智能PH值控制排汙速度的鍋爐系統的製作方法

2023-05-20 00:57:16

本發明屬於自動控制鍋爐領域，屬於f22領域。

背景技術：

蒸汽鍋爐在運行中，隨著蒸汽的產出，鍋水被濃縮。當鹽濃度升高到一定程度時，鍋水會產生泡沫，發生汽水共騰，蒸汽大量帶水，並造成嚴重的虛假水位，使爐況控制不穩。因此必須控制鍋水的含鹽濃度，確保蒸汽質量及鍋爐運行安全。

我國對工業鍋爐水質有國家標準，例如在gb1576-2001中，對壓力為1.6～2.5mpa、帶過熱器的蒸汽鍋爐，規定鍋水的溶解固形物濃度(tds)不得超過2500mg/l。其中，溶解固形物可近似認為是鍋水含鹽量。

控制鍋水含鹽量的主要方法是，在運行中隨著蒸汽的產出，採用表面排汙的辦法，在鍋筒蒸發麵的下側排出一部分鹽濃度高的鍋水，並相應補充鹽濃度低的補給水，實現對鍋水鹽濃度的稀釋。如果排汙量不足，鍋水的鹽濃度會越來越高；反之，若排汙量過大，則因排出的是含有大量熱能的鍋水，會造成能量損失和軟水資源的浪費。節能減排的最優方案是以最小的排汙量，控制鍋爐水質達標，確保安全運行，提高熱效率。

國內大多數工業鍋爐採用人工定時(每班一次或幾次)打開或關閉排汙閥。這種傳統的排汙方法無法實現排汙量的按需控制。面對蒸汽流量的變化，一般只能按最大的可能蒸發量超量排放，造成能源浪費。即使如此，在負荷變化大時仍難保證鍋水一定合格。

為實現按需自動排汙，國內外都在研究自動控制方法。例如201510601501x按照鍋爐的汽水比進行自動排汙，但是目前現有的排汙方法都是某一參數達到一定程度，自動打開排汙閥，當某一參數降到某一低限時，關閉排汙閥。這種間歇自動排汙方法雖比人工定時排汙有所改進，但含鹽量始終在高、低限區間內上下波動，而且因為數據控制的滯後性，仍有一定的過量排放或者排放不足，不是最優的排汙控制方案。

針對上述的缺陷，本發明提供了一種新的智能控制的排汙的鍋爐系統。

技術實現要素：

本發明通過實時監控鍋爐汽包的ph值，根據ph值的大小，自動計算鍋爐的排汙量，根據排汙量來調整排汙時間和排汙速度。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種鍋爐系統，包括監控診斷控制器和鍋爐，所述鍋爐包括設置在鍋爐汽包下端的排汙管，排汙管上設置排汙閥，排汙閥一端連接閥門調節裝置，閥門調節裝置與監控診斷控制器進行數據連接，以便將閥門開度數據傳遞給監控診斷控制器，同時從監控診斷控制器接受指令，調節排汙閥的開度；

所述汽包還包括水質分析儀，所述水質分析儀包括ph值測試單元，以測量汽包內的水的ph值，所述水質分析儀與監控診斷控制器進行數據連接，以便接受測量的ph數據；

所述鍋爐定期進行排汙，排汙時間保持不變，所述中央診斷監控器根據測量的ph值自動設定排汙速度，從而自動控制排汙量。

作為優選，開始定期進行排汙時，如果監控診斷控制器檢測的ph值小於上限數值，則監控診斷控制器通過閥門調節裝置關閉排汙閥；如果監控診斷控制器檢測的鹼度值大於上限數值，所述中央診斷監控器根據ph值自動設定排汙量。

