СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМА РАБОТЫ УСТАНОВКИ СУХОГО ТУШЕНИЯ КОКСА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CONTROL OF OPERATION MODE OF COKE DRY-QUENCHING PLANT AND DEVICE FOR ITS REALISATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Заявляемая группа изобретений относится к коксохимической промышленности и может быть использована в установках сухого тушения кокса (УСТК).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В УСТК тушение кокса осуществляется циркулирующим газом, который циркулирует по контуру с помощью тягодутьевого устройства. Составными частями УСТК также являются камера тушения кокса, система очистки циркулирующих газов и котел-утилизатор. В камере тушения кокса происходит охлаждение кокса с помощью циркулирующих газов. Котел-утилизатор предназначен для утилизации тепла циркулирующих газов, которые отходят от камеры тушения кокса. На выходе котла-утилизатора получают перегретый пар, который используют на технологические нужды.
Значительная часть энергозатрат при сухом тушении кокса приходится на работу тягодутьевого устройства, которое обеспечивает регулирование расхода циркулирующих газов, поэтому уменьшение энергозатрат возможно достичь за счет оптимизации режима работы УСТК, что является важной задачей во время ее эксплуатации.
Температура перегретого пара является важным показателем работы УСТК и должна поддерживаться на заданном уровне, что также достигается за счет оптимизации режима работы УСТК.
Из опыта эксплуатации УСТК известно, что температура перегретого пара зависит от расхода циркулирующих газов в контуре УСТК, а именно при увеличении расхода циркулирующих газов температура перегретого пара снижается, и наоборот.
Расход циркулирующих газов, который необходим для обеспечения номинальной температуры перегретого пара, зависит от нагрузки УСТК по коксу, температуры кокса и ряда других параметров. Из-за несовершенства существующих схем регулирования температуры перегретого пара, в частности, при нестабильной нагрузке УСТК, температура перегретого пара изменяется в недопустимых пределах. При этом, если температура перегретого пара опускается ниже номинального значения, энергозатраты на работу тягодутьевого устройства увеличиваются на пропорциональную величину.
Известны способы и устройства регулирования режима работы УСТК, которые отличаются друг от друга номенклатурой измеряемых показателей и эффективностью регулирования.
ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗВЕСТНЫХ СПОСОБОВ
Известен способ регулирования режима работы УСТК, согласно которому регулирование температуры перегретого пара производят с помощью введения в поток перегретого пара охлаждающего агента, в частности питательной воды (см. Казарновский Е.М. Регулирование температуры перегретого пара в мощных паровых установках, М., «Металлургиздат», 1960, с.50-53).
Способ заключается в том, что в поток перегретого пара вводится охлаждающий агент, который испаряется за счет теплоты перегретого пара, смешиваясь с ним, и понижает температуру перегретого пара на необходимую величину.
Недостатками известного способа являются:
1. Ограниченный диапазон нагрузок котла-утилизатора с номинальной температурой перегретого пара.
2. Нестабильность температуры перегретого пара.
3. Дополнительные затраты, связанные с использованием оборудования, необходимого для подачи под давлением охлаждающего агента в перегретый пар.
4. Отсутствие контроля расхода циркулирующих газов для тушения кокса, что приводит к увеличению энергозатрат.
Вышеуказанные недостатки связаны с неэффективным регулированием режима работы УСТК, в связи с недостаточным выбором номенклатуры измеряемых показателей, которые не позволяют обеспечить адаптивный контроль процесса тушения кокса.
Известен способ регулирования режима работы УСТК, согласно которому контролируют температуру перегретого пара, температуру циркулирующих газов на входе в котел-утилизатор с выработкой блоком управления команды управления тягодутьевым устройством (см. а.с. СССР №1017008, опубл. 23.03.92, МПК С10В 39/02). В известном способе дополнительно контролируют разрежение циркулирующих газов перед тягодутьевым устройством.
Недостатками известного способа являются:
1. Нестабильность температуры перегретого пара.
2. Значительные энергозатраты, связанные с неэффективной работой тягодутьевого устройства.
