Проект парового котла взамен котлов ТП-230 Томской ГРЭС-2 для работы на природном газе и мазуте

8.АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ

 

8.1 Введение  

Научно-технический прогресс в современном промышленном производстве в значительной мере связан с автоматизацией.

В автономном производстве человек призван лишь периодически, воздействовать на главные машины, механизмы и установки, определяющие нормальный ход технологического процесса, и наблюдать за наиболее важными его параметрами по показаниям приборов.

Человек-оператор и подчиненные ему подсистемы должны управлять процессами выработки заданного количества теплоты и электрической энергии, поддерживать значения основных технологических параметров, чтобы обеспечить минимум расхода топлива. Учитывая, что на экономичность установок оказывает влияние большое количество взаимодействующих факторов, для ее оценки можно использовать электронную цифровую вычислительную машину (ЭЦВМ), обеспечивающую автоматический сбор необходимой информации и расчет ТЭП.

Применение автоматизированных систем управления позволяет повысить надежность и экономичность энергетических установок при малом числе обслуживающего персонала, способствует повышению его квалификации. При этом ЭЦВМ может быть передана значительная часть функций по контролю и управлению.     

 

8.2 Идентификация ТОУ

Объектом регулирования в АСР расхода воздуха является топка котла. В ней одновременно протекают аэродинамические и физико-химические процессы передачи теплоты излучением, конвекцией и теплопроводностью. Причем, параметры протекающих в топке процессов зависят от всех трех пространственных координат. Таким образом, топка является объектом с распределенными параметрами.

При изменении расхода воздуха поступающего в топку, изменяются: воспринимаемый радиационными поверхностями тепловой поток, температура пара , и расход дымовых газов, что ведет к изменению давления в барабане котла и в главной магистрали, к изменению расхода пара из котла и содержанию кислорода в дымовых газах.

При расчете динамических характеристик объекта регулирования предполагается, что АСР расхода воздуха работает совместно с АСР расхода топлива. При отключении последнего, как указывалось выше, следует отключать и АСР расхода воздуха. В этом случае расход воздуха и топлива связаны соотношением:

VГ= Вр Vов αт (1-q4 )

где Вр - расчетный расход топлива, кг/с;

        q4  - потери с механическим недожогом;

        Vов - теоретически необходимый объем воздуха для полного сжигания топлива;

αт - коэффициент избытка воздуха в топке.

8.3 Выбор структурной схемы АСР

   АСР расхода общего воздуха  является составной частью автоматической  системы регулирования процесса  горения в котле.

Назначение АСР заключается в поддержании расхода воздуха, обеспечивающего наиболее экономичное сжигание топлива.

Для полного сжигания единицы расхода топлива необходим определенный объем воздуха, количество которого зависит от вида и сорта топлива и его характеристик. В топку парогенератора подается воздух с некоторым избытком воздуха. Оптимальное значение  определяется заводом изготовителем или наладочной организацией в процессе режимных испытаний парогенератора.

От ан зависят потери теплоты в котле с уходящими газами, механическим недожогом как следствие - КПД парогенератора. Контроль коэффициента избытка воздуха осуществится по косвенным показателям. Наиболее просто ан оценивают по содержанию кислорода в дымовых газах.

Приведём требования, предъявляемые к АСР расхода общего воздуха.  АСР воздуха должна обеспечить:

• устойчивую работу автоматических регуляторов (отсутствие автоколебаний) и ограниченную частоту их включения, которая при постоянной нагрузке не должна превышать шести включений в минуту;

• поддержание при постоянной заданной нагрузке котла содержании избыточного кислорода О2 в дымовых газах с максимально допустимыми отклонениями: ±0,2% для газомазутных котлов с малыми избытками воздуха и ±0,5% для остальных котлов (при постоянной времени кислородомера не более 1,5 мин);

• протекание переходных процессов вызываемых скачкообразным изменением нагрузки на 10% номинальной, с максимальным отклонением О2 в дымовых газах (постоянная времени кислородомера - не более 1,5 мин): для газомазутных котлов с малыми избытками воздуха - 0,3%, для остальных котлов - 1% О2 , при этом интегральные квадратичные оценки качества регулирования соответственно не должны превышать 10 (%О2) и 200(%О2) с.

