CN109240380B - 一种尿素热解烟气换热器系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种尿素热解烟气换热器系统控制方法，包括以下步骤：1)得热解器出口热风温度的加权值t4_sp′；2)计算尿素溶液完全热解所需热量q_x；3)计算系统内热风质量流量l_m3，再计算换热器出口热风温度t_x；4)计算换热器入口烟气需求质量流量l_mG，再计算换热器入口烟气需求体积流量l_G；5)以换热器入口烟气实测流量l₁与需求体积流量l_G的偏差作为PID运算的输入值进行PID运算，并将PID运算的输出作为换热器入口烟气流量调门开度指令，然后根据换热器入口烟气流量调门开度指令控制换热器入口烟气流量调门的开度，该方法能够实现烟气流量的准确调节，同时提高尿素热解烟气换热器系统运行的安全性、稳定性及节能水平。

Description

一种尿素热解烟气换热器系统控制方法

技术领域

本发明属于燃煤锅炉烟气脱硝系统中尿素热解制氨技术领域，涉及一种尿素热解烟气换热器系统控制方法。

背景技术

针对燃煤发电厂锅炉尾部烟气排放过程中氮氧化物(NOx)对大气造成的污染，国家日益完善相关环境保护政策，并且已经出台了严格的氮氧化物排放指标限值。利用氨气(NH₃)作为还原剂降低锅炉排放烟气中氮氧化物浓度的烟气脱硝技术，目前已经全面推广应用。

在实际生产过程中，利用液氨、氨水制备脱硝还原剂氨气的工艺方案，有着及其严格的审批和监管流程，且液氨、氨水的存储设备属于重大危险源，安全运行成本极高。近期频发的液氨存储系统事故，也促使相关技术产业进行更新、升级。其中，采用危险系数较低的尿素颗粒制备氨气的工艺方案已经发展为主流技术路线，主要包括尿素热解制氨法和尿素水解制氨法。

尿素热解制氨法要求尿素水溶液在350℃以上的空气中发生热解反应，生产氨气、二氧化碳和水蒸气。燃煤锅炉通常采用热一次风作为尿素热解法的脱硝还原剂稀释风，并配套电加热器或烟气换热器为尿素热解反应提供热源。其中，采用电加热器作为热解热源的方案会增加厂用电率，因此在一些空间条件满足要求的电厂，会采用增加烟气换热器的方法作为尿素热解热源的解决方案。

尿素热解烟气换热器属于管式气-气换热器，管程介质为高温烟气，壳程介质为锅炉热一次风。高温烟气自锅炉顶部水平烟道引出至换热器，放热后引至锅炉空预器烟气侧入口。热一次风自空预器空气侧出口引出，吸热后引至尿素热解器，为尿素热解反应提供热源并用作脱硝还原剂稀释风。这种尿素热解器配套烟气换热器的技术方案可以大大降低脱硝热解系统厂用电率。但是由于尿素热解所需热量随锅炉运行工况的改变而不断变化，而烟气换热器属于大蓄热设备，针对系统运行的自动控制存在一定困难。

目前大部分采用脱硝热解烟气换热器技术的系统，多采用手动调节高温烟气流量，即手动调整系统输入热量的方式进行控制。当锅炉SCR脱硝系统用氨量增加时，需要增加烟气流量，保证热一次风温度升高，增加对尿素热解反应的热量供给，使热解器出口温度高于350℃，确保尿素溶液能够完全热解。如果没有及时增加高温烟气流量，将造成热解反应不完全，导致后续管路中出现尿素结晶，影响系统连续运行。当锅炉SCR用氨量减小时，需要减小烟气流量，使热一次风温度降低。既要保证尿素完全热解，也要使热解器出口含氨热风温度不能高于后续管道材料耐受温度，避免系统出现安全运行风险。另外，锅炉顶部高温烟气属于锅炉系统内高品质热源，过大的烟气流量也会直接降低锅炉运行经济性。