Вышеуказанные недостатки обусловлены незначительной зависимостью измеряемого показателя, а именно величины разрежения перед тягодутьевым устройством, температурой перегретого пара.
В то же время величина значения разрежения перед тягодутьевым устройством изменяется в процессе работы УСТК, например, при частичном забивании коксом косых ходов камеры тушения, что приводит к избыточному расходу циркулирующих газов и, соответственно, увеличению энергозатрат при осуществлении известного способа.
ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗВЕСТНЫХ УСТРОЙСТВ
Известно устройство регулирования режима работы УСТК, которое используется в установках сухого тушения кокса, содержащее датчик температуры перегретого пара, выход которого связан с блоком управления, и систему введения охлаждающего агента в перегретый пар (см. Казарновский Е.М. Регулирование температуры перегретого пара в мощных паровых установках, М., «Металлургиздат», 1960, с.50-53).
Недостатками известного устройства являются:
1. Ограниченный диапазон нагрузок котла-утилизатора с номинальной температурой перегретого пара.
2. Нестабильность температуры перегретого пара.
3. Дополнительные затраты, связанные с использованием оборудования, необходимого для подачи под давлением охлаждающего агента в перегретый пар.
4. Отсутствие контроля расхода циркулирующих газов для тушения кокса, что приводит к увеличению энергозатрат.
Вышеуказанные недостатки связаны с неэффективным регулированием температуры перегретого пара, в связи с недостаточным выбором номенклатуры измеряемых показателей, которые не позволяют обеспечить адаптивный контроль процесса тушения кокса.
Известно устройство регулирования режима работы УСТК, содержащее блок управления, выход которого связан с тягодутьевым устройством, датчик температуры перегретого пара, выход которого связан с первым входом блока управления, датчик температуры циркулирующих газов на входе в котел-утилизатор, выход которого связан со вторым входом блока управления (см. а.с. СССР №1017008, опубл. 23.03.92, МПК С10В 39/02). В известном устройстве дополнительно установлен датчик разрежения циркулирующих газов перед тягодутьевым устройством.
Недостатками известного устройства являются:
1. Нестабильность температуры перегретого пара.
2. Значительные энергозатраты, связанные с неэффективной работой тягодутьевого устройства.
Недостатки, присущие известному устройству, связаны с неэффективным способом регулирования режима работы УСТК, в котором реализовано данное устройство. Вышеуказанные недостатки связаны с незначительной зависимостью измеряемого показателя, а именно величины разрежения перед тягодутьевым устройством, с температурой перегретого пара. Это обусловлено тем, что разрежение перед тягодутьевым устройством может изменяться в процессе работы УСТК по разным причинам, которые не связаны с температурой перегретого пара, например, при частичном забивании коксом косых ходов камеры тушения. При этом также наблюдается увеличение энергозатрат, связанных с работой тягодутьевого устройства, и увеличение угара кокса.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей группы изобретений является разработка способа и устройства для его осуществления, которые характеризуются повышенной точностью регулирования температуры перегретого пара и пониженными энергозатратами.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе регулирования режима работы УСТК, согласно которому контролируют температуру перегретого пара, температуру циркулирующих газов на входе в котел-утилизатор с выработкой блоком управления команды управления тягодутьевым устройством, согласно заявляемому способу контролируют температуру циркулирующих газов на выходе из котла-утилизатора, контролируют фактический расход циркулирующих газов, затем полученные данные о температуре циркулирующих газов на выходе из котла-утилизатора, а также данные о фактическом расходе циркулирующих газов поступают на вышеупомянутый блок управления для выработки команды управления, согласно которой данные о расчетном расходе циркулирующих газов поступают на вышеупомянутое тягодутьевое устройство.
В результате чего фактический расход циркулирующих газов приводится в соответствии с расчетным расходом циркулирующих газов.
