專利名稱：煙氣熱能梯級利用系統的控制方法及控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及煙氣熱能梯級利用系統，具體涉及對該系統的控制方法以及實現該方 法的控制系統。
背景技術：
煙氣熱能梯級利用系統是現有技術。以圖1所示的新型干法水泥余熱發電梯級 利用系統為例，該系統主要由篦冷機、冷卻風機、引風機、高溫取氣管、中溫取氣管、低溫煙 氣排氣管以及ASH鍋爐和AQC鍋爐等部分組成。該系統的工作過程為水泥原料在回轉窯 里燒成水泥熟料后從窯頭罩進入篦冷機并掉到一段篦板上，然后隨著篦板的運動慢慢往篦 冷機尾部運動，此時由于多臺冷卻風機不停地鼓風冷卻，熟料的溫度不斷下降，最終達到允 許的溫度后排出篦冷機；而通過冷卻風機送入篦冷機的風冷卻了水泥熟料后其自身溫度升 高，變成高溫煙氣后一部分通過高溫取氣管進入ASH鍋爐，一部分通過中溫取氣管進入AQC 鍋爐，還有一部分通過低溫煙氣排氣管上的排氣閥后與從ASH鍋爐和AQC鍋爐排出的廢氣 匯總再由引風機抽取并排入煙囪；進入ASH鍋爐的煙氣溫度高于進入AQC鍋爐的煙氣溫度， 其作用是利用通過其中的高溫煙氣把AQC鍋爐和窯尾鍋爐送來的經過一次過熱的過熱蒸 汽進一步加熱成高溫過熱蒸汽輸出到汽輪機，AQC鍋爐則利用通過其中的高溫煙氣把通過 其中的水加熱成過熱蒸汽并送往ASH鍋爐進行進一步加熱，而通過排氣閥排入引風機的那 部分煙氣溫度很低，其里面的熱能不容易被提取出來加以利用。其他已知的煙氣熱能梯級 利用系統的工作原理與此基本相同。要確保該煙氣熱能梯級利用系統的熱能利用率，必須根據篦冷機的實際工作狀況 對通過各級取氣管以及低溫煙氣排氣管的氣流量進行控制，從而使高溫取氣管、中溫取氣 管和低溫煙氣排氣管中的氣流量達到一個理想的比例，這樣才能使熱能利用率最大化。這 已成為本領域技術人員的共識。當篦冷機的工作狀況發生變化時，各級取氣管以及低溫煙 氣排氣管之間的氣量分配關系也應該進行相應的調整，因此就需要對各個管道上的閥門開 度進行適應性的調節才能保證煙氣在這些管道之間重新得到合理的分配。而目前的煙氣熱 能梯級利用系統對各級取氣管以及低溫煙氣排氣管上的閥門開度均由操作員根據篦冷機 的工況憑經驗進行手動控制，因此無法根據篦冷機工況變化及時地對各級取氣管以及低溫 煙氣排氣管上的閥門開度進行調節，不僅造成煙氣熱能的浪費，而且產生一定的安全隱患。 顯然，根據煙氣熱能梯級利用系統的運行狀況自動對該煙氣熱能梯級利用系統中的各級取 氣管以及低溫煙氣排氣管上的閥門開度進行調節是煙氣熱能梯級利用技術進行后續發展 的必然要求。眾所周知，對管道上的閥門開度進行調節的目的在于改變該管道內流體的流量。 對于上述的煙氣熱能梯級利用系統而言，調節各級取氣管上的閥門開度也是為了改變各級 取氣管內的氣流量。根據工程控制原理，如果本領域技術人員要設計一種可以分別對各級 取氣管上的閥門開度進行自動調節的控制系統，顯然要將各閥門的開度定義為控制量，而 將對應氣管內的氣流量定義為被控量。要對上述被控量進行監測最為常用的辦法顯然是使用流量計。但對于煙氣熱能梯級利用系統而言，由于各級取氣管的管徑過大并且氣體中的 含塵量太多，如果采用流量計來監測管道內的流量變化從而對閥門開度進行調節，不僅會 造成極大的檢測誤差，而且該流量計還會增大氣流阻力，對系統整體設計造成很大的影響。 因此，選擇取氣管內的氣流量作為被控量是不妥的。