一种火力发电机组烟气余热利用智能控制系统的制作方法

本发明属于环保设备技术领域，具体涉及一种火力发电机组烟气余热利用智能控制系统。

背景技术：

火力发电机组的排烟温度影响到锅炉的经济性和安全性。同时，锅炉排烟热损失占锅炉热损失的一半以上，通过烟气余热利用减少排烟热损失是降低电站锅炉能耗的重要途径之一。

锅炉烟气余热回收设备布置在烟气温度相对较低的尾部烟道。第201510315237.3号中国发明专利提供了一种节能低尘排放燃煤火力发电系统，其中实施例一提供了一种余热回收系统，该系统给出了对活力发电机组烟气余热智能控制的技术方案，但其余热利用效率较低。

为了实现烟气余热的最大化利用，在烟气余热回收系统使用的过程中，需要对烟气余热回收系统的烟气、循环水、给水的温度、流量进行智能控制，重要的是要根据烟气进出口流量、温度，加热器进出口温度，中间换热器进出口温度端差，对给水引入口、送出口进行智能选择及给水引入流量进行智能分配。现有技术中采用手动的方式操作各种阀门开度、水泵启停来达到控制要求，不仅需求大量的人力，而且操作繁琐，控制效果不佳，更不利于系统的经济运行。

因此，要达到真正意义上的余热高效回收利用及烟气清洁排放，需要设计一种简单、可靠、高效的余热回收智能控制系统来解决这一问题。

技术实现要素：

本发明在第201510315237.3号中国发明专利一种节能低尘排放燃煤火力发电系统实施例一提供的余热回收系统基础上，明确了管道的布置方式，增加了相应的工质流量温度测量装置，进一步提供了一种火力发电机组烟气余热利用智能控制系统的设计方法，通过对余热利用控制系统的优化，达到真正意义上的余热高效回收利用，且控制系统结构简单、稳定。

本发明提供一种火力发电机组烟气余热利用智能控制系统，其中：

(1)该火力发电机组烟气余热利用智能控制系统具有热交换结构、测量传感结构、换热优化结构和寻优控制结构；

热交换结构包括管式换热器、非接触式冷却器、循环水系统及冷凝水换热系统；管式换热器设置在火力发电机组的烟道上，循环水系统的循环水管道流经管式换热器，实现烟道中高温烟气与循环水系统中的循环水换热，提高循环水温度；循环水系统的循环水管道和冷凝水换热系统的冷凝水管道均流经非接触式冷却器，实现循环水系统中的循环水与冷凝水换热系统中的冷凝水换热，提高冷凝水温度；

测量传感结构包含至少一组烟气传感器，至少一组循环水传感器，至少一组冷凝水传感器；所述烟气传感器设置在烟道上，所述循环水传感器设置在循环水系统中，所述冷凝水传感器设置在冷凝水换热系统中；

所述换热优化结构包括循环水换热优化结构、冷凝水换热优化结构循环水换热优化结构设置在循环水系统、管式换热器或非接触式冷却器上，冷凝水换热优化结构设置在非接触式冷却器或冷凝水换热系统上；

寻优控制结构与测量传感结构及换热优化结构相连，通过测量传感结构获取烟气、循环水、冷凝水的实时参数，根据设置条件通过换热优化结构对火力发电机组的烟气、循环水、冷凝水各项指标进行调节，在设置条件的前提下实现烟气余热利用的最大化。

(2)如(1)所述的火力发电机组烟气余热利用智能控制系统，其中，所述冷凝水换热系统的给水管路与至少一级加热器的进水管道或出水管道相连，冷凝水换热系统的给水管路与加热器管道的连接点相较于冷凝水换热器系统的出水管路与加热器管道的连接点更靠近末级加热器的进水管道。

(3)如(1)至(2)任一项所述的火力发电机组烟气余热利用智能控制系统，其中，根据权利要求1所述的火力发电机组烟气余热利用智能控制系统，其特征在于，所述冷凝水换热系统的管路与火力发电机组的加热器管道相连，冷凝水换热系统的给水管路至少与末级加热器进水管道相连，冷凝水换热器系统的出水管路与至少一级加热器的进水管道或出水管道相连。

