Система автоматического регулирования процесса горения котлоагрегата для сжигания твёрдого топлива в кипящем слое с горелкой жидкого топлива
SYSTEM FOR AUTOMATIC CONTROL OF COMBUSTION PROCESS OF BOILER UNIT FOR COMBUSTION OF SOLID FUEL IN FLUIDISED BED WITH BURNER OF LIQUID FUEL

Техническое решение относится к области теплоэнергетики, а именно к системе автоматического регулирования процесса горения котлоагрегата для сжигания твердого топлива в кипящем слое с горелкой жидкого топлива.
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 электрических однооборотных (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, параметров 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 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 с горелкой для сжигания жидкого топлива» по патенту на полезную модель РФ: RU 172520 U1 от 11.07.2017, МПК F23C 10/02 - [4], состоящий из механического топочного устройства в виде наклонной к горизонту подвижной колосниковой решетки для сжигания твердого топлива в высокотемпературном кипящем слое, поверхностей нагрева, питателя топлива, эжектора, с поверхностями нагрева в виде газоплотных экранов, обеспечивающих разворот газов для организации системы возврата уноса, с подачей воздуха под решетку и в надслоевое пространство, с дополнительной поверхностью нагрева вдоль решетки, включенной в контур циркуляции котла, в топочном устройстве, на верхнем экране, установлена горелка для сжигания жидкого топлива, направленная в сторону дутьевых зон первичного воздуха колосниковой решетки.
Недостатком известного аналога [4], является то, что не известна для этого котлоагрегата система автоматического регулирования. То есть, не описана работа котлоагрегата [4] с системой автоматического регулирования процесса горения с горелкой для сжигания жидкого топлива, что снижает эффективность его эксплуатации. Кроме того, расположение горелки котлоагрегата в верхнем экране топочного устройства обладает низкой эффективностью при розжиге твердого топлива, в том числе при нештатных ситуациях использовании горелки для работы котлоагрегата на резервном жидком топливе, а также при регулировании производительности котлоагрегата (выхода на необходимый режим тепловой нагрузки).
Прототипом заявленной системы автоматического регулирования процесса горения котлоагрегата для сжигания твердого топлива в кипящем слое с горелкой жидкого топлива 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 к которым кабелями подсоединены датчики и исполнительные механизмы, установленные на собственно котле. Система по прототипу [5] состоит из регуляторов разряжения, выпуска шлака, воздуха, топлива. В данной схеме предусмотрен контроль следующих параметров: температуры уходящих дымовых газов, давления дутьевого воздуха, температуры кипящего слоя, температуры и давления воды на входе и 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 котлоагрегата [4], то есть не может быть без усовершенствования применена на котлоагрегате для сжигания твердого топлива в кипящем слое с горелкой жидкого топлива.
Так для котлоагрегата [4] необходимо дополнительно обеспечивать при помощи системы [5] следующие режимы работы:
1. Обеспечение автоматической растопки топки котлоагрегата жидким топливом после полного прекращения ее работы, в случае длительной остановки и охлаждения для ремонта или консервации котлоагрегата, или при кратковременной остановке и охлаждения при временном отключении потребителей тепловой энергии;
2. Обеспечение возможности перехода на резервный вид топлива, что снижает надежность теплоснабжения потребителей.
3. Обеспечение возможности регулировании производительности котлоагрегата при работе одновременно с жидким топливом, в том числе и при нештатных ситуациях.
Недостатки аналогов и прототипа ставят задачу совершенствования системы автоматического регулирования процесса горения котлоагрегата для сжигания твердого топлива в кипящем слое с горелкой жидкого топлива для повышения уровня автоматизации котлоагрегата при работе его горелки жидкого топлива в одном из трех выше перечисленных режимов. Кроме того, ставит задачу совершенствования самого котлоагрегата [4], а именно по расположению горелки жидкого топлива, для повышения эффективности ее работы в составе котлоагрегата.
Данные задачи решаются за счет того, что горелка для сжигания жидкого топлива установлена сбоку топки котлоагрегата и выполнена трехрежимной, а система автоматического регулирования усовершенствована для процесса горения такого котлоагрегата для сжигания твердого топлива в кипящем слое с горелкой жидкого топлива.
