热能量传递研究论文

热能与动力工程专业毕业论文（锅炉专业 锅炉的计算机控制 锅炉微机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软、硬件、自动控制、锅炉节 能等几项技术紧密结合的产物，我国现有中、小型锅炉 30 多万台，每年耗煤量占我国原煤 产量的 1/3，大多数锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染等严重的生产状态。提高热效率， 降低耗煤量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作。 作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、运行，减轻操作人员的劳动 强度。采用微计算机控制，能对锅炉进行过程的自动检测、自动控制等多项功能。 锅炉微机控制系统，一般由以下几部分组成，即由锅炉本体、一次仪表、微机、手自动 切换操作、执行机构及阀、滑差电机等部分组成，一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧 量、转速等量转换成电压、电流等送入微机，手自动切换操作部分，手动时由操作人员手动 控制， 用操作器控制滑差电机及阀等， 自动时对微机发出控制信号经执行部分进行自动操作。 微机对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可靠地运行，除此以外为保 证锅炉运行的安全，在进行微机系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置 常规仪表及报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，这是必不可少的， 以免锅炉发生重大事故。 控制系统： 锅炉是一个较为复杂的调节对象，它不仅调节量多，而且各种量之间相互联系，相互， 相互制约， 锅炉内部的能量转换机理比较复杂， 所以要对锅炉建立一个较为理想的数学模型 比较困难。为此，把锅炉系统作了简化处理，化分为三个相对独立的调节系统。 当然在某 些系统中还可以细分出其它系统如一次风量控制回路，但是其主要是以下三个部分： 炉膛负压为主调量的特殊燃烧自动调节系统 锅炉燃烧过程有三个任务：给煤控制，给风控制，炉膛负压控制。保持煤气与空气比例 使空气过剩系数在 左右、燃烧过程的经济性、维持炉膛负压，所以锅炉燃烧过程的自 动调节是一个复杂的。对于 3× 锅炉来说燃烧放散高炉煤气，要求是最大限度地利用放 散的高炉煤气，故可按锅炉的最大出力运行，对蒸汽压力不做严格要求；燃烧的经济性也不 做较高的要求。这样锅炉燃烧过程的自动调节简化为炉膛负压为主参数的定煤气流量调节。 炉膛负压 Pf 的大小受引风量、鼓风量与煤气量（压力）三者的影响。炉膛负压太小， 炉膛向外喷火和外泄漏高炉煤气， 危及设备与运行人员的安全。 负压太大， 炉膛漏风量增加， 排烟损失增加，引风机电耗增加。根据多年的人工手动调节摸索， 锅炉的 Pf=100Pa 来进行设计。调节是初始状态先由人工调节空气与煤气比例，达到理想的燃烧状态，在引风 机全开时达到炉膛负压 100Pa，投入自动后，只调节煤气蝶阀，使压力波动下的高炉煤气流 量趋于初始状态的煤气流量，来保持燃烧中高炉煤气与空气比例达到最佳状态。 锅炉水位调节单元 汽包水位是锅炉安全运行的重要参数，水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严 重时会导致蒸汽带水增多，增加在管壁上的结垢和影响蒸汽质量。