РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ САУ ШАХТНОЙ КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКОЙ С ТОПКОЙ НТКС

Авторы: Кучковская Г.В., магистрант; Неежмаков С.В., доц., к.т.н., Ткаченко А.Е., доц., к.т.н.
Источник: Вискин Ж.В. Сжигание угля в кипящем слое и утилизация его отходов / Ж.В. Вискин и др. – Донецк: «Новый мир», 1997. – 284 c.; Ткаченко, А.Е. Методика повышения эффективности работы группы котлоагрегатов низкотемпературного кипящего слоя [Текст] / А.Е. Ткаченко, Б.В. Гавриленко, С.В. Неежмаков // Энергетические системы: сборник трудов II Международной научнотехнической конференции, 23-24 ноября 2017. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2017. – С. 100–106. (Синтезирован алгоритм расчета рационального состава и производительности котлоагрегатов НТКС).; Анхимюк В.Л., Опейко О.Ф., Михеев Н.Н. Теория автоматического управления- Минск: Дизайн ПРО, 2000. 351 с

На сегодняшнее время в качестве источников теплоты на шахтах предпочтительно использовать котлы с топками низкотемпературного кипящего слоя (НТКС). Главными преимуществами этой технологии являются сжигание угля с зольностью до 70%, использование некондиционного угля шахты, возможность полной автоматизации работы топки, наличие нескольких способов оперативного регулирования ее производительности, снижение выбросов в атмосферу оксидов азота.

Рассмотрим технологию сжигания твердого топлива в НТКС. На рис.1 представлена конструкция котельной установки с топкой НТКС. Псевдоожиженый (кипящий) слой представляет собой совокупность полидисперсных частиц, через которые продувается ожижающий воздух с определённой скоростью, достаточной для ожижения и не превышающей скорость уноса частиц топлива из топки. При этом частицы топлива находятся во взвешенном состоянии и интенсивно перемешиваются по объёму топки, благодаря чему улучшается поступление воздуха ко всем частицам топлива и интенсифицируется процесс горения [1].

Рисунок 1 – Технологическая схема шахтной котельной установки с топкой низкотемпературного кипящего слоя: 1 - емкость для жидкого топлива; 2 - топливный насос; 3 - дутьевой вентилятор; 4 - растопочное устройство; 5 - перфорированная труба; 6 - топка; 7 - забрасыватель топлива; 8 - топливный бункер; 9 - котел; 10 - радиационная поверхность нагрева; 11 - экономайзер; 12 - циклон первой ступени очистки; 13 - труба; 14 - дымосос; 15 - циклон второй ступени очистки; 16 - двойные пылевые затворы; 17 - вентилятор возвращения отнесения; 18 - эжектор; 19 - циклон прямоточный; 20 - газоход; 21 - бункер золы; 22 - разгрузчик золы; 23 - конвейер золоудаления

Дутьевой воздух для ожижения слоя подаётся в топку через воздухораспределительную решётку при помощи высоконапорного дутьевого вентилятора ВМЦ-6 со скоростью достаточной для кипения слоя. Для равномерного распределения воздуха по всей площади топки устанавливаются воздухоподающие колпачки с 6-8 отверстиями для прохода воздуха, скорость которого на выходе из отверстий составляет 60-80 м/с. Конструкция колпачка должна исключать попадания шлака или топлива в воздухоподающие каналы при прекращении подачи воздуха. В топки с НТКС воздух должен, в зависимости от высоты слоя, поступать под давлением 3-10 кПа. Коэффициент избытка воздуха, подаваемого в топку на 1 кг угля несколько выше, чем для слоевых топок, и составляет 1,2-1,6 теоретически необходимого.

Воздухораспределительная решётка представляет собой совокупность труб, приваренных к воздухораспределительному коллектору, к которым приварены патрубки с колпачками, имеющими по периметру отверстия, через которые под высоким давлением подаётся воздух в топку. Топливо в топку подаётся из топливного бункера с фронта котла при помощи забрасывателя типа ЗП-600, который крепится к фронтальной плите от топки ЗП-РПК.

