СИСТЕМА И СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА ТОПЛИВА ДЛЯ ПАРОВОГО КОТЛА
SYSTEM AND METHOD FOR REGULATING FUEL CONSUMPTION FOR STEAM BOILER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к энергетике, в частности к области регулирования паровых котельных агрегатов, и может быть применено в системах автоматизации регулирования расхода топлива для парового котла.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В области управления тепловых электростанций (ТЭС) и промышленными паровыми котельными существует относительно широкий спектр возможных проблем, таких как повышенный расход топлива на выработку электроэнергии и тепла в тепловые сети; отключение оперативным персоналом пропорционально-интегрально-дифференцирующих (ПИД) регуляторов из-за невозможности поддержания автоматических режимов изменения тепловой нагрузки и отключение автоматических регуляторов тепловой нагрузки. При этом для решения указанных проблем на практике является актуальным регулирование подачи топлива для котла или системы котлов.
Множество известных в данной области способов регулирования расхода топлива для паровых котлов основаны на уравнении теплового баланса системы. Так, согласно одному из известных способов регулирования тепловой нагрузки парового котла («Автоматизация теплоэнергетических установок», Ю. М. Голдобин, Е. Ю. Павлюк, Екатеринбург: УрФУ, 2017, далее D1) предложено регулирование на основании различия текущего расхода острого пара и заданного расхода острого пара с поправкой на изменение давления пара в барабане котла:
оп
опз
б
Z = F - (F + C*dP/dt), где
Z - рассогласование регулятора,
оп
F - текущий расход острого пара,
опз
F - заданный расход острого пара,
C - массовая теплоаккумулирующая способность пароводяной смеси и металла испарительной части котла,
б
P-давление пара в барабане котла.
Такая система регулирования содержит регулятор тепловой нагрузки, датчик расхода пара и датчик давления пара в барабане.
Регулятор выполнен с возможностью вырабатывать регулирующее воздействие на основании косвенного расчёта тепловой нагрузки, при котором принимается ряд допущений. Так, в уравнении баланса расход острого пара от котла принят равным расходу насыщенного пара из барабана котла ввиду их примерного равенства, а выработку регулирующего воздействия система выполняет на основании сигнала «по теплу», который выражается в единицах расхода пара и не зависит от реальных изменений энтальпии острого пара и энтальпии питательной воды.
В результате указанных допущений регулирование осуществляется по расходу пара и изменению давления в барабане - величинам, которые лишь коррелируют с истинной тепловой нагрузкой и неточно отражают её изменение, что приводит не только к неточности регулирования, но и к увеличению транспортного запаздывания. Погрешности определения тепловой нагрузки котла из-за неточности её определения не позволяют привести теплопроизводительность котла к истинному значению тепловой нагрузки. Существенным негативным фактором при этом является то, что температура, давление питательной воды котлов и давление в общестанционном паровом коллектор ТЭС являются величинами переменными. Изменения этих параметров и, как следствие, изменения энтальпии питательной воды и энтальпии пара от котла зависят от многих факторов, например от изменения: количества работающих котлов, тепловой нагрузки ТЭС, количества подогревателей питательной воды, количества и характеристик питательных насосов, конфигурации общестанционных питательных трубопроводов. Вследствие того, что изменения энтальпии не учитываются известными способами и системами регулирования, указанные изменения начинают отрабатываться ими не в момент их возникновения. Расход топлива на компенсацию избытка или недостатка произведенного тепла начинает изменяться с транспортным запаздыванием только тогда, когда начинает изменяться расход пара от котла, а скорость изменения давления пара в барабане становится выше чувствительности дифференциатора регулятора.
Таким образом, технической проблемой является необходимость обеспечения системы и способа регулирования расхода топлива для парового котла, которые имеют более высокую точность и минимально возможное транспортное запаздывание в широком диапазоне изменения потребления пара для промышленных и отопительных нужд.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно настоящему изобретению предложены система и способ регулирования расхода топлива для паровых котлов, обеспечивающие технический результат в виде более высокой точности выработки управляющего воздействия и меньшего транспортного запаздывания регулирующего воздействия.
