蒸汽蓄熱器負(fù)荷擾動(dòng)對(duì)鍋爐能耗的影響

蒸汽蓄熱器負(fù)荷擾動(dòng)對(duì)鍋爐能耗的影響

1影響平均熱效率的因素用磚和天然氣占全國煤炭產(chǎn)量的三分之一以上。它的能耗效率對(duì)中國的能源利用率、單位能耗等因素都有重要影響，對(duì)環(huán)境污染也有很大影響。就全國而言,我國工業(yè)鍋爐的實(shí)際運(yùn)行平均熱效率長期徘徊在60%左右的水平,普遍比鍋爐產(chǎn)品鑒定效率低10%左右,全國工業(yè)鍋爐每年因此多耗煤七千萬噸以上。多年來,鍋爐制造行業(yè)及使用單位為此從鍋爐房主輔機(jī)的角度作了許多改進(jìn)和革新,提高了鍋爐的熱平衡試驗(yàn)效率。然而這些技術(shù)進(jìn)步,并未從根本上改善工業(yè)鍋爐實(shí)際運(yùn)行時(shí)的平均熱效率。可見工業(yè)鍋爐的運(yùn)行情況是造成實(shí)際運(yùn)行效率遠(yuǎn)低于熱平衡效率的根本原因。大多數(shù)工業(yè)鍋爐實(shí)際運(yùn)行時(shí)負(fù)荷的波動(dòng)很大。在我國99%以上燃煤工業(yè)鍋爐是層燃爐,其動(dòng)態(tài)特性有很大的時(shí)滯,當(dāng)負(fù)荷擾動(dòng)時(shí),現(xiàn)有的熱工調(diào)節(jié)系統(tǒng)仍難免一段時(shí)間內(nèi)燃燒工況的惡化,各受熱面的傳熱工況也會(huì)受到干擾。當(dāng)負(fù)荷擾動(dòng)較頻繁,幅度較大時(shí),鍋爐熱效率會(huì)出現(xiàn)較大的下降。圖1為一燃?xì)忮仩t的負(fù)荷擾動(dòng)(零到運(yùn)行負(fù)荷之間)頻率和負(fù)荷水平對(duì)其熱效率的影響。可見頻率越高效率就越低。只有當(dāng)負(fù)荷擾動(dòng)周期長達(dá)2～4小時(shí)時(shí),在高負(fù)荷區(qū)的熱效率與穩(wěn)定負(fù)荷下的熱效率(熱平衡試驗(yàn)效率)接近。負(fù)荷擾動(dòng)幅度對(duì)鍋爐熱效率的影響可從圖2看出?？梢姺仍酱?熱效率越低。鍋爐容量越大以上現(xiàn)象越嚴(yán)重。適當(dāng)設(shè)計(jì)的蒸汽蓄熱器系統(tǒng)能濾掉供熱系統(tǒng)負(fù)荷的波動(dòng),使鍋爐的蒸汽出力和壓力保持不變,從而保證了鍋爐外部理想的運(yùn)行條件,使其熱效率趨近熱平衡試驗(yàn)效率,為大大提高我國工業(yè)鍋爐實(shí)際運(yùn)行熱效率提供了可能。因此,蒸汽蓄熱器在1983年10月的第三次全國節(jié)能技術(shù)情報(bào)交流會(huì)上被列為值得推廣的十項(xiàng)節(jié)能技術(shù)之一;1987年國家經(jīng)委計(jì)委進(jìn)一步將該項(xiàng)目列為推廣的通用節(jié)能技術(shù)。然而十多年后,此項(xiàng)技術(shù)并未得到令人滿意的推廣。事實(shí)表明,相對(duì)大的初投資以及要求較大的場地是影響蒸汽蓄熱器順利推廣的主要的客觀原因之一。由于蒸汽蓄熱器工程的初投資直接取決于蓄熱器本體的價(jià)格,若能夠在保證蓄熱器的技術(shù)與熱工性能要求的條件下,令其容積最小化,就能盡可能減少投資,促進(jìn)蒸汽蓄熱器的順利推廣。2蓄熱裝置體積優(yōu)化2.1蓄熱器系統(tǒng)t設(shè)在所考慮的鍋爐房熱負(fù)荷周期內(nèi),熱負(fù)荷為q(t),平均負(fù)荷為Qav。