Для бесперебойной и безаварийной работы топок НТКС большое значение имеет поддержание температуры и высоты слоя, что в процессе сжигания угля обеспечивается своевременностью удаления накапливающейся золы [1]. Ввиду высокой интенсивности процессов окисления топлива в кипящем слое, если не обеспечить отвод теплоты из слоя, частицы угля и наполнителя нагреваются выше температуры начала размягчения золы и слой зашлаковывается. Чтобы этого не происходило, необходимо, чтобы температура в слое не превышала температуру начала размягчения золы.

Наиболее целесообразно обеспечить температуру слоя равной 800 – 850°С. Температуры близкие к 800°С определяются наиболее оптимальными условиями связывания оксидов серы, выделяющимися из топлива в процессе горения, доломитом и известняком, а также щелочноземельными металлами, содержащимися в золе топлива. При этих температурах снижаются и выбросы оксида азота.

Поддержание температуры на заданном уровне может быть осуществлено различными способами:

• регулированием расхода твердого топлива;

• регулированием расхода дутьевого воздуха, что менее экономично, чем предыдущий вариант;

• установкой дополнительных погружных поверхностей нагрева (ППН), набранных из труб;

  Внутри труб циркулирует вода, которая нагревается, отбирая теплоту слоя; охлаждение слоя погруженными в него трубчатыми поверхностями не позволяет подняться температуре выше температуры начала размягчения золы; спекание золы в этом случае не происходит и слой остаётся в подвижном состоянии;

• подачей на слой воды (пара или других инертных газов);

• пневмотранспорт в слой “холодных” негорючих твёрдых частиц.

Как видим, технология НТКС имеет ряд технологических особенностей, которые следует учитывать при обеспечении эффективного и безаварийного функционирования объекта. При несоблюдении требуемого диапазона значений технологических параметров возможен выход топки из строя из-за спекания или, наоборот, загасания слоя. С другой стороны, именно этот вид топок позволяет эксплуатировать с высоким КПД низкосортное твердое топливо, удобен для автоматического управления и имеет несколько, вышеперечисленных, способов регулирования температуры слоя. Также отметим, что именно возможность оперативного регулирования температуры слоя дает возможность оперативного управления производительностью котлоагрегатов с топками НТКС в соответствии с меняющимися во времени потребностями потребителей.

Таким образом, разработка системы автоматического управления котельной установкой с топкой НТКС является актуальной-научено технической задачей, и преследует цель обеспечить стабильное, безаварийное и эффективное протекания процесса сжигания твердого топлива.

Разрабатываемая САУ должна удовлетворять следующим требованиям:

• система должна обеспечивать требуемое быстродействие по изменению производительности котла в соответствии с переменным тепловым спросом;

• в системе должны быть применены средства визуализации состояния технологических объектов и процессов с использованием графических образов и анимации;

• система должна выполнять функции управления технологическими режимами работы котлов НТКС, а также функции противоаварийной защиты;

• конструктивно разрабатываемая система должна быть построена на унифицированных, серийно выпускаемых средствах промышленной автоматики, с потенциально возможным расширением ее функций и увеличением количества объектов управления за счет применения модульного принципа построения;

• САУ должна обеспечивать автоматическое, местное и дистанционное управление технологическими объектами котельной установки;

• оборудование, используемое в системе, должно быть работоспособно в соответствующих климатических условиях;

• рекомендуется использовать интеллектуальные датчики, желательно со встроенными функциями самодиагностики.

