优选需要花费大量的时间因而不可能实现多次的对比，所以说由于工业锅炉CAD系统的介入有效地缩小了本锅炉的结构尺寸。结构尺寸的降低，减少 了钢材的耗量，缩小了锅炉房的占地面积，间接地降低了锅炉和锅炉房的造价，具有重大的经济效益。 3.2 设计计算和总图 本锅炉的设计计算利用工业锅炉CAD系统的计算软件包完成4，表中给出热力计算综合表。由于工业锅炉CAD系统的使用，能有效地对锅炉的对流受热面进行优选，从而 合理地提高了烟速，增加了对流放热系
10、数，使锅炉的吸热量 增大，降低了排烟温度，因此使设计热效率有所提高。本锅炉热力计算效率为81.7%，这与燃用煤粉的电站锅炉的热效率90%左右相比并不算高，但是对于采用层燃技术、烧劣质煤的工业锅炉来说，比国内同容量锅炉的热力计算效率都 高，处于国内领先水平。所以说该锅炉达到了高效节能的目的。4 结 论 新型29 MW锅炉利用工业锅炉CAD系统完成了总图设计，成功地进行了多方案对比优选，大大节省了设计工时， 使设计人员把绝大部分精力花到方案的优化上，实现了技术上的突破。实践证明工业锅炉CAD系统是可行的、可靠的和准确的，是工业锅炉设计人员的良好工具。一般都在20%60%，平均回收资金仅两年，而且对
11、满足生产工艺要求，保证质量起到很好的作用。 空冷风机所用电机为标准三相交流电机，其旋转速度近似地取决于电机的极数和 频率：n = 60f/p 式中：n同步速度；f电源频率；p电机极数。 电机的工作原理决定了电机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2、4、6），所以改变该值来实现电机的无级变速不适合。有些 空冷机组运用的双速电机就是属于变电极式调速，控制简 单，只需要用转换开关或者接触器控制，初投资少，缺点是 有级调速。另外，频率是电机供电电源的电信号，所以该值 能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由控制，以达到生产的要求。 4.3
12、 用一台变频器控制多台风机方法 该控制系统的控制方案，既不属于“所有风机仅配一台 变频器”的方案，又不属于“每台风机都配变频器”方案，是一种混合型方案，系统由可编程控制器PLC完成，某些新型变频器已经设置该自动切换功能。系统运行始终只有一台风机的电动机是变频运行，其余的电动机都是工频运行。 该系统必须要有以下特点和功能： (1) 操作台：实现系统操作控制及参数的设定与显示。 (2) 可编程序控制器：完成空冷器出口温度信号和操纵 信号的输入及PLC控制的输出，实现对变频器的调速控制。 (3) 变频器：具有手动和自动调速功能。 (4) 切换装置：由继电器、接触器、开关等组成，实现一台变频器控制多台
13、风机的切换。该控制运行程序能使多台 风机根据空冷器出口温度的变化轮流切换，整个系统工作协调，充分合理使用多台风机，达到设计要求。(5) 在今后的电力系统建设与运行中，要根据区域电网的实际情况，加强对滑差闭锁值、安全自动装置的电压、频 率定值整定的分析；对无功补偿装置容量与低频低压减载装 置配置关系的分析；对电网解列后小电厂安全自动装置的配置的分析；对区域电网增加稳定控制系统的分析。 (6) 电网薄弱是事故发生的根本原因，建议加快另一条220 kV电源线（雁浑线）建设。 (7) 加强运行值班人员和调度员培训，做好防止大面积停电和全站停电事故预案措施，避免误操作、误调度发生，最大限度保证电网安全稳
14、定运行。5 小结 直接空冷机组冬季运行防冻的主要任务，应从进入空冷 凝汽器的最小热量核算机组冬季运行在不同环境温度时的 最小出力入手。在运行调整过程中，应密切监视空冷凝汽器 各排凝结水收集联箱的凝结水温度和真空抽汽口的温度变 化。日常还应加强巡回检查，防止由于热力和流量分配不均致使散热管束受冻的可能。值得注意的是，假如有部分空冷凝汽器堵塞，虽然风机 转速调节到很大，且凝结水温度也有所提高，但是机组背压 仍然高于设计额定值，极有可能是由于管束的堵塞而导致空 冷冷却能力不足，此时风机增加出力是没有意义的，反而会带来其他管束冻结的危险。 因此，风机的自动调节除了考虑机组背压之外，还应考 虑到凝结水过
15、冷度，应将过冷度限制在一定范围内。如果过 冷度超出限值，应限制风机频率继续上升，否则经济性差， 且对安全性没有好处。另外，在空冷风机的转速调整上还应 力求低负荷情况下尽可能保持各排风机低频和同频运行，以 防止由于某一台或几台风机转速过高。但是在冬季，环境温 度大大低于零度，可能出现风机都在最低频率运行而凝结水 过冷度依然过大的问题，即可能导致管束冻结。尽管可以采 取停止部分风机的手段，但在某些负荷工况下这是需要人为 判断的，或者重新设计程控，考虑最低频率下的凝结水过冷。 直接空冷凝汽器系统的背压控制逻辑目前还不成熟，还有待于进一步根据空冷机组的特性进行优化。 参考文献1庞丽君, 孙恩召. 锅炉燃烧技术及设备M. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 1991. 2汪杰年.工业炉改造节能技术M.北京:机械工业出版社, 1987. 3冯俊凯, 等.锅炉原理及计算M.北京:科学技术出版社, 2002. 4李九如, 廉乐明,董珊.基于智能的工业锅炉CAD的开发J. 电站系统工程, 2007, 23(3): 5556.