CN104833262B - 一种蒸汽加热系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蒸汽加热系统，其包括：减温器，减温器包括减温罐；以及接通于减温罐的若干换热器，其中，过热蒸汽输入到减温罐内可以在减温罐内水浴并转化成饱和蒸汽，饱和蒸汽作为热媒输送到各个换热器中。若干换热器共用一个减温器，降低了成本，还可以达到很好的加热效果。

Description

一种蒸汽加热系统

技术领域

本发明涉及一种热能工程技术，特别涉及一种蒸汽加热系统。

背景技术

水蒸汽常作为热媒给物料加热。水蒸汽从锅炉输送到换热装置的管线较长，一般先在锅炉中将水蒸气加热成过热蒸汽后再输入到管线中，这样可以防止水蒸气在管线中凝结，更有利于水蒸气进行长远距离运输。水蒸气被输送到换热器中，与输入到换热器中的物料进行换热。水蒸气在换热后冷凝成冷凝水，冷凝水从换热器的疏水装置排出换热器。

在一种粉煤气化工艺中，氮气和反吹气(反吹气用于对合成气通道容易聚集煤灰的部位进行吹扫，反吹气也可以是氮气)均需被加热至同一温度等级。现有的加热系统包括将过热蒸汽转化成饱和蒸汽的减温器，采用减温器输出的饱和蒸汽加热氮气的第一换热器，采用过热蒸汽给反吹气加热的第二换热器，以第一换热器输出的氮气温度为被控参数、且以第一换热器输入的饱和蒸汽流量为控制参数的第一调节单元，以及以第二换热器输出的反吹气温度为被控参数、且以第二换热器输入的过热蒸汽流量为控制参数的第二调节单元。第一调节单元和第二调节单元均进行定温调节。

由于反吹气脉冲式进入第二换热器，第二换热器中的热负荷变化大且快，过热蒸汽的输入压力高，第二调节单元的控制较简单，导致第二换热器的疏水装置容易损坏。另外，过热蒸汽还会在第二换热器的换热面上形成温度梯度，产生热应力，使第二换热器更容易损坏。尤其是，在换热过程中过热蒸汽的换热系数低，而且是变化的，很难精确计量，这使得第二换热器难以选型和被精确控制。另外，由于过热蒸汽的换热系数低，导致第二换热器的换热面更多、体积更大。

将第二换热器改装为采用饱和蒸汽加热即可克服上述缺陷，但是由于反吹气的用量小，单独为第二换热器增设一个提供饱和蒸汽的减温器并不经济。

发明内容

为解决上述的技术问题，本发明提供了一种蒸汽加热系统，其包括：减温器，减温器包括减温罐；以及接通于减温罐的若干换热器，其中，过热蒸汽输入到减温罐内可以在减温罐内水浴并转化成饱和蒸汽，饱和蒸汽作为热媒输入到各个换热器中。减温罐可以缓冲输入到减温罐中的过热蒸汽并将其转化成饱和蒸汽来为各个换热器提供饱和蒸汽，若干换热器共用一个减温器，降低了成本，还可以达到很好的加热效果。

在一个具体的实施例中，蒸汽加热系统还包括控制单元，控制单元包括与换热器的数量相等的第一调节单元，各个第一调节单元对应于各个换热器设置，各个第一调节单元用于将所对应的换热器的饱和蒸汽输入流量作为控制参数、将所对应的换热器输出的物料的温度作为被控参数、将所对应的换热器输出的物料的目标温度值作为设定值进行定值调节。

在一个具体的实施例中，控制单元还包括连接于各个第一调节单元的第二调节单元，第二调节单元用于将减温罐的过热蒸汽输入流量作为控制参数和被控参数、将若干个第一调节单元的操纵变量中的最大值根据预设的函数换算成第二调节单元的设定值进行随动调节，其中，第二调节单元的设定值为所述减温罐的过热蒸汽输入流量的目标值，函数以将若干个第一调节单元的操纵变量中的最大值为自变量、以第二调节单元的设定值为因变量，因变量随自变量在自变量的取值范围内递增呈增大的趋势。