(4)如(1)至(3)任一项所述的火力发电机组烟气余热利用智能控制系统，其中，测量传感结构中的传感器能够测量流量及温度。

(5)如(1)至(4)任一项所述的火力发电机组烟气余热利用智能控制系统，其中，烟气传感器包括至少一组烟气温度传感器和至少一组烟气流量传感器，该组烟气温度传感器能够测量烟气流经管式换热器前的入口烟气温度和流经管式换热器后的出口烟气温度，该组烟气流量传感器能够测量烟气流经管式换热器前的入口烟气流量和流经管式换热器后的出口烟气流量。

(6)如(1)至(5)任一项所述的火力发电机组烟气余热利用智能控制系统，其中，循环水系统具有一进水口以及一出水口，循环水传感器包括至少一组循环水温度传感器和至少一组循环水流量传感器，该组循环水温度传感器能够测量循环水流经非接触式冷却器前的入口循环水温度和循环水流经非接触式冷却器后的出口循环水温度，该组循环水流量传感器能够测量循环水流经非接触式冷却器前的入口循环水流量和循环水流经非接触式冷却器后的出口循环水流量。

(7)如(1)至(6)任一项所述的火力发电机组烟气余热利用智能控制系统，其中，冷凝水传感器包括至少一组冷凝水温度传感器和至少一组冷凝水流量传感器，该组冷凝水温度传感器能够测量冷凝水换热系统的给水管路的入口冷凝水温度和冷凝水换热系统的出水管路的出口冷凝水温度，该组循环水流量传感器能够测量冷凝水换热系统的给水管路的入口冷凝水流量和冷凝水换热系统的出水管路的出口冷凝水流量。

(8)如(1)至(7)任一项所述的火力发电机组烟气余热利用智能控制系统，其中，冷凝水换热器系统具有多条给水管路或多条出水管路，所述换热优化结构包括冷凝水换热接口控制装置，能够调整冷凝水的进出口位置。

(9)如(1)至(8)任一项所述的火力发电机组烟气余热利用智能控制系统，其中，烟气换热优化结构能够调整循环水的流量，冷凝水换热优化结构能够调整冷凝水的流量。

(10)如(1)至(9)任一项所述的火力发电机组烟气余热利用智能控制系统，其中，寻优控制结构包括数据采集装置、冷凝水接口计算装置、控制模型装置和控制算法器：

数据采集装置能够接收预设的烟气目标温度或预设的冷凝水目标温度的指令作为设置条件，数据采集装置还能够自烟气传感器、循环水传感器、冷凝水传感器分别获取入口烟气温度、出口烟气温度和入口烟气流量、出口烟气流量、入口循环水温度、出口循环水温度和入口循环水流量、出口循环水流量、入口冷凝水温度、出口冷凝水温度和入口冷凝水流量、出口冷凝水流量的数据，数据采集装置将接收的设置条件及数据传递给冷凝水接口计算装置、控制模型装置和控制算法器；

冷凝水接口计算装置根据获取的数据分别计算冷凝水、循环水、烟气的质量平衡关系、能量平衡关系及动力平衡关系，根据平衡关系以及设置条件分析冷凝水的流向，并向冷凝水换热接口控制装置发送指令，调整冷凝水的进出口位置；

控制模型装置可基于数据采集装置中的数据获取余热利用系统的机理模型或传递函数模型，供控制算法器使用；

控制算法器根据控制模型装置中的模型，结合数据采集装置中的数据，通过采用pid控制算法或预测控制算法等控制算法计算出循环水流量和冷凝水流量，通过循环水换热优化结构和冷凝水换热结构调整循环水和冷凝水流量。

(11)如(1)至(10)任一项所述的火力发电机组烟气余热利用智能控制系统，其中，余热利用系统机理模型或传递函数模型根据火力发电机组及热交换结构的参数分析确定。

(12)如(1)至(11)任一项所述的火力发电机组烟气余热利用智能控制系统，其中，所述参数根据火力发电机组及热交换结构中设置的现场分散控制系统数据分析确定。

通过采用本发明的技术方案，可以根据烟气初始温度、烟气终止温度，通过自动控制循环水流量调节设备和冷凝水流量调节设备，来控制热量传递的多少，最终达到控制冷凝水温度端差，提高热量利用率的目标。

