发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种锅炉余热自动发电控制系统及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
一种锅炉余热自动发电控制系统,包括自动发电控制模块、锅炉水平衡自动控制模块、锅炉水自动取样模块和异常工况应急模块;
所述自动发电控制模块包括恒压自动发电模块和超负荷自动发电模块,能根据汽轮机进气压力P,调节汽轮机进汽控制阀,以及控制发电机的发电量和电流;
所述锅炉水平衡自动控制模块用于控制水位,使水位处于动态的合格范围内;当锅炉水自动取样模块进行取样时,锅炉水锅炉水平衡自动控制模能自动将水位调节到锅炉取样所需的水位;
所述锅炉水自动取样模块用于自动从窑头或窑尾锅炉汽包中,取出表面水进行化验;
所述异常工况应急模块用于当锅炉水平衡自动控制模块发生异常,导致水位过高时,使发电控制模式从自动发电控制模块控制下转入异常工况应急模块的安全发电模式或窑尾锅炉水位防膨胀模式。
进一步的,所述恒压自动发电模块与超负荷自动发电模块的切换过程为:若当前控制发电的模块为恒压自动发电模块,当发电量大于阈值时,恒压自动发电模块停止工作,启动超负荷自动发电模块;若当前控制发电的模块为超负荷自动发电模块,当发电量小于阈值并且当前进气压力值小于进气压力上限值,超负荷自动发电模块停止工作,启动恒压自动发电模块。
进一步的,所述超负荷自动发电模块包括升负荷逻辑控制和降负荷逻辑控制的功能;所述升负荷逻辑控制为:当功率目标值的上限值减去发电机功率最近10秒的平均值的所得结果超过200kw,且油动机行程值小于95mm,则首次12秒发送一个升指令脉冲,若持续满足功率目标值的上限减去最近10秒发电机功率平均值大于200kw的条件,每隔60秒发一个升指令脉冲,指令脉冲的脉冲时长为800ms;
所述降负荷逻辑控制包括两种模式,具体为:
模式1:当发电机功率最近10秒的平均值减去功率目标值的上限值的所述结果超过200kw且油动机行程大于100mm,则首次12秒发送一个降指令,持续满足条件,每隔60秒发一个降指令脉冲,指令脉冲为800ms;
模式二:当发电机功率最近10秒的平均值减去功率目标值的上限值的所述结果超过200kw和油动机行程大于100mm,只有一个条件满足时,则首次12秒发送一个降指令,持续满足条件,每隔40秒发一个降指令脉冲,指令脉冲为1200ms;所述超负荷自动发电模块还具有功率因数控制逻辑和排气阀开度控制逻辑;所述功率因数控制逻辑具体为:根据发电机电流的大小对发电机功率进行控制;所述排气阀开度控制逻辑具体为:根据汽轮机进气压力的大小调节汽轮机进气控制阀的开度。
进一步的,所述锅炉水平衡自动控制模块包括窑头锅炉汽包水位计、窑头锅炉上水调节阀、窑尾汽包水位计、窑尾锅炉上水调节阀,除氧器水位计、锅炉给水泵和除氧器补水泵;所述锅炉给水泵分别连接窑头锅炉上水调节阀、窑尾锅炉上水调节阀和除氧器;所述窑头锅炉上水调节阀连接窑头锅炉,窑尾锅炉上水调节阀连接窑尾锅炉;所述窑头锅炉汽包水位计设置于窑头锅炉汽包内,所述窑尾汽包水位计设置于窑尾锅炉汽包内;所述窑头锅炉汽包和窑尾锅炉汽包均通过汽轮机进气控制阀连接汽轮机;所述汽轮机分别连接发电机和冷凝器;所述除氧器水位计设置于除氧器内,所述除氧器分别连接锅炉给水泵、除氧器补水泵和冷凝器;所述除氧器补水泵连接软化水箱。
进一步的,所述锅炉水平衡自动控制模块的控制包括:窑头锅炉上水调节阀的控制、窑尾锅炉上水调节阀的控制和锅炉给水泵的控制。
进一步的,所述窑头锅炉上水调节阀的控制包括:
