Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Содержание

Введение

Эффективное использование вторичных энергоресурсов и значительная экономия средств на приобретение топлива для котельного оборудования – это самые актуальные факторы, которые рассматриваются крупными производственными предприятиями во всех сегментах хозяйственной деятельности. Отработанные газы промышленных установок в большинстве случаев используются вхолостую посредством очистки и последующего выброса в атмосферу. Котел утилизатор дает возможность сэкономить финансы на покупке и установке котельного оборудования, а также вырабатывать солидные объемы тепла без расходов на покупку энергоносителей.

1. Актуальность темы

Повышение эффективности использования вторичных энергоресурсов может быть достигнуто путем совершенствования эксплуатирующегося основного и вспомогательного оборудования теплоэлектростанции (ТЭС), их тепловых и пусковых схем, автоматизированных систем технологических процессов (АСУ ТП) и технологии эксплуатации, а также внедрением нового замещающего оборудования.

Технико-экономические показатели ТЭС зависят от характеристик основного оборудования и вида сжигаемого топлива, особенно при сжигании различных углей, а также от технологической схемы отпуска тепла. Важнейшее значение при этом имеет эффективность котлов и теплофикационных паротурбинных установок.

Поэтому разработки, направленные на повышение эффективности технологии использования вторичных энергоресурсов, являются актуальными. Особенно это важно для проведения реконструкции и технического перевооружения АСУТП ТЭС, оборудование которых исчерпало ресурс.

2. Технологическая характеристика и принцип работы котла - утилизатора

Котел-утилизатор - это котел, в конструкции которого нет своей топки, принцип его действия основан на использовании тепла, образующегося в каких-либо производственных процессах, например, образование отработавших газов в процессе производства электроэнергии на ТЭС.

Основными тепловыми отходами или вторичными энергоресурсами являются:

  1. Физическая теплота отходящих газов (иногда содержащих и химическую теплоту).
  2. Теплота технологической продукции.
  3. Теплота шлаковых отходов.
  4. Теплота рабочих тел систем принудительного охлаждения технологических камер.

Использование тепловых отходов в котле-утилизаторе обеспечивает получение дополнительной продукции в виде энергетического или технологического пара, горячей воды и т.п., что приводит к экономии топлива на предприятии.

Производительность пара, конструкция котла-утилизатора, напрямую зависит от объема и качества утилизируемого газа.

В условиях Зуевской ТЭС применяются газотрубные горизонтальные котлы-утилизаторы.

Рисунок 1 – Конструкция газотрубного горизонтального котла-утилизатора.

1 - входная камера; 2 – выходная камера; 3 - трубы пароперегревателя; 4 - паросепарационное устройство;

5 - подвод питательной воды; 6 – паровой коллектор, 7 – испарительный барабан

Продукты сгорания (отработавшие технологические газы) проходят внутри труб, размещенных в водяном объеме барабана и через выходную камеру удаляются в атмосферу. Эти котлы характеризуются высокой газоплотностью, простотой обслуживания и пониженными требованиями к питательной воде.

К основным недостаткам котлов-утилизаторов подобного типа относятся низкий коэффициент использования теплоты отходящих от технологических агрегатов газов (50-60%), низкий паросъем с единицы поверхности нагрева.

animation

Рисунок 3 – Котел-утилизатор (общего назначения) для утилизации тепла уходящих газов

(скорость анимации – 45.2 количество кадров – 14)

На Зуевской ТЭС применяется электромеханические средства автоматизации котлов-утилизаторов. Они работают также по принципу «включено – выключено». При минимальной температуре воды (минимальном давлении пара) они устанавливают заслонку в положение, при котором котел сообщается с выпускным коллектором топочных газов, а при максимальной температуре (давлении) отключают котел от выпускного коллектора.

Электродвигатель электромеханических систем управления приводит во вращение через редуктор специальный вал с винтовой нарезкой. При включении электродвигателя она перемещается вдоль винтовой нарезки вала и через рычаг открывает или закрывает газовую заслонку.

