Система автоматического регулирования процесса горения в котлоагрегате для сжигания твердого топлива в кипящем слое
SYSTEM OF AUTOMATIC REGULATION OF COMBUSTION PROCESS IN BOILER FOR BURNING SOLID FUEL IN FLUIDIZED BED

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно, к системе автоматического регулирования процесса горения в котлоагрегате для сжигания твердого топлива в кипящем слое, для котлоагрегатов с рециркуляцией уходящих газов.
Известна система автоматического регулирования параметров котла с топкой низкотемпературного кипящего слоя (НТКС), разработанная специалистами треста «Донецкуглеавтоматика»: Бочаров А.А., Вискин Ж.В. Методика реконструкции и эксплуатации топок для сжигания высокозольных углей в кипящем слое. Донецк: Донецкуглеавтоматика, 1989, с. 80-91 - [1]. Она состоит из регуляторов разряжения, уровня, выпуска шлака, воздуха, топлива. Работа всех регуляторов осуществляется с использованием исполнительных механизмов МЭО. В данной схеме предусмотрен контроль следующих параметров: температуры уходящих дымовых газов, давления дутьевого воздуха, температуры кипящего слоя, температуры и давления пара (воды) на выходе из котла, параметры электродвигателей дутьевого вентилятора и дымососа.
Так же известны способы сжигания угля в высокотемпературном кипящем слое по литературным источникам:
- Смирнов А.В., Юферев Ю.В., Воронов В.Ю., Макаров В.П. Технология сжигания угля в высокотемпературном кипящем слое в коммунальных котельных малой мощности. СПб: Стройпрофиль, 2004, №4/1, с. 108-110-[2];
- Юферев Ю.В., Воронов В.Ю. Опыт реконструкции и эксплуатации котла «Братск» с топкой ВТКС. // Сборник работ докторантов и адъюнктов. СПб: БИТУ, 1998, №2, с. 56-58 - [3].
Устройства их реализующие способы сжигания угля по [2] и [3] включают в себя вариатор, регулирующий подачу топлива, преобразователь напряжения с двигателем постоянного тока для привода подвижной решетки для удаления шлака и золы. Регулирование производительности дымососа и вентилятора осуществляется посредством исполнительных механизмов электрических однооборотных (МЭО).
Данные аналоги [1], [2] и [3] обладают рядом недостатков:
- регулирование разряжения в топке котла и подачи воздуха осуществляется при помощи шиберов с электроприводами МЭО, что приводит к потерям при дросселировании воздуха и газов;
- отсутствуют преобразователи частоты для привода вентилятора и дымососа, что увеличивает расход электроэнергии;
- отсутствует позонное регулирование первичного воздуха, что приводит к увеличению потерь от химического недожога и с механической неполнотой сгорания топлива;
- нет канала регулирования давления вторичного воздуха, вследствие чего снижается эффективность выгорания топлива и возрастает доля уноса твердых частиц из слоя;
- для регулирования подачи топлива используется вариатор, для привода подвижной решетки для удаления шлака и золы преобразователь напряжения, которые характеризуются низкой надежностью.
Известен «Котлоагрегат для сжигания твердого топлива в кипящем слое» по патенту на полезную модель РФ: RU 170747 U1 от 05.05.2017, МПК F23C 10/02 - [4], в котором для повышения его эффективности применен перепуск уходящих газов в линию подачи воздуха в топку котлоагрегата. Котлоагрегат [4] состоит из механического топочного устройства в виде наклонной к горизонту подвижной колосниковой решетки для сжигания твердого топлива в высокотемпературном кипящем слое с подачей воздуха под решетку и в надслоевое пространство, поверхностей нагрева в виде газоплотных экранов, обеспечивающих разворот газов для организации системы возврата уноса, питателя топлива, эжектора, дополнительной поверхности нагрева вдоль решетки с включенной в надрешеточную поверхность трубной секцией в контуре циркуляции котла, питателя топлива выполненного в виде шнека, воздуховода в зоне первичного дутья под решеткой изогнутого до вертикального положения, воздуховода в зонах вторичного дутья выполненого в виде щелевых сопел, линии всасывания дутьевого вентилятора котла соединенной с напорной линии дымососа, для подмешивания уходящих газов. Применение на линии всасывания дутьевого вентилятора котла соединенного с напорной линией дымососа позволяет осуществить подмес уходящих газов. Подмес уходящих газов к воздуху, идущему на горение, предотвращает увеличения температуры в топке и уменьшает концентрацию кислорода в смеси. Это приводит к установлению оптимальной температуры горения и снижает вероятность зашлаковывания подвижной колосниковой решетки.
