低溫余熱回收換熱器熱力及控制系統的關鍵技術

發布時間:2019-08-27

摘要:一種用于煙氣余熱回收的準等溫換熱器的熱力及控制系統技術裝置,主要包括:(1)準等溫換熱器接入鍋爐煙道的熱力數據采集系統;(2)確保準等溫特性的程序控制硬件,及其鉗制壁溫變化率的預置的邏輯程控軟件系統。針對現有的低溫控制方案的缺陷,利用對壁溫變化率再調節的二階導數模型,充分發揮了壁溫變化率的預置邏輯程控作用,從而保證了換熱器的外壁的壁溫隨熱交換的冷熱源動態變化而浮動在煙氣酸露點之上,有效的避免的設備腐蝕,從根本上提高了余熱利用設備的可靠性,從技術手段上實現了保證設備壽命及其投資回報的經濟性。

   關鍵詞:低溫余熱  換熱器 控制系統

Abstract:Thermal and control system technology device, a flue gas waste heat recovery of the quasi isothermal heat exchanger mainly include: (1) quasi isothermal heat exchanger access to boiler flue thermodynamic data acquisition system; (2) to ensure that the characteristics program control hardware of quasi isothermal, logic programming software system and clamp the change rate of wall temperature. Aiming at the defects of low temperature existing control schemes, using the two order derivative model of readjusting on the change rate of wall temperature, it gives a full play to the preset programmed logic function of the change rate of wall temperature, so as to ensure that the outer wall temperature of heat exchanger floats above the flue gas acid dew point with the cold and heat source dynamic changes of heat exchange, which avoid the corrosion effectively, and improve the waste heat utilization equipment reliability fundamentally, so the technical can ensure the life of equipment and realize its return on investment.

    Keywords: low temperature waste  heat exchanger  control system

 

在國內由于鍋爐運行和出廠設計的排煙溫度,占鍋爐熱損失的比例很大,充分利用排煙余熱,不僅符合節能減排政策要求,也能同時降低企業的用能成本。低溫余熱換熱器就是具體的一種可以滿足現有運行條件的鍋爐余熱回收利用的換熱控制裝備。

1 技術概況

目前余熱利用設備逐漸地被商業化。煙氣中的余熱技術可分為直接換熱方式和間接換熱兩種方式。(1)以低壓省煤器為代表的直接換熱,結構簡單、換熱效率較高,但存在著換熱壁面的溫度梯度,從而跨越酸露點上下,易形成換熱管壁的腐蝕和積灰。為避免腐蝕,人們通過對冷源方面做了改進,使得整體冷源升溫,以保證換熱元件的壁溫控制在酸露點以上,從而避免腐蝕區,如《帶有溫度自控系統的低壓省煤器》、《發電機組低壓省煤器優化系統》、《防腐節能型鍋爐煙氣余熱利用裝置》相關說明中都都提到了壁溫控制。現有的換熱器在第一列管程入口就通過接入的管道配水,由于被調節的水量在管道內容量有限,加之外界能夠提供相對穩定的冷熱水源溫度范圍有限,各冷熱源溫度較大的動態變化的結果,客觀上導致了壁溫變化無法滿足始終高于酸露點的控制策略的實現,運行幾年后會不時的出現點腐蝕,甚至面腐蝕,降低了設備投資的經濟性。(2)以熱管換熱器和相變換熱器為代表的間接換熱,解決了因壁溫腐蝕的問題,但總體傳熱效率比直接換熱方式相對較低,降溫幅度較小,因結構特殊,也存在著水平安裝和推廣受限的條件。

目前多數的商業化的余熱利用裝備中,往往需要調節冷源水溫和流量,使得換熱器的壁溫始終保持在酸露點之上,這屬于一個大慣性、鈍滯后的過程,如果用常規PID控制很難獲得滿意的控制效果。因為常規PID是線性的,僅適用于小慣性、小滯后的過程,當把PID控制應用在非線性、大慣性的系統時遇到了很大的難度,不能達到控制目標。

綜上所述,為充分利用具有較高換熱效率的直接換熱設備,以及改進控制的品質與效果,克服上述間接換熱余熱利用裝備效率低和現有直接換熱設備在PID控制方面的小滯后的技術不足,本文作者在原參與的專利技術《準等溫低壓省煤器》機械結構基礎上,利用大慣性的模糊預測控制壁溫的方法進行實時調節,從而確保了該等換熱器管壁不受腐蝕。模糊預測控制的建立是根據系統實時辨識建立模糊規則,采用了人工神經網絡的反向傳播算法辨識和MAX-MIN模糊推理法。運用模糊推理可對冷熱源接口的熱力動態輸入數據提前預估其未來輸出量,補償被控過程的慣性和滯后對控制系統性能的影響,可有效防止當被控過程的鈍滯后較大時,常規PID控制出現的欠調或超調,引起系統擾動現象。其預補償量可通過模糊推理對被控量的偏差根據被控量的大小和其變化速率、方向以及時間關系進行,從而改進控制品質。

