Водогрейные котлы являются важнейшими элементами в системах отопления и горячего водоснабжения.
Эти котлы могут работать на различном виде топлива:
- Газ
- Мазут
- Угольная пыль
- Кусковом угле
В связи с постоянно растущими ценами на газ и мазут актуальна замена этих дорогих энергоносителей более дешевым угольным топливом, особенно для Кузбасса, являющегося одним из крупнейших поставщиков угля в России.
Однако большинство водогрейных котлов, работающих на кусковом угле в настоящее время, оснащены аппаратными средствами контроля, управления и регулирования. Для улучшения показателей эффективности их работы, экономии расхода топлива и электроэнергии, повышения надежности функционирования, снижения вредных выбросов в окружающую среду необходима модернизация устаревших систем управления с использованием современных программируемых микропроцессорных средств автоматизации, а также разработка более совершенных способов автоматического управления режимными параметрами. В первую очередь это требуется для водогрейных котлов со слоевыми угольными топками [1]. Решению данной задачи и посвящается данная работа.
Водогрейный котел с подвижной колосниковой решеткой в топке, работающей на кусковом угле, как объект автоматического управления режимными параметрами, может быть представлен схемой, показанной на рис. 1.
На схеме приняты следующие обозначения переменных и элементов котла:
- FД, FB, FУ, F0B — расход, соответственно, дымовых газов, воздуха, подаваемого в топку, угля, обратной воды в тепловой сети
- РТ, РОВ — разряжение в топке котла, давление обратной воды на входе в котел
- ТТ, ТГВ, ТОВ, ТНВ — температура, соответственно, в топке котла, горячей воды на выходе из котла и обратной воды на его входе, наружного воздуха
- О2 — объемное (в %) содержание кислорода в отходящих дымовых газах
- VР — скорость движения колосниковой решетки, на которой происходит сжигание слоя угля
- ВПК — водонагревающая поверхность котла
- СН, ПН — насосы, соответственно, сетевой и подпитывающий.
Внутри водогрейного котла сплошными линиями показаны основные, а пунктирными — дополнительные связи между входными и выходными величинами. Следовательно, котел, как объект управления, является сложной динамической системой.
Однако явно выраженная направленность отдельных участков по основным каналам регулирующих воздействий, таким как:
- «Расход FД — разряжение РТ»
- «Расход FВ — содержание О2»
- «Расход FУ — температура ТТ»
Регулировка данных параметров позволяет осуществить стабилизацию регулируемых величин с помощью автономных контуров регулирования с автоматической коррекцией их заданий с учетом дополнительных взаимосвязей.
Возможные варианты автоматического управления подачей угля в топку водогрейного котла, полученные на основе анализа способов и схем регулирования подачи топлива для паровых котлов [2], представлены на рис. 2:
- ВЗТ — вычислитель заданной тепловой нагрузки котла
- PPY, РТТ, РТГВ, PQ — автоматические регуляторы, соответственно, расхода угля, температуры в топке, температуры горячей воды и тепловой нагрузки котла
- ПУ — питатель угля (дозирующее устройство с механическим забрасывателем)
- ДQ — датчик тепловой нагрузки котла
- FУЗАД, ТТЗАД, ТГВЗАД — заданные значения (уставки регуляторов), соответственно, расхода угля, температуры в топке, температуры горячей воды, формируемые оператором или верхним уровнем управления, например главным регулятором ГР
- UРУ, UРТ, UГРВ, UРQ — выходные сигналы соответствующих регуляторов
- Q, QИЗМ, QЗАД — тепловая нагрузка котла, соответственно фактическая, измеренная и заданная.
где
- а — расхода угля
- б — температуры в топке
- в — температуры горячей воды на выходе котла
- г — тепловой нагрузки котла (теплопроизводительности)
Вычислитель задания ВЗТ и датчик тепловой нагрузки котла ДQ формируют соответствующие сигналы по выражениям:
(1)
где
- С — удельная теплоемкость воды.
Сравнивая способы автоматического управления подачей угля в топку, представленные на рис. 2, можно отметить следующее:
- Вариант управления по принципу FУ=FУЗАД=const характеризуется простой реализацией, малыми значениями инерционности и запаздывания объекта (питателя). Определенную трудность представляет непрерывное прямое измерение расхода кускового угля из-за отсутствия надежных датчиков. Задание FУЗАД может быть обеспеченно только главным регулятором тепловой нагрузки котла
- Варианты управления по температуре в топке TТ=ТТЗАД=const и по температуре горячей воды TГВ=ТГВЗАД=const работают с тепловыми объектами (топка, котел), имеющими большие значения показателей инерционности и запаздывания, что потребует существенного усложнения регуляторов для обеспечения требуемого качества регулирования. Однако формирование задания может быть обеспечено вручную при установке базового режима работы котла, так как, в частности, температура горячей воды является целевым параметром
- Вариант управления по тепловой нагрузке котла является достаточно сложным, так как требуются специальные вычислители QЗАД и QИЗМ. При этом динамические свойства объекта являются такими же невысокими, как и варианте управления по температуре.
Определенный практический интерес представляют объединение вариантов «б» и «в» (см. рис.2.) в каскадную схему регулирования, в которой контур «б» встраивается в контур «в». Такая структура позволяет существенно повысить динамические показатели качества регулирования.