В частном варианте реализации способа определение расчетного расхода циркулирующих газов осуществляют на основании следующих зависимостей:
где
1
3
B - фактический расход циркулирующих газов, м/ч;
2
3
В - расчетный расход циркулирующих газов, м/ч;
A, k - величины, зависящие от конструкции и параметров УСТК;
1
Q - фактическая тепловая нагрузка установки сухого тушения кокса, Дж/ч;
2
Q - расчетная тепловая нагрузка установки сухого тушения кокса, Дж/ч;
Т - заданное значение температуры перегретого пара, °С;
1
3
C - значение теплоемкости циркулирующих газов на входе в котел-утилизатор, Дж/(м°С);
2
3
С - значение теплоемкости циркулирующих газов на выходе из котла-утилизатора, Дж/(м°С);
1
t - температура циркулирующих газов на входе в котел-утилизатор, °С;
2
t - температура циркулирующих газов на выходе из котла-утилизатора, °С.
В результате использования способа регулирования режима работы УСТК происходит непрерывное определение расчетного расхода циркулирующих газов, что непосредственно влияет на значение температуры перегретого пара в УСТК и позволяет мгновенно реагировать на изменения значений температуры перегретого пара, за счет оперативного изменения расхода циркулирующих газов. Расчетный расход циркулирующих газов, определяемый на основании зависимостей (1-5), обеспечивает поддержание точного значения температуры перегретого пара, а также позволяет уменьшить энергозатраты УСТК.
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЗАЯВЛЯЕМОГО СПОСОБА
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве регулирования режима работы УСТК, содержащем блок управления, выход которого связан с тягодутьевым устройством, датчик температуры перегретого пара, выход которого связан с первым входом блока управления, датчик температуры циркулирующих газов на входе в котел-утилизатор, выход которого связан со вторым входом блока управления, согласно заявляемому изобретению устройство снабжено датчиком температуры циркулирующих газов на выходе из котла-утилизатора, выход которого связан с третьим входом блока управления и датчиком расхода циркулирующих газов, выход которого связан с четвертым входом блока управления.
В результате использования устройства регулирования режима работы УСТК осуществляется непрерывное определение расчетного расхода циркулирующих газов, который непосредственно влияет на значение температуры перегретого пара в УСТК, что позволяет мгновенно реагировать на изменения значений температуры перегретого пара, за счет оперативного изменения расхода циркулирующих газов, а также позволяет уменьшить энергозатраты УСТК.
Также с помощью заявляемого устройство дополнительно обеспечивается снижение угара кокса вследствие уменьшения присосов воздуха в УСТК при оптимальном расходе циркулирующих газов, что позволяет увеличить выход кокса.
ЧЕРТЕЖИ
Способ регулирования режима работы УСТК и устройство для его осуществления поясняются с помощью чертежа (Фиг.1), который прилагается к описанию заявляемой группы изобретений, и с помощью графика (Фиг.2), который также прилагается к настоящему описанию.
2
2
Так, на фиг.2 изображено два графика А и В, которые были построены на основании зависимости B=A+kQ. При этом графику А соответствует полученная зависимость (1) для УСТК производительностью 52 т/ч (пример 3 настоящего описания), а графику В соответствует полученная зависимость (1) для УСТК производительностью 74 т/ч (пример 4 настоящего описания).
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ГРУППЫ ИЗОБРЕТЕНИЙ
Заявляемая группа изобретений, а именно способ регулирования режима работы УСТК и устройство для его осуществления, была реализована следующим образом.
Каждая УСТК имеет свои индивидуальные характеристики, например, объем загрузки камеры тушения кокса, вид системы очистки циркулирующих газов, вид теплообменных поверхностей и т.д., что влияет на определение расчетного расхода циркулирующих газов. Поэтому при запуске УСТК предварительно необходимо произвести испытания ее работы в тестовом режиме, при котором определяют значение температуры перегретого пара и соответствующие значения контролируемых показателей, а также определяют расчетное значение тепловой нагрузки установки сухого тушения кокса. После чего с помощью статистических методов устанавливаются зависимости (1-5), которые в дальнейшем используются при эксплуатации УСТК.
При реализации способа регулирования режима работы УСТК после определения зависимостей (1-5) в тестовом режиме работы установки сухого тушения кокса выполняется следующая последовательность действий:
1
1. Измеряется фактический расход циркулирующих газов, B.
