CN102644488B - 一种基于有机朗肯循环的锅炉烟气余热利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了过程控制技术领域中的一种基于有机朗肯循环的锅炉烟气余热利用系统。本发明由烟气流量、有机工质流量以及空气流量三个控制子系统组成；烟气流量控制子系统采用串级加前馈控制结构，通过对烟气流量的控制调节烟气在蒸发器出口处的温度，并通过前馈环节消除烟气入口温度扰动的影响；有机工质流量控制子系统采用变比值控制结构，通过调节工质流量使其与烟气流量在运行中成比例地变化；空气流量控制子系统采用反馈控制结构，通过改变冷凝器中空气流量来调节工质在冷凝器出口的温度，使其维持在设定值。本发明结构简单、实施方便，保证了余热利用过程的稳定性、经济性及安全性。

Description

一种基于有机朗肯循环的锅炉烟气余热利用系统

技术领域

本发明属于过程控制技术领域，尤其涉及一种基于有机朗肯循环的锅炉烟气余热利用系统。

背景技术

按照国家的能源发展战略，提高一次能源的利用效率是一项重要的任务。目前，我国的锅炉本体的运行效率有较大提高，但从能源梯级利用的角度看，锅炉在燃烧后排放的高温烟气中仍然具有可利用的能量。为此，有关锅炉烟气余热深度利用的研究广泛开展起来，其中有代表性的一类研究是：基于有机朗肯循环的锅炉低温烟气余热系统。

基于有机朗肯循环的锅炉低温烟气余热利用过程的工艺流程如附图1所示，包括逆流型蒸发器、循环泵、冷凝器、膨胀机等主要部件。从锅炉尾部烟道把烟气引入到逆流型蒸发器内，一部分热量传递给有机工质后烟气重新回到锅炉尾部烟道；从循环泵出来的高压有机工质，被反方向的烟气加热，经历了预热、沸腾和过热三个阶段后被加热成为过热蒸汽；有机工质过热蒸汽进入膨胀机膨胀做功，做功后的低压乏汽进入冷凝器中重新冷凝成液体后进入储液器，再由泵加压送入蒸发器中，进入下一轮循环。由于相关研究及工程应用尚处于起步阶段，目前尚未见到针对基于有机朗肯循环的锅炉烟气余热深度利用系统控制问题的公开报道。

发明内容

针对上述背景技术中提到的锅炉烟气余热利用的不足，通过分析烟气余热利用过程动态特性，围绕锅炉烟气余热利用过程控制的两个目标，即烟气余热“深度”利用及有机朗肯循环系统运行最优，本发明基于自治原则提出了一种适用于锅炉烟气余热深度利用过程的控制方法。

衡量整个余热利用过程对烟气余热利用程度及余热利用系统运行工况的关键参数包括：烟气在蒸发器出口的温度、有机工质流量与烟气流量的比值或有机工质在蒸发器出口温度以及有机工质在冷凝器出口温度。烟气在蒸发器出口的温度是衡量整个余热利用过程对烟气余热利用程度的关键参数，其值越低意味着来自锅炉烟气的热能更多地被利用，但过低的烟气温度会导致尾部烟道的酸露点腐蚀。因此，需要将烟气在蒸发器出口的温度控制在一个合理的范围内。而相关研究表明，通过使有机工质流量与烟气流量的比值为最佳时，可以实现系统净输出功率最大化，所以通过在运行中保持烟气与工质流量的比值为最佳值使得有机朗肯循环系统运行在最佳工况。此外，冷凝器出口的温度是衡量冷凝过程是否具有合适的过冷度的关键运行参数，使其维持在设定范围，从而保证冷凝过程具有合适的过冷度。本发明通过保证烟气在蒸发器出口的温度在80℃、有机朗肯循环系统的输出功率最大以及冷凝器的过冷度，从而实现对锅炉烟气余热的深度利用。

