Система автоматического регулирования процесса горения силовой установки с активным котлом-утилизатором высокотемпературного кипящего слоя
AUTOMATIC CONTROL SYSTEM OF POWER PLANT COMBUSTION PROCESS WITH ACTIVE HIGH-TEMPERATURE FLUIDIZED BED WASTE HEAT BOILER

Техническое решение относится к области теплоэнергетики, а именно системе автоматического регулирования процесса горения в силовой установке для сжигания твердого топлива с активным котлом-утилйзатором высокотемпературного кипящего слоя.
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.
Прототипом - «устройства» является «Силовая установка с активным котлом-утилизатором высокотемпературного кипящего слоя» по патенту на изобретение РФ: RU 2650018 С1 от 06.04.2018, МПК F23G 7/06 [4], в которой отработавшие газы дизель-генератора поступают в котел-утилизатор, выходной патрубок отработавших газов из дизель-генератора разделен на два патрубка, на которых установлены соответственно первый и второй регулируемые задвижки отработавших газов, выход первой задвижки соединен с дымовой трубой, выход второй задвижки соединен со входом в трубопровод подачи воздуха, на линии которого после вентилятора установлен третья регулируемая задвижка. Силовая установка [4] состоит из дизель-генератора, магистрали впуска воздуха в дизель, котла-утилизатора подключенного газовпускным патрубком к выхлопному коллектору дизеля, магистрали подачи питательной воды в котел-утилизатор. Котел-утилизатор выполнен в виде котлоагрегата с топкой высокотемпературного кипящего слоя, включающего механическое топочное устройство с наклонной к горизонту подвижной колосниковой решеткой, поверхности нагрева, дутьевые зоны первичного и вторичного воздуха, питатель топлива, эжектор возврата уноса, к газовпускному патрубку котла-утилизатора подключен дутьевой вентилятор, к выхлопному коллектору дизель-генератора подключен газоход перепуска отработавших газов в атмосферу с глушителем шума, на линии нагнетания дутьевого вентилятора, на газовпускном патрубке котла-утилизатора и на газоходе перепуска отработавших газов в атмосферу установлены устройства регулирования расхода сред. Перепуск отработавших газов от дизель-генератора в линию подачи воздуха в топку котла-утилизатора от дутьевого вентилятора повышает эффективность силовой установки. Так применение на линии нагнетания дутьевого вентилятора котла-утилизатора соединенного с выхлопным коллектором дизель-генератора позволяет осуществить подмес отработавших газов. Подмес отработавших 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 прототипа - «устройства» [4], 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 регулирования процесса горения для котла-утилизатора с подмесом отработавших газов дизель-генератора, что не позволяет автономно его эксплуатировать.
Прототипом заявленной системы автоматического регулирования процесса горения в топке с высокотемпературным кипящим слоем котла является «система» по патенту на полезную модель РФ: RU 49603 U1 от 27.11.2005, МПК F23N1/00 - [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, 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 прототипа - «устройства» [4], то есть не может быть без усовершенствования применена на данной силовой установке с активным котлом утилизатором высокотемпературного кипящего слоя. Кроме того, система [5] в случае горения топлива не в воздухе, а в среде отработавших газов дизель-генератора не может обеспечить необходимую точность автоматического регулирования.
Недостатки аналогов и прототипов ставят задачу повышения автоматизации котлоагрегата [4] путем создания системы автоматического регулирования процесса горения котла-утилизатора для сжигания твердого топлива в кипящем слое, обеспечивающей повышение эффективности управления процессом горения в котле-утилизаторе на переходных и стационарных режимах.
Данная задача решается за счет того, что в системе автоматического регулирования установлены исполнительные механизмы с электроприводами, которые соединены кабелями с соответствующими блоками управления регуляторов системы автоматического регулирования. Посредством исполнительных механизмов с электроприводом осуществляется регулирование расхода воздуха и отработавших газов, подаваемых в топочное устройство, вследствие чего повышается эффективность выгорания топлива и повышается КПД установки.
