Назад в библиотеку

---

УДК 681.5

 

ОСОБЕННОСТИ ПРОМЫШЛЕННОГО ВОДОГРЕЙНОГО УГОЛЬНОГО КОТЛА КАК ОБЪЕКТА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

 

Скопюк К.В., студент; Попов В.А., доц., к.т.н., доц.; Федюн Р.В., доц., к.т.н., доц.

(ГОУ ВПО Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, ДНР)

 

В настоящее время в теплоэнергетике и жилищно–коммунальном хозяйстве эксплуатируется большое количество котлов, которые морально и физически устарели, что приводит к значительным потерям энергии при подогреве воды. В связи с этим вопросы повышения технического уровня промышленных и бытовых котельных, в частности, их экономичности и надежности, имеют большое значение. Основная задача водогрейного котла – бесперебойное обеспечение бытовых и промышленных объектов горячей водой с требуемыми параметрами. Следовательно, отказ водогрейного котла приводит к простою всего комплекса отопления или, как минимум, его большей части, а это существенные убытки. Уменьшение затрат на обслуживание и увеличение межремонтного интервала, а также упрощение и ускорение диагностики при повышении экономичности и надежности функционирования водогрейного котла, позволяет говорить о значительном экономическом эффекте от применения предложенной системы автоматического управления для парового котла, работающего в водогрейном режиме на твердом топливе.

Рассматриваемый котел типа ДКВР – двухбарабанный, водотрубный, реконструированный, с естественной циркуляцией [1,2]. Паровой котел ДКВР–10/13 предназначен для получения насыщенного или перегретого водяного пара при давлении до 13 кгс/см² (1,3 МПа). Котел используется с различными колосниковыми решетками для слоевого сжигания обычных твердых топлив, а с камерными топками – для сжигания газообразных и жидких топлив. При необходимости, котлы ДКВР могут быть использованы как водогрейные [3]. Такая необходимость возникает в том случае, если котёл будет использоваться только для получения горячей воды и использования её в системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения объектов бытового и промышленного назначения. Именно такой котел и является объектом исследования – паровой котел ДКВР– 10/13, работающий в водогрейном режиме на угольном топливе.

Обобщенная технологическая схема котла ДКВР–10/13, работающего в водогрейном режиме на твердом топливе – угле, приведена на рис.1.

Сжигание твердого топлива, подаваемого с помощью пневмомеханического забрасывателя, осуществляется на колосниковой решетке в топке. Необходимое для горения количество воздуха подается в топку дутьевым вентилятором (рис.1) Тепло, выделяемое в процессе сжигания топлива, отдается в топочную камеру. В результате процесса горения образуются газообразные продукты – дымовые газы, которые удаляются из топки под действием разряжения, создаваемого дымососом (рис.1.). Сжигание осуществляется факельным способом.

Воздух в топку должен подаваться дутьевым вентилятором в таком количестве, чтобы обеспечить полное сжигание угольного топлива, при этом выделяется углекислый газ СО2 и пары воды Н2О. Если воздуха недостаточно, то кроме неполноты сжигания, т.е. экономических потерь будет загрязнение атмосферы так как при этом выделяются сажа и угарный газ СО, что недопустимо исходя из существующих технологических требований (отложение сажи на элементах топки приводит к ухудшению теплопередачи, и как  следствие, к повышению расхода топлива) и экологических норм.

Для обеспечения постоянного расхода сетевой воды через котел применяется линия перепуска, состоящая из трубопровода и регулируемой задвижки, которые соединяют вход и выход котла (рис.1). Для восполнения потерь сетевой воды применяется подпиточный насос (рис.1).

Подача требуемого расхода воздуха в топку котла для обеспечения качественного сжигания топлива осуществляется дутьевым вентилятором ВД–10, который предназначен для подачи воздуха в топки паровых и водогрейных котлов малой и средней мощности.

