Украинский Ю.Д., Кузнецов Д.Н., Цыбулька В.С.

ДонНУ, СКТБ «Турбулентность»

ДонНТУ, кафедра «Электронная техника»

Аннотация.  Украинский Ю.Д., Кузнецов Д.Н., Цыбулька В.С. Расходомер угольной пыли на горелки парового котла Кураховской ТЭС. В статье предложен метод  измерения расхода угольной пыли в пылепроводе низкой концентрации, основанный на зависимости гидродинамических потерь на участке ввода пыли от количества вводимой в него угольной пыли и технические средства реализующие данный метод.

Актуальность.

Уголь является самым распространённым топливом для ТЭС, так, как является единственным энергоносителем, которым Украина располагает в достаточном количестве.

Оптимальная работа котла достигается при равной подаче топлива (угольной пыли) и поддержании стехиометрического состава воздух-топливо по всем горелкам котла. Регулировка равномерности подачи топлива, в настоящее время, производится специалистами наладки по вторичным признакам и нарушается при смене режима работы котла, что ведёт к экономическим потерям из-за уноса горючего, перекосов температурного поля в котле и т. п. Поэтому стоит задача непосредственного измерения расхода угольной пыли на горелку в реальном режиме времени.

Для измерения расхода угольной пыли в мире активно применяются расходомеры, основанные на методах отбора проб. Существует несколько методов отбора проб, но основные - метод ISO 9931 и метод ASTM/ASME. Эти методы основаны на отборе серии проб из трубы, по которой подаётся угольная пыль. К основным недостаткам методов отбора проб следует отнести сложность реализации непрерывного режима измерения контролируемого параметра, наличие элементов, требующих регулярной замены, потребность в обслуживающем персонале, необходимость приобретения дорогостоящего оборудования и остановки энергоблока для его монтажа.

В экономических условиях, сложившихся на Украине, расходомеры, основанные на методах отбора проб не находят широкого применения. Поэтому существует необходимость разработки расходомера, который бы обеспечивал непрерывное измерение расхода угольной пыли на горелки парового котла, был технологичен в установке, удобен в эксплуатации и, при этом, имел хорошие показатели точности и приемлемую стоимость.

В статье описывается такой расходомер для пылепроводов низкой концентрации (концентрация угольной пыли), разработанный в СКТБ «Турбулентность» Донецкого национального университета с привлечением специалистов Донецкого национального технического университета.

Постановка задачи

Основной задачей работы является разработка расходомера угольной пыли, удовлетворяющего следующим требованиям:

1. удобство в установке и эксплуатации;
2. высокая надёжность;
3. хорошие показатели точности (погрешность ~ 3%);
4. сравнительно низкая стоимость.

Разрабатываемый прибор должен выполнять следующие функции:

• непрерывное измерение расхода угольной пыли на горелку котла;
• отображение информации в числовом виде и в виде графика;
• возможность сохранения результатов измерений за длительный период для ведения архива и последующей обработки и анализа;
• возможность использования сигнала для автоматизации управления расходом угольной пыли на горелку.

Рис.1. Технологическая схема установки расходомера

1, 6 - отборники стат. давления, 2 - зонд полного давления, 3 - термометр, 4 - течки, 5 – пылепровод, Pst1 - датчик статического давления, Pd1 - датчик динамического давления, t - термометр, Pst1-Pst2 - датчик разности стат. давлений, КАС - коммутатор аналоговых сигналов.

Решение задачи

Схема участка пылепровода, на котором устанавливается расходомер, места установки отборников давления и термометра,  приведена на рисунке 1. В пылепроводе (5) создаётся поток газа (смесь воздуха с отходящими газами после циклона). Через 2 течки (4) в пылепровод в дозированном пылепитателем количестве поступает угольная пыль, осевая скорость которой близка к 0, смешивается с газом, образуя аэросмесь, и транспортируется к горелке котла. Путь выравнивания скоростей газа и пыли больше пяти диаметров пылепровода.