Сущность заявленного изобретения состоит в том, что «система автоматического регулирования процесса горения силовой установки с активным котлом - утилизатором высокотемпературного кипящего слоя», состоит из программируемого контроллера с блоками управления регуляторов, к которым кабелями подсоединены датчики и исполнительные механизмы, установленные на собственно котле-утилизаторе теплоты отработавших газов дизель-генератора, выходной патрубок отработавших газов из дизель-генератора разделен на два патрубка, на которых установлены соответственно первый и второй регулируемые задвижки отработавших газов, выход первой задвижки соединен с дымовой трубой, выход второй задвижки соединен со входом в трубопровод подачи воздуха, на линии которого после вентилятора установлена третья регулируемая задвижка. При этом на котле-утилизаторе 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 котла-утилизатора, 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 регулируемые первая, вторая и третья задвижки оборудованы исполнительными механизмами с электроприводами, которые соединены кабелями с соответствующими блоками управления регуляторов системы автоматического регулирования.
Техническим результатом предполагаемого изобретения - (силовой установки) является повышение уровня автоматизации системой автоматического регулирования процесса горения котла-утилизатора теплоты отработавших газов дизель-генератора и повышения эффективности управления процессом горения на переходных и стационарных режимах.
В свою очередь повышение уровня автоматизации приводит к сокращению обслуживающего персонала силовой установки, а также позволит дистанционно осуществлять ее контроль и управление. Повышения эффективности управления Процессом горения позволит дополнительно повысить надежность и экономичность силовой установки, а также позволит предотвратить вероятность аварийных ситуаций.
Ограничительные признаки изобретения «система автоматического регулирования процесса горения силовой установки с активным котлом - утилизатором высокотемпературного кипящего слоя, состоит из программируемого контроллера с блоками управления регуляторов, к которым кабелями подсоединены датчики и исполнительные механизмы, установленные на собственно котле-утилизаторе теплоты отработавших газов дизель-генератора, выходной патрубок отработавших газов из дизель-генератора разделен на два патрубка, на которых установлены соответственно первый и второй регулируемые задвижки отработавших газов, выход первой задвижки соединен с дымовой трубой, выход второй задвижки соединен со входом в трубопровод подачи воздуха, на линии которого после вентилятора установлен третья регулируемая задвижка» описывают общие элементы известных аналогов - двух прототипов: «котла-утилизатора силовой установки» и «системы автоматического регулирования процесса горения в топке с высокотемпературным кипящим слоем», а также заявленного технического решения.
Отличительные признаки изобретения «на котле-утилизаторе 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 котла-утилизатора, 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 регулируемые первая, вторая и третья задвижки оборудованы исполнительными механизмами с электроприводами, которые соединены кабелями с соответствующими блоками управления регуляторов системы автоматического регулирования» позволяют повысить уровень автоматизации котла-утилизатора силовой установки созданием системы автоматического регулирования процесса горения такого котла-утилизатора, которая в свою очередь позволит повысить эффективность управления процессом горения на переходных и стационарных режимах.
Предложенная система автоматического регулирования процесса горения силовой установки с активным котлом утилизатором высокотемпературного кипящего слоя поясняется фигурой на листе графических материалов, где:
1 - программируемый контроллер (ПК);
2 - котел - утилизатор высокотемпературного кипящего слоя с рециркуляцией отработавших газов от дизель-генератора;
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, 25, 26 и 27 - исполнительные механизмы с электроприводом шиберов регулирования позонного первичного дутья;
28 - шибер регулирования вторичного дутья;
29 - датчик давления вторичного дутья;
30 - исполнительный механизм с электроприводом шибера регулирования вторичного дутья;
31 - датчик давления рециркуляции уходящих газов из дизель-генератора;
32 - задвижка регулирования уходящих газов в атмосферу от дизель-генератора;
33 - исполнительные механизмы с электроприводом задвижки регулирования уходящих газов в атмосферу от дизель-генератора;
34 - задвижка регулирования уходящих газов в трубопровод первичного дутья;
35 - исполнительные механизмы с электроприводом задвижки регулирования уходящих газов в трубопровод первичного дутья;
36 - задвижка регулирования первичного воздуха в трубопроводе первичного дутья;
37 - исполнительный механизм электроприводом задвижки регулирования первичного воздуха в трубопроводе первичного дутья;
38 - дымосос;
39 - датчик разряжения;
40 - привод подвижной колосниковой решетки;
41 - питатель топлива;
42 - подвижная колосниковая решетка;
43 - глушитель шума,
44 - дымовая труба.