本发明的技术方案是，一种基于有机朗肯循环的锅炉烟气余热利用系统，用于通过有机朗肯循环对锅炉烟道中烟气的热量进行深度利用，其特征是该系统包括第一检测变送器1、第二检测变送器2、第三检测变送器3、第四检测变送器4、第五检测变送器5、第六检测变送器6、烟气流量调节阀7、旁路调节阀8、蒸发器9、膨胀机10、冷凝器11、风机12、储液器13和泵14；

所述烟气流量调节阀7的入口和锅炉烟气入口连接；烟气流量调节阀7的出口分别与旁路调节阀8和蒸发器9连接；旁路调节阀8和锅炉烟气出口连接；蒸发器9分别与锅炉烟气出口和膨胀机10连接；膨胀机10和冷凝器11连接；冷凝器11分别与风机12和储液器13连接；储液器13和泵14连接；泵14和蒸发器9连接；第一检测变送器1位于烟气流量调节阀7的入口处；第二检测变送器2位于蒸发器9的锅炉烟气出口处；第三检测变送器3位于烟气流量调节阀7的出口处；第四检测变送器4位于膨胀机10的入口处；第五检测变送器5位于冷凝器11的出口处；第六检测变送器6位于泵14的出口处；

所述第一检测变送器1用于测量引入的锅炉烟气的温度；

所述第二检测变送器2用于测量烟气在蒸发器9出口处温度；

所述第三检测变送器3用于测量进入蒸发器9的烟气的流量；

所述第四检测变送器4用于测量有机工质在蒸发器9出口处的温度；

所述第五检测变送器5用于测量有机工质在冷凝器11出口处的温度；

所述第六检测变送器6用于测量进入蒸发器9的有机工质的流量；

所述烟气流量调节阀7用于控制进入蒸发器9的烟气的流量；

所述旁路调节阀8用于在烟气流量超过系统设计值时排出多余烟气；

所述蒸发器9用于有机工质与烟气相互间的换热；

所述膨胀机10用于有机工质膨胀做功使热能转化为机械能；

所述冷凝器11和风机12用于对有机工质的降温与凝结；

所述储液器13用于储存有机工质；

所述泵14用于控制进入蒸发器的有机工质的流量。

所述锅炉烟气在蒸发器的出口处温度的设定值为80℃，烟气与有机工质流量的比值控制在合适的设定值。

一种锅炉烟气余热利用系统的控制系统，其特征是该控制系统包括烟气流量、有机工质流量以及空气流量三个控制子系统；

所述烟气流量控制子系统采用串级加前馈控制结构，通过调整从锅炉尾部烟道流向低温烟气余热利用系统的烟气量调节蒸发器出口的烟气温度；

所述有机工质流量控制子系统采用变比值控制结构，通过调节有机工质流量使其与烟气流量在运行中成比例地变化；

所述空气流量控制子系统采用闭环反馈控制结构，通过改变冷凝器中空气流量来调节工质在冷凝器出口的温度。

此外，本控制方案还设计了一个烟气旁路系统，根据储液器的容量和工质泵变频调速机构的约束可以计算出有机朗肯循环系统所能提供的最大有机工质流量，根据其与烟气流量的比值关系，可得到有机朗肯循环系统运行最大烟气流量。当有机朗肯循环系统运行时，如果烟气流量大于最大烟气流量时将多余的烟气从旁路流出。

本发明的优点是：针对烟气余热利用过程的关键运行参数进行控制，对锅炉烟气余热利用过程提出的控制方案结构简单、实施方便。通过将烟气在蒸发器出口的温度控制在80℃，实现对锅炉的烟气余热的深度利用；将烟气与有机工质流量的比值控制在合适的设定值，维持有机工质在冷凝器出口的温度在合适的设定值，保证了余热利用过程的稳定性、经济性及安全性。

附图说明

图1为基于有机朗肯循环的锅炉烟气余热深度利用生产流程图；

图2为基于有机朗肯循环的锅炉烟气余热利用系统的控制系统结构方块图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明的生产流程图如图1所示。

本发明包括第一检测变送器1、第二检测变送器2、第三检测变送器3、第四检测变送器4、第五检测变送器5、第六检测变送器6、烟气流量调节阀7、旁路调节阀8、蒸发器9、膨胀机10、冷凝器11、风机12、储液器13和泵14；