水位信号的预处理:获取最近20秒内窑头水位的平均值,保存为第一平均值,将第一平均值延时4秒输出,将输出值保存为第二平均值;用平均值1减去平均值2,将差值保存为第一平均值差;
窑头锅炉上水调节阀的开逻辑:当低限≤水位≤高限,且第一平均值差≤-5,窑头锅炉上水调节阀每隔固定的时间间隔,开度按第一预设比例增大,直至水位下降速度小于5;当水位≤低限,且第一平均值差 < 0,窑头锅炉上水调节阀每隔固定的时间间隔,开度按第二预设比例增大,直到水位出现上涨趋势;
窑头锅炉上水调节阀的关逻辑:当低限≤水位≤高限,且第一平均值差≥5,窑头锅炉上水调节阀每隔固定的时间间隔,开度按第一预设比例减小,直至水位上升速度小于5;当水位≤低限,且第一平均值差 < 0,窑头锅炉上水调节阀每隔固定的时间间隔,开度按第二预设比例减小,直到水位出现下降趋势。
进一步的,所述窑尾锅炉上水调节阀的控制包括窑尾锅炉上水调节阀开到50%控制逻辑和窑尾锅炉上水调节阀开到100%控制逻辑。
进一步的,所述锅炉给水泵的控制包括:对除氧器水位信号和窑尾锅炉水位信号进行预处理,判断窑尾、窑头或者除氧器的水位变化趋势,根据水位值或者水位平均值差确定锅炉给水泵需要增加或降低的频率值。
进一步的,所述锅炉水自动取样模块包括锅炉汽包、手动取样口、自动取样口和冷却水管;所述锅炉汽包与自动取样口之间依次设置有第一手动阀、第二手动阀、锅炉冷却器、第三手动阀、第一电磁阀、固定取样瓶和第二电磁阀;所述固定取样瓶通过锅炉水管与自动取样口连通,固定取样瓶与自动取样口之间设置有第二电磁阀;所述手动取样口与锅炉冷却器连接,之间设置有第四手动阀;所述冷却水管连通循环水池和冷却水出口,并依次连接第五手动阀、锅炉冷却器和第三电动阀;所述冷却水出口处设置有冷却水箱;所述冷却水箱与固定取样瓶下均设有重力传感器;所述锅炉水自动取样模块还包括监控摄像头和中控监视器;所述监控摄像头和中控监视器连接。
进一步的,所述安全发电模式根据水位或者汽轮机进汽压力值判断是否启动安全发电模式,启动安全发电模式时,把恒压自动发电模式的压力给定值从手动给定值切换为当前汽轮机进汽压力的瞬时值,锁定保持,并禁止启动超负荷自动发电模块;所述窑尾锅炉水位防膨胀模式根据窑尾锅炉的负压值判断是否启动窑尾锅炉水位防膨胀模式,启动窑尾锅炉水位防膨胀模式时,将窑尾水位控制范围从下调,并禁止锅炉水自动取样模块对窑尾锅炉进行取样。
本发明的有益效果:正常运行时完全替代操作员,实现全自动智能操作,降低企业人力成本,提高系统稳定性,提高发电效率。
具体实施方式
应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本实施例中,如图1所示,一种锅炉余热自动发电控制系统,包括自动发电控制模块、锅炉水平衡自动控制模块、锅炉水自动取样模块和异常工况应急模块;
所述自动发电控制模块包括恒压自动发电模块和超负荷自动发电模块,能根据汽轮机进气压力P,调节汽轮机进汽控制阀,以及控制发电机的发电量和电流;
所述锅炉水平衡自动控制模块用于控制水位,使水位处于动态的合格范围内;当锅炉水自动取样模块进行取样时,锅炉水锅炉水平衡自动控制模能自动将水位调节到锅炉取样所需的水位;
所述锅炉水自动取样模块用于自动从窑头或窑尾锅炉汽包中,取出表面水进行化验;
所述异常工况应急模块用于当锅炉水平衡自动控制模块发生异常,导致水位过高时,使发电控制模式从自动发电控制模块控制下转入异常工况应急模块的安全发电模式。