Недостатком котлоагрегата [4] с каналом рециркуляции уходящих газов, является то, что он обладает низким уровнем автоматизации, так как для него не известна система автоматического регулирования процесса горения для сжигания твердого топлива в кипящем слое. Другими словами, не известна система автоматического регулирование процесса горения для котлоагрегата с подмесом уходящих газов, что не позволяет автономно его эксплуатировать.
Прототипом заявленной системы автоматического регулирования процесса горения в топке с высокотемпературным кипящим слоем котла с каналом рециркуляции уходящих газов является система по патенту на полезную модель РФ: RU 49603 U1 от 27.11.2005, МПК F23N 1/00 - [5], которая состоит из программируемого контроллера с блоками управления регуляторов и установленными на собственно котлоагрегате датчиками и исполнительными механизмами. Система по прототипу [5] состоит из регуляторов разряжения, уровня, выпуска шлака, воздуха, топлива. В данной схеме предусмотрен контроль следующих параметров: температуры уходящих дымовых газов, давления дутьевого воздуха, температуры кипящего слоя, температуры и давления пара (воды) на выходе из котла, параметры электродвигателей дутьевого вентилятора и дымососа. Приводные механизмы вентилятора, дымососа, питателя топлива и подвижной решетки для удаления шлака и золы оснащены частотно-регулируемыми приводами. В схему системы автоматического регулирования включен программируемый контроллер, который обеспечивает регулирование работы всех регуляторов, приборов контроля и безопасности, что позволяет полностью автоматизировать процесс горения в топке котла, повысить управляемость котлом с применением текстовой панели, которая входит в состав программируемого контроллера, уменьшить количество обслуживающего персонала.
Недостатком прототипа - «системы» [5] является то, что она не предназначена для «устройства» [4], то есть не может быть без усовершенствования применена на данном котлоагрегате с подмесом уходящих газов (рециркуляцией уходящих газов). Кроме того, система [5], предназначенная для эксплуатации с котлоагрегатом без рециркуляции уходящих газов обладает недостаточной эффективностью при изменений основных параметров (расходов воздуха, топлива) на переходных режимах и внештатных неблагоприятных воздействиях на остальных режимах. Например, при уменьшении расхода топлива при прежней подаче воздуха может увеличиться коэффициент избытка воздуха, и как следствие температура горения. В результате появляется вероятность образования шлаковых мостиков на узкой колосниковой решетке. Аналогичная ситуация может происходить при отклонении фракционного состава топлива от штатных значений.
Недостатки аналогов и прототипа ставят задачу повышения автоматизации котлоагрегата [4] путем создания системы автоматического регулирования процесса горения котлоагрегата для сжигания твердого топлива в кипящем слое, обеспечивающей повышение эффективности управления процессом горения в котлоагрегате на переходных и стационарных режимах.
Данная задача решается за счет того, что в системе автоматического регулирование процесса горения котлоагрегата (с каналом рециркуляции уходящих газов) для сжигания твердого топлива в кипящем слое дополнительно установлен регулятор рециркуляции уходящих газов, соединенный с датчиком температуры кипящего слоя, исполнительным механизмом регулирования рециркуляции уходящих газов, датчиками контроля и безопасности на линии первичного дутья и рециркуляции.
