Актуальність

Вугілля є найпоширенішим паливом для ТЕС, тому що є єдиним енергоносієм, який Україна має в своєму розпорядженні в достатній кількості.

Оптимальна робота котла досягається при підтримці стехіометричного складу повітря-паливо на всіх пальниках котла. Регулювання рівномірності подачі палива, в даний час, здійснюється фахівцями налагодження за вторинними ознаками та порушується при зміні режиму роботи котла, що веде до економічних втрат через винесення пального, перекосів температурного поля в котлі і т. п. Тому стоїть задача безпосереднього вимірювання витрат вугільного пилу на пальнику в реальному режимі часу.

Для вимірювання витрати вугільного пилу в світі активно застосовуються витратоміри, засновані на методах відбору проб. Існує кілька методів відбору проб, але основні - метод ISO 9931 та метод ASTM / ASME. Ці методи засновані на відборі серії проб із труби, по якій подається вугільний пил. До основних недоліків методів відбору проб слід віднести складність реалізації безперервного режиму вимірювання контрольованого параметра, наявність елементів, що вимагають регулярної заміни, потреба в обслуговуючому персоналі, необхідність придбання дорогого устаткування й зупинки енергоблоку для його монтажу.

В економічних умовах, що склалися в Україні, витратоміри, засновані на методах відбору проб, не знаходять широкого застосування. Тому існує необхідність розробки витратоміра, який би забезпечував безперервне вимірювання витрати вугільного пилу на пальниках парового котла, був би технологічний у встановленні, зручний в експлуатації і, при цьому, мав хороші показники точності та вигідну вартість.

У моїй магістерській роботі проводиться дослідження витратоміра для пилепроводів низької концентрації вугільного пилу, розробленого в СКТБ «Турбулентність» Донецького національного університету.

Головнi особливостi розробленого витратомiра

Розроблений витратомiр задовiльнює наступним вимогам:

1. зручність в установці та експлуатації;
2. висока надійність;
3. хороші показники точності (похибка ~ 3%);
4. порівняно низька вартість.

Розроблений витратомір виконує наступні функції:

• безперервне вимірювання витрат вугільного пилу на пальниках котла;
• відображення інформації в числовому вигляді та у вигляді графіка;
• можливість збереження результатів вимірювань за тривалий період для ведення архіву та подальшої обробки та аналізу;
• можливість використання сигналу для автоматизації управління витратами вугільного пилу на пальниках.

Рис.1. Технологічна схема встановлення витратоміра

1, 6 - відборники стат. тиску, 2 - зонд повного тиску, 3 - термометр, 4 - тічки, 5 – пилопровід, Pst1 - датчик статичного тиску, Pd1 - датчик динамичного тиску, t - термометр, Pst1-Pst2 - датчик різниці стат. тисків, КАС - комутатор аналоговых сигналів.

Вирішення задачі

Схема ділянки пилепроводу, на якому встановлюється витратомір, місця встановлення відбірників тиску та термометра, наведена на рисунку 1. У пилепроводах (5) створюється потік газу (суміш повітря та відходять гази після циклону). Через 2 тічки (4) в пилепроводах в дозованій пилепідживлювачем кількості надходить вугільний пил, осьова швидкість якого близька до 0, змішується з газом, утворюючи аеросуміш, та транспортується до пальника котла. Шлях вирівнювання швидкостей газу й пилу більше п'яти діаметрів пилепроводів.

Запропонований метод вимірювання витрат вугільного пилу заснований на залежності втрат тиску на ділянці розгону пилу від її концентраціі.

Витрати пилу визначаються методом масова швидкість х площа:

.                                                                   (1)

У формулі (1) прийняті наступні позначення:  - витрата пилу;  - концентрація пилу;  - видаткова швидкість аеросуміші;  - площа пилепроводу.

Таким чином, для обчислення витрат пилу необхідно визначити значення величин, що входять в праву частину рівняння (1).