Сущность заявленного изобретения состоит в том система автоматического регулирования процесса горения котлоагрегата для сжигания твердого топлива в кипящем слое с горелкой жидкого топлива, состоящая из программируемого контроллера с блоками управления регуляторов к которым кабелями подсоединены датчики и исполнительные механизмы, установленные на собственно котлоагрегате. На котлоагрегате высокотемпературного кипящего слоя установлены исполнительные механизмы с электроприводами и частотно-регулируемые приводы, газоанализатор, датчики температуры кипящего слоя, температуры и давления воды на входе и выходе из котлоагрегата, исполнительные механизмы 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 вентилятора, дымососа, питателя топлива, подвижной решетки для удаления шлака и золы. При этом горелка жидкого топлива установлена сбоку топки котлоагрегата и выполнена трехрежимной, первый режим горения - для розжига (запуска) котлоагрегата, второй режим горения - для подержания стабильной тепловой мощности (работает совместно в горением твердого топлива), третий режим горения - при использовании жидкого топлива как основного резервного. Насос подачи горелки жидкого топлива оборудован электродвигателем с частотно-регулируемым приводом, который кабелем соединен к соответствующему регулятору блока управления программируемого контроллера
Техническим результатом является повышение уровня автоматизации котлоагрегата и повышение безопасности эксплуатации в различных режимах и при внештатной ситуации.
Ограничительные признаки изобретения «Система автоматического регулирования процесса горения котлоагрегата для сжигания твердого топлива в кипящем слое с горелкой жидкого топлива», состоящая из программируемого контроллера с блоками управления регуляторов к которым кабелями подсоединены датчики и исполнительные механизмы, установленные на собственно котлоагрегате» описывают общие элементы системы автоматического регулирования процесса горения котлоагрегата малой мощности высокотемпературного кипящего слоя для прототипа и заявленного технического решения.
Отличительные признаки «на котлоагрегате высокотемпературного кипящего слоя установлены исполнительные механизмы с электроприводами и частотно-регулируемые приводы, газоанализатор, датчики температуры кипящего слоя, температуры и давления воды на входе и выходе из котлоагрегата, исполнительные механизмы 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 вентилятора, дымососа, питателя топлива, подвижной решетки для удаления шлака и золы, при этом горелка жидкого топлива установлена сбоку топки котлоагрегата и выполнена трехрежимной, первый режим горения - для розжига (запуска) котлоагрегата, второй режим горения - для подержания стабильной тепловой мощности (работает совместно с горением твердого топлива), третий режим горения - при использовании жидкого топлива как основного резервного, насос подачи горелки оборудован электродвигателем с частотно-регулируемым приводом, который кабелем соединен к соответствующему регулятору блока управления программируемого контроллера», позволят достигнуть заявленный технический результат, а именно повысить уровень автоматизации котла и надежности теплоснабжения потребителей тепловой энергии за счет того, что предусмотрено:
- возможность осуществления автоматического включения горелки для розжига твердого топлива за счет факела, образующегося при сгорании жидкого топлива;
- возможность оперативного осуществления смены вида топлива с основного (твердого) на резервное (жидкое) при возникновении неисправностей в системе питания котлоагрегата основным видом топлива;
- возможность регулирования производительности котлоагрегата (добирать тепловую мощность) с помощью частотно-регулируемого привода исполнительного механизма горелки на жидком топливе.
Предложенная система автоматического регулирования процесса горения котлоагрегата для сжигания твердого топлива в кипящем слое с горелкой жидкого топлива поясняется фигурой на листе графических материалов, где:
1 - программируемый контроллер (ПК);
2 - котлоагрегат для сжигания твердого топлива в кипящем слое;
3 - горелка для сжигания жидкого топлива на жидком топливе;
4, 5, 6, 7, 8 - исполнительные механизмы с частотно-регулируемыми приводами дымососа, подвижной колосниковой решетки, питателя топлива, вентилятора, насоса горелки;
9 - газоанализатор;
10 - датчик температуры кипящего слоя;
11, 12 - датчики температуры и давления воды (сетевой) на входе в котлоагрегат;
13, 14 - датчики температуры и давления воды (сетевой) на выходе из котлоагрегата;
15 - исполнительный механизм для регулирования подачи топлива (привод питателя);
16 - вентилятор для воздушной смеси;
17, 18, 19 и 20 - шибера для регулирования позонного первичного дутья;
21, 22, 23 и 24 - датчики давления позонного первичного дутья;
25 - датчики давления (общего) первичного дутья;
26, 27, 28 и 29 - исполнительные механизмы с электроприводом шиберов регулирования позонного первичного дутья;
30 - шибер регулирования вторичного дутья;
31 - датчик давления вторичного дутья;
32 - исполнительный механизм с электроприводом шибера регулирования вторичного дутья;
33 - дымосос;
34 - датчик разряжения;
35 - привод подвижной колосниковой решетки;
36 - питатель топлива;
37 - подвижная колосниковая решетка;
38 - расходный бак жидкого топлива;
39 - дымовая труба.