ск
оп
п
пв
Данный технический результат достигается благодаря тому, что предлагаемая автоматизированная система регулирования расхода топлива для каждого из паровых котлов, соединенных с общестанционным паровым коллектором ТЭС, содержащая микропроцессорный регулятор расхода топлива и датчики параметров расхода, давления и температуры пара от котла, датчики давления и температуры питательной воды к котлу и датчики Р давления в месте присоединения каждого из котлов к общестанционному паровому коллектору ТЭС, причём указанные датчики функционально соединены с указанным регулятором расхода топлива, который выполнен с возможностью вырабатывать такое регулирующее воздействие на питатели подачи топлива, чтобы поддерживать баланс заданного и затраченного тепла сжигания топлива на производство тепла пара на выходе из котла в базовом режиме работы котла, или баланс заданного и затраченного тепла сжигания топлива на производство тепла пара, потребляемого в месте присоединения котла к общестанционному паровому коллектору ТЭС, в регулирующем режиме работы котла. Заданное или затраченное тепло представляют собой произведение расхода F пара от котла и заданного или затраченного тепла на производство единицы расхода пара, соответственно. Заданное или затраченное же тепло на единицу расхода пара представляет собой разность энтальпии i пара и питательной воды iкотла, которая формируется теплом количества сожженного топлива при нагреве питательной воды, парообразовании и перегреве пара.
Согласно предлагаемому изобретению в базовом режиме работы котла
пб
оп
п
оп
оп
пв
пв
пв
пб
оп
п
оп
оп
пв
пв
пв
затраченное тепло Q сжигания топлива парового котла представляет собой произведение текущего расхода F пара от котла и разности энтальпии i пара, рассчитанной на основании измеренных текущих температуры T и давления P пара от котла, и энтальпии i питательной воды котла, рассчитанной на основании измеренных текущих температуры T и давления P питательной воды: Q= F*(i(T,P) - i(T,P)), и
пз
опз
пн
ноп
ноп
пвн
пвн
пвн
пз
опз
пн
ноп
ноп
пвн
пвн
пвн
заданное тепло Q сжигания топлива парового котла представляет собой произведение заданного расхода F пара от котла и разности энтальпии i пара, рассчитанной на основании номинальных температуры T и давления P пара, и энтальпии i питательной воды котла, рассчитанной на основании номинальных температуры T и давления P питательной воды: Q= F*(i(T,P) - i(T,P)), а
в регулирующем режиме
пр
оп
пр1
оп
ск
пв
пв
пв
пр
оп
пр1
оп
ск
пв
пв
пв
затраченное тепло Q на производство пара, потребляемого в месте присоединения парового котла к общестанционному паровому коллектору ТЭС, представляет собой произведение текущего расхода F пара от котла и разности энтальпии i пара, рассчитанной на основании измеренных текущих температуры T пара от котла и давления Р пара в общестанционном паровом коллекторе ТЭС, и энтальпии i питательной воды котла, рассчитанной на основании измеренных текущих температуры T и давления P питательной воды: Q = F*(i(T,Р) - i(T,P)), и
пн
оп
пр2
ноп
скз
пвн
пвн
пвн
пнз
оп
пр2
ноп
скз
пвн
пвн
пвн
заданное тепло Q на производство пара, потребляемого в месте присоединения парового котла к общестанционному паровому коллектору ТЭС, представляет собой произведение текущего расхода F пара от котла и разности энтальпии i пара, рассчитанной на основании номинальной температуры T пара от котла и заданного давления Р пара в общестанционном паровом коллекторе ТЭС, и энтальпии i питательной воды котла, рассчитанной на основании номинальных температуры T и давления P питательной воды: Q= F*(i(T,Р) - i(T,P)) .