在本实施例中,所述恒压自动发电模块与超负荷自动发电模块的切换过程为:若当前控制发电的模块为恒压自动发电模块,当发电量大于阈值时,恒压自动发电模块停止工作,启动超负荷自动发电模块;若当前控制发电的模块为超负荷自动发电模块,当发电量小于阈值并且当前进气压力值小于进气压力上限值,超负荷自动发电模块停止工作,启动恒压自动发电模块。
在本实施例中,所述超负荷自动发电模块包括升负荷逻辑控制和降负荷逻辑控制的功能;所述升负荷逻辑控制为:当功率目标值的上限值减去发电机功率最近10秒的平均值的所得结果超过200kw,且油动机行程值小于95mm,则首次12秒发送一个升指令脉冲,持续满足条件,每隔60秒发一个升指令脉冲,指令脉冲的脉冲时长为800ms;(注:发电机额定功率9000kw,油动机行程0-100mm)
所述降负荷逻辑控制包括两种模式,具体为:
模式1:当发电机功率最近10秒的平均值减去功率目标值的上限值的所述结果超过200kw且油动机行程大于100mm,则首次12秒发送一个降指令,持续满足功率目标值的上限减去最近10秒发电机功率平均值大于200kw的条件,每隔60秒发一个降指令脉冲,指令脉冲为800ms;
模式二:当发电机功率最近10秒的平均值减去功率目标值的上限值的所述结果超过200kw和油动机行程大于100mm,只有一个条件满足时,则首次12秒发送一个降指令,持续满足条件,每隔40秒发一个降指令脉冲,指令脉冲为1200ms。
功率因数控制逻辑,1、发电机电流大于等于高限,禁止提高无功功率;2、发电机电流大于等于高限且发电机电流无功大于2000,降低无功功率,提高功率因数,达到降低电流的目的。(注:功率因数自动控制范围0.935-0.965,量程0-1)
排气阀开度控制逻辑:1、汽轮机进气压力大于上限值1.2,压力首次超过上限时,延时2秒开阀,持续超过,延时4秒开阀,每次开1%;2、汽轮机进气压力小于下限值1.18,压力首次超过下限时,延时2秒关阀,持续超过,延时4秒开阀,每次关1%。(注:为了保证调节的精度,排气阀要采用电动关断阀,不要采用调节型阀门)。
在本实施例中,锅炉水平衡自动控制模块的作用:在发电过程中,随着锅炉温度的变化,锅炉汽包和除氧器水位也在动态变化,通过该模块可以使汽包和除氧器水位始终保持在安全可控范围内。
控制难点:
1、大滞后性:由于锅炉给水管道较长,补水较长时间,水位才有变化,难以通过反馈量判断给水量。
2、水位曲线的波动性:窑尾水位曲线变化复杂,大多数时候是S形大波浪线,难以判断变化趋势。
3、阀门容易漏气漏水:锅炉水高温高压,阀门动作频繁,容易漏水。
4、水位控制要求高:给水量不足,容易导致省煤器管道水气化,形程汽栓导致锅炉无法上水,烧坏炉管;给水过量,会导致汽包满水,危及汽轮机安全。
5、锅炉水取样困难:由于系统温度波动大,管道长,补水困难,汽包水位经常控制在低水位,而取样样口设计在汽包中间水位,导致汽包取样困难。
如图2所示,其中L1、L2和L3表示水位计,P表示压力计,所述锅炉水平衡自动控制模块包括窑头锅炉汽包水位计、窑头锅炉上水调节阀、窑尾汽包水位计、窑尾锅炉上水调节阀,除氧器水位计、锅炉给水泵和除氧器补水泵;所述锅炉给水泵分别连接窑头锅炉上水调节阀、窑尾锅炉上水调节阀和除氧器;所述窑头锅炉上水调节阀连接窑头锅炉,窑尾锅炉上水调节阀连接窑尾锅炉;所述窑头锅炉汽包水位计设置于窑头锅炉汽包内,所述窑尾汽包水位计设置于窑尾锅炉汽包内;所述窑头锅炉汽包和窑尾锅炉汽包均通过汽轮机进气控制阀连接汽轮机;所述汽轮机分别连接发电机和冷凝器;所述除氧器水位计设置于除氧器内,所述除氧器分别连接锅炉给水泵、除氧器补水泵和冷凝器;所述除氧器补水泵连接软化水箱。
在本实施例中,所述锅炉水平衡自动控制模块的控制包括:窑头锅炉上水调节阀的控制、窑尾锅炉上水调节阀的控制和锅炉给水泵的控制。