Для розрахунку змінних величин і використовується система рівнянь (2-5), поєднуюча параметри потоку в пилепроводів до (індекс 1) і після (індекс 2) введення пилу:

рівняння Бернуллі                      ;                                                 (2)

рівняння нерозривності                     ;                                                         (3)

рівняння стану                                            ;                                                                     (4)

адитивність щільності                                    .                                                                     (5)

У рівняннях (2-5):  - статичний тиск;  - щільність аеросуміші;  - витрати тиску на ділянці;  - щільність газу;  - температура;  - універсальна газова постійна;  – щільність компонент й концентрація пилу в аеросуміші; i=1,2.

Швидкість  за динамичним тиском зонда :

                                                            ,                                                                 (6)

де  - коефіціент перетворення зонда.

Оскільки об'єм вугілля при концентрації 0,5кг/м3 (паспортна величина) складає  від об'єму аеросуміші, то його можна не враховувати та, при  із рівняння нерозривності

.                                                                    (7)

ТТак як у якості несучого газу використовується суміш повітря й газів, що відходять після циклону, то в ньому є вугільний пил з початковою концентрацією , яка залежить від ефективності роботи циклону. При ефективності 80%, початкова концентрація дорівнює 0,08 кг/м3, є умовно постійною величиною та повинна періодично визначатися.

Щільність аеросуміші  до витічок дорівнює:

.                                                                   (8)

Щільність аеросуміші  після витічок дорівнює:

,                                                              (9)

де  – концентрація пилу, що надійшов із витічок.

Витрати тиску , у (2) складаються із гідродинамічних витрат  та п'єзометричного перепаду :

.                                                               (10)

Оскільки число Re потоку в пилопроводі > 2*105, тому:

,                                                             (11)

де k2 – коефіціент гідродинамічного опору ділянки

П'єзометричний перепад:

,                                                               (12)

де g – прискорення вільного падіння.

Підставляючи до (2) співвідношення (6), (10), (11) и (12), та вирішуючи відносно , отримуємо значення щільності аеросуміші, що йде до пальнику:

.                                                (13)

(9) концентрація пилу до горілки  дорівнює

,                                                               (14)

а концентрація пилу пилепідживлювача:

.                                                              (15)

Витрати вугілля отримуємо у наступному вигляді:

,                                                          (16)

де  - коефіціент переводу витрат до т/год.

Для визначення витрат вугілля за вищенаведеними співвідношеннями необхідно на пилепроводах вимірювати наступні величини:

1. Статичний тиск;
2. Швидкісний тиск ;
3. Різниця стат. тисків ;
4. Температуру аеросуміші – Т1 з-за малого часу розгону (~ 0,1 с) вважаємо постійної на ділянці розгону.

   

Рис.3 Утворення аеросуміші та місця встановлення датчиків (анимація, 15 кадрів, 9,5кб)

Таким чином необхідні 2 датчики диференціального тиску, датчик статичного тиску та датчик температури (див. рис. 1). До трубопроводу перед течки приварюються штуцер відбору стат. тиску (1) і штуцера введення циліндричного зонда повного тиску та термометра (2, 3), та за витічки ще один штуцер відбору стат.тиску, на відстані не менше п'яти діаметрів пилепроводів.

На технологічній схемі дрібним пунктиром позначені повітряні трубки, а великим пунктиром - електричні кабелі для передачі інформаційного аналогового сигналу на комутатор аналогових сигналів.

Структурна схема витратоміра представлена на малюнку 2. Вона включає в себе 4 вимірювальних каналу: два канали вимірювання динамічного тиску, канал вимірювання температури та канал вимірювання статичного тиску. Динамічні тиски , за допомогою дифманометра перетворюються в електричний сигнал струмовий та далі за допомогою перетворювачів струм-напруга перетворюються в електричний сигнал у вольтах. У каналі виміру температури використовується термометр опору. За допомогою перетворювача опір-напруга отримуємо електричний сигнал у вольтах, який за допомогою нормуючого підсилювача НП приводиться до стандартного рівня. Датчик статичного тиску відразу дає сигнал напруги. Далі електричні сигнали вимірювальної інформації через комутатор аналогових сигналів КАС подаються на АЦП, перетворюються в цифровий формат та виводяться в мікроконтролер МК. Мікроконтролер здійснює подальшу обробку вимірювальних сигналів, обчислює витрати вугільного пилу та видає результати на індикацію. Також до мікроконтролеру через інтерфейс RS485 можна підключати комп'ютер. Це необхідно для отримання детальних значень всіх вимірюваних параметрів для побудови залежностей, графіків, а також для збереження та друку результатів вимірювань.

