Синтез и исследование САУ тепловой нагрузкой шахтной котельной установки

Одним из ключевых аспектов эксплуатации угольных шахт является гарантия должного температурного режима ее технологических объектов – калориферной установки, АБК, системы ГВС и др. также следует помнить, что гарантия комфортного микроклимата – незаменимое требование, предъявляемое в нынешней горнодобывающей отрасли [1]. Очевидно, что без постоянного контроля и вмешательства оператора эффективную и безаварийную работу шахтной котельной, могут гарантировать лишь современные системы автоматизации. От обслуживающего персонала будет нужно лишь проводить периодическое наблюдение за параметрами устройств и их работоспособностью.

Залогом надежной эксплуатации котлов представляется совершенствование систем автоматизации. Все факторы процессов современного устройства могут абсолютно контролировать. Если в котельной системе появляются сбои, техника вовремя оповестит об этом, ключевые параметры работы отслеживаются постоянно. Вследствие разработки и внедрения на шахте точной и устойчивой САУ увеличивается безопасность работы персонала, обеспечивается безаварийная и длительная работа котельного оборудования.

Также следует учитывать, что окончательную настройку параметров предполагаемой к использованию САУ следует производить исходя из фактических технических характеристик объекта автоматизации – конкретной котельной установки. А поскольку котельные установки шахт – это постоянно функционирующие объекты повышенной опасности, от нормальной работы которых зависит работоспособность всего предприятия, то вмешательство в их работу при настройке САУ чревато аварийными ситуациями и в принципе недопустимо. Таим образом, возникает актуальная научно-техническая задача не просто синтезировать эффективную САУ котельной установкой, но и исследовать ее работу путем создания имитационной модели.

При разработке математической модели САУ котельной установки будем опираться на параметры наиболее распространенных в шахтных системах теплоснабжения источниках тепла. Так, для подогрева воды и обогрева административных зданий шахты широко используют котел типа ТВГ-8М. Он представляет собой прямоточный, секционный с принудительной циркуляцией воды, оборудованной отдельно стоящим дымососом и вентилятором [2].

Особенностью котла является развитая радиационная поверхность нагрева. Эта поверхность состоит из пяти вертикальных топочных экранов, одного потолочного, переходящего во фронтовой. Вода из теплосети поступает одновременно в два нижних коллектора боковых экранов конвективной части и поднимается, вверх проходя конвективные пакеты. Поступает в верхние коллекторы боковых экранов конвективной части. Из них вода по ряду потолочно-фронтовых труб поступает в нижний коллектор фронтового экрана (находится над горелками внутри котла за обмуровкой).

Из него по второму ряду потолочно-фронтовых труб вода поднимается и собирается в верхнем коллекторе потолочно-фронтового экрана (этот коллектор находиться сверху на потолке котла между топкой и конвективной частью).

Затем по двум перепускным трубам вода поступает в верхний коллектор левого бокового экрана топки, вода делает ход вниз и вверх по этому экрану. На второй части верхнего коллектора бокового экрана вода по перепускным трубам поступает в первый двухсветный экран.

Все верхние коллекторы двухсветных вертикально потолочных экранов, перегорожены заглушками и поэтому в каждом экране вода делает по два хода, проходя из одного в другие при помощи перепускных труб. Из верхнего коллектора правого бокового экрана топки вода уходит из котла.

Для сжигания газа в котле установлены четыре газовые горелки внешнего смешения с принудительной подачей воздуха и газа. Подовые горелки с прямой щелью, выложены из огнеупорного кирпича, установлены между секциями вертикальных топочных экранов. Горелки работают на природном газа среднего давления (Р газа-200мм.вод.ст.).Расход газа всеми горелками котла при номинальном режиме работы составляет 1100 м3/час [3].

Соотношение топливо-воздух 1 к 9.8?10.

Вода для подогрева в отопительном котле поступает в два нижних коллектора 1 конвективной поверхности, пройдя последнюю, она собирается в верхних коллекторах 2 конвективной поверхности и далее по нескольким потолочно-фронтальным трубам 3 направляется в нижний коллектор 4 потолочного экрана, откуда по потолочно-фронтальным трубам 5 поступает в верхний коллектор 6 этого же потолочного экрана. Далее вода последовательно проходит через экраны: левый боковой 7, три двухсветных 8 и правый боковой 9. Нагретая вода через коллектор правого бокового экрана отопительного котла попадает на выход 10 в теплосеть. Водогрейные отопительные котлы типа ТВГ имеют КПД 91,5%.

Параметры котла следующие: теплопроизводительность котла 8,3 МВт (8 Гкал/ч)[3]; дутьевой вентилятор типа Ц-13-50 №5 производительностью 13000 м3/ч, максимальное рабочее давление при котором срабатывает сигнализация 10 мм.вод.ст; разряжение, минимальное рабочее давление - 0.8 мм.вод.ст; расход воды через котел 104 т/ч; температура уходящих газов, 150 ?С; температура воды: на входе 70 ?С и на выходе 150 ?С; расход газа 1100 м3/ч; КПД котла 90%; Давление воды: мах 14 кг/см2 и мин 8 кг/см2.