在一个具体的实施例中，函数在若干第一调节单元的操纵变量中的最大值的变化范围内单调递增。

在一个具体的实施例中，若干个第一调节单元的操纵变量中的最大值为其变化范围内的最小值时，第二调节单元的过热蒸汽输入流量调节到零。

在一个具体的实施例中，操纵变量为阀门的开度值。

在一个具体的实施例中，各个第一调节单元均包括设置在所对应的换热器的冷凝水出口处的第一调节阀，设置在所对应的换热器的物料流道的出口处的温度变送器，以及连接于第一调节阀和温度变送器的第一调节器。

在一个具体的实施例中，第二调节单元包括设置在过热蒸汽入口上游的第二调节阀，设置在第二调节阀和减温器的过热蒸汽入口之间的流量变送器，连接于各个第一调节器的比较器，以及连接于比较器、第二调节阀和流量变送器的第二调节器。

在一个具体的实施例中，换热器的数量为两个。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。

附图说明

图1为本发明的一种实施方式的蒸汽加热系统的示意图；

图2为本发明的一种实施方式的蒸汽加热系统的控制单元的工作流程示意图；

图3为一种线性函数的曲线图；

图4为一种抛物线函数的曲线图；

图5为一种不连续函数的曲线图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明。

如图1所示，蒸汽加热系统包括减温器1、均连接于减温器1的第一换热器2和第二换热器3。减温器1连通于过热蒸汽供给管网9，用于将过热蒸汽供给管网9中的过热蒸汽转化成饱和蒸汽。第一换热器2和第二换热器3分别通过管线连通减温器1，减温器1中的饱和蒸汽可以输入到第一换热器2和第二换热器3中作为这两个换热器的热媒来加热分别输入到两个换热器中的物料。

在本实施例中，减温器1包括减温罐、支撑减温罐的支架、设置在减温罐内的气体分布器。减温罐呈胶囊状，支架设置在减温罐的下方支撑住减温罐。减温罐设置有位于减温罐底部的冷凝水出口、位于减温罐顶部的饱和蒸汽出口以及位于侧壁上的冷凝水入口。气体分布器安装在减温罐内靠近减温罐底部的位置。气体分布器通过贯穿减温罐的管子与过热蒸汽供给管网9接通。气体分布器与过热蒸汽供给管网9相接处即为减温器1的过热蒸汽入口。减温器1工作前，需要先向减温罐内充入液相水，水面要高于气体分布器、低于饱和蒸汽出口。气相分布器可以将大股的过热蒸汽流分成若干小股过热蒸汽流，并将若干小股过热蒸汽流喷向不同的方向，小股的过热蒸汽流在水中可以更快地换热降温。在降温过程中部分液相水被汽化成水蒸气与被降温后的水蒸气进入到液面上方的空间。冷凝水排放管线10接通减温罐底部的冷凝水出口。液面上方的水蒸气可以从饱和蒸汽出口输出，这时输出的水蒸气即为饱和蒸汽。过热蒸汽经水浴减温降压后即转化成饱和蒸汽。

在本实施例中，第一换热器2和第二换热器3均包括壳体和设置在壳体内的分隔件。分隔件可以将壳体的内部空间分隔成物料流道和饱和蒸汽流道。在同一个换热器内，物料和饱和蒸汽分别被输送到物料流道和饱和蒸汽流道后通过分隔件传递热量进行换热。

分隔件可以构造成两端伸出壳体的长管，长管内部通道即为饱和蒸汽流道，长管的两个端口分别为饱和蒸汽流道的出口和入口，出口通常位于较低的位置，该出口为换热器的冷凝水出口。长管与壳体之间的腔室为物料流道，在壳体上分开设置两个通孔作为物料流道的出口和入口。分隔件可以设置成螺线管或蛇形管，以增加换热面积。还可以在物料流道的入口和出口之间设置若干个折流板，以增加物料流道的长度，增加物料在换热器内停留的时间。

