Оперативное регулирование экономичности горения в энергетических котлах

УДК 625.1

ОПЕРАТИВНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ЭКОНОМИЧНОСТИ ГОРЕНИЯ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОТЛАХ

Л.С. Казаринов, Т.А. Игнатова, А.В. Кинаш, О.В. Колесникова, Д.А. Шнайдер

Рассматривается способ автоматической оптимизации процесса горения в топке энергетического котла на основе прогнозного значения КПД котла, позволяющего понизить инерционность автоматической системы регулирования экономичности процесса горения. Приводятся временные характеристики поиска оптимального значения КПД.

Ключевые слова: перовые котлы, энергетические котлы, процесс горения, оптимизация процесса горения, экономичность процесса горения, регулирование процесса горения.

Оптимизация экономичности процессов горения в топке энергетического котла является актуальной задачей, непосредственно связанной с минимизацией расхода топлива. Типовым подходом к решению данной задачи является регулирование соотношения «топливо-воздух» на входе топки котла по содержанию кислорода (02) в дымовых газах [1-3]. Однако содержание 02 не является постоянным в процессе эксплуатации, так как его значение зависит от многих факторов: паровой нагрузки, качественного состава топлива, потерь теплоты с уходящими газами и др.

В этой связи представляется целесообразным осуществлять регулирование экономичности процесса горения по прямым показателям. Однако использование регулирования по прямым показателям экономичности котла обладает повышенной инерционностью. Этот недостаток особенно проявляется для котлов, работающих в условиях переменных характеристиках топлива. Подобные режимы характерны для котлов, в которых сжигаются вторичные энергетические ресурсы технологических производств.

В данной работе предлагается для оптимизации режима горения в топке котла использовать прогнозное значение КПД котла, которое позволяет понизить инерционность автоматической системы регулирования экономичности процесса горения.

Казаринов Лев Сергеевич - д.т.н., профессор, декан приборостроительного факультета ЮУрГУ, заведующий кафедрой автоматики и управления ЮУрГУ; kazarinov@ait.susu.ac.ru.

Игнатова Татьяна Александровна - инженер кафедры автоматики и управления ЮУрГУ; tanya_ignatova@mail.ru. Кинаш Александр Викторович - ведущий специалист по автоматизации ЦЭС ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»; kinash@mmk.ru.

Колесникова Ольга Валерьевна - к.т.н., доцент кафедры автоматики и управления ЮУрГУ; popova_ov@ait.su-su.ac.ru.

Шнайдер Дмитрий Александрович - к.т.н., доцент кафедры автоматики и управления ЮУрГУ; вЬпау-der@ait.susu.ac.ru.

1. Экстремальная автоматическая система регулирования экономичности процессов горения

Функциональная схема экстремальной автоматической системы регулирования экономичности процессов горения изображена на рис. 1. Система состоит из двух контуров. Внутренний контур образуют объект 1 регулирования и автоматический регулятор 2 подачи общего воздуха, действующий по упрощенной схеме пар Д, - воздух Св. Внешний контур составляет объект 1 регулирования, экстремальное устройство 3 с входным сигналом по прогнозной оценке показателя экономичности процесса горения фпр(4 а также устройство выработки прогнозной оценки показателя экономичности процесса горения 4 с входным сигналом по тепловой мощности 0вх(О, вносимой в топку котла с топливом, и сигналом Гвых(0, характеризующим значение выходной тепловой мощности, который в вариантном исполнении может измеряться;

• на выходе котла;

• на выходе барабана для барабанных котлов;

• как оценка тепловыделения в топке котла;

• как сигнал, пропорциональный тепловос-приятию топочных экранов.

Рис. 1. Функциональная схема экстремальной автоматической системы регулирования

Процесс автоматической оптимизации процесса горения в топке для энергетических котлов осуществляется следующим образом.

Автоматический регулятор 2 подачи воздуха (рис. 1) действует как регулятор соотношения рас-

Л.С. Казаринов, Т.А. Игнатова, А.В. Кинаш

О.В. Колесникова, Д.А. Шнайдер

ход пара £)„ - расход воздуха и обеспечивает в первом приближении оптимум этого соотношения в статике в соответствии с режимной картой энергетического котла при постоянном расходе топлива. Далее экстремальное устройство 3, действующее по принципу запоминания и оценки экстремума по приращению, устраняет возможную статическую неточность регулятора 2 при действии на экономичность процесса горения изменяющихся во времени факторов и выводит систему регулирования в область экстремума сигнала по прогнозной оценке показателя экономичности процесса горения фпр(/) путем принудительного изменения в заданных пределах расхода воздуха, поступающего в топку энергетического котла.

Схема устройства выработки прогнозной оценки показателя экономичности процесса горения приведена на рис. 2.

&*

Рис. 2. Схема устройства выработки прогнозной оценки показателя экономичности процесса горения

Здесь БДП1 - блок динамической задержки сигнала 6„х(0 с передаточной функцией Щ'(р) (где р - сИЖ), соответствующей переходной функции А'(0; БДП2 - блок динамического опережения сигнала Гвых(0 с передаточной функцией ~1,

соответствующей переходной функции /г'(0;

(•)/(•) - блок деления; От~т)(0 - входной сигнал <2т0) с динамическим запаздыванием на тактовый сдвиг т; 1&+т)(0 - выходной сигнал Увт(0 с динамическим опережением на тактовый сдвиг т.