作為優選，如果排汙後，監控診斷控制器檢測的ph值依然大於上限數值，則鍋爐發出報警信號。

作為優選，隨著ph值的增加，排汙時間不斷增加，而且隨著ph值的增加，排汙時間不斷增加的幅度越來越小。

作為優選，排汙量控制方式如下：

中央診斷監控器存入基準數據ph值j和排汙時間t、排汙速度v，是汽包內水的ph值為j時滿足要求的排汙量v*t，

則ph值變為j的時候，排汙時間t和排汙速度v滿足如下要求：

t保持基準時間t不變，排汙速度變化如下：

v/v=e*ln（（j-j標準）/(j-j標準)）+f,其中e,f為參數，

（j-j標準）/(j-j標準)<1,1.03<e<1.0352，1.01<f1,1.0352<e<1.04；1.0<f<0.99;

上述的公式中需要滿足如下條件：0.85<（j-j標準）/(j-j標準)<1.15；

上述公式中，排汙速度v，v是排出的汙水速度，單位為m/s,排汙時間t,t的單位為s。

作為優選，j標準為10-11。

作為優選，（j-j標準）/(j-j標準)1,e=1.0379,f=0.9983。

作為優選，（j-j標準）/(j-j標準)1,隨著j/j增加e越來越大，f越來越小。

與現有技術相比較，本發明的鍋爐系統具有如下的優點：

1）本發明通過實時監控每臺鍋爐的汽包水的ph數據，自動計算鍋爐的排汙量，在排汙時間保持不變的情況下，根據排汙量來調整排汙速度。本發明因為是自動計算排汙量，與現有技術相比，減少滯後性，能夠實現最優的排汙控制。

2）本發明將基準數據存入控制器中，控制器根據ph數據自動計算排汙數量，此數量會大大降低因為閥門調節而帶來的滯後性誤差。

3）本發明的鍋爐還具有自動修正功能。根據檢測的水質排汙情況自動修正基準數據，保證調控的準確性。

4）本發明在上升管內設置孔的內換熱裝置，通過內換熱裝置將兩相流體分離成液相和汽相，將液相分割成小液團，將汽相分割成小氣泡，促使汽相順暢流動，起到穩定流量的作用，具有減振降噪的效果，而且本發明通過設置分切換熱裝置，相當於在上升管內增加了內面積，強化了換熱，提高了換熱效果。

附圖說明

圖1是本發明排汙系統自動控制的示意圖；

圖2是本發明內置部件一個實施例的主視結構示意圖；

圖3是本發明內置部件在上升管內布置示意圖；

圖4是是本發明內置部件在上升管內布置的另一個示意圖；

圖5是本發明控制的流程示意圖。

1汽包，2輸水管，3流量計，4壓力計，5溫度計，6水質分析儀，7閥門調節裝置，8排汙閥，9蒸汽管，10排汙管，11流量計,12中央監控診斷控制器，13上升管，14內置部件，15孔，16流量計。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。

本文中，如果沒有特殊說明，涉及公式的，「/」表示除法，「×」、「*」表示乘法。

如圖1所示，一種鍋爐熱力系統，所述鍋爐熱力系統包括至少一臺鍋爐，用於產生蒸汽，所述鍋爐與監控診斷控制器12進行數據連接，以便對鍋爐的運行進行監控。

如圖1所示，所述鍋爐包括自動控制排汙系統，所述鍋爐定期進行排汙，所述自動控制排汙系統根據鍋爐汽包內水的ph值進行自動控制。具體控制系統如下：

如圖1所示，所述鍋爐包括設置在蒸汽出口管路9上的流量計3、壓力計4和溫度計5，用於測量輸出蒸汽的流速、壓力和溫度。所述流量計3、壓力計4和溫度計5分別與監控診斷控制器12進行數據連接，以便將測量的數據傳遞給監控診斷控制器12，在監控診斷控制器中根據測量的蒸汽溫度、壓力、流速計算單位時間的蒸汽質量。

所述鍋爐包括設置在鍋爐汽包1下端的排汙管，排汙管上設置排汙閥8，排汙閥8一端連接閥門調節裝置7，閥門調節裝置7與監控診斷控制器12進行數據連接，以便將閥門開度數據傳遞給（包括開度大小、開閉時間和開閉狀態等）監控診斷控制器12，同時從監控診斷控制器12接受指令，調節排汙閥8的打開、關閉和開度大小。