水位过低，则会破坏水循 环，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，损坏汽包。所以其值过高过低都可能造成重 大事故。它的被调量是汽包水位，而调节量则是给水流量，通过对给水流量的调节, 使汽包 内部的物料达到动态平衡， 变化在允许范围之内， 由于锅炉汽包水位对蒸气流量和给水流量 变化的响应呈积极特性。但是在负荷(蒸气流量)急剧增加时，表现却为"逆响应特性"，即所 谓的"虚假水位"，造成这一原因是由于负荷增加时，导致汽包压力下降，使汽包内水的沸点 温度下降，水的沸腾突然加剧，形成大量汽泡，而使水位抬高。 汽包水位控制系统，实质 上是维持锅炉进出水量平衡的系统。 它是以水位作为水量平衡与否的控制指标， 通过调整进 水量的多少来达到进出平衡， 将汽包水位维持在汽水分离界面最大的汽包中位线附近， 以提 高锅炉的蒸发效率，保证生产安全。由于锅炉水位系统是一个设有自平衡能力的被控对象， 运行中存在虚假水位现象，实际中可根据情况采用水位单冲量、水位蒸汽量双重量和水位、 蒸汽量、给水量三冲量的控制系统。 除氧器压力和水位调节：除氧器部分均采用单冲量控制方案，单回路的 PID 调节。 监控管理系统： 以上控制系统一般由 PLC 或其它硬件系统完成控制，而在上位机中要完成以下功能： 实时准确检测锅炉的运行参数：为全面 掌握整个系统的运行工况，监控系统将实时监 测并采集锅炉有关的工艺参数、 电气参数、 以及设备的运行状态等。 系统具有丰富的图形库， 通过组态可将锅炉的设备图形连同相关的运行参数显示在画面上； 除此之外， 还能将参数以 列表或分组等形式显示出来。 综合及时发出控制指令： 监控系统根据监测到的锅炉运行数据， 按照设定好的控制策略， 发出控制指令，调节锅炉系统设备的运行，从而保证锅炉高效、可靠运行。 诊断故障与报警管理：主控中 心可以显示、管理、传送锅炉运行的各种报警信号，从 而使锅炉的安全防爆、安全运行等级大大的提高。同时，对报警的档案管理可使业主对于锅 炉运行的各种、弱点等了如指掌。为保证 锅炉系统安全、可靠地运行，监控系统将根据所 监测的参数进行故障诊断，一旦发生故障，监控系统将及时在操作员屏幕上显示报警点。报 警相关的显示功能使用户定义的显示画面与每个点联系起来，这样，当报警发生时，操作员 可立即访问该报警点的详细信息和按照所推荐采取的应急措施进行处理。 记录运行参数： 监控系统的实时数据库将维护锅炉运行参数的历史记录， 另外监控系统 还。设有专门的报警事件日志，用以记录报警／事件信息和操作员的变化等。历史记录的数 据根据操作人员的要求，系统可以显示为瞬时值，也可以为某一段时间内的平均值。历史记 录的数据可有多种显示方式，例如曲线、特定图形、报表等显示方式；此外历史记录的数据 还可以由以为基础的多种应用软件所应用。 计算运行参数： 锅炉运行的某些运行参数不能够直接测量， 如年运行负荷量、 蒸汽耗量、 补水量、冷凝水返回量、设备的累积运行时间等。监控系统提供了丰富的标准处理算法，根 据所测得的运行参数，将这些导出量计算出来。

