云南大理卷烟厂蒸汽供热系统的综合测试分析与评价

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重庆大学硕士学位论文
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术水平，提高热效率，加强维护管理。采用新设备、新技术、新材料、新工艺， 运用计算机和自控技术，提高供热系统经济、社会效益,提高人民生活水平。剩余 热量的回收利用也有很大的节能潜力。用热设备末端企业通常采用简单的疏水装 置或者采用开式的凝结水回收装置，把设备中冷凝水排放掉或把凝结水中的余热 排放掉，凝结水进行回收。这种简单的处理剩余热量的方法是不可取的。因为, 剩 余热量的大小是不等的，不能用单一的方法处理。通常情况下凝结水的温度在 100 ℃左右， 如果凝结水连续排放量超过 375t/h， 就相当于一台 5t/h 的锅炉在连续白白 的燃烧，每年如果按 300 天计，大约浪费 500t 标准煤，这种浪费是平时不知不觉 的。为此，许多厂家通过加强管理，提高用热设备的运行效率，在剩余热量的回 收方式上采取新的改进措施都取得了良好的效果。据了解通过用热设备和余热回 收的改进途径可使供热系统的热效率提高 15%～25%，投资回收期只有 6～10 个 月。
重庆大学 硕士学位论文 云南大理卷烟厂蒸汽供热系统的综合测试分析与评价 姓名：王忠 申请学位级别：硕士 专业：动力工程 指导教师：彭岚;李炯 20050501
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中文摘要
摘
要
随着我国经济持续、快速发展，能源紧张的问题日益突出，节能不仅成为了 每一个企业的重要任务，同时也成为了一个最热门的话题。供热系统的经济运行 是节约用能的一个关键环节，而对供热系统的综合测试、分析与评价则是检验系 统是否经济运行的有效手段，同时找出系统中浪费能源的原因，并针对性地制定 改进措施。 本课题立足于云南大理卷烟厂供热系统的工程实际，用能量平衡与火 用平衡相 结合的方法对其供热系统的三大环节(热源、管网和用热设备)进行综合测试，不但 揭示了该系统能量的数量利用程度，而且探明了能量的质量利用程度。 通过对云南大理卷烟厂供热锅炉系统和蒸汽加热设备的热平衡状况、火用平衡 状况的测试、计算与分析得出：该锅炉系统的热效率符合国家标准，但火 用效率较 低，其中固体未完全燃烧火 用 损失和不可逆燃烧火 用 损失最大；就加热设备而言，热
hydraulic calculation, operational optimization
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1.1 引言
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供热系统是实现能源利用的媒介，供热系统的经济运行是节约能源的关键所 在。虽然工业企业中供热方式有多种多样，有集中供热、热电联产、利用余热供 热、企业自备供热系统等方式，供热设备有燃煤锅炉、燃油(气)锅炉及热载体导热 炉等供热设备，但是就我国目前工业企业中供热系统现状而言，多数采用的供热 方式是企业自备供热系统；供热设备绝大部分为燃煤锅炉。企业供热系统的组成 一般由三部分组成：动力源、输送管网和用热设备。动力源是燃料转化为二次能 源的基本来源。常见的动力源设备是锅炉，锅炉燃烧技术经过多年的研制和应用， 无论在炉型和燃烧方式上都有了很大的发展，技术基本成熟，设备设计热效率基 本上都能保证在 60%以上。但是，设备的实际运行的热效率却相差较大。存在的 问题主要有燃料供应品质与设计指标不相符，设备的制造质量与设计要求有差距， 热损失超出设计指标，工人的操作水平较低等。因此，锅炉实际的运行效率与设 计热效率大约有 10%左右的差距。目前，锅炉改造的主要途径有锅炉给煤方式的 改进，燃烧和送风结构的调整，烟气和固体余热的回收以及锅炉墙体新型耐火材 料更换等。供热管网在输送热能过程中的主要损失是散热和泄漏。通常在保温材 料合格、 保温条件良好的状况下热损失不会大于 2%～5%， 泄漏主要表现在管网上 的阀门、疏水阀和其它连接元件的质量及密封状况，在没有连续泄漏的情况下泄 漏损失一般不会超过 3%～6%。因此，综合分析，供热管网的节能潜力一般在 5% 左右。提高用热设备的效率是能量有效利用的关键。主要取决于用热负荷和设备 效率，通常热负荷在 85%以上，这时设备效率是良好的，基本上能实现能量的有 效利用。如果低于这一指标，设备效率就难以保证了。热负荷指标与生产量有关， 合理分配产量实现均衡生产，也是能源有效利用的必要条件。另外，用热设备的 结构也是设备效率高低的因素之一，这与设备性能和工艺条件有关，不能抛开设 备结构，只强调设备效率。根据常年实际运行数据统计和设备效率的测试分析， 设备运行效率一般只在 50%～60%。 由此可以看出， 提高用热设备运行效率是实现 企业节能的最有效途径之一。供热系统的经济运行涉及工程项目设计、锅炉效率、 循环流量、燃料(煤、油、气)、电耗、水耗、围护结构保温、固定资产折旧、管理、 经营、维修等方面，只有各个方面有机地结合起来，才能发挥效能。供热系统节 能是一个系统工程，必须从建筑围护结构节能开始，着手热源、热网、热用户总 体方案考虑，采用科学方法精心设计、精心施工、科学计量管理，从可持续发展 战略思想着眼经济运行，按气象变化调节供热温度、调节水量，提高锅炉燃烧技