實事求是的講，當本領域技術人員發現選擇取氣管內的氣流量作為被控量不妥 時，由于管道內的流量和壓力存在一定的對應關系，顯而易見的改善措施是采用各級取氣 管管道內的壓力作為被控量。當采用這種方式時，可通過壓力傳感器來監測管道內的氣壓 變化，從而根據該壓力的變化來自動調節該取氣管上的控制閥的開度，從而能夠將管道內 的氣壓維持在一設定值。當篦冷機的工作狀況發生變化時，只需要改變管道內的氣壓設定 值，就能夠自動的調節該取氣管上的控制閥的開度，從而將管道內的氣壓維持在改變后的 氣壓設定值上。但本申請的申請人卻發現，雖然篦冷機的工況波動較大，但有時卻是由于回 轉窯工況變化所帶來的正常波動，上述直接將各級取氣管管道內的壓力作為被控量的控制 方式無論在是否屬于工況的正常波動的情況下只要管道內的壓力變化就會對閥門進行較 大幅度的調節，因此對煙氣熱能梯級利用系統的穩定性造成一定的影響。
發明內容
本發明所解決的技術問題是提供一種既能夠能提高煙氣熱能梯級利用系統的熱 能利用率，同時受該煙氣熱能梯級利用系統正常波動的影響較小的煙氣熱能梯級利用系統 的控制方法及實現該方法的控制系統。本發明的控制方法的特點是通過煙氣熱能梯級利用系統中熱源處的氣壓與任意 一級取氣管內的氣壓之差來自動調節該取氣管上的控制閥的開度，從而將上述差值維持在
一設定值。上述的“熱源”在本申請中明確定義為用于將熱量引入煙氣熱能梯級利用系統的 區域。以干法水泥余熱發電梯級利用系統為例，被該系統所利用的水泥熟料的熱量是從回 轉窯的窯頭罩引入到該干法水泥余熱發電梯級利用系統的，因此所述熱源處的氣壓即指回 轉窯的窯頭罩內的罩壓。由于回轉窯的窯頭罩內的罩壓反映了回轉窯的工作狀況，因此當 回轉窯的工況變化帶來篦冷機工況的正常波動時，回轉窯的窯頭罩內的罩壓以及任意一級 取氣管內的氣壓均會發生相應的變化，此時回轉窯的窯頭罩內的罩壓與任意一級取氣管內 的氣壓之差僅產生微小的變化，導致該取氣管的控制閥的開度變化小或是不變化，從而維 持系統的穩定性。另一方面，如果維持回轉窯的窯頭罩內的罩壓與任意一級取氣管內的氣 壓之差分別為一定值，則通過各取氣管的氣流量比例就是一個定值，即各壓差的設定值之 比反應了各取氣管中氣量的配比，這樣通過調整各壓差的設定值就能夠使各取氣管之間的 氣流量達到一個理想的比例，從而使煙氣熱能利用率達到最大化。本申請還在上述方案的基礎上進行了如下改進，即通過該煙氣熱能梯級利用系統 中低溫煙氣排氣管上的排氣閥前的煙氣溫度自動調節該排氣閥的開度，使當上述的煙氣溫 度高于或等于一設定值時所述排氣閥關小，當上述的煙氣溫度低于該設定值時所述排氣閥 開大。考慮工況的波動，此設定值可在系統調試時確定，也可以在不同的運行狀態下根據需 要由現場工程師變更。該改進措施就能夠使溫度低于某設定值的煙氣不經過取氣管而直接 排出，而高于這個設定值的煙氣里面的熱量是可以利用的，可讓這部份煙氣通過取氣管從而利用這部份煙氣中的熱能。顯然，上述改進能夠進一步的提高煙氣熱能的利用率。在此基礎上，還可以根據所述排氣閥的開度變化自動對各級取氣管上的控制閥的 開度進行適應性調節。其目的在于，由于排氣閥的開度發生變化，會導致煙氣在各級取氣管 以及低溫煙氣排氣管之間的原有分配關系被打破，這時候根據所述排氣閥的開度變化自動 對各級取氣管上的控制閥的開度進行適應性調節能夠快速的調節各取氣管上的控制閥的 開度，因此可提高各取氣管上的控制閥對于低溫煙氣排氣管上的排氣閥前的煙氣溫度變化 的響應時間，且減小了余熱利用系統對主工藝系統(熱源氣壓)的影響。