2 實施案例

2.1基本方法

在準等壁溫換熱器的直接換熱系統及其控制系統中,準確的壁溫控制系統,是由水循環控制子系統、壁溫的溫度控制子系統和協調控制子系統組成。本系統中要通過調節循環水溫和流量將換熱器的壁溫保持在酸露點之上,是一個大的慣性和鈍滯后的過程。由于常規PID控制器是線性的,適用于小慣性、小滯后的過程,目前商業應用的常規PID應用在非線性、大慣性的系統時存在著非常滯后的現象,其控制很難獲得滿意的控制目標。為了改進控制的品質與效果,確保換熱器管壁不受腐蝕,本發明系統裝置中采用先進模糊預測控制方法,是本專利控制系統不同于以往系統的關鍵所在。模糊控制是根據系統實時辨識建立模糊規則,采用了人工神經網絡的反向傳播算法辨識,運用MAX-MIN法對過程未來輸出的預估作用,補償被控過程的慣性和滯后對控制系統性能的影響,從而有效防止當被控過程的鈍滯后較大時的欠調,引起系統擾動現象。模糊預測控制器是實現模糊控制工藝路線的智能設備,可有效的對被控量的偏差、被控量的大小和其變化速率、方向以及時間關系,先進行預補償,改進控制品質。

2.2  控制基本單元過程簡述

來自各類鍋爐煙氣包括電站燃煤鍋爐(含循環流化床鍋爐)、冶金熱風爐、石化加熱爐、導油爐、市政供熱燃氣爐等鍋爐的煙氣(如圖1)經數據采集系統25后、通過余熱利用翅片換熱器數據采集系統24,進行熱交換,進入煙氣排出數據采集系統系統23。同時,來自上述鍋爐系統的各類冷源,在進入低加前的鍋爐凝結水數據采集系統1、或進入除氧器前的除鹽水數據采集系統2、或進入熱交換首站前的供熱回水數據采集系統3之后,進入準等溫混合水箱數據采集系統4、余熱利用翅片換熱器數據采集系統24、回水箱6、回流泵5、回水箱數據采集系統6進行有序被控制的熱交換,被加熱的熱水經由水泵7進入鍋爐給水系統。

準等溫混合水箱4的水溫,是由具有準等溫控制特性的軟硬件系統進行控制,控制系統包括前置的輸溫度巡檢單元20、模糊預測控制器13水循環控制子系統14、壁溫的溫度控制子系統15、協調控制子系統16,以及執行器1112。這些硬件能夠在軟件的支持下,配合下完整的實現煙氣余熱回收需要的準等壁溫熱力控制功能。

      鉗制壁溫變化率的預置的邏輯程控軟件系統,其模糊預測控制器13所需支持的各單元軟件系統有:煙氣溫度數據處理系統21、壁溫數據處理系統22、混合水溫度數據處理系統9、換熱器熱水溫度數據處理系統8、溫度巡檢數據處理系統20、壁溫測量值數據處理系統10及其定值設定系統19、預測計算模塊單元13、水循環控制子系統14、壁溫的溫度控制子系統15、協調控制子系統16、輸出顯示及遙控單元1718等軟件支持系統。

1系統示意圖

1進入低加前的鍋爐凝結水冷源信號接入系統;2進入除氧器前的除鹽水冷源信號接入系統;3進入熱交換首站前的供熱回水冷源信號接入系統;4準等溫混合水箱;5回流泵;6回水箱;7出水加壓泵;8換熱器熱水溫度采集單元;9混合水輸入溫度采集單元;10壁溫測量值采集單元;11冷源水執行器;12回流水執行器;13預測計算模塊單元;14水循環控制子系統;15壁溫控制子系統;16協調控制子系統;17輸出報警系統單元;18輸出顯示及遙控單元;19溫度定值系統;20溫度巡測系統單元;21煙氣溫度輸入系統單元;22壁溫輸入系統單元;23熱交換后的排煙;24余熱翅片換熱器接入系統;25鍋爐排煙熱力信號接入系統