ск
скз
скз
В стандартной схеме работы ТЭС с одним котлом в регулирующем режиме заданное давление пара в месте присоединения паропровода от котла к станционному коллектору равняется номинальному давлению Рпара в общестанционном паровом коллекторе ТЭС. Однако при наличии нескольких котлов, работающих в регулирующем режиме и присоединенных к коллектору в различных точках, оно для этих котлов может быть различным из-за различия потоков пара от котлов к нагрузкам (коллекторный эффект). При необходимости,  уравнивание нагрузки по регулирующим котлам достигается изменением Р для различных регулирующих котлов. При этом Р уменьшается относительно номинального давления пара в общестанционном коллекторе для более нагруженного котла и/или увеличивается для менее нагруженного.
За счет того, что предлагаемая система содержит датчики параметров расхода, давления и температуры пара от котла, датчики давления и температуры питательной воды к котлу и датчик давления в общестанционном паровом коллекторе ТЭС, функционально соединенные с регулятором расхода топлива, а система регулирования основана на способе непосредственного расчета тепла, заданного или затраченного на производство единицы расхода пара, определяемого по энтальпиям пара и питательной воды котла совокупно с расходом пара при измеряемых указанными датчиками температуре и давлении, обеспечивается возможность более точного учёта заданного и затраченного тепла пара  и их динамики, что в свою очередь позволяет реализовать более точное регулирование расхода топлива. При этом изменение тепла из-за изменения расхода пара учитывается в изменении баланса заданного и затраченного тепла непосредственно, на основании его измеренного значения, а изменения температур и давлений питательной воды и пара учтены в балансе опосредованно, расчетом физических характеристик (энтальпий) указанных сред. Предлагаемый способ, проиллюстрированный в заявке на примере барабанного пылеугольного котла в схеме ТЭС с поперечными связями, является универсальным и может быть с успехом расширен на прямоточные котлы и блоки котел-турбины и все виды топлив, точный учет теплотворной способности которых невозможен из-за трудностей измерения расхода и/или нестабильности состава топлива.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Описание предлагаемого технического решения приведено далее со ссылкой на Фиг., где показан пример реализации предлагаемой системы регулирования расхода топлива для парового котла.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
оп
оп
оп
пв
пв
ск
Согласно предлагаемому техническому решению, автоматизированная система регулирования расхода топлива для парового котла содержит датчики параметров расхода F, давления P и температуры T пара от котла, датчики давления P и температуры T питательной воды к котлу и датчик Р давления пара в месте присоединения котла к общестанционному паровому коллектору ТЭС, причём указанные датчики функционально соединены с микропроцессорным регулятором расхода топлива, который выполнен с возможностью вырабатывать регулирующее воздействие на питатели подачи топлива. При этом, согласно предлагаемому техническому решению, обеспечивается непосредственный расчет заданного и затраченного тепла произведенного пара (теплопроизводительности) котла.
Приведённые в настоящем описании примеры основаны на вариантах реализации предлагаемого технического решения, в которых подача топлива парового котла обеспечена за счёт питателей сырого угля. Все преимущества настоящего изобретения возможно реализовать и при различных других особенностях питания и управления парового котла.
Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, система и соответствующий способ регулирования расхода топлива работают следующим образом.
оп
оп
оп
пв
пв
ск
п
пв
пб
оп
п
оп
оп
пв
пв
пв
пр
оп
пр1
оп
ск
пв
пв
пв
Микропроцессорный регулятор 1 получает сигналы от датчиков текущих параметров давления P, расхода F и температуры T острого пара от котла и датчиков давления P и температуры T питательной воды к котлу, а также давления Р пара в общестанционном паровом коллекторе ТЭС, высчитывает энтальпии i пара и питательной i воды и значение тепла затраченного на производство пара от котла для базового режима по формуле Q = F*(i(T,P) - i(T,P)) или значение  тепла затраченного на производство потребляемого  пара в месте присоединения котла к общестанционному паровому коллектору ТЭС для регулирующего режима по формуле Q = F*(i(T,Р) - *i(T,P)). Расчёт энтальпии может быть произведён по известным в области техники формулам.
