CN105804819B - 一种提高烧结余热回收量及发电系统运行稳定性的调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高烧结余热回收量及发电系统运行稳定性的调控方法，采用热管余热锅炉回收烧结机废烟气余热，回收过程产生的高温高压蒸汽，与后续环冷机废烟气余热回收过程产生的高温高压蒸汽串联，采用蓄热汽包进行收集，同时在蓄热汽包上增设与厂内蒸汽管网的连接管道与阀门控制系统，并采用自行开发的基于随机过程理论的蒸汽流量监测控制系统，对各个管路的蒸汽流量进行实时监控，根据后续汽轮机‑发电机组运行蒸汽需求量变化，在烧结工况变化时，保证汽轮机‑发电系统能够运行发电的条件下，给出最优的流量控制方案，调整发电系统的蒸汽流量。

Description

一种提高烧结余热回收量及发电系统运行稳定性的调控方法

技术领域：

本发明涉及一种提高烧结余热回收量及发电系统运行稳定性的调控方法，属于节能减排技术领域。

背景技术：

钢铁企业烧结工序能耗占钢铁生产总能耗的9％～12％，仅次于炼铁工序。烧结余热回收是降低烧结工序能耗、提高能源利用效率的重要途径。烧结余热回收装置主要有如下四类：1)冷却机余热回收系统；2)冷却机+烧结机余热回收系统；3)冷却机+烧结机气体循环余热回收系统；4)新型机冷式烧结机余热回收系统。

烧结余热发电系统作为烧结线的附属工艺，决定了它与常规电站的不同。在余热发电系统的建设、运行发电不影响主工艺正常运行的前提下，发电系统的首要目标是安全、可靠与稳定，其次才是如何最大限度地利用余热资源，提高余热利用效率。

现有烧结余热发电系统由于烧结主工艺工况变化，致使余热锅炉蒸汽参数波动频繁，导致汽轮机-发电机组系统运行稳定较差、停机率较高，既降低了发电量又缩短了机组寿命。为了降低烧结系统检修、烧结机临时停机等引起的烧结机和冷却机废气流量和温度波动大，保障余热回收发电系统运行的不稳定性，采用了诸多措施可提高余热发电系统稳定性和效率。具体如下：

1)采用多炉-机的系统方案；

2)采用热风循环；

3)补充蒸汽；

4)用补燃炉过热蒸汽；

5)提高凝汽器真空度；

6)合理布局工艺流程；

7)改善管道保温措施。

但上述措施主要针对的烧结工序的局部进行改进或是优化。并没有基于烧结系统运行的稳定性、烧结矿产量和质量以及提高余热资源回收量的角度，对烧结工序的余热回收进行合理的优化和改建。为此，针对具有多条烧结生产线的烧结工序余热回收，通过对上述措施进行改进、合理优化和调整，本文提出了一种提高烧结余热回收系统效率及运行稳定性的调控方法。

发明内容：

一种提高烧结余热回收量及发电系统运行稳定性的调控方法,采用热管余热锅炉回收烧结机废烟气余热，回收过程产生的高温高压蒸汽，与后续环冷机废烟气余热回收过程产生的高温高压蒸汽串联，采用蓄热汽包进行收集，同时在高压蓄热汽包上增设与厂内蒸汽管网的连接管道与阀门控制系统，并采用基于随机过程理论的蒸汽流量监测控制系统，对各个管路的蒸汽流量进行实时监控，根据后续汽轮机-发电机组运行蒸汽需求量变化，在烧结工况变化时，保证汽轮机-发电系统能够运行发电的条件下，给出最优的流量控制方案，调整发电系统的蒸汽流量，该调控方法适用于1条及以上的烧结生产线余热回收发电系统。

一种提高烧结余热回收量及发电系统运行稳定性的调控方法，通过建立基于随机过程理论的蒸汽流量监控系统数学模型实现，数学模型构建步骤如下:

1)由于余热锅炉产生蒸汽量是随机变量，进行如下假设：

(1)各余热锅炉正常运行状态相对稳定，相互独立；

(2)i锅炉产生的蒸汽量服从正态分布

(3)蒸汽量均值不随时间发生变化，与相互独立；

由假设可以得出如下方程：

(4) 相互独立；

(5)Y_t服从于正态分布，且有：

其中μ_i、σ_i为样本均值和方差，n为余热锅炉个数，i为某个余热锅炉，为锅炉i在t时刻产生的蒸汽量，大于零，Y_t为t时刻所有锅炉共同产生的蒸汽量，为余热锅炉工作状态，表示锅炉工作，表示锅炉停止工作；

2)、数学模型的建立

为保证汽轮机发电的正常运行，余热锅炉产生的总蒸汽量应满足发电机组所需的蒸汽量，限制条件是发电机组稳定运行的概率不小于某个概率值P，本模型中设定概率值

P＝0.95，通过求解满足条件的的所有解，确定锅炉的运行状态，数学表达式为：

其中A(常数)为发电机组运行时的最大蒸汽量，β＝Y_ts/A表示发电机组的工作状态系数β∈(0，1)，简称为状态系数，β_u、β_d表示状态系数的上、下边界值，Y_ts为余热锅炉向发电机组输送的实际蒸汽量；

3)对方程(2)求解变形可得：

P{β_dA≤Y_t≤β_uA}≥0.95 (3)

转化为标准正态分布进行求解得可得方程(4)：

查标准正态分布表得方程(5)：

结合方程(4)、(5)得如下结果：

其中，β,A是常数，μ_i、σ_i由样本数据通过采用距估计求得，求解不等方程(6)可以得到的值，即余热锅炉的运行方案；

4)、发电机组稳定运行优化

由于求得满足要求的方案通常不止一个，且不同方案下的余热锅炉工作状态已知，则Y_t服从的正态分布参数可以确定，转化为选择最优的控制方案，即求解蒸汽量一定时汽轮机运行的概率P，

对于不同方案可以计算出汽轮机在不同效率下的稳定运行概率，可根据发电机组效率和稳定工作的概率来选取最优的控制方案；

5)、蒸汽量额外供需量计算

机组运行过程中，蒸汽量具有上下边界值限制，必须满足合理的数值区间，当实际蒸汽量超过上限或低于下限，则需要向厂区输送多余蒸汽量或者借调不足部分的蒸汽量，用来满足机组发电的正常运行，

记多余蒸汽量Z，那么有以上计算可以得到表达式，

Z＝Y_t-βA (8)

若Z值为正值那么则蒸汽量超额，向厂区输送，若Z值为负值那么则蒸汽量不足，向厂区借调以保证机组正常运行，Z在借调和向外输送时的蒸汽量应满足合理的区间，β,A是常数，结合方程(1)得出：

关于Z的给定置信度1-α的置信区间估计为：

其中，m表示选取某时段内锅炉蒸汽量的样本个数，u表示分为数；

上述方程(1)-(10)构成蒸汽流量监控系统及提高发电系统运行稳定性的数学模型。

将上述方程构成的蒸汽流量监控系统数学模型编制相应的计算机程序，嵌入到烧结余热发电计算机控制系统中，实际运行过程中实时采集模型所需的数据，通过数学模型进行运算，最后给出相应的调控方法，控制相应的阀门开度进行调整。

进一步地，首先采用热管余热锅炉对烧结机风箱中的高温段的废烟气余热进行回收，产生高温蒸汽(可以使过饱和或是饱和)。

进一步地，将上述蒸汽并联成一路蒸汽进入高压汽包(称为高压汽包1)，高压汽包1上设置三个控制蒸汽流量的电控阀门，其中两个分别连接热管余热锅炉产生的蒸汽(阀门1)、厂内蒸汽管网(阀门2)。

进一步地，环冷机工序采用双压余热锅炉产生不同压力的蒸汽，并将高压的蒸汽与烧结机废烟气余热回收产生的高压蒸汽进行串联，分别进入蓄热汽包(称为蓄热汽包2)和低压汽包(称为低压汽包1)，蓄热汽包2与烧结机余热回收工序的高压汽包1预留的阀门3采用管道连接，最后将蓄热汽包2和低压汽包1中的蒸汽分别导入汽轮机-发电机组进行做功发电。