一、供热系统消耗能量的环节和评估1．供热系统消耗能量的环节供热系统由热源反热能送达热用户，一般都要经过热制备、转换、输送和用热这几个环节。我国城市集中供热热制备主要来自燃烧化石燃料（煤、油、气）的区域锅炉房和城市热电厂。区域锅炉房的主要耗能设备是锅炉、燃料输送及灰渣清除机械、鼓风机和引风机、水制备和输配系统的水泵（循环水泵、补水泵和加压泵）；它们耗用的能源是燃料、电力、水和热；通常可以用单位供热量的消耗量来评定耗能水平。热电厂是由抽凝式、或背压式（包括恶化真空）供热机组排（抽）汽通过热能转换装置（通常称为首站热交换器）传递给热网系统；首站是供热系统的热源，主要耗能设备是热交换器、输配系统的水泵。它们耗用的能源是蒸汽、电力、水和热；通常可能用单位供热量的消耗量来评定耗能水平。热能输送由热网承担，供热管道由钢管、保温层和保护层组成，其结构依敷设而异。管道敷设有架空、管沟和直埋三种方式。它们的能量消耗是沿途散热的热损失和泄漏的水、热损失。一般可用热网热效率来表示其保温效果和保热程度；热网补水率来表示热网水泄漏的程度。在热网管线上有时还设置中间加压泵，以降低和改善系统水力工况（设置在非空载干线上，还能节省输送电耗），它的能量消耗设备是水泵，可用单位供热量的耗电量来评定耗能水平。 毕业论文 能量转换是通过热力站交换器把一级网的热能传递给二级网，并由它输送到热用户。热力站是二级网的热源，主要耗能设备是热交换器、二级网系统循环水泵和补水泵。它们耗用的能源是一级网高温水/蒸汽、电力、水和热；通常可以用单位供热量的消耗量来评定耗能水平。用热环节即终端系统用热设备。城市集中供热主要是建筑物内的采暖（为简化分析只谈最大热用户）。一般都是通过采暖散热器把热传给房间以保持舒适的室内温度。它的耗能设备是采暖散热器。其能耗量取决于建筑维护结构保温性能、保持的室内温度和外界环境的温度；其耗热量可通过计量进入的循环水量和供、回水温差积分获得。通常以单位供暖面积的耗热量来评定耗能水平。2．系统热耗的估计供热系统从热制备→转换→输送→用热环节的能量进入和输出必须相等，即：输入能量=可用能量+∑能量损失能源利用率=可用能量/输入能量可以这样认为：供热系统是由多个子系统组成。热用户是终端，采暖散热器是终端用热设备。热力站、二级网和终端组成二级网子系统，热力站热交换器成为该子系统的能量转换点，一级网水则为它的热源。锅炉房（或热电厂首站），一级网和热力站组成一级网子系统，热力站是该子系统的热用户，锅炉受热面（或首站热交换器）成为能量转换设备，锅炉（或热电厂流经汽机制蒸汽）是热源。锅炉本体（或热电厂）自成一个子系统，称为热源子系统。若设采暖散热器耗为NO，二级网管路热损失为E1，泄露漏热损失E2，热力站内热损失E3，二级网管路热损失为E4，泄漏热损失E5，锅炉房（首站）内热损失E6。输入能量是燃料热N3，能量损失包括化学不完全燃烧损失E7、固体不完全燃烧损失E7、飞灰热损失E8、灰渣热损失E9，排烟热损失E10、（热电厂还应增加一项；供热分担的厂内热损失E11），输出则是二级网子系统的输入能量N2。 毕业论文 则：一级网子系统的输入热量N1=NO+E1+E2+E3一级网子系统热能利用率B1=100×NO/N1（%）二级网子系统的输入热量 N2=N1+E4+E5+E6二级网子系统热能利用率B2=100×N1/N3（%）热源子系统的输入热量N3=N2+E7+E8+E9+E10（+En）热源子系统热能利用率B3=100×N2/N3即锅炉热效率（热电厂热效率）（%）供热系统热能利用率B=B1×B2×B33．系统电耗的估计系统电耗评估与热能评估一样可以子系统后叠加。系统主要耗电设备有循环水泵、补水泵、鼓风机和引风机等，它们单位供热量的电耗由下式计算：（1）水泵耗电量式中，G……水泵运行流量 m3/h；ΔH……水泵运行扬程 m；η……水泵运行效率%；∑NO……系统供热量； h……有效小时数。（2）风机耗电量可用同一个计算公式。此时式中，G……风机运行风量 h；ΔH……风机运行风压 m；η……风机运行效率（对皮带传动应包括机械传动效率）%；∑NO……系统供热量4．