Для непрерывной подачи топлива – каменного угля в топку котла применяется пневмомеханический забрасыватель топлива ЗП–400, который предназначен для требуемого изменения расхода и равномерной подачи угля в механических и полумеханических топках типа ТЛЗМ, ТЧЗМ, ЗП–РПК, ПТЛ–РПК. Пневмомеханический забрасыватель состоит из пластинчатого питателя, забрасывающего механизма ротационного типа и каскадно– лоткового угольного ящика. Ротор забрасывателя приводится во вращение от асинхронного электродвигателя через клиноременную передачу. От вала ротора забрасывателя через двухступенчатый редуктор и храповый механизм приводится в движение пластинчатый питатель. Подача топлива в топку регулируется за счет изменения скорости движения пластинчатой цепи.

Водогрейные котлы, как следует из приведенного выше анализа работы парового котла ДКВР в водогрейном режиме, отличаются от паровых котлов наличием водяного контура вместо водо–парового [1,2]. Это не требует ряда локальных систем регулирования – уровня воды в барабане, давления пара на выходе из барабана, температуры пара через пароохладители, продувки котла. С другой стороны появляются новые контуры регулирования в водяном тракте [4,5].

На основании выполненного выше анализа особенностей устройства и процесса функционирования котла ДКВР–10/13, работающего в водогрейном режиме на угольном топливе получена схема его материальных потоков, которая приведена на рис.2.

Согласно рис.2, входные материальные потоки – топливо (уголь), воздух и обратная сетевая вода, взаимодействуя между собой в котле, превращаются в его выходные материальные потоки – прямая сетевая вода, дымовые газы и золошлаковые отходы.

Основным показателем эффективности функционирования водогрейного котла является температура прямой сетевой воды. На нее оказывают влияние следующие переменные: расход сетевой воды через котел; расход топлива; расход воздуха; разряжение в топке; температура обратной сетевой воды.

 

Выполнить стабилизацию всех переменных, оказывающих влияние на температуру прямой сетевой воды нельзя, так как расход топлива, расход воздуха и разряжение взаимосвязаны. Устранение влияния изменяющегося расхода сетевой воды осуществляется при помощи контура перепуска сетевой воды, за счет изменения расхода воды через задвижку в линии перепуска.

Требуемое значение температуры прямой сетевой воды зависит от времени года и температуры наружного воздуха. Анализируя влияние на температуру рассматриваемых переменных, можно прийти к выводу, что наиболее целесообразным будет использование в качестве регулирующих воздействий изменение расхода топлива и изменение расхода воздуха, подаваемых в топку.

Воздух в топку должен подаваться в таком количестве, чтобы обеспечить полное и эффективное сжигание топлива. Если воздуха подается недостаточное количество, то кроме неполноты сжигания, экономических потерь будут и экологические последствия – загрязнение атмосферы. Если воздуха будет избыток, то произойдет унос тепла в трубу. Таким образом, необходимо изменять подачу воздуха в топку в зависимости от текущего расхода топлива.

На основании полученной схемы материальных потоков (рис.2), а также с учетом особенностей и технических характеристик, разработана схема котла ДКВР–10/13, работающего в водогрейном режиме на угольном топливе, как объекта управления, которая приведена на рис.3.

Основными управляемыми переменными, наиболее полно характеризующими процесс функционирования котла ДКВР–10/13, работающего в водогрейном режиме на угольном топливе являются температура прямой сетевой воды на выходе котла tПСВ и расход сетевой воды через котел GВК (рис.3).

Управляющие воздействия: расход угольного топлива GУГ и расход воздуха GВ – при управлении температурой прямой сетевой воды tПСВ; расход воды на перепуск GВП – при управлении расходом воды через котел GВК.

Основным возмущающим воздействием для рассматриваемого объекта управления является температура обратной сетевой воды на входе в котел tОСВ (рис.3).

Для реализации требуемых функций контроля и управления в САУ водогрейным угольным котлом с учетом рассмотренных его особенностей, необходим следующий набор технологических датчиков: датчик температуры прямой сетевой воды, датчик расхода воздуха, датчик расхода обратной сетевой воды на входе в котел.

Поддержание требуемой температуры прямой сетевой воды на выходе из котла осуществляется за счет изменения количества подаваемого в топку угля при одновременном пропорциональном изменении расхода подаваемого воздуха.

