Содержание
- Введение
- 1. Актуальность темы
- 2. Технологическая характеристика и принцип работы котла - утилизатора
- 3. Котел - утилизатор как объект управления
- 4. Цель, функции и задачи исследования
- 5. Разработка концепции САУ
- Выводы
- Список источников
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:
- Физическая теплота отходящих газов (иногда содержащих и химическую теплоту).
- Теплота технологической продукции.
- Теплота шлаковых отходов.
- 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.
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.
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).
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.
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:
- 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.
- Управляющие функции:
— автоматическое управление температурой пара на выходе из котла-утилизатора;
— аварийное отключение котла-утилизатора.
Для реализации выбранных функций, необходимо решить такие задачи:
- Выполнить анализ процесса тепло- и массо- переноса в котле-утилизаторе отработанных газов на ТЭС.
- Получить математическую модель системы автоматического управления котлом-утилизатором, которая позволит поддерживать требуемую температуру пара.
- Разработать функциональную схему автоматизации и выбрать современные средства автоматизации обеспечивавшие выполнения функций САУ, а также обеспечить непрерывную двустороннюю связь с верхним уровнем АСУТП ТЭС.
- 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).
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).
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.
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.
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
- Гудин Г. К., Гребе С. Ф., Сальгадо М. Э. Проектирование систем управления. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. – 911 с.
- Измерения в промышленности / справ. изд. под ред. П. Профоса. Пер. с нем. – М., Металлургия, 1980. – 648 с.
- Кафаров В. В., Глебов М. Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств: Учеб. пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 1991. – 400 с.
- Котлы утилизаторы [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.energy-gr.com – Дата доступа: 31.03.2018 г.
- Котлы-утилизаторы и энерготехнологические агрегаты / Под ред. Л. Н. Сидельковского / М.: Энергоатомиздат, 1989. - 272 с.
- Клюев А. С., Товарнов А. Г. Наладка систем автоматического регулирования котлоагрегатов. – М.: Энергия, 1970. – 280 с.
- Лазарев Ю. Моделирование процессов и систем в МАТLAB. – СПб.: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2005. – 512 с.
- Ротач В. Я. Теория автоматического управления теплотехническими процессами. –М.: Энергоатомиздат, 1985. – 296 с.