系统泄漏损失的估计系统泄漏损失导致水资源和热能两方面损失。毕业论文 (1) 水资源损失量可认为等于系统补水量BS。若系统运行循环水量为G，则系统补水率P=100×BS/G （%）(2) 系统泄漏热损失由下式计算：单位供热量的泄漏热损失BR=（P×G×ρ×c（t1-t0）/∑NO）式中ρ……水的密度，C……水的比热，t1……供水温度，t0……水源温度二、从供热系统供热现状看节能潜力下面列举一些实例，一是说明供热系统供热现状能耗存在着很大的差别，节能潜力巨大。二是说明经科学技术来改进和完善的系统，节能效果显著。1．1993年北京对住宅供暖煤耗进行抽查，结果是煤耗差别很大；数据如表2-1；1993年北京住宅供暖煤耗情况统计 表2-1单位供暖面积煤耗（kg/m2）22253139占全市最单位的百分数（%）5204530与全市煤耗平均值比较（%）说明：H煤发热量为毕业论文 全市煤耗平均值为 Kg /m2。2．沈阳惠天热电有限公司沈海热网（原沈阳第二热力公司）应用微机监控，节能可观：该公司于1993年12月7日对33个微机监控的热力站统计，采暖平均热指标为·m2，而无微机监控的热力站统计，采暖平均热指标为42 Kcal/h·m2。这说明采用微机监控，实施科学运行，消除系统失调，可节能15%左右。3．山东省荣成市供热公司安装自力式平衡阀，即节能又增收：该公司文化站（热力站）是以热电厂蒸汽为热源的一个热力站。供热面积12万平方米，分东、南、西北三条支线，连接91热用户。1997年在供水或回水管上共安装73台自力式流量控制器（除末端和压差较小的引入口不设置外，占全部热用户的80%），使热网系统水力工况大为改善；原来三条支线的供回水温差分别为东区℃、南区℃、西北区℃，现在的供回水一样，都是13℃，实现了水力平衡；经调整后的单位供热面积循环水量在2-3公斤/小时，大多数在公斤/小时，达到设计要求；在与去年蒸汽用量持平的情况下，增加供热面积1万平方米，增收用户热费达万元。只运行一强45KW的水泵（原来是二台30KW的水泵），节约循环水泵电费约70万元。说明二级热网改善，解决水平失调，就可节约热能8%，循环水泵电功率减少25%。毕业论文 ．山东省烟台技术开发区热力公司发现架空和地沟敷设管道的热损失很大：该公司于去年冬天对热力管道保温状况进行测定。发现热网效率低于90%，其中架空和地沟热损失占，其保温效果远不如直埋敷设。经初步整理的结果如表2-2。三种敷设方式管道保温状况实测数据表 2-2敷设方式架空地沟直埋管道外径（mm）820820529测点间距（m）3552133．52647保温材料/厚度（mm）海泡石/20岩棉/68聚氨脂/50实测流量（m3/h）22281364→→管壁温度（℃）→→→单位面积热损失（W/m2）85057292沿途温度降（m2/km）说明：实测时间：. 实测时室外温度：3-4℃ 毕业论文 ．山东省烟台市民生小区计量收费改造试验有效果：1997年在建设部城建司的指导下，美国霍尼韦尔公司与烟台市合作在烟台市民生小区建立示范点进行计量收费的实验。试验有单管式和双管式系统，并有相应的对比楼。试验楼内采暖系统入口都安装热量计、散热器前都设温控阀；入口的自力式压差控制阀、立管的平衡阀、散热器回水支管制流量表、散热器上的热分配器按不同方案设置、对比楼内只在采暖系统入口安装热量计。根据一个冬季运行的数据表明，没有过热和地冷现象，用户满意，能耗都低于对比楼，节能率。三、供热系统能耗悬殊的原因分析1．设备效率的不同¨锅炉热效率是衡量热源子系统热能利用率的指标。体现燃料热被有效利用的程度。