mggh系统建模与控制系统设计调试
MGGH 系统建模与控制系统设计调试 李恩鹏 董海英 张海军 何浩民 黄先平 艾鹏龙 深能合和电力(河源)有限公司 摘 要： MGGH (Media Gas-Gas-Heater, 零泄露气气换热装置) 是一种基于热媒体的烟气余热利用气气换热装置, 具有除尘前烟气余热回收和脱硫后冷烟气再热相互独立完成的特点。新增凝结水加热系统后, 利用热媒水剩余热量加热凝结水, 达到节能降耗的目的。本文针对 MGGH 系统进行建模, 设计组态进行调试, 利用多系统解耦、不同工况变设定值、增加控制前馈等技术, 实现了 MGGH 系统自动的投入, 最大限度发挥设备环保节能的潜能。关键词： MGGH; 建模; 设计调试; 控制优化; 作者简介：李恩鹏 (1982-) , 男, 学士, 工程师, 从事电厂自动控制系统的应用维护和技术管理工作。收稿日期：2017-10-16Modeling and Control System Design/Debugging of MGGHLi Enpeng Dong Haiying Zhang Haijun He Haomin Huang Xianping Ai Penglong Shenzhen Energy Hopewell Power (Heyuan) Co., Ltd.; Abstract： MGGH (Media Gas-Gas-Heater, gas and gas heat exchanger with zero leakage) is a gas and gas heat exchanger using the waste heat of flue gas as heat media. MGGH recycles waste heat from flue gas before dust removal and reheats the cooled flue gas after desulfurization separately. After the addition of condensed water heating system, the condensed water is heated with the residual heat from heating-medium water, to reducing energy cost. In this manuscript we focus on the modeling of MGGH system and configuration design/debugging. We applied multisystem decoupling, optimized the parameter for various situations and improved the feedforward control technology. Automatic operation of MGGH was achieved, which can maximize the potential of MGGH to reduce energy cost.Keyword： MGGH; modeling; design debugging; control optimization; Received： 2017-10-160 引言河源电厂一期工程两台 600MW 燃煤机组实施烟气超低排放改造, 对现有的脱硝、除尘、脱硫系统进行提效, 采用高效协同脱除技术, 使机组烟气的主要污染物排放浓度达到天然气燃气轮机组的排放标准1。MGGH 系统热惯性大, 增加凝结水加热系统, 多参数耦合性强, 投入自动后烟气再加热器出口烟温波动大, 不能满足环保指标要求。对 MGGH 系统进行建模, 设计组态进行调试, 实现了MGGH 系统自动的投入, 在稳态及变负荷工况下, 再加热器出口烟温、烟气冷却器出口烟温等主要被控量稳定, 最大限度发挥了设备环保节能的潜能。1 MGGH 系统MGGH 系统如图 1 所示2, 烟气余热回收-再热装置的换热形式为烟-水换热器。其中, 烟气冷却器布置在空预器出口至干式电除尘器之间的水平烟道, 烟气再加热器布置于脱硫出口至烟囱之间的水平烟道。MGGH 系统以除盐水作为热交换介质, 闭式循环, 由热媒水泵驱动。设计工况下, 70的热媒水进入烟气冷却器与烟气进行热交换, 将干式除尘器前进口烟温由140降至 85, 吸热后的热媒水进入烟气再加热器与烟气进行热交换, 将烟囱入口烟温从 46提升至 72, 放热后的热媒水通过热媒水泵, 继续进入烟气冷却器, 如此循环运行。烟气冷却器吸收的烟气余热在优先满足烟气再加热器的需求后, 多余热量通过布置在烟气再加热器后的凝结水加热器, 实现对凝结水辅助加热, 提高机组的运行效率。图 1 MGGH 系统 Fig.1 MGGH system 下载原图2 MGGH 系统建模烟气冷却器、烟气再加热器、凝结水加热器都为间壁式换热器。流体间通过对流、辐射和导热方式进行热量传递。烟气再加热器系统传热左侧简化为平壁, 流通介质为热媒水;右侧为肋片, 流通介质为烟气, 如图 2 所示3。图 2 烟气再加热器传热 Fig.2 Flue gas reheater heat transfer 下载原图因此, 当肋壁传热处于稳态时, 两侧流体之间的传热量 可表示为通过肋壁的传热量以传热方程式的形式表示以右侧总面积 A2为基准的肋壁传热系数为表 1 表面对流传热系数的大致范围 Table1 The approximate range of surface convective heat transfer coefficient 下载原表 再加热器出口烟温响应热媒水流量的模型如图 3 所示。