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  • 回轉式空氣預熱器內熱力參數在線顯示系統探討

    論文價格:150元/篇 論文用途:碩士畢業論文 Master Thesis 編輯:碩博論文網 點擊次數:
    論文字數:42522 論文編號:sb2022052817211647979 日期:2022-06-07 來源:碩博論文網

    本文是一篇工程碩士論文,本文利用軟測量的方法開發了一套回轉式空氣預熱器內熱力參數在線顯示系統,該系統能夠對回轉式空氣預熱器內的積灰狀況進行判斷,進而指導操作人員進行吹灰操作,確保設備穩定高效地運行。
    第一章  緒論
    1.1 研究背景
    能源對一個國家的發展至關重要,我國能否持續、穩定、綠色的發展,還得解決好能源的問題。如今世界面臨著石油時代向低碳時代的轉型[1],能源問題受到各國重視。全球各國為應對這一問題,將目光轉向了可再生能源的利用?!禕P 世界能源統計年鑒》分析中提到,2019 年一次能源消費增速不及上一年增速的一半,而可再生能源增速高于其他各類能源,增量占據全球一次能源增量的 41%,創下歷史新高[2]。2020 年初以來,全球許多行業受到疫情影響,這使得 2020 年的碳排放量明顯減少,同時也給可再生能源等低碳行業帶來不小的沖擊。隨著疫情逐漸得到控制,各個行業逐漸回歸正軌,能源轉型危機并存[3]。2021 年,我國將“碳達峰”寫入“十四五”規劃中。為實現這一目標,除了加快調整和優化產業結構、能源結構以及大力發展新能源等戰略方式外,通過提高煤炭燃燒熱量的回收利用率和推廣潔凈煤技術來間接減少碳排放量也是一條有效的途徑。
    在火力發電廠中,空氣預熱器充分利用了煤炭燃燒后產生的煙氣中的余熱,很大程度上減少了熱量損失,提高了煤炭熱量的回收利用率?;剞D式空氣預熱器相較于其他空氣預熱器具有結構緊湊、耗材少、體積小等優點,但同時也具有漏風量大、結構復雜、運行維護工作多、檢修復雜以及熱態監測較為困難的缺點[5-7]??諝忸A熱器安裝在鍋爐尾部煙道,用來回收煙氣余熱、預熱空氣。在火電機組中,空氣預熱器的作用[8]大致概括為三個方面。第一方面,通過熱交換降低煙囪排煙溫度,使鍋爐的熱效率得到提高,從而節省部分燃料資源。第二方面,空氣從熱煙氣中獲得熱量使得空氣溫度升高,高溫的空氣進入鍋爐爐膛提升了爐膛整體溫度,增加了爐膛傳熱效率,降低了不完全燃燒損失。第三方面,一部分預熱后的空氣接入送粉機前的管道處,對進入鍋爐的煤粉進行干燥處理,同時將煤粉吹入爐膛中進行燃燒?;剞D式空氣預熱器采用回熱的換熱方式,兩氣體間通過金屬蓄熱元件間接傳熱,圖 1.1 為一種蓄熱板,可以看到波紋板與定位板之間排列緊湊。實際運行過程中,在經過一段時間的使用后,蓄熱板間會留下沾污,使得設備的運行效率降低。