Сущность заявленного изобретения состоит в том, что «система автоматического регулирования процесса горения котлоагрегата для сжигания твердого топлива в кипящем слое», состоит из программируемого контроллера с блоками управления регуляторов, установленных на собственно котлоагрегате с датчиками и исполнительными механизмами. При этом на котлоагрегате установлены исполнительные механизмы и частотно-регулируемые приводы, к которым кабелями подсоединены газоанализатор, датчики температуры кипящего слоя, температуры и давления воды на входе и выходе из котла. Исполнительные механизмы установлены для регулирования подачи топлива, регулирования шиберов входящей воздушной смеси с каналами регулирования позонного первичного, вторичного дутья, разряжения, удаления шлака и золы с датчиками приборами контроля и безопасности. Частотно-регулируемые приводы установлены на вентилятор, дымосос, питатель топлива, подвижную решетку для удаления шлака и золы. Котлоагрегат снабжен каналом регулирования рециркуляцией уходящих газов, на котором установлен регулятор рециркуляции уходящих газов, соединенный с датчиком температуры кипящего слоя, исполнительным механизмом регулирования рециркуляции уходящих газов, датчиками контроля и безопасности на линии первичного дутья и рециркуляции.
Техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение уровня автоматизации системой автоматического регулирования процесса горения котлоагрегата с каналом рециркуляции уходящих газов для сжигания твердого топлива в кипящем слое и повышения эффективности управления процессом горения на переходных и стационарных режимах.
Ограничительные признаки изобретения «система автоматического регулирования процесса горения котлоагрегата для сжигания твердого топлива в кипящем слое, состоящая из программируемого контроллера с блоками управления регуляторов и установленных на собственно котлоагрегате датчиками и исполнительными механизмами» описывают общие элементы двух прототипов: «котлоагрегата» и «системы автоматического регулирования процесса горения в топке с высокотемпературным кипящим слоем», а также заявленного технического решения.
Отличительные признаки изобретения «на котлоагрегате установлены исполнительные механизмы и частотно-регулируемые приводы к которым кабелями подсоединены газоанализатор, датчики температуры кипящего слоя, температуры и давления воды на входе и выходе из котла, исполнительные механизмы установлены для регулирования подачи топлива, регулирования шиберов входящей воздушной смеси с каналами регулирования позонного первичного, вторичного дутья, разряжения, удаления шлака и золы с датчиками приборами контроля и безопасности, частотно-регулируемые приводы установлены на вентилятор, дымосос, питатель топлива, подвижную решетку для удаления шлака и золы, при этом котлоагрегат снабжен каналом регулирования рециркуляцией уходящих газов, на котором установлен регулятор рециркуляции уходящих газов, соединенный с датчиком температуры кипящего слоя, исполнительным механизмом регулирования рециркуляции уходящих газов, датчиками контроля и безопасности, на линии первичного дутья и рециркуляции» позволяют повысить уровень автоматизации котлоагрегата для сжигания твердого топлива в кипящем слое с каналом рециркуляции уходящих газов созданием системы автоматического регулирования процесса горения такого котла, которая в свою очередь позволит повысить эффективность управления процессом горения на переходных и стационарных режимах.
Предложенная система автоматического регулирования процесса горения в котлоагрегате для сжигания твердого топлива в кипящем слое поясняется чертежом, где:
1 - программируемый контроллер (ПК);
2 - котлоагрегат для сжигания твердого топлива в кипящем слое с рециркуляцией уходящих газов;
3, 4, 5 и 6 - исполнительные механизмы с частотно-регулируемыми приводами;
7 - газоанализатор;
8 - датчик температуры кипящего слоя;
9, 10 - датчики температуры и давления воды (сетевой) на входе в котлоагрегат;
11, 12 - датчики температуры и давления воды (сетевой) на выходе из котлоагрегата;
13 - исполнительный механизм для регулирования подачи топлива (привод питателя);
14 - вентилятор для воздушной смеси;
15, 16, 17 и 18 - шибера для регулирования позонного первичного дутья;
19, 20, 21 и 22 - датчики давления позонного первичного дутья;
23 - датчики давления (общего) первичного дутья;
24 - датчик расхода воздуха;
25, 26, 27 и 28, - исполнительные механизмы с электроприводом шиберов регулирования позонного первичного дутья;
29 - шибер регулирования вторичного дутья;
30 - датчик давления вторичного дутья;
31 - исполнительный механизм с электроприводом шибера регулирования вторичного дутья;
32 - датчик давления рециркуляции уходящих газов;
33 - датчик расхода рециркуляции уходящих газов;
34 - шибер регулирования рециркуляции уходящих газов;
35 - исполнительный механизм с электроприводом шибера регулирования уходящих газов;
36 - дымосос;
37 - датчик разряжения;
38 - привод подвижной колосниковой решетки;
39 - питатель топлива;
40 - подвижная колосниковая решетка;
41 - дымовая труба;
42, 43, 44, 45 – дутьевые зоны первичного дутья.