Реле минимальной температуры (давления) включает электродвигатель в сторону открытия газовой заслонки, а реле максимальной температуры (давления), наоборот, в сторону закрытия ее.

Поэтому существующая система управления котлом-утилизатором на Зуевской ТЭС является морально и технически устаревшей. Она не позволяет обеспечить поддержание заданной температуры нагреваемого теплоносителя. В реальных условиях температура пара на выходе из котла-утилизатора изменяться вследствие изменения эксплуатационных факторов: температура питательной воды; избыток воздуха в топке; шлакование экранов топки и пароперегревателя и т.п. Это приводит к нестабильности работы оборудования.

3. Котел - утилизатор как объект управления

На эффективность утилизации выходящих газов оказывает влияние тепловая мощность котла-утилизатора, режим подачи в него отработавших технологических газов и их температура. Объем и температура отработавших газов зависит от количества сжигаемого топлива в котлах ТЭС.

В результате протекания процесса теплообмена в котле-утилизаторе температура отработавших газов снижается от t1 до t2. Питательная вода поступает в котел-утилизатор с блока водоподготовки, пройдя необходимую очистку от солей жесткости и деарацию. На выходе из котла-утилизатора образуется водяной пар. Температура воды t3 на входе в печь; пара t4 на выходе из печи (рис. 3).

Рисунок 3 –Схема основных тепловых потоков

Основной задачей управления котлом-утилизатором является Температура пара на выходе из котла-утилизатора зависит от (рис. 4):

— нагрузки котла-утилизатора;

— температуры питательной воды;

— чистоты поверхностей нагрева котла-утилизатора и пароперегревателя;

— от величины отбора пара от котла-утилизатора.

Рисунок 4 –Котел-утилизатор как объект управления

4. Цель, функции и задачи исследования

Цель - повышение эффективности использования вторичных энергоресурсов за счет разработки системы автоматического управления котлом-утилизатором, что позволит улучшить теплопроизводительность котла-утилизатора отработавших газов тепловой электростанции.

Для реализации поставленной цели необходимо, чтобы САУ котлом-утилизатором в условиях Зуевской ТЭС выполняла:

  1. Информационные функции:

    — централизованный контроль и измерение параметров процесса теплообмена в котле-утилизаторе;

    — обмен информацией между вычислительными средствами АСУТП ТЭС;

    — формирование и выдача сигналов сигнализации, а так же визуализация информации в удобном для оперативного персонала виде на АРМ.

  2. Управляющие функции:

    — автоматическое управление температурой пара на выходе из котла-утилизатора;

    — аварийное отключение котла-утилизатора.

Для реализации выбранных функций, необходимо решить такие задачи:

  1. Выполнить анализ процесса тепло- и массо- переноса в котле-утилизаторе отработанных газов на ТЭС.
  2. Получить математическую модель системы автоматического управления котлом-утилизатором, которая позволит поддерживать требуемую температуру пара.
  3. Разработать функциональную схему автоматизации и выбрать современные средства автоматизации обеспечивавшие выполнения функций САУ, а также обеспечить непрерывную двустороннюю связь с верхним уровнем АСУТП ТЭС.
  4. Реализовать алгоритмы управления на базе выбранного технического обеспечения САУ.

5. Разработка концепции САУ

Частные принципы построения систем управления должны учитывать специфику конкретного объекта автоматизации, а также, главные особенности технической реализации, которые отражаются в технических спецификациях на проектируемую систему.

Рассмотрим возможные концепции построения САУ котлом-утилизатором, применяющиеся на практике: каскадно-связанное регулирование; регулирование байпасированием продукта; регулирование изменением расхода конденсата греющего пара; регулирование изменением температуры горячего теплоносителя; регулирование изменением расхода продукта.

Использование двухконтурных САУ значительно улучшает качество регулирования конечной температуры паро-водяной смеси, если вспомогательной регулируемой величиной выбрать параметр, изменение которого будет сильным возмущением для процесса теплообмена. Часто в качестве вспомогательного параметра выбирают расход отработанных газов (рис. 5).