综上所述，采用烟气换热器作为尿素热解热源的SCR脱硝还原剂制备系统，对烟气流量(输入热量)的准确调节，直接影响其运行安全性、稳定性、节能水平和环保指标。因此一套完整的自动控制策略将对此产生积极的作用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种尿素热解烟气换热器系统控制方法，该方法能够实现烟气流量的准确调节，同时提高尿素热解烟气换热器系统运行的安全性、稳定性及节能水平。

为达到上述目的，本发明所述的尿素热解烟气换热器系统控制方法包括以下步骤：

1)根据热解器出口热风实测温度t₄及设定温度t4_sp经PID运算得热解器出口热风温度的加权值t4_sp′；

2)根据尿素溶液的温度t₀、密度ρ₀及流量l₀计算尿素溶液完全热解所需热量q_x；

3)计算系统内热风质量流量l_m3，再根据系统内热风质量流量l_m3、尿素溶液完全热解所需热量q_x及热解器出口热风温度的加权值t4_sp′利用热解器热平衡方程计算换热器出口热风温度t_x；

4)根据系统内热风质量流量l_m3及换热器出口热风温度t_x计算换热器入口烟气需求质量流量l_mG，再根据换热器入口烟气需求质量流量l_mG计算换热器入口烟气需求体积流量l_G；

5)以换热器入口烟气实测流量l₁与需求体积流量l_G的偏差作为PID运算的输入值进行PID运算，并将PID运算的输出作为换热器入口烟气流量调门开度指令，然后根据换热器入口烟气流量调门开度指令控制换热器入口烟气流量调门的开度，完成对尿素热解烟气换热器系统的控制。

步骤1)的具体操作为：

11)将热解器出口热风实测温度t₄与设定温度t4_sp的偏差作为PID运算的输入进行PID运算，得PID运算的输出；

12)将热解器出口热风设定温度t4_sp与步骤11)得到的PID运算的输出进行求和，并将求和所得结果作为热解器出口热风温度的加权值t4_sp′。

步骤2)的具体操作为：

21)由尿素溶液的温度t₀及密度ρ₀计算尿素溶液浓度w，其中，

22)根据尿素溶液的体积流量l₀、密度ρ₀及浓度w计算尿素溶液完全热解所需热量q_x，其中，

q_x＝k₂×l₀×ρ₀×[w×α₁+(1-w)×α₂]

其中，α₁为每千克尿素完全热解至350℃所需的热量，α₂为每千克水气化至350℃所需的热量，k₂为修正系数，k₂为1.26。

步骤3)的具体操作为：

31)根据换热器入口热风温度t₃、压力p₃及体积流量l₃计算系统内热风质量流量l_m3，其中，

32)根据系统内热风质量流量l_m3、尿素溶液完全热解所需热量q_x及热解器出口热风温度的加权值t4_sp′计算换热器出口热风温度t_x，其中

t_x＝t4_sp′+[q_x/(l_m3×C_W)]

其中，C_W为热风比热容。

步骤4)的具体操作为：

41)根据系统内热风质量流量l_m3及换热器介质进出口温度计算换热器入口烟气需求质量流量l_mG，其中

其中，k₄为修正系数，k₄为1.0，t₁为换热器入口烟气温度，t₂为换热器出口烟气温度，t₃为换热器入口热风温度；

42)根据换热器入口烟气温度t₁、压力p₁及需求质量流量l_mG计算换热器入口烟气需求体积流量l_G，其中，

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的尿素热解烟气换热器系统控制方法在具体操作时，利用闭环串级PID控制原理对换热器入口烟气流量进行自动调节，使得热解器出口含氨热风温度维持在设定值，从而在系统运行负荷变化的工况下，保证尿素溶液完全热解反应，避免可能出现的高温气体对后续设备的不安全影响，从而确保尿素热解烟气换热器系统运行的安全性、稳定性及节能水平。另外，需要说明的是，本发明采用两次PID运算，通过第一次PID运算用于计算热解器出口温度加权值，通过第二次PID运算输出换热器入口烟气流量调门开度指令，从而在一定程度上消除系统大惯性带来的不利影响，同时对最终目标值的任何偏差进行快速的响应。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的逻辑框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1及图2，本发明的所述的尿素热解烟气换热器系统控制方法包括以下步骤：