Изобретение состоит из ПК (1) с блоками управления регуляторов (на чертеже не указаны и входят в ПК (1)). ПК с блоками управления регуляторов может быть выполнен как в виде отдельного блока, так и совместно со стандартной ПЭВМ (ноутбуком). На собственно котлоагрегате (2), установлены исполнительные механизмы (3…6) с частотно-регулируемыми приводами к которым кабелями подсоединены: газоанализатор (7), датчик температуры кипящего слоя (8), температуры и давления воды на входе (9, 10) и выходе (11, 12) из котлоагрегата. Исполнительные механизмы (13) установлены для регулирования подачи топлива, для воздушной смеси вентилятор (14) с каналами регулирования позонного первичного дутья, которые включают шибера (15…18) с датчиками давления (19…22) позонного регулирования, общего давления (23) и расхода (24) с исполнительны механизмами (25…28) с электроприводом. Канал регулирования вторичного дутья включает в себя шибер (29) регулирования, датчик давления (30) и исполнительный механизм (31) с электроприводом. Канал регулирования рециркуляцией уходящих газов включает датчик давления (32) и расхода (33), шибер регулирования (34) и исполнительный механизм (35) с электроприводом. Регулирование разряжения производится исполнительным механизмом дымососа (36) с датчиками разряжения (37), удаления шлака и золы приводом (38) подвижной решетки (40). Частотно-регулируемые приводы установлены на вентилятор (14), дымосос (36), питатель топлива (39), подвижную решетку для удаления шлака и золы (40). Дымосос (36) связан газоходом уходящих газов с дымовой трубой (41).
Заявленная система работает следующим образом.
При изменении тепловой нагрузки на котлоагрегат от датчиков температур прямой (9) и обратной сетевой воды (11) подается сигнал в ПК (1), где сравниваются текущие значения температур в прямом и обратном трубопроводах с заданными значениями из режимной карты котла. При возникновении сигнала рассогласования указанных величин, из ПК (1) подается сигнал на регуляторы подачи топлива и воздуха с учетом рециркуляции уходящих газов. Сигналы, подающиеся на данные регуляторы, имеют дискретные значения. После каждого изменения величины подачи топлива, воздуха и газов рециркуляции, с определенной выдержкой времени заново происходит сравнение текущих значений температур в прямом и обратном трубопроводах с заданными значениями. Этот процесс продолжается до тех пор, пока сигнал рассогласования не войдет в заданный диапазон значений.
Канал регулирования первичного воздуха, вторичного дутья и рециркуляцией уходящих газов работает следующим образом. Сигнал от датчика (8) температуры, расположенным в кипящем слое над первой дутьевой зоной, поступает в программируемый контроллер ПК (1), где сравниваются текущие значения температур с заданными значениями из режимной карты котла. При возникновении сигнала рассогласования указанных величин из ПК (1) подается сигнал на регуляторы подачи топлива (13), воздуха (25 – 28) и регулятор системы рециркуляции уходящих газов, где с помощью расходомеров, установленных на трубопроводах первичного воздуха и газов рециркуляции, шибером рециркуляции (34) исполнительного механизма с электроприводом (35) подбирается необходимый состав газовоздушной смеси (подмесом уходящих газов). Далее через зоны регулирования первичного дутья по датчикам давления (19…22) шиберами (15…18), исполнительных механизмов с электроприводом (25…28) выставляется необходимый расход газовоздушной смеси для настройки оптимального режима горения.
