¿Cuáles son la estructura y características de funcionamiento de una caldera de vapor?

Una caldera es un dispositivo mecánico que utiliza energía térmica del combustible u otras fuentes de energía para calentar agua y convertirla en agua caliente o vapor. Una caldera consta de dos partes: una olla y un horno. El significado original de una olla es un recipiente para calentar agua al fuego y un horno es un lugar donde se quema el combustible. El agua caliente o el vapor generado en la caldera puede proporcionar directamente la energía térmica necesaria para la producción y la vida, o puede convertirse en energía mecánica a través de un dispositivo de energía de vapor, o en energía eléctrica a través de un generador. Las calderas que proporcionan agua caliente se denominan calderas de agua caliente y se utilizan principalmente en la vida diaria y también tienen una pequeña cantidad de aplicaciones en la producción industrial. La caldera que genera vapor se llama caldera de vapor, también llamada generador de vapor, generalmente denominada caldera. Es una parte importante de la central eléctrica de vapor y se utiliza principalmente en centrales térmicas, barcos, locomotoras e industrias y minería. empresas. Las calderas están sujetas a altas temperaturas y presiones y la seguridad es muy importante. Incluso si una pequeña caldera explota, las consecuencias serán graves. Por lo tanto, existen regulaciones estrictas sobre la selección de materiales, cálculo de diseño, fabricación e inspección de calderas. El desarrollo de las calderas El desarrollo de las calderas se divide en dos vertientes: ollas y hornos. Las máquinas de vapor utilizadas en las minas de carbón británicas durante la primera mitad del siglo XVIII, incluida la primera máquina de vapor de Watt, utilizaban una presión de vapor igual a la presión atmosférica. La segunda mitad del siglo XVIII pasó al vapor a una presión superior a la atmosférica. En el siglo XIX, la presión de vapor comúnmente utilizada aumentó a aproximadamente 0,8 MPa. En consonancia con esto, las primeras calderas de vapor eran vasijas de agua verticales cilíndricas de gran diámetro, que luego se cambiaron a vasijas horizontales, y el fuego se encendía en el cuerpo del horno de ladrillo debajo de la vasija. A medida que la caldera crece cada vez más, para aumentar el área de calentamiento, el tubo de fuego se instala en la carcasa de la olla. El tubo de fuego enciende el fuego en la parte delantera y el humo se descarga desde la parte trasera del tubo de fuego. Se calienta hacia la chimenea y el exterior de la vasija a través del conducto de humos de ladrillo, llamado caldera pirotubular. Inicialmente, solo se instaló una cámara de combustión y se llamó caldera de cámara de combustión única o caldera de Cornualles, luego se agregaron dos cámaras de combustión y se llamó caldera de cámara de combustión doble o caldera de Lancashire. Alrededor de 1830, con la producción de tubos de acero de alta calidad y el dominio de la tecnología de expansión de tubos de acero, apareció la caldera pirotubular. Hay muchos tubos de combustión instalados en la carcasa de la olla, que constituyen la superficie de calentamiento principal de la caldera. El fuego (gas de humo) fluye a través de los tubos de combustión. Se instalan tantos tubos de fuego como sea posible debajo de la línea de flotación de la carcasa de la olla, lo que se denomina caldera de tubos de fuego horizontal con fuego externo. Tiene bajo consumo de metal pero requiere mampostería muy grande. A mediados del siglo XIX aparecieron las calderas acuotubulares. La superficie de calentamiento de la caldera es la tubería de agua fuera de la olla, que reemplaza la propia olla y el tubo de fuego y el tubo de fuego dentro de la olla. El aumento del área de calentamiento de la caldera y de la presión del vapor ya no está limitado por el diámetro de la carcasa de la olla, lo que resulta beneficioso para aumentar la capacidad de evaporación y la presión del vapor de la caldera. La carcasa cilíndrica de la olla en este tipo de caldera pasa a denominarse olla o tambor de vapor. Las calderas acuotubulares originales solo utilizaban tubos de agua rectos, y la presión y la capacidad de las calderas acuotubulares rectos eran limitadas. A principios del siglo XX comenzaron a desarrollarse las turbinas de vapor, lo que requería que las calderas estuvieran equipadas con mayores capacidades y parámetros de vapor. Las