附图说明

图1为本发明火力发电机组烟气余热利用智能控制系统的结构示意图；

图2为本发明火力发电机组烟气余热利用智能控制系统的寻优控制结构的第一优选实施例的结构示意图；

图3为本发明火力发电机组烟气余热利用智能控制系统的寻优控制结构的第二优选实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施方式进行说明。

如图1所示，为本发明火力发电机组烟气余热利用智能控制系统结构示意图，该烟气余热利用智能控制系统包括热交换结构1、测量传感结构2、换热优化结构3和寻优控制结构4。

热交换结构1包括管式换热器11、非接触式冷却器12、循环水系统13和冷凝水换热系统14。管式换热器11设置在火力发电机组的烟道上，管式换热器11分为管程和壳程，壳程为来自火力发电机组锅炉尾部的高温烟气，管程为来自非接触式冷却器12和循环水系统13的循环水。循环水系统13包括循环水管道和循环水泵，循环水管道具有一循环水进水口及一循环水出水口，循环水管道流经管式换热器11和非接触式冷却器12。冷凝水系统14包括冷凝水管道和冷凝水泵，冷凝水管道流经非接触式冷却器12，冷凝水管道的给水管路、出水管路与火力发电机组的加热器的管道相连，优选的，冷凝水管道的给水管路至少与末级加热器进水管道相连，冷凝水管道的出水管路与至少一级加热器的进水管道或出水管道相连，优选的，冷凝水管道的给水管路分别与末级加热器的进水管道和出水管道相连，冷凝水管道的出水管路分别与次末级加热器的进水管道和出水管道相连。

测量传感结构2包含有多组传感器，包括：至少一组烟气传感器21，烟气传感器21设置在管式换热器11或火力发电机组的烟道上，烟气传感器21包括烟气温度传感器、烟气流量传感器，烟气温度传感器能够监测烟气流经管式换热器11前的入口烟气温度和流经管式换热器11后的出口烟气温度，烟气流量传感器能够测量烟气流经管式换热器11前的入口烟气流量和流经管式换热器11后的出口烟气流量；至少一组循环水传感器22，循环水传感器22设置在循环水管道上，循环水传感器22包括循环水温度传感器、循环水流量传感器，该组循环水温度传感器能够测量循环水流经非接触式冷却器12前的入口循环水温度和流经非接触式冷却器12后的出口循环水温度，该组循环水流量传感器能够测量循环水流经非接触式冷却器12前的入口循环水流量和循环水流经非接触式冷却器12后出口循环水流量；冷凝水传感器23设置在冷凝水管道上，冷凝岁传感器包括冷凝水温度传感器、冷凝水流量传感器，该组冷凝水温度传感器能够测量冷凝水换热系统13的给水管路的入口冷凝水温度和冷凝水换热系统的出水管路的出口冷凝水温度，该组冷凝水流量传感器能够测量冷凝水系统14的给水管路的入口冷凝水流量和冷凝水换热系统的出水管路的出口冷凝水流量。

换热优化结构3包括循环水换热优化结构31、冷凝水换热优化结构32，还可以进一步包括烟气换热优化结构33，冷凝水换热接口控制装置34。循环水换热优化结构31设置在循环水系统13的循环水管道上，控制调节循环水的流量，循环水换热优化结构31可以为调节阀、电磁阀、电磁泵等设备。冷凝水换热优化结构32，设置在连接冷凝水换热系统14和非接触式冷却器12的管道上，控制调节冷凝水的的流量，循环水换热优化结构32可以为调节阀、电磁阀、电磁泵等设备。冷凝水换热接口控制装置33设置在冷凝水管道的给水管路和冷凝水管道的出水管路上，控制冷凝水管道的给水管路和冷凝水管道的导通和流量，冷凝水换热接口控制装置33可以为调节阀、电磁阀、电磁泵等设备。