Предложенный метод измерения расхода угольной пыли основан на зависимости потерь давления на участке разгона пыли от её концентрации.

Расход пыли определяется методом массовая скорость х площадь:

.                                                                   (1)

В формуле (1) приняты следующие обозначения:  - расход пыли;  - концентрация пыли;  - расходная скорость аэросмеси;  - площадь пылепровода.

Таким образом, для вычисления расхода пыли необходимо определить значения величин, входящих в правую часть уравнения (1).

Для расчёта переменных величин и используется система уравнений (2-5), связующая параметры потока в пылепроводе до (индекс 1) и после (индекс 2) введения пыли:

уравнение Бернулли                  ;                                                 (2)

уравнение неразрывности                 ;                                                         (3)

уравнение состояния                                   ;                                                                    (4)

аддитивность плотности                                 .                                                                     (5)

В уравнениях (2 - 5):  - статическое давление;  - плотность аэросмеси;  - потери давления на участке;  - плотность газа;  - температура;  - универсальная газовая постоянная;  – плотность компонент и концентрация пыли в аэросмеси; i=1,2.

Скорость  определяется по динамическому давлению зонда :

                                                            ,                                                                 (6)

где  - коэффициент преобразования зонда.

Поскольку объём угля при концентрации 0,5кг/м3 (паспортная величина) составляет  от объёма аэросмеси, то им можно пренебречь и, при  из уравнения неразрывности

.                                                                    (7)

Так как в качестве несущего газа используется смесь воздуха и отходящих газов после циклона, то в нём имеется угольная пыль с начальной концентрацией , зависящей от эффективности работы циклона. При эффективности 80%,начальная концентрация равна 0,08кг/м3, является условно постоянной величиной и должна периодически определяться.

Плотность аэросмеси  до течек равна:

.                                                                   (8)

Плотность аэросмеси  после течек равна:

,                                                              (9)

где  – концентрация пыли, поступившей из течек.

Потери давления , в (2) состоят из гидродинамических потерь  и пьезометрического перепада :

.                                                               (10)

Поскольку число Re течения в пылепроводе > 2*105, то:

,                                                             (11)

где k2 – коэффициент гидродинамического сопротивления участка

А пьезометрический перепад:

,                                                               (12)

где g – ускорение свободного падения.

Подставляя в (2) соотношения (6), (10), (11) и (12), и решая относительно , получаем значение плотности аэросмеси, идущей на горелку:

.                                                (13)

Из (9) концентрация пыли на горелку  равна

,                                                               (14)

а концентрация пыли пылепитателя:

.                                                              (15)

И окончательно расход угля получаем в виде:

,                                                          (16)

где  - коэффициент перевода расхода в т/час.

Для определения расхода угля по вышеприведённым соотношениям необходимо на пылепроводе измерить следующие величины:

1. статическое давление
2. скоростной напор ;
3. разность стат. давлений ;
4. температуру аэросмеси – Т1 (из-за малого времени разгона (~ 0,1 с) считаем постоянной на участке разгона.

Таким образом необходимы 2 датчика дифференциального давления, датчик статического давления и датчик температуры (см. рис. 1). К трубопроводу перед течками привариваются штуцер отбора стат. давления (1) и штуцера ввода цилиндрического зонда полного давления и термометра (2, 3), и за течкой ещё один штуцер отбора стат. давления, на расстоянии  не менее пяти диаметров пылепровода.

На технологической схеме мелким пунктиром обозначены воздушные трубки, а крупным пунктиром – электрические кабели для передачи информационного аналогового сигнала на коммутатор аналоговых сигналов.