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    1.2 在線監測系統研究現狀
    1.2.1 在線監測系統概述及國內外研究現狀
    在線監測可分為本地監測和遠程監測。本地監測系統采用的通信方式多為有線數據通信,主要針對于生產范圍較小,距離相對較短的場合。遠程監測系統則是運用無線遠程通訊技術,它解決了遠距離傳輸信息困難的問題,并且能夠滿足現代生產生活中大規模的監測需求。近些年隨著電子硬件技術、通訊技術和計算機技術的不斷發展,遠程在線監測系統在電力、農業、工業等各行業得到了廣泛的運用。
    20 世紀六七十年代,美國就在水利工程中運用了遠程監測技術,在加州的調水工程中安裝計算機監控系統,實現了對調水設備的遠程遙感控制?,F在遠程監測系統的運用越來越貼近人們的生活。在醫療上,El Zouka Hesham A 等[18]運用物聯網通信技術設計了一套醫療保健監測系統,運用人工智能技術對患者的生理數據進行采集和分析,并發送至醫療中心,實現對患者身體狀況的在線監測。Mellit Adel 等[19]開發了一套基于物聯網的老年人身體健康監測的遠程監測系統,該系統通過智能老年護理技術實現了對獨居老人或殘疾人生命體征的監測以及行為活動變化的監測。
    我國在線監測技術相較于歐美等發達國家起步較晚,無論是在理論研究還是實際應用都還較落后。在電力行業,肖楊[20]設計了一套基于 B/S(Browser/Server)架構的電網運維在線監測系統,該系統提高了供電公司的供電效率,便利了電網設備運維工作的展開。李元源[21]設計了一套基于 B/S 的分布式容性設備絕緣監測系統,對變電站電氣設備的絕緣參數進行實時監測,保障設備能夠及時得到檢修。邵麟淞[22]基于 C/S(Clinet-Server)架構設計的變電站綜合自動化監控管理系統,該系統能實時獲取設備運行狀態和周圍環境信息,對變電站內的各種元器件運行狀態進行在線監控,當運行出現問題時及時向操作人員發出預警信息。任建亭[23]設計了基于大數據驅動的風電齒輪箱智能健康監測系統,以風電齒輪箱為研究對象,開展基于大數據驅動的風電齒輪箱智能健康監測系統的研究,利用大數據技術的分布式存儲和并行計算能力,構建大數據驅動的高精度、強魯棒性的智能健康監測分析模型。
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    第二章  回轉式空氣預熱器結構及其熱力模型
    2.1 回轉式空氣預熱器結構
    轉子旋轉過程中,蓄熱原件從高溫煙氣中獲得熱量,再將熱量傳遞至低溫空氣。殼體位于轉子外圍,通過中心梁與軸承連接,保持靜止。密封裝置位于轉子外圍和殼體的間隙,起到減少漏風的作用?;剞D式空氣預熱器工作過程中,一側高溫煙氣從上方入口進入回轉式空氣預熱器,對旋轉的蓄熱元件進行加熱,而另一側冷一次風和冷二次風則從下方入口流入回轉式空氣預熱器,被加熱后的蓄熱元件加熱。如此反復循環,轉子每旋轉一周就進行一次熱交換,通過轉子的連續旋轉,煙氣不斷地將熱量傳給空氣。
    回轉式空氣預熱器的氣體通道分為煙氣通道和空氣通道??諝馔ǖ栏鶕訜峥諝夤蓴当环殖啥鄠€通道?;剞D式空氣預熱器類型按照通道的數量可分為二分倉回轉式空氣預熱器、三分倉回轉式空氣預熱器和四分倉回轉式空氣預熱器。圖 2.1 是三分倉回轉式空氣預熱器典型結構。
    轉子是回轉式空氣預熱器的核心。如圖 2.2 所示,轉子由扇形倉、蓄熱元件和中心筒組成。蓄熱元件是空氣預熱器核心換熱元件,它的特性能直接影響空氣預熱器的換熱效果。蓄熱元件放置于扇形倉,多個扇形倉圍繞中心筒組成圓環,圓環固定于中心筒,中心筒與軸承連接,形成圍繞主軸旋轉的轉子。在主軸方向,空氣預熱器越靠近上端部位溫度越高,越靠近下端部位溫度相對較低,根據這樣的特性將空氣預熱器內部分為熱端和冷端。為減少積灰對蓄熱元件的損害,通常采用分層布置的方式,每層布置不同的蓄熱元件,一般分為 3 層。
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    2.2 回轉式空氣預熱器熱力模型
    溫度分布、壓降和漏風關系到設備的穩定和安全經濟運行,是回轉式空氣預熱器重要熱力參數。本小節對回轉式空氣預熱器的傳熱模型、阻力計算模型和漏風計算模型進行介紹。
    2.2.1 傳熱模型
    回轉式空氣預熱器內部的傳熱模型為數值計算模型。首先利用有限差分法對轉子所在空間進行離散化,將蓄熱體的所在空間進行網格化得到干小單元體,如圖 2.4所示的若。其次,著眼于蓄熱體和流體所經過的控制容積,采用歐拉方法建立模型。圖中的 r、z 和 θ 分別表示回轉式空氣預熱器轉子的徑向、軸向和切向,蓄熱體沿著切向和流體沿著轉子軸向形成十字交叉依次流過單元格完成熱傳遞。

