熱載體加熱爐結(jié)構(gòu)與供熱循環(huán)系統(tǒng)智能化控制的應(yīng)用研究*

汪　琦　俞紅嘯　張慧芬

（上海熱油爐設(shè)計(jì)開發(fā)中心）

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熱載體加熱爐結(jié)構(gòu)與供熱循環(huán)系統(tǒng)智能化控制的應(yīng)用研究*

汪琦**俞紅嘯張慧芬

（上海熱油爐設(shè)計(jì)開發(fā)中心）

摘要首先，介紹了導(dǎo)熱油爐和熔鹽爐的結(jié)構(gòu)型式與自動(dòng)控制。然后，討論了導(dǎo)熱油供熱循環(huán)系統(tǒng)與熔鹽供熱循環(huán)系統(tǒng)的智能化控制，分析了太陽能光熱發(fā)電中熔鹽循環(huán)系統(tǒng)和電伴熱裝置的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，研究了熔鹽反應(yīng)堆核能發(fā)電中熔鹽循環(huán)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。最后，探討了熱能工廠生物質(zhì)燃燒過程的自動(dòng)化控制，總結(jié)了熱能工廠的一次、二次循環(huán)供熱回路的智能化控制。

關(guān)鍵詞導(dǎo)熱油爐熔鹽爐供熱循環(huán)系統(tǒng)智能化控制光熱熔鹽發(fā)電生物質(zhì)能源

核能熱能工廠

*該論文參加了2015中國（上海）國際化工裝備技術(shù)創(chuàng)新研討會(huì)的交流。

**汪琦，男，1961年生，碩士，高級工程師。上海市，200042。

0　前言

熱載體加熱爐采用熱載體（導(dǎo)熱油或熔鹽）作為傳輸熱能的中間載體。爐內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生熱能，通過熱載體加熱爐的受熱面把熱能傳遞給熱載體，使熱載體被加熱到一定的溫度，再通過循環(huán)泵將熱載體中的熱能輸送給用熱設(shè)備。釋放熱能后的低溫?zé)彷d體又返回?zé)彷d體加熱爐中重新被加熱。這樣周而復(fù)始，達(dá)到熱載體加熱爐向外界供熱的目的。

供熱循環(huán)系統(tǒng)智能化控制是根據(jù)用熱設(shè)備的用熱要求，來自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱爐內(nèi)熱載體的出口溫度和出口壓力等參數(shù)，同時(shí)在運(yùn)行過程中，在線監(jiān)測運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)狀態(tài)參數(shù)出現(xiàn)超限或運(yùn)行狀態(tài)異常時(shí)，即報(bào)警直至停爐保護(hù)。供熱循環(huán)系統(tǒng)智能化控制可保護(hù)熱載體加熱爐與供熱循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，并且提高經(jīng)濟(jì)性和使用壽命。

1導(dǎo)熱油爐和熔鹽爐的結(jié)構(gòu)型式

熱載體加熱爐是以燃煤、燃油、燃?xì)狻㈦娂訜釣槿剂?，以熱載體（導(dǎo)熱油或熔鹽）為傳熱介質(zhì)，利用循環(huán)泵強(qiáng)制熱載體進(jìn)行液相循環(huán)，將熱能輸送給用熱設(shè)備，然后熱載體再返回加熱爐重新加熱。

1.1燃煤臥式方箱型導(dǎo)熱油爐

燃煤臥式方箱型導(dǎo)熱油爐的爐膛輻射受熱面是由螺旋上升的方形盤管組成的，管子與管子之間為密排布置。方形盤管后墻既作輻射受熱面，又作隔煙墻。后墻的上部密排管向后拉升，形成爐膛出煙窗，高溫?zé)煔鈴某鰺煷斑M(jìn)入對流受熱面區(qū)。對流受熱面由兩組蛇形管片組成。方形盤管螺旋上升至上部后，從前墻位置分散水平向后引至尾部，組成頂棚管。水平布置的頂棚管組之間通過前、后集箱串聯(lián)[1]。

燃煤臥式方箱型導(dǎo)熱油爐的盤管結(jié)構(gòu)將爐膛四周方形盤管作為單一循環(huán)回路，該循環(huán)回路由若干根管子并聯(lián)而成，故循環(huán)回路比較簡單。但由于方形盤管的管程較長，為了減少管間的流量偏差與熱偏差，同一回程的并聯(lián)管應(yīng)盡量做到管子的結(jié)構(gòu)特性（如長度、彎頭數(shù)等）接近。方箱型盤管結(jié)構(gòu)內(nèi)導(dǎo)熱油流向采用“下進(jìn)上出”的方式，故有利于管內(nèi)導(dǎo)熱油的脫水排氣。

1.2燃煤管架式導(dǎo)熱油爐

燃煤管架式導(dǎo)熱油爐的結(jié)構(gòu)是通過受熱面管及集箱互相連接構(gòu)成整體支撐框架。管架式導(dǎo)熱油爐受壓元件包括門形管、頂棚管、蛇形管片等部件。門形管、蛇形管片的兩端與布置于爐體兩側(cè)的下集箱連接，頂棚管從前集箱經(jīng)前墻并通過爐體頂部引至后端上集箱，既作受熱面，又起到支撐頂部爐墻的作用，故頂棚管需要一定的剛度，并能進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡鯍臁?/p>