Расход подаваемого в топку угля изменяется при помощи регулирования производительности пневмомеханического забрасывателя ЗП–400. Как следует из технических характеристик пневмомеханического забрасывателя ЗП–400, в качестве приводного электродвигателя применяется трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, наиболее эффективным способом изменения частоты его вращения является изменение частоты питающего напряжения при использовании преобразователей частоты.

Количество подаваемого в топку воздуха регулируется за счет изменения производительности дутьевого вентилятора путем изменения частоты вращения его приводного электродвигателя.

Для поддержания постоянного расхода сетевой воды через котел используется линия перепуска, представляющая собой трубопровод с задвижкой и соединяющая вход и выход котла. За счет изменения количества воды через линию перепуска осуществляется поддержание постоянного расхода сетевой воды через котел. Для изменения расхода сетевой воды применяется задвижка с исполнительным механизмом – управляемым электроприводом.

Таким образом, с учетом изложенного выше обоснования, предложена схема концепции построения САУ водогрейным угольным котлом,  которая  приведена  на  рисунке 4.

К стабильности поддержания заданной температуры прямой сетевой воды на выходе водогрейного котла предъявляются достаточно жесткие требования [4,5] – это определяет эффективность функционирования котла и использования тепловой энергии его потребителями. Поэтому САУ температурой прямой сетевой воды tПСВ реализована по многоконтурной схеме (рис.4).

Датчик температуры ДТ осуществляет непрерывный контроль температуры прямой сетевой воды и передает информацию о ней в регулятор температуры РТ. Регулятор температуры сравнивает ее с заданным значением температуры tПСВЗАД, рассчитывает и выдает управляющее воздействие на пневмомеханический забрасыватель топлива для соответствующего изменения расхода угольного топлива, подаваемого в топку (рис.4). Одновременно с этим, регулятор температуры формирует задающее воздействие для внутреннего контура управления расходом воздуха. Внутренний контур управления расходом воздуха состоит из датчика расхода воздуха ДРВ, регулятора расхода воздуха РРВ и дутьевого вентилятора в качестве регулирующего органа. Внутренний контур управления расходом воздуха GВ необходим для повышения точности и качества процесса управления. Алгоритм управления в САУ температурой прямой сетевой воды реализуется двумя

САУ расходом воды через котел реализована по принципу обратной связи, с использованием одноконтурной структуры и состоит из следующих элементов: датчика расхода котловой воды ДРКВ, регулятора расхода котловой воды РРКВ и задвижки линии перепуска в качестве регулирующего органа (рис.4). Алгоритм управления в САУ расходом воды через котел реализуется регулятором расхода котловой воды РРКВ (рис.4).

В данном разделе работы предложена, обоснована и разработана концепция системы автоматического управления котлом ДКВР–10/13, работающим в водогрейном режиме на угольном топливе. На основании выполненного анализа существующих принципов построения систем автоматического управления и их особенностей, было принято решение об использовании многоконтурной структуры при реализации САУ температурой прямой сетевой воды на выходе котла и одноконтурной структуры при реализации САУ расходом сетевой воды через котел, как наиболее подходящих для решения поставленной задачи автоматизации рассматриваемого объекта. Внедрение предложенной концепции позволит повысить надежность и снизить эксплуатационные затраты на функционирование котла ДКВР–10/13, работающего в водогрейном режиме на угольном топливе.

 

Перечень ссылок

1. Зыков, А.К. Паровые и водогрейные котлы. / А.К. Зыков. – М.: Энергоатомиздат, 1987 г. – 129 с.
2. Галдин В.Д. Паровые и водогрейные котлы: учебное пособие / В.Д. Галдин. – Омск: СибАДИ, 2011. – 47 с.
3. Глущенко Л.Ф., Щевцов Д.С., Кунцевич Б.Ф. Перевод промышленно–отопительных котлов в водогрейный режим. – Киев: Будевильник, –56с.
4. Клюев А.С., Товарнов А.Г. Наладка систем автоматического регулирования котлоагрегатов, М., Энергия, 1970г. – 280 с.
5. Рыбалев, А.Н.        Автоматическое    управление    энергетическими    установками: лекционный курс. / А.Н. Рыбалев. – Благовещенск: Амурский гос. универ., 2007. – 94 с.