1)根据热解器出口热风实测温度t₄及设定温度t4_sp经PID运算得热解器出口热风温度的加权值t4_sp′；

步骤1)的具体操作为：

11)将热解器出口热风实测温度t₄与设定温度t4_sp的偏差作为PID运算的输入进行PID运算，得PID运算的输出；

12)将热解器出口热风设定温度t4_sp与步骤11)得到的PID运算的输出进行求和，并将求和所得结果作为热解器出口热风温度的加权值t4_sp′。

2)根据尿素溶液的温度t₀、密度ρ₀及流量l₀计算尿素溶液完全热解所需热量q_x；

步骤2)的具体操作为：

21)由尿素溶液的温度t₀及密度ρ₀计算尿素溶液浓度w，其中，

22)根据尿素溶液的体积流量l₀、密度ρ₀及浓度w计算尿素溶液完全热解所需热量q_x，其中，

q_x＝k₂×l₀×ρ₀×[w×α₁+(1-w)×α₂]

其中，α₁为每千克尿素完全热解至350℃所需的热量，α₂为每千克水气化至350℃所需的热量，k₂为修正系数，k₂为1.26。

3)计算系统内热风质量流量l_m3，再根据系统内热风质量流量l_m3、尿素溶液完全热解所需热量q_x及热解器出口热风温度的加权值t4_sp′利用热解器热平衡方程计算换热器出口热风温度t_x；

步骤3)的具体操作为：

31)根据换热器入口热风温度t₃、压力p₃及体积流量l₃计算系统内热风质量流量l_m3，其中，

32)根据系统内热风质量流量l_m3、尿素溶液完全热解所需热量q_x及热解器出口热风温度的加权值t4_sp′计算换热器出口热风温度t_x，其中

t_x＝t4_sp′+[q_x/(l_m3×C_W)]

其中，C_W为热风比热容。

4)根据系统内热风质量流量l_m3及换热器出口热风温度t_x计算换热器入口烟气需求质量流量l_mG，再根据换热器入口烟气需求质量流量l_mG计算换热器入口烟气需求体积流量l_G；

步骤4)的具体操作为：

41)根据系统内热风质量流量l_m3及换热器介质进出口温度计算换热器入口烟气需求质量流量l_mG，其中

其中，k₄为修正系数，k₄为1.0，t₁为换热器入口烟气温度，t₂为换热器出口烟气温度，t₃为换热器入口热风温度；

42)根据换热器入口烟气温度t₁、压力p₁及需求质量流量l_mG计算换热器入口烟气需求体积流量l_G，其中，

5)以换热器入口烟气实测流量l₁与需求体积流量l_G的偏差作为PID运算的输入值进行PID运算，并将PID运算的输出作为换热器入口烟气流量调门开度指令，然后根据换热器入口烟气流量调门开度指令控制换热器入口烟气流量调门的开度，完成对尿素热解烟气换热器系统的控制。

本发明根据尿素溶液的温度及密度计算尿素溶液的实时浓度，在不同溶液浓度工况下，尿素溶液完全热解吸热量会有所不同，为了避免因尿素溶液制备时浓度偏差产生的影响，提高控制的准确性，需将尿素溶液实时质量浓度引入控制系统。

同时，根据尿素溶液流量、密度及浓度计算尿素溶液完全热解所需热量，在计算过程中，充分考虑尿素热解吸热量、水气化吸热量、雾化空气吸热量及系统散热量，其中，尿素热解反应及水气化的单位吸热量的经验数值，是根据50℃溶液反应至350℃进行计算。另外，雾化空气吸热量及系统散热量系数取值是一般工程经验值，如系统散热量过大或者雾化空气流量过大应适当调整该系数。

