2.3. Принцип работы системы автоматизации.

Газ в ГРУ поступает через кран из входного трубопровода и попадает в фильтр, для очистки от примесей. Уже очищенный газ поступает в регулятор давления РДБК-1-50, который снижает его давление до установленного значения. Затем газ проходит через выходной кран и отправляется к котлу.

В зависимости от изменения подачи топлива в топ­ку нужно регулировать также соотношение топливо-воздух, так как количество подаваемого на горение воздуха должно строго соответствовать стехиометрическому составу. Практически в топке котла всегда поддерживается некоторый избыток воздуха по сравнению с не­обходимым количеством для полного сгорания топли­ва. Задача регулятора соотношения топливо-воздух состоит таким образом в обеспечении постоянства коэффициента избытка воздуха в топке. Эта задача выполняется путем автоматического управления подачей воздуха в зависимости от положения регулятора давления РДБК-1-50.

Следующий по ходу процесса параметр регулирова­ния - это разрежение в топке котла, которое необхо­димо поддерживать неизменным при колебаниях нагруз­ки. Величина разрежения снимается в верхней части топочной камеры датчиком разрежения Метран-150CD и передается на контроллер УМКА-03, который через шкаф управления ШУК-03-УФ приводит в действие частотный привод Триол АТ24 дымо­соса ДН-11,2 (центобежного), уменьшая или увеличивая его подачу, и частотный привод Триол АТ23 дутьевого вентилятора ВДН-9м-1500.

Для осуществления точной подстройки режима работы котла под текущую ситуацию с достижением максимальной экономии топлива и минимизации вредных выбросов используется кислородный датчик (λ-зонд).

Датчик присоединен к газоанализатору АДГ-210, который преобразовывает сигнал и передаёт его на контроллер УМКА-03 для последующей обработки и передачи в шкаф управления ШУК-03-УФ.

Также с помощью теплосчётчика, состоящего из двух расходомеров Эталон-РМ, двух ультразвуковых преобразователей расхода УПР-600Ф-СТ20 и тепловычислителя ВКТ-5, ведётся контроль расхода воды через котлы с сигнализацией аварийного режима. Аварийный режим подразумевает прекращение движения теплоносителя через котёл.

При возникновении аварийного режима теплосчётчик подаёт сигнал на шкаф управления ШУК-03-УФ, который приводит в действие программу по остановке работы котельной установки и отправляет аварийный сигнал на пульт оператора[11].

2.4. Процессы, протекающие в котельной установке.

Котельная установка состоит из котельного агрегата, вспомогательных механизмов и устройств. Паровым котлом называется комплекс агрегатов, предназначенных для получения водяного пара. Этот комплекс состоит из ряда теплообменных устройств, связанных между собой и служащих для передачи тепла от продуктов сгорания топлива к воде и пару. Исходным носителем энергии, наличие которого необходимо для образования пар из воды, служит топливо.

Основными элементами рабочего процесса, осуществляемого в котельной установке, являются:

1) процесс сжигания топлива, с целью получения тепловой энергии;

2) процесс теплообмена между продуктами сгорания и теплоносителем (вода, пар);

3) процесс парообразования, состоящий из нагрева воды, ее испарения и нагрева полученного пара.

Одной из основных задач, возникающей при эксплуатации котельного агрегата, является повышение эффективности сжигания топлива. В свою очередь процессы парообразования и передачи энергии в котлоагрегате однозначно обусловлены эффективностью процесса теплообмена.

Горение топлива является физико-химическим процессом. Химическая сторона горения представляет собой процесс окисления его горючих элементов кислородом, проходящий при определенной температуре и сопровождающийся выделением тепла. Интенсивность горения, а так же экономичность и устойчивость процесса горения топлива зависят от способа подвода и распределения воздуха между частицами топлива. Условно принято процесс сжигания топлива делить на три стадии: зажигание, горение и дожигание. Эти стадии в основном протекают последовательно во времени, частично накладываются одна на другую.

Расчет процесса горения обычно сводится к определению количества воздуха в м³, необходимого для сгорания единицы массы или объема топлива количества и состава теплового баланса и определению температуры горения.

Значение теплоотдачи заключается в теплопередаче тепловой энергии, выделяющейся при сжигании топлива, воде, из которой необходимо получить пар, или пару, если необходимо повысить его температуру выше температуры насыщения. Процесс теплообмена в котле идет через водогазонепроницаемые теплопроводные стенки, называющиеся поверхностью нагрева. Поверхности нагрева выполняются в виде труб. Внутри труб происходит непрерывная циркуляция воды, а снаружи они омываются горячими топочными газами или воспринимают тепловую энергию лучеиспусканием. Таким образом, в котлоагрегате имеют место все виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен. Соответственно поверхность нагрева подразделяется на конвективные и радиационные. Количество тепла, передаваемое через единицу площади нагрева в единицу времени носит название теплового напряжения поверхности нагрева. Величина напряжения ограничена, во-первых, свойствами материала поверхности нагрева, во-вторых, максимально возможной интенсивностью теплопередачи от горячего теплоносителя к поверхности, от поверхности нагрева к холодному теплоносителю [14].