Рисунок 5 –Двухконтурные САУ процесса нагревания с использованием в качестве вспомогательной регулируемой величины:

а) расхода теплоносителя; б) давления; в) давления в межтрубном пространстве

Для регулирования систем, в которых изменение расхода отработанных газов недопустимо, используют метод байпасирования. Регулирующее воздействие в этом случае осуществляется изменением расхода байпасируемого продукта (рис. 6, а). Поскольку перемещение регулирующего органа на байпасной линии все же приводит к некоторому изменению расхода продукта, при высоких требованиях к постоянству этого расхода устанавливают два мембранных исполнительных механизма разного типа.

Аналогичный эффект достигается при установке трехходового смесительного клапана (рис. 6, в).

Рисунок 6 –Схема регулирования температуры изменением расхода продукта в байпасном трубопроводе:

а) с помощью одного клапана; б) с помощью двух клапанов; в) с помощью трехходового клапана

Регулирование методом байпасирования улучшает динамическую характеристику системы, так как при этом из цепи регулирования исключается теплообменник.

В зависимости от возможных возмущающих воздействий, может быть принят один из вариантов схем регулирования, показанных на рис. 7. Стабилизирующие регуляторы расхода отработанных газов и расхода продукта ликвидируют возмущения до поступления их в систему.

Рисунок 7 –Схемы: регулирования процесса нагревания:

а) со стабилизацией расхода продукта; б) с изменением расхода продукта в зависимости от конечной температуры продукта

Анализ котла-утилизатора как объекта управления, показал, что возмущения оказывающее наибольшее влияние на температуру пара на выходе котла возможно измерить – температура отработавших газов на входе в котел и температура питательной воды. Поэтому возможно предложить структурную схему инвариантной САУ котла-утилизатора и в качестве вспомогательной регулируемой величины выбрать расхода отработавших газов.

Рисунок 8 –Комбинированная двухконтурная САУ котла-утилизатора.

При разработке системы автоматического управления котлом-утилизатором применена концепция построения распределенных систем управления на базе современных промышленных протоколов связи с принципом управления по обратной связи.

6. Выводы

Выяснено, что эффективное использование вторичных энергоресурсов – это актуальный фактор, который рассматриваются крупными производственными предприятиями, в том числе электростанциями.

Определено, что эффективность утилизации выходящих газов зависит от тепловой мощности котла-утилизатора, режима подачи в него отработавших технологических газов и их температура. Объем и температура отработавших газов зависит от количества сжигаемого топлива в котлах ТЭС.

Сформулирована цель создания системы автоматического управления котлом-утилизатором в условиях Зуевской ТЭС, описаны функции и задачи разрабатываемой системы автоматизации, а также выдвинуты основные требования для интеграции системы автоматического управления котлом-утилизатором в иерархическую АСУТП ТЭС.

При разработке системы автоматического управления котлом-утилизатором применена концепция построения распределенных систем управления на базе современных промышленных протоколов связи с принципом управления по обратной связи.

Список источников

  1. Гудин Г. К., Гребе С. Ф., Сальгадо М. Э. Проектирование систем управления. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. – 911 с.
  2. Измерения в промышленности / справ. изд. под ред. П. Профоса. Пер. с нем. – М., Металлургия, 1980. – 648 с.
  3. Кафаров В. В., Глебов М. Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств: Учеб. пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 1991. – 400 с.
  4. Котлы утилизаторы [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.energy-gr.com – Дата доступа: 31.03.2018 г.
  5. Котлы-утилизаторы и энерготехнологические агрегаты / Под ред. Л. Н. Сидельковского / М.: Энергоатомиздат, 1989. - 272 с.
  6. Клюев А. С., Товарнов А. Г. Наладка систем автоматического регулирования котлоагрегатов. – М.: Энергия, 1970. – 280 с.
  7. Лазарев Ю. Моделирование процессов и систем в МАТLAB. – СПб.: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2005. – 512 с.
  8. Ротач В. Я. Теория автоматического управления теплотехническими процессами. –М.: Энергоатомиздат, 1985. – 296 с.