|
ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РОЗЖИГА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО КИПЯЩЕГО СЛОЯ
Гавриленко Д. А., студент, Гавриленко Б.В., доцент, к.т.н. (Ph.D.)
Источник: СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ–2010. Сборник научных работ XI Международной молодежной научной конференциии — Ухта, УГТУ, 2010. — 440 с.
Аннотация: получены передаточные функции кипящего слоя по контурам управления и произведено моделирование процесса розжига с реализацией плавного отключения плазменно-топливных систем. Получены графические зависимости роста температуры, расхода пылеугольного и твердого топлива при розжиге.
Общая схема, принятая для большинства моделей, включает уравнения теплового и материального балансов для единичных топливных частиц, фаз кипящего слоя, и для топки в целом. В упрощенной формулировке Дэвидсона и Харисона двухфазная модель предполагает наличие у пузырей замкнутых линий тока газа. В качестве основного параметра модели используется средний диаметр пузырей [1]. Динамические характеристики камеры сгорания представляют собой очень важный элемент для разработки автоматизированных систем контроля и регулирования. Скорость отклика системы на динамические возмущения можно оценить с помощью уравнения теплового баланса слоя [1]:
где: Sсл, Sw — поверхность слоя и наружного теплообменника; Сs, Сg — теплоемкость материала слоя и газа; ρр, ρg — плотность частиц и газа; Нсл, Тсл — высота и температура слоя; jт — расход топлива на 1м2 кипящего слоя; QT — изшая теплота сгорания топлива; q4, q3 — тепловые потери за счет химической и механической неполноты сгорания; U0 — скорость восходящего потока газа на полное сечение; Т0, Тf — температуры дутьевого воздуха и теплоносителя; hw — коэффициент теплопередачи поверхности нагрева; Iз и Iл — потери теплоты с отводимой золой и излучение через поверхность кипящего слоя. Расход твердого топлива для топки определяется из выражения:
При розжиге погрешностью вычислений потерь теплоты с отводимой золой можно пренебречь, с учетом этого уравнение материального баланса (1) примет вид:
При отсутствии возмущений в стационарном состоянии наблюдается равенство тепловыделений и теплоотвода, следовательно:
При отсутствии возмущений в стационарном состоянии наблюдается равенство тепловыделений и теплоотвода, следовательно:
Вычитая (4) из (3) и обозначив Х=ВТ — ВТ0, и y =Тсл — Тсл0, считая, что температура дутьевого воздуха и теплоносителя постоянна в некотором интервале времени, после преобразования получаем:
Допустим, что до приложения внешнего воздействия система находилась в покое и все начальные условия равны нулю, тогда используя правило линейности и дифференцирования, получаем алгебраическое уравнение в изображении Лапласа:
Используя уравнение (7) получим передаточную функцию кипящего слоя по контуру твердого топливо:
где: — коэффициент передачи кипящего слоя по контуру твердого топлива
— постоянная времени кипящего слоя по контуру твердого топлива
Розжиг и подогрев кипящего слоя осуществляется плазменно-топливной системой (ПТС). На выходе из муфеля, имеет место поток горячей аэросмеси, содержащий большое количество активных частиц [2]. Используя выражение (3) составим уравнение теплового баланса для данного случая c допущением, что угольная пыль в процессе розжига сгорает полностью:
При отсутствии возмущений в стационарном состоянии наблюдается следующее:
Действуя по аналогии получения выражения (6) имеем:
В изображении Лапласа уравнение (13) примет вид:
Используя (14) находим передаточную функцию кипящего слоя по контуру ПТС:
где: — коэффициент передачи кипящего слоя по контуру ПТС:
— постоянная времени кипящего слоя по контуру ПТС:
Находим передаточные функции кипящего слоя по контуру твердое топливо и ПТС для котла ДКВР-10-13 ( параметры: H=1,2 м; Sсл=13,5м2; ρр=1,293 кг/м3, ρg=1400 кг/м3, Sw=277м2, hw=275Дж/м2сК; СS=800Дж/кгК; Сg=1000Дж/кгК; QT=20MДж/кг; q3=0,02; q4=0,1;U0=0,37м/с).
Исследование характеристик работы котлоагрегата НТКС с использованием (18) произведено в среде Matlab пакете Simulink (рис.1).
Рисунок 1 — Структурная схема моделирования процесса розжига низкотемпературного кипящего слоя в среде Matlab пакете Simulink
Расход угольной пыли в ПТС устанавливается в блоке Step (В=2кг/c). В блоке задания температуры zadtemper устанавливается текущее значение температуры в низкотемпературном кипящем слое. Блок Р1 реализует отключение ПТС при достижении температуры слоя 7000С, а блок Р2 реализует включение подачи твердого топлива в топку при достижении температуры слоя Блок razogrev осуществляет видержку времени на разогрев крупных частиц топлива до температуры воспламенения, tраз=15с [1]. Данная величина для топливных частиц с высоким содержанием летучих веществ изменяется в зависимости от скорости реакции пиролиза, структуры угля и интенсивности процессов тепло- и массообмена. Согласно [3] термометр и защитный чехол в системе автоматического управления описываются инерционными звеньями первого порядка. Время тепловой инерции термопары принимается из паспортных характеристик [4], инерционность чехла рассчитана аналитически с учетом его материала и конструкции. С целью компенсации значительной инерционности измерения температуры в цепь введена электрическая коррекция сигнала на основе пропорционально-дифференцирующего (ПД) регулятора, а также защита от высокочастотных помех. Изменение действительной и измеренной скорректированной температуры кипящего слоя в процессе розжига котла приведено на рис. 2.
Рисунок 2 — Действительная и измеренная температура котла
Отрицательный градиент температуры (рис.2) вызван мгновенным отключением ПТС при достижении 700 0С вследствие уменьшения количества тепла вносимого в кипящий слой. Регулятор подачи топлива, в соответствии с величиной температуры и характером ее изменения выполняет оптимальное регулирование расхода твердого топлива в топку по Структурная схема моделирования процесса розжига котлоагрегата НТКС с применением плавного отключения ПТС приведена на рис. 3.
Рисунок 3 — Структурная схема моделирования процесса розжига низкотемпературного кипящего слоя в среде Matlab пакете Simulink
Плавное отключение ПТС реализовано уменьшением расхода угольной пыли по линейному закону. Соответствующая настройка параметра изменения подачи топлива для ПТС от номинального до нуля исключает появление отрицательного градиента температуры, то есть обеспечивается плавный рост температуры до заданного значения. Результаты моделирования приведены на рис. 4.
Рисунок 4 – Температура кипящего слоя при плавном отключении ПТС
Блок Р3 выполняет плавное уменьшение расхода пылеугольного топлива при достижении температуры слоя 700 0С, параметры работы блока устанавливаются в блоке Ramp (Slope=0,0005; Start time = 760c: время за которое кипящий слой разогревается до температуры 700 0С). Характер изменения расхода твердого топлива и угольной пыли изображен на рис. 5а и 5б.
a)
б) Рисунок 5 — Расход угольной пыли (а) и твердого топлива (б) при розжиге
Таким образом, для обеспечения автоматического розжига НТКС необходимо производить отключение ПТС путем плавного изменения расхода угольной пыли. При выполнении этого условия розжиг котла осуществляется в безопасном режиме, исключается зашлаковка слоя и чрезмерный износ оборудования. Для повышения быстродействия измерительного канала температуры кипящего слоя необходимо вводить коррекцию сигнала с использованием ПД регулятора. Библиографические ссылки
|
