Назад в библиотеку

---

УДК 62 –533.66

 

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ КОТЛОАГРЕГАТОМ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО КИПЯЩЕГО СЛОЯ

Осмоловский В.В., магистрант; Ткаченко А.Е., доц, к.т.н.

(ГОУВПО ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ, г. Донецк, ДНР)

 

Работа любого промышленного предприятия зависит, не в последнюю очередь, от обеспечения работников надлежащими условиями труда, выполнения санитарно – гигиенических норм. Одним из важнейших климатических факторов производственных помещений является поддержание стабильной температуры, благоприятной для текущих технологических процессов. Поэтому обеспечению безаварийной и эффективной работы систем теплоснабжения промышленных предприятий уделяется много внимания.

Шахта является уникальным потребителем тепловой энергии с той точки зрения, что данный вид производства находится на само обеспечении по энергоносителям. В настоящее время значительные усилия прикладываются для экономии энергетических ресурсов, проводятся поиски альтернативных источников энергии, разрабатываются методы более эффективной эксплуатации уже существующих.

Технология низкотемпературного кипящего слоя (НТКС) с успехом может применяться на горных предприятиях и удовлетворять вышеперечисленным требованиям. С одной стороны она позволяет эксплуатировать отходы углеобогащения и некондиционный уголь самой шахты, что позволяет экономить и на топливе и на его доставке, с другой стороны эффективность котлоагрегатов с НТКС может достигать 80% КПД при номинальных мощностях при наличии эффективных средств автоматизации [1].

Топливо в топках НТКС сжигается в псевдоожиженом слое, что способствует существенному улучшению доступа кислорода к топливу в процессе горения, и как следствие интенсификации горения и теплоотдачи к поверхностям нагрева, а также более полному сгоранию топлива. Данные факторы позволяют уменьшить объём топочного пространства, а следовательно и металлоёмкость котлов, способствуют экономии 1 –5% топлива.

Псевдоожиженый (кипящий) слой представляет собой совокупность полидисперсных частиц, через которые продувается ожижающий воздух с определённой скоростью, достаточной для ожижения и не превышающей скорость уноса частиц топлива из топки. При этом частицы топлива находятся во взвешенном состоянии и интенсивно перемешиваются  по объёму топки, благодаря чему улучшается поступление воздуха ко всем частицам топлива и интенсифицируется процесс горения [2].

Схема, поясняющая работу топки низкотемпературного кипящего слоя, представлена на рисунке 1. Дутьевой воздух для ожижения слоя подаётся в топку через воздухораспределительную решётку при помощи высоконапорного дутьевого вентилятора ВМЦ –6 со скоростью достаточной для кипения слоя (2,5 –4 м/с). Коэффициент избытка воздуха, подаваемого в топку на 1кг угля составляет 1,2 –1,6 теоретически необходимого для сгорания топлива.

Топливо в топку подаётся из топливного бункера при помощи забрасывателя барабанного типа ЗП –600. Причём фракционный состав топлива не должен превышать 13  мм, что следует из условий псевдоожижения слоя. Требуемый фракционный состав топлива обеспечивается посредством применения дробилки или узла отсева на стадии топливоподготовки и в угольный бункер поступает топливо с фракцией до 13 мм.

Для бесперебойной и безаварийной работы топок низкотемпературного кипящего слоя (НТКС) большое значение имеет поддержание температуры и высоты слоя, что в процессе сжигания угля обеспечивается своевременностью удаления накапливающейся золы.

Практическая реализация низкотемпературного способа сжигания связана с преодолением ряда технических трудностей, наиболее значительными из которых являются необходимость предотвращения шлакования слоя и повышенные требования к топливоподготовке (диаметр частиц топлива должен быть 6 – 13 мм).

Для нормального существования НТКС необходимо обеспечить температуру слоя, равной 875 –950 °С в зависимости от состава топлива. Удаление шлака из топок с НТКС не вызывает затруднений, так как кусочки шлака, вследствие их большой плотности, тонут в кипящем слое и собираются в нижней части топки.

