[发明专利]一种烧结余热发电系统的优化控制方法

摘要

本发明涉及一种烧结余热发电系统的优化控制方法，其特征在于，当余热锅炉和汽轮机设备参数和余热锅炉烟气流量和进出口温度一定时，汽轮机发电能力仅与余热锅炉输出的中、低压蒸汽压力有关，通过对余热锅炉输出的中、低压蒸汽压力进行控制，即可使汽轮机发电能力达到最大。与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)能够实现余热回收系统的最优控制，当外部条件发生变化时，实时自动跟踪和调节最优压力值。2)本发明不仅可以对已投产的烧结余热发电系统进行最优控制，还可以对烧结余热发电系统的设计进行校验和优化设计，得到余热锅炉预热器出口最优温度、蒸发器最优温度、过热器出口最优温度、中、低压蒸汽最优流量等参数，选型适合的汽轮机。

主权项

一种烧结余热发电系统的优化控制方法，其特征在于，当余热锅炉和汽轮机设备参数和余热锅炉烟气流量和进出口温度一定时，汽轮机发电能力仅与余热锅炉输出的中、低压蒸汽压力有关，通过对余热锅炉输出的中、低压蒸汽压力进行控制，即可使汽轮机发电能力达到最大，其控制步骤如下：1)确定控制模型目标，以汽轮机发电功率最大为模型目标：Max We＝ηeWm  (1)式中：We为发电功率，W；ηe为发电机效率，无量纲；Wm为汽轮机轴输出机械功率，W；2)建立能量平衡约束方程(1)汽轮机能量平衡方程 W m = η m Σ i = 1 M η c , i Δ H i - - - ( 2 ) 其中： η c , i = 1 - T 0 T i (i＝1，2，…，M)  (3) Δ H i = L i [ 4182 ( 373.15 - T a ) + 1000 × 2256.6 + ∫ 373.15 T i C P ( T ) dT + 8314 18 ln P i 101325 ] (i＝1，2，…，M)  (4)式中：ηm为汽轮机机械效率，无量纲；ηi为i类压力蒸汽对应的卡诺热机工作效率，无量纲；Ti为汽轮机i类压力蒸汽进汽温度，K；T0为汽轮机的排汽温度，K；ΔHi为汽轮机i类压力蒸汽单位时间进汽焓，J/s；Li为汽轮机i类压力蒸汽流量，kg/s；Pi为i类压力蒸汽压力，Pa；Ta为为冷凝器回水(水箱)温度，K；CP(T)为蒸汽的恒压比热，与温度T有关，J/(kgK)；蒸汽的恒压比热CP由以下经验关系式确定，其中恒压比热单位为J，温度单位为K(温度T的范围298～2500K)： C p ( T ) = 1000 18 ( 30.00 + 10.71 × 10 - 3 T + 0.33 × 10 5 T - 2 ) - - - ( 5 ) (2)烧结余热锅炉能量平衡方程①过热器能量平衡方程 L i , j ∫ T p , i , j T h , i , j C P ( T ) dT = ( T y , 3 ( i - 1 ) , j - T h , i , j ) - ( T y , 3 ( i - 1 ) + 1 , j - T p , i , j ) ln T y , 3 ( i - 1 ) , j - T h , i , j T y , 3 ( i - 1 ) + 1 , j - T p , i , j R h , i , j = η j L y , j ∫ T y , 3 ( i - 1 ) + 1 , j T y , 3 ( i - 1 ) , j C Py ( T ) dT (i＝1，2，…，M；j＝1，2，…，N)  (6)式中：Li，j为第j台余热锅炉i类压力蒸汽流量，kg/s；Tp，i，j为第j台余热锅炉i类压力锅筒中水(汽)温度，K；Th，i，j为第j台余热锅炉i类压力过热器蒸汽出口温度，K；Ty，3(i‑1)j为第j台余热锅炉i类压力过热器烟气入口温度，K；Ty，3(i‑1)+1，j为第j台余热锅炉i类压力过热器与蒸发器间烟气温度，K；Rh，i，j为第j台余热锅炉i类压力过热器热阻(含内外对流热阻)，K/W；ηj为第j台余热锅炉热效率，无量纲；Ly，j为第j台余热锅炉烟气流量，kg/s；CPy(T)为烟气的恒压比热，与温度T有关，J/(kgK)；烟气的恒压比热CPy由以下经验关系式确定，其中恒压比热单位为J，温度单位为K(温度T的范围298～2500K)： C