烟气流量调节阀7的入口和锅炉烟气入口连接；烟气流量调节阀7的出口分别与旁路调节阀8和蒸发器9连接；旁路调节阀8和锅炉烟气出口连接；蒸发器9分别与锅炉烟气出口和膨胀机10连接；膨胀机10和冷凝器11连接；冷凝器11分别与风机12和储液器13连接；储液器13和泵14连接；泵14和蒸发器9连接；第一检测变送器1位于烟气流量调节阀7的入口处；第二检测变送器2位于蒸发器9的锅炉烟气出口处；第三检测变送器3位于烟气流量调节阀7的出口处；第四检测变送器4位于膨胀机10的入口处；第五检测变送器5位于冷凝器11的出口处；第六检测变送器6位于泵14的出口处；

第一检测变送器1用于测量引入的锅炉烟气的温度；第二检测变送器2用于测量烟气在蒸发器9出口处温度；第三检测变送器3用于测量进入蒸发器9的烟气的流量；第四检测变送器4用于测量有机工质在蒸发器9出口处的温度；第五检测变送器5用于测量有机工质在冷凝器11出口处的温度；第六检测变送器6用于测量进入蒸发器9的有机工质的流量；烟气流量调节阀7用于控制进入蒸发器9的烟气的流量；旁路调节阀8用于在烟气流量超过系统设计值时排出多余烟气；蒸发器9用于有机工质与烟气相互间的换热；膨胀机10用于有机工质膨胀做功使热能转化为机械能；冷凝器11和风机12用于对有机工质的降温与凝结；储液器13用于储存有机工质；泵14用于控制进入蒸发器的有机工质的流量。

下面结合图2论述本发明的具体实施方式。

按照本发明的锅炉烟气余热利用系统的控制系统的最佳实施例将参照图2进行描述。该控制系统使用的相关测量信号来自图1中的第一到第六检测变送器，图1中括号内的数字与图2中的信号对应；控制对象为图1中的相关执行机构，与图1中的括号内的数字对应。

参见图2，体现本发明的烟气余热利用系统的控制系统包括烟气在蒸发器出口温度/烟气流量过程控制器100，有机工质流量/烟气流量比值过程控制器200，有机工质在冷凝器出口温度/空气流量过程控制器300，这三个控制器属于过程一级的控制器。烟气余热利用控制系统还包括烟气流量过程控制器400，有机工质流量过程控制器500，空气流量过程控制器600。这三个控制器属于设备一级的控制器。烟气流量控制子系统由过程控制器100与400组成，有机工质流量控制子系统由过程控制器200与500组成，空气流量控制子系统由过程控制器300与600组成。下面分别介绍这些过程控制器。

烟气在蒸发器出口温度/烟气流量过程控制器100包括用于产生烟气入口温度前馈补偿信号的超前滞后模块105，这一前馈补偿信号是根据烟气在蒸发器入口温度测量值的信号104求得，用于消除烟气入口温度扰动带来的影响。代表烟气在蒸发器出口温度测量值的信号102在减法器103中与设定电路提供的设定值101作比较，代表两者之间的误差的信号加到比例积分电路106。这个比例积分电路106的输出在加法器107中与超前滞后模块105输出的前馈补偿信号相加，该加法器107的输出即为对烟气流量的指令信号。

在有机工质流量/烟气流量比值过程控制器200中，代表工质在蒸发器出口温度测量值的信号201在减法器203中与设定电路提供的设定值202作比较，代表两者之间的误差的信号加到比例积分电路204。这个比例积分电路204的输出连接一个切换电路205，若切换电路205接通左边，则比例积分电路204产生的信号被切换电路205输出，此时有机工质流量控制子系统工作于串级变比值控制方式，有机工质在蒸发器出口处温度与其设定值的偏差用于对有机工质和烟气流量的比值进行动态优化，若切换电路205接通右边，则切换电路205输出0，此时有机工质流量控制子系统工作于简单比值控制方式。比值设定模块207用于产生有机工质流量对烟气流量的跟踪信号，这一跟踪信号是比例积分电路106输出信号的固定倍数。比值设定模块207输出的跟踪信号在加法器206中与切换电路205的输出相加，加法器206的输出即为对有机工质流量的指令信号。