Заявленное техническое решение (по фигуре) состоит из ПК (1) с блоками управления регуляторов (на фигуре не указаны и входят в ПК (1)). ПК (1) с блоками управления регуляторов может быть выполнено как в виде отдельного блока, так и совместно со стандартной ПЭВМ (ноутбуком). На собственно котлоагрегате (2), установлены исполнительные механизмы с частотно-регулируемыми приводами (3…6) 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 установлены для регулирования подачи топлива (13), 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) с исполнительны механизмами (24…27) с электроприводом. Канал регулирования вторичного дутья включает в себя шибер (28) регулирования, датчик давления (29) и исполнительный механизм (30) с электроприводом. Регулирование разряжения производится исполнительным механизмом дымососа (38) с датчиками разряжения (39), удаления шлака и золы приводом подвижной решетки (40). Частотно-регулируемые приводы установлены на вентилятор (14), дымосос (38), питатель топлива (41), подвижную решетку для удаления шлака и золы (42). При этом выходной патрубок отработавших (уходящих горячих) газов из дизель-генератора (44) разделен на два патрубка, на которых установлены соответственно первая регулируемая задвижка (32) с исполнительным механизмом с электроприводом (33) и вторая регулируемая задвижка (34) с исполнительным механизмом с электроприводом (35) отработавших газов от дизель-генератора (44). Первая задвижка (32) соединена трубопроводом с глушителем шума (43), через который осуществляет перепуск отработавших газов в атмосферу. Выход второй задвижки (34) соединен со входом в трубопровод подачи воздуха, через который осуществляется перепуск отработавших газов в напорную линию подачи первичного дутья. На линии подачи воздуха после вентилятора (14) установлен регулирующая задвижка (36) с исполнительным механизмом с электроприводом (37). Регулируемые задвижки (32, 34, 36) соединены кабелями с соответствующими блоками управления регуляторов системы автоматического регулирования. Уходящие газы с котла-утилизатора выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу (44).
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 отработавших уходящих газов от дизель-генератора. Сигналы, подающиеся на данные регуляторы, имеют дискретные значения. После каждого изменения величины подачи топлива, воздуха и отработавших газов от дизель-генератора (44), 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 отработавших газов от дизель-генератора (44) 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-утилизатора (2). При возникновении сигнала рассогласования указанных величин, из ПК (1) подается сигнал на регуляторы подачи топлива, воздуха и системы рециркуляции отработавших газов от дизель-генератора (44).
Регулирование расхода отработавших газов производится с помощью задвижек регулирования (32, 34) и исполнительных механизмов с электроприводами (33, 35) установленных на трубопроводе отходящих газов от дизель-генератора (44). При этом изменяется положение задвижек (32, 34) и соотношение расхода воздуха и отработавших газов поступающих в топку котла-утилизатора (2), а также выбрасываемых в атмосферу. Подмес воздуха для создания необходимого состава газовоздушной смеси регулируется задвижкой (36) с исполнительным механизмом с электроприводом (37). 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.
2
Регулирование вторичного воздуха организовано следующим образом. Сигнал об изменении концентрации СО и О в дымовых газах поступает от газоанализатора (7), и после сравнения этих значений концентраций в ПК (1) преобразованный сигнал поступает на исполнительный механизм (30), установленный на линии подачи вторичного воздуха.
После каждого изменения величины подачи отработавших газов, первичного и вторичного воздуха, 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.
Регулятор разряжения в топке котлоагрегата работает в режиме постоянного опроса датчика разряжения (37). Сигнал о разряжении 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 (6). 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, при этом ПК (1) выдает управляющий сигнал согласно режимной карте котла-утилизатора на изменение частоты вращения частотно-регулируемого привода подвижной решетки для удаления шлака и золы (5).
Предложенная «Система автоматического регулирования процесса горения силовой установки с активным котлом-утилизатором высокотемпературного кипящего слоя», для котлов с рециркуляцией отработавших газов от дизель-генератора 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 проектирования устройств, технологий (способов), а именно:
- регулируемые первая, вторая и третья задвижки оборудованы исполнительными механизмами с электроприводами;
- соединение электроприводов задвижек отработавших газов дизель-генератора кабелями с соответствующими блоками управления регуляторов системы автоматического регулирования,
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 2650018 С1 от 06.04.2018, МПК F23G 7/06, «Силовая установка с активным котлом утилизатором высокотемпературного кипящего слоя» - прототип по силовой установке.
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.