Структурная схема расходомера представлена на рисунке 2. Она включает в себя 4 измерительных канала: два канала измерения динамического давления, канал измерения температуры и канал измерения статического давления. Динамические давления , с помощью дифманометров преобразуются в электрический токовый сигнал и далее с помощью преобразователей ток-напряжение преобразуются в электрический сигнал в вольтах. В канале измерения температуры используется термометр сопротивления. С помощью преобразователя сопротивление-напряжение получаем электрический сигнал в вольтах, который с помощью нормирующего усилителя НУ приводится к стандартному уровню. Датчик статического давления сразу дает сигнал напряжения. Далее электрические сигналы измерительной информации через коммутатор аналоговых сигналов КАС подаются на АЦП,  преобразуются в цифровой формат и вводятся в микроконтроллер МК. Микроконтроллер осуществляет дальнейшую обработку измерительных сигналов, вычисляет расход угольной пыли и выдает результат на индикацию. Также к микроконтроллеру через интерфейс RS485 можно подключать компьютер. Это необходимо для получения детальных значений всех измеряемых параметров для построения зависимостей, графиков, а также для сохранения и печати результатов измерений.

Рис 2. Блок-схема расходомера с датчиками одного измерительного канала

Результаты испытаний.

В октябре 2009 года был произведён монтаж одного расходомера на котёл Кураховской ТЭС. До настоящего момента канал работает без сбоев, несмотря на отсутствие продувки. Типичный график архивных данных расхода пыли по пылепроводу приведён на рисунке 5. Блок находился в резерве, а потом вводился в работу.

Рис. 3. График расхода пыли через горелку №15 энергоблока №4 при пуске блока.

В ноябре 2009 г. пылепитатель №15 был выведен из группы на 4 часа и была снята характеристика производительности пылепитателя от оборотов. На рисунке 4 приведены результаты измерений с помощью разработанного расходомера и результаты измерений весовым способом , проведённые на пылепроводе в 1999 г. цехом наладки Кураховской ТЭС.

Рис. 4. Зависимость расхода пыли от оборотов пылепитателей.

 на пылепроводе №15 энергоблока №4.  на пылепроводе №8 энергоблока №8 в1999 г.

Результаты дают удовлетворительное совпадение и согласуются с паспортными данными пылепитателей. Таким образом расходомер показал работоспособность в рабочих условиях при достаточно простом аппаратном обеспечении. Эксплуатация канала показала также возможность производить измерения без зонда, используя падение давления на участке между шибером и течками, определяя коэффициент сопротивления этого участка при наладке. Таким образом, на пылепроводе остаются только врезки стат. давления и в расходомере практически отсутствуют изнашивающиеся детали (кроме самого пылепровода).Фотография установленных датчиков расходомера представлена на рисунке 5.

Рис.5. Блок датчиков измерительного канала.

Выводы.

1. Результаты натурных испытаний разработанного расходомера подтвердили работоспособность предложенного пневматического метода измерения угольной пыли.
2. Поставленные задачи решены полностью. Расходомер обеспечивает непрерывное измерение расхода угольной пыли на горелку парового котла, его монтаж не требует остановки энергоблока, прибор не содержит элементов, требующих частого обслуживания.

Литература.

1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. – 4-е изд., перераб. и доп. – Л.: Машиностроение. Ленингр. Отд-ние. 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.
4. ГОСТ 8.361–79. Расход жидкости и газа. Методика выполнения измерений по скорости в одной точке сечения трубы.
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. Температурные измерения. Справочник / Геращенко О.А., Гордов А.Н., Еремина А.К., и др.; Отв. Ред. Геращенко О.А.; АН УССР. Нн-т проблем энергосбережения.-Киев : Наука. Думка, 1989.– 704 с.–ISBN 5-12-000490-3.
8. Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб. Пособие для вузов./ Н.Н. Евтихиев, Я.А. Купершмидт, В.Ф. Папуловский, В.Н. Скугоров; Под общ. ред. Н.Н. Евтихиева. -М.: Энергоатомиздат, 1990.- 352 с.: ил.
9. Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев Н.А. Бабушкина А.М. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. – М.; Энергоатомиздат, 1991.– 1232 с. – ISBN 5-283-04013-5.
10. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. – 304 с.: ил.