在有机工质在冷凝器出口温度/空气流量过程控制器300中，代表工质在冷凝器出口温度测量值的信号302在减法器303中与设定电路提供的设定值301作比较，代表两者之间的误差的信号加到比例积分电路304。这个比例积分电路304的输出即为对空气流量的指令信号。

在烟气流量过程控制器400中，代表烟气在蒸发器入口流量测量值的信号401在减法器402中与加法器107输出的烟气流量的指令信号作比较，代表两者之间的误差的信号加到比例积分电路403。这个比例积分电路403的输出作用于烟气流量调节阀404的执行机构，实现对烟气流量的控制。

在有机工质流量过程控制器500中，代表有机工质在蒸发器入口流量测量值的信号501在减法器502中与加法器206输出的机工质流量的指令信号作比较，代表两者之间的误差的信号加到比例积分电路503。这个比例积分电路503的输出作用于泵504的执行机构，实现对有机工质流量的控制。

在空气流量过程控制器600中，比例积分电路304的输出的空气流量的指令信号作用于风机601的执行机构，实现对空气流量的控制。

综上所述，烟气流量控制子系统采用串级加前馈控制结构，通过对烟气流量的控制调节烟气在蒸发器出口处的温度，并通过前馈环节消除烟气入口温度扰动的影响；有机工质流量控制子系统采用变比值控制结构，通过调节工质流量使其与烟气流量在运行中成比例地变化，其中具有两种可选择的控制模式，若切换电路205连接右侧，此时有机工质流量控制子系统工作于简单比值控制方式，若切换电路205连接左侧，此时有机工质流量控制子系统工作于串级变比值控制方式，根据有机工质在蒸发器出口温度与其设定值的偏差，实现对工质流量和烟气流量比值的动态优化；空气流量控制子系统采用反馈控制结构，通过改变冷凝器中空气流量来调节工质在冷凝器出口的温度，使其维持在设定值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于有机朗肯循环的锅炉烟气余热利用系统，用于通过有机朗肯循环对锅炉烟道中烟气的热量进行深度利用，其特征是该系统包括第一检测变送器(1)、第二检测变送器(2)、第三检测变送器(3)、第四检测变送器(4)、第五检测变送器(5)、第六检测变送器(6)、烟气流量调节阀(7)、旁路调节阀(8)、蒸发器(9)、膨胀机(10)、冷凝器(11)、风机(12)、储液器(13)和泵(14)；

所述烟气流量调节阀(7)的入口和锅炉烟气入口连接；烟气流量调节阀(7)的出口分别与旁路调节阀(8)和蒸发器(9)连接；旁路调节阀(8)和锅炉烟气出口连接；蒸发器(9)分别与锅炉烟气出口和膨胀机(10)连接；膨胀机(10)和冷凝器(11)连接；冷凝器(11)分别与风机(12)和储液器(13)连接；储液器(13)和泵(14)连接；泵(14)和蒸发器(9)连接；第一检测变送器(1)位于烟气流量调节阀(7)的入口处；第二检测变送器(2)位于蒸发器(9)的锅炉烟气出口处；第三检测变送器(3)位于烟气流量调节阀(7)的出口处；第四检测变送器(4)位于膨胀机(10)的入口处；第五检测变送器(5)位于冷凝器(11)的出口处；第六检测变送器(6)位于泵(14)的出口处；

