CN104006371A - 基于出口烟温控制的余热回收装置及余热回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于出口烟温控制的余热回收装置，是在原有烟道中设置烟气调节挡板和旁通烟道，烟道中设有温度传感器；旁通烟道连通烟气换热器，烟气换热器与汽包相连；汽包通过饱和蒸汽输出管道连通空气侧烟道内的空气换热器，通过冷凝水输入管道连通汽包，构成循环；所述冷凝水输入管道上设有冷凝水循环水泵；所述空气换热器设有液位传感器；所述汽包设有汽包压力传感器。本发明中出口烟气温度的控制是采用调节挡板进行，通过调节挡板对烟气量进行分流以保证排烟温度稳定在设定值；汽包蒸汽压力的控制是采用控制冷凝水量的回流速率来控制换热系统的换热面积，从而实现换热器换热功率大小的控制。

Description

基于出口烟温控制的余热回收装置及余热回收方法

技术领域

本发明涉及一种余热回收装置及方法，尤其是一种基于出口烟温控制的余热回收装置及余热回收方法。

背景技术

垃圾焚烧发电作为一种重要且可行的垃圾处理方法，具有广阔的市场发展前景，与电站的燃煤过程相比，垃圾焚烧过程具有飞灰含量高及灰熔点低等特点，因此在燃烧过程中容易出现换热表面积灰、结渣等问题，随运行时间的推移，烟道积灰增加会使锅炉换热系数逐渐下降，热阻增大，排烟温度升高。例如，某垃圾焚烧电厂由于积灰问题严重，使得省煤器受热面每隔3个月左右就要进行一次停炉清理，甚至威胁到下游设备的安全运行而停炉，同时，清理后只需一周的运行时间，出省煤器烟温又逐步由200℃升高到270℃，停炉及排烟温度过高问题不仅会耗费大量的人力物力、降低设备的利用率和能量的转化率，也严重影响了工厂的经济效益。

另一方面，锅炉省煤器出口烟气直接进入布袋除尘器进行除尘，而布袋除尘器主要由合成纤维,天然纤维或玻璃纤维织成的布或毡，其工作温度视型号及材质略有差异，一般在200℃左右的较窄温度范围，温度过高容易造成除尘器中布袋材料的损坏（烧袋），严重影响布袋的安全运行和使用寿命；另外，温度过低则会导致除尘中烟气湿度增大，容易产生粘结及孔隙堵塞，影响除尘效率和布袋使用寿命。因此，对该垃圾焚烧电厂来说，对出省煤器烟道进行适当改造，并将余热进行合理回收，使进入除尘器前的排烟温度稳定在200℃左右，是保证系统布袋除尘器能正常运行的重要前提。

回收余热的利用上，电厂设计时通常是采用汽轮机末级抽气来加热空气温度，以提高系统的能源转化效率。因此，通过对省煤器出口烟气余热的合理回收，并代替一部分或全部汽轮机抽气来加热入口空气温度，不仅可以解决除尘器前烟温过高的问题，保证了系统的安全运行，同时减少了抽气量，提高了电厂系统发电效率，更好地实现了能源的梯级利用和优化布局，具有一举两得的作用。

在烟气温度调整的过程中，考虑到烟温的波动范围较大，因此通常以最恶劣工况参数进行设计，且考虑一定的余量系数，当进换热器前烟气温度较低时，可能会发生过度换热使出口温度偏低，不利于布袋除尘器的运行，因此，需要采取必要的措施或控制方法来实现在不同烟温下仍能保证排烟温度稳定在工艺要求的200℃范围。

换热器作为一种最常见的能源转换设备，广泛应用于工业余热回收、工艺气体冷却、助燃风加热等场合，由于换热器设备在换热前后满足能量守恒，即换热前后加热工质的能量减少与冷却工质能量的增加以及散热三者之间保持平衡（由于散热通常较小，可忽略），换热器本身不具备储能及热功率调节的能力。因此，在烟气侧换热功率随烟气温度变化时，需要余热回收系统也具有相应的换热功率调节能力，以确保盈余的热量能及时带走，而又不会过多带走。对于空气侧，则要求能将换热过来的热量及时吸收并带走，故烟气和空气之间也存在一个能量平衡的问题。在换热器设计过程中须考虑到两个换热器换热能力的匹配，若热量不能够及时释放，则循环系统会产生热量的累积，最后可能无法实现排烟温度的有效控制，导致控制失效，严重影响工厂的生产安全和设备的稳定运行。在系统的设计中，如果片面采取增大换热面积余量的办法，可以实现换热量的匹配，但这会大大增加回收系统的改造成本，降低其经济性。因此，采用合理的控制方法，需要在解决吸放热工质间能量平衡的控制问题中，还要尽量提高改造系统的经济性。

