低温余热回收换热器热力及控制系统的关键技术

摘要：一种用于烟气余热回收的准等温换热器的热力及控制系统技术装置，主要包括：（1）准等温换热器接入锅炉烟道的热力数据采集系统；（2）确保准等温特性的程序控制硬件，及其钳制壁温变化率的预置的逻辑程控软件系统。针对现有的低温控制方案的缺陷，利用对壁温变化率再调节的二阶导数模型，充分发挥了壁温变化率的预置逻辑程控作用，从而保证了换热器的外壁的壁温随热交换的冷热源动态变化而浮动在烟气酸露点之上，有效的避免的设备腐蚀，从根本上提高了余热利用设备的可靠性，从技术手段上实现了保证设备寿命及其投资回报的经济性。

   关键词：低温余热  换热器 控制系统

Abstract：Thermal and control system technology device, a flue gas waste heat recovery of the quasi isothermal heat exchanger mainly include: (1) quasi isothermal heat exchanger access to boiler flue thermodynamic data acquisition system; (2) to ensure that the characteristics program control hardware of quasi isothermal, logic programming software system and clamp the change rate of wall temperature. Aiming at the defects of low temperature existing control schemes, using the two order derivative model of readjusting on the change rate of wall temperature, it gives a full play to the preset programmed logic function of the change rate of wall temperature, so as to ensure that the outer wall temperature of heat exchanger floats above the flue gas acid dew point with the cold and heat source dynamic changes of heat exchange, which avoid the corrosion effectively, and improve the waste heat utilization equipment reliability fundamentally, so the technical can ensure the life of equipment and realize its return on investment.

    Keywords: low temperature waste  heat exchanger  control system

在国内由于锅炉运行和出厂设计的排烟温度，占锅炉热损失的比例很大，充分利用排烟余热，不仅符合节能减排政策要求，也能同时降低企业的用能成本。低温余热换热器就是具体的一种可以满足现有运行条件的锅炉余热回收利用的换热控制装备。

1 技术概况

目前余热利用设备逐渐地被商业化。烟气中的余热技术可分为直接换热方式和间接换热两种方式。（1）以低压省煤器为代表的直接换热，结构简单、换热效率较高，但存在着换热壁面的温度梯度，从而跨越酸露点上下，易形成换热管壁的腐蚀和积灰。为避免腐蚀，人们通过对冷源方面做了改进，使得整体冷源升温，以保证换热元件的壁温控制在酸露点以上，从而避免腐蚀区，如《带有温度自控系统的低压省煤器》、《发电机组低压省煤器优化系统》、《防腐节能型锅炉烟气余热利用装置》相关说明中都都提到了壁温控制。现有的换热器在第一列管程入口就通过接入的管道配水，由于被调节的水量在管道内容量有限，加之外界能够提供相对稳定的冷热水源温度范围有限，各冷热源温度较大的动态变化的结果，客观上导致了壁温变化无法满足始终高于酸露点的控制策略的实现，运行几年后会不时的出现点腐蚀，甚至面腐蚀，降低了设备投资的经济性。（2）以热管换热器和相变换热器为代表的间接换热，解决了因壁温腐蚀的问题，但总体传热效率比直接换热方式相对较低，降温幅度较小，因结构特殊，也存在着水平安装和推广受限的条件。

目前多数的商业化的余热利用装备中，往往需要调节冷源水温和流量，使得换热器的壁温始终保持在酸露点之上，这属于一个大惯性、钝滞后的过程，如果用常规PID控制很难获得满意的控制效果。因为常规PID是线性的，仅适用于小惯性、小滞后的过程，当把PID控制应用在非线性、大惯性的系统时遇到了很大的难度，不能达到控制目标。