寻优控制结构4包括数据采集装置4c1、冷凝水接口计算装置4c2、控制模型装置4c3和控制算法器4c4。

数据采集装置4c1能够接收预设的烟气目标温度5或预设冷凝水目标温度6的指令作为设置条件，数据采集装置4c1还能够自烟气传感器21、循环水传感器22、冷凝水传感器23分别获取入口烟气温度、出口烟气温度和入口烟气流量、出口烟气流量、入口循环水温度、出口循环水温度和入口循环水流量、出口循环水流量、入口冷凝水温度、出口冷凝水温度和入口冷凝水流量、出口冷凝水流量的数据，数据采集装置将接收的设置条件及数据传递给冷凝水接口计算装置4c2、控制模型装置4c3和控制算法器4c4。

冷凝水接口计算装置4c2根据获取的数据分别计算烟气、循环水、冷凝水的质量平衡关系、能量平衡关系及动力平衡关系：

烟气放热部分，根据质量平衡、能量平衡及动力平衡得到：

质量平衡：

其中，va为烟气的散热容积(m³)；ρ1为烟气的平均密度(kg/m³)；fin为烟气在管式换热器11入口处的流量(kg/s)；fout为烟气在管式换热器11出口的流量(kg/s)。

能量平衡：

其中，ha为烟气的平均焓值(kj/kg)；hain为烟气在管式换热器11入口处的焓值(kj/kg；)haout为烟气在管式换热器11出口处的焓值(kj/kg)。

动量平衡：

其中，p1in为烟气在管式换热器11入口处的压力(mpa)；p1out为烟气在管式换热器11出口处的压力(mpa)；k1为管道阻力系数。

循环水部分，根据质量平衡、能量平衡及动力平衡得到：

质量平衡：

其中，vb为循环水换热容积(m³)；ρ2为循环水的平均密度(kg/m³)；fin为循环水流入非接触式冷却器12的流量(kg/s)；fout为循环水流出非接触式冷却器12的流量(kg/s)。

能量平衡：

其中，hb为循环水的平均焓值(kj/kg)；hbin为循环水流入非接触式冷却器12的焓值(kj/kg)；hbout为循环水流出非接触式冷却器12的焓值(kj/kg)；为烟气散热损失，为烟气有效散热增益。

动量平衡：

其中，p2in为循环水流入非接触式冷却器12的压力(mpa)；p2out为循环水流出非接触式冷却器12的压力(mpa)；k2为循环水管道阻力系数。

冷凝水吸热部分，根据质量平衡、能量平衡及动力平衡得到：

质量平衡：

其中，vc为凝结水的换热容积(m³)；ρ3为凝结水的平均密度(kg/m³)；qin为冷凝水给水管路处的流量(kg/s)；fout为冷凝水出水管路处的流量(kg/s)。

能量平衡：

其中，hc为凝结水的平均焓值(kj/kg)；hcin为冷凝水给水管路处的焓值(kj/kg)；hcout为冷凝水出水管路处的焓值(kj/kg)；为循环水散热损失，为循环水有效散热增益。

动量平衡：

其中，p3in为冷凝水给水管路处的压力(mpa)；p3out为冷凝水出水管路处的压力(mpa)；k3为冷凝水管道阻力系数。

根据平衡关系以及设置条件分析冷凝水的流量和流向，并向冷凝水换热接口控制装置33发送控制指令，控制冷凝水的接口位置。完成冷凝水进出口位置的确定，也就确定了冷凝水出口的温度。

控制模型装置4c3可基于数据采集装置4c1获取的数据构建余热利用系统的机理模型，也可采用传递函数模型或者动态矩阵模型等，供控制算法器4c4使用。

如图2所示为寻优控制结构4中控制算法器4c4的第一优选实施例，在该实施例中，控制算法器4c4采用pid控制算法，包括pid控制算法模块4a1和4a2，此时控制模型装置4c3可采用余热利用系统的机理模型或者传递函数模型，控制算法器4c4将从数据采集器4c1中获取烟气目标温度、出口烟气温度、冷凝水目标温度和出口冷凝水温度，并将烟气目标温度5与烟气传感器21获取的出口烟气温度作差，将冷凝水目标温度6与冷凝水传感器23获取的出口冷凝水温度作差，将差值分别传递给pid控制算法模块4a1和4a2，计算出循环水控制量和冷凝水控制量。进而向循环水换热优化结构31和冷凝水换热优化结构32发送指令，调整循环水流量和冷凝水流量。

pid控制算法如下：

e1＝冷凝水出口温度设定值-冷凝水出口温度测量值；

e2＝循环水出口温度设定值-循环水出口温度测量值；

其中，kp为比例系数，ki为积分系数，kd为微分系数，可通过参数寻优方法获得。这样，通过调节冷凝水流量和循环水流量的大小，即可实现冷凝水出口温度和烟气出口温度的调节。