опз
скз
ноп
ноп
пвн
пвн
Микропроцессорный регулятор 1 получает от собственных виртуальных задатчиков заданные значения расхода F пара от котла и Р давления пара в месте присоединения котла к общестанционному коллектору ТЭС, номинального давления P и номинальной температуры T пара от котла, номинального давления P и номинальной температуры T питательной воды к котлу  и производит операции вычисления:
пн
ноп
ноп
- номинальной энтальпии i(T,P)пара от котла; и
пвн
пвн
пвн
- номинальной энтальпии i(T,P) питательной воды; и
пр1
оп
ск
- текущей энтальпии i(T,Р) пара в общестанционном паровом коллекторе ТЭС, и
пр2
ноп
скз
- энтальпии i(T,Р) пара для заданного значения давления пара в общестанционном паровом коллекторе ТЭС.
пз
опз
пн
ноп
ноп
пвн
пвн
пвн
пн
оп
пр2
ноп
скз
пвн
пвн
пвн
.
В базовом режиме регулятор высчитывает значение заданного тепла на производство пара от котла как Q= F*(i(T,P)- i(T,P)), а в регулирующем режиме значение заданного тепла на производство пара потребляемого в месте присоединения котла к общестанционному паровому коллектору ТЭС как Q= F*(i(T,Р) - i(T,P))
б
пз
п
опз
пн
пвн
оп
п
пв
р
пн
п
оп
пр2
пвн
оп
пр1
пв
На основании вычисленных значений заданного или затраченного тепла  определяется рассогласование микропроцессорного регулятора Z по отклонению от их баланса: для базового режима Z=Q-Q=F*(i-i)-F*(i-i), а для регулирующего режима Z=Q-Q=F*(i-i)-F*(i-i). Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, рассогласование Z по стандартному ПИД закону регулирования обуславливает формирование воздействия на механизмы подачи топлива (питатели сырого угля 2), которое обеспечивает уменьшение их скорости (подачи угля) при отрицательном Z или её увеличение при положительном Z.
Предлагаемые способ и система согласно одному из вариантов реализации функционируют следующим образом.
б
п
опз
пн
пвн
оп
п
пв
В базовом режиме в формуле Z=Qпз-Q=F*(i-i)-F*(i-i) при статическом равновесии соблюдается баланс между заданным и затраченным теплом сжигания топлива.
п
Рост значения Q, вызванный:
пв
пв
пв
оп
оп
п
- увеличением затраченного тепла, в произведенной единице расхода пара из-за уменьшения температуры T и/или давления P питательной воды, вызывающего уменьшение энтальпии i питательной воды, или увеличением температуры T и/или давления P пара, вызывающим увеличение энтальпии i пара; или
оп
- увеличением расхода F острого пара
приводит к нарушению баланса, величина рассогласования Z становится отрицательной, и подача угля уменьшается, что приводит к уменьшению затраченного тепла сжигания топлива до момента восстановления баланса и восстановления статического равновесия регулятора.
п
Уменьшение значения Q, вызванное:
пв
пв
пв
оп
оп
п
- уменьшением затраченного тепла в произведенных единицах расхода пара из-за увеличения температуры T и/или давления P питательной воды, вызывающего увеличение энтальпии i питательной воды, или уменьшения температуры T и/или давления P пара, вызывающего уменьшение энтальпии i пара; или
оп
- уменьшением расхода F острого пара
приводит к нарушению баланса, величина рассогласования Z становится положительной, и в результате формирования соответствующего регулирующего воздействия подача угля увеличивается, что приводит к росту затраченного тепла сжигания топлива до момента восстановления баланса и статического равновесия регулятора.