Канал регулирования рециркуляцией уходящих газов посредством исполнительного механизма (35) с электроприводом осуществляет управление расходом уходящих газов, забираемых с напорной линии дымососа (36) и подмешиваемых к воздуху, подаваемому на горение. Вследствие этого уменьшается возможность спекания шлака на подвижной колосниковой решетке (40) за счет уменьшения концентрации кислорода в смеси воздуха и уходящих газов, и поддержания оптимальной температуры горения топлива. Данный метод регулирования концентрации кислорода в смеси уходящих газов и воздуха, подаваемого на горение, также позволяет не снижать скорость потока смеси, необходимую для устойчивого псевдоожижения.
2
Регулирование вторичного воздуха организовано следующим образом. Сигнал об изменении концентрации СО и О в дымовых газах поступает от газоанализатора (7) и после сравнения в ПК (1) преобразованный сигнал поступает на исполнительный механизм (31), установленный на линии подачи вторичного воздуха.
Сигналы, подающиеся на данные регуляторы, имеют дискретные значения. После каждого изменения величины подачи топлива, воздуха и уходящих газов, с определенной выдержкой времени заново происходит сравнение текущих значений температур и концентраций в слое с заданными значениями. Этот процесс продолжается до тех пор, пока сигнал рассогласования не войдет в заданный диапазон значений.
Регулятор разряжения в топке котлоагрегата работает в режиме постоянного опроса датчика разряжения (37). Сигнал о разрежений в топочной камере сравнивается в ПК (1) и при отклонении от заданного значения появляется сигнал рассогласования, который в ПК (1) преобразуется в управляющий сигнал на изменение частоты вращения частотно-регулируемого привода дымососа (36). Ее изменение прекращается при отсутствии сигнала рассогласования.
Регулятор удаления шлака и золы предназначен для оптимального распределения материала слоя и удаления твердых продуктов горения. Входными сигналами для данного регулятора являются расход топлива. ПК (1) выдает управляющий сигнал согласно режимной карте котла на изменение частоты вращения частотно-регулируемого привода (38) подвижной решетки для удаления шлака и золы.
Предложенная «система автоматического регулирования процесса горения котлоагрегата для сжигания твердого топлива в кипящем слое», для котлоагрегатов с рециркуляцией отходящих газов не выявлена из существующего уровня развития техники, что позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизны».
Вышеприведенная совокупность отличительных признаков заявленной «системы автоматического регулирования процесса горения котлоагрегата для сжигания твердого топлива в кипящем слое», не известна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил известных устройств, технологий (способов), а именно:
- установка на канале регулирования рециркуляции уходящих газов, регулятора;
- соединение вышеуказанного регулятора с датчиком температуры кипящего слоя, а также с исполнительным механизмом регулирования рециркуляции уходящих газов и датчиками контроля и безопасности на линии первичного дутья и рециркуляции,
что доказывает соответствию критерию «изобретательский уровень»,
Конструктивная реализация заявленного изобретения с указанной совокупностью признаков не представляет никаких конструктивно -технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленное применение».
Литература.
1. Бочаров А.А., Вискин Ж.В. Методика реконструкции и эксплуатации топок для сжигания высокозольных углей в кипящем слое, Донецк: Донецкуглеавтоматика, 1989, с. 80-91.
2. Смирнов А.В., Юферев Ю.В., Воронов В.Ю., Макаров В.П. Технология сжигания угля в высокотемпературном кипящем слое в коммунальных котельных малой мощности. СПб: Стройпрофиль, 2004, №4/1, с. 108-110.
3. Юферев Ю.В., Воронов В.Ю. Опыт реконструкции и эксплуатации котла «Братск» с топкой ВТКС. // Сборник работ докторантов и адъюнктов. СПб: БИТУ, 1998, №2, с. 56-58.
4. Патент на полезную модель РФ: RU 170747 U1 от 05.05.2017, МПК F23C 10/02, «Котлоагрегат для сжигания твердого топлива в кипящем слое» - прототип по котлоагрегату.
5. Патент на полезную модель РФ: RU 49603 U1 от 27.11.2005, МПК F23N 1/00, «Система автоматического регулирования процесса горения в топке с высокотемпературным кипящим слоем котла малой мощности» -прототип по системе.