窑头锅炉上水调节阀的控制由于窑头锅炉水位有较大的滞后性,且水位波动频繁,用传统的PID控制会导致阀门动作频繁,随着使用时间的延长,容易出现漏水现象,因此用如下方法控制窑头上水调节阀。
水位信号的预处理,判断水位变化趋势:获取最近20秒内窑头水位的平均值,保存为第一平均值,将第一平均值延时4秒输出,将输出值保存为第二平均值;用平均值1减去平均值2,将差值保存为第一平均值差;
如图3所示,窑头锅炉上水调节阀的开逻辑:获取窑头水位值;当低限≤水位≤高限,且第一平均值差≤-5,说明水位在控制范围内,正在下降,窑头锅炉上水调节阀每隔40S,开度增大8%,直至水位下降速度小于5;当水位≤低限,且第一平均值差 < 0,说明水位偏低,而且在下降,窑头锅炉上水调节阀每隔40S,开度按10%增大,直到水位出现上涨趋势。(注:锅炉水位范围为-300~300mm)
如图4所示,窑头锅炉上水调节阀的关逻辑:获取窑头水位值;当低限≤水位≤高限,且第一平均值差≥5,说明水位在控制范围内,正在上升,窑头锅炉上水调节阀每隔40S,开度减小8%,直至水位上升速度小于5(窑头上水调节阀不能关死,最小5%);当水位≤低限,且第一平均值差 < 0,说明水位偏高,而且在上涨,窑头锅炉上水调节阀每隔固定的时间间隔,开度按10%减小,直到水位出现下降趋势(窑头上水调节阀不能关死,最小5%)。
窑尾锅炉上水调节阀的控制:窑尾锅炉上水调节阀只有100%和50%两种开度状态,窑尾水位量程-500~500mm。
如图5所示,窑尾锅炉上水调节阀开到50%逻辑:
1、窑尾汽包水位计得到的水位高于150mm,窑尾锅炉上水调节阀关到50%;
2、窑尾汽包水位计得到的水位大于-250mm,且窑头汽包水位计得到的水位小于-120mm,窑尾锅炉上水调节阀关到50%;
3、获取窑头汽包水位计的水位信号,窑头锅炉取样,且水位低于下限值,窑尾锅炉上水调节阀关到50%。
如图6所示,窑尾锅炉上水调节阀开到100%逻辑:
窑尾汽包水位计得到的水位小于0mm,或窑头汽包水位计得到的水位大于-50mm,窑尾锅炉上水调节阀开到100%。
50%和100%开度的优先级:当阀门关到50%和开到100%的条件同时成立,优先关到50%。
锅炉给水泵的控制:1、窑尾汽包水位主要通过调整给水泵频率调整,需要根据运行经验限定给水泵频率,此处设置为37~47HZ。
2、窑尾锅炉水位属于滞后时间超长,S型大波浪曲线,因此要先测量曲线波动周期,此处采用普遍的波动周期时间222秒。
3、以下控制方案适用于锅炉漏水严重、或热量过多需要经常排气的余热发电系统。
如图7所示,除氧器水位信号和窑尾锅炉水位信号的预处理,处理后的数据可判断趋势:
窑尾水位信号—>求最近222秒内的平均值—>将平均值保存为平均值1—>将平均值1延时4秒输出—>将平均值保存为平均值2—>用平均值1减去平均值2—>将差值保存为平均值差1;
除氧器水位信号—>求最近20秒内的平均值—>将平均值保存为平均值3—>将平均值1延时20秒输出—>将平均值保存为平均值4—>用平均值3减去平均值4—>将差值保存为平均值差2。
如图8、9和10所示,锅炉给水泵加频率逻辑为:
1、获取窑尾水位信号,当低限≤水位≤高限,且水位平均值差1小于等于-20mm,说明水位在控制范围内,正在下降,给水泵屏率每222秒增加0.5HZ。直到水位下降速度小于20mm;
2、获取窑尾水位信号,当水位≤低限,且水位平均值差小于-5mm,说明水位偏低,正在下降,给水泵频率每222秒增加1.5HZ。直到水位下降速度小于5mm;
3、获取窑尾水位信号,当水位≤-400mm,说明水位严重偏低,给水泵频率每5分钟增加3HZ。直到水位大于-400mm。