Интенсивность коэффициента теплопередачи тем выше, чем выше разности температур теплоносителей, скорость их перемещения относительно поверхности нагрева и чем выше чистота поверхности.

Информация о составе дымовых газов трансформируется во входной сигнал системы коррекции избытка воздуха и служит элементом всей микропроцессорной системы управления качеством и экологичностью сжигания топлива. Однако возможность эффективного использования этой информации по трем рассмотренным выше измерениям требует следующего комментария, который сводится к трем тезисам:

1. Измерение концентрации диоксида углерода ни само по себе, ни в совокупности с другими измерениями не может служить эффективно задаче управления горением топлива, поскольку в именно в требуемом диапазоне регулирования α=1,05÷1,10 дает максимальные ошибки как в силу сильной зависимости от соотношения С/Н топлива, так и в связи с искажающим влиянием химнедожога на показание газоанализатора.

2. Концентрация избыточного кислорода, измеренная с помощью циркониевого датчика, сама по себе определяет избыток воздуха, подаваемого на горение, однако не содержит объективной информации о полноте сгорания. Тем не менее, высоконадежная и чувствительная система управления с О2-корректирующим контуром в сочетании с грамотно определенной оптимальной кривой “нагрузка-О2” позволяет экономить 2-4 % топлива в годовом исчислении.

3. Информация о концентрации оксида углерода, являясь показателем полноты сгорания, не обеспечивает какого-либо измерения коэффициента избытка воздуха. Такие системы могут найти ограниченное применение на крупных энергетических агрегатах при условии постоянства характеристик топлива и мало переменных режимах работы агрегатов.

4. Наиболее объективный результат измерения коэффициента избытка воздуха в продуктах сгорания может быть получен на основе совместной обработки информации о концентрации кислорода и СО (продуктов химнедожога). Кроме того, такая информация является необходимой для оценки не только полноты, но и экологических характеристик сжигания топлива.

На основе изложенного формулируются основные энерго-экологические принципы управления сжиганием топлива следующим образом:

- Первичная установка соотношения “топливо-воздух” может осуществляться штатной системой автоматики, действующей на принципах параллельного или перекрестного ограничительного регулирования. Этот этап является даже предпочтительным, поскольку позволяет грубо, но очень быстро реагировать на изменение нагрузки агрегата.

- По результатам измерения концентрации кислорода микропроцессорный регулятор устанавливает режим работы агрегата в соответствии с заложенной в его программу кривой “нагрузка-О2”, что обеспечивает наиболее близкие к оптимальным показатели сжигания топлива (без учета возмущающих факторов и изменения технического состояния котла).

- Измерение концентрации СО в продуктах сгорания позволяет микропроцессору осуществить дальнейшее приближение режима работы котла к оптимуму. Законом регулирования при этом является минимально возможный в данных условиях избыток воздуха на границе появления химнедожога. Диапазон концентраций СО, в котором осуществляется корректировка α, достаточно индивидуален для каждого агрегата. В качестве обобщенной рекомендации можно говорить о принятии микропроцессором решения “воздуха много” при концентрации СО 50 ppm, а решения “воздуха мало”- при концентрации 200 ppm.

Система автоматического регулирования процесса горения осуществляет снижение содержания кислорода в дымовых газах до тех пор, пока в них не появляется оксид углерода, что является сигналом начала образования в топке локальных зон с недостатком кислорода. Можно сказать, что описываемая система контроля и регулирования обеспечивает слежение за процессом горения как на уровне котлоагрегата в целом, так и на уровне его локальных зон. Одновременно с этим, появляющееся в процессе эксплуатации изменение оптимального содержания кислорода в дымовых газах является свидетельством развивающихся дефектов в системах и узлах котлоагрегата.

На основе изложенных принципов авторами была разработана автоматизированная система контроля и регулирования процесса горения «Умный факел» для типового котлоагрегата малой и средней мощности.

Разработанная система автоматического регулирования процесса горения осуществляет снижение содержания кислорода в дымовых газах до тех пор, пока в них не появляется оксид углерода, что является сигналом начала образования в топке локальных зон с недостатком кислорода. Можно сказать, что описываемая система контроля и регулирования обеспечивает слежение за процессом горения как на уровне котлоагрегата в целом, так и на уровне его локальных зон. Одновременно с этим, появляющееся в процессе эксплуатации изменение оптимального содержания кислорода в дымовых газах является свидетельством развивающихся дефектов в системах и узлах котлоагрегата.