Возможные варианты автоматического управления подачей воздуха в топку котла представлены на рис. 3, на котором приняты следующие обозначения:
- АСР — автоматическая система регулирования производительности дутьевого вентилятора, включающая в себя регулятор производительности, частотно-регулируемый электропривод вентилятора, воздуховод и датчик производительности
- ЗВУ, ЗВТН — задатчики расхода воздуха (производительности дутьевого вентилятора), соответственно, в функции расхода угля и в функции тепловой нагрузки котла
- FВ, FВЗАД — фактический и заданный расход воздуха.
где
- а — расхода воздуха на заданном уровне
- б — соотношения параметров «Расход угля — расход воздуха»
- в — соотношения параметров «Тепловая нагрузка котла -расход воздуха»
Рассматриваемые способы управления подачей воздуха в качестве базового элемента содержит АСР и различаются лишь принципом формирования задания. В первом варианте заданный расход воздуха определяется либо оператором при установке базового режима работы котла, либо верхним уровнем управления котельной установкой. Во втором и третьем вариантах управления заданный расход воздуха формируется специальными задатчиками в функции расхода угля или тепловой нагрузки котла.
Основные показатели эффективности процесса горения (полнота сгорания топлива, тепловые потери с уходящими газами, затраты электроэнергии на дутье и тягу, содержание вредных выбросов в атмосферу) существенно зависят от способа управления подачей воздуха в топку. Важнейшей характеристикой качества сжигания топлива является коэффициент α избытка воздуха в топке котла.
Примерное значение этого коэффициента для случая полного сгорания топлива можно определить по так называемой «кислородной» формуле:
(2)
где
- О2 — процентное содержание кислорода в продуктах горения
- 21 — процентное содержание кислорода в единице объема воздуха.
Из выражения (2) можно записать уравнение для определения оптимального содержания кислорода в дымовых газах:
(3)
где
- αОПТ – оптимальное значение коэффициента избытка воздуха в топке, соответствующее минимальным потерям теплоты и затратам электроэнергии на дутье и тягу
- αопт — определяется экспериментальным способом и составляет (1.2 ч- 1.3)
Полагаем, что наиболее эффективным способом управления подачей воздуха в топку является первый вариант (рис. 3, а), дополненный блоками коррекции уставки по кислороду и расходу угля.
На основании ранее изложенных положений, а также учитывая необходимость автоматической стабилизации разряжения в топке и скорости движения колосниковой решетки, предлагается, на наш взгляд, наиболее рациональная структура САР режима работы водогрейного котла со слоевой угольной топкой.
Схема представлена на рис. 4, где использованы следующие дополнительные обозначения:
- РПВ, РР, PC — автоматические регуляторы, соответственно, производительности дутьевого вентилятора, разряжения в топке, скорости колосниковой решетки
- БКО2, БКУ, БКVp— блоки автоматической коррекции, соответственно, задания расхода воздуха по кислороду и расходу угля, задания скорости колосниковой решетки
- ЧЭВ, ЧЭД, ЧЭР — частотно-регулируемые электроприводы, соответственно, дутьевого вентилятора, дымососа, колосниковой решетки
- ДКУ — динамическое корректирующее устройство (дифференциальное звено), необходимое для предупреждения нарушения баланса FВ=FД и увеличения быстродействия регулятора (РР), возникающего при изменении расхода воздуха в переходных режимах
- ПКР — подвижная колосниковая решетка
- ΔFBО2, ΔFBУ, ΔVРУ — сигналы коррекции, соответственно, задания расхода воздуха по кислороду и расходу угля, задания скорости решетки по расходу угля
- UРПВ, UРР, UРС — выходные сигналы соответствующих регуляторов
- РТЗАД, VРЗАД — заданные значения разряжения в топке и скорости решетки
где
- а — подсистема регулирования подачи воздуха с автоматической коррекцией задания по кислороду и расходу угля
- б — подсистема регулирования температуры горячей воды на выходе котла; в — подсистема регулирования разряжения в топке котла
- г — подсистема регулирования скорости подвижной колосниковой решетки
Предлагаемая САР режима работы водогрейного котла со слоевой угольной топкой содержит четыре взаимосвязанные подсистемы автоматического регулирования технологических параметров, обеспечивающие высокие экономические, экологические и динамические показатели процесса выработки котлом требуемого количества теплоты.
Настройка системы управления сводится к заданию уставок регуляторам и блокам коррекции для базового режима работы котла. При изменении тепловой нагрузки блоки коррекции автоматически изменяют уставки, поддерживая тем самым эффективный режим работы котла.
Список литературы
- Медведев А.Е. Микропроцессорная система автоматизации водогрейного котлоагрегата для работы на угле // Вести. Кузбасского гос. тех. унив., 2008, №3. С. 60-63.
- Плетнев Г.П. Автоматизация технологических процессов и производств в теплоэнергетике. — М.: Издательство МЭИ, 2005. — 352 с.
Источник: Автоматическое регулирование режима работы водогрейного котла со слоевой угольной топкой / А.Е. Медведев, К.П. Волыков // Вестник КузГТУ. — 2009. — №3. — C. 65-69
