Содержание
- Введение
- 1. Актуальность темы
- 2. Технологическая характеристика и принцип работы котла - утилизатора
- 3. Котел - утилизатор как объект управления
- 4. Цель, функции и задачи исследования
- 5. Разработка концепции САУ
- Выводы
- Список источников
Введение
Эффективное использование вторичных энергоресурсов и значительная экономия средств на приобретение топлива для котельного оборудования – это самые актуальные факторы, которые рассматриваются крупными производственными предприятиями во всех сегментах хозяйственной деятельности. Отработанные газы промышленных установок в большинстве случаев используются вхолостую посредством очистки и последующего выброса в атмосферу. Котел утилизатор дает возможность сэкономить финансы на покупке и установке котельного оборудования, а также вырабатывать солидные объемы тепла без расходов на покупку энергоносителей.
1. Актуальность темы
Повышение эффективности использования вторичных энергоресурсов может быть достигнуто путем совершенствования эксплуатирующегося основного и вспомогательного оборудования теплоэлектростанции (ТЭС), их тепловых и пусковых схем, автоматизированных систем технологических процессов (АСУ ТП) и технологии эксплуатации, а также внедрением нового замещающего оборудования.
Технико-экономические показатели ТЭС зависят от характеристик основного оборудования и вида сжигаемого топлива, особенно при сжигании различных углей, а также от технологической схемы отпуска тепла. Важнейшее значение при этом имеет эффективность котлов и теплофикационных паротурбинных установок.
Поэтому разработки, направленные на повышение эффективности технологии использования вторичных энергоресурсов, являются актуальными. Особенно это важно для проведения реконструкции и технического перевооружения АСУТП ТЭС, оборудование которых исчерпало ресурс.
2. Технологическая характеристика и принцип работы котла - утилизатора
Котел-утилизатор - это котел, в конструкции которого нет своей топки, принцип его действия основан на использовании тепла, образующегося в каких-либо производственных процессах, например, образование отработавших газов в процессе производства электроэнергии на ТЭС.
Основными тепловыми отходами или вторичными энергоресурсами являются:
- Физическая теплота отходящих газов (иногда содержащих и химическую теплоту).
- Теплота технологической продукции.
- Теплота шлаковых отходов.
- Теплота рабочих тел систем принудительного охлаждения технологических камер.
Использование тепловых отходов в котле-утилизаторе обеспечивает получение дополнительной продукции в виде энергетического или технологического пара, горячей воды и т.п., что приводит к экономии топлива на предприятии.
Производительность пара, конструкция котла-утилизатора, напрямую зависит от объема и качества утилизируемого газа.
В условиях Зуевской ТЭС применяются газотрубные горизонтальные котлы-утилизаторы.
Рисунок 1 – Конструкция газотрубного горизонтального котла-утилизатора.
1 - входная камера; 2 – выходная камера; 3 - трубы пароперегревателя; 4 - паросепарационное устройство;
5 - подвод питательной воды; 6 – паровой коллектор, 7 – испарительный барабан
Продукты сгорания (отработавшие технологические газы) проходят внутри труб, размещенных в водяном объеме барабана и через выходную камеру удаляются в атмосферу. Эти котлы характеризуются высокой газоплотностью, простотой обслуживания и пониженными требованиями к питательной воде.
К основным недостаткам котлов-утилизаторов подобного типа относятся низкий коэффициент использования теплоты отходящих от технологических агрегатов газов (50-60%), низкий паросъем с единицы поверхности нагрева.
![animation](images/foto_2.gif)
Рисунок 3 – Котел-утилизатор (общего назначения) для утилизации тепла уходящих газов
(скорость анимации – 45.2 количество кадров – 14)
На Зуевской ТЭС применяется электромеханические средства автоматизации котлов-утилизаторов. Они работают также по принципу «включено – выключено». При минимальной температуре воды (минимальном давлении пара) они устанавливают заслонку в положение, при котором котел сообщается с выпускным коллектором топочных газов, а при максимальной температуре (давлении) отключают котел от выпускного коллектора.