综上所述，为充分利用具有较高换热效率的直接换热设备，以及改进控制的品质与效果，克服上述间接换热余热利用装备效率低和现有直接换热设备在PID控制方面的小滞后的技术不足，本文作者在原参与的专利技术《准等温低压省煤器》机械结构基础上，利用大惯性的模糊预测控制壁温的方法进行实时调节，从而确保了该等换热器管壁不受腐蚀。模糊预测控制的建立是根据系统实时辨识建立模糊规则，采用了人工神经网络的反向传播算法辨识和MAX-MIN模糊推理法。运用模糊推理可对冷热源接口的热力动态输入数据提前预估其未来输出量，补偿被控过程的惯性和滞后对控制系统性能的影响，可有效防止当被控过程的钝滞后较大时，常规PID控制出现的欠调或超调，引起系统扰动现象。其预补偿量可通过模糊推理对被控量的偏差根据被控量的大小和其变化速率、方向以及时间关系进行，从而改进控制品质。

2 实施案例

2.1基本方法

在准等壁温换热器的直接换热系统及其控制系统中，准确的壁温控制系统，是由水循环控制子系统、壁温的温度控制子系统和协调控制子系统组成。本系统中要通过调节循环水温和流量将换热器的壁温保持在酸露点之上，是一个大的惯性和钝滞后的过程。由于常规PID控制器是线性的，适用于小惯性、小滞后的过程，目前商业应用的常规PID应用在非线性、大惯性的系统时存在着非常滞后的现象，其控制很难获得满意的控制目标。为了改进控制的品质与效果，确保换热器管壁不受腐蚀，本发明系统装置中采用先进模糊预测控制方法，是本专利控制系统不同于以往系统的关键所在。模糊控制是根据系统实时辨识建立模糊规则，采用了人工神经网络的反向传播算法辨识，运用MAX-MIN法对过程未来输出的预估作用，补偿被控过程的惯性和滞后对控制系统性能的影响，从而有效防止当被控过程的钝滞后较大时的欠调，引起系统扰动现象。模糊预测控制器是实现模糊控制工艺路线的智能设备，可有效的对被控量的偏差、被控量的大小和其变化速率、方向以及时间关系，先进行预补偿，改进控制品质。

2.2  控制基本单元过程简述

来自各类锅炉烟气包括电站燃煤锅炉（含循环流化床锅炉）、冶金热风炉、石化加热炉、导油炉、市政供热燃气炉等锅炉的烟气（如图1）经数据采集系统25后、通过余热利用翅片换热器数据采集系统24，进行热交换，进入烟气排出数据采集系统系统23。同时，来自上述锅炉系统的各类冷源，在进入低加前的锅炉凝结水数据采集系统1、或进入除氧器前的除盐水数据采集系统2、或进入热交换首站前的供热回水数据采集系统3之后，进入准等温混合水箱数据采集系统4、余热利用翅片换热器数据采集系统24、回水箱6、回流泵5、回水箱数据采集系统6进行有序被控制的热交换，被加热的热水经由水泵7进入锅炉给水系统。

准等温混合水箱4的水温，是由具有准等温控制特性的软硬件系统进行控制，控制系统包括前置的输温度巡检单元20、模糊预测控制器13、水循环控制子系统14、壁温的温度控制子系统15、协调控制子系统16，以及执行器11、12。这些硬件能够在软件的支持下，配合下完整的实现烟气余热回收需要的准等壁温热力控制功能。

图1系统示意图

1进入低加前的锅炉凝结水冷源信号接入系统；2进入除氧器前的除盐水冷源信号接入系统；3进入热交换首站前的供热回水冷源信号接入系统；4准等温混合水箱；5回流泵；6回水箱；7出水加压泵；8换热器热水温度采集单元；9混合水输入温度采集单元；10壁温测量值采集单元；11冷源水执行器；12回流水执行器；13预测计算模块单元；14水循环控制子系统；15壁温控制子系统；16协调控制子系统；17输出报警系统单元；18输出显示及遥控单元；19温度定值系统；20温度巡测系统单元；21烟气温度输入系统单元；22壁温输入系统单元；23热交换后的排烟；24余热翅片换热器接入系统；25锅炉排烟热力信号接入系统