р
пн
пр
оп
пр2
пвн
оп
пр1
пв
В регулирующем режиме в формуле Z=Q-Q=F*(i-i)-F*(i-i) при статическом равновесии соблюдается баланс заданным и затраченным теплом сжигания топлива.
пр
пв
пв
пв
оп
ск
пр1
Рост значения Q, вызванный увеличением затраченного тепла в единицах расхода пара, потребляемого в месте присоединения котла к общестанционному паровому коллектору ТЭС, из-за уменьшения температуры T и/или давления P питательной воды, вызывающего уменьшение энтальпии i питательной воды или увеличения температуры T и/или давления пара Р, вызывающего увеличение энтальпии i пара,
приводит к нарушению баланса, величина рассогласования Z становится отрицательной, и подача угля уменьшается, что приводит к уменьшению затраченного тепла сжигания топлива до момента восстановления баланса и восстановления статического равновесия регулятора.
пр
пв
пв
пв
оп
ск
Уменьшение значения Q, вызванное уменьшением  затраченного тепла в единицах расхода пара потребляемого в месте присоединения котла к общестанционному паровому коллектору ТЭС из-за увеличения температуры T и/или давления P питательной воды, вызывающего увеличение энтальпии i питательной воды, или уменьшением температуры T и/или давления Р пара, вызывающим уменьшение энтальпии пара,
приводит к нарушению баланса, величина рассогласования Z становится положительной, и подача угля увеличивается, что приводит к росту затраченного тепла сжигания топлива до момента восстановления баланса и статического равновесия регулятора.
ск
оп
пр1
Уменьшение давления Р в общестанционном паровом коллекторе из-за роста тепловой нагрузки ТЭС или уменьшения расхода F пара от котла вызывает уменьшение текушей энтальпии i пара в станционном паровом коллекторе и приводит к нарушению баланса, величина рассогласования Z становится положительной, и подача угля увеличивается, что приводит к увеличению затраченного тепла сжигания топлива до момента восстановления баланса и восстановления  статического равновесия регулятора.
ск
оп
пр1
Увеличение давления Р в общестанционном паровом коллекторе из-за снижения тепловой нагрузки ТЭС или увеличения расхода F пара от котла вызывает увеличение текушей энтальпии i пара в общестанционном паровом коллекторе и приводит к нарушению, баланса, величина рассогласования Z становится отрицательной, и подача угля уменьшается, что приводит к уменьшению затраченного тепла сжигания топлива до момента восстановления баланса и статического равновесия регулятора.
Таким образом, согласно предлагаемому изобретению реализуется регулирование расхода топлива, которое реагирует на изменения текущих показателей, свидетельствующих об изменении внутренней энергии теплоносителя, учитывает приведённое давление в общестанционном паровом коллекторе в случае работы группы котлов и основано на величинах, прямо пропорциональных количеству теплоты.
Согласно известным способам и системам регулирования тепловой нагрузки, рассогласование регулятора не содержит зависимостей от энтальпий, поэтому регулирующее воздействие начинает формироваться только тогда, когда изменение энтальпий приведет к изменениям расхода пара, то есть с увеличенным транспортным запаздыванием.
оп
оп
оп
пв
пв
ск
В этом аспекте, в отличие от известных способов и систем регулирования подачи топлива для паровых котлов, согласно предлагаемому изобретению, реализован непосредственный и совокупный учёт изменяющихся показателей от датчиков расхода F, давления P и температуры T пара от котла, датчиков давления P и температуры T питательной воды к котлу и давления Р в месте присоединения котла к общестанционному паровому коллектору ТЭС при формировании управляющего воздействия для устройств подачи топлива, благодаря чему удаётся реализовать регулирование подачи топлива с меньшим транспортным запаздыванием и большей точностью.
Представленные здесь варианты реализации изобретения являются лишь частными случаями, приведёнными для лучшего объяснения особенностей предлагаемого технического решения, а в предлагаемые способ и систему регулирования расхода пара могут быть внесены изменения и модификации в объёме формулы изобретения.