Большинство водогрейных котлов промышленных и муниципальных котельных, работающих на угле, в настоящее время оснащены устаревшими системами управления. Топливо и электроэнергия, потребляемые котлоагрегатами, расходуются не оптимально, что связано с суточными (технологическими) колебаниями потребления теплоносителя (горячей воды). Около 60% электроэнергии собственных нужд котельных потребляют тягодутьевые машины — вентиляторы и дымососы. Практически на всех котлах применяется нерегулируемый асинхронный электропривод, регулирование расхода воздуха и разряжения в топке осуществляется изменением положения заслонок направляющих аппаратов с центрального пульта, а контроль технологических параметров работы котла — с помощью регистрирующих вторичных приборов. При таком способе регулирования потоков воздуха и отходящих газов (дыма) потери на дросселирование достигают 70%. Кроме этого, при эксплуатации котлов в связи с изменением параметров воздуховодов и дымоходов, топок котлов и свойств топлива устанавливаемые по наладочным технологическим картам режимы отличаются от оптимальных, что вызывает перерасход топлива.
На существующих угольных котлоагрегатах, как правило, отсутствует оперативный контроль содержания кислорода в отходящих газах, процесс сжигания топлива ведется с избытком воздуха. При этом содержание О2 в отходящих газах находится в пределах 8-10%, хотя в большинстве случаев достаточно 2-3%. Работа котлов с избытком воздуха также является источником энергопотерь на котельных установках.
Для повышения эффективности функционирования угольных котельных авторами предлагается применение для управления ими современных АСУ ТП [1]. Важнейшими элементами таких систем являются подсистемы оптимального управления тягодутьевыми трактами водогрейных котлов, позволяющие существенно (на 30-40%) снизить потребление электрической энергии асинхронными двигателями вентиляторов и дымососов, а также обеспечить рациональный расход топлива при полном его сжигании (экономить от 2 до 5% угля). Система автоматического управления тягодутьевым трактом (САУ ТДТ) котла представлена на рис. 1.
Она включает в свой состав датчики расходов FT воздуха, топлива и отходящих газов, датчик разряжения в топке РТ, датчик содержания кислорода ОТ в отходящих газах, транзисторные преобразователи частоты ПЧ для управления скоростью электродвигателей М вентилятора и дымососа, программируемый логический контроллер котла ПЛК, реализующий алгоритм локального управления трактом, и персональный компьютер ПК (АРМ оператора), выполняющий функции интерфейса «человек — машина».
САУ ТДТ котла реализует следующие основные функции:
- Автоматический контроль технологических параметров ТДТ: расходов воздуха, топлива и отходящих газов, разряжения в топке котла, содержания кислорода в отходящих газах
- Автоматическая стабилизация разряжения в топке котла в соответствии с заданием от ПК путем частотного управления скоростью асинхронного электродвигателя дымососа
- Автоматическое управление расходом воздуха, подаваемого в топку котла, частотным изменением скорости асинхронного электродвигателя дутьевого вентилятора в соответствии с задаваемым с ПК соотношением «топливо/воздух» с автоматической коррекцией задания по содержанию кислорода в отходящих газах
- Представление оперативному персоналу информации о работе тягодутьевого тракта.
Важнейшей подсистемой в САУ ТДТ котла является САР разряжения в топке [2]. Для исследования принята каскадная САР с односторонней автономностью, обладающая такими достоинствами как динамическая развязка основного и вспомогательного контуров регулирования, благодаря которой возможна независимая настройка регуляторов, а также более высокая надежность работы, так как при отказе вспомогательного контура система продолжает работать как одноконтурная.
Структура каскадной САР с односторонней автономностью, используемая для исследования на компьютере с помощью программы IPC CAD процесса регулирования разряжения в топке, представлена на рис. 2.
Система включает в себя объект регулирования, представленный опережающим и инерционным участками, регуляторы разряжения R1 и производительности (скорости) дымососа R2, а также динамический компенсатор «Комп».