1
2. Измеряется фактическая тепловая нагрузка установки сухого тушения кокса, Q.
2
3. На основании зависимости (1) определяется расчетное значение расхода циркулирующих газов, B.
1
2
2
4. Сравниваются значения B и B. Если они не совпадают, то с помощью тягодутьевого устройства изменяется фактический расход циркулирующих газов, который устанавливается равным B.
ПРИМЕР 1 ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
В УСТК требовалось обеспечить значение температуры перегретого пара (Т). Для этого был использован заявленный способ регулирования режима работы УСТК.
Произвели тестовый режим работы установки сухого тушения кокса, в процессе которого были определены коэффициенты А и k для непосредственной реализации заявляемого способа в соответствии с зависимостями (1-5).
Согласно заявляемому способу температуру перегретого пара контролировали с помощью датчика 1. Температуру циркулирующих газов на входе в котел-утилизатор 2 контролировали с помощью датчика 3. С помощью датчика 4 контролировали температуру циркулирующих газов на выходе из котла-утилизатора 2. Фактический расход циркулирующих газов контролировали с помощью датчика 5. Полученные данные о температуре циркулирующих газов на входе в котел-утилизатор 2, данные о температуре циркулирующих газов на выходе из котла-утилизатора 2, данные о фактическом расходе циркулирующих газов поступали на блок управления 6 для выработки команды управления тягодутьевым устройством 7.
2
Определение расчетного расхода циркулирующих газов (B) осуществляли на основании зависимостей (1-5).
Вышеупомянутый способ регулирования температуры перегретого пара был реализован в УСТК.
В камеру тушения кокса 8 загружали кокс. При этом в процессе эксплуатации УСТК фактическая тепловая нагрузка установки сухого тушения кокса изменялась во времени и отличалась от номинального значения. Циркулирующие газы, которые отводили от камеры тушения кокса 8 с помощью тягодутьевого устройства 7, поступали в котел-утилизатор 2. В результате чего образовывался перегретый пар, который отводился от котла-утилизатора 2 по паропроводу 9.
Полученные блоком управления 6 данные о расчетном расходе циркулирующих газов поступали на тягодутьевое устройство 7, что обеспечивало необходимый гидравлический режим работы УСТК. В процессе работы УСТК происходило непрерывное изменение контролируемых параметров, которые изменялись вследствие охлаждения кокса, величины загрузки камеры тушения кокса 8 и других факторов. Данные о показателях, которые изменялись, поступали в блок управления 6, который обрабатывал полученные данные для выработки команды управления для тягодутьевого устройства 7, которое обеспечивало оптимальное и непрерывное поддержание гидравлического режима с целью получения требуемой температуры перегретого пара, который отводился от котла-утилизатора 2 по паропроводу 9. Следует отметить, что в процессе работы УСТК при изменении контролируемых параметров фактический расход циркулирующих газов приводит к отклонению от оптимального гидравлического режима, что, в свою очередь, приводит к изменению температуры перегретого пара, данные о которой непрерывно поступают в блок управления 6. В результате чего блок управления 6, для поддержания заданного значения температуры перегретого пара, производит определение расчетного расхода циркулирующих газов для изменения фактического расхода циркулирующих газов до расчетного значения. Таким образом, в настоящем изобретении обеспечивается адаптивное управление процессом работы УСТК.
ПРИМЕР 2 ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВА
Устройство для осуществления способа регулирования режима работы УСТК предназначено для использования в установке сухого тушения кокса, которая содержит камеру тушения кокса 8, котел-утилизатор 2, от которого отводится перегретый пар по паропроводу 9, систему очистки циркулирующих газов и тягодутьевое устройство 7.
Устройство характеризуется наличием блока управления 6, выход которого связан с тягодутьевым устройством 7, датчик 1 температуры перегретого пара, выход которого связан с первым входом блока управления 6, датчик 3 температуры циркулирующих газов на входе в котел-утилизатор 2, выход которого связан со вторым входом блока управления 6. Устройство также снабжено датчиком 4 температуры циркулирующих газов на выходе из котла-утилизатора 2, выход которого связан с третьим входом блока управления 6, и датчиком 5 расхода циркулирующих газов, выход которого связан с четвертым входом блока управления 6.