本发明通过对带烟气换热器的尿素热解系统各参数的实时检测及准确计算，得到换热器入口烟气流量与需求量的运行偏差，并对烟气流量调节阀进行闭环控制，完成尿素热解系统对燃煤锅炉SCR烟气脱硝系统运行负荷的跟随。同时在燃煤锅炉SCR烟气脱硝系统中，本发明一方面能够满足锅炉变负荷时氮氧化物排放指标要求，保证尿素热解反应的连续、稳定、安全运行；另一方面能够在锅炉低负荷运行时减少对高品质热源的浪费，最大限度的保证尿素热解系统的高效运行。

通过对相关函数预留对应的修正系数，在系统热态调试时能够根据设备的具体情况及时修正，满足不同设备的运行特点，甚至在实际运行时，也能够根据运行偏差进行修正，保证了整套系统的灵活适应性。

Claims (4)

1.一种尿素热解烟气换热器系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据热解器出口热风实测温度t₄及设定温度t4_sp经PID运算得热解器出口热风温度的加权值t4_sp′；

2)根据尿素溶液的温度t₀、密度ρ₀及流量l₀计算尿素溶液完全热解所需热量q_x；

3)计算系统内热风质量流量l_m3，再根据系统内热风质量流量l_m3、尿素溶液完全热解所需热量q_x及热解器出口热风温度的加权值t4_sp′利用热解器热平衡方程计算换热器出口热风温度t_x；

4)根据系统内热风质量流量l_m3及换热器出口热风温度t_x计算换热器入口烟气需求质量流量l_mG，再根据换热器入口烟气需求质量流量l_mG计算换热器入口烟气需求体积流量l_G；

5)以换热器入口烟气实测流量l₁与需求体积流量l_G的偏差作为PID运算的输入值进行PID运算，并将PID运算的输出作为换热器入口烟气流量调门开度指令，然后根据换热器入口烟气流量调门开度指令控制换热器入口烟气流量调门的开度，完成对尿素热解烟气换热器系统的控制；

步骤3)的具体操作为：

31)根据换热器入口热风温度t₃、压力p₃及体积流量l₃计算系统内热风质量流量l_m3，其中，

32)根据系统内热风质量流量l_m3、尿素溶液完全热解所需热量q_x及热解器出口热风温度的加权值t4_sp′计算换热器出口热风温度t_x，其中

t_x＝t4_sp′+[q_x/(l_m3×C_W)]

其中，C_W为热风比热容。

2.根据权利要求1所述的尿素热解烟气换热器系统控制方法，其特征在于，步骤1)的具体操作为：

11)将热解器出口热风实测温度t₄与设定温度t4_sp的偏差作为PID运算的输入进行PID运算，得PID运算的输出；

12)将热解器出口热风设定温度t4_sp与步骤11)得到的PID运算的输出进行求和，并将求和所得结果作为热解器出口热风温度的加权值t4_sp′。

3.根据权利要求1所述的尿素热解烟气换热器系统控制方法，其特征在于，步骤2)的具体操作为：

21)由尿素溶液的温度t₀及密度ρ₀计算尿素溶液浓度w，其中，

22)根据尿素溶液的体积流量l₀、密度ρ₀及浓度w计算尿素溶液完全热解所需热量q_x，其中，

q_x＝k₂×l₀×ρ₀×[w×α₁+(1-w)×α₂]

其中，α₁为每千克尿素完全热解至350℃所需的热量，α₂为每千克水气化至350℃所需的热量，k₂为修正系数，k₂为1.26。

4.根据权利要求1所述的尿素热解烟气换热器系统控制方法，其特征在于，步骤4)的具体操作为：

41)根据系统内热风质量流量l_m3及换热器介质进出口温度计算换热器入口烟气需求质量流量l_mG，其中

其中，k₄为修正系数，k₄为1.0，t₁为换热器入口烟气温度，t₂为换热器出口烟气温度，t₃为换热器入口热风温度；

42)根据换热器入口烟气温度t₁、压力p₁及需求质量流量l_mG计算换热器入口烟气需求体积流量l_G，其中，

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