На рис. 3 приведены типовые переходные функции, характеризующие динамические свойства энергетического котла и устройства выработки прогнозной оценки показателя экономичности процесса горения.

На рис. 3 введены следующие обозначения: Ан(0 - нормированная переходная функция котла, определяемая по соотношению

т

К00)

ла импульса тепловой мощности <2т((); А£(0 -нормированная переходная функция, совпадающая с переходной функцией Ин(() в интервале [0;т] и равная единице при (>т; й£(/-т) - нормированная переходная функция, совпадающая с переходной функцией /?„(/) в интервале [т; оо).

Измерение прогнозной оценки показателя экономичности процесса горения в предлагаемом устройстве 4 (рис. 2) отличается от известных способов тем, что используется динамически синхронизированное отклонение сигнала выработки тепла на выходе котла к количеству тепла, внесенного в топку. Существующие подходы к решению данной задачи основаны, например, на использовании среднестатистической оценки показателя экономичности процесса горения:

уСр

фСр _ ‘вых

&СхР

где <2вх ~ среднее количество тепловой мощности, вносимой в топку котла с топливом за период наблюдения; 7В°РХ - значение сигнала, характеризующего среднее количество выходной тепловой мощности, выработанной за период наблюдения.

Данная оценка является инерционной и не может служить для целей оперативной оптимизации процесса горения в топке энергетического котла.

Использование для указанной цели оценки показателя экономичности процесса горения по текущим значениям сигналов

(,) = ^ых(0

а* (о

некорректно, так как импульс тепловой мощности на входе котла проходит на выход котла с динамическим запаздыванием. Поэтому оба сигнала 8ВХ(0 и Увых(/) являются динамически не синхронизированными.

Предлагается корректное измерение показателя экономичности процесса горения, основанное на динамической синхронизации сигналов процессов подачи теплой мощности с топливом на вход котла и выработки теплой мощности на выходе котла [4] в соответствии со схемой устройства на рис. 2:

Ч£Г°(0

фпр(0 =

Й2"т)(0

где /г(0 - переходная функция котла по выходному сигналу Увых(/) при подаче с топливом на вход кот-

При этом величина тактового сдвига т выбирается исходя из условий обеспечения требуемой скорости сходимости процесса поиска оптимального соотношения топливо-воздух и заданной точности прогноза.

2. Результаты расчетов

Сравнительные временные характеристики поиска оптимального значения КПД, получаемые в соответствии с предлагаемым способом и способом, изложенным в [3], приведены на рис. 4.

22

Вестник ЮУрГУ, № 17, 2008

Оперативное регулирование экономичности горения в энергетических котлах_________________

Здесь представлены траектории выхода экстремального регулятора в область максимума показателя экономичности процесса горения: А0-А1-А2-А3-А4-...- для способа, изложенного в [3]; Ао-ВНЗ2-В3-В4-...- для предлагаемого способа. Шаги поиска экстремального регулятора равны интервалу времени Т\ переходного процесса /гн(/) (см. рис. 3). Шаги поиска предлагаемого экстремального регулятора состоят из такта задержки т, переходный процесс в котором соответствует переходной функции И'({), и интервалу времени 7^ переходного процесса, соответствующего переходной функции А£^(0 обратного динамического

оператора \}¥’(р)\ 1. Так как обратный динамический оператор [И^"(р)] 1 дает прогнозную оценку

показателя экономичности процесса горения, суммарный шаг поиска Тг по заявленному способу будет меньше интервала времени Т\. Т2 < Тх. В итоге быстродействие системы экстремального регулирования по заявленному способу будет выше. Эксперименты с котлом типа ТП-200-1, показали, что при величине шага Т\ = 2 мин величина шага Т2 соответствовала 0,8 мин.

Рис. 4. Сравнительные временные характеристики поиска оптимального значения КПД

Заключение

1. Для повышения эффективности процессов горения в топках энергетических котлов, работающих в резко выраженных динамических режимах, целесообразно использовать системы автоматической оптимизации по прямым показателям экономичности.

2. Использование в качестве критерия оптимизации прямых показателей экономичности, вычисляемых на основе статистических оценок, приводит к повышенной инерционности системы автоматического регулирования. Для решения быстродействия системы автоматической оптимизации целесообразно использовать прогнозные оценки показателей.

3. В работе предложена прогнозная оценка показателей экономичности, основанная на динамической синхронизации.

Литература

1. Плетнев, Г. П. Автоматизированное управление объектами тепловых электростанций / Г. П. Плетнев. -М.: Энергоиздат, 1981. -368 с.

2.А. с. 735869 СССР. Способ автоматической оптимизации процесса горения в котле / В. Ю. Вадов, Ю. С. Денисов. - Опубл. 1980, Бюл. № 19.

3. А. с. 1064078 А СССР. Способ автоматической оптимизации процесса горения в топке барабанного парового котла / Г. П. Плетнев, А. Н. Лес-ничук, В. С. Мухин - Опубл. 1983, Бюл. № 48.

4.Казаринов, Л. С. Оперативное управление

технологическими процессами с прогнозом показателей энергетической эффективности / Л. С. Казаринов, Д. А. Шнайдер // Вестник ЮУр-ГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». - 2008. — Вып. 8,

№ 17(117). - С. 9-12.

Поступила в редакцию 28 апреля 2008 г.