Электродвигатель электромеханических систем управления приводит во вращение через редуктор специальный вал с винтовой нарезкой. При включении электродвигателя она перемещается вдоль винтовой нарезки вала и через рычаг открывает или закрывает газовую заслонку.
Реле минимальной температуры (давления) включает электродвигатель в сторону открытия газовой заслонки, а реле максимальной температуры (давления), наоборот, в сторону закрытия ее.
Поэтому существующая система управления котлом-утилизатором на Зуевской ТЭС является морально и технически устаревшей. Она не позволяет обеспечить поддержание заданной температуры нагреваемого теплоносителя. В реальных условиях температура пара на выходе из котла-утилизатора изменяться вследствие изменения эксплуатационных факторов: температура питательной воды; избыток воздуха в топке; шлакование экранов топки и пароперегревателя и т.п. Это приводит к нестабильности работы оборудования.
3. Котел - утилизатор как объект управления
На эффективность утилизации выходящих газов оказывает влияние тепловая мощность котла-утилизатора, режим подачи в него отработавших технологических газов и их температура. Объем и температура отработавших газов зависит от количества сжигаемого топлива в котлах ТЭС.
В результате протекания процесса теплообмена в котле-утилизаторе температура отработавших газов снижается от t1 до t2. Питательная вода поступает в котел-утилизатор с блока водоподготовки, пройдя необходимую очистку от солей жесткости и деарацию. На выходе из котла-утилизатора образуется водяной пар. Температура воды t3 на входе в печь; пара t4 на выходе из печи (рис. 3).
Рисунок 3 –Схема основных тепловых потоков
Основной задачей управления котлом-утилизатором является Температура пара на выходе из котла-утилизатора зависит от (рис. 4):
— нагрузки котла-утилизатора;
— температуры питательной воды;
— чистоты поверхностей нагрева котла-утилизатора и пароперегревателя;
— от величины отбора пара от котла-утилизатора.
Рисунок 4 –Котел-утилизатор как объект управления
4. Цель, функции и задачи исследования
Цель - повышение эффективности использования вторичных энергоресурсов за счет разработки системы автоматического управления котлом-утилизатором, что позволит улучшить теплопроизводительность котла-утилизатора отработавших газов тепловой электростанции.
Для реализации поставленной цели необходимо, чтобы САУ котлом-утилизатором в условиях Зуевской ТЭС выполняла:
- Информационные функции:
— централизованный контроль и измерение параметров процесса теплообмена в котле-утилизаторе;
— обмен информацией между вычислительными средствами АСУТП ТЭС;
— формирование и выдача сигналов сигнализации, а так же визуализация информации в удобном для оперативного персонала виде на АРМ.
- Управляющие функции:
— автоматическое управление температурой пара на выходе из котла-утилизатора;
— аварийное отключение котла-утилизатора.
Для реализации выбранных функций, необходимо решить такие задачи:
- Выполнить анализ процесса тепло- и массо- переноса в котле-утилизаторе отработанных газов на ТЭС.
- Получить математическую модель системы автоматического управления котлом-утилизатором, которая позволит поддерживать требуемую температуру пара.
- Разработать функциональную схему автоматизации и выбрать современные средства автоматизации обеспечивавшие выполнения функций САУ, а также обеспечить непрерывную двустороннюю связь с верхним уровнем АСУТП ТЭС.
- Реализовать алгоритмы управления на базе выбранного технического обеспечения САУ.
5. Разработка концепции САУ
Частные принципы построения систем управления должны учитывать специфику конкретного объекта автоматизации, а также, главные особенности технической реализации, которые отражаются в технических спецификациях на проектируемую систему.
Рассмотрим возможные концепции построения САУ котлом-утилизатором, применяющиеся на практике: каскадно-связанное регулирование; регулирование байпасированием продукта; регулирование изменением расхода конденсата греющего пара; регулирование изменением температуры горячего теплоносителя; регулирование изменением расхода продукта.
Использование двухконтурных САУ значительно улучшает качество регулирования конечной температуры паро-водяной смеси, если вспомогательной регулируемой величиной выбрать параметр, изменение которого будет сильным возмущением для процесса теплообмена. Часто в качестве вспомогательного параметра выбирают расход отработанных газов (рис. 5).