由此可见，单用一个换热器的控制系统已不能满足上述各参数控制需求，要在不同负荷和烟温入口下仍能够保持烟气出口温度相对稳定，则需基于换热器出口烟气温度来控制烟气挡板的开度、进而控制烟气侧的换热功率，同时，在空气侧，换热器的换热功率同样需要控制，其控制策略需确保系统吸放热能量的匹配。控制系统的优化则主要体现在如何保证既尽可能多的回收烟气余热，又满足排烟温度要求，不影响后续工艺流程，同时还要保证系统运行经济性和改造成本可行性，这就需要开发出一种基于出口烟气温度的余热回收装置及控制方法。

发明内容

针对上述存在的工程技术问题及工艺要求，本发明的目的是使进入布袋除尘器之前的烟气温度须严格控制在安全要求范围内，当实际运行烟气温度一旦随运行时间的变化而超出工艺所需的限定范围时，对现有烟气余热进行回收并合理应用于加热空气工艺而提出的一种余热回收装置及余热回收方法。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于出口烟温控制的余热回收装置，是在原有烟道中设置烟气调节挡板和旁通烟道，烟道中设有烟气温度传感器；旁通烟道连通烟气换热器，烟气换热器与汽包相连；汽包通过饱和蒸汽输出管道连通空气侧风道内的空气换热器，通过冷凝水输入管道连通汽包，构成循环；所述冷凝水输入管道上设有冷凝水循环水泵；所述空气换热器两集箱间设有液位传感器；所述汽包设有汽包压力传感器。

进一步的，所述汽包置于烟气换热器上方，汽包底部开有下降管，直接通入烟道换热器液体工质入口，出口接上升管，最后进入汽包，以保证汽包与烟气换热器间能形成自然循环回路。

进一步的，所述烟气换热器是翅片管式换热器；所述空气换热器是翅片管式换热器。

进一步的，所述液位传感器是带输出信号的磁翻板液位传感器。

进一步的，所述烟气换热器为防止换热表面积灰和结渣，有布置吹灰系统，以保证换热器表面不会有大量积灰，影响换热效果。

 进一步的，所述烟气侧换热器换热能力有一定的冗余量，以保证较多的烟气余热也能及时回收。

本发明同时提出一种基于出口烟温控制的余热回收控制方法，采用上述基于出口烟温控制的余热回收装置，出口烟气温度的控制是采用调节挡板进行烟气量的分流以保证排烟温度稳定在设定值；汽包蒸汽压力的控制是采用控制冷凝水量的回流速率来控制换热系统的换热面积，通过汽包压力的高低来控制循环水泵的转动频率，利用回水流量来控制换热器管内液位的高低，进而控制翅片管内蒸汽有效冷凝换热面积，实现换热器换热功率大小的控制。将两套系统有机结合起来，共同实现热回收系统的吸放热能量平衡控制。

进一步的，所述烟气热量的分流是通过测量系统烟气出口的温度，由温度传感器的反馈值对烟道挡板进行调节，以此分配烟气进入换热器的比例，进而控制烟气换热器的换热功率，实现烟气出口烟温控制在设定值的范围内。

进一步的，所述循环水泵的转速由汽包蒸汽压力传感器反馈的数值与设定值之间的差值进行控制，以实现系统吸放能量的平衡。

进一步的，所述汽包补给水泵通过汽包液位传感器反馈的数值与设定值之间的偏差来控制。

在烟气排烟温度控制上，本发明采用控制汽包内蒸汽压强来间接控制饱和水温度，烟气换热器中进口水温即为饱和水温度，该水温高低会影响到烟气侧饱和水与烟气间的传热温差，进而影响到锅炉的蒸发量及对烟气的吸热量，吸热量的多少会影响到烟气出口温度，从而实现对烟气出口温度的控制。当余热回收能量超过预定值时，会引起烟气出口温度偏低，此时通过烟气通道控制阀门进行调节，使部分烟气不经过换热器，走旁通后与余热回收后烟气混合，以控制排烟出口的混合温度保持在设定值。