所述汽包還包括水質分析儀6，所述水質分析儀包括ph值測試單元，以測量汽包內的水的ph值，所述水質分析儀與監控診斷控制器進行數據連接，以便接受測量的ph數據。

所述排汙管上進一步包括流量計11，測量排汙的流量。所述流量計11與監控診斷控制器12進行數據連接，以便將數據傳遞給監控診斷控制器12。監控診斷控制器12根據流量計算出單位時間的排汙量，從而計算出單位時間排汙質量。排汙質量可以採用經驗的排汙水的密度來計算，也可以通過測量排汙水溫度（需要總排汙管上設置溫度傳感器，測量排汙水的溫度）來具體調用控制器12中存儲的數據來計算。

所述鍋爐的總進水管2（包括回水和補水）上設置流量計16，用於檢測進入鍋爐中的水的流量，所述流量計16與監控診斷控制器12進行數據連接，以便將測量的數據傳遞給監控診斷控制器12，監控診斷控制器12根據測量的流量計算單位時間進入鍋爐的水的流量，從而計算出單位時間進入鍋爐的水的質量。水的質量可以採用水的密度來計算，也可以通過測量水的溫度（需要總進水管2設置溫度傳感器，測量水的溫度）來具體調用控制器12中存儲的數據來計算。

當然，進入鍋爐的水是循環回水管和補水管兩者的水量總和。作為優選，可以在補水管和循環水管上分別設置與監控診斷控制器12數據連接的流量計，通過計算兩者流量之和，從而計算單位時間進入鍋爐總的水量。本發明可以採用多種控制策略來控制排汙量。

所述鍋爐定期進行排汙，所述中央診斷監控器根據檢測的ph數據自動設定排汙量。

所述排汙量通過排汙速度和排汙時間來計算，即排汙量=排汙速度*排汙時間。所述排汙速度優選是前面所述的單位時間排汙質量，通過流量計11來檢測，所述排汙時間通過控制閥門8打開的時間來計算。

控制策略如下：

開始定期進行排汙時，監控診斷控制器12檢測的ph的數值小於下限值，則表明不需要排汙，因此監控診斷控制器12通過閥門調節裝置7關閉排汙閥8（如果排汙閥關閉，直接保持排汙閥關閉狀態）。通過上述操作，可以避免排汙過大，造成能源的浪費。如果檢測的ph值大於上限值，則表明需要排汙，可能會影響鍋爐的壽命，所述中央診斷監控器12根據蒸汽質量與輸入鍋爐的水的質量之間的比值自動設定排汙量。

如果排汙後，監控診斷控制器12檢測的ph值依然大於上限數值，則鍋爐發出提示信號。

作為優選，隨著ph值的增加，排汙量不斷增加，而且隨著ph值的增加，排汙量不斷增加的幅度越來越小。

在研究中發現，隨著檢測的汽包ph值的增加，排汙量也要增加，而且增加的幅度越來越小，需要說明的是，此變化規律是本申請人通過大量的研究首先發現，並根據其規律進行的改進，並不是本領域的容易想到的，屬於本發明的一個發明點。通過上述排汙量增加幅度與ph值的關係的變化，能夠與實際情況排汙量相對應，儘快的提高排汙效率，避免熱量損失。

在實際研究中發現，ph值和排汙量之間需要有一個最佳的關係，如果汽包ph值過大，則排汙量必然也要求大，否則達不到排汙效果。汽包ph值小，則排汙量也要求小，否則造成熱量的浪費。因此排汙量不能過大也不能過小，過大會導致熱量損失，過小會導致排汙效果不好。因此需要準確確定合適排汙量的大小。本發明通過大量的數值計算和實驗研究，得出了最佳的ph值和排汙量之間的關係。