燃煤管架式導(dǎo)熱油爐的受熱面是由門形管、頂棚管組成的輻射受熱面，蛇形管片組成的對流受熱面，以及尾部空氣預(yù)熱器三部分構(gòu)成的。燃煤燃燒產(chǎn)生的火焰經(jīng)爐膛輻射放熱后，高溫?zé)煔鈴臓t膛后墻上部出煙窗，并引出向下沖刷高溫段蛇形管組，煙氣在下部空間進(jìn)行爐內(nèi)慣性除塵后，再向上沖刷低溫段蛇形管組，最后經(jīng)空氣預(yù)熱器后從煙囪排出。管架式導(dǎo)熱油爐，如果通過改變?nèi)紵O(shè)備或燃燒方式，除燃煤外也可燃用如木柴、砂光粉、稻殼等其它生物質(zhì)燃料，或幾種燃料混燒。

1.3燃油燃?xì)饬⑹綀A筒型熔鹽爐

燃油燃?xì)饬⑹綀A筒型熔鹽爐可按不同的分類方法分類：根據(jù)燃燒器的布置形式可分為立式頂燃式、立式底燃式；根據(jù)圓形盤管的固定形式可分為上部吊掛式、下部支撐式；根據(jù)盤管層數(shù)及煙氣流程可分為兩層盤管三回程煙氣、三層盤管四回程煙氣等形式[2]。

（1）立式頂燃吊掛式熔鹽爐

該熔鹽爐采用圓筒螺旋盤管結(jié)構(gòu)，其受熱面由內(nèi)、外兩層螺旋盤管及頂盤管（與內(nèi)層盤管串聯(lián)）組成，燃燒器置于爐頂中心。高溫?zé)煔庥缮隙屡c頂盤管、內(nèi)層盤管和外層盤管下部輻射換熱后，再從內(nèi)層盤管底部由下而上進(jìn)入由內(nèi)、外兩層盤管所構(gòu)成的第一對流換熱區(qū)。在第一對流換熱區(qū)換熱后從外層盤管上部進(jìn)入外層盤管與殼體所構(gòu)成的第二對流換熱區(qū)。在第二對流換熱區(qū)，煙氣由上而下流動(dòng)，而熔鹽則由下而上流動(dòng)，構(gòu)成逆向?qū)α鲹Q熱，換熱效果顯著。最終，換熱后煙氣由殼體下部排煙口排出。熔鹽由下聯(lián)箱進(jìn)入爐體，在爐內(nèi)吸收熱量后，從上聯(lián)箱排出。爐管支承形式：外盤管支承在爐底支架上，可向上自由膨脹；內(nèi)盤管和頂盤管由吊掛裝置吊掛在殼體上，可向下自由膨脹；內(nèi)盤管上端部與爐頂小蓋之間保持相對靜止，可有效地保證煙氣密封及降低爐頂外部溫度。

（2）立式頂燃支撐式熔鹽爐

該爐型的結(jié)構(gòu)以及煙氣和熔鹽的流程基本類似于立式頂燃吊掛式熔鹽爐。其最大的不同之處在于爐管的支承形式：內(nèi)盤管與外盤管均支承在爐底支架上，可向上自由膨脹；高溫運(yùn)行時(shí)內(nèi)盤管上端部與爐頂小蓋之間有相對位移，因此采用耐熱纖維氈來有效地保證煙氣密封。

（3）立式底燃支撐式熔鹽爐

采用圓筒螺旋盤管結(jié)構(gòu)，其受熱面由內(nèi)、外兩層螺旋盤管及頂盤管（與外層盤管串聯(lián)）組成，燃燒器置于爐底中心。高溫?zé)煔庥上露吓c內(nèi)層盤管、頂盤管和外層盤管的上部輻射換熱后，再從內(nèi)層盤管頂部由上而下進(jìn)入由內(nèi)、外兩層盤管所構(gòu)成的第一對流換熱區(qū)。在第一對流換熱區(qū)經(jīng)換熱后從外層盤管下部進(jìn)入外盤管與殼體所構(gòu)成的第二對流換熱區(qū)。在第二對流換熱區(qū)，煙氣由下而上流動(dòng)，而熔鹽也為由下而上流動(dòng)，構(gòu)成順向?qū)α鲹Q熱，換熱效果與逆向?qū)α鲹Q熱相比相對較差些。最終，換熱后煙氣由殼體上部排煙口排出。熔鹽由下聯(lián)箱進(jìn)入爐體，在爐內(nèi)吸收熱量后，從上聯(lián)箱排出。爐管支承形式：內(nèi)盤管、外盤管均支承在爐底支架上，可向上自由膨脹。