进一步地，上述系统运行过程中，高压汽包1上的阀门2通常是锁闭状态。

进一步地，蒸汽流量监控系统实施监测并联进入蓄热汽包2的蒸汽流量，当烧结机需要临时停机、定时检修时，蒸汽流量监控系统会根据汽轮机-发电机组运行需要的蒸汽流量采用滑参数的方式进行运算，并给出保证机组运行发电的最小蒸汽流量，并控制位于高压汽包1上的阀门2上的开度，从厂内蒸汽管网获得一定流量的蒸汽，保证系统蒸汽流量满足汽轮机-发电机组运行所需。

进一步地，当增加烧结机产量(如生产钒钛烧结矿)，由于系统蒸汽产量增加量可能会超出汽轮机-发电机组运行所需最大蒸汽入口流量，此时高压汽包1上的阀门2会打开向厂 内管网供汽，保证余热回收系统产生的蒸汽能够有效利用。

进一步地，所述的蒸汽流量监控系统基于随机过程理论开发。

进一步地，所述的烧结机废烟气余热回收工序产生的高温高压蒸汽与环冷机余热锅炉产生的高温高压蒸汽的压力和温度相同。

进一步地，所述的调控方法适用于1条及以上的烧结生产线余热回收发电系统。

附图说明：

图1提高烧结余热回收量及发电系统运行示意图

图2提高烧结余热回收量及发电系统运行稳定性调控流程

图3余热锅炉蒸汽量数据图

具体实施方式：

依据某钢铁企业，四个余热锅炉的蒸汽量随时间的变化，本文选取时间7：57：36到10:38:24时段的200个样本数据计算。当蒸汽量值为零表示余热锅炉停止工作，即烧结停止，无余热产生。由图可以看出，在锅炉进入正常工作状态后，产生的蒸汽量基本在某一数值范围内，上下随机波动。

根据样本计算样本均值和样本方差，以及参数估计可以得到的分布。

数学模型的求解：

第一步、方案计算

对样本数据计算的到四个锅炉蒸汽量的分布参数如下：

取状态系数β∈(0.6，1)，A＝60。将以上数据代入式(6)

求解方程得结果。

表1锅炉方案结果表

第二步最优方案计算

第一部中已经确定了可行的方案，不同方案对应了汽轮机不同的工作稳定性和状态系数。分别取发电机组状态系数β为0.75、0.85、0.95，计算稳定运行的概率值。将可行方案的数据代入式(7)，计算得到下表。

表2调控方案概率、状态系数表

第三步Z的计算结果

对于不能满足汽轮机发电要求的方案，采用借调和向外输送的办法使蒸汽量满足发电要求，蒸汽需求量值(为正则向外输送，负值则需额外供应蒸汽量)范围由式(10)计算得到。取Z的置信度为0.99，β＝0.8。以方案4、6、8、10为例，计算结果如下：

表3蒸汽量需求量计算区间

对于上述四台烧结机的烧结余热发电系统运行过程，当蒸汽流量发生变化时，根据预先设定的发电机工作状态系数，通过对系统蒸汽管道流量监控数值，计算机控制系统会计算出出一系列的调控方案，并给出现有工况条件下最优的调控方案，并通过执行器1、3控制 相应的阀门开度，保证系统运行稳定；当系统内部蒸汽流量不能满足调控要求时，计算机控制系统会通过执行器2从厂内蒸汽管网进行调配。

Claims (8)

1.一种提高烧结余热回收量及发电系统运行稳定性的调控方法，采用热管余热锅炉回收烧结机废烟气余热，回收过程产生的高温高压蒸汽，采用高压汽包进行收集，同时在高压汽包上增设与厂内蒸汽管网连接的管道与阀门控制系统，高压汽包通过管路与后续环冷机废烟气余热回收过程产生的高温高压蒸汽连接汇集到蓄热汽包，并采用基于随机过程理论的蒸汽流量监测控制系统，对各个管路的蒸汽流量进行实时监控，根据后续汽轮机-发电机组运行蒸汽需求量变化，在烧结工况变化时，保证汽轮机-发电系统能够运行发电的条件下，给出最优的流量控制方案，调整发电系统的蒸汽流量，该调控方法适用于1条及以上的烧结生产线余热回收发电系统；