Рис 2. Блок-схема витратоміра з датчиками одного вимірювального каналу

Результати іспитів

В жовтні 2009 року був проведений монтаж одного витратоміра на котел Курахівської ТЕС. До теперішнього моменту канал працює без збоїв, незважаючи на відсутність продуву. Типовий графік архівних даних витрат пилу у пилепроводах наведено на рисунку 5. Блок перебував у резерві, а потім вводився в роботу.

Рис. 3. Графік витрати пилу через пальник № 15 енергоблоку № 4 при запуску блока.

У листопаді 2009 пилепідживлювач № 15 був виведений з групи на 4 години та була знята характеристика продуктивності пилепідживлювача від оборотів. На рисунку 7 наведено результати вимірів за допомогою розробленого витратоміра та результати вимірювань ваговим способом, , проведені на пилепроводах у 1999 р. цехом налагодження Курахівської ТЕС.

Рис. 4. Залежність витрат пилу від оборотів пилепідживлювачів

 на пилопроводі № 15 енергоблоку № 4  на пилопроводі №8 енергоблоку №8 в1999 г.

Результати дають задовільний збіг та узгоджуються з паспортними даними пилепідживлювачів. Таким чином витратомір показав працездатність в робочих умовах при досить простому апаратному забезпеченні. Експлуатація каналу показала також можливість проводити вимірювання без зонда, використовуючи падіння тиску на ділянці між шибером й витічки, визначаючи коефіцієнт опору цієї ділянки при налагодженні. Таким чином, на пилепроводах залишаються тільки вирізки стат.тиску та у витратомірі практично відсутні зношувані деталі (крім самого пилепроводу).

Рис.5. Блок датчиків вимірювального каналу

Реферат зроблен на основі статті, яка на цей момент знаходиться у процессі публикації. Ця магистерська робота є прямим продовженням моеї бакалаврської роботы. На цей момент зроблено ще дуже мало, але закінчити роботу я планую не позніше грудня 2010 року, тому з питаннями можна звертатися не раніше січня 2011 року.

Література

1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. 4-е изд., перераб. и доп. // Л.: Машиностроение, 1989., 701 с.
2. ГОСТ 15528–86. Разновидности расходомеров и их преобразователей.
3. ГОСТ 15528–86. Средства измерений расхода, объема или массы протекающих жидкости и газа. Термины и определения. // http://www.complexdoc.ru/scan/%D0%93%D0%9E%D0%A1%D0%A2%2015528-86
4. ГОСТ 8.361–79. Расход жидкости и газа. Методика выполнения измерений по скорости в одной точке сечения трубы. // http://www.rst-s.ru/filemanager/download/23107
5. Повх И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении. // Л.: Машиностроение, 1974, 480 с.
6. Повх И.Л. Техническая гидромеханика. 2-е изд., доп. // Л.: Машиностроение, 1976.,  504 с.
7. Геращенко О.А., Гордов А.Н., Еремина А.К., и др. Температурные измерения. Справочник. Отв. Ред. Геращенко О.А. // АН УССР. Ин-т проблем энергосбережения. Киев. Наука. Думка, 1989., 704 с.
8. Евтихиев Н.Н., Купершмидт Я.А., Папуловский В.Ф., Скугоров В.Н. Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб. Пособие для вузов. Под общ. ред. Евтихиева Н.Н. // М.: Энергоатомиздат, 1990., 352 с.
9. Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Братковский А.М. и др. Физические величины: Справочник Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. // М.: Энергоатомиздат, 1991., 1232 с.
10. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2-е изд., перераб. и доп. // Л.: Энергоатомиздат, 1988., 304 с.