第一物料供给管线7和第二物料供给管线8分别连接于第一换热器2和第二换热器3的物料流道的入口。为便于说明，将第一物料供给管线7输出的物料设定为氮气，将第二物料供给管线8输出的物料设定为反吹气。氮气和反吹气被加热后分别从第一换热器2和第二换热器3的物料流道的出口输出。减温器1的饱和蒸汽出口与第一换热器2和第二换热器3的饱和蒸汽流道的入口接通。

在本实施例中，蒸汽加热系统还包括控制单元。控制单元包括两个第一调节单元，其中一个第一调节单元对应于第一换热器2设置，另一个第一调节单元对应于第二换热器3设置。第一调节单元用于将所对应的换热器的饱和蒸汽输入流量作为控制参数、将所对应的换热器输出的物料的温度作为被控参数、将所对应的换热器输出的物料的目标温度值作为设定值进行定值调节。

如图2所示，下面以采用负反馈调节的两个第一调节单元为例进行详细说明。为便于描述，将第一换热器2和第二换热器3所加热的物料分别定为氮气和反吹气。

与第一换热器2相对应的第一调节单元包括第一调节阀4、温度变送器15以及第一调节器11。第一调节阀4设置在第一换热器2的冷凝水出口处。温度变送器15设置在第一换热器2的物料流道的出口处，第一调节器11连接第一调节阀11和温度变送器15。

与第一换热器3相对应的第一调节单元包括第一调节阀5、温度变送器16以及第一调节器12。第一调节阀5设置在第一换热器3的冷凝水出口处。温度变送器16设置在第一换热器3的物料流道的出口处，第一调节器12连接第一调节阀12和温度变送器16。

第一调节器11的操纵变量为第一调节阀4的开度值，第一调节器12的操纵变量为第一调节阀5的开度值。第一调节阀4和第一调节阀5均可以通过调节其开度值来调节所对应换热器的饱和蒸汽输入流量。例如，减小第一调节阀4的开度值，第一换热器2排出的冷凝水的流量减小，冷凝水在第一换热器2中积聚，饱和蒸汽在第一换热器2内的换热面积减小导致饱和蒸汽的冷凝速度变慢，由此进入到第一换热器2中的饱和蒸汽流量变小；反之，增大第一调节阀4的开度值，第一换热器2排出的冷凝水的流量增大，第一换热器2内的换热面积增大，饱和蒸汽在第一换热器2内的冷凝速度变快，由此进入到第一换热器2中的饱和蒸汽流量变大。又由于第一换热器2的饱和蒸汽输入流量与其输出的氮气的温度呈正相关，第二换热器3的饱和蒸汽输入流量与其输出的反吹气的温度呈正相关，由此，第一调节阀4的开度值与氮气的输出温度呈正相关，第一调节阀5的开度值与反吹气的输出温度呈正相关。

将两个第一调节单元预设各自的设定值，即在第一调节器11和第一调节器12中分别设定第一换热器2输出的氮气的目标温度值和第二换热器3输出的反吹气的目标温度值。第一调节器11和第二调节器12可以是PID型调节器或PI型调节器。第一调节单元对所对应的换热器调节的过程和原理均相同，为节约篇幅，下面只对第一换热器2所对应的第一调节单元进行说明。

