Вы сейчас просматриваете Автоматическое управление тягодутьевым трактом водогрейного угольного котла

Автоматическое управление тягодутьевым трактом водогрейного угольного котла

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.

Автоматическое управление тягодутьевым трактом водогрейного угольного котла
Рис. 1 – Функциональная схема САУ тягодутьевым трактом котла

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.

Автоматическое управление тягодутьевым трактом водогрейного угольного котла
Рис. 2 – Схема каскадной САР с односторонней автономностью

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):

Автоматическое управление тягодутьевым трактом водогрейного угольного котла
(1)

Инерционный участок (топка котла с газоходом):

Автоматическое управление тягодутьевым трактом водогрейного угольного котла
(2)

При моделировании переходных процессов в САР разряжения приняты следующие значения параметров объекта:

Автоматическое управление тягодутьевым трактом водогрейного угольного котла
Автоматическое управление тягодутьевым трактом водогрейного угольного котла

Для определения параметров настройки регулятора разряжения в топке R1 принимаем ПИД-регулятор с передаточной функцией:

Автоматическое управление тягодутьевым трактом водогрейного угольного котла
(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.

Автоматическое управление тягодутьевым трактом водогрейного угольного котла
Таблица 1 – Показатели качества процессов регулирования для одноконтурной САР

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:

Автоматическое управление тягодутьевым трактом водогрейного угольного котла
(4)

Одинаковой с передаточной функцией Won(P) опережающего участка объекта регулирования.

ПИ-регулятор производительности дымососа с передаточной функцией:

Автоматическое управление тягодутьевым трактом водогрейного угольного котла
(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.

Автоматическое управление тягодутьевым трактом водогрейного угольного котла
Таблица 2 – Показатели качества процессов регулирования для каскадной САР

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:

Автоматическое управление тягодутьевым трактом водогрейного угольного котла
Автоматическое управление тягодутьевым трактом водогрейного угольного котла

Для оценки динамической ошибки в мм.в.с воспользуемся коэффициентом пересчета:

Автоматическое управление тягодутьевым трактом водогрейного угольного котла

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

  1. Медведев А.Е. Принципы построения компьютерной системы автоматизации водогрейной котельной установки для работы на угле // Вести. Кузбасского гос. тех. унив., 2008, № 3.
  2. 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

Добавить комментарий

Gekoms LLC

Коллектив экспертов, большая часть опыта и знаний которых востребованы в области промышленной автоматизации, разработке технически сложного оборудования, программировании АСУТП, управлении электроприводом. Телефон: +7(812) 317-00-87 Email: info@gekoms.ru Сайт: https://gekoms.org