立式底燃支撐式熔鹽爐其受熱面若由內(nèi)、中、外三層螺旋盤管及頂盤管（與中層盤管串聯(lián)）組成，煙氣流程為三層四回程。三層盤管與二層盤管相比，增加了第三對流換熱區(qū)。在第三對流換熱區(qū)，煙氣由上而下流動(dòng)，而熔鹽則由下而上流動(dòng)，構(gòu)成逆向?qū)α鲹Q熱，換熱效果顯著。最終，換熱后煙氣由殼體下部排煙口排出。由于煙氣多經(jīng)過一個(gè)回程，煙氣阻力增大，爐體內(nèi)正壓提高，因此必須加大鼓風(fēng)機(jī)功率及壓頭。但這樣也易引起爐體局部漏煙。

2導(dǎo)熱油爐和供熱循環(huán)系統(tǒng)的自動(dòng)控制與智能化控制

導(dǎo)熱油爐是以導(dǎo)熱油在加熱爐的出口溫度和出口壓力作為控制參量的，這些參量用以控制調(diào)節(jié)燃燒。但由于燃料的不同和導(dǎo)熱油的氣液相不同，控制調(diào)節(jié)的對象和側(cè)重點(diǎn)是不同的[3]。

2.1燃煤、燃油、燃?xì)狻㈦娂訜釥t的控制調(diào)節(jié)

對燃煤導(dǎo)熱油爐是通過對引風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)以及爐排運(yùn)行速度的調(diào)節(jié)來控制燃燒的；對燃油、燃?xì)鈱?dǎo)熱油爐是通過調(diào)節(jié)空氣量和燃料輸入閥門開關(guān)以及閥門開度來控制燃燃的；對電加熱爐是以電加熱元件的投入運(yùn)行量或切斷運(yùn)行量來控制加熱的。

液相導(dǎo)熱油爐注重導(dǎo)熱油溫度的控制和調(diào)節(jié)，要有流量檢測和控制保護(hù)，通常采用檢測進(jìn)出口壓差來反映流量的變化；而氣相導(dǎo)熱油爐則更關(guān)注爐內(nèi)壓力與液位的控制，要有壓力與液位的檢測和控制保護(hù)。

2.2供熱循環(huán)系統(tǒng)的自動(dòng)控制

供熱循環(huán)系統(tǒng)的自動(dòng)控制分為兩大部分：動(dòng)力控制部分和儀表顯示控制部分。

動(dòng)力控制部分在管路系統(tǒng)上主要控制注油泵、循環(huán)油泵。對于加熱爐，有不同的控制要求：對燃煤導(dǎo)熱油爐，主要是控制引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、爐排以及出渣機(jī)等；對燃油燃?xì)鈱?dǎo)熱油爐，主要是控制燃燒器風(fēng)機(jī)、輸送燃油泵或輸送燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥等；對電加熱導(dǎo)熱油爐，主要是控制接觸器、固態(tài)繼電器的運(yùn)行，以決定電加熱元件的投入量。

儀表顯示控制部分分為就地顯示儀表和遠(yuǎn)傳集中顯示控制儀表。對系統(tǒng)運(yùn)行過程中的一系列過程量參數(shù)如壓力、溫度、液位等，一般都需要有現(xiàn)場顯示儀表。同時(shí)，由于自動(dòng)控制運(yùn)行的要求以及操作和管理的需要，控制系統(tǒng)需要將一些運(yùn)行過程中的參數(shù)集中到控制中心，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，然后根據(jù)控制要求輸出到現(xiàn)場設(shè)備，以控制設(shè)備運(yùn)行。

2.3導(dǎo)熱油爐和供熱循環(huán)系統(tǒng)的報(bào)警保護(hù)

自動(dòng)控制調(diào)節(jié)是保證導(dǎo)熱油爐的輸出熱量能夠滿足用熱設(shè)備要求，同時(shí)使供熱循環(huán)系統(tǒng)在良好的工況下安全運(yùn)行。而報(bào)警保護(hù)則是在運(yùn)行過程中檢測運(yùn)行數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀況，如發(fā)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)超限或發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)異常、有故障，即報(bào)警以至停爐保護(hù)。

（1）液位控制和報(bào)警保護(hù)

①高位膨脹槽液位控制和報(bào)警保護(hù)。

②低位貯槽液位控制和報(bào)警保護(hù)。

③氣相導(dǎo)熱油爐鍋殼內(nèi)液位控制和報(bào)警保護(hù)，極低液位停爐保護(hù)。

（2）壓力控制和報(bào)警保護(hù)

①出口壓力控制和報(bào)警保護(hù)。

②液相導(dǎo)熱油爐的進(jìn)出口壓差報(bào)警保護(hù)。

（3）排煙溫度控制和報(bào)警保護(hù)

（4）循環(huán)油泵連鎖保護(hù)