calderas acuotubulares rectas ya no pueden cumplir los requisitos. Con el desarrollo de la tecnología de fabricación y la tecnología de tratamiento de agua, aparecieron las calderas de tubos acuotubulares curvados. Inicialmente se utilizó el tipo multitambor. Con la aplicación de paredes enfriadas por agua, sobrecalentadores y economizadores, así como la mejora de los componentes de separación de vapor y agua en los tubos de la caldera, el número de tubos de la caldera se reduce gradualmente, ahorrando metal, lo que es beneficioso para mejorar la presión, la temperatura, Capacidad y eficiencia de la caldera. En el pasado, las calderas pirotubulares, las calderas pirotubulares y las calderas acuotubulares eran todas calderas de circulación natural. Debido a las diferentes condiciones de calentamiento que resultan en diferentes densidades, el vapor de agua fluye naturalmente en las tuberías ascendentes y descendentes. Con el desarrollo de las calderas de circulación natural, las calderas de paso único comenzaron a aplicarse en la década de 1930 y las calderas de circulación auxiliar comenzaron a aplicarse en la década de 1940. Las calderas de circulación auxiliar, también llamadas calderas de circulación forzada, se desarrollan a partir de las calderas de circulación natural. Se agrega una bomba de circulación al sistema de bajante para mejorar la circulación del agua en la superficie de calentamiento por evaporación. En el caso de una caldera de paso único sin tambor, el agua de alimentación ingresa al economizador desde la bomba de agua de alimentación, pasa a través de las superficies de calentamiento por evaporación, como la pared de agua y el sobrecalentador, y se convierte en vapor sobrecalentado y se envía al vapor. turbina. La resistencia al flujo de cada parte es superada por la bomba de agua de alimentación. Después de la Segunda Guerra Mundial, estos dos tipos de calderas se desarrollaron rápidamente y se convirtieron en los grupos electrógenos que requerían alta temperatura, alta presión y gran capacidad en ese momento. El objetivo del desarrollo de estos dos tipos de calderas es reducir o eliminar el uso de tambores que se pueden utilizar como superficies de calentamiento y las superficies de calentamiento se pueden disponer con relativa libertad. Con el avance de la tecnología de control automático y tratamiento de agua, se están volviendo cada vez más maduros.

Este tipo de sistema de regulación suele simplificarse en tres sistemas de una sola variable que están interconectados, estrechamente coordinados, pero relativamente independientes. Para facilitar el análisis, a continuación analizamos estos tres sistemas por separado. Estos tres sistemas son el sistema de regulación de la cantidad de combustible y la presión del vapor para mantener constante la presión de la caldera, el volumen de suministro de aire y el sistema de regulación del volumen de aire para mantener una combustión económica de la caldera, y el sistema de regulación del volumen del ventilador de tiro inducido y la presión negativa del horno para mantener la estabilidad. presión negativa del horno. 3.2.1 Características de los objetos de regulación de la presión del vapor Las principales razones de los cambios en la presión del vapor son los cambios en la cantidad de combustible y la carga de vapor. Sus características dinámicas son las siguientes. Cuando la carga de vapor permanece sin cambios, si la cantidad de combustible de la caldera (B) sufre una perturbación escalonada de △B, la curva de aumento de la presión del vapor en este momento se muestra en la Figura 4(a). En este momento, el objeto no tiene capacidad de autoequilibrio y tiene una gran histéresis e inercia. Sin embargo, si la apertura de la válvula de vapor en la salida de la caldera permanece sin cambios, el caudal de vapor cambiará con el cambio en la presión del vapor causado por la alteración en la cantidad de combustible. Este objeto tiene la capacidad de equilibrarse ya que la presión del vapor cambia cuando aumenta el flujo de vapor, limitando así espontáneamente el cambio en la presión del vapor. La curva de aumento de la presión del vapor en este momento se muestra en la Figura 4 (b). ② Características del cambio de presión del vapor Bajo la perturbación de la carga de vapor y la perturbación del paso de carga, las características dinámicas del cambio de presión del vapor también tienen las dos situaciones siguientes: Cuando la válvula de vapor se perturba escalonadamente, el objeto muestra capacidad de autoequilibrio, no hay ninguna. retraso, pero hay una inercia mayor y tiene un salto de arranque que es proporcional al cambio de válvula, y la curva de sobretensión se muestra en la Figura 4 (c). 