板式换热器
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燃气轮机烟气回热循环利用控制研究点击：1816 日期：[ 2014-04-26 21:39:28 ] |
| 燃气轮机烟气回热循环利用控制研究 杨家龙,路兴旺,郑洪涛,王 涛 (哈尔滨工程大学动力与能源工程学院,黑龙江哈尔滨 150001) 摘要:介绍了某项目燃气轮机烟气热量再回收利用、降低排放的控制任务和控制重点。设计了合理利用烟气热量以提高能源利用效率的控制方案,建立了换热器冷水侧水出口温度随水流量变化而变化的传递函数,并分析了水温的变化规律。采用数字PID控制算法对变频泵进行控制,整定了PID控制器参数,并对整个控制系统进行了Matlab/Simulink仿真,验证了此控制策略和方法的正确性和合理性。同时,从实际工程运用角度出发,使用STEP7软件,设计了烟气热量再回收利用的PLC控制程序和变频泵的变频控制程序。 关键词:烟气热量; PID控制器; PLC 中图分类号: TP 273 文献标识码: A 文章编号: 1671-7848(2009)S2-0102-03 1·引 言 随着对能源效率和环保的要求日益增加,节能循环装置和控制设施正得到越来越广泛的应用。对于简单循环燃气轮机系统,总能中超过60%的能量都以废热的形式排出。而且,排气温度通常在700K以上,因此这部分能量具有十分可观的回收价值。化学回热循环是一种有效回收余热的先进循环方式,它利用燃气轮机排气的低端余热产生水蒸汽,利用高端余热加热水蒸汽和柴油的混和气,使柴油在催化剂的作用下一部分裂解为氢气和二氧化碳,一部分裂解为气态中间产物,其余燃油被预蒸发变成气态燃料。这些裂解后的气态燃料混和物不但可以很方便地与空气进行预混燃烧,而且其中的氢气还能起到强化燃烧的作用,提高燃机低工况下的燃烧效率,可以明显改善系统的经济性能[1-2]。整个循环方式的关键部分是烟气余热的回收。为了尽可能提高烟气的利用效率和满足燃机对水温度的要求,必须合理控制补给水流过换热器的流量,以保证能源效率得到较大的利用,这是本文研究的目的和意义所在。 2·换热器出口水温度控制过程及仿真模型 在本系统中,烟气热量的回收利用主要是靠流经3个换热器的水从烟气中吸收热量来实现的。而本系统的控制重点就是流经3个换热器的水的温度。变频泵在运行中,温度传感器将温度检测点(饱和器出口处)的水温Tm传送给PLC(可编程控制器)内置PID,当水温低于设定温度值T时,PLC内置PID发出降低变频调速器输出频率f的信号,使电机转速降低,水泵的转速也相应随着降低,进而流经3个换热器的水量减少,在载热体参数不变的情况下,补给水的温度Tm也随之升高;反之亦然[3-4]。 1)换热器的数学模型 对于逆流单流程的换热器,其静态特性主要是输入变量T1i,T2i,G1,G2对输出变量T1o,T2o的静态关系。如用函数形式来表示,则为: T1o=F(T1i,T2i,G1,G2) 对象的静态特性就是要确定T1o与T1i,T2i,G1, G2之间的函数关系F。 静态特性推导的2个基本方程式—热量平衡关系式及传热速率方程式如下: 热量平衡关系式在忽略热损失的情况下,冷流体所吸收的热量,应等于热流体放出的热量: q=G1c1(T1o-T1i)=G2c2(T2i-T2o) (1) 式中,q为传热速率,kJ/s;G为质量流量,kg/s;c为比热容,kJ/(kg·K);T为温度,K。 由传热定律可知,热流体向冷流体的传热速率方程式为 q=KAΔT (2) 式中, K为传热系数,kJ/(K·m2·s),A为传热面积,m2;ΔT为平均温差,K。 其中,平均温差ΔT选用算术平均值,为： ΔT=[(T2i-T1o)-(T2o-T1j)] /2 (3) 经整理可得: 在本控制系统中,因为只有G1属于被控量,其他各变量均为干扰量,所以只需建立工艺介质流量G1对出口温度T1o的影响T1o,即G1→T1o通道的静态放大倍数为即可,对式(4)进行求导,可得静态放大倍数为: 通过式(5),可得曲线斜率K的变化规律如下: ①随着冷流体流量的增大,增益K的数量减少。定性分析表明,当冷流体流量增大时,如供给相同的流量,冷流体出口温度会降低。②增益K是负值,这表明当冷流体流量增大时,出口温度降低。同时,工艺介质流量G1,对工艺介质出口温度Tm的影响,如用传递函数表示,可近似表示[5]为: G1,G2分别为工艺介质和载热体的储存量、流量。在烟气余热回收系统中,水依次经过蒸汽冷凝器、浓水冷凝器和饱和器,经过这3个换热器的加热后,达到饱和温度。其中,饱和器是最主要的换热设备,水所吸收的热量有70%来自于烟气通过饱和器的传热量。对于饱和器来讲,补给水流量为G1=0·85 kg/s,补给水比热容C1=4·2 kJ/kg·K,补给水的入口、出口温度为379·2 K和607 K;烟气流量为G2=3·319 kg/s,入口、出口温度为623·9 K和391·8 K,烟气比热容C1=1·217 kJ/kg·K;换热器为管壳式换热器,管道长度为1 174 mm,管材规格Φ28×4 mm,管数为40,管壳尺寸为1 050×880×320(单位为mm),换热面积为84 m2。根据式(5)和(6),得出其传递函数为: 同理,可得蒸汽冷凝器和浓水冷却器的传递函数为: 高压泵动态过程属于一阶时滞系统模型,本文限于篇幅,选取以下模型进行研究[6]: 同时,本系统采用4-20 mA电流型温度传感器作为温度变送器,其时间系数小,延迟系数小,故近似认为其传递函数为1。 