循環(huán)油泵出現(xiàn)故障不能運(yùn)行時(shí)，必須自動(dòng)停爐，進(jìn)行連鎖保護(hù)。

2.4導(dǎo)熱油爐和供熱循環(huán)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

可編程邏輯控制器（PLC）的I/O接口模塊豐富，對于目前工業(yè)控制場合所使用的一次儀表、傳感器、變送器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)都能找到相對應(yīng)的接口模塊，而且它還具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理運(yùn)算功能。在導(dǎo)熱油爐的PLC+PC控制系統(tǒng)中，PLC主要擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析運(yùn)算、數(shù)據(jù)輸出以及控制設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行的功能。同時(shí)，PLC還可通過通訊口與上位工業(yè)控制計(jì)算機(jī)連接。上位工控機(jī)將PLC傳送來的數(shù)據(jù)信息，通過組態(tài)軟件組態(tài)，將控制系統(tǒng)設(shè)備模擬顯示在屏幕上。在工控機(jī)的屏幕上可以逼真地動(dòng)態(tài)顯示導(dǎo)熱油爐的運(yùn)行狀態(tài)，如燃燒火焰狀態(tài)、燃燒器風(fēng)機(jī)運(yùn)行、導(dǎo)熱油在管內(nèi)的流動(dòng)等。PLC采集到的經(jīng)過運(yùn)算處理的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在屏幕上。同時(shí)工控機(jī)充分發(fā)揮存儲設(shè)備龐大容量的優(yōu)勢，將PLC傳送過來的數(shù)據(jù)存儲，建立歷史數(shù)據(jù)庫。它不僅可以定時(shí)采樣、儲存歷史數(shù)據(jù)，也可以隨機(jī)儲存控制系統(tǒng)給出的導(dǎo)熱油爐故障報(bào)警信息，記錄故障發(fā)生的時(shí)間、故障類型和故障消除時(shí)間等。在屏幕上可顯示報(bào)警提示、顯示報(bào)警點(diǎn)位置，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)解決。

3太陽能光熱發(fā)電中熔鹽循環(huán)系統(tǒng)

3.1太陽能光熱發(fā)電站

光熱熔鹽發(fā)電站采用熔融鹽儲罐來儲存太陽能，所以在沒有日照的時(shí)候依然可以持續(xù)發(fā)電。塔式光熱熔鹽發(fā)電站是采用中央接收塔和熔融鹽儲能技術(shù)的太陽能光熱發(fā)電站。它通過定日鏡將太陽熱輻射反射到置于高塔頂部的高溫熔鹽集熱器上，加熱后的熔融鹽可以在更高溫度下儲存熱量，通過熔鹽蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生過熱蒸汽，驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。

槽式光熱發(fā)電站采用槽式集熱器進(jìn)行太陽能反射，通過拋物面槽式反射鏡將太陽光聚焦到管狀的接收器上，將管內(nèi)的導(dǎo)熱油加熱，其中一部分熱油進(jìn)入導(dǎo)熱油蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)蒸汽渦輪機(jī)發(fā)電。而槽式光熱熔鹽發(fā)電站也是采用熔融鹽儲罐來儲存太陽能的。白天光照好的時(shí)候，將一部分熱量儲存在另外一部分熱油加熱熔鹽中，這些熱能被儲存在高溫熔融鹽儲罐內(nèi)，以便在夜晚或陰雨天釋放出來，通過熔融鹽加熱導(dǎo)熱油，再進(jìn)入導(dǎo)熱油蒸氣發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)蒸汽渦輪機(jī)發(fā)電。

3.2熔鹽蓄熱儲能循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)

太陽能光熱熔鹽發(fā)電站采用冷熔鹽貯罐和熱熔鹽貯罐存放熔鹽。循環(huán)系統(tǒng)工作時(shí)，冷熔鹽貯罐內(nèi)的熔融鹽經(jīng)熔鹽泵被輸送到太陽能集熱器內(nèi)，吸收熱能升溫后進(jìn)入熱熔鹽貯罐中，隨后高溫熔融鹽從熱熔鹽貯罐流進(jìn)熔鹽蒸汽發(fā)生器，加熱冷水產(chǎn)生過熱蒸汽，驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪機(jī)運(yùn)行發(fā)電。熔融鹽溫度降低后流回冷熔鹽貯罐。光熱發(fā)電熔鹽蓄熱儲能循環(huán)系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。該系統(tǒng)包括：聚光反射裝置、聚光吸熱器、冷熔鹽貯罐、熱熔鹽貯罐、熔鹽泵、熔鹽蒸汽發(fā)生器、熔鹽預(yù)熱器，熔鹽過熱器、熔鹽融化保溫裝置、熔鹽輸送管路預(yù)熱保溫裝置，還有熔鹽防凍、抗凍和解凍加熱裝置、熔鹽安全防泄漏裝置，以及配套輔機(jī)和閥門儀表、電控裝置等[4]。

