CN101943524B - 烟气热能梯级利用系统的控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种既能够能提高烟气热能梯级利用系统的热能利用率，同时受该烟气热能梯级利用系统正常波动的影响较小的烟气热能梯级利用系统的控制方法及实现该方法的控制系统。本发明的控制方法的特点是通过烟气热能梯级利用系统中热源处的气压与任意一级取气管内的气压之差来自动调节该取气管上的控制阀的开度，从而将上述差值维持在一设定值。方法不仅有效地减轻了操作工的劳动强度，消除了手动控制所带来的的安全隐患，而且能够快速、准确的自动将各级取气管之间的气量的配比调节到预设的理想比例，从而提高烟气热能的利用率。

Description

烟气热能梯级利用系统的控制方法及控制系统

技术领域

本发明涉及烟气热能梯级利用系统，具体涉及对该系统的控制方法以及实现该方法的控制系统。

背景技术

烟气热能梯级利用系统是现有技术。以图1所示的新型干法水泥余热发电梯级利用系统为例，该系统主要由篦冷机、冷却风机、引风机、高温取气管、中温取气管、低温烟气排气管以及ASH锅炉和AQC锅炉等部分组成。该系统的工作过程为：水泥原料在回转窑里烧成水泥熟料后从窑头罩进入篦冷机并掉到一段篦板上，然后随着篦板的运动慢慢往篦冷机尾部运动，此时由于多台冷却风机不停地鼓风冷却，熟料的温度不断下降，最终达到允许的温度后排出篦冷机；而通过冷却风机送入篦冷机的风冷却了水泥熟料后其自身温度升高，变成高温烟气后一部分通过高温取气管进入ASH锅炉，一部分通过中温取气管进入AQC锅炉，还有一部分通过低温烟气排气管上的排气阀后与从ASH锅炉和AQC锅炉排出的废气汇总再由引风机抽取并排入烟囱；进入ASH锅炉的烟气温度高于进入AQC锅炉的烟气温度，其作用是利用通过其中的高温烟气把AQC锅炉和窑尾锅炉送来的经过一次过热的过热蒸汽进一步加热成高温过热蒸汽输出到汽轮机，AQC锅炉则利用通过其中的高温烟气把通过其中的水加热成过热蒸汽并送往ASH锅炉进行进一步加热，而通过排气阀排入引风机的那部分烟气温度很低，其里面的热能不容易被提取出来加以利用。其他已知的烟气热能梯级利用系统的工作原理与此基本相同。

要确保该烟气热能梯级利用系统的热能利用率，必须根据篦冷机的实际工作状况对通过各级取气管以及低温烟气排气管的气流量进行控制，从而使高温取气管、中温取气管和低温烟气排气管中的气流量达到一个理想的比例，这样才能使热能利用率最大化。这已成为本领域技术人员的共识。当篦冷机的工作状况发生变化时，各级取气管以及低温烟气排气管之间的气量分配关系也应该进行相应的调整，因此就需要对各个管道上的阀门开度进行适应性的调节才能保证烟气在这些管道之间重新得到合理的分配。而目前的烟气热能梯级利用系统对各级取气管以及低温烟气排气管上的阀门开度均由操作员根据篦冷机的工况凭经验进行手动控制，因此无法根据篦冷机工况变化及时地对各级取气管以及低温烟气排气管上的阀门开度进行调节，不仅造成烟气热能的浪费，而且产生一定的安全隐患。显然，根据烟气热能梯级利用系统的运行状况自动对该烟气热能梯级利用系统中的各级取气管以及低温烟气排气管上的阀门开度进行调节是烟气热能梯级利用技术进行后续发展的必然要求。

众所周知，对管道上的阀门开度进行调节的目的在于改变该管道内流体的流量。对于上述的烟气热能梯级利用系统而言，调节各级取气管上的阀门开度也是为了改变各级取气管内的气流量。根据工程控制原理，如果本领域技术人员要设计一种可以分别对各级取气管上的阀门开度进行自动调节的控制系统，显然要将各阀门的开度定义为控制量，而将对应气管内的气流量定义为被控量。要对上述被控量进行监测最为常用的办法显然是使用流量计。但对于烟气热能梯级利用系统而言，由于各级取气管的管径过大并且气体中的含尘量太多，如果采用流量计来监测管道内的流量变化从而对阀门开度进行调节，不仅会造成极大的检测误差，而且该流量计还会增大气流阻力，对系统整体设计造成很大的影响。因此，选择取气管内的气流量作为被控量是不妥的。