温度变送器15实时测量第一换热器2输出的氮气的测量温度值并转换成电信号输送到第一调节器11中。

在一个调节周期开始时，第一调节器11将该时刻氮气的测量温度值与目标温度值进行比较，以获得测量温度值与目标温度值的差值。这个差值可以是输出的氮气的测量温度值与目标温度值之差，也可以是氮气的测量温度值与目标温度值之比。然后，第一调节器11根据上述差值计算出操纵变量，即第一调节器11计算出目标开度值。最后将目标开度值输送到第一调节阀4中，第一调节阀4进行相应的动作，即将其开度调节到目标开度值。在这个过程中，氮气的测量温度值大于目标温度值则减小第一调节阀4的开度，氮气的测量温度值等于目标温度值则不进行动作，若氮气的测量温度值小于目标温度值则增大第一调节阀4的开度，由此使氮气的输出温度达到目标温度值。

优选地，第一调节阀11和第一调节阀12的下游管路连接到减温罐的冷凝水入口，这样设置后该系统可以回收第一换热器2和第二换热器3的冷凝水。

在本实施例中，控制单元还包括连接于两个第一调节单元的第二调节单元。第二调节单元用于将减温罐的过热蒸汽输入流量作为控制参数和被控参数、将若干个第一调节单元的操纵变量中的最大值根据预设的函数换算成设定值进行随动调节，其中，第二调节单元的设定值随若干个第一调节单元的操纵变量中的最大值的递增具有增大的趋势。第二调节单元的设定值即为减温罐的过热蒸汽输入流量的目标值。第二调节单元可以根据第一换热器2和第二换热器3的饱和蒸汽使用量来补充过热蒸汽，极大减小了过热蒸汽的消耗。同时，第二调节单元将减温罐内的气压维持在一个合理的水平，使得第一换热器2和第二换热器3的饱和蒸汽能得到快速的补充，另外，还可以避免减温罐内的气压过高而造成设备损坏等生产安全事故。

第二调节单元包括比较器13、第二调节阀6、流量变送器17以及第二调节器14。比较器13连接于第一调节器11和第一调节器12。第二调节阀6设置在减温器1与过热蒸汽供给管网9之间的管线上，即设置在减温罐的过热蒸汽入口上游端。流量变送器17设置在第二调节阀6和减温器1之间的管线上，用于实时测量减温罐的过热蒸汽输入流量。第二调节器14连接于第二调节阀6、比较器13和流量变送器17。第二调节阀6通过改变其开度来调节通过其中的过热蒸汽流量，这样第二调节器12可以通过调节第二调节阀6的开度来调节减温罐内的气压。

第二调节单元周期性地调节减温器1的过热蒸汽输入流量。第一调节器11和第一调节器12向所对应的第一调节阀输出操作变量的同时，将这两个操作变量输送到比较器13中。比较器13实时比较这两个目标开度值的大小，取两个目标开度值中的最大值输入到第二调节器14中。

在第二调节器中预先设定一个函数。该函数以两个第一调节单元的操纵变量(在本实施例中，这两个操作变量为第一调节阀4和第一调节阀5的目标开度值)中的最大值为自变量，即上述从比较器13输入到第二调节器14中的输入值。该函数是以第二调节单元的设定值为因变量、以两个第一调节单元的操作变量中的最大值为自变量的函数。在该函数中因变量随自变量在自变量的取值范围内递增呈增大的趋势。该函数例如可以是图3至图5中分别显示的三种函数中的任意一种，但不限于这三种函数。优选地，该函数在两个第一调节单元的操纵变量中的最大值的取值范围(即变化范围)内单调递增。

图3至图5中，A m³/s表示第二调节单元的设定值(即过热蒸汽输入流量的目标值)的最大值，本领域的技术人员可以根据减温器转化过热蒸汽的速率、换热器的数量和饱和蒸汽最大的输入流量、减温器和换热器之间的管线的长度和直径等因素综合确定A m³/s的取值。B％为第一调节单元的操纵变量的变化范围内的一个值，但不为该操纵变量的变化范围内的最大值。B％为第二调节单元的调节阈值，即当自变量(即两个第一调节单元的目标开度值中的最大值)小于或等于B％时第二调节单元将过热蒸汽输入流量调节至零，这样可以确保减温罐内的气压不至于过高。在一个实施例中，B％等于零。