圖1　光熱發(fā)電熔鹽蓄熱儲能循環(huán)系統(tǒng)的工藝流程

在光熱發(fā)電站的熔鹽蓄熱儲能循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮配置多少規(guī)模大?。〞r(shí)間）的蓄熱儲能設(shè)備，才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的最大化。首先，通過計(jì)算分析確定熔鹽存貯總量和系統(tǒng)循環(huán)流量，計(jì)算冷熔鹽貯罐和熱熔鹽貯罐的容積，同時(shí)設(shè)計(jì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)型式，繪制熔鹽循環(huán)系統(tǒng)的管路圖。然后，選擇熔鹽泵規(guī)格型號以及閥門儀表的規(guī)格型號，再設(shè)計(jì)計(jì)算熔鹽蒸汽發(fā)生器、熔鹽預(yù)熱器和熔鹽過熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。此外，為了確保熔鹽的使用安全，還應(yīng)再配備相應(yīng)的熔鹽安全防泄漏裝置，同時(shí)采用電伴熱系統(tǒng)防止熔鹽凝固，避免造成管路的堵塞現(xiàn)象。

3.3電伴熱裝置計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制、監(jiān)測、操作系統(tǒng)

光熱熔鹽發(fā)電站中通常采用電伴熱裝置，而在電伴熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用的設(shè)備一般為發(fā)熱電纜。發(fā)熱電纜是以電力為能源，利用合金電阻絲通電發(fā)熱，與被保溫熔鹽進(jìn)行換熱來達(dá)到保溫的效果。在光熱發(fā)電站的設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，應(yīng)根據(jù)熔鹽管道和熔鹽貯罐的位置及結(jié)構(gòu)，進(jìn)行電伴熱裝置的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是以最小化投資額和最小化耗電量來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化熔鹽保溫效果。

電伴熱裝置的設(shè)計(jì)方案確定后，就可開始在光熱發(fā)電站的熔鹽管道和熔鹽貯罐周圍鋪設(shè)發(fā)熱電纜，同時(shí)安裝DCS控制系統(tǒng)。DCS控制系統(tǒng)與發(fā)熱電纜相互連接，以實(shí)現(xiàn)對各部位的溫度監(jiān)控，并配備相關(guān)的溫度檢測設(shè)備。當(dāng)某處溫度降至設(shè)定的溫度點(diǎn)時(shí)，溫度檢測設(shè)備將發(fā)出信號，電伴熱系統(tǒng)立刻啟動(dòng)運(yùn)行，將其進(jìn)行加熱以保證熔鹽不會(huì)凝固。另外，還采用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的整體進(jìn)行遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測和控制，并可以與操作人員的移動(dòng)電腦進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。整個(gè)系統(tǒng)看起來就像是一個(gè)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可方便地隨時(shí)隨地對光熱發(fā)電站系統(tǒng)的溫度進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整。

4熔鹽反應(yīng)堆核能發(fā)電中熔鹽循環(huán)系統(tǒng)

4.1釷基熔鹽反應(yīng)堆核能發(fā)電站

釷基熔鹽反應(yīng)堆就是以釷作為核燃料，以液態(tài)氟化鹽作為冷卻劑，以石墨作為中心慢化劑的核反應(yīng)堆。美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室1965年建成的一座8 MW實(shí)驗(yàn)堆，其運(yùn)行溫度為650℃，采用液態(tài)氟化鹽燃料作為堆芯燃料。整個(gè)堆芯置于反應(yīng)堆容器內(nèi)。反應(yīng)堆容器高約2350 mm，直徑約為1500 mm，容器內(nèi)主要為裝載燃料和石墨慢化劑棒的活性區(qū)。燃料成分為LiF—BeF2—ZrF4—ThF4—UF4，其中7Li的富集度為99.992 6％。石墨慢化劑棒長1600 mm，邊長50.8 mm，其4個(gè)側(cè)面含U形孔道，與相鄰石墨棒面上的U形孔道拼接成熔鹽燃料通道，整個(gè)活性區(qū)直徑約為1400 mm。活性區(qū)外層為約10 mm厚的堆芯罐。堆芯罐和反應(yīng)堆容器之間流動(dòng)的燃料起冷卻作用，稱為熱交換燃料鹽。熔鹽燃料從燃料入口流進(jìn)反應(yīng)堆容器與堆芯罐之間，隨后流至反應(yīng)堆容器底部，在容器底部由防渦流葉片引導(dǎo)向上流入燃料通道，最后經(jīng)反應(yīng)堆容器頂部流入燃料出口管道，流速為1.514 m3/min。由于氟化鹽的沸點(diǎn)為1400℃，所以熔鹽循環(huán)系統(tǒng)可在較低的壓力下進(jìn)行循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而具有高溫低壓能量輸送回路的顯著優(yōu)勢。此外，釷基熔鹽反應(yīng)堆還是一種無核泄漏危險(xiǎn)的反應(yīng)堆。

小型的釷基熔鹽反應(yīng)堆核能發(fā)電站額定功率為2 MW，大型的額定功率超過3500 MW。此外，它還可以設(shè)計(jì)成潛艇或飛行器上所使用的小型尺寸動(dòng)力設(shè)備，并且能夠維持很長時(shí)間的運(yùn)行。

4.2熔鹽循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)