2.3 模糊控制的过程运算模型

模糊控制器的组成主要包括输入模糊化、知识库、推理决策、输出精确化四个部分。模糊PID控制器以传统PID控制器为基础，引入模糊集合论，将PID参数根据偏差和偏差变化值的大小而动态变化，这样显然更符合被控对象真实的控制规律，使模糊控制得到更广泛的应用。模糊控制系统是一种智能控制系统，具有系统响应快，超调小，过渡过程时间短等优点。模糊控制器是模糊控制系统的核心。

2.3.1传统的PID控制器是一种线性控制器，其线性运算模型为：

e(t) = r(t) - y(t)                                                         （1）

u（t）=kp *e(t) + ki*∫e(t)dt + kd*de(t)/dt                  （2）

式中：

Kp 为比例系数，即成比例地反映偏差信号，偏差一旦产生，控制器就产生减小偏差；

Ki  为积分系数，主要用于消除静差，提高系统的无差度；

Kd 为微分系数，反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，加快系统的动作速度，减小调节时间。

2.3.2模糊PID控制结构如图2所示：模糊控制器采用二输入三输出模糊控制器, 输入为温度误差e和温度差变化率ec ,输出为PID的3个控制系数Kp，Ki和Kd。

图2  P ID控制结构

PID的3个控制系数模糊输出划分为7个模糊状态, 分别为{ PB, PM, PS, 0, NS, NM, NB} ,其对应的模糊论域为{ 1，0.6，0.2，0，-0.2，-0.6，-1}。通过静态的输入量，以及现场动态的的数据量，可以对模糊控制器的控制规则进行整定, 其中, 参数ΔKp 控制规则见表1。

 同理, 利用上述方法可以分别确定出ΔKi 和ΔKd的模糊控制规则。

2.3.3控制软件程序框图 

运用上述模糊控制的软件，把上述所有的数据采集量，变化条件、操作范围用模糊集表示，并把这些模糊规则以及有关信息，以及如PID初始化参数，储存于计算机数据库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况，PID参数模糊自整定是要找出PID三个参数与e和ec的之间的模糊关系。运用模糊软件在线对PID参数进行修改，以误差e和误差变化ec作为输入，可以满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求，即可自动实现对PID参数的最佳调整和自适应控制。

2.4热力系统的控制结果：

以燃煤锅炉排烟温度从140℃降到110℃时的换热器控制为例，利用上述模糊控制模型，控制冷源温度，当换热器外壁温大于95℃（已高于酸露点15℃）时，模糊控制输出内壁温信号大于等于70℃，此时可将将86.46t/h的除盐水从5℃加热至30℃；或者将48.24 t/h的供暖回水从47.8℃加热至92.6℃；或者将78.48 t/h的凝结水从65.1℃加热至92.6℃。其回流比Q结果分别控制为0、0.19和1.32  [注：循环回流比Q=(混合水温-冷源温度)  /  (热源温度-混合水温)]。

当锅炉负荷降低，或季节变化时，如烟气温度从120℃降到110℃时，当换热器外壁温大于95℃（已高于酸露点15℃）时，模糊控制输出内壁温信号大于等于70℃，此时可将将28.8 t/h的除盐水从5℃加热至30℃；或者将16.8 t/h的供暖回水从47.8℃加热至92.6℃；或者将29.5 t/h的凝结水从65.1℃加热至92.6℃。因此，本发明的余热利用模糊控制系统对于换热系统的多种冷源的变化，实现了热力系统可控可调。

3 结论

以上的实施例充分说明了，低温余热回收换热器热力及控制系统的关键技术在于混合后对混合技术的检测和控制，从而有效的防止低温余热回收换热设备在低于酸露点的工况下运行。同时，产生可观的经济效益、环境效益和社会效益。

参考文献

1.       赵欣新等编著.余热锅炉研究与设计.中国标准出版社，2010

2.       车得福等编著.烟气热能梯级利用.化学工业出版社，2006

3.       绪方胜彦.现代控制工程.科学出版社，1976

4.       梅晓蓉，庄显义.自动控制理论.电子工业出版社，2002

5.       戴锅生.传热学.高等教育出版社，1999