4、窑尾水位信号的水位≤150mm,窑头水位信号的水位<低限,窑尾锅炉上水调节阀开度—>水位≤70%,当上述三个条件都满足时,说明窑头锅炉缺水,已无法通过开大窑头上水调节阀控制,此时需要开大给水泵,增加给水量,为窑头锅炉补水,给水泵频率每5分钟增加3HZ。直到三个条件中有一个不满足。
5、除氧器水位信号的水位平均值差大于等于0mm,水位大于等于1450mm,窑尾水位信号的水位小于250mm,当上述三个条件都满足时,说明除氧器内部水多,且正在增长,需要开大给水泵保持水平衡,给水泵频率每40秒增加0.5HZ,直到三个条件中有一个不满足。
6、除氧器水位信号的水位平均值差大于等于0mm,水位大于等于1750mm,当2个条件都满足时,说明除氧器内部水多,且正在增长,需要开大给水泵保持水平衡,给水泵频率每40秒增加0.5HZ,直到2个条件中有一个不满足。
如图11所示,(注:窑尾水位量程-500-500mm’,窑头锅炉水位-300-300mm,给水泵频率0-50HZ)锅炉给水泵加频率逻辑为:先获取窑尾水位信号;1)若低限≤水位≤高限,且水位平均值差大于等于20mm,说明水位在控制范围内,正在下降,给水泵频率每222秒减少0.5HZ。直到水位下降速度小于20mm;
2)若水位≥高限,且水位平均值差大于5mm,说明水位偏高,正在上升,给水泵频率每222秒减少1.5HZ。直到水位上升速度小于5mm;
3)若水位≥ 300mm,说明水位严重偏高,给水泵频率每5分钟降低3HZ。直到水位小于300mm。
如图12所示,除氧器补水逻辑为:锅炉取样时,除氧器水位低于600补水,高于800停止补水;锅炉正常运行不取样时,除氧器水位低于800补水,高于1000停止补水。(除氧器水位量程0~2800mm)。
在本实施例中,窑头窑尾锅炉每8小时必须取样化验,人工取样必须由操作员与现场巡检配合完成,操作员首先要把锅炉水位补充到中间水位,然后再通知巡检取样,由于管道长,温度变化快,导致锅炉补水困难,取样费时费力。通过以下软硬件设计实现锅炉水自动取样模块。
如图13所示,所述锅炉水自动取样模块包括锅炉汽包、手动取样口、自动取样口和冷却水管;所述锅炉汽包与自动取样口之间依次设置有第一手动阀15、第二手动阀16、锅炉冷却器17、第三手动阀20、第一电磁阀21、固定取样瓶23和第二电磁阀24;所述固定取样瓶23通过锅炉水管与自动取样口连通,固定取样瓶23与自动取样口之间设置有第二电磁阀24;所述手动取样口与锅炉冷却器17连接,之间设置有第四手动阀19;所述冷却水管连通循环水池和冷却水出口,并依次连接第五手动阀18、锅炉冷却器17和第三电动阀22;所述冷却水出口处设置有冷却水箱27;所述冷却水箱27与固定取样瓶23下均设有重力传感器;所述锅炉水自动取样模块还包括监控摄像头25和中控监视器26;所述监控摄像头25和中控监视器26连接。
锅炉自动取样逻辑为:
1、取样时间分别为白中夜班各取一次,每隔8小时把窑头水位控制范围提高到0~100mm,窑尾水位控制范围提高到-75~75mm。
2、当锅炉水位达到中间水位以上,启动自动取样程序。
3、取样前现场先响铃预警,中控屏幕显示自动取样,并有语音提示。
4、先打开第三电磁阀22,重力传感器感应到变化后再打开锅炉水取样阀T2,重力传感器感应到水满后打开固定取样瓶排水阀T3洗取样瓶,排空后关闭排水阀T3,如此洗3次。
5、3次洗瓶结束后10秒关闭T2。
6、语音提示中控,锅炉水已取好样,可以化验。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。