熔鹽反應(yīng)堆內(nèi)熔鹽循環(huán)系統(tǒng)如圖2所示。熔鹽循環(huán)系統(tǒng)工作時(shí)，反應(yīng)堆內(nèi)的燃料鹽（LiF—BeF2—ThF4—UF4）吸收核能升溫后，經(jīng)燃料鹽循環(huán)泵（一次泵）被輸送到熔鹽熱交換器內(nèi)，放出熱量后燃料鹽溫度降低，再返回熔鹽反應(yīng)堆內(nèi)吸收熱量。該燃料鹽循環(huán)系統(tǒng)稱為一次循環(huán)系統(tǒng)，但是一次循環(huán)系統(tǒng)帶有核輻射。熔鹽冷卻循環(huán)系統(tǒng)稱為二次循環(huán)系統(tǒng)，該循環(huán)系統(tǒng)中冷卻鹽（NaBF4—NaF）在熔鹽熱交換器內(nèi)吸收熱量升溫后，進(jìn)入熔鹽蒸汽發(fā)生器內(nèi)加熱蒸汽，高溫的蒸汽驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)運(yùn)行發(fā)電，冷卻后的蒸汽返回熔鹽蒸汽發(fā)生器內(nèi)再吸收熱量。冷卻鹽溫度降低后，經(jīng)熔鹽冷卻循環(huán)泵（二次泵）被輸送到熔鹽熱交換器內(nèi)，繼續(xù)吸收熱量，二次循環(huán)系統(tǒng)沒有核輻射。上述過程不斷循環(huán)，構(gòu)成了燃料鹽循環(huán)系統(tǒng)和冷卻鹽循環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)運(yùn)行停止時(shí)，燃料鹽應(yīng)排放到燃料鹽貯罐內(nèi)，而冷卻鹽應(yīng)排放到冷卻鹽貯罐內(nèi)[5]。

圖2　熔鹽反應(yīng)堆內(nèi)熔鹽循環(huán)系統(tǒng)的工藝流程

熔鹽反應(yīng)堆內(nèi)熔鹽循環(huán)系統(tǒng)包括下列設(shè)備：熔鹽反應(yīng)堆、燃料鹽貯罐、冷卻鹽貯罐、應(yīng)急熔鹽儲存罐、熔鹽熱交換器、熔鹽蒸汽發(fā)生器、燃料鹽循環(huán)泵（一次泵）、冷卻鹽循環(huán)泵（二次泵）、蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)、熔鹽融化保溫裝置、熔鹽輸送管路預(yù)熱保溫裝置，還有熔鹽防凍抗凍和解凍裝置、熔鹽冷凍易熔塞裝置、熔鹽在線凈化后處理裝置、熔鹽安全防泄漏裝置，以及配套輔機(jī)、閥門儀表、電控裝置和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制、監(jiān)測、操作系統(tǒng)等。

4.3計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制、監(jiān)測、操作系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)可以根據(jù)發(fā)電機(jī)組的要求，自動(dòng)調(diào)節(jié)熔鹽反應(yīng)堆內(nèi)高溫熔融鹽的出口溫度、出口壓力、進(jìn)出口溫差、進(jìn)出口壓差、出口熔鹽流速、熔鹽流量等運(yùn)行參數(shù)，并且能夠準(zhǔn)確顯示、測量、記錄過程參數(shù)的變化。同時(shí)，在運(yùn)行過程中，還可在線監(jiān)測運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)。當(dāng)運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)超限或運(yùn)行狀態(tài)異常時(shí)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)將發(fā)出聲光報(bào)警，設(shè)備部件執(zhí)行某種動(dòng)作進(jìn)行保護(hù)，甚至執(zhí)行停止運(yùn)行的保護(hù)。

當(dāng)PLC配備上人機(jī)界面時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)人與PLC間的數(shù)據(jù)信息交流。目前液晶顯示的觸摸屏作為一種同時(shí)具備輸入和輸出功能的設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。液晶顯示的觸摸屏能動(dòng)畫顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，動(dòng)態(tài)顯示PLC傳送過來的數(shù)據(jù)信息；同時(shí)它還可在液晶屏上直接用手按動(dòng)顯示的鍵盤輸入數(shù)據(jù)到PLC中，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話。采用計(jì)算機(jī)智能化控制，可將熔鹽反應(yīng)堆的啟動(dòng)和運(yùn)行過程始終置于監(jiān)控中，將熔鹽循環(huán)系統(tǒng)中熔融鹽的溫度、壓力、溫差、壓差、流速和流量通過人機(jī)界面動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)出來，并使界面顯示的高溫熔融鹽運(yùn)動(dòng)速率與流量計(jì)測定的熔鹽流量相關(guān)聯(lián)。同時(shí)，還可對高溫熔融鹽進(jìn)行流量檢測和控制保護(hù)，并對熔鹽一次、二次循環(huán)泵的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)，如果發(fā)生不正常的狀況，即報(bào)警保護(hù)，直至停止運(yùn)行保護(hù)。