，燃煤供热锅炉的设计热效率（≥7MW）一般在75-85 %（燃油、汽供热锅炉热效率在90%左右）。但在使用时，由于锅炉结构、燃料供应、技术水平、管理水平、人员素质等方面不同的原因，使锅炉的运行效率差别很大。好的，能达到设计热效率，保证锅炉出力。差的，燃烧不完全、排烟温度高、各项热损失大，热效率不及50%，锅炉出力大帐降低；导致能源浪费，大气环境污染增加。¨风机、水泵效率是电能转化为有用功的份额，体现电能被有效利用的程度：目前，风机、水泵效率一般在55-75%。它们的流（风）量和扬程（压头）的选择与配置是十分重要的，选择与配置得当，装机电功率合适，运行工作点处于设备高效率区域，电耗少。选择与配置不当（一般是偏大），装机电功率偏大，运行工作点偏离设备高效率区域，则电耗多，两者的相差可达10-30%。不仅如此，锅炉的鼓、引风机配置不当，还会导致锅炉热效率下降。循环水泵配置不当，还会系统水力工况。 毕业论文 风机是热源子系统的主要附属设备，水泵是热网（一级和二级）网子系统的主要设备。其电耗大小，不但对电资源有影响，也对运行成本有显著影响。由于城市集中供热热负荷有随气候及用热变化的特点，设置变速风机和水泵已在并被实践证明可以进一步节能。2．输送条件的不同：¨热网热效率是输送过程保热程度的指标，体现管道保温结构的效果。一般热网热效率应大于90-95%。从上面实测情况看，直埋敷设管道能达到这一要求；而架空和管沟都达不互要求，其热损失远大于10%。如果地沟积水，管道泡水，保温性能遭破坏，其热损失甚至大于裸管。这一广泛存在于早期建设的热网。¨热网补水率可近似认为（忽略水热胀冷缩的补充）是输送过程失水的指标。目前，热网（特别是二级网）运行补水率差别很大，在范围变化。正常情况下，应在2%左右；好的，补水率可在1%以下；差的，管道泄漏和用户放（偷）水严重，补水率可达10%左右。系统泄漏丢失的热水，补充的是比回水低得多的冷水（一般是10-15℃），要把它加热到供水温度至少是循环水的三倍（二级网运行供水温度一般为55-85℃，回水温度40-60℃）。这就是说，系统补水不仅是水耗问题，热耗是更大的问题。例如：补水率1%，即相当于减少至少3%的供热量；补水率10%，则相当减少至少30%的供热质量，其差别多大呀！ 毕业论文 ．运行技术水平的不同：¨热网水力失调度是流量分配不均程度的指标：按用户热负荷分配流量，使每个用户室温达到一致且满足要求，则失调度为1，即热网无水力的失调，若分配不当，出现冷，热不均现象，说明有水力失调，其失调度是大于或小于1。大于1，会把用户室温过高，导致热量浪费，小于1，会使用户室温达不到要求，供热不合格是不允许的。为解决失调问题，正确的做法应该是改进和完善热网，如在终端设置自力式流量平衡阀或其它有效措施；但至今仍然有大量的系统工程不同程度地采用'大流量小温差'来缓和这一问题。其实，'大流量小温差'运行并不减少供热量的热损失，而且带来循环水泵电耗的在幅度增加和热源供热量的增大（电耗与流量、扬程成正比；在管网不变条件下，电功率随流量的三次方变化）。实例说明，解决水力失失调，系统在设计流量下运行，能挖出8-15%的供热量。¨科学运行调度实施按需供热，实现设备长期在高效率区间运行：做到这一点，供热能耗就会降低，违背这一点的，供热能耗就会升高。下面仅举几例说明：☆根据实际情况，制订调节方式：目前，一般采用质调节。有些系统条用质、量并调，在初、末寒期适当减少循环不泵运行台数，就明显降低电耗。国外普遍采用量调节，其原因是：①量调节的循环水泵电耗最少。从上说，在管道尺寸已经确定的情况下，减少流量和降低电耗是三次方关第。