則平均負(fù)荷相對(duì)于熱負(fù)荷的盈虧為ΔQ=Qav-q(t),于是積分曲線Q(t)=∫t00tΔQdt(1)就代表了從規(guī)定的起始時(shí)刻起到時(shí)刻t為止累計(jì)的蓄熱器應(yīng)當(dāng)蓄存或放出的蓄熱量。Q(t)在整個(gè)負(fù)荷周期內(nèi)的最大值與最小值之差即為所求的必需蓄熱量。由此可很容易算得蓄熱器的理論容積和實(shí)際容積。眾所周知,當(dāng)適當(dāng)?shù)貙嶝?fù)荷周期加以分段后分別應(yīng)用式(1),在整個(gè)熱負(fù)荷周期內(nèi)可將必需蓄熱量顯著降低,從而可大大減少相應(yīng)的必需容積。問題是在保證鍋爐房熱效率基本上為最高的前提下,這個(gè)必需蓄熱量應(yīng)是最小的。2.2各1段的整株s考慮工業(yè)鍋爐房的日負(fù)荷曲線,其周期長度為24小時(shí)。將負(fù)荷曲線等時(shí)間間隔地記取24R個(gè)負(fù)荷記錄,依次給予順序號(hào)S(S=1,2,··,24R),R即每小時(shí)選取的負(fù)荷記錄個(gè)數(shù)。設(shè)每工作日能允許的最多負(fù)荷調(diào)整次數(shù)為N,此即最多允許分段數(shù)。由實(shí)際經(jīng)驗(yàn)知,層燃爐的相隔2或3小時(shí)的兩次負(fù)荷調(diào)整對(duì)燃燒效率的影響甚小。設(shè)此間隔為M(不小于2或3小時(shí))。在滿足上述N、M、R和S的條件下有眾多的可行分段方案。從其中(可行域)找出必需蓄熱量為最小,同時(shí)各穩(wěn)定運(yùn)行分段區(qū)間內(nèi)的平均負(fù)荷都能保證使各鍋爐運(yùn)行在高效率的負(fù)荷范圍內(nèi)的最優(yōu)分段方案?？紤]任意第k次分段方案。設(shè)將編號(hào)為S的負(fù)荷記錄作為所考慮的日負(fù)荷周期的起點(diǎn),第i段的起始及終止時(shí)刻分別為Ti-1和Ti,則在該段的時(shí)刻t,式(1)可改寫為:Qs,k(i,t)=t?Ti?1Ti?Ti?1∫TiTi?1q(t)dt?∫tTi?1q(t)dt?(Ti?1≤t≤Ti)(2)Qs,k(i,t)=t-Τi-1Τi-Τi-1∫Τi-1Τiq(t)dt-∫Τi-1tq(t)dt?(Τi-1≤t≤Τi)(2)實(shí)際上負(fù)荷曲線q(t)一般不易用解析式表達(dá),將上式離散化,有時(shí)可使計(jì)算更快捷方便:Qs,k(bi?ei?j)=1R[j?bi+1ei?bi+1Σj=bieiq(j)?Σj=bijq(j)]?(bi≤j≤ei)(3)Qs,k(bi?ei?j)=1R[j-bi+1ei-bi+1Σj=bieiq(j)-Σj=bijq(j)]?(bi≤j≤ei)(3)式中,j即負(fù)荷記錄的S系列號(hào),bi和ei分別為第i段的起點(diǎn)和終點(diǎn)的S系列號(hào)。一組bi和ei(i=1,2,…,N)決定了一個(gè)分段方案k。當(dāng)S取遍1—24R時(shí),分段方案可達(dá)K個(gè):對(duì)于一定的M和N,必需蓄熱量Q(M?N)minmin(Μ?Ν)的最小化問題可表述如下:minQ(M?N)(S?k,x2?x3???xN?)=maxi,jQs,k(bi,ei,j)?mini,jQs,k(bi,ei,j)?(i=1,2,??N；j=1?2???24R)minQ(Μ?Ν)(S?k,x2?x3???xΝ?)=maxi,jQs,k(bi,ei,j)-mini,jQs,k(bi,ei,j)?(i=1,2,??