如图3所示为寻优控制结构4中控制算法器4c4的第二优选实施例，在该实施例中，控制算法器4c4采用预测控制算法，包括预测控制律计算装置4b1、控制量测量装置4b2；此时控制模型装置4c3采用余热利用系统的动态矩阵模型；数据采集装置4c1中的出口烟气温度和出口冷凝水温度与预设烟气目标温度、冷凝水目标温度作差后传入预测控制律计算装置4b1；控制量测量装置4b2与循环水换热优化结构31和冷凝水换热优化结构32相连，给预测控制律计算装置4b1传递上一时刻的控制量；预测控制律计算装置4b1基于预测控制算法原理及上述传递的数据计算出循环水和冷凝水的供给量，将控制指令分别发送给循环水换热优化结构31和冷凝水换热优化结构32，调整循环水或冷凝水的流量，实现火力发电机组的余热利用。

采用动态矩阵模型构建预测控制率的算法如下：

考虑在k时刻增加m个控制增量的影响，则在未来p个时刻的模型输出预测值为：

ym(k+1)＝y0(k+1)+h1δu(k)

ym(k+2)＝y0(k+2)+h2δu(k)+h1δu(k+1)

ym(k+p)＝y0(k+p)+hpδu(k)+hp-1δu(k+1)++hp-m+1δu(k+m-1)

写为矢量形式ym(k+1)＝y0(k+1)+aδu(k)，

式中，

ym(k+1)＝[ym(k+1)ym(k+2)ym(k+n)]^t，

δu(k)＝[δu(k)δu(k+1)δu(k+m-1)]^t，

a——动态矩阵

y0(k+1)＝[y0(k+1)y0(k+2)y0(k+n)]^t，

其中，

y0(k+1)＝hnδu(k-n)+hnδu(k-n+1)+hn-1δu(k-n+2)++h2δu(k-1)

y0(k+p)＝hnδu(k-n)+hnδu(k-n+1)++hnδu(k-n+p)++hp+2δu(k-2)+hp+1δu(k-1)

将上式进一步写成矩阵形式，有

整理后得到

ym(k+1)＝aδu(k)+a0u(k-1)

由于模型误差和扰动的影响，系统的输出预测值需要假设误差修正

yp(k+1)＝ym(k+1)+q(y(k)-ym(k))＝aδu(k)+a0u(k-1)+qe(k)

式中，yp(k+1)＝[yp(k+1)yp(k+2)yp(k+n)]^t，e(k)＝y(k)-ym(k)，q＝[q1q2qp]^t，考虑k时刻，系统具有如下控制性能优化指标：

式中，q，r为加权系数；yr(k)＝(yr(k)yr(k+1)yr(k+p-1))^t为参考轨迹；则控制性能优化指标可写为

jp＝[aδu(k)+a0u(k-1)+qe(k)-yr(k+1)]^tq[aδu(k)+a0u(k-1)+qe(k)-yr(k+1)]+δu^t(k)λδu(k)

令且可以得到k时刻的预测控制律

δu(k)＝(a^tqa-λ)^-1a^tq(yr-a0u(k-1)-qe(k))

上式即为冷凝水流量和循环水流量在k时刻变化量的向量，通过不断的调整冷凝水流量和循环水流量，即可实现冷凝水出口温度和烟气出口温度的调整。

通过采用本发明的技术方案实现了自动控制火力发电机组余热利用系统，根据烟气的实时流量、实时温度，调整循环水系统和冷凝水换热系统，实现热量的有效交换，降低烟气温度，高效的利用烟气余热。

上述实施例并非具体实施方式的穷举，还可有其他的实施例，上述实施例目的在于说明本发明，而非限制本发明的保护范围，所有由本发明简单变化而来的应用均落在本发明的保护范围内。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。