中央診斷監控器12存入基準數據：ph值j和排汙時間t、排汙速度v（即排汙水流速），是鍋爐汽包ph值為j情況下，排汙量v*t滿足排汙要求。

基準數據表示滿足一定排汙條件的數據。例如可以是滿足達到一定範圍內的水質要求，或者達到一定水質情況下要求最少排汙量等。

如果ph值變為j的時候，排汙時間t和排汙速度v滿足如下三種不同的運行模式之一：

第一模式：v保持基準速度v不變，排汙時間變化如下：

t/t=c*ln（（j-j標準）/(j-j標準)）+d,其中c，d為參數，1.04<c<1.05，0.99<d<1.01；

（j-j標準）/(j-j標準)<1,1.04<c<1.0457，1.01<d1,1.0457<c<1.05；1.0<d<0.99;優選，c=1.0483,d=0.9985;

優選隨著（j-j標準）/(j-j標準)增加，c越來越大，d越來越小；

第二模式：t保持基準時間t不變，排汙速度變化如下：

v/v=e*ln（（j-j標準）/(j-j標準)）+f,其中e,f為參數，1.03<e<1.04,0.99<f<1.01;

（j-j標準）/(j-j標準)<1,1.03<e<1.0352，1.01<f1,1.0352<e<1.04；1.0<f<0.99;優選，e=1.0379,f=0.9983;

優選隨著（j-j標準）/(j-j標準)增加，e越來越大，f越來越小；

第三模式：v和t可變，排汙時間和排汙速度的關係如下：

(v*t)/(v*t)=a*ln（（j-j標準）/(j-j標準)）+b,a,b為參數，滿足如下公式：

（j-j標準）/(j-j標準)<1,1.040<a<1.047，1.0<b1,1.047<a<1.05；0.992<b<1；

作為優選，（j-j標準）/(j-j標準)1,a=1.049,b=1.003。

作為優選，（j-j標準）/(j-j標準)1,隨著j/j增加，a越來越大，b越來越小。

其中j標準為滿足鍋爐正常運行要求的ph數值，優選可以是滿足要求的ph上限值。j標準優選為10-11，進一步優選為10.5。

在上述三種模式的公式中需要滿足如下條件：0.85<＝（j-j標準）/(j-j標準)<＝1.15；

上述公式中，排汙速度v，v是排出的汙水速度，單位為m/s,排汙時間t,t的單位為s。

所述的基準數據存儲在中央診斷監控器12中。

作為優選，中央診斷監控器12存儲多組基準數據。

作為優選，當滿足多組基準數據時，第一模式選取（1－t/t）2的值最小的一組t；當然也可以選擇第一組滿足要求的t，也可以從滿足條件的t中隨機選擇一組；

作為優選，當滿足多組基準數據時，第二模式選取（1－v/v）2的值最小的一組v；當然也可以選擇第一組滿足要求的v，也可以從滿足條件的v中隨機選擇一組；

優選的，第三模式選取（（1－v/v）2+（1－t/t）2）的值最小的一組v和t；當然也可以選擇第一組滿足要求的v和t，也可以從滿足條件的v和t中隨機選擇一組；

在實際應用中，可編程控制器中存儲多組基準數據，然後中央診斷監控器12根據檢測的ph值數據，在滿足0.85<＝（j-j標準）/(j-j標準)<＝1.15情況下，在自動選擇合適的基準數據作為依據。

優選的，當出現兩組或者多組基準數據情況下，可以提供用戶選擇的基準數據的界面、優選的，系統可以自動選擇（（1－v/v）2+（1－t/t）2）的值最小的一個。

所述三種模式可以只存儲一種在可編程控制器中，也可以存儲兩種或者三種在可編程控制器中。

作為優選，所述鍋爐還具有修正功能。作為優選，當需要進行定期排汙時，如果排汙量沒有達到自動計算的排汙量，此時監控診斷控制器12檢測的ph值符合水質要求，則監控診斷控制器12控制排汙閥關閉，如果此時排汙量少於基準排汙量（即v*t）一定誤差，例如優選5％，則監控診斷控制器12自動將新的排汙時間、排汙速度和ph值作為基準數據存儲在監控診斷控制器12。