本發明還提供了一種可實現上述方法的控制系統。該控制系統包括安裝在低溫煙 氣排氣管上的排氣閥以及安裝在各級取氣管上的控制閥，該控制系統還包括用于監測該煙 氣熱能梯級利用系統中熱源處的氣壓與任意一級取氣管內的氣壓之差的壓力檢測裝置，以 及通過該壓力檢測裝置的輸出信號來自動調節所述取氣管上的控制閥的開度、從而將所述 熱源處的氣壓與該取氣管內的氣壓之差維持在一設定值的控制器。進一步的，該控制系統還包括用于監測所述低溫煙氣排氣管上的排氣閥前的煙氣 溫度的溫度檢測裝置，以及通過該溫度檢測裝置的輸出信號來自動調節所述排氣閥的開度 從而使當所述的煙氣溫度高于或等于一設定值時所述排氣閥關小，當上述的煙氣溫度低于 該設定值時所述排氣閥開大的控制器。本發明的有益效果是本發明的煙氣熱能梯級利用系統的控制方法不僅有效地減 輕了操作工的勞動強度，消除了手動控制所帶來的的安全隱患，而且能夠快速、準確的自動 將各級取氣管之間的氣量的配比調節到預設的理想比例，從而提高煙氣熱能的利用率。
圖1為本發明煙氣熱能梯級利用系統的結構示意圖。圖2為本發明煙氣熱能梯級利用系統的控制原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步的說明。現以新型干法水泥余熱發電梯級利用系統為例，對本發明的煙氣熱能梯級利用系 統的控制方法進行說明。如圖1所示，該新型干法水泥余熱發電梯級利用系統主要由篦冷 機4、冷卻風機5、引風機2、高溫取氣管701、中溫取氣管702、低溫煙氣排氣管8以及ASH鍋 爐和AQC鍋爐等部分組成。在高溫取氣管701上安裝有控制閥F1，在中溫取氣管702上安 裝有控制閥F2，在低溫煙氣排氣管8安裝有排氣閥F3，ASH鍋爐的排氣管與中溫取氣管702 連通，AQC鍋爐的排氣管與低溫煙氣排氣管8上位于排氣閥F3后面的管道連通，篦冷機4的 取氣口與回轉窯9的窯頭罩3連通。其中，“AQC”是空氣急冷冷卻器的簡稱，而“AQC鍋爐” 是指新型干法水泥生產線中水泥窯頭余熱鍋爐，其作用是利用通過其中的高溫煙氣把通過 其中的水加熱成過熱蒸汽；“ASH”是公共過熱器的簡稱，而“ASH鍋爐”是指新型干法水泥生 產線中余熱鍋爐的公共過熱器，其作用是利用通過其中的高溫煙氣把AQC鍋爐和窯尾鍋爐 送來的經過一次過熱的過熱蒸汽進一步加熱成高溫過熱蒸汽輸出到汽輪機。該新型干法水泥余熱梯級利用系統的工作過程為水泥原料在回轉窯9里燒成水 泥熟料后從窯頭罩3進入篦冷機4并掉到一段篦板上，然后隨著篦板的運動慢慢往篦冷機4尾部運動，此時由于多臺冷卻風機5不停地鼓風冷卻，熟料的溫度不斷下降，最終達到允 許的溫度后排出篦冷機4 ；而通過冷卻風機5送入篦冷機4的風冷卻了水泥熟料后其自身 溫度升高，變成高溫煙氣后一部分通過高溫取氣管701進入ASH鍋爐，一部分通過中溫取氣 管702進入AQC鍋爐，還有一部分通過低溫煙氣排氣管8上的排氣閥F3后與從ASH鍋爐和 AQC鍋爐排出的廢氣匯總再由引風機2抽取并排入煙囪1。可見，高溫煙氣取氣管701和中 溫煙氣取氣管702組成的兩級取氣管，煙氣分別從這兩級取氣管引入后通過ASH鍋爐和AQC 鍋爐進行再利用。而低溫煙氣排氣管8理論上用于將不能為余熱發電所利用溫度較低的煙 氣直接排出。