实事求是的讲，当本领域技术人员发现选择取气管内的气流量作为被控量不妥时，由于管道内的流量和压力存在一定的对应关系，显而易见的改善措施是采用各级取气管管道内的压力作为被控量。当采用这种方式时，可通过压力传感器来监测管道内的气压变化，从而根据该压力的变化来自动调节该取气管上的控制阀的开度，从而能够将管道内的气压维持在一设定值。当篦冷机的工作状况发生变化时，只需要改变管道内的气压设定值，就能够自动的调节该取气管上的控制阀的开度，从而将管道内的气压维持在改变后的气压设定值上。但本申请的申请人却发现，虽然篦冷机的工况波动较大，但有时却是由于回转窑工况变化所带来的正常波动，上述直接将各级取气管管道内的压力作为被控量的控制方式无论在是否属于工况的正常波动的情况下只要管道内的压力变化就会对阀门进行较大幅度的调节，因此对烟气热能梯级利用系统的稳定性造成一定的影响。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种既能够能提高烟气热能梯级利用系统的热能利用率，同时受该烟气热能梯级利用系统正常波动的影响较小的烟气热能梯级利用系统的控制方法及实现该方法的控制系统。

本发明的控制方法的特点是通过烟气热能梯级利用系统中热源处的气压与任意一级取气管内的气压之差来自动调节该取气管上的控制阀的开度，从而将上述差值维持在一设定值。

上述的“热源”在本申请中明确定义为用于将热量引入烟气热能梯级利用系统的区域。以干法水泥余热发电梯级利用系统为例，被该系统所利用的水泥熟料的热量是从回转窑的窑头罩引入到该干法水泥余热发电梯级利用系统的，因此所述热源处的气压即指回转窑的窑头罩内的罩压。由于回转窑的窑头罩内的罩压反映了回转窑的工作状况，因此当回转窑的工况变化带来篦冷机工况的正常波动时，回转窑的窑头罩内的罩压以及任意一级取气管内的气压均会发生相应的变化，此时回转窑的窑头罩内的罩压与任意一级取气管内的气压之差仅产生微小的变化，导致该取气管的控制阀的开度变化小或是不变化，从而维持系统的稳定性。另一方面，如果维持回转窑的窑头罩内的罩压与任意一级取气管内的气压之差分别为一定值，则通过各取气管的气流量比例就是一个定值，即各压差的设定值之比反应了各取气管中气量的配比，这样通过调整各压差的设定值就能够使各取气管之间的气流量达到一个理想的比例，从而使烟气热能利用率达到最大化。

本申请还在上述方案的基础上进行了如下改进，即通过该烟气热能梯级利用系统中低温烟气排气管上的排气阀前的烟气温度自动调节该排气阀的开度，使当上述的烟气温度高于或等于一设定值时所述排气阀关小，当上述的烟气温度低于该设定值时所述排气阀开大。考虑工况的波动，此设定值可在系统调试时确定，也可以在不同的运行状态下根据需要由现场工程师变更。该改进措施就能够使温度低于某设定值的烟气不经过取气管而直接排出，而高于这个设定值的烟气里面的热量是可以利用的，可让这部份烟气通过取气管从而利用这部份烟气中的热能。显然，上述改进能够进一步的提高烟气热能的利用率。

在此基础上，还可以根据所述排气阀的开度变化自动对各级取气管上的控制阀的开度进行适应性调节。其目的在于，由于排气阀的开度发生变化，会导致烟气在各级取气管以及低温烟气排气管之间的原有分配关系被打破，这时候根据所述排气阀的开度变化自动对各级取气管上的控制阀的开度进行适应性调节能够快速的调节各取气管上的控制阀的开度，因此可提高各取气管上的控制阀对于低温烟气排气管上的排气阀前的烟气温度变化的响应时间，且减小了余热利用系统对主工艺系统(热源气压)的影响。

本发明还提供了一种可实现上述方法的控制系统。该控制系统包括安装在低温烟气排气管上的排气阀以及安装在各级取气管上的控制阀，该控制系统还包括用于监测该烟气热能梯级利用系统中热源处的气压与任意一级取气管内的气压之差的压力检测装置，以及通过该压力检测装置的输出信号来自动调节所述取气管上的控制阀的开度、从而将所述热源处的气压与该取气管内的气压之差维持在一设定值的控制器。

进一步的，该控制系统还包括用于监测所述低温烟气排气管上的排气阀前的烟气温度的温度检测装置，以及通过该温度检测装置的输出信号来自动调节所述排气阀的开度从而使当所述的烟气温度高于或等于一设定值时所述排气阀关小，当上述的烟气温度低于该设定值时所述排气阀开大的控制器。