Ν；j=1?2???24R)s.t.b1=1,eN=24R;bi=MR(i-1)+1+xi,(i=2,3,…,N)bi+1-bi?MR,(i=1,2,…,N-1)ei=bi+1-1,(i=1,2,…,N-1)xi∈{1,2,…,R(24-MN)};(i=2,3,…,N)S=1,…,24R;k=1,…,K(5)這個(gè)非線性規(guī)劃問題最簡捷可靠的尋優(yōu)策略是用網(wǎng)格法找整體最優(yōu)解?？珊芸鞆母F舉的可行方案中得到最優(yōu)的分段方案及其相應(yīng)的最小必需蓄熱量Q(M?N)minmin(Μ?Ν)。2.2.1計(jì)算程序的n-s圖2.2.2荷曲線應(yīng)用式要窮舉所有可行的分段方案,必須有一個(gè)指令系統(tǒng)統(tǒng)籌可行域的計(jì)算。先考慮分成兩段進(jìn)行積分計(jì)算。這是個(gè)基本的過程P(Ⅰ,Ⅱ)(圖4)。24小時(shí)的時(shí)間區(qū)間可分成Ⅰ和Ⅱ兩段。每段自起點(diǎn)b1、b2分別至終點(diǎn)e1、e2對(duì)負(fù)荷曲線應(yīng)用式(3)。從A方案起,分別逐次改變e1和b2,重復(fù)過程P(Ⅰ,Ⅱ),直至B方案為止。然后按負(fù)荷記錄系列S依次改變起點(diǎn)b1和終點(diǎn)e2以改變24小時(shí)負(fù)荷周期的起終點(diǎn)。使b1從S=1、2、3到24R為止,相應(yīng)地e2從S=24R、1、2到24R-1為止。重復(fù)上述過程,就可覆蓋分成兩段的所有可行方案。當(dāng)分段數(shù)為N時(shí),只要對(duì)過程P進(jìn)行遞歸調(diào)用(圖5),并使b1在S=1到S=24R之間循環(huán),就可獲得窮舉的結(jié)果?？紤]到任意第i分段的起點(diǎn)和終點(diǎn)的范圍分別可用式(6)和式(7)描述,不難實(shí)現(xiàn)以上過程。bi+1=MR(i-1)+1～24R-MR(N-i+1)+1(6)ei=iMR～24R-MR(N-i)(7)3段數(shù)n的計(jì)算結(jié)果上海重型機(jī)器廠將一個(gè)155立方米的蒸汽蓄熱器用于有短時(shí)蒸汽負(fù)荷大幅度脈動(dòng)的供熱系統(tǒng)中,取得了良好的節(jié)能效果。該廠24小時(shí)蒸汽負(fù)荷如表1。使用本文介紹的計(jì)算機(jī)程序,讀入此24小時(shí)負(fù)荷記錄,取M=3,得到當(dāng)分段數(shù)N=4、5、6時(shí),最小必需蓄熱量為9.0～10.42噸蒸汽。本文列出N=5和6時(shí)的結(jié)果(表2、表3),其最小必需蓄熱量分別為9.9和9.0噸蒸汽,比該廠的計(jì)算結(jié)果減少了17.5%和25%;蓄熱器的容積也因此分別僅需128和116立方米,比廠家使用方案減少了17.4%和25.2%(見表2)。按本文的計(jì)算結(jié)果,該項(xiàng)目的投資應(yīng)該有顯著減少。計(jì)算機(jī)還給出了優(yōu)化的鍋爐房負(fù)荷分段方案及鍋爐房運(yùn)行工況調(diào)節(jié)的參考方案(表3)。如果把本文介紹的計(jì)算機(jī)程序略作改動(dòng),此程序尚能用來在線控制鍋爐房的負(fù)荷分配,從而隨時(shí)獲得優(yōu)化的運(yùn)行工況。事實(shí)上,如蓄冷和某些設(shè)備系統(tǒng)的生產(chǎn)調(diào)度等具有類似模型的系統(tǒng)的優(yōu)化,在原則上也可以應(yīng)用這個(gè)程序。4技術(shù)可行性分析(1)負(fù)荷的頻繁波動(dòng)及低負(fù)荷率是我國燃煤工業(yè)鍋爐實(shí)際平均運(yùn)行熱效率長期遠(yuǎn)