Подлежат контролю и сигнализации следующие параметры:

• температура дымовых газов (0-250°С);

• температура розжига котла (0-1100°С);

• температура кипящего слоя (+950°С);

• температура воды до и за контуром охлаждения (70°С ,95°С);

• давление воздуха после дутьевого вентилятора (3-5 кПа);

• сигнализация на разряжение в топке котла (0.05 кПа);

• сигнализация на разрежение перед дымососом (0.04 кПа);

• сигнализация на сопротивление кипящего слоя (4 кПа).

Отдельно подчеркнем, что обеспечение требуемой производительности топки НТКС реализуется по значению температуры слоя путем ее регулирования по расходу твердого топлива, а, по исчерпанию резерва регулирования по данному параметру, регулированием по расходу дутьевого воздуха [2].

При этом приоритет регулирования производительности топки отдаем в первую очередь регулированию по расходу твердого топлива, поскольку это значительно экономнее. И переходим на регулирование по расходу дутьевого воздуха только когда первое средство не может обеспечить необходимой глубины управления.

Также к задачам разрабатываемой САУ относятся функции наблюдения, чтобы температура НТКС не вышла за предельные значения и, таким образом, предотвращается аварийная ситуация, а также выдача информации на верхний уровень управления, об исчерпании резервов обоих методов регулирования мощности топки при недостигнутой уставке.

В соответствии с обоснованными выше требованиями к рассматриваемой САУ была разработана следующая ее структура, которая приведена на рисунке 2, в которой учитывается выбранный комбинированный способ регулирования производительности – по расходу твердого топлива и по скорости дутьевого воздуха [3].

Данная система предназначена для подержания необходимого режима, т.е. изменения температуры Тф в соответствии с заданием по производительности топки НТКС.

Как видим, управляющее устройство УУ на основании измерения фактического значения регулируемой переменной Тф (температуры НТКС) через отрицательную обратную связь от чувствительного элемента ЧЭ (датчика температуры), а также на основании требуемой уставки температуры Тзад формирует управляющее воздействие на объект регулирования. Регулируемой величиной при этом Тф является температура в топке НТКС, а на управляющее устройство УУ по сути воздействует разность сигналов фактической и заданной температур НТКС [3].

На объект управления ОУ воздействуют сигналы управления с управляющего устройства УУ через исполнительные механизмы ИМ и регулирующие органы РО, а ИМ2 и РО2 , соответственно, к каналу по расходу дутьевого воздуха.

Рисунок 2 – Структура разрабатываемой САУ производительности котельной установки с топкой НТКС

Таким образом, в данном исследовании была рассмотрена котельная установка с топкой низкотемпературного кипящего слоя как объект автоматизации. Обоснованы и разработаны требования к адекватной САУ управления ее безаварийным и эффективным функционированием. В соответствии с ними, основной функцией разрабатываемой системы является оперативное регулирование производительности топки по переменному текущему тепловому спросу.

Также было обосновано применение комбинированного способа регулирования производительностью котельной уставки – по расходу твердого топлива и по расходу дутьевого воздуха. Была предложена структура системы управления, которая позволяет реализовать параллельно оба эти способа, с корректировкой по отклонению фактической температуры по отрицательной обратной связи. Надо отметить, что представленная САУ позволит существенно повысить точность и экономичность работы топок данного класса.

Перечень ссылок

1. Вискин Ж.В. Сжигание угля в кипящем слое и утилизация его отходов / Ж.В. Вискин и др. – Донецк: «Новый мир», 1997. – 284 c.
2. Ткаченко, А.Е. Методика повышения эффективности работы группы котлоагрегатов низкотемпературного кипящего слоя [Текст] / А.Е. Ткаченко, Б.В. Гавриленко, С.В. Неежмаков // Энергетические системы: сборник трудов II Международной научнотехнической конференции, 23-24 ноября 2017. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2017. – С. 100–106. (Синтезирован алгоритм расчета рационального состава и производительности котлоагрегатов НТКС).
3. Анхимюк В.Л., Опейко О.Ф., Михеев Н.Н. Теория автоматического управления - Минск: Дизайн ПРО, 2000. 351 с.