本发明的有益效果是：本发明的烟气热能梯级利用系统的控制方法不仅有效地减轻了操作工的劳动强度，消除了手动控制所带来的的安全隐患，而且能够快速、准确的自动将各级取气管之间的气量的配比调节到预设的理想比例，从而提高烟气热能的利用率。

附图说明

图1为本发明烟气热能梯级利用系统的结构示意图。

图2为本发明烟气热能梯级利用系统的控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

现以新型干法水泥余热发电梯级利用系统为例，对本发明的烟气热能梯级利用系统的控制方法进行说明。如图1所示，该新型干法水泥余热发电梯级利用系统主要由篦冷机4、冷却风机5、引风机2、高温取气管701、中温取气管702、低温烟气排气管8以及ASH锅炉和AQC锅炉等部分组成。在高温取气管701上安装有控制阀F1，在中温取气管702上安装有控制阀F2，在低温烟气排气管8安装有排气阀F3，ASH锅炉的排气管与中温取气管702连通，AQC锅炉的排气管与低温烟气排气管8上位于排气阀F3后面的管道连通，篦冷机4的取气口与回转窑9的窑头罩3连通。其中，“AQC”是空气急冷冷却器的简称，而“AQC锅炉”是指新型干法水泥生产线中水泥窑头余热锅炉，其作用是利用通过其中的高温烟气把通过其中的水加热成过热蒸汽；“ASH”是公共过热器的简称，而“ASH锅炉”是指新型干法水泥生产线中余热锅炉的公共过热器，其作用是利用通过其中的高温烟气把AQC锅炉和窑尾锅炉送来的经过一次过热的过热蒸汽进一步加热成高温过热蒸汽输出到汽轮机。

该新型干法水泥余热梯级利用系统的工作过程为：水泥原料在回转窑9里烧成水泥熟料后从窑头罩3进入篦冷机4并掉到一段篦板上，然后随着篦板的运动慢慢往篦冷机4尾部运动，此时由于多台冷却风机5不停地鼓风冷却，熟料的温度不断下降，最终达到允许的温度后排出篦冷机4；而通过冷却风机5送入篦冷机4的风冷却了水泥熟料后其自身温度升高，变成高温烟气后一部分通过高温取气管701进入ASH锅炉，一部分通过中温取气管702进入AQC锅炉，还有一部分通过低温烟气排气管8上的排气阀F3后与从ASH锅炉和AQC锅炉排出的废气汇总再由引风机2抽取并排入烟囱1。可见，高温烟气取气管701和中温烟气取气管702组成的两级取气管，烟气分别从这两级取气管引入后通过ASH锅炉和AQC锅炉进行再利用。而低温烟气排气管8理论上用于将不能为余热发电所利用温度较低的烟气直接排出。

在本实施方式中，所述高温烟气取气管701上的控制阀F1、中温烟气取气管702上的控制阀F2以及低温烟气排气管8上的排气阀F3分别由反作用PID控制器按如下方式进行控制：

令ΔP1＝P-P1，ΔP1′＝ΔP1-P1′，则F1＝K1(ΔP1′+∫ΔP1′dt-d F′/dt)；

令ΔP2＝P-P2，ΔP2′＝ΔP2-P2′，则F2＝K2(ΔP2′+∫ΔP2′dt-d F′/dt)；

令ΔT3＝T3-T′，则F＝K3(ΔT3+∫ΔT3dt+dΔT3/dt)；

上述公式中，P为热源6上的气压，P1为高温烟气取气管701上的实际气压，P1′为高温烟气取气管701上的设定气压，F1为高温烟气取气管701上的控制阀F1的开度指挥值，K1为系数，P2为中温烟气取气管702上的实际气压，P2′为中温烟气取气管702上的设定气压，F2为中温烟气取气管702上的控制阀F2的开度指挥值，K2为系数，T3为排气阀F3前的烟气实际温度，T′为排气阀F3前的烟气设定温度，F为排气阀F3的开度指挥值，K3为系数，F′为排气阀F3的实际开度反馈值；所述热源6处的气压是指回转窑9的窑头罩3内的罩压。

下面结合图2对上述方法进行进一步的说明：

图2中，带圈的ΔP1和ΔP2分别指对ΔP1和ΔP2这两个差压进行取样。显然，ΔP1是指热源6上的气压P与高温烟气取气管701上的实际气压P1之间的差值，ΔP2是指热源6上的气压P与中温烟气取气管702上的实际气压P2之间的差值。最好是采用差压计对ΔP1和ΔP2这两个差压进行取样，当然也可以通过气压计分别对气压P、气压P1和气压P2进行取样后进行减法运算后得到差值ΔP1和差值ΔP2。图2中，带圈的T3是指对排气阀F3前的烟气实际温度T3进行取样。此时应采用温度传感器对排气阀F3前的烟气实际温度T3进行取样。