5燃生物質(zhì)熱能工廠的智能化控制

5.1熱能工廠（熱能中心）的生產(chǎn)工藝過程

本章以人造板行業(yè)燃生物質(zhì)熱能工廠為例來加以闡述。人造板行業(yè)的熱能工廠（熱能中心）采用生物質(zhì)能源，使用砂光粉、鋸邊料、廢木頭、樹皮、廢木質(zhì)纖維等作為燃料，提供整個(gè)人造板生產(chǎn)工藝過程所需要的熱源，從而達(dá)到環(huán)保與節(jié)能的效果[6]。

該熱能工廠的生產(chǎn)工藝流程如圖3所示。熱能工廠燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，在引風(fēng)機(jī)作用下分別被分配到蒸汽鍋爐和熱油爐，另一路煙風(fēng)經(jīng)系統(tǒng)風(fēng)管和除塵器直接進(jìn)入混合器。蒸汽鍋爐產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過分汽缸，再分別送到熱磨工段和制膠工段。熱能工廠中的導(dǎo)熱油經(jīng)熱油爐和生物質(zhì)燃燒爐加熱后，一路送到熱壓機(jī)工段的導(dǎo)熱油二次循環(huán)系統(tǒng)，另一路送到油氣換熱器加熱空氣，用于干燥風(fēng)的調(diào)溫。而流經(jīng)蒸汽鍋爐和導(dǎo)熱油爐的煙風(fēng)與直通風(fēng)道的煙氣在混合器中匯合，然后與換熱器輸出的熱風(fēng)再次混合，生成溫度適當(dāng)?shù)臒犸L(fēng)，供給纖維干燥工段。

圖3　熱能工廠的生產(chǎn)工藝流程

5.2熱能工廠的生物質(zhì)燃燒過程的自動(dòng)化控制

該熱能工廠是把人造板加工行業(yè)的廢料砂光粉、鋸木屑等送入燃燒爐，砂光粉焚燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔獬蔀閷?dǎo)熱油爐的加熱源。因此要控制導(dǎo)熱油爐的出油溫度，就應(yīng)該控制高溫?zé)煔獾臏囟?。而要控制高溫?zé)煔獾臏囟?，就必須控制砂光粉燃燒爐的燃燒，即調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、往復(fù)爐排、砂光粉輸送量。生物質(zhì)燃燒爐的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　生物質(zhì)燃燒爐的結(jié)構(gòu)

熱能工廠的供熱系統(tǒng)采用全自動(dòng)化操作運(yùn)行。該系統(tǒng)設(shè)置組合風(fēng)門，用于調(diào)整生物質(zhì)燃燒爐的一次進(jìn)風(fēng)、二次助燃進(jìn)風(fēng)和各個(gè)風(fēng)道的風(fēng)量與溫度。應(yīng)急情況下可以打開煙囪風(fēng)門排放熱風(fēng)，確保生物質(zhì)燃燒爐及設(shè)備安全。運(yùn)行時(shí)通過調(diào)節(jié)生物質(zhì)燃燒爐的燃燒量和控制蒸汽、導(dǎo)熱油、干燥熱風(fēng)三個(gè)子系統(tǒng)的熱量平衡，來滿足中、高密度板生產(chǎn)線各部分的用熱需要?？稍谟?jì)算機(jī)上動(dòng)態(tài)顯示各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的操作簡單方便。

該熱能工廠的熱效率可達(dá)到95％以上，生物質(zhì)廢料燃燒消耗和中、高密度板生產(chǎn)同步平衡。燃燒裝置采用往復(fù)爐排并與變頻噴燃相結(jié)合。供熱系統(tǒng)采用統(tǒng)一供應(yīng)蒸汽、導(dǎo)熱油、干燥熱風(fēng)的熱能綜合應(yīng)用模式。操作管理上采用智能化電腦控制。

5.3熱能工廠一次、二次循環(huán)供熱回路智能化控制

人造板加工行業(yè)的熱壓機(jī)在生產(chǎn)過程中要吸收很多熱量，并且對熱壓機(jī)的板面溫度及其均勻性有嚴(yán)格的要求。如果直接將導(dǎo)熱油爐的輸出熱油與熱壓機(jī)相連接，在額定流量下，用熱設(shè)備和導(dǎo)熱油爐的進(jìn)出口溫差波動(dòng)會(huì)很大，無法滿足生產(chǎn)工藝要求。為此在總熱出力不變的條件下，設(shè)計(jì)了具有大流量、小溫差特性的二次循環(huán)供熱回路，配置多套循環(huán)泵和三通調(diào)節(jié)閥，通過熱壓機(jī)的對應(yīng)層板構(gòu)成多個(gè)二次循環(huán)回路。當(dāng)熱壓機(jī)吸熱時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)使三通閥直通開大、旁通關(guān)小，導(dǎo)熱油爐輸出的高溫導(dǎo)熱油將有一個(gè)增加量補(bǔ)充到熱壓機(jī)臺板面，而經(jīng)熱壓機(jī)臺板面流出的低溫導(dǎo)熱油也以相同份額返回導(dǎo)熱油爐，各回路的流量不變。但在調(diào)節(jié)閥的作用下改變了高溫導(dǎo)熱油和低溫導(dǎo)熱油的混合比率，使熱壓機(jī)臺板面獲得所需的熱量。由于在各個(gè)二次循環(huán)供熱回路中配置了導(dǎo)熱油循環(huán)油泵用于強(qiáng)制循環(huán)，各個(gè)二次循環(huán)流量的總和要大于導(dǎo)熱油主循環(huán)流量，在同比熱交換下，溫差趨于減小，從而達(dá)到了向熱壓機(jī)臺板面平衡傳送熱量的目的。