Переменные системы:
- Y1, Y2 — соответственно, разряжение в топке и производительность дымососа
- U — управляющее воздействие на объект
- SP, U1 — заданные значения, соответственно, разряжения и производительности дымососа
- Ԑ1, Ԑ2 — рассогласование на входе соответствующих регуляторов
- F1 — эквивалентное возмущающее воздействие на входе опережающего участка, включающее в себя колебание напряжения сети, техническое состояние газохода
- F2 — эквивалентное возмущающее воздействие на топку котла, определяемое расходом воздуха дутьевого вентилятора и температурой окружающей среды.
Для решения задачи устойчивости и качества процесса регулирования принята математическая модель объекта, представленная передаточными функциями его участков:
Опережающий участок (дымосос с преобразователем частоты):
(1)
Инерционный участок (топка котла с газоходом):
(2)
При моделировании переходных процессов в САР разряжения приняты следующие значения параметров объекта:
Для определения параметров настройки регулятора разряжения в топке R1 принимаем ПИД-регулятор с передаточной функцией:
(3)
Рассматриваем САР разряжения как одноконтурную и исследуем ее реакцию на скачкообразные изменения на 1% возмущений F1, F1 задания SP и на 20% от расчетных значений параметров объекта (проверка системы на грубость).
Результаты расчетов программой значений показателей качества процессов регулирования:
- Динамической ошибки yд
- Степени затухания Ѱ
- Времени регулирования tp
Для типовых переходных процессов актуализируем сведения в таблице 1.
Наиболее высокие значения показателей качества в одноконтурной САР, как следует из анализа данных табл. 1, обеспечивает ПИД-регулятор при задании типового апериодического процесса.
Для определения параметров настройки регулятора R2 в каскадной САР выбираем:
Компенсатор первого порядка с передаточной функцией:
(4)
Одинаковой с передаточной функцией Won(P) опережающего участка объекта регулирования.
ПИ-регулятор производительности дымососа с передаточной функцией:
(5)
Как следует из анализа показателей качества процесса регулирования, приведенных в табл. 1, наилучшим переходным процессом является апериодический.
Результаты расчета программой показателей качества процесса регулирования в каскадной САР для апериодического процесса представлены в табл. 2.
Полагаем, что САР разряжения в топке должна обеспечивать следующие допустимые значения показателей качества процесса регулирования:
- Статическая ошибка yстдоп ≤ 0,2 мм.в.с
- Динамическая ошибка yддоп ≤ 0,75 мм.в.с
- Степень затухания Ѱдоп ≥ 0,75
- Время регулирования thдоп ≤ 2 мин
Сравнивая наиболее приемлемые наборы значений показателей качества процессов регулирования, полученные при проверке системы на грубость в одноконтурной и каскадной САР (см. данные табл. 1 и 2).
Можно сделать вывод, что в последней они существенно выше:
Для оценки динамической ошибки в мм.в.с воспользуемся коэффициентом пересчета:
где
- РТmах — максимальное разряжение в топке котла
- kB=5 — коэффициент, учитывающий одновременное воздействие на объект возмущений F1, F2 с одинаковым знаком
Расчетные максимальные значения динамической ошибки, определяемые из выражения yдмм.в.с.=yд% будут равны:
- Для одноконтурной САР 0.51 мм.в.с
- Для каскадной САР 0.39 мм.в.с
В результате исследования переходных процессов, установлено, что каскадная САР обеспечивает с существенным запасом устойчивость и высокие, по сравнению с допустимыми, значения показателей качества процесса регулирования разряжения в топке водогрейного угольного котла.
Список литературы
- Медведев А.Е. Принципы построения компьютерной системы автоматизации водогрейной котельной установки для работы на угле // Вести. Кузбасского гос. тех. унив., 2008, № 3.
- Медведев А.Е., Волыков К.П. Автоматическое регулирование режима работы водогрейного котла со слоевой угольной топкой // Вести. Кузбасского гос. тех. унив., 2009, № 3.
Источник: Автоматическое управление тягодутьевым трактом водогрейного угольного котла / А.Е. Медведев, К.П. Волыков // Вестник КузГТУ. — 2009. — №6. — C. 49-52