相同负荷下, 再加热器出口烟温随热媒水流量增大逐渐增大, 换热效率增大速度放缓。随着负荷增加, 锅炉烟气流速增加, h 1增大, 满足再加热器出口烟温达到设定值所需热媒水流量增加。烟气冷却器出口烟温模型如图 4 所示。相同负荷下, 随着热媒水流量增大, 烟气冷却器出口烟温下降, 烟温降速逐渐减小。负荷越高, 烟气冷却器出口烟温越高。系统温度对凝结水加热系统响应模型如图 5 所示。随着凝结水升压泵旁路调节阀开度增大, 凝结水吸热增多, 烟气冷却器入口水温、烟气冷却器出口烟温、再加热器入口水温、再加热器出口烟温都逐渐变小。图 3 再加热器出口烟温模型 Fig.3 Model for outlet flue gas temperature of reheat 下载原图图 4 烟气冷却器出口烟温模型 Fig.4 Flue gas temperature model of flue gas cooler 下载原图图 5 系统温度对凝结水加热系统响应模型 Fig.5 Response model of system temperature for condensate heating system 下载原图图 6 烟气冷却器入口水温动态特性 Fig.6 Water temperature dynamic characteristics for inlet of flue gas cooler 下载原图图 7 烟气冷却器出口温动态特性 Fig.7 Dynamic characteristics of outlet temperature of flue gas cooler 下载原图凝结水升压泵旁路调节阀扰动下的烟气冷却器入口水温动态特性如图 6 所示, 其动态特性可近似为一个一阶惯性纯滞后环节, 传递函数为热媒水泵频率变化扰动下的烟气冷却器出口水温动态特性如图 7 所示, 其动态特性可近似为一个一阶惯性纯滞后环节, 传递函数为3 控制系统设计调试合适的烟气冷却器出口烟温, 可以避免烟冷器出口烟气管道低温腐蚀和提高电除尘效率。根据 MGGH 系统模型及烟气冷却器出口烟温的动态特性, 设计热媒水泵控制烟气冷却器出口烟温控制策略。图 8 为热媒水泵控制逻辑, 热媒水泵指令由 4 部分组成, 包括:锅炉主控指令经函数生成的基础频率指令, 这是热媒水泵控制指令的主体部分;变负荷前馈指令, 作用是减少变负荷过程中再加热器出口烟温的动态偏差;控制烟气冷却器出口烟温的 PID 输出指令, 在有限范围内控制烟气冷却器出口烟温;凝结水升压泵旁路调节阀 PID 输出指令, 解除热媒水泵与凝结水升压泵旁路调节阀的耦合作用。烟气冷却器出口烟温设定值由 4 部分组成, 包括:锅炉主控指令经函数生成的设定值;运行人员手动设定偏置;再加热器出口烟温的函数, 当再加热器出口烟温低后, 增加热媒水流量, 提高再加热器出口烟温;烟气冷却器入口烟温的函数, 目的是适应烟气冷却器入口烟温变化对烟气冷却器出口烟温的影响。图 8 热媒水泵控制逻辑 Fig.8 Heat medium water pump control logic 下载原图烟气冷却器入口水温合适可以避免烟气冷却器入口烟气侧低温腐蚀和有效降低烟冷器出口烟气温度, 根据 MGGH 系统模型和烟气冷却器入口水温的动态特性, 设计凝结水升压泵旁路调节阀控制烟气冷却器入口水温控制策略。图 9 为凝结水升压泵旁路调节阀控制逻辑, 凝结水升压泵旁路调节阀指令由 3 部分组成, 包括:变负荷前馈指令, 以减少变负荷过程中再加热器出口烟温的动态偏差;控制烟气冷却器入口水温的 PID 输出指令;热媒水泵控制 PID 输出指令, 解除热媒水泵与凝结水升压泵旁路调节阀的耦合作用。再加热器出口烟温小于 70时, 凝结水升压泵旁路调节阀超驰全关, 保护烟囱。烟气冷却器入口水温设定值由4 部分组成, 包括:锅炉主控指令经函数生成的设定值;运行人员手动设定偏置;再加热器出口烟温的函数, 作用是再加热器出口烟温降低时, 关小凝结水升压泵旁路调节阀, 减少吸热, 提高再加热器出口烟温;烟气冷却器入口烟温的函数, 目的是适应烟气冷却器入口烟温变化对 MGGH 系统烟温的影响, 最大限度节能。图 9 凝结水升压泵旁路调节阀控制逻辑 Fig.9 Condensate water booster pump bypass control valve control logic 下载原图4 优化成果4.1 自动优化成果图 10 为优化前 MGGH 系统自动投入曲线, 热媒水泵指令和凝结水升压泵旁路调节阀指令一直在最大值和最小值之间波动。再加热器出口烟温周期性在 6974之间波动, 对烟囱造成腐蚀。图 1 0 优化前 MGGH 系统自动投入曲线 Fig.10 MGGH system automatic run curve before optimized 下载原图图 11 为优化后 MGGH 系统自动投入曲线, 热媒水泵与凝结水升压泵旁路调节阀动作平稳, 再加热器出口烟温控制稳定。4.2 环保节能成果调取 DCS 历史站中优化前一个月数据和优化后一个月共 80000 余条数据, 利用大数据方法对数据进行分析。表 2 为优化前后 MGGH 系统主要参数对比列表。表 2 优化前后 MGGH 系统主要参数对比列表 Table 2 Main parameters of MGGH system before and after optimization 下载原表 图 1 1 优化后 MGGH 系统自动投入曲线 Fig.11 MGGH system automatic run curve after optimized 下载原图优化后各负荷段热媒水泵电流明显下降, 平均降低 164A。优化后再加热器出口烟温控制更加稳定, 平均温度保持在