如流量减少30%，电功率节省，对于多数地区一长段时间用70%左右的流量运行，年减少电耗40%左右是不成问题的。这是一个十分可观的节能数字。②量调节对用户用热量变化的响应比质调节快得多，质调节的温度变化从热源到用户的传递是以流速进行，管道中水流速为1至2米/秒，传送到1公里远的用户需要的时间是8分20秒-16分50秒，如果传送到10公里远的用户就需要小时；如果水流速低，传递时间将增加。而量调节是以声速传递，其响应几乎是同步的，因此，一级网采用量调节是发展趋势。量调节应采用变速循环水泵，采用阀门节流的量调节运行，省电很少。 毕业论文 按照室外温度绘制运行负荷图、温度图、流量图甚至时间图，并以它们指导运行。这样可以避免初、末寒期供大于需，浪费能量。☆热源的容量和台数是由设计人员根据设计负荷、最大负荷、最小负荷和平均负荷的大小而确定的。运行时应根据热负荷的大小选择投入台数，这是因为锅炉热效率是随运行负荷变化的，一般地说，每台都维持在80%以上负荷能获得高效率运行。低负荷运行效率降低，这里有10%以上的节能潜力。☆设置热源和热网的微机监控系统，可实行最优化的运行调节和控制，实践已说明是目前实现运行节能的有效技术措施。4．管理体制和水平的不同：¨供热单位正处于体制转轨过渡时期，自我经营、自我改造和自我发展的思想和能力有差别：在供热从福利变为商品、经营单位从事业机构转变以的期间，有的已经成为自负盈亏的企业（包括承包的），为质量保证和效益驱动，在上级主管部门支持下积极以科学技术改进和完善系统，以高质量商品供给用户，以减少能耗来降低成本和提高经济效益。有耕耘就会有收获，因而能源利用率逐年提高。有的还停滞不前留原来的位置，热费收不上、效益谈不上、改造无资金；老系统、老设备、老，于是，能耗就居高不下，能源利用率也就居高不下毕业论文 ¨供热单位管理水平的不同显著影响能耗：人员和技术管理、系统和设备的检查、保养、维修和改造更新，……等差别对能耗影响是不言而喻的。例如，链条炉采用分层燃烧技术，就能改善燃烧提高热效率，保护和保持管道无泄漏和保温结构完好，就能减少大量能源浪费；严格水处理和保持水质，维持转换设备传热表面清洁，就能减少传热热阻、提高设备传热效率；对用户实行计量收费，就能刺激用户节能的积极性；……等等。不一一列举。四、依靠科学技术提高供热热源利用率1．利用科学技术提高能源利用率：所谓'节能潜力'是预测一定时期内，耗能系统和设备的各个环节，利用当前科学技术，采取技术上可行、经济上合理、优化系统和设备以及用户能接受的措施后，可取得的节能效益（减少能耗量或降低能耗率）。也就是说，预测通过技术改造和用户可接受的有效措施后，可取得的系统能源利用效率提高的程度。2．与先进评估指标的差距体现节能的潜力：节能的潜力是通过分析对比得出的。目标是反各个耗能环节现有的耗能指标提高到先进水平，其运行评估指标的变化量则体现了节能潜力。因此，其潜力大小于对比对象和自身的基础有关，所以，各单位、各系统的潜力是不可能完全相同的。毕业论文 各环节欲追求的先进评估指标可以选用：①上最好的水平；②国内先进水平；③全国平均水平；④国际先进水平；⑤理论上能达到的最高水平。而且，随着节能科学技术的发展，系统和设备的不断进步和完善，选择先进的评估指标也会不断变化。3．寻找能耗差距，制订可行措施，挖掘节能潜力：每个供热低位要定期检测评估各耗能环节的能耗指标，对比先进指标寻找能耗差距，分析能耗差别的原因，结合实际情况，研究和提出为实现先进指标的可行（包括技术和管理等方面）方案，经技术经济论证认为技术可行且经济合理后才能（分期或一次）实施。实施后，在运行中再检验是否达到预测的应挖掘的节能潜力和经济效益。