第二调节单元再根据上述函数获得的设定值对过热蒸汽输入流量进行负反馈调节。具体地，第二调节器14将该设定值和流量变送器17输入的过热蒸汽输入流量进行比较，根据设定值和过热蒸汽输入流量的差值计算出第二调节阀6的目标开度值并将该目标开度值输送到第二调节阀6中。最后，第二调节阀6将阀门的开度调节到该目标开度，这样就完成了一次对过热蒸汽输入流量的调节。优选地，该第二调节器中的调节规律为比例调节，这样可以及时地补充过热蒸汽，另外，当两个第一调节单元的目标开度值中的最大值小于或等于B％时也可以迅速关断第二调节阀6。

第一调节单元和第二调节单元的设置使得整个系统呈负反馈。两个第一调节单元能快速地分别将氮气和反吹气的输出温度调节到对应的目标温度值，第二调节单元能快速地向系统补充两个换热器消耗的饱和蒸汽。另外第二调节单元在进行调节时，能促进两个第一调节单元更快地将输出物料的温度调节到各自对应的目标温度值。第一调节单元和第二调节单元共同调节换热器的饱和蒸汽输入流量，能充分满足第一换热器2和第二换热器3的热负荷的剧烈变化所需的饱和蒸汽流量。两个换热器共用一个减温器，降低了成本，也可以达到很好的加热效果。

Claims (7)

1.一种蒸汽加热系统，其特征在于，包括：

减温器，所述减温器包括减温罐；以及

接通于所述减温罐的若干换热器，

其中，过热蒸汽输入到所述减温罐内在所述减温罐内水浴并转化成饱和蒸汽，所述饱和蒸汽作为热媒输送到各个换热器中，

蒸汽加热系统还包括控制单元，所述控制单元包括与所述换热器的数量相等的第一调节单元，各个第一调节单元对应于各个换热器设置，各个第一调节单元用于将所对应的换热器的饱和蒸汽输入流量作为控制参数、将所对应的换热器输出的物料的温度作为被控参数、将所对应的换热器输出的物料的目标温度值作为设定值而进行定值调节，

所述控制单元还包括连接于各个第一调节单元的第二调节单元，第二调节单元用于将所述减温罐的过热蒸汽输入流量作为控制参数和被控参数、将若干个第一调节单元的操纵变量中的最大值根据预设的函数换算成第二调节单元的设定值而进行随动调节，

其中，第二调节单元的设定值为所述减温罐的过热蒸汽输入流量的目标值，所述函数以若干个第一调节单元的操纵变量中的最大值为自变量、以所述第二调节单元的设定值为因变量，所述因变量随所述自变量在所述自变量的取值范围内递增而呈增大的趋势。

2.根据权利要求1所述的蒸汽加热系统，其特征在于，所述函数在若干第一调节单元的操纵变量中的最大值的取值范围内单调递增。

3.根据权利要求1所述的蒸汽加热系统，其特征在于，若干个第一调节单元的操纵变量中的最大值为其取值范围内的最小值时，第二调节单元将减温罐的过热蒸汽输入流量调节到零。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的蒸汽加热系统，其特征在于，所述操纵变量为阀门的目标开度值。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的蒸汽加热系统，其特征在于，各个第一调节单元均包括设置在所对应的换热器的冷凝水出口处的第一调节阀，设置在所对应的换热器的物料流道的出口处的温度变送器，以及连接于所述第一调节阀和所述温度变送器的第一调节器。

6.根据权利要求5所述的蒸汽加热系统，其特征在于，所述第二调节单元包括设置在减温器的过热蒸汽入口上游的第二调节阀，设置在所述第二调节阀和所述过热蒸汽入口之间的流量变送器，连接于各个第一调节器的比较器，以及均连接于所述比较器、所述流量变送器和所述第二调节阀的第二调节器。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的蒸汽加热系统，其特征在于，所述换热器的数量为两个。