Основное содержание работы

    Тема магистерской работы: "Разработка системы автоматизированного управления шахтной котельной с низкотемпературным кипящим слоем".

Шпантак Иван Александрович

Введение

         Котельные установки с кипящим слоем служат для обеспечения потребностей населения и предприятий, особенно шахтных, в горячей и холодной воде. Они используют уголь зольностью до 30% и инертным наполнителем в пределах 60% т.е. топливо можно брать с породного отвала. Использование топок (НТКС), сжигающих такой состав стало важным вопросом вследствие перехода Украины к рыночным отношениям и дороговизны энергоносителей, поэтому, постоянно нужно совершенствовать уже существующую аппаратуру автоматизации котельных установок и разрабатывать принципиально новые, повышая тем самым сжигание топлива наиболее эффективным образом, а так же улучшая показатели надежности работы аппаратуры.

Технология сжигания топлива в топках низкотемпературного кипящего слоя

         Изменением подачи твердого топлива в топочное устройство кипящего слоя осуществляется регулирование его температуры и производительности котельной установки. Известно, что в котлах, работающих на твердом топливе, значения минимальной и максимальной температуры кипящего слоя технологически ограничены. Так, при температуре менее 7500С оксид углерода не догорает и его выбросы существенно превышают допустимые значения, а незначительные отклонения параметров могут привести к прекращению горения. При температуре более 9500С существенно возрастает опасность шлакования слоя из-за возможности его локальных перегревов. Таким образом, при максимально допустимой температуре кипящего слоя и номинальном режиме работы котлоагрегата, диапазон регулирования его производительности при изменении подачи твердого топлива в топку составляет:

         С учетом необходимого регулируемого диапазона от 40-50% до 100% номинальной нагрузки, регулирование производительности котлоагрегатов с кипящим слоем не может быть осуществлено в полной мере только изменением расхода топлива. В этом случае предпочтительным является взаимосвязанное изменение коэффициента избытка воздуха, подаваемого в топку дутьевым вентилятором и расхода твердого топлива. Одним из преимуществ топок с кипящим слоем является значительное уменьшение вредных выбросов с исходящими газами из-за низкого температурного уровня горения топлива в топке. Температуры близкие к 8000С определяют наиболее оптимальные условия связывания оксидов серы щелочноземельными металлами, а также специальными добавками в виде доломита и известняка. При этих температурах существенно снижаются и выбросы оксида азота. Поддержание температуры кипящего слоя на заданном уровне может осуществляться различными способами. Однако изменение подачи твердого топлива в топку является одним из наиболее экономичных способов, так как не требует вспомогательных устройств и способствует повышению КПД котлоагрегата. Для оценки условий поддержания заданной температуры кипящего слоя рассмотрим динамические процессы, протекающие в нем, используя уравнение теплового баланса:

         где Sсл, Sw - поверхность слоя и наружного теплообменника; Сs, Сg – теплоемкость материала слоя и газа; rр, rg – плотность частиц и газа; Нсл, Тсл – высота и температура слоя; jт – расход топлива на 1м2 кипящего слоя; - низшая теплота сгорания топлива; q3, q4 – 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 в единицу времени определяется из выражения:

         Без учета потерь теплоты с отводимой золой и излучения через поверхность кипящего, а также теплоты, вносимой в топку воздухом и теплоносителем, уравнение примет вид:

         Так как до внесения возмущения в стационарном состоянии наблюдалось равенство тепловыделений и теплоотвода, то:

         Вычитая уравнение (4) из (3) и обозначив В - В0 = х , а Тсл - Тсл0 = у, находим:

         В выражении (5) постоянная времени

         Преобразуя уравнение (5) по Лапласу, получаем передаточную функцию кипящего слоя как объекта системы управления:

         В качестве входной величины используется изменение расхода твердого топлива, а выходной – температура кипящего слоя в топке.

         Таким образом, кипящий слой является статическим объектом и обладает значительной инерционностью, на которую влияют условия выгорания твердого топлива и высота слоя. Регулирование производительности котлоагрегата с кипящим слоем в более широком диапазоне нагрузок должно осуществляться комбинированным способом, предусматривающим взаимосвязанное изменение подачи твердого топлива и дутьевого воздуха в топку.