在本實施方式中，所述高溫煙氣取氣管701上的控制閥Fl、中溫煙氣取氣管702上 的控制閥F2以及低溫煙氣排氣管8上的排氣閥F3分別由反作用PID控制器按如下方式進 行控制令ΔΡ1 = P-P1，ΔΡΓ = Δ Pl-Pl'，則 F1=K1(AP1' + / ΔΡ1' dt_d F' /dt)；令ΔΡ2 = P-P2，ΔΡ2' = ΔΡ2-Ρ2'，則 F2 = K2(AP2' + / ΔΡ2' dt_d F' /dt)；令ΔΤ3 = Τ3_Τ'，則 F = Κ3 ( Δ Τ3+ / Δ T3dt+d Δ T3/dt)；上述公式中，P為熱源6上的氣壓，Pl為高溫煙氣取氣管701上的實際氣壓，Pl ‘ 為高溫煙氣取氣管701上的設定氣壓，Fl為高溫煙氣取氣管701上的控制閥Fl的開度指 揮值，Kl為系數，P2為中溫煙氣取氣管702上的實際氣壓，P2'為中溫煙氣取氣管702上 的設定氣壓，F2為中溫煙氣取氣管702上的控制閥F2的開度指揮值，K2為系數，T3為排 氣閥F3前的煙氣實際溫度，T'為排氣閥F3前的煙氣設定溫度，F為排氣閥F3的開度指揮 值，K3為系數，F'為排氣閥F3的實際開度反饋值；所述熱源6處的氣壓是指回轉窯9的窯 頭罩3內的罩壓。下面結合圖2對上述方法進行進一步的說明圖2中，帶圈的ΔΡ1和ΔΡ2分別指對ΔΡ1和Δ P2這兩個差壓進行取樣。顯然， Δ Pl是指熱源6上的氣壓P與高溫煙氣取氣管701上的實際氣壓Pl之間的差值，ΔΡ2是 指熱源6上的氣壓P與中溫煙氣取氣管702上的實際氣壓Ρ2之間的差值。最好是采用差 壓計對ΔΡ1和ΔΡ2這兩個差壓進行取樣，當然也可以通過氣壓計分別對氣壓P、氣壓Pl和 氣壓Ρ2進行取樣后進行減法運算后得到差值ΔΡ1和差值ΔΡ2。圖2中，帶圈的Τ3是指對 排氣閥F3前的煙氣實際溫度Τ3進行取樣。此時應采用溫度傳感器對排氣閥F3前的煙氣 實際溫度Τ3進行取樣。圖2中，實線方框的Δ指求兩個信號的差并輸出其差值。此處得到的差值ΔΡ1' 就是取樣到的差值ΔPl與設定值Pl'之差，得到的差值ΔΡ2'就是取樣到的差值ΔΡ2與 設定值Ρ2'之差，而得到的Δ Τ3就是取樣到的實際溫度Τ3與設定溫度T'之差。圖2中，實線方框的PI是指對輸入信號進行比例積分運算，而實線方框的Σ指對 輸入信號求和。這兩個步驟即對應上述公式Fl = Kl ( ΔPl' + / ΔΡ1' dt-d F' /dt)， F2 = Κ2(ΔΡ2' + / ΔΡ2' dt-d F' /dt)以及 F = K3 ( Δ T3+ / Δ T3dt+d Δ T3/dt)。此外，圖2中的虛線方框的Δ指求兩個信號的差且此差值高于一定量時輸出開 關量信號；實線方框的s/ζ指手/自動切換；實線方框的術氺指把輸入信號限制在一定范 圍內輸出；實線方框的SF指電動執行機構內部的伺服放大器；實線方框的Z指電動執行機 構。
必須指出，對于公式Fl = Κ1(ΔΡ1' + / ΔΡ1' dt-d F' /dt)和公式 F2 = Κ2(ΔΡ2' + f ΔΡ2' dt-d F' /dt)，這兩個公式中的微分部分所涉及的參數F'是指排 氣閥F3的實際開度反饋值，該微分部分的作用在于如果排氣閥F3因溫度的原因(或者是 切為手動了)有了動作，就會導致篦冷機所產生的余熱煙氣在三個閥門之間的原有分配關 系被打破，這時候利用排氣閥F3的實際開度反饋值F'對時間t的導數來快速調整控制閥 F1、F2的開度，從而提高各取氣管上的控制閥對于低溫煙氣排氣管上的排氣閥F3前的煙氣 溫度變化的響應時間，且減小了余熱利用系統對主工藝系統(熱源氣壓)的影響。