由上述控制过程可知，汽包内蒸汽压力参数的控制是关键，直接影响到烟气出口温度的高低，而汽包内蒸汽压力主要通过空气预热器侧来进行控制。主要过程是汽包内蒸汽直接通入空气预热器侧进行冷凝放热，并逐步冷凝成水，由于空气预热器换热管会倾斜放置，并上下用集箱并联，冷凝水会保持一定的液位高度，管内液位高低会影响翅片管内蒸汽有效冷凝面积，并影响到总换热量的大小，该液位信号通过带信号输出的磁翻板液位计反馈回控制室，通过PLC逻辑控制单元判断后控制循环水泵的输出频率，频率变化引起冷凝水流量变化，进而影响换热管内冷凝水液位高低，实现对空气侧换热量的控制，通过平衡烟气侧的释热量大小，最终实现系统能量的平衡。

本余热回收装置及余热回收方法基于实际的工艺要求，采取带储能单元的双循环余热回收系统，利用自然循环和调节挡板，实现出口烟温的稳定控制，并通过翅片管内液位高低调节有效冷凝换热面积来实现释热功率的控制，二者换热量的合理匹配，优化系统的能量利用方式，达到节约成本，降低能耗的目的。

本发明是基于出口烟温控制的余热回收方法，主要应用于垃圾焚烧电厂省煤器出口排烟温度控制和烟气余热回收中有排烟温度控制需求的相关领域。

本发明由于采用了上述方案，故具有如下优点：

（1）系统可满足烟气出口温度控制要求，确保后续工艺不受排烟温度的影响，有利于后续设备如布袋除尘器的安全稳定运行；

（2）系统采用具有能量缓冲的结构单元，实现了热源与冷源的能量平衡，抵抗变负荷和扰动的能力大大增强，运行参数更加平稳；

（3）系统采用具有一定自衡能力的自然循环方式，不仅简化了系统控制流程，而且也提高了系统的可靠性；

（4）用冷凝管内液面高度作为反馈信号来控制换热器换热功率的大小，具有控制灵活、简单可靠的特点。

附图说明

图1为本发明基于出口烟温控制的余热回收装置的示意图。

图2为本发明中余热回收系统运行前后排烟温度的对比结果。

图3为本发明基于出口烟温控制的余热回收控制方法中排烟温度的控制示意图。

图4为本发明基于出口烟温控制的余热回收控制方法中汽包压力的控制示意图。

 图中，1为助燃风空气侧翅片管式换热器，11为带输出信号的磁翻板液位传感器，12为空气侧烟道， 2为冷凝水循环水泵，3为饱和蒸汽输出管道，4为汽包，41为汽包压力传感器，42为磁翻板液位计，43为放水排污阀， 5为补给水泵，6为烟气侧翅片式换热器，61为烟气挡板，62为烟气侧烟道，63为尾部烟气温度传感器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明的基于出口烟温控制的余热回收装置的示意图如图1 所示，主要由助燃风空气侧翅片管式换热器1，带输出信号的磁翻板液位传感器11，空气侧烟道12，冷凝水循环水泵2，饱和蒸汽输出管道3，汽包4，汽包压力传感器41，磁翻板液位计42，放水排污阀43，补给水泵5，烟气侧翅片式换热器6，烟气挡板61，烟气侧烟道62，尾部烟气温度传感器63构成。