所述提高烧结余热回收量及发电系统运行稳定性的调控方法，通过建立基于随机过程理论的蒸汽流量监控系统数学模型实现，数学模型构建步骤如下:

1)由于余热锅炉产生蒸汽量是随机变量，进行如下假设：

(1)各余热锅炉正常运行状态相对稳定，相互独立；

(2)i锅炉产生的蒸汽量服从正态分布

(3)蒸汽量均值不随时间发生变化，与相互独立；

由假设可以得出如下方程：

(4) 相互独立；

(5)Y_t服从于正态分布，且有：

$Y_t~N(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\δ}}_t^i{\mathrm{\μ}}_i,\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left({\mathrm{\δ}}_t^i{\mathrm{\σ}}_i\right)}^2)---\left(1\right)$

其中μ_i、σ_i为样本均值和方差，n为余热锅炉个数，i为某个余热锅炉，为锅炉i在t时刻产生的蒸汽量，大于零，Y_t为t时刻所有锅炉共同产生的蒸汽量，为余热锅炉工作状态，表示锅炉工作，表示锅炉停止工作；

2)数学模型的建立

为保证汽轮机发电的正常运行，余热锅炉产生的总蒸汽量应满足发电机组所需的蒸汽量，限制条件是发电机组稳定运行的概率不小于某个概率值P，本模型中设定概率值P＝0.95，通过求解满足条件的的所有解，确定锅炉的运行状态，数学表达式为：

其中A为发电机组运行时的最大蒸汽量，β＝Y_ts/A表示发电机组的工作状态系数β∈(0，1)，简称为状态系数，β_u、β_d表示状态系数的上、下边界值，Y_ts为余热锅炉向发电机组输送的实际蒸汽量；

3)对方程(2)求解变形可得：

P{β_dA≤Y_t≤β_uA}≥0.95 (3)

转化为标准正态分布进行求解得可得方程(4)：

$\mathrm{\Φ}\left(\frac{{\mathrm{\β}}_{u}A-\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\δ}}_t^i{\mathrm{\μ}}_i}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left({\mathrm{\δ}}_t^i{\mathrm{\σ}}_i\right)}^2}}\right)-\mathrm{\Φ}\left(\frac{{\mathrm{\β}}_{d}A-\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\δ}}_t^i{\mathrm{\μ}}_i}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left({\mathrm{\δ}}_t^i{\mathrm{\σ}}_i\right)}^2}}\right)\≥0.95---\left(4\right)$

查标准正态分布表得方程(5)：

$-\frac{{\mathrm{\β}}_{d}A-\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\δ}}_t^i{\mathrm{\μ}}_i}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left({\mathrm{\δ}}_t^i{\mathrm{\σ}}_i\right)}^2}}\≥1.65---\left(5\right)$

结合方程(4)、(5)得如下结果：

其中，β,A是常数，μ_i、σ_i由样本数据通过采用距估计求得，求解不等方程(6)可以得到的值，即余热锅炉的运行方案；

4)发电机组稳定运行优化

由于求得满足要求的方案通常不止一个，且不同方案下的余热锅炉工作状态已知，则Y_t服从的正态分布参数可以确定，转化为选择最优的控制方案，即求解蒸汽量一定时汽轮机运行的概率P，

$\left\{\begin{array}{c}P\{Y_t>\mathrm{\β}A\}\\ Y_t~(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\δ}}_t^i{\mathrm{\μ}}_i,\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left({\mathrm{\δ}}_t^i{\mathrm{\σ}}_i\right)}^2)\end{array}\right.---\left(7\right)$