4(c); cuando se produce una perturbación escalonada en la cantidad de vapor, la curva de salto se muestra en la Figura 4(d). En este momento, el objeto ya no tiene la capacidad de autoequilibrarse si la cantidad de combustible ingresa. Si la caldera no aumenta con el tiempo, la presión del vapor siempre disminuirá. 3.2.2 Características de los objetos de ajuste automático del suministro de aire La calidad del sistema de ajuste del suministro de aire afecta directamente el cambio del coeficiente de exceso de aire del horno y el contenido de oxígeno de las emisiones de gases de combustión. El principal factor de perturbación que causa cambios en el coeficiente de exceso de aire es la relación entre el volumen de combustible y el volumen de suministro de aire. Las características dinámicas de los objetos bajo perturbación del volumen del viento tienen una gran capacidad de autoequilibrio, casi sin retraso ni inercia, y son aproximadamente proporcionales. Habrá un ligero retraso en el proceso de entrega y combustión por alteraciones en la cantidad de combustible. Casi no hay retrasos ni inercia debido al sistema de suministro de aire. Por lo tanto, cuando hay suficiente combustible, el volumen de suministro de aire reflejará más directamente la presión del vapor de la caldera. Entonces, ¿cómo garantizar una correspondencia adecuada entre el volumen de aire y el volumen de combustible? Aquí presentamos el concepto de relación aire-carbón. La relación aire-carbón se refiere al valor máximo de carbón que se puede quemar con el volumen de aire actual. La función de la relación aire-carbón en el control es principalmente limitar la velocidad de rotación de la parrilla en función del volumen de aire actual para evitar que el carbón se queme por completo debido a un volumen de aire insuficiente. Este parámetro es de gran importancia para el ahorro de carbón y la protección del medio ambiente. Porque si el carbón no se puede quemar por completo, el contenido de carbón de la ceniza aumentará, lo que no sólo desperdicia carbón, sino que también aumenta el contenido de carbón en los gases de combustión y afecta las emisiones. 3.2.3 Características del objeto de ajuste automático de presión negativa del horno Las características dinámicas del objeto de ajuste automático de presión negativa del horno son buenas, pero el tiempo de vuelo del canal de perturbación es corto y la velocidad de vuelo es rápida. Con base en el análisis anterior de los objetos de ajuste del sistema de combustión, analicemos el esquema de control adoptado para las tres tareas del sistema de control automático de combustión. El diagrama de flujo de control generalmente utilizado en el sistema de control del proceso de combustión se muestra en la Figura 5 (a). Primero, la señal se filtra a través del transmisor de presión de vapor y se compara con la presión de vapor establecida para determinar la dirección de ajuste y el tamaño del ventilador PI. regulador, calcule el tamaño de la salida del inversor del ventilador a través de la unidad de ajuste PI del ventilador. Al mismo tiempo, la señal se envía a la unidad de cálculo de la relación aire-carbón, y la unidad de cálculo de la relación aire-carbón calcula el valor de salida máximo de la rejilla bajo el volumen de aire actual. Luego, la señal de diferencia de presión de vapor se envía al regulador PI de la parrilla, y la unidad reguladora PI de la parrilla calcula el tamaño de salida del inversor de la parrilla. Una vez limitada la relación aire/carbón, se envía al convertidor de frecuencia de la parrilla. En el proceso de depuración real, a menudo configuramos el coeficiente proporcional en el ajuste PI del ventilador para que sea mayor que la unidad PI de la parrilla, lo que puede garantizar que el sistema del ventilador sea más sensible a la presión del vapor que la parrilla. La práctica ha demostrado que la presión del vapor de una caldera controlada por este método tiene buena estabilidad y un alto grado de respuesta cuando cambia la carga de vapor. El contenido de cenizas es bajo en carbono. El tamaño de la presión negativa del horno tiene un gran impacto en el ahorro de energía.