Устройство работает следующим образом. В камеру тушения кокса 8 загружают кокс. При этом в процессе эксплуатации УСТК фактическая тепловая нагрузка установки сухого тушения кокса изменяется во времени и отличается от номинального значения. Циркулирующие газы, которые отходят от камеры тушения кокса 8 с помощью тягодутьевого устройства 7, поступают в котел-утилизатор 2, в котором осуществляется утилизация тепла циркулирующих газов. В результате чего образуется перегретый пар, который отводится от котла-утилизатора 2 по паропроводу 9. После котла-утилизатора 2 циркулирующие газы снова поступали в камеру тушения кокса 8. В процессе работы УСТК осуществляется оперативное регулирование фактического расхода циркулирующих газов и обеспечивается поддержание температуры перегретого пара на заданном уровне. Для этого данные, полученные с датчика 1 температуры перегретого пара, датчика 3 температуры циркулирующих газов на входе в котел-утилизатор 2, датчика 4 температуры циркулирующих газов на выходе из котла-утилизатора 2 и датчика 5 расхода циркулирующих газов, поступают в блок управления 6, который обрабатывает полученные данные, после чего блок управления 6 вырабатывает сигнал управления тягодутьевым устройством 7.
1
1
1
2
Таким образом, достигается поддержание на заданном уровне температуры перегретого пара при изменении фактической тепловой нагрузки УСТК (Q), а именно при уменьшении фактической тепловой нагрузки УСТК (Q) происходит уменьшение фактического расхода циркулирующих газов (B) до расчетной величины расхода циркулирующих газов (В), что обеспечивает поддержание температуры перегретого пара (Т) на заданном уровне и уменьшение энергозатрат за счет оптимизации работы тягодутьевого устройства 7.
ПРИМЕР 3 ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
В УСТК, производительность которой составляла 52 т/ч по коксу, требовалось обеспечить значение температуры перегретого пара 440°С. Для этого был использован заявленный способ регулирования режима работы УСТК.
При этом расчетные показатели упомянутой УСТК были следующими, см. таблицу 1.
Таблица 1
Расчетная тепловая нагрузка установки сухого тушения кокса (Q<sub>2</sub>), % от номинального значения
Расчетный расход циркулирующих газов (B<sub>2</sub>), тыс. нм<sup>3</sup>/ч
Заданное значение температуры перегретого пара (Т), °С
100
82
440
80
65
440
60
49
440
50
41
440
1
Номинальное значение тепловой нагрузки сухого тушения кокса (Q) при 100% составило 18 Гкал/ч.
1
2
1
2
2
2
4
2
Произвели тестовый режим работы УСТК, полученные данные занесли в журнал испытаний, в том числе фактическое значение температуры перегретого пара, температуры циркулирующих газов на входе в котел-утилизатор (t), температуры циркулирующих газов на выходе из котла-утилизатора (t), фактический расход (B) и состав циркулирующих газов. Состав циркулирующих газов был следующим: N=75,7%, CO=11%, CO=10%, O=0,8%, СН=0,5%, Н=2,0%.
1
2
На основании полученных данных определили теплоемкость циркулирующих газов на входе в котел-утилизатор (C), теплоемкость циркулирующих газов на выходе из котла-утилизатора (C).
В таблице 2 представлены полученные средние значения указанных параметров.
2
2
На основании вышеуказанных данных определяем функциональную зависимость B=A+kQ, которая приняла следующий вид:
2
2
3
B=4,17·10+4,296×Q.
3
3
3
где значение величины А=4,17·10 [нм/ч], а значение величины k=4,296 [нм/Гкал].
На фиг.2 вышеуказанная полученная зависимость изображена в виде графика А.
1
В результате чего заданные значения температуры перегретого пара (Т) при изменении фактической тепловой нагрузки УСТК (Q) строго остаются на заданном уровне - 440°С.
В таблице 3 приведены полученные значения перегретого пара и фактические значения температуры перегретого пара для УСТК производительностью 52 т/ч.