2)数字PID控制器仿真模型 由于计算机控制是一种采样控制,它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量,因此,本系统采用数字PID控制系统,其传递函数为: 式中,k采样序号, k=0,1,2,3,…; u(k)为第k次采样时刻的计算机输出值; e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值; e(k-1)为第(k-1)次采样时刻输入的偏差值; kP为比例增益; Ts为采样时间(采样周期); TI为积分时间; TD为微分时间。 由于本系统采用PI控制器,所以TD=0。 根据式(6)~式(10)和PID闭环控制原理,得出整个系统的Matlab/Simulink仿真程序,如图1所示。 3)参数整定 参数的整定主要包括2大部分,一是采样周期的确定,一是TP, TI的整定。根据以往经验,采样时间选择为Ts=0·2s。TP, TI的整定,主要是根据临界比例度法[7]。经整定,当TP=46·32, TI=0·031 2时,其仿真结果,如图2所示。 由图2可知,过程控制的超调量σ%=19%;过程控制的峰值时间为17 s;过程控制的调节时间(5%的调节带):ts=34·6 s;过程控制的调节时间(2%的调节带):ts=52 s;稳态误差为0。从图2及其控制过程响应可得,此PID控制器响应速度快、控制过程平稳、无稳态误差的特点,控制品质良好,是一种非常有效的控制方法。 3·PLC控制程序 由于PLC可靠性高,抗干扰能力强,编程简单,功能强,性能价格比高,体积小、能耗低等显著特点,被广泛应用在工业环境下自动控制系统中。同时,变频泵具有省电节能的优点,故本系统主要采用西门子PLC(S-300)和变频泵(MM440)实现现场控制。PID控制模块,如图3所示。 此模块用于实现PID控制器的创建和水温设定值、过程反馈值、控制器输出值的处理。SP_ INT输入DB1·DBD40中电流形式的温度给定值。PV_IN输入DB1·DBD10中电流形式的实际温度值。GAIN输入DB1·DBD30中实型增益。TI输入DB1·DBD31中TIME类型的积分时间常数。TI输入DB1·DBD32中TIME类型的积分时间常数。LMN输出电流形式的变频器出频率DB1·DBD52中。变频器的电流控制信号转换模块,如图4所示。 此模块的作用是把计算机输出的控制命令和数据,转换成可以对被控对象进行控制的信号。用于将模拟量实型值转换为I/O格式的整型值。变频器的控制电流为4~20 mA,其对应的变频范围为0~50Hz。DB1·DBD11是变频器输出频率电流形式的实型值。变频器的量程上限0Hz和下限50Hz分别对应上限值HI_ LIM和下限值LO_ LIM。M20·0默认为0,表示单极性转换。PQW211电流I/O格式整型值的输出通道[8]。 4·结 语 根据化学回热试验台对闪蒸室入口补给水温度的要求,以及对烟气热量回收利用和提高热量循环效率的角度出发,设计了针对变频泵的数字PID控制器,并进行Matlab/Simulink仿真,其结果是:此烟气热量回收装置具有明显提高热量循环效率,降低排放的作用;且系统中所使用的PID控制器具有响应速度快、控制过程平稳、无稳态误差等特点,控制品质良好,是一种非常有效的控制方法。同时,采用可编程控制器(PLC)对系统进行现场控制,编程简单,容易实现,具有很强的可操作性。 参考文献: [1]FiaschiD,Lombardi I,Tapinassi·The recuperative auto thermal re-forming and recuperative reforming gas turbine power cycles withCO2rovemal[J]·American Society ofMechanicalEngineers·2004,126(1)62-68· [2]SPADACCINIL J,PELMAS R·Evaluation of oil/water emulsions forgas turbine engines evaporation-combustion of fuels[J]·Advances in Chemistry,1978,166(1):232-244· [3]BrueeW·Saving energy through Pump speed control[J]·DesignNews, 1995, 50(4): 80· [4]Robert P, Pump up your energy saving[J]·Chemical Engineer-ing· 1994, 101(2): 120· [5]翁维勤,孙洪程.过程控制系统及工程[M]·北京:化学工业出版社, 2002· [6]黄东煜,蒸汽发生器热力设计与系统动态过程仿真[D]·哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2006· [7]王素青,姜维福·基于Matlab/Simulink的P ID参数整定[J]·工业控制与应用,2006,5(2):24-28· [8]张辉·变频器工作原理与在工程中的应用[ J]·节能技术,2005, 7(4): 358-353· |
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