Автор: Ахметжанов Р.Д., Федюн Р.В.
Источник: Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых ⁄ Сборник научных работ ХVI научно – технической конференции аспирантов и студентов в г. Донецке 21–23 мая 2019 г. — Донецк, ДонНТУ, 2019. – 268 с.
Котельная системы централизованного теплоснабжения городского микрорайона предназначена для отопления производственных и жилых зданий, а также объектов социального и культурно-бытового назначения. Чаще всего, такие котельные реализуются на основе водогрейных котлов, которые работают на природном газе.
Технологические процессы, происходящие в водогрейном котельном агрегате во время его работы, характеризуются рядом взаимосвязанных параметров. Изменение одного из них, как правило, оказывает влияние и на остальные параметры: температуру прямой и обратной сетевой воды, расход первичного воздуха, расход топлива – природного газа, отходящих дымовых газов и т.д.
Котельная предназначена для нагрева рабочей жидкости (воды) для системы отопления или пароснабжения, расположена в одном техническом помещении, используются при централизованном теплоснабжении зданий. Рассматриваемая районная котельная оборудована водогрейными котлами КВ-Г-7.56-150 (рис.1).
1 – котел; 2 – сетевой насос; 3 – рециркуляционный насос; 4 – питательный насос; 6 – бак подпитывающей воды; 7 – водоподготовительная установка; 8 – подогреватель сырой воды; 9, 10 – подогреватели ХВО; 11 – деаэратор; 12 – охладитель испарения; 13 – линия перепуска
Рисунок 1 – Технологическая схема водогрейной котельной
Водогрейный котел – это устройство, предназначенное для получения горячей воды за счет тепла, выделяемого при сжигании топлива.
Водогрейный котел прямоточного типа КВ–Г–7,56 представляет собой стальную трубную систему, скомпонованную в одном транспортабельном блоке, и работает на газовом топливе. Котел рассчитан на подогрев воды от 70 до 150 °C.
Рассматриваемый газовый котел имеет горизонтальную компоновку, единый поперечный профиль. Радиационные поверхности нагрева котлов КВ–Г образуются левым и правым боковыми экранами, двумя двухсветными экранами и потолочным экраном. Для заданного направления движения воды по топочным экранам верхние коллекторы имеют глухую перегородку. Экраны соединены между собой в верхней части котла перепускными трубами.
Конвективная часть нагрева состоит из двух секций – правой и левой, вваренных одними концами в верхние, а другими – в нижние коллекторы, т.е. представляют собой нижние и боковые части поверхности нагрева. В боковые поверхности нагрева вварены четыре пакета, набранных из П–образных ширм, выполненных из труб. Для направления движения воды в змеевиках ширм в боковых трубах установлены глухие перегородки. Ширмы пакетов расположены таким образом, что их трубы образуют шахматный пучок. Для разделения конвективной шахты и топки крайние ширмы, обращенные в сторонутопки, выполнены в виде газоплотной сварной панели с мембранами.
Газовые котлы КВ–Г используют три подовые горелки, которые размещены между секциями вертикальных топочных экранов. Горелка имеет два ряда отверстий диаметром 1,5 мм, расположенных в шахматном порядке.
Водогрейный котел КВ–Г работает по принципу противотока. Обратная вода из тепловой сети поступает во входной коллектор конвективной части нагрева. Из коллектора вода двумя потоками, вправо и влево, проходит по стоякам и змеевикам и попадает в выходные коллекторы (правый и левый).
Вода из этих коллекторов по перепускным трубам попадает в крайние задние коллекторы потолочного экрана, из которых по одиннадцати крайним трубам проходит по потолку, переходя во фронтовой экран и по нему в передний коллектор. В коллекторе потоки смешиваются и по одиннадцати средним трубам вода попадает в задний (средний) коллектор потолочного экрана. Из этого коллектора вода двумя перепускными трубами подается в заднюю часть верхнего коллектора левого топочного экрана. Затем по задним трубам вода опускается вниз и попадает в нижний коллектор. По нему вода проходит вперед и по передним трубам поднимается в переднюю часть верхнего коллектора. Вода, двигаясь последовательно по всем экранам, нагревается и из задней части верхнего коллектора правого экрана поступает в выходной коллектор котла. Из коллектора вода поступает в тепловую сеть.
В горелку котла поступают воздух и газ, смешиваются и сжигаются факельным способом. В результате процесса горения образуются газообразные продукты. Они убираются с помощью дымососа, и выбрасываются в атмосферу. При сжигании газового топлива необходимо обеспечить хорошее предварительное перемешивание газа с воздухом. Подогрев газовоздушной смеси и химическая реакция горения протекают очень быстро. Основным фактором длительности горения является время, затраченное на перемешивание газа с воздухом в горелке. От быстроты и качества перемешивания газа с необходимым количеством воздуха, зависит скорость и полнота сгорания газа, длина факела топки и температура пламени. Для поддержания процесса горения дымососом создается необходимое разряжение.