2.3 模糊控制的過程運算模型

模糊控制器的組成主要包括輸入模糊化、知識庫、推理決策、輸出精確化四個部分。模糊PID控制器以傳統PID控制器為基礎,引入模糊集合論,將PID參數根據偏差和偏差變化值的大小而動態變化,這樣顯然更符合被控對象真實的控制規律,使模糊控制得到更廣泛的應用。模糊控制系統是一種智能控制系統,具有系統響應快,超調小,過渡過程時間短等優點。模糊控制器是模糊控制系統的核心。

2.3.1傳統的PID控制器是一種線性控制器,其線性運算模型為:

e(t) = r(t) - y(t)                                                         1

ut=kp *e(t) + ki*e(t)dt + kd*de(t)/dt                  2

式中:

Kp 為比例系數,即成比例地反映偏差信號,偏差一旦產生,控制器就產生減小偏差;

K為積分系數,主要用于消除靜差,提高系統的無差度;

Kd 為微分系數,反映偏差信號的變化趨勢(變化速率),并能在偏差信號值變得太大之前,在系統中引入一個有效的早期修正信號,加快系統的動作速度,減小調節時間。

2.3.2模糊PID控制結構如圖2所示:模糊控制器采用二輸入三輸出模糊控制器, 輸入為溫度誤差e和溫度差變化率ec ,輸出為PID3個控制系數KpKiKd

P ID控制結構

各部分的具體設計如下:


PID3個控制系數模糊輸出劃分為7個模糊狀態, 分別為{ PB, PM, PS, 0, NS, NM, NB} ,其對應的模糊論域為{ 10.60.20-0.2-0.6-1}。通過靜態的輸入量,以及現場動態的的數據量,可以對模糊控制器的控制規則進行整定, 其中, 參數ΔKp 控制規則見表1

同理, 利用上述方法可以分別確定出ΔKi 和ΔKd的模糊控制規則。

2.3.3控制軟件程序框圖 

 

運用上述模糊控制的軟件,把上述所有的數據采集量,變化條件、操作范圍用模糊集表示,并把這些模糊規則以及有關信息,以及如PID初始化參數,儲存于計算機數據庫中,然后計算機根據控制系統的實際響應情況,PID參數模糊自整定是要找出PID三個參數與eec的之間的模糊關系。運用模糊軟件在線對PID參數進行修改,以誤差e和誤差變化ec作為輸入,可以滿足不同時刻的eecPID參數自整定的要求,即可自動實現對PID參數的最佳調整和自適應控制。

2.4熱力系統的控制結果:

以燃煤鍋爐排煙溫度140℃降到110℃時的換熱器控制為例,利用上述模糊控制模型,控制冷源溫度,當換熱器外壁溫大于95℃(已高于酸露點15℃)時,模糊控制輸出內壁溫信號大于等于70℃,此時可將將86.46t/h的除鹽水從5℃加熱至30℃;或者將48.24 t/h的供暖回水從47.8℃加熱至92.6℃;或者將78.48 t/h的凝結水從65.1℃加熱至92.6℃。其回流比Q結果分別控制為00.191.32  [注:循環回流比Q=(混合水溫-冷源溫度)  /  (熱源溫度-混合水溫)]

當鍋爐負荷降低,或季節變化時,如煙氣溫度從120℃降到110℃時,當換熱器外壁溫大于95℃(已高于酸露點15℃)時,模糊控制輸出內壁溫信號大于等于70℃,此時可將將28.8 t/h的除鹽水從5℃加熱至30℃;或者將16.8 t/h的供暖回水從47.8℃加熱至92.6℃;或者將29.5 t/h的凝結水從65.1℃加熱至92.6℃。因此,本發明的余熱利用模糊控制系統對于換熱系統的多種冷源的變化,實現了熱力系統可控可調。

3 結論

以上的實施例充分說明了,低溫余熱回收換熱器熱力及控制系統的關鍵技術在于混合后對混合技術的檢測和控制,從而有效的防止低溫余熱回收換熱設備在低于酸露點的工況下運行。同時,產生可觀的經濟效益、環境效益和社會效益。

 

參考文獻

1.       趙欣新等編著.余熱鍋爐研究與設計.中國標準出版社,2010

2.       車得福等編著.煙氣熱能梯級利用.化學工業出版社,2006

3.       緒方勝彥.現代控制工程.科學出版社,1976

4.       梅曉蓉,莊顯義.自動控制理論.電子工業出版社,2002

5.       戴鍋生.傳熱學.高等教育出版社,1999

 

服務熱線:021-5641 0599

關于我們
公司簡介
榮譽資質
合作伙伴
技術介紹
核心技術
技術裝備
研發平臺
業務領域
業務介紹
工程案例
人才招聘
招聘信息
聯系方式
新聞中心
公司新聞
行業新聞
投資者關系
快3在线计划