Сжигание топлива в низкотемпературном кипящем слое обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционным слоевым сжиганием топлива. Наиболее существенные преимущества:

1. в низкотемпературном кипящем слое сжигать низкореакционные и высокозольные угли с зольностью до 75 –80%, что недостижимо при других способахсжигания.Это обусловлено стабилизацией процессагорениятопливаиз –за наличия слое большого количества нагретых до 800 –9500С твёрдых частиц с высокой удельной теплоёмкостью;

2. упрощается конструкция топочных устройств и возможность их механизации и автоматизации;
3. повышается КПД котлов при сжигании низкосортных и высокозольных углей;
4. улучшается условия труда обслуживающего персонала за счет возможности автоматизации процесса сжигания, поддержание температуры горения топлива ниже начала размягчения золы, обеспечивающей бесконгроментарное его сжигание;
5. достигается высвобождение обслуживающего персонала на жаротрубных котлах устаревшей конструкции.

Однако, при работе котлоагрегата, оборудованного топкой НТКС возможно спекание твердых частиц в слое вследствие повышения температуры выше критической или  погасание слоя из –за снижения температуры ниже допустимой границы [2]. Эти ситуации являются аварийными и влекут за собой значительные простои оборудования, дополнительные затраты рабочих сил и материалов.

Следовательно, важной функцией, обеспечивающей безаварийность работы, является оперативный контроль и прогнозирование параметров объекта по которым можно судить о возможности наступления аварийной ситуации. Также для обеспечения экономически эффективной работы котлоагрегата необходимо регулировать его производительность в зависимости от фактического теплового спроса, что приводит к снижению затрат топлива [3].

Анализ состояния вопроса показал, что на данный момент не существует эффективной системы комплексного автоматического управления производительностью шахтной котельной установки, что позволило бы повысить ее технико –экономические показатели.

Рассмотрим ниже методы управления производительностью котлоагрегата НТКС [4].

Простейший метод регулирования тепловой нагрузки котла — за счет изменения подачи топлива в слой с последующим изменением температуры слоя НТКС и соответственно измерением теплоотдачи к поверхностям нагрева в котлах. Применение данного метода, однако, ограничено узким диапазоном рабочих температур НТКС.

Еще один способ — регулирование нагрузки изменением скорости дутьевого воздуха. Регулирование скорости дутьевого воздуха приводит к соответствующим изменениям порозности и высоты КС, а при частичном погружении трубных пучков в КС – величины погруженной поверхности нагрева. При этом из–за больших значений коэффициентов теплоотдачи слоя существенно изменяется тепловая нагрузка котла. При снижении теплового напряжения и соответствующем уменьшении подачи топлива возможна работа в диапазоне 50 –100% номинальной теплопроизводительности [4].

Очевидно, что наиболее эффективное, глубокое и оперативное регулирование производительности котлоагрегата НТКС возможно обеспечить путем комбинированного использования обоих методов – по расходу твердого топлива и по скорости дутьевого воздуха. Таким образом, разрабатываемая система автоматизированного управления производительностью котлоагрегата должна выполнять следующие функции:

1. контролировать нахождение вышеперечисленных технологических параметров в нормальных пределах;
2. регулировать производительность каждой топки НТКС согласно полученного задания по скорости дутьевого воздуха и расходу твердого топлива;
3. стабилизировать на заданном уровне высоту НТКС и разрежение над топкой;
4. реализовывать удобный интерфейс оператора, визуализировать технологическую информацию о ходе процесса.

Согласно данным требованиям к автоматической системе разработан алгоритм функционирования управления, который приведен на рис.2.