Cuando la presión negativa es grande, el calor extraído por los gases de combustión es grande, la pérdida de calor aumenta y el consumo de carbón aumenta. El estado de funcionamiento ideal debe ser un estado de presión ligeramente negativa. Puede aumentar significativamente el tiempo de residencia de las partículas de carbón suspendidas en el horno, aumentar la sedimentación, reducir las cenizas volantes, quemar completamente el carbón y mejorar la eficiencia térmica. Sin embargo, debido a cambios en la carga, es necesario cambiar el volumen de carbón y el volumen de suministro de aire, y posteriormente cambiar el volumen de aire inducido del ventilador de tiro inducido para garantizar la estabilidad de la presión negativa del horno. cierto tiempo de retraso, para evitar que el cambio del ventilador provoque la presión negativa del horno. Debido a las fluctuaciones de presión, el sistema introduce la señal del ventilador como una señal de avance para sobrepasar el ventilador de tiro inducido. El diagrama de flujo de control utilizado generalmente por el sistema de control de presión negativa del horno se muestra en la Figura 5 (b). Su principio de ajuste es relativamente simple y pertenece a un sistema de ajuste de circuito cerrado único. Su entrada es la presión negativa del horno y la salida es. el convertidor de frecuencia del ventilador de tiro inducido. Al mismo tiempo, el volumen de soplado se introduce como señal de alimentación frontal. Además, el sistema tiene dos modos de funcionamiento, manual y automático, en cada bucle. Para lograr una conmutación sin perturbaciones, el sistema introduce el valor de retroalimentación del objeto de control. Durante la operación manual, la salida del PLC realizará un seguimiento automático. la retroalimentación del objeto de control Durante la conmutación, cuando se alcanza el estado automático, se puede realizar una conmutación sin perturbaciones para que el sistema pase suavemente al estado automático. 4. Estructura del sistema de control de la caldera Arriba hemos realizado un breve análisis del principio del circuito de control del sistema de control de la caldera. Con base en el análisis anterior, sabemos que construir un sistema de control confiable e inteligente es la base para garantizar una producción segura de las calderas. . El sistema de control de la caldera es un típico sistema de control multivariable, de histéresis pura y fuertemente acoplado. Si la relación de desacoplamiento multivariable y los problemas de respuesta retardada no se pueden resolver en la estrategia de control y la implementación del software, entonces se debe realizar la transformación inteligente del control de la caldera. El sistema no podrá alcanzar los objetivos esperados. En el diseño del sistema de control, adoptamos las ideas de control centralizado y accionamiento descentralizado (esquema P-T) para el control centralizado, y dividimos el sistema de control en tres capas: a) Sistema de gestión de la información: completa la configuración de los datos técnicos clave del sistema, datos en tiempo real y estado operativo Monitoreo y control, visualización de datos históricos, registro e impresión de informes de datos, procesamiento de alarmas y fallas y otras funciones proporcionadas principalmente por la computadora industrial superior (ICP) (IEEE), la superior; computadora industrial (IPC), software de desarrollo de configuración, consta de aplicaciones, módulos de comunicación, etc. b) Capa de control: completa principalmente varias instrucciones de acción de control, muestreo y procesamiento de datos en tiempo real, expresión asociada de acciones en cadena, implementación de control algoritmos, procesamiento automático de situaciones anormales, etc. consiste principalmente en control programable. Se compone de módulo de interruptor, módulo analógico, regulador PID inteligente, convertidor de frecuencia, aplicación PLC, etc. Compuesto principalmente por módulos de conmutación de controlador lógico programable (PLC), módulos analógicos, reguladores PID inteligentes, convertidores de frecuencia, aplicaciones de PLC, etc. c) Capa de equipo: acepta principalmente comandos de control del PLC y ejecuta las acciones correspondientes o proporciona los datos de detección correspondientes. Incluyendo principalmente disyuntores, contactores de CA, transmisores de presión, transmisores de temperatura, transmisores de flujo, válvulas de interruptor eléctrico, distribuidores de aislamiento de señales analógicas, etc. 5. Conclusión En resumen, la transformación del sistema de control de calderas tiene un buen espacio de desarrollo de mercado y perspectivas de ingresos por inversiones, y merece una promoción generalizada. No solo puede lograr el propósito de una producción segura a través de tecnología de control automatizado, sino también ahorrar carbón y electricidad y hacer que las emisiones sean más respetuosas con el medio ambiente. En resumen, el control automatizado por computadora de las calderas es la tendencia de desarrollo de la industria de las calderas y también es una dirección de desarrollo. que beneficie al país y al pueblo.

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