如果排汙量達到基準排汙量，但是排汙水質沒有符合要求，則監控診斷控制器12控制排汙閥繼續排汙，直到監控診斷控制器12檢測的水質符合水質要求，則監控診斷控制器12控制排汙閥關閉，如果此時排汙量大於基準排汙量（即v*t）一定誤差，例如優選5％，則監控診斷控制器12自動將新的排汙時間、排汙速度和ph值作為基準數據存儲在監控診斷控制器12。

上述的修正功能可以定期進行，也可以在運行中自動進行。

作為優選，存儲的新的基準數據的優先級要高於以前的基準數據。

作為優選，存儲上新的基準數據後，以前的基準數據自動刪除。

所述汽包連接上升管13，所述上升管13內設置間隔設置有多個分切換熱部件14，所述分切換熱部件14如圖2、3所示，所述分切換熱部件14是沿著上升管13高度方向延伸的一體化結構件，所述分切換熱部件上設置有若干數量的孔15，所述孔15在上升管高度方向貫通分切換熱部件。

上升管的流體在向上過程中，一般是汽液兩相流，從而使得上升管內的流體是汽液混合物，汽液兩相流的存在使得影響了上升管吸熱的效率。另一方面，從上升管出口到上鍋筒這一段，因為這一段的空間突然變大，空間的變化會導致氣體的快速向上流出和聚集，因此空間變化會導致聚集的汽相（汽團）從上升管位置進入上鍋筒，由於氣（汽）液密度差，氣團離開接管位置將迅速向上運動，而氣團原空間位置被氣團推離壁面的液體同時也將迅速回彈並撞擊壁面，形成撞擊現象。氣（汽）液相越不連續，氣團聚集越大，撞擊能量越大。撞擊現象會造成較大的噪聲震動和機械衝擊，對設備造成破壞。

本發明在上升管內設置分切換熱部件，通過分切換熱部件將兩相流體中的液相和汽相進行分離，將液相分割成小液團，將汽相分割成小氣泡，避免液相和汽相的完全分開，促使液相汽相順暢流動，起到穩定流量的作用，具有減振降噪的效果。

本發明通過設置分切換熱部件，相當於在上升管13內增加了內換熱面積，強化了換熱，提高了換熱效果。

本發明因為將汽液兩相在上升管13的所有橫截面位置進行了分割，從而在整個上升管截面上實現汽液界面以及汽相邊界層的分割與冷卻壁面的接觸面積並增強擾動，大大的降低了噪音和震動，強化了傳熱。

作為優選，相鄰孔15之間設置小孔實現貫通。通過設置小孔，可以保證相鄰的孔之間互相連通，能夠均勻孔之間的壓力，使得高壓流道的流體流向低壓，同時也可以在流體流動的同時進一步分隔液相和汽相，有利於進一步穩定兩相流動。

作為優選，沿著上升管13內流體的流動方向（即圖4的高度方向），上升管13內設置多個分切換熱部件14，從上升管的入口到上升管的出口，相鄰分切換熱部件之間的距離越來越短。設距離上升管入口的距離為h，相鄰分切換熱部件之間的間距為s，s=f1(h)，即s是以距離h為變量的函數，s』是s的一次導數，滿足如下要求：

s』0;

通過實驗發現，通過如此設置，能夠進一步降低9％左右的震動和噪音，同時提高7％左右的換熱效果。

作為優選，每個分切換熱部件14的長度保持不變。

作為優選，除了相鄰的分切換熱部件14之間的距離外，分切換熱部件其它的參數（例如長度、管徑等）保持不變。

作為優選，沿著上升管內流體的流動方向（流體向上部方向流動），上升管內設置多個分切換熱部件14，從上升管的入口到上升管的出口，分切換熱部件14的長度越來越長。即分切換熱部件的長度為c，c=f2(x)，c』是c的一次導數，滿足如下要求：

c』>0;