1.3 国内外研究现状
1.3.1 国内外能源现状及发展趋势
能源是经济和社会发展的重要物质基础，也是实现四个现代化以提高人民生 活水平的先决条件。现代社会生产的不断发展，随着机械化、电气化、自动化程 度的不断提高，对能源的需求量也越来越大。一般来说，一个国家的国民生产总 值和它的能源消费量大致成正比的，能源是主要动力来源，能源消费量越大，产 品的产量就越多，经济就越发达，社会就越富裕，人民生活水平就越高。发达国 家的人口总和是世界人口的五分之一[6]，而能源消费量却是能源消费总量的 70%。 根据世界能源署“2004 年世界能源展望”最新统计资料表明：近 30 年内，世界 能源需求量将增长 2/3；矿物燃料在能源结构中仍将占主导地位[1]；对所需新能源 产业的投资将是一个巨大挑战。根据预测，在 21 世纪，世界能源系统将发生重大 变革，20 世纪形成的以石油、天然气、煤炭等化石燃料为主体的世界能源系统， 将在 21 世纪转变成以可再生能源为主体的新能源系统。世界能源委员会(WEC)和 国际应用系统分析研究所(ASA)合作完成的报告表明：在 21 世纪上半叶，石油， 煤炭，天然气等化石燃料仍将是世界能源的主体，到 2100 年左右，可再生能源将 占世界能源的 50%[4,5]。由于煤炭储量丰富，煤炭在 21 世纪能源系统中将起承上 启下的作用，为此，美国等许多国家都未雨绸缪，制定了燃煤新技术计划。 “开源 节流”是解决 21 世纪能源问题的至理名言，在开发利用新能源的同时人们已经认 识到了节能也是解决能源问题的重要途径，是与开发煤炭、石油、天然气和核能 同样重要的措施[11]。因此，节能被誉为“第五能源” 。节能就是提高能源利用率， 减少能源浪费。目前，节能技术水平的高低已成为衡量一个国家能源利用情况的 综合性指标，也是一个国家总体科学技术水平的重要标志。许多研究报告指出， 靠节能可以将能源需求量减少 20—25%，美国的一份研究报告认为，在不降低公
1.2 供热系统优化研究简介
工业企业供热系统的优化能充分发挥整个供热系统的理想的效能，从而使锅 炉、热网与用汽装置都能在最佳的热利用率状态下运行，且保证整个供热系统处 于最安全、最可靠的运行状态。目前，针对供热系统的优化运行，国内外学者做 了大量研究。典型的研究有遗传算法在供热系统优化运行中的应用，蒸汽供热系 统的优化输配运行以及时间序列预报法在供热控制中的应用研究等[13，15，22]，这些 研究在优化供热系统发挥整个供热系统理想效能方面都取得了很好的效果。可以 说，针对供热系统优化的研究已经相当成熟。 由于一个供热系统有多个热源，多个调节阀，多个不同的用汽设备，再加上 复杂的热网以及疏水和凝结水回收装置，从而使其运行工况极为复杂。这就为系 统的优化带来了不便。在运行优化的目标函数中不仅包括描述热源，水泵等设备 的不连续变量，而且还有描述运行工况的压力，温度，流量等的连续变量。目标 函数一般不具备连续，可导，单峰等条件，这类问题，既有整数规划的性质，又 是很复杂的非线性问题。采用传统的优化算法往往不能取得满意的结果，研究者 采用遗传算法[13]，则可以有较好的效果。为了实现供热系统的节能和优质供热， 研究者提出将负荷预报和预测控制施加于供热系统中。研究者首先介绍了时间序 列法预报原理，时间序列法预报是指利用现实和历史序列 x(k)、x(k1)、x(k-2)…在 满足某种优化判据的条件下，对未来序列^x(k+2) ,^x(k+1)，…进行估计。[21，22]时 间序列法预报由建模、参数估计、最优预报几个步骤组成。接着应用该原理给出 供热负荷和模型误差的预报。负荷预报作为供热系统的设定值，模型误差作为预 测控制的校正量。最后，给出了两种预报方法在供热系统的应用及仿真结果。研
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1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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究结果证明供热控制系统中有两处应用时间序列预报法，即用负荷预报作为预测 控制的设定值，确保系统节能，用预报误差校正预测控制，确保系统的跟踪性。 通过工程应用和仿真，说明时间序列预报法给出的预报是满足供热控制系统需要 的。考虑现实，在应用时间序列预报法时，由上位机作平稳化处理和参数估计， 现场测控器完成实时控制。 实现供热系统的优化运行的目的是提高系统效率，能源损失与浪费的原因五 花八门，但从本质的高度，原因只有一个，那就是不可逆性。不可逆性的定量表 示，就是熵产。熵产降低了在给定环境下能源的可用性，其所降低的值称为火 用耗 损。因此，在技术、经济与环境的客观制约下，与不可逆性斗争，减少熵产、减 少火 用耗损，就是文明用能的指南。
用效率比间接用汽设备的火 用效率要低。针对这 效率都比较高，但直接用汽设备的火
些特点，提出了相应的改进措施。此外，将蒸汽管网水力计算的结果与蒸汽管网 系统的热工测试结果相比较，验证了蒸汽管网水力计算的正确性。 工业锅炉节能的一个有效途径就是对锅炉的运行进行优化设计，通过锅炉的 经济运行提高锅炉效率，从根本上实现节约能源的目的。根据本供热系统的特点， 论文中针对工业锅炉蒸汽供热系统的运行优化问题提出了对今后工作的展望。 关键字：供热系统，热工测试，热平衡，火 用 平衡，水力计算，优化运行