對該微 分部分的運算反映在圖2中即為實線方框的D以及實線方框的Σ。上述方法與目前的手動控制的使用效果對比如下1、廢熱煙氣取氣(以2500t/d的新型干法水泥線為例)(1)采用本發明自動調節時篦冷機雙取氣口參數窯頭熟料冷卻機中部高低溫取風余熱量為高溫:31000m3/h(標況)，溫度500 °C ；低溫84000m3/h(標況)，溫度300 °C ；窯尾預熱器廢氣余熱量為185000m3/h (標況)，溫度330°C。(2)無自動調節時某一篦冷機雙取氣口參數窯頭熟料冷卻機中部高低溫取風余熱量為高溫26000m3/h(標況)，溫度500°C ；低溫70000m3/h(標況)，溫度300 °C ；窯尾預熱器廢氣余熱量為185000m3/h (標況)，溫度330°C。2、發電功率計算如下(以2500t/d的新型干法水泥線為例)(1)采用本發明自動調節時達到工況
權利要求
煙氣熱能梯級利用系統的控制方法，其特征在于通過該煙氣熱能梯級利用系統中熱源(6)處的氣壓與任意一級取氣管內的氣壓之差來自動調節該取氣管上的控制閥的開度，從而將上述差值維持在一設定值。
2.如權利要求1所述的煙氣熱能梯級利用系統的控制方法，其特征在于通過該煙氣 熱能梯級利用系統中低溫煙氣排氣管(8)上的排氣閥(F3)前的煙氣溫度(T3)自動調節該 排氣閥(F3)的開度，使當上述的煙氣溫度(T3)高于或等于一設定值(T')時所述排氣閥 (F3)關小，當上述的煙氣溫度(T3)低于該設定值(T')時所述排氣閥(F3)開大。
3.如權利要求2所述的煙氣熱能梯級利用系統的控制方法，其特征在于根據所述排 氣閥(F3)的開度變化自動對各級取氣管上的控制閥的開度進行適應性調節。
4.如權利要求3所述的煙氣熱能梯級利用系統的控制方法，其特征在于該煙氣熱能 梯級利用系統具有包括高溫煙氣取氣管(701)和中溫煙氣取氣管(702)在內的至少兩級取 氣管以及低溫煙氣排氣管(8)，所述高溫煙氣取氣管(701)上的控制閥(Fl)、中溫煙氣取氣 管(702)上的控制閥(F2)以及低溫煙氣排氣管(8)上的排氣閥(F3)分別由反作用PID控 制器按如下方式進行控制令 ΔΡ1 = P-P1，ΔΡ1' = Δ Pl-Pl'，貝Ij Fl = Kl ( Δ Pl ‘ + f Δ Pl' dt-d F' /dt)；令 ΔΡ2 = P-P2，ΔΡ2' = ΔΡ2-Ρ2'，貝Ij F2 = Κ2 ( Δ Ρ2 ‘ + f ΔΡ2' dt-d F' /dt)；令 ΔΤ3 = Τ3-Τ'，則 F = K3(AT3+/ Δ T3dt+d Δ T3/dt)；上述公式中，P為熱源(6)處的氣壓，Pl為高溫煙氣取氣管(701)上的實際氣壓，Pl' 為高溫煙氣取氣管(701)上的設定氣壓，Fl為高溫煙氣取氣管(701)上的控制閥(Fl)的 開度指揮值，Kl為系數，P2為中溫煙氣取氣管(702)上的實際氣壓，P2'為中溫煙氣取氣 管(702)上的設定氣壓，F2為中溫煙氣取氣管(702)上的控制閥(F2)的開度指揮值，K2為 系數，T3為排氣閥(F3)前的煙氣實際溫度，T'為排氣閥(F3)前的煙氣設定溫度，F為排 氣閥(F3)的開度指揮值，K3為系數，F'為排氣閥(F3)的實際開度反饋值。
5.如權利要求1、2、3或4所述的煙氣熱能梯級利用系統的控制方法，其特征在于當 所述煙氣熱能梯級利用系統為干法水泥余熱發電梯級利用系統時，所述熱源(6)處的氣壓 是指回轉窯(9)的窯頭罩(3)內的罩壓(P)。