Заявленное техническое решение состоит из программируемого контроллера (1) с блоками управления регуляторов к которым кабелями подсоединены датчики и исполнительные механизмы, установленные на собственно котлоагрегате (2) для сжигания твердого топлива в кипящем слое с горелкой (3) жидкого топлива. На котлоагрегате (2) высокотемпературного кипящего слоя установлены исполнительные механизмы с электроприводами и частотно-регулируемые приводы (4, 5, 6, 7, 8), газоанализатор (9), датчики температуры кипящего слоя (10), температуры и давления воды на входе (11, 12) и выходе (13, 14) из котлоагрегата (2). Исполнительные механизмы для регулирования подачи топлива (15), разрежения (34), удаления шлака и золы (35) и регулирования шиберов (17, 18, 19, 20, 30) с датчиками приборами контроля и безопасности. Шибера (17, 18, 19, 20) установлены для регулирования расхода входящей воздушной смеси с каналами регулирования соответственного четырех зон первичного дутья. Шибер (30) установлен для регулирования расхода входящей воздушной смеси вторичного дутья. Вентилятор (16), дымосос (33), питатель топлива (36), подвижной колосниковой решетки (37) для удаления шлака и золы снабжены частотно-регулируемыми приводами соответственно (7), (4), (6), (5). Горелка (3) жидкого топлива установлена сбоку топки котлоагрегата (2) и выполнена трехрежимной, первый режим горения - для розжига котлоагрегата (2), второй режим горения - для подержания стабильной тепловой мощности, третий режим горения - при использовании жидкого топлива как основного резервного. Насос подачи горелки (3) оборудован электродвигателем с частотно-регулируемым приводом (8), который кабелем соединен к соответствующему регулятору блока управления программируемого контроллера (1).
Работа системы автоматического регулирования процесса горения котлоагрегата для сжигания твердого топлива в кипящем слое с горелкой жидкого топлива организована следующим образом.
При работе котлоагрегата без включения горелки жидкого топлива:
При изменении тепловой нагрузки на котлоагрегат (2) от датчиков температур на входе (11) и на выходе (13) сетевой воды из котлоагрегата (2) подается сигнал в ПК (1), где сравниваются текущие значения температур в прямом и обратном трубопроводах с заданными значениями из режимной карты котлоагрегата. При возникновении сигнала рассогласования указанных величин, из ПК (1) подается сигнал на регуляторы подачи топлива и воздуха. Сигналы, подающиеся на данные регуляторы, имеют дискретные значения. После каждого изменения величины подачи топлива и воздуха, с определенной выдержкой времени заново происходит сравнение текущих значений температур в прямом и обратном трубопроводах с заданными значениями. Этот процесс продолжается по тех пор, пока сигнал рассогласования не войдет в заданный диапазон значений.
2
Регулирование давления первичного воздуха осуществляется с помощью шиберов позонного регулирования (17…20), датчиков давления (21…24), исполнительные механизмы с электроприводами (26…29). Регулирование вторичного воздуха организовано следующим образом. Сигнал об изменении концентрации СО и О в дымовых газах поступает от газоанализатора (9), и после сравнения в ПК (1) преобразованный сигнал поступает на исполнительный механизм с электроприводом шибера регулирования вторичного дутья (32).
Регулятор разряжения в топке котлоагрегата (2) работает в режиме постоянного опроса датчика разряжения (34). Сигнал о разрежении 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 (33). 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 котлоагрегата (2) на изменение частоты вращения частотно-регулируемого привода подвижной решетки для удаления шлака и золы (35).
При работе котлоагрегата в режиме розжига:
После выполнения предпусковых мероприятий по сигналам поступающим по каналам управления от ПК (1), происходит включение топливного насоса горелки (3) на жидком топливе и дымососа (33).