图2中，实线方框的Δ指求两个信号的差并输出其差值。此处得到的差值ΔP1′就是取样到的差值ΔP1与设定值P1′之差，得到的差值ΔP2′就是取样到的差值ΔP2与设定值P2′之差，而得到的ΔT3就是取样到的实际温度T3与设定温度T′之差。

图2中，实线方框的PI是指对输入信号进行比例积分运算，而实线方框的∑指对输入信号求和。这两个步骤即对应上述公式F1＝K1(ΔP1′+∫ΔP1′dt-d F′/dt)，F2＝K2(ΔP2′+∫ΔP2′dt-d F′/dt)以及F＝K3(ΔT3+∫ΔT3dt+dΔT3/dt)。

此外，图2中的虚线方框的Δ指求两个信号的差且此差值高于一定量时输出开关量信号；实线方框的S/Z指手/自动切换；实线方框的≮≯指把输入信号限制在一定范围内输出；实线方框的SF指电动执行机构内部的伺服放大器；实线方框的Z指电动执行机构。

必须指出，对于公式F1＝K1(ΔP1′+∫ΔP1′dt-d F′/dt)和公式F2＝K2(ΔP2′+∫ΔP2′dt-d F′/dt)，这两个公式中的微分部分所涉及的参数F′是指排气阀F3的实际开度反馈值，该微分部分的作用在于：如果排气阀F3因温度的原因(或者是切为手动了)有了动作，就会导致篦冷机所产生的余热烟气在三个阀门之间的原有分配关系被打破，这时候利用排气阀F3的实际开度反馈值F′对时间t的导数来快速调整控制阀F1、F2的开度，从而提高各取气管上的控制阀对于低温烟气排气管上的排气阀F3前的烟气温度变化的响应时间，且减小了余热利用系统对主工艺系统(热源气压)的影响。对该微分部分的运算反映在图2中即为实线方框的D以及实线方框的∑。

上述方法与目前的手动控制的使用效果对比如下：

1、废热烟气取气(以2500t/d的新型干法水泥线为例)：

(1)采用本发明自动调节时篦冷机双取气口参数

窑头熟料冷却机中部高低温取风余热量为：

高温：31000m3/h(标况)，温度：500℃；

低温：84000m3/h(标况)，温度：300℃；

窑尾预热器废气余热量为：185000m3/h(标况)，温度：330℃。

(2)无自动调节时某一篦冷机双取气口参数

窑头熟料冷却机中部高低温取风余热量为：

高温：26000m3/h(标况)，温度：500℃；

低温：70000m3/h(标况)，温度：300℃；

窑尾预热器废气余热量为：185000m3/h(标况)，温度：330℃。

2、发电功率计算如下(以2500t/d的新型干法水泥线为例)：

(1)采用本发明自动调节时达到工况

(2)无自动调节时某工况

根据以上计算结果可知，无自动调节系统时，由于调整不及时，导致生产状况偏离最佳工况，(考虑到有时偏离最佳工况的程度比上表2更严重，而有时偏离最佳工况的程度不如上表2严重甚至就一点也不偏离，所以取上表2作为偏离最佳工况的平均情况)，从而导致发电量减少约5％。

Claims (8)

1.烟气热能梯级利用系统的控制方法，其特征在于：通过该烟气热能梯级利用系统中热源(6)处的气压与任意一级取气管内的气压之差来自动调节该取气管上的控制阀的开度，从而将上述差值维持在一设定值；其中，所述热源(6)是指用于将热量引入烟气热能梯级利用系统的区域。

2.如权利要求1所述的烟气热能梯级利用系统的控制方法，其特征在于：通过该烟气热能梯级利用系统中低温烟气排气管(8)上的排气阀(F3)前的烟气温度(T3)自动调节该排气阀(F3)的开度，使当上述的烟气温度(T3)高于或等于一设定值(T′)时所述排气阀(F3)关小，当上述的烟气温度(T3)低于该设定值(T′)时所述排气阀(F3)开大。