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    然后,根據回轉式空氣預熱器實際運行的特點,假設如下:
    a)轉子入口各分倉內各個塊的溫度一致; b)煙氣和傳熱元件金屬的物性參數忽略其他因素影響,假定只與溫度有關; c)忽略煙氣和空氣的導熱,以及與傳熱元件的輻射換熱; d)忽略攜帶漏風對預熱器傳熱的影響; e)根據傳熱元件在轉子中的裝填方式,認為蓄熱體在切向的導熱為零,忽略蓄熱體在徑向的導熱,只考慮蓄熱體在軸向的導熱。
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    第三章  回轉式空氣預熱器性能計算程序實現 ................... 19
    3.1 參數及其來源 .................................. 19
    3.1.1 幾何參數 .................................... 19
    3.1.2 流體參數 ..................................... 20
    第四章  熱力參數在線顯示系統開發 ......................... 37
    4.1 系統設計......................................... 37
    4.1.1 MVC 框架 ............................... 37
    4.1.2 開發工具與環境 .......................... 39
    第五章  空氣預熱器模擬運行系統開發 .......................... 49
    5.1 空氣預熱器模型 ................................ 49
    5.2 控制裝置設計 ............................................ 52
    5.3 熱力參數在線顯示系統測試 ................................. 57
    第五章  空氣預熱器模擬運行系統開發
    5.1 空氣預熱器模型
    空氣預熱器模型主要包括支架、軸承、連軸器、步進電機、熱電阻、分倉進出口、空預器外殼、扇形倉和蓄熱元件等。
    本文所設計的空氣預熱器模型相比于電廠中實際應用的空氣預熱器設備大小相差較大,因此在設計模型時,根據模型內部空間的大小,將轉子空間分成了 12 個扇形倉。扇形倉通過長螺釘固定在轉軸上,各扇形倉相互之間也用螺栓固定,它們共同組成轉子的框架??諝忸A熱器模型內部結構如圖 5.1 所示??諝忸A熱器內的扇形倉利用 3D 打印技術制作而成,其內部的蓄熱填充元件用金屬材質的蜂窩狀鋁板代替。設計軸承時,考慮到轉軸需要支撐扇形倉和蓄熱元件,以及轉軸轉動過程中的應力,普通的樹脂 3D 打印材料無法滿足其強度要求,因此轉軸材質選用了鋁材,運用數控車床加工而成。
    在轉子兩端分別設計了如圖 5.2 所示的蓋板用于分倉。各分倉之間交界處設計的擋板形狀能夠有效防止流體在分倉出口處的泄露。如圖 5.2 所示,考慮到轉子位置的固定,設計一條中心橫梁,將轉軸通過軸承固定在上下橫梁之間,使得空氣預熱器模型的轉動部件和靜止部件的相對位置固定不變。

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    第六章  全文總結與展望
    6.1 總結
    在國家大力宣傳節約能源和減少碳排放的背景下,回轉式空氣預熱器作為火力發電機組中煙氣余熱回收設備,對煙氣的余熱進行回收利用,有效地減少了熱力的損失。但因為其內部空間狹小,常常會出現堵灰的情況,導致設備無法正常運行,造成一定的經濟損失。為監測其內部的運行狀況,本文利用軟測量的方法開發了一套回轉式空氣預熱器內熱力參數在線顯示系統,該系統能夠對回轉式空氣預熱器內的積灰狀況進行判斷,進而指導操作人員進行吹灰操作,確保設備穩定高效地運行。本文的主要工作如下:
    1)分析了回轉式空氣預熱器主要結構,對設備的傳熱模型、阻力模型和漏風模型進行介紹,確定了回轉式空氣預熱器得幾何模型和數學模型。
    (2)通過調研用戶需求,確定 B/S 開發模式和 MVC 架構。運用 C++語言實現了回轉式空氣預熱器性能計算程序的開發。程序開發過程中,根據數據來源和種類設計了 XML 數據庫、SQL 數據庫和 Redis 實時數據庫。區別于傳統數據庫組織形式,本系統的 SQL 數據庫的檢索依賴于 XML 數據庫。
    (3)應用  Spring  Boot  和 MyBatis  構成框架,運用  Java  、  HTML、CSS 和JavaScript 混合編程,采用 Echarts 插件,完成回轉式空氣預熱器內熱力參數在線顯示系統開發。
    (4)設計回轉式空氣預熱器模擬運行系統,并在模擬運行系統上測試回轉式空氣預熱器內熱力參數在線顯示系統。
    參考文獻(略)


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