所述第一检测变送器(1)用于测量引入的锅炉烟气的温度；

所述第二检测变送器(2)用于测量烟气在蒸发器(9)出口处温度；

所述第三检测变送器(3)用于测量进入蒸发器(9)的烟气的流量；

所述第四检测变送器(4)用于测量有机工质在蒸发器(9)出口处的温度；

所述第五检测变送器(5)用于测量有机工质在冷凝器(11)出口处的温度；

所述第六检测变送器(6)用于测量进入蒸发器(9)的有机工质的流量；

所述烟气流量调节阀(7)用于控制进入蒸发器(9)的烟气的流量；

所述旁路调节阀(8)用于在烟气流量超过系统设计值时排出多余的烟气；

所述蒸发器(9)用于有机工质与烟气相互间的换热；

所述膨胀机(10)用于有机工质膨胀做功使热能转化为机械能；

所述冷凝器(11)和风机(12)用于对有机工质的降温与凝结；

所述储液器(13)用于储存有机工质；

所述泵(14)用于控制进入蒸发器的有机工质的流量；

所述基于有机朗肯循环的锅炉烟气余热利用系统的控制系统包括：烟气在蒸发器出口温度/烟气流量过程控制器(100)，有机工质流量/烟气流量比值过程控制器(200)，有机工质在冷凝器出口温度/空气流量过程控制器(300)，烟气余热利用控制系统还包括烟气流量过程控制器(400)，有机工质流量过程控制器(500)，空气流量过程控制器(600)；

所述烟气在蒸发器出口温度/烟气流量过程控制器(100)包括用于产生烟气入口温度前馈补偿信号的超前滞后模块(105)，该前馈补偿信号由烟气在蒸发器入口温度测量值的信号(104)求得；代表烟气在蒸发器出口温度测量值的信号(102)在减法器(103)中与设定电路提供的设定值(101)作比较，代表两者之间的误差的信号加到比例积分电路(106)；所述比例积分电路(106)的输出在加法器(107)中与超前滞后模块(105)输出的前馈补偿信号相加，该加法器(107)的输出即为对烟气流量的指令信号；

所述有机工质流量/烟气流量比值过程控制器(200)中，代表工质在蒸发器出口温度测量值的信号(201)在减法器(203)中与设定电路提供的设定值(202)作比较，代表两者之间的误差的信号加到比例积分电路(204)；比例积分电路(204)的输出连接一个切换电路(205)；比值设定模块(207)用于产生有机工质流量对烟气流量的跟踪信号，比值设定模块(207)输出的跟踪信号在加法器(206)中与切换电路(205)的输出相加，加法器(206)的输出即为对有机工质流量的指令信号；

所述有机工质在冷凝器出口温度/空气流量过程控制器(300)中，代表工质在冷凝器出口温度测量值的信号(302)在减法器(303)中与设定电路提供的设定值(301)作比较，代表两者之间的误差的信号加到比例积分电路(304)，比例积分电路(304)的输出即为对空气流量的指令信号；

所述烟气流量过程控制器(400)中，代表烟气在蒸发器入口流量测量值的信号(401)在减法器(402)中与加法器(107)输出的烟气流量的指令信号作比较，代表两者之间的误差的信号加到比例积分电路(403)；比例积分电路(403)的输出作用于烟气流量调节阀(404)的执行机构，实现对烟气流量的控制；

所述有机工质流量过程控制器(500)中，代表有机工质在蒸发器入口流量测量值的信号(501)在减法器(502)中与加法器(206)输出的机工质流量的指令信号作比较，代表两者之间的误差的信号加到比例积分电路(503)；比例积分电路(503)的输出作用于泵(504)的执行机构，实现对有机工质流量的控制；

所述空气流量过程控制器(600)中，比例积分电路(304)的输出的空气流量的指令信号作用于风机(601)的执行机构，实现对空气流量的控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于有机朗肯循环的锅炉烟气余热利用系统，其特征是所述锅炉烟气在蒸发器出口处温度的设定值为80℃，烟气与有机工质流量的比值控制在合适的设定值。

3.一种利用权利要求1所述的锅炉烟气余热利用系统的控制系统，其特征是该控制系统包括烟气流量、有机工质流量以及空气流量三个控制子系统；

所述烟气流量控制子系统采用串级加前馈控制结构，通过调整从锅炉尾部烟道流向低温烟气余热利用系统的烟气量调节蒸发器出口的烟气温度；

所述有机工质流量控制子系统采用变比值控制结构，通过调节有机工质流量使其与烟气流量在运行中成比例地变化；

所述空气流量控制子系统采用闭环反馈控制结构，通过改变冷凝器中空气流量来调节工质在冷凝器出口的温度。