熱能工廠的智能化控制可使砂光粉燃燒爐和用熱設(shè)備的工作更加合理，供熱循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行更加可靠，并且具有更高的控制質(zhì)量和性價(jià)比。采用合適的一次循環(huán)供熱回路和二次循環(huán)供熱回路，并配以智能化的運(yùn)算處理邏輯、靈活的軟硬件組態(tài)形式，不僅能滿足一般生產(chǎn)用熱需要，而且更能適用于多回路、多階段、溫控要求高、動(dòng)作頻繁以及周期性或間歇性加熱、冷卻的復(fù)雜生產(chǎn)工藝條件。實(shí)際應(yīng)用表明，熱壓機(jī)的壓板溫度超調(diào)量動(dòng)態(tài)小于2℃，穩(wěn)態(tài)精度優(yōu)于0.7℃，板面溫差小于1％，這樣就保證了熱壓機(jī)臺板面處于恒溫加熱的工況，從而滿足了中、高密度板加工生產(chǎn)的質(zhì)量要求。

6　結(jié)束語

隨著自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在熱載體加熱爐和供熱循環(huán)系統(tǒng)領(lǐng)域，其自動(dòng)控制和智能化控制的水平也有了很大提高。電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)在這一領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使得熱載體加熱爐在穩(wěn)定輸出參數(shù)、保障設(shè)備安全、降低操作者勞動(dòng)強(qiáng)度和維持經(jīng)濟(jì)燃燒等方面有了很大的完善和提高。

目前熱載體加熱爐和供熱循環(huán)系統(tǒng)的智能化控制水平，正向著高可靠性、全自動(dòng)、數(shù)據(jù)在線遠(yuǎn)程監(jiān)控、友好的人性化人機(jī)界面等諸多新技術(shù)方向發(fā)展。熱載體加熱爐控制系統(tǒng)與上位控制計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)連接。上位計(jì)算機(jī)配備陰極射線管圖形顯示技術(shù)、大容量存儲設(shè)備以及打印設(shè)備等構(gòu)成操作工作站，采集熱載體加熱爐燃燒工況數(shù)據(jù)和熱載體流動(dòng)工況數(shù)據(jù)，并通過這些數(shù)據(jù)對熱載體加熱爐的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí)，還可通過采集熱載體加熱爐控制系統(tǒng)的上傳數(shù)據(jù)，監(jiān)測、分析和管理數(shù)據(jù)信息，根據(jù)管理層要求下達(dá)命令，改變運(yùn)行設(shè)置參數(shù)，顯示、記錄歷史數(shù)據(jù)和故障信息，查找故障原因。

當(dāng)下，“互聯(lián)網(wǎng)+”風(fēng)頭正勁，以信息化、自動(dòng)化、智能化為突破口的“中國制造2025”將實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的升級。計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，也引起了熱載體加熱爐和供熱循環(huán)系統(tǒng)自動(dòng)化控制技術(shù)的創(chuàng)新，即現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)正越來越受到設(shè)備制造廠家與生產(chǎn)用戶的關(guān)注?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，將給熱載體加熱爐與供熱循環(huán)系統(tǒng)的智能化控制水平帶來一次技術(shù)飛躍，從而開創(chuàng)“互聯(lián)網(wǎng)+熱載體加熱技術(shù)+智能化工廠”的新紀(jì)元。

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Research on Structure of Heat Carrier Furnace and Application Analysis of Intelligent Control of Heat-supply Circulation System

Wang Qi Yu Hongxiao Zhang Huifen

Abstract：First of all,the structures and automatic control mode of the heat-conducting oil furnace and molten salt furnace are introduced.Secondly,the intelligent control of the thermal oil and molten salt heat-supply circulation systems are discussed while the computer automatic control of the molten salt circulation system and electric heat tracing installation in the solar-thermal power generation is analyzed.Moreover,the computer automatic control of the molten salt circulation system in the nuclear electricity generation of the molten salt reactor is studied.At last,the automatic control of the biomass combustion system of the thermal plant is discussed.All in all,the intelligent control of the first and second circulation heating circuit of the thermal plant are summarized.

Key words：Heat-conducting oil furnace; Molten salt furnace; Heat-supply circulation system; Intelligent control; Solar-thermal molten salt power generation; Biomass energy; Nuclear energy; Thermal plant

收稿日期：（2015-09-20）

中圖分類號TQ 054

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.04.007