3.如权利要求2所述的烟气热能梯级利用系统的控制方法，其特征在于：根据所述排气阀(F3)的开度变化自动对各级取气管上的控制阀的开度进行适应性调节。

4.如权利要求3所述的烟气热能梯级利用系统的控制方法，其特征在于：该烟气热能梯级利用系统具有包括高温烟气取气管(701)和中温烟气取气管(702)在内的至少两级取气管以及低温烟气排气管(8)，所述高温烟气取气管(701)上的控制阀(F1)、中温烟气取气管(702)上的控制阀(F2)以及低温烟气排气管(8)上的排气阀(F3)分别由反作用PID控制器按如下方式进行控制：

令ΔP1＝P-P1，ΔP1′＝ΔP1-P1′，则F1＝K1(ΔP1′+∫ΔP1′dt-d F′/dt)；

令ΔP2＝P-P2，ΔP2′＝ΔP2-P2′，则F2＝K2(ΔP2′+∫ΔP2′dt-d F′/dt)；

令ΔT3＝T3-T′，则F＝K3(ΔT3+∫ΔT3dt+dΔT3/dt)；

上述公式中，P为热源(6)处的气压，P1为高温烟气取气管(701)上的实际气压，P1′为高温烟气取气管(701)上的设定气压，F1为高温烟气取气管(701)上的控制阀(F1)的开度指挥值，K1为系数，P2为中温烟气取气管(702)上的实际气压，P2′为中温烟气取气管(702)上的设定气压，F2为中温烟气取气管(702)上的控制阀(F2)的开度指挥值，K2为系数，T3为排气阀(F3)前的烟气实际温度，T′为排气阀(F3)前的烟气设定温度，F为排气阀(F3)的开度指挥值，K3为系数，F′为排气阀(F3)的实际开度反馈值。

5.如权利要求1、2、3或4所述的烟气热能梯级利用系统的控制方法，其特征在于：当所述烟气热能梯级利用系统为干法水泥余热发电梯级利用系统时，所述热源(6)处的气压是指回转窑(9)的窑头罩(3)内的罩压(P)。

6.烟气热能梯级利用系统的控制系统，该控制系统包括安装在低温烟气排气管(8)上的排气阀(F3)以及安装在各级取气管上的控制阀，其特征在于：该控制系统还包括用于监测该烟气热能梯级利用系统中热源(6)处的气压与任意一级取气管内的气压之差的压力检测装置，以及通过该压力检测装置的输出信号来自动调节所述取气管上的控制阀的开度、从而将所述热源(6)处的气压与该取气管内的气压之差维持在一设定值的控制器；其中，所述热源(6)是指用于将热量引入烟气热能梯级利用系统的区域。

7.如权利要求6所述的烟气热能梯级利用系统的控制系统，其特征在于：该控制系统还包括用于监测所述低温烟气排气管(8)上的排气阀(F3)前的烟气温度(T3)的温度检测装置，以及通过该温度检测装置的输出信号来自动调节所述排气阀(F3)的开度从而使当所述的烟气温度(T3)高于或等于一设定值(T′)时所述排气阀(F3)关小，当上述的烟气温度(T3)低于该设定值(T′)时所述排气阀(F3)开大的控制器。

8.如权利要求7所述的烟气热能梯级利用系统的控制系统，其特征在于：该烟气热能梯级利用系统具有包括高温烟气取气管(701)和中温烟气取气管(702)在内的至少两级取气管以及低温烟气排气管(8)，所述高温烟气取气管(701)上的控制阀(F1)、中温烟气取气管(702)上的控制阀(F2)以及低温烟气排气管(8)上的排气阀(F3)分别采用如下控制方式的反作用PID控制器来进行控制：

令ΔP1＝P-P1，ΔP1′＝ΔP1-P1′，则F1＝K1(ΔP1′+∫ΔP1′dt-d F′/dt)；

令ΔP2＝P-P2，ΔP2′＝ΔP2-P2′，则F2＝K2(ΔP2′+∫ΔP2′dt-d F′/dt)；

令ΔT3＝T3-T′，则F＝K3(ΔT3+∫ΔT3dt+dΔT3/dt)；

上述公式中，P为热源(6)处的气压，P1为高温烟气取气管(701)上的实际气压，P1′为高温烟气取气管(701)上的设定气压，F1为高温烟气取气管(701)上的控制阀(F1)的开度指挥值，K1为系数，P2为中温烟气取气管(702)上的实际气压，P2′为中温烟气取气管(702)上的设定气压，F2为中温烟气取气管(702)上的控制阀(F2)的开度指挥值，K2为系数，T3为排气阀(F3)前的烟气实际温度，T′为排气阀(F3)前的烟气设定温度，F为排气阀(F3)的开度指挥值，K3为系数，F′为排气阀(F3)的实际开度反馈值。

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