Таблица 3
Фактическая тепловая нагрузка установки сухого тушения кокса (Q<sub>1</sub>), % от номинального значения = 18 Гкал/ч
Заданное значение температуры перегретого пара (Т), °С
Фактическое значение температуры перегретого пара, °С (прототип)
Фактическое значение температуры перегретого пара, °С (заявляемое техническое решение)
Фактический расход циркулирующих газов, тыс. нм<sup>3</sup>/ч
Прототип
Заявляемое техническое решение
100
440
440
440
82
82
80
440
420
440
68
65
60
440
400
440
59
49
50
440l
380
440
52
41
Результаты испытаний, приведенные в таблице 3, свидетельствуют о том, что заявляемая группа изобретений обеспечивает увеличение точности поддержания температуры перегретого пара и оптимизацию энергозатрат тягодутьевого устройства за счет уменьшения фактических затрат циркулирующих газов.
ПРИМЕР 4 ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
В УСТК, производительность которой составляла 74 т/ч по коксу, требовалось обеспечить значение температуры перегретого пара 440°С. Для этого был использован заявленный способ регулирования режима работы УСТК.
При этом расчетные показатели упомянутой УСТК были следующими, см. таблицу 4.
Таблица 4
Расчетная тепловая нагрузка установки сухого тушения кокса (Q<sub>2</sub>), % от номинального значения
Расчетный расход циркулирующих газов (B<sub>2</sub>), тыс. нм<sup>3</sup>/ч
Заданное значение температуры перегретого пара (Т), °С
100
117
440
80
94
440
60
70
440
50
59
440
1
При этом номинальное значение тепловой нагрузки сухого тушения кокса (Q) при 100% составило 25,84 Гкал/ч.
1
2
1
2
2
2
4
2
Произвели тестовый режим работы УСТК, полученные данные занесли в журнал испытаний, в том числе фактическое значение температуры перегретого пара, температуры циркулирующих газов на входе в котел-утилизатор (t), температуры циркулирующих газов на выходе из котла-утилизатора (t), фактический расход (B) и состав циркулирующих газов. Состав циркулирующих газов был следующим: N=75,7%, CO=11%, CO=10%, O=0,8%, СН=0,5%, Н=2,0%.
1
2
На основании полученных данных определили теплоемкость циркулирующих газов на входе в котел-утилизатор (C), теплоемкость циркулирующих газов на выходе из котла-утилизатора (C).
В таблице 5 представлены полученные средние значения указанных параметров.
2
2
На основании вышеуказанных данных определяем функциональную зависимость B=A+kQ, которая приняла следующий вид:
2
2
3
B=6,07·10+4,297×Q
3
3
3
где значение величины А=6,07·10 [нм/ч], а значение величины k=4,297 [нм/Гкал].
На фиг.2 вышеуказанная полученная зависимость изображена в виде графика В.
1
В результате чего заданные значения температуры перегретого пара (Т) при изменении фактической тепловой нагрузки УСТК (Q) строго остаются на заданном уровне.
В таблице 6 приведены полученные значения перегретого пара и фактические значения температуры перегретого пара для УСТК производительностью 74 т/ч.
Таблица 6
Фактическая тепловая нагрузка установки сухого тушения кокса (Q<sub>1</sub>), % от номинального значения = 25,84 Гкал/ч
Заданное значение температуры перегретого пара (Т), °С
Фактическое значение температуры перегретого пара, °С (прототип)
Фактическое значение температуры перегретого пара, °С (заявляемое техническое решение)
Фактический расход циркулирующих газов, тыс. нм<sup>3</sup>/ч
Прототип
Заявляемое техническое решение
100
440
440
440
117
117
80
440
420
440
98
94
60
440
400
440
76
70
50
440
380
440
64
59
Результаты испытаний, приведенные в таблице 6, свидетельствуют о том, что заявляемая группа изобретений обеспечивает увеличение точности поддержания температуры перегретого пара и оптимизацию энергозатрат тягодутьевого устройства за счет уменьшения фактических затрат циркулирующих газов.