对于不同方案可以计算出汽轮机在不同效率下的稳定运行概率，可根据发电机组效率和稳定工作的概率来选取最优的控制方案；

5)、蒸汽量额外供需量计算

机组运行过程中，蒸汽量具有上下边界值限制，必须满足合理的数值区间，当实际蒸汽量超过上限或低于下限，则需要向厂区输送多余蒸汽量或者借调不足部分的蒸汽量，用来满足机组发电的正常运行，

记多余蒸汽量Z，那么由以上计算可以得到表达式，

Z＝Y_t-βA (8)

若Z值为正值那么则蒸汽量超额，向厂区输送，若Z值为负值那么则蒸汽量不足，向厂区借调以保证机组正常运行，Z在借调和向外输送时的蒸汽量应满足合理的区间，β,A是常数，结合方程(1)得出：

$Z~N(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\δ}}_t^i{\mathrm{\μ}}_i-\mathrm{\β}A,\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left({\mathrm{\δ}}_t^i{\mathrm{\σ}}_i\right)}^2)---\left(9\right)$

关于Z的给定置信度1-α的置信区间估计为：

$(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\δ}}_t^i{\mathrm{\μ}}_i-\mathrm{\β}A-\frac{u_{1-\frac{\mathrm{\α}}{2}}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left({\mathrm{\δ}}_t^i{\mathrm{\σ}}_i\right)}^2}{\sqrt{m}},\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\δ}}_t^i{\mathrm{\μ}}_i-\mathrm{\β}A+\frac{u_{1-\frac{\mathrm{\α}}{2}}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left({\mathrm{\δ}}_t^i{\mathrm{\σ}}_i\right)}^2}{\sqrt{m}})---\left(10\right)$

其中，m表示选取某时段内锅炉蒸汽量的样本个数，u表示分为数；

上述方程(1)-(10)构成蒸汽流量监控系统及提高发电系统运行稳定性的数学模型；

将上述方程构成的蒸汽流量监控系统数学模型编制相应的计算机程序，嵌入到烧结余热发电计算机控制系统中，实际运行过程中实时采集模型所需的数据，通过数学模型进行运算，最后给出相应的调控方法，控制相应的阀门开度进行调整。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：首先采用热管余热锅炉对烧结机风箱中的高温段的废烟气余热进行回收。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：热管余热锅炉产生的高温高压蒸汽进入高压汽包，高压汽包上设置三个控制蒸汽流量的电控阀门，其中第一阀门(1)位于高压汽包与烧结机热管余热锅炉的连接管道上，第二阀门(2)位于高压汽包与厂内蒸汽管网连接管道上，第三阀门(3)位于高压汽包与环冷机余热锅炉蓄热汽包之间的连接管道上。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:环冷机工序采用双压余热锅炉产生不同压力的蒸汽，对压力不同的蒸汽进行并联，分别进入环冷机余热锅炉蓄热汽包和低压汽包，蓄热汽包与烧结机废烟气余热回收工序的高压汽包预留的第三阀门(3)采用管道连接，最后将蓄热汽包和低压汽包中的蒸汽分别导入汽轮机-发电机组进行做功发电。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：位于收集烧结机热管余热锅炉产生的高温高压蒸汽的高压汽包与厂内蒸汽管网连接的管道上的第二阀门(2)通常是锁闭状态。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:当烧结机需要临时停机、定时检修时，蒸汽流量监控系统会根据汽轮机-发电机组运行需要的蒸汽流量采用滑参数的方式进行运算，并给出保证机组运行发电的最小蒸汽流量，并控制位于高压汽包与厂内蒸汽管网连接管道上的第二阀门(2)的开度，从厂内蒸汽管网获得一定流量的蒸汽，保证系统蒸汽流量满足汽轮机-发电机组运行所需。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:当增加烧结机产量，由于系统蒸汽产量增加量可能会超出汽轮机-发电机组运行所需最大蒸汽入口流量，此时位于高压汽包与厂内蒸汽管网连接管道上的第二阀门(2)会打开向厂内管网供汽，保证余热回收系统产生的蒸汽能够有效利用和运行安全。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:烧结机废烟气余热回收工序产生的高温高压蒸汽与环冷机余热锅炉产生的高温高压蒸汽的压力和温度相同。