Py ( T ) = 1000 79 × 28 + 21 × 32 [ 79 ( 27.87 + 4.28 × 10 - 3 T ) + 21 ( 29.96 + 4.18 × 10 - 3 T - 1.67 × 10 5 T - 2 ) ] - - - ( 7 ) 烟气的流量根据以下理论关系式求得： L y , j = 1000 ( 0.79 × 28 + 0.21 × 32 ) P y , j 8.314 T y , 0 , j L yv , j 式中：Py，j为第j台余热锅炉入口烟气压力，Pa；Lyv，j为第j台余热锅炉烟气体积流量，m3/s；②蒸发器能量平衡方程 L i , j h ( T ) | T = T p , i , j = ( T y , 3 ( i - 1 ) + 1 , j - T p , i , j ) - ( T y , 3 ( i - 1 ) + 2 , j - T p , i , j ) ln T y , 3 ( i - 1 ) + 1 , j - T p , i , j T y , 3 ( i - 1 ) + 2 , j - T p , i , j R p , i , j = η j L y , j ∫ T y , 3 ( i - 1 ) + 2 , j T y , 3 ( i - 1 ) + 1 , j C Py ( T ) dT (i＝1，2，…，M；j＝1，2，…，N)  (8)式中：Ty，3(i‑1)+2，j为第j台余热锅炉i类压力蒸发器与预热器间烟气温度，K；Rp，i，j为第j台余热锅炉i类压力蒸发器热阻，K/W；h(T)为水的蒸发潜热，与温度T有关，J/kg；水的蒸发潜热h由以下经验关系式确定(温度T的范围0～473K)： h ( T ) = 1000 × 2256.6 ( 273.99 473.99 - T ) 0.38 - - - ( 9 ) ③预热器能量平衡方程 4182 L i , j ( T p , i , j - T a ) = ( T y , 3 ( i - 1 ) + 2 , j - T p , i , j ) - ( T y , 3 ( i - 1 ) + 3 , j - T a ) ln T y , 3 ( i - 1 ) + 2 , j - T p , i , j T y , 3 ( i - 1 ) + 3 , j - T a R w , i , j = η j L y , j ∫ T y , 3 ( i - 1 ) + 3 , j T y , 3 ( i - 1 ) + 2 , j C Py ( T ) dT (i＝1，2，…，M；j＝1，2，…，N)  (10)式中：Ty，3(i‑1)+3，j为第j台余热锅炉i类压力预热器烟气出口温度，K；Rw，i，j为第j台余热锅炉i类压力预热器热阻(含内外对流热阻)，K/W；(3)蒸汽能量平衡方程 Δ H i + L i ∫ T i T i - Δ t i C P ( T ) dT = Σ j = 1 N L i , j [ 4182 ( 373.15 - T a ) + 1000 × 2256.6 + ∫ 373.15 T h , i , j C P ( T ) dT + 8314 18 ln P i 101325 ] (i＝1，2，…，M)  (11)式中：Δti为i类压力蒸汽集汽箱与汽轮机间温降，K；(4)蒸汽质量平衡方程 L i = Σ j = 1 N L i , j (i＝1，2，…，M)  (12)(5)饱和蒸汽压力和温度的关系方程i类压力锅筒蒸汽Antoine方程： ln P i = 23.2032 - 3826.36 T p , i , j - 45.47 (i＝1，2，…，M；j＝1，2，…，N)  (13)其中压力单位为Pa，温度单位为K(温度适用范围290～500K)；上述方程(1)～(13)构成烧结余热发电系统数学模型；3)根据上述模型算法编制相应的计算机程序，将程序植入到余热发电系统的PLC或DCS的上位机中；4)实时监测余热锅炉循环烟气的流量和进出口烟气温度以及输出的中、低压蒸汽压力，通过数学模型在线计算，得到中、低压蒸汽最优压力值，只要对中、低压蒸汽压力值进行实时自动调节，使其随时处于最优压力范围内，即可实现发电能力最大化的目标。