Кроме регулирования соотношения газ, на котельной так же регулируются такие параметры как:
- уровень в баке деаэратора;

- давление в обратном трубопроводе;

- температура хим-очищенной воды

Деаэраторы повышенного давления (ДПВ) в тепловой схеме станции выполняют целый ряд функций: помимо своей основной -- деаэрации питательной воды, они служат ступенью подогрева в регенеративной схеме подогрева воды, аккумулирующей и буферной емкостью между конденсатными и питательными насосами, являются источником пара постоянного давления и температуры, а также местом ввода в схему разного рода высокопотенциальных дренажей. Однако основной функцией деаэраторов является удаление из питательной воды коррозионно-активных газов. Такими газами являются кислород (02) и свободная двуокись углерода (С02).

Описанная выше структурная схема шахтной котельной установки требует своего дальнейшего изучения в рамках математической модели, что в дальнейшем позволит обеспечивать на практике адекватные параметры разрабатываемой САУ.

Построение строгой математической модели представляет собой сложный многоэтапный процесс, основывающийся на последовательном преобразовании описания исследуемого объекта с целью более ясного представления его структуры, принципа функционирования, а также выявления основных закономерностей, обуславливающих его поведение. Поэтому прежде чем приступить к собственно структурной аналитической идентификации, необходимо составить концептуальную модель исследуемого объекта.

Структурная модель котельной установки приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структурная схема котельной установки: Qг – расход газообразного топлива; Qт.н. г.в., Тт.н вых – расход и температура теплоносителя на выходе из котла, Qт.н. х.в. , Тт.н вх – расход и температура теплоносителя на входе в котел, Qух.газ., Тух.газ – расход и температура уходящих газов, Qвозд – расход воздуха, 1 – подогреватель, служащий для подогрева холодной воды с помощью уходящих газов, 2 – манометр, 3 –МЭО подачи газа и воздуха, 4 – клапан контроля давления газа

На основании структуры объекта исследования – газового котла, а также предполагаемых функций синтезируемой САУ по регулированию производительности котла, составим расчетную схему идентифицируемого объекта (см. рис. 2), где КУ – котельная установка, БР – блок регулировки, которая осуществляет регулировку открытия/закрытия задвижки, для подачи определенного количества газа и воздуха в топку котла, а также регулировку разряжения в топке котла [4].

Рисунок 2 – Расчетная схема идентифицируемого объекта

Таким образом, на вход БР поступает входной сигнал требуемой уставки по производительности котла Wзад. Кроме того, на него также поступает и внешнее возмущающее воздействие по фактической температуре окружающей среды Тос, Которое также непосредственно воздействует и на котел (КУ).

На основании этой технологической информации БР вырабатывает сигналы управления на КУ – W(qгаз) по расходу газа и W(qвоз) по расходу воздуха. Вектором входных параметров V(t,q)const КУ является значения Тт.н вх и Qт.н г.в , которые стараются поддерживать постоянными. Выходным параметром КУ является Тух.г – температура уходящих газов, которая находится в прямой зависимости от производительности котла.

На базе данной структуры, канонических уравнений теплового баланса газовых котлоагрегатов [1][2], а также численных технических характеристик рассматриваемого котла типа ТВГ-8М [5] была осуществлена параметрическая идентификация разрабатываемой модели и получен график зависимости расхода газообразного топлива В от температуры окружающей среды t.

Как видно из рис. 3, поскольку низкая температура воздуха, поступающего в котлоагрегат, приводит к тому, что холодный воздух, смешиваясь с газом, вызывает недопустимое охлаждение топочной камеры, то для погашения разности температур требуется подавать больше газа для прогрева топочной камеры.

Рисунок 3 – График зависимости расхода топлива от температуры холодного воздуха

Таким образом, в рамках данного исследования был проведен детальный анализ котельной установки, составлены структурная модель КУ и расчетная схема САУ тепловой нагрузкой котельной установки шахты. Результаты моделирования показали, что разработка создаст предпосылки для дальнейшей реализации таких важных функций, как точный учет расхода газ-воздух, а также многих других функций аппаратуры автоматизации шахтной котельной установки, что позволить повысить научно-технический уровень автоматизации данного объекта.

Список использованной литературы

1. Справочник по теплоснабжению и вентиляции. Книга 1. Отопление и теплоснабжение. Щекин Р.В. и др. 1976, 352 с
2. Топливо, топки и котельные установки. Щеголев М.М. 1953. 4-е издание переработанное, 546 с.
3. Справочник по водоподготовке котельных установок. Лифшиц О.В. 1976.
4. Лазарева Т.Я., Мартемьянов Ю.Ф. Основы теории автоматического управлення: Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. Тамбов: Изд-во Тамб.гос.техн.ун-та, 2004, 352с.
5. Наладка котельных установок. Кемельман Д.H., Эскин Н.Б., Энергоатомиздат. Москва. 1989, 320 с