Рисунок 5 –Двухконтурные САУ процесса нагревания с использованием в качестве вспомогательной регулируемой величины:
а) расхода теплоносителя; б) давления; в) давления в межтрубном пространстве
Для регулирования систем, в которых изменение расхода отработанных газов недопустимо, используют метод байпасирования. Регулирующее воздействие в этом случае осуществляется изменением расхода байпасируемого продукта (рис. 6, а). Поскольку перемещение регулирующего органа на байпасной линии все же приводит к некоторому изменению расхода продукта, при высоких требованиях к постоянству этого расхода устанавливают два мембранных исполнительных механизма разного типа.
Аналогичный эффект достигается при установке трехходового смесительного клапана (рис. 6, в).
Рисунок 6 –Схема регулирования температуры изменением расхода продукта в байпасном трубопроводе:
а) с помощью одного клапана; б) с помощью двух клапанов; в) с помощью трехходового клапана
Регулирование методом байпасирования улучшает динамическую характеристику системы, так как при этом из цепи регулирования исключается теплообменник.
В зависимости от возможных возмущающих воздействий, может быть принят один из вариантов схем регулирования, показанных на рис. 7. Стабилизирующие регуляторы расхода отработанных газов и расхода продукта ликвидируют возмущения до поступления их в систему.
Рисунок 7 –Схемы: регулирования процесса нагревания:
а) со стабилизацией расхода продукта; б) с изменением расхода продукта в зависимости от конечной температуры продукта
Анализ котла-утилизатора как объекта управления, показал, что возмущения оказывающее наибольшее влияние на температуру пара на выходе котла возможно измерить – температура отработавших газов на входе в котел и температура питательной воды. Поэтому возможно предложить структурную схему инвариантной САУ котла-утилизатора и в качестве вспомогательной регулируемой величины выбрать расхода отработавших газов.
Рисунок 8 –Комбинированная двухконтурная САУ котла-утилизатора.
При разработке системы автоматического управления котлом-утилизатором применена концепция построения распределенных систем управления на базе современных промышленных протоколов связи с принципом управления по обратной связи.
6. Выводы
Выяснено, что эффективное использование вторичных энергоресурсов – это актуальный фактор, который рассматриваются крупными производственными предприятиями, в том числе электростанциями.
Определено, что эффективность утилизации выходящих газов зависит от тепловой мощности котла-утилизатора, режима подачи в него отработавших технологических газов и их температура. Объем и температура отработавших газов зависит от количества сжигаемого топлива в котлах ТЭС.
Сформулирована цель создания системы автоматического управления котлом-утилизатором в условиях Зуевской ТЭС, описаны функции и задачи разрабатываемой системы автоматизации, а также выдвинуты основные требования для интеграции системы автоматического управления котлом-утилизатором в иерархическую АСУТП ТЭС.
При разработке системы автоматического управления котлом-утилизатором применена концепция построения распределенных систем управления на базе современных промышленных протоколов связи с принципом управления по обратной связи.
Список источников
- Гудин Г. К., Гребе С. Ф., Сальгадо М. Э. Проектирование систем управления. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. – 911 с.
- Измерения в промышленности / справ. изд. под ред. П. Профоса. Пер. с нем. – М., Металлургия, 1980. – 648 с.
- Кафаров В. В., Глебов М. Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств: Учеб. пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 1991. – 400 с.
- Котлы утилизаторы [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.energy-gr.com – Дата доступа: 31.03.2018 г.
- Котлы-утилизаторы и энерготехнологические агрегаты / Под ред. Л. Н. Сидельковского / М.: Энергоатомиздат, 1989. - 272 с.
- Клюев А. С., Товарнов А. Г. Наладка систем автоматического регулирования котлоагрегатов. – М.: Энергия, 1970. – 280 с.
- Лазарев Ю. Моделирование процессов и систем в МАТLAB. – СПб.: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2005. – 512 с.
- Ротач В. Я. Теория автоматического управления теплотехническими процессами. –М.: Энергоатомиздат, 1985. – 296 с.