为了保证烟气余热的充分回收和烟气出口温度稳定在安全范围内的要求，本发明在原有烟道中增加换热器及其旁路系统，烟气侧烟道62经焊接改造为方形烟道，与原有烟道同轴线，并将烟道分成两部分，旁通烟道及烟气侧换热器6，在二者分界处有一个烟气挡板61，通过测量尾部烟气温度传感器63的数据来调节挡板开度大小，以此分配烟气进入换热器的比例，进而控制换热器的换热功率，实现烟气出口烟温控制在设定值的范围内。如图1和图3所示，当烟气温度偏低时，则挡板向旁通烟道打开，较多烟气从旁通经过，减少换热器换热量，当烟气温度偏高时，则挡板向换热器侧打开，则较多烟气经由换热器换热，降低尾部烟气温度。烟气挡板的增加，既保证了新增加的设备切换自如，同时也可以保证在换热器发生泄漏时，锅炉设备能迅速恢复原有的运行状态。烟气侧换热器6与汽包4组合成的自然循环换热系统，还可以根据烟气热流量的大小自动匹配自然循环倍率，以充分回收烟气中余热。为了应对垃圾焚烧炉中灰分含量高及换热面易积灰的特点，本发明在换热器结构中针对性安装了12组压缩空气吹灰装置，采用12组逐一循环开启和关闭吹灰方式，通过对自动控制连接压缩空气罐与吹灰装置的电磁阀参数的合理设定，如开启时长及开启时刻，以确保换热器在运行过程中不会出现和烟道受热面同样的积灰问题。

空气侧换热器1主要是将饱和蒸汽中的潜热传递给助燃空气，空气侧换热器是由翅片管式换热单元并接而成，并采用压力传感器41测量的结果来控制冷凝水循环水泵2的转动频率，水泵2的转动频率会影响到换热管内液面的高低，进而影响到空气侧换热器换热功率的高低。通过系统中增加一个汽包，将烟道换热器中吸收的能量以潜热形式储存在汽包中，汽包置于烟道换热器上方，汽包底部开有下降管，直接通入烟道换热器液体工质入口，出口接上升管，最后进入汽包，以保证汽包与换热器间能形成自然循环对流，通过合理设计汽包液面距烟道式换热器间的物理高度及控制汽包水位高度值来实现自然循环中的循环倍率控制。由于构成的自然循环系统，无需耗费循环水泵等额外动力，且其吸热功率可随烟气放热功率而自动调节和变化，该系统本身具有较强的自衡能力，保证了系统的稳定运行。因此，增加汽包可起到物料缓冲和能量储存的作用。此外，增加的汽包还可以将自然循环后的汽水混合物进行汽水分离，为后一级循环中采用饱和蒸汽引入空气侧换热器中加热助燃空气提供了条件。如图1和图4所示，如烟气热流量增大，气化过程加强，汽包4内蒸汽压力上升，传感器11数据反馈给PLC，控制指令要求提高水泵2转速加快冷凝水的回注，空气侧换热器1换热管内液位下降，，管内有效冷凝换热面积增大，换热能力逐步增强，换热量提高，蒸汽耗量增大，进而使得汽包压力下降，完成空气侧控制过程。因此该系统具有良好的控制效果，且安全可靠。

汽包4在整个系统中起到的主要作用包括两方面，一方面是作缓冲罐的功能，控制系统提供了较大的热惯性，具有蓄热储能的作用，增强了系统的抗干扰能力；另一方面，汽包4本身具有汽水分离作用，饱和蒸汽经由蒸汽管道3进入空气侧换热器，并由冷凝水水泵2返回，而液态水则经由下降管进入烟气侧换热器6，并加热蒸发后以汽水混合物形式进入汽包4。

在水量不够时，可通过液位传感器42检测的反馈结果，指导给水泵5来进行补给，最终将汽包水位稳定控制在30%左右。

换热系统的释热过程是将汽包顶部饱和蒸汽引入空气侧换热器加热空气，饱和蒸汽在带有一定倾角的换热器管内冷凝放热并加热冷的空气，冷凝水通过重力作用逐渐在换热器管内形成一定高度的液面，多余的冷凝水通过疏水集箱并通过水泵泵回汽包中，水泵的频率控制则通过汽包4上压力传感器41的反馈信号来实现，对换热管来说，管内液位的高低直接影响到换热器的有效换热面积，进而影响到换热器的换热功率，通过变频器控制水泵运行频率来调整液位的高低，进而实现对换热器换热功率的控制，在本发明中均采用翅片管式强化换热技术来实现气-液以及汽-气换热。

在烟气排烟温度控制上，如图3所示，本发明采用控制汽包内蒸汽压强来间接控制饱和水温度，烟气侧换热器中进口水温即为饱和水温度，该水温高低会影响到烟气侧饱和水与烟气间的传热温差，进而影响到锅炉的蒸发量及对烟气的吸热量，吸热量的多少会影响到烟气出口温度，从而对烟气出口温度产生影响。当余热回收能量超过预定值时，会引起烟气出口温度偏低，此时通过烟气通道控制阀门进行调节，使部分烟气不经过换热器，走旁通后与余热回收后烟气混合，以控制排烟出口的混合温度保持在设定值。