На ПК (1) от датчика температуры кипящего слоя (10) поступают сигналы об изменении температуры в топке котлоагрегата (2).
При достижении заданных температур в топке котлоагрегата (2) по каналам управления поступают сигналы на включение привода питателя топлива (15), подвижной решетки для удаления шлака и золы (35), вентилятора (16) и отключение горелки (3) на жидком топливе. Данные сигналы имеют дискретные значения. После каждого изменения величины температуры кипящего слоя, с определенной выдержкой времени заново происходит сравнение его текущего значения с заданными значениями. Этот процесс продолжается до тех пор, пока сигнал рассогласования не войдет в заданный диапазон значений.
При работе котлоагрегата с горелкой жидкого топлива в режиме поддержания стабильной тепловой мощности:
При изменении тепловой нагрузки на котлоагрегат (2) от датчиков температур на входе (11) и на выходе (13) сетевой воды из котлоагрегата (2) подается сигнал в ПК (1), где сравниваются текущие значения температур в прямом и обратном трубопроводах с заданными значениями из режимной карты котлоагрегата (2). При длительном возникновении сигнала рассогласования указанных величин, из ПК (1) подается сигнал на включении горелки на жидком топливе. При помощи насоса подачи топлива и электродвигателя горелки с частотно-регулируемым приводом, соединенного с регулятором блока управления ПК(1) подбирается необходимый расход жидкого топлива для выхода котлоагрегата (2) на стационарный режим устойчивого горения (установленную тепловую мощность).
После каждого изменения величины температуры на входе (11) и на выходе сетевой воды (11), с определенной выдержкой времени заново происходит сравнение его текущего значения с заданными значениями.
При выходе котлоагрегата (2) в режим устойчивого поддержания заданной нагрузки (мощности) горелка отключается.
При использовании жидкого топлива, как основного резервного:
При возникновении внештатной ситуации (прекращение поступления основного топлива), котлоагрегат (2) переводится на режим горения с использованием жидкого топлива как основного. Горелка (3) на жидком топливе получает сигнал на включение от программируемого контроллера (1).
Сигнал от датчика (10) температуры, расположенного в кипящем слое, поступает в программируемый контроллер ПК (1), где сравниваются текущие значения температур с заданными значениями из режимной карты котлоагрегата (2). При возникновении сигнала рассогласования указанных величин, из ПК (1) подается сигнал на частотный преобразователь горелки (3) жидкого топлива через регулятор подачи жидкого топлива на необходимый расход топливной смеси. Этот процесс продолжается до тех пор, пока сигнал рассогласования не войдет в заданный диапазон значений.
Реализация заявленного технического решения позволяет:
1. Осуществлять автоматическое включение горелки на жидком топливе для розжига твердого топлива за счет факела, образующегося при сгорании жидкого топлива, что повышает уровень автоматизации котлоагрегата.
2. Оперативно осуществлять смену вида топлива с основного (твердого) на резервное (жидкое) при возникновении неисправностей в системе питания котлоагрегата основным видом топлива, что повышает уровень безопасности эксплуатации в различных режимах и при внештатной ситуации.
3. Регулировать производительность котлоагрегата (добирать тепловую мощность) с помощью частотно-регулируемого привода исполнительного механизма горелки на жидком топливе, что повышает уровень автоматизации и безопасности.
Предложенная «система автоматического регулирования процесса горения котлоагрегата для сжигания твердого топлива в кипящем слое с горелкой жидкого топлива» не выявлена из существующего уровня развития техники, что позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизны».
Выше приведенная совокупность отличительных признаков заявленной «системы автоматического регулирования процесса горения котлоагрегата для сжигания твердого топлива в кипящем слое с горелкой жидкого топлива», а именно установки на котлоагрегате высокотемпературного кипящего слоя трехрежимной горелки с частотно-регулируемым приводом, соединенной кабелем к соответствующему регулятору блока управления программируемого контроллера, не известна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил известных устройств, технологий (способов), 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».
Список использованных источников
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: ВИТУ, 1998, №2, с. 56-58.
4. Патент на полезную модель РФ: RU 172520 U1 от 11.07.2017, МПК F23C 10/02, «Котлоагрегат для сжигания твердого топлива в кипящем слое с горелкой для сжигания жидкого топлива».
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.