進一步優選，從上升管的入口到上升管的出口，分切換熱部件的長度越來越長的幅度不斷增加。即c」是c的二次導數，滿足如下要求：

c」>0;

具體理由如相鄰分切換熱部件之間的距離的變化相同。

作為優選，相鄰分切換熱部件之間的距離保持不變。

作為優選，除了分切換熱部件的長度外，分切換熱部件其它的參數（例如相鄰的間距、管徑等）保持不變。

作為優選，沿著上升管內流體的流動方向（即沿著上升管延伸方向），上升管內設置多個分切換熱部件，從上升管的入口到上升管的出口，不同分切換熱部件14內的孔15的直徑越來越小。即分切換熱部件的孔直徑為d，d=f3(x)，d』是d的一次導數，滿足如下要求：

d』0。

具體理由如相鄰分切換熱部件之間的距離的變化相同。

作為優選，分切換熱部件的長度和相鄰分切換熱部件的距離保持不變。

作為優選，除了分切換熱部件的孔直徑外，分切換熱部件其它的參數（例如長度、相鄰分切換熱部件之間的距離等）保持不變。

進一步優選，如圖4所示，所述上升管內部設置凹槽，所述分切換熱部件14的外壁設置在凹槽內。

進一步優選，如圖4所示，上升管為多段結構焊接而成，多段結構的連接處設置分切換熱部件14。這種方式使得設置分切換熱部件的上升管的製造簡單，成本降低。

通過分析以及實驗得知，分切換熱部件之間的間距不能過大，過大的話導致減震降噪的效果不好，同時也不能過小，過小的話導致阻力過大，同理，孔的外徑也不能過大或者過小，也會導致減震降噪的效果不好或者阻力過大，因此本發明通過大量的實驗，在優先滿足正常的流動阻力（總承壓為2.5mpa以下，或者單根上升管的沿程阻力小於等於5pa/m）的情況下，使得減震降噪達到最優化，整理了各個參數最佳的關係。

所述孔是圓形，作為優選，相鄰分切換熱部件之間的距離為j，分切換熱部件的長度為l，上升管的內徑為m，孔的半徑為a，相鄰的孔圓心之間的距離b，滿足如下要求：

j/l＝f-g*ln(m/（2*a）)；

b/（2*a）=h*(m/（2*a）)-i*(m/（2*a）)2-e

其中ln是對數函數，f,g，h，i，e是參數，其中3.0<f<3.5,0.5<g<0.6；2.9<h<3.1,0.33<i<0.37,4.8<e<5.3；

其中分切換熱部件的間距j是以相鄰分切換熱部件相對的兩端之間的距離；即前面分切換熱部件的尾端與後面分切換熱部件的前端之間的距離。具體參見圖3的標識。

34<m<58mm；

4<a<6mm;

17<l<25mm；

32<j<40mm；

1.05<b/（2*a）<1.25。

作為優選，f=3.20，g＝0.54，h=3.03,i=0.35,e=5.12。

作為優選，上升管長度為3000－8500mm之間。進一步優選，4500－5500mm之間。

進一步優選，40mm<m<50mm；

9mm<2a<10mm;

22mm<l<24mm；

35mm<j<38mm。

通過上述公式的最佳的幾何尺度的優選，能夠實現滿足正常的流動阻力條件下，減震降噪達到最佳效果。

進一步優選，隨著m/a的增加，f不斷減小，g不斷的增加。

對於其他的參數，例如管壁、殼體壁厚等參數按照正常的標準設置即可。

作為優選，孔15在分切換熱部件14的整個長度方向延伸。即孔15的長度等於分切換熱部件14的長度。

作為優選，在上升管與水平面形成的夾角為c情況下，可以增加修正係數k對數據進行修正，即

k*j/l＝f-g*ln(m/（2*a）)；k=1/sin(c)d，其中0.09<d<0.11，優選d=0.10。

20°<c<80°，優選為40－60°。

雖然本發明已以較佳實施例披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為準。