          САР расхода воздуха является  составной частью подсистемы  процесса горения в парогенераторе. Ее структура зависит от вида  и сорта топлива, характера работы  ТЭС в графике нагрузки энергосистемы. Исходя из назначения подсистемы, самым простым и правильным было бы строить ее на измерении расходов топлива и воздуха с последующим их поддержанием на заданном соотношении.

          Однако такое решение не всегда  приемлемо. Дело в том, что характеристики топлива не постоянны, а расход топлива не всегда можно измерить достаточно точно, особенно твердого топлива. Эти причины привели к созданию нескольких вариантов АСР расхода воздуха. В этих схемах используют различные косвенные показатели экономичности процесса горения. Рассмотрим основные из этих схем.

          8.3.1 Схема АСР расхода общего воздуха «Пар - воздух»

          Системы регулирования, в которых тепловыделение в топке оценивают по расходу пара, получили название «Пар—воздух» (рисунок 8.1). Им присущ тот недостаток, что расход пара из котла характеризует достаточно точно тепловыделение в топке лишь при постоянных нагрузках (зависит от нагрузки, температуры и давления пара и воды, значения продувки). Кроме того, в переходных процессах часть теплоты аккумулируется в металле и рабочей среде котла. Эта схема нашла применение для котлов, работающих с редко и плавно изменяющейся нагрузкой, благодаря своей простоте, высокой надежности и более высоким качествам регулирования расхода воздуха, чем схема «Топливо — воздух».

Рисунок 8.1 Регулирование расхода воздуха по схеме «Пар-воздух»

 

         8.3.2 Схема АСР расхода общего воздуха «Теплота - воздух»

 

Добавление к схеме «пар-воздух» сигнала, характеризующего количество теплоты, аккумулированной в элементах котла, позволяет улучшить динамические свойства АСР. Таким сигналом является скорость изменения давления в барабане котла. Сумма сигналов «расход пара плюс скорость изменения давления в барабане» получила название «теплота», в АСР «Теплота - воздух» (рисунок 8.2).

где - постоянный коэффициент.

Рисунок 8.2 Регулирование расхода воздуха по схеме «Теплота - воздух»       

         8.3.3 Схема АСР расхода общего воздуха «Нагрузка - воздух»

Преимущество этой схемы по сравнению со схемой «Пар-воздух»  состоит в учете теплоты, аккумулированной в металле и рабочей среде котла. К другим достоинствам этой схемы относится достаточно высокая скорость реакции на внешние и внутренние возмущения.

Под внешними, понимаются возмущения, связанные с изменением нагрузки котла, под внутренними изменения работы оборудования котла, например топливоподающих устройств. Динамика сигнала по «теплоте» характеризуется малыми значениями запаздывания и постоянной времени.             

К недостаткам схемы «теплота-воздух» следует отнести то, что при частых и глубоких внутренних возмущениях она начинает изменять расход воздуха лишь после изменения тепловосприятия в котле, не обеспечивая правильного соотношения «Топливо-воздух» в динамическом режиме (последовательное действие АСР расхода топлива и АСР расхода общего воздуха).

          Для устранения этого недостатка  применяют схему регулирования «Нагрузка-воздух» (рисунок 8.3), в которой регулятор воздуха получает сигнал по давлению пара в общей паровой магистрали одновременно с регулятором расхода, топлива РТ (параллельная работа АСР расхода топлива и АСР расхода общего воздуха). Этим достигается более высокое быстродействие АСР расхода общего воздуха при отработке внешних возмущений. К недостаткам схемы «Нагрузка-воздух» следует отнести зависимость ее работы от работоспособности АСР расхода топлива, поскольку при отключении последней должна быть отключена и АСР общего воздуха, так как давление в магистрали может не соответствовать тепловой нагрузке котла. Эта схема чаще всего применяется на котлах, участвующих в регулировании нагрузки, когда преобладают внешние возмущения.

Рисунок 9.3 Регулирование расхода воздуха по схеме «Нагрузка-воздух»

          В приведённых функциональных  схемах приняты следующие обозначения:

V- расход воздуха;

В - расход топлива;

В - расход пара;

ВЗП- воздухоподогреватель;

КПП- конвективный пароперегреватель;

ГПМ— главная паровая магистраль;

ИМ- исполнительный механизм

 ДВ - дутьевой вентилятор;

НАВ - направляющий аппарат вентилятора;

FС- регулятор расхода общего воздуха;

QС- корректирующий регулятор по О2;

FЕ - сужающее устройство;

FТ- измерительный преобразователь (расходомер).