6.煙氣熱能梯級利用系統的控制系統，該控制系統包括安裝在低溫煙氣排氣管(8)上 的排氣閥(F3)以及安裝在各級取氣管上的控制閥，其特征在于該控制系統還包括用于 監測該煙氣熱能梯級利用系統中熱源(6)處的氣壓與任意一級取氣管內的氣壓之差的壓 力檢測裝置，以及通過該壓力檢測裝置的輸出信號來自動調節所述取氣管上的控制閥的開 度、從而將所述熱源(6)處的氣壓與該取氣管內的氣壓之差維持在一設定值的控制器。
7.如權利要求6所述的煙氣熱能梯級利用系統的控制系統，其特征在于該控制系統 還包括用于監測所述低溫煙氣排氣管⑶上的排氣閥(F3)前的煙氣溫度(T3)的溫度檢測 裝置，以及通過該溫度檢測裝置的輸出信號來自動調節所述排氣閥(F3)的開度從而使當 所述的煙氣溫度(T3)高于或等于一設定值(T')時所述排氣閥(F3)關小，當上述的煙氣 溫度(T3)低于該設定值(T')時所述排氣閥(F3)開大的控制器。
8.如權利要求7所述的煙氣熱能梯級利用系統的控制系統，其特征在于該煙氣熱能 梯級利用系統具有包括高溫煙氣取氣管(701)和中溫煙氣取氣管(702)在內的至少兩級取 氣管以及低溫煙氣排氣管(8)，所述高溫煙氣取氣管(701)上的控制閥(Fl)、中溫煙氣取氣管(702)上的控制閥(F2)以及低溫煙氣排氣管(8)上的排氣閥(F3)分別采用如下控制方 式的反作用PID控制器來進行控制令 ΔΡ1 = P-P1，ΔΡ1' = Δ Pl-Pl'，貝Ij Fl = Kl ( Δ Pl ‘ + f Δ Pl' dt-d F' /dt)； 令 ΔΡ2 = P-P2，ΔΡ2' = ΔΡ2-Ρ2'，貝Ij F2 = Κ2 ( Δ Ρ2 ‘ + / ΔΡ2' dt-d F' /dt)； 令 ΔΤ3 = Τ3-Τ'，則 F = K3(AT3+/ Δ T3dt+d Δ T3/dt)；上述公式中，P為熱源(6)處的氣壓，Pl為高溫煙氣取氣管(701)上的實際氣壓，Pl' 為高溫煙氣取氣管(701)上的設定氣壓，Fl為高溫煙氣取氣管(701)上的控制閥(Fl)的 開度指揮值，Kl為系數，P2為中溫煙氣取氣管(702)上的實際氣壓，P2'為中溫煙氣取氣 管(702)上的設定氣壓，F2為中溫煙氣取氣管(702)上的控制閥(F2)的開度指揮值，K2為 系數，T3為排氣閥(F3)前的煙氣實際溫度，T'為排氣閥(F3)前的煙氣設定溫度，F為排 氣閥(F3)的開度指揮值，K3為系數，F'為排氣閥(F3)的實際開度反饋值。
全文摘要
本發明公開了一種既能夠提高煙氣熱能梯級利用系統的熱能利用率，同時受該煙氣熱能梯級利用系統正常波動的影響較小的煙氣熱能梯級利用系統的控制方法及實現該方法的控制系統。本發明的控制方法的特點是通過煙氣熱能梯級利用系統中熱源處的氣壓與任意一級取氣管內的氣壓之差來自動調節該取氣管上的控制閥的開度，從而將上述差值維持在一設定值。方法不僅有效地減輕了操作工的勞動強度，消除了手動控制所帶來的安全隱患，而且能夠快速、準確的自動將各級取氣管之間的氣量的配比調節到預設的理想比例，從而提高煙氣熱能的利用率。
文檔編號F27D19/00GK101943524SQ20101051336
公開日2011年1月12日 申請日期2010年10月20日 優先權日2010年10月20日
發明者李炎, 肖峰, 趙學明, 陳葉滔, 饒榮 申請人:成都四通新能源技術有限公司