Как видим, на первом этапе происходит ввод уставок нормальной работы котельной установки (блок 2) – температуры НТКС, расхода твердого топлива, скорости дутьевого воздуха, высоты слоя и разрежения над топкой. В блоке 3 происходит опрос информации от технологических датчиков. При нормальных значениях технологических параметров, при работоспособности датчиков и целостности линий управления реализуется подпрограмма пуска котлоагрегата НТКС (блок 4). По успешному запуску топки осуществляется проверка на нормальность контролируемых технологических параметров топки (блок 5). И при положительном результате выдается разрешение на внешний ввод уставки требуемой производительности топки с учетом текущего теплового спроса абонентов шахты. При этом уставка может вводиться как в ручную оператором, так и через линию удаленного доступа от головного ПК диспетчера. В случае выхода значений какого –либо технологического параметра за нормальные значения осуществляется вывод информации об этом и происходит завершение работы системы (блоки 6 и 7).

После ввода уставки осуществляется подпрограмма  регулирования производительности котла НТКС по расходу твердого топлива (ТТ), поскольку этому способу регулирования отдается приоритет как более экономичному. При этом осуществляется оперативная проверка достижения фактической производительности заданной (блок 10) и при выполнении данного условия осуществляется вывод соответствующей информации оператору котельной (блок 11).

При исчерпании возможности регулирования по расходу твердого топлива (блок 13 – предполагаемый расход топлива уходит за диапазон своего технически реализуемого существования) осуществляется переход на блок 14 – подпрограмму регулирования производительности котла по расходу дутьевого воздуха. Блоки 15 –18 реализуют аналогичные ступени управления производительностью КА как и при управлении по твердому топливу. В случае если окажется, что достижение заданной уставки невозможно при обоих способах регулирования, об этом выводится соответствующая информации оператору и рекомендуется пересмотреть заданную уставку или проверить работоспособность котла.

На основании разработанного алгоритма была разработана его структурная схема устройства автоматизации, представленная на рис. 3.

На приведенной схеме приняты следующие обозначения: ДТ НТКС – датчик температуры НТКС; ДРТТ – датчик расхода твердого топлива; ДСДВ – датчик скорости дутьевого воздуха; ДКП – датчики концевых положений ИМ для контроля их крайних положений; МПБ – микропроцессорный блок, который регулирует производительность НТКС согласно полученного задания согласно текущей технологической информации значение температуры НТКС на заданном уровне, регулируя другие технологические параметры. В его состав входят; БГР – блок гальванических развязок. преобразует сигналы управления на исполнительные механизмы ИМ дозатора твердого топлива и дутьевого вентилятора согласно командам управления от МК. БП – блок питания.

Таким образом, в данной статье был рассмотрена котлоагрегат НТКС как объект автоматизации. Были рассмотрены методы регулирования производительности котла, и предложен наиболее эффективный – комбинированный, который может в оперативном режиме обеспечить наибольшую глубину регулирования. На основании данного метода была разработан алгоритм работы автоматической системы регулирования производительности котлоагрегата НТКС, а также структурная схема устройства автоматизации.

 

Перечень ссылок

4. Бородуля В. А., Сжигание твердого топлива в псевдоожиженном слое [Текст] / В. А. Бородуля, Л. М. Виноградов Мн.: Наука и техника, 1980. –192 с.
5. Вискин Ж.В. Сжигание угля в кипящем слое и утилизация его отходов / Ж.В. Вискин и др. – Донецк: Новый мир, 1997. – 284 c.
6. Ткаченко А.Е. Обоснование критерия управления рациональным режимом работы группы котлоагрегатов низкотемпературного кипящего слоя. Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. Сборник научных трудов по материалам международной заочной научно –практической конференции 2015 г., № 7, часть 3 (18 –3). – Воронеж, ФГБОУ ВО ВГЛТУ, С.58 –61/
7. Ткаченко, А.Е. Методика повышения эффективности работы группы котлоагрегатов низкотемпературного кипящего слоя [Текст] / А.Е. Ткаченко, Б.В. Гавриленко, С.В. Неежмаков // Энергетические системы: сборник трудов II Международной научно – технической конференции, 23 –24 ноября 2017. – Белгород: Изд –во БГТУ, 2017. – С. 100–106. (Синтезирован алгоритм расчета рационального состава и производительности котлоагрегатов НТКС).