Особенностью работы водогрейных котлов является то, что в хвостовые поверхности, выполненные из стальных труб, поступает вода с низкой температурой, которая может оказаться ниже температуры точки росы продуктов сгорания. Это обстоятельство приведёт к интенсивной низкотемпературной коррозии хвостовых поверхностей нагрева. При работе котла на природном газе температура воды на входе в котел не должна быть не ниже 70 °С. Для поддержания необходимой температуры воды на входе в водогрейный котел осуществляется рециркуляция нагретой в водогрейном котле воды рециркуляционным насосом.
Чтобы обеспечить полное сжигание топлива необходимо регулировать соотношение топливо-воздух
. Если будет избыток воздуха, то часть тепла будет уходить в трубу. Если же воздуха будет недостаточно, то топливо сгорит не полностью.
Таким образом, выполненный выше анализ особенностей функционирования водогрейных котлов позволил сформулировать требуемые функции контроля и управления разрабатываемой САУ:
С учетом выполненного анализа особенностей водогрейного котла получена схема материальных потоков и их информационный переменных.
Рисунок 2 – Схема материальных потоков и их информационный переменных
Управляемыми переменными, характеризующими процесс нагревания сетевой воды, являются – дымовые газы, как результат горения газа и воздуха и нагретая вода; управляющими воздействиями, позволяющими необходимым образом нагревать сетевую воду, являются – давление газа, давление воздуха и температура воды; возмущающим воздействием является – температура наружного воздуха, относительно которой и нужно регулировать давление газа.
Характерной особенностью теплового производства является необходимость поддержания количества выходного тепла в норме относительно температуры окружающей среды. Вследствие чего требуется постоянное измерения температуры окружающей среды и изменение количества подачи топлива. Так как данные изменения количества топлива зависят от операторов котельной, то объект управления обладает не большим временем запаздывания и негативно влияет на экономию топлива.
Температура на выходе из котла измеряется датчиком температуры прямой сетевой воды ДТп, на входе котла – датчиком температуры обратной сетевой воды ДТо. Измеренное значение температуры сетевой воды подается на аналоговый вход ПЛК, где сравнивается с заданными значениями. Сигнал рассогласования по температуре сетевой воды преобразуется в управляющее воздействие. ПЛК выдает рассчитанное управляющее воздействие на исполнительный механизм – управляемую задвижку на линии топливного газа.
Рисунок 3 – Функциональная схема САУ
ДТп – датчик температуры прямой сетевой воды; ДТо – датчик температуры обратной сетевой воды на входе котла; ДК – датчик концентрации; ДВ – дутьевой вентилятор; ДРВ – датчик расхода воздуха; ДРГ – датчик расхода топливного газа; ДД – датчика давления в топке; ДС – дымосос; СН – сетевой насос; ПЛК – промышленный логический контроллер
Расход газа и воздуха измеряется датчиками расхода воздуха ДРВ и топливного газа ДРГ. Измеренные значения с этих датчиков отправляется на аналоговый вход ПЛК, также на него приходит сигнал с датчика концентрации ДК, который стоит на линии выхода дымовых газов. Учитывая влияние всех этих параметров, контроллер выдает управляющее воздействие на исполнительный механизм – электропривод дутьевого вентилятора.
В процессе сгорания образуются дымовые газы которые нужно выводить из котла для того чтобы создать в нем необходимое разрежение. На линии поступления воздуха в котел стоит датчик расхода воздуха ДРВ сигнал с которого поступает на аналоговый вход ПЛК, также на него поступает сигнал с датчика давления в топке ДД. Контроллер выдает управляющие воздействие на исполнительный механизм – дымосос ДС
Для котлов, сжигающих только газообразное топливо, температура воды на входе должна быть не менее 70°С во избежание появления коррозии и для обеспечения паспортной производительности котла. Для этого сигнал с датчика обратной сетевой воды ДТо поступает на аналоговый вход ПЛК, после чего формируется управляющее воздействие на исполнительный механизм – управляемую задвижку на линии рециркуляции.
Таким образом, разработанные функциональные схемы САУ технологическим процессом управления параметрами водогрейных котлов позволяют полностью реализовать сформулированные функции контроля и управления данным объектом.
1. Калмаков А.А., Ю. Я. Кувшинов, С. С. Романова, С. А. Щелкунов; Под ред. В. Н. Богословского Автоматика и автоматизация систем теплогазоснабжения и вентиляции. М.: Стройиздат, 1986. — 479 с. 2. Олссон, Г. Цифровые системы автоматизации и управления. / Г. Олссон, Дж. Пиани. Издание третье, переработанное и дополненное, СПб.: Невский Диалект, 2001. – 557 с. 3. Тарасюк В.М. Эксплуатация котлов: Практическое пособие для оператора котельной, г. Москва, 2008 - 272 с.