由上述控制过程可知，汽包内蒸汽压力参数的控制是关键，直接影响到烟气出口温度的高低，而汽包内蒸汽压力主要通过空气预热器侧来进行控制。如图4所示，主要过程是汽包内蒸汽直接通入空气侧换热器进行冷凝放热，并逐步冷凝成水，由于空气侧换热器中换热管会倾斜放置，并上下用集箱并联，冷凝水受重力作用，逐渐形成一定的液位高度，管内液位高低会影响翅片管内蒸汽有效冷凝换热面积，并影响到总换热量的大小，该液位信号通过带信号输出的磁翻板液位计反馈回控制室，通过PLC逻辑控制单元判断后控制循环水泵的输出频率，频率变化引起冷凝水流量变化，进而影响换热管内冷凝水液位高低和管内蒸汽有效冷凝换热面积，实现对空气侧换热量的控制，通过平衡烟气侧的释热量大小，最终实现系统能量的平衡。

图2是采用本发明专利方法及装置前后对电站系统进除尘器前烟温的对比，可以看出，在不使用本烟温控制及余热回收系统时，烟温随运行时间的延长而直线上升，约一周时间即由211℃上升到261℃，而在使用了本发明方法的烟温控制及余热回收系统后，烟温基本上一直保持在205℃上下2℃，既实现了烟温的稳定控制，又回收了大量的余热资源，节省下来的抽气蒸汽使电厂生产更多的电能。

Claims (8)

1.一种基于出口烟温控制的余热回收装置，其特征在于，是在原有烟道中设置烟气调节挡板和旁通烟道，烟道中设有烟气温度传感器；旁通烟道连通烟气换热器，烟气换热器与汽包相连；汽包通过饱和蒸汽输出管道连通空气侧烟道内的空气换热器，通过冷凝水输入管道连通汽包，构成循环；所述冷凝水输入管道上设有冷凝水循环水泵；所述空气换热器设有液位传感器；所述汽包设有汽包压力传感器。

2.根据权利要求1所述的一种基于出口烟温控制的余热回收装置，其特征在于，所述汽包置于烟气换热器上方，汽包底部开有下降管，直接连接烟道换热器液体工质入口集箱，出口集箱接上升管，最后进入汽包，以保证汽包与换热器间能形成自然循环对流。

3.根据权利要求1所述的一种基于出口烟温控制的余热回收装置，其特征在于，所述烟气换热器是翅片式换热器；所述空气换热器是翅片管式换热器。

4.根据权利要求1所述的一种基于出口烟温控制的余热回收装置，其特征在于，所述液位传感器是带输出信号的磁翻板液位传感器。

5.一种基于出口烟温控制的余热回收控制方法，其特征在于，采用权利要求1所述的基于出口烟温控制的余热回收装置，出口烟气温度的控制是采用调节挡板进行烟气量的分流以保证排烟温度稳定在设定值；汽包蒸汽压力的控制是采用控制冷凝水量的回流速率来控制空气换热器的有效冷凝换热面积，通过循环水泵的转动频率来控制汽包压力的高低，利用回水流量来控制换热器管内液位的高低，进而实现换热器换热功率大小的控制。

6.根据权利要求5所述的一种基于出口烟温控制的余热回收控制方法，其特征在于，所述烟气热量的分流是采用测量烟气出口的温度，由温度传感器的反馈值来指导烟道挡板调节，以此分配烟气进入换热器的比例，进而控制换热器的换热功率，实现烟气出口烟温控制在设定值的范围内。

7.根据权利要求5所述的一种基于出口烟温控制的余热回收控制方法，其特征在于，所述循环水泵的转速由汽包蒸汽压力传感器反馈值与设定值之间的差值进行控制，以实现循环系统能量的平衡。

8.根据权利要求5所述的一种基于出口烟温控制的余热回收控制方法，其特征在于，所述汽包补给水泵通过汽包液位传感器反馈的数值与设定值之间的偏差来控制。