 

          Поддержание избытка воздуха  по соотношению теплота-воздух  отличается простотой и надежностью, поэтому в дипломном проекте  произведем разработку функциональной  схемы, выберем технические средства  автоматизации и разработаем заказную спецификацию приборов и средств автоматизации.

 

          Рисунок 8.4 Регулирование расхода воздуха по схеме «Теплота - воздух»

На рисунке 8.4 приняты следующие обозначения:

РОВ - регулятор общего воздуха;

КР - корректирующий регулятор;

Дф - дифференциатор;

До - датчик расхода пара;

Др - датчик давления в барабане котла;

Ду- датчик перепада давления на воздухоподогревателе;

До2 - датчик содержания кислорода в дымовых газах;

О2 - отборное устройство пробы дымовых газов;

∆Н - отборное устройство перепада давления на воздухоподогревателе;

ВЗП - воздухоподогреватель; ,,

НАВ - направляющий аппарат вентилятора подачи воздуха;

V- расход общего воздуха;

D- расход пара;

В - расход топлива.

 

8.4 Обзор существующей аппаратуры регулирования и выбор аппаратуры

 

Современные электрические средства автоматического регулирования разрабатываются по агрегатно-блочному принципу. Блоки образуют агрегированный комплекс (систему) технических средств (КТС), с помощью которых для технологического объекта путем набора отдельных блоков проектируют систему автоматического регулирования, с требуемыми статическими и динамическими свойствами.

 При автоматизации  технологических процессов  в  настоящее время наиболее широкое  применение находят агрегатные комплексы электрических средств регулирования АКЭСР, АКЭСР 2, “Каскад 2”,“Контур”, КМ2201.

Рассмотрим некоторые из них

Система “Каскад” позволяет осуществлять регулирование, вычислительные операции, динамические и логические преобразования сигналов, ручное управление, индикации сигналов, усиление сигналов по мощности. Система “Каскад” позволяет осуществлять регулирование расхода, давления, разряжения, уровня, температуры и других параметров, которые могут быть преобразованы в токовые унифицированные сигналы 0-5 a,[16]. 

Прибор «Протар» предназначен для применения в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУ ТП) в различных отраслях промышленности. Прибор используется в схемах стабилизации технологических параметров, программного, каскадного, многосвязного регулирования с реализацией сложных алгоритмов обработки информации как стандартных, не требующих программирования, так и программируемых потребителем.

Многофункциональность и свободная программируемость приборов «Протар» позволяет не только заменить несколько приборов комплекса “Каскад 2” на один прибор «Протар», но во многих случаях существенно усовершенствовать алгоритмы управления по сравнению с используемыми сегодня.

«Протар» ориентирован на работу в комплекте с серийно выпускаемыми датчиками технологических параметров с выходными сигналами постоянного тока или напряжения. Прибор, как правило управляет исполнительным устройством, рассчитанным на управление импульсным или аналоговым сигналом.    

Автоматическая система регулирования процесса горения осуществлена на приборах системы «Протар».

В качестве блока ручного управления выбираем “БРУ-22”, в которых позволяет ручное переключение с автоматического режима управления на ручное и обратно, а также управление исполнительными механизмами.

В качестве ручного задатчика выбираем “РЗД – 22”, который обеспечивает установку задания  в диапазоне от 0 до 100%.

В качестве пускателя - выбираем пускатель бесконтактный реверсивный “ПБР – 3А”, который позволяет управление механизмами МЭО.

Для привидения в действие и перемещение различных регулирующих органов выбираем механизм исполнительный электрический однооборотный постоянной скорости типа МЭО-250/25-0,25-У-99К. Управление которого осуществляется в автоматическом режиме по командному сигналу регулирующего устройства в автоматической системе регулирования или по команде оператора в ручном режиме.

 

8.5 Разработка  функциональной схемы контроля  и регулирования объекта

 

Рассмотрим функциональную схему автоматической системы регулирования процесса горения (ФЮРА 621000. 010 С2).