Устройство для энергосберегающего управления воздушными и тепловыми потоками тягодутьевого механизма промышленного котлоагрегата
DEVICE FOR ENERGY-SAVING CONTROL OF AIR AND HEAT FLOWS OF FORCED-DRAFT MECHANISM OF INDUSTRIAL BOILER UNIT

Изобретение относится к области производства и сушки синтетических нитей, волокон и нетканых материалов, в частности к процессу управления тепловыми и воздушными потоками промышленного котлоагрегата, и может быть использовано в других областях промышленности, где находят применение машины и аппараты для производства и потребления тепловой и электрической энергии.
Известно устройство для управления процессом охлаждения, вытяжки и формирования изотропного волокнистого холста из расплава, содержащее аэродинамическое устройство, состоящее из четырех групп автоматизированных электроприводов вентиляторов нагнетания и разрежения воздуха, выполненное с возможностью реализации функции синхронного управления асинхронными электроприводами и приводами постоянного тока для стабилизации скоростных режимов и технологических параметров [Поляков А.Е., Филимонова Е.М., Ямских И.С., Мухина П.М. Устройство для управления процессом охлаждения, вытяжки и формирования изотропного волокнистого холста из расплава. Патент на полезную модель №170675, Бюл. №13, 03.05.2017].
Недостатком устройства является несовершенство единого непрерывного процесса управления воздушными и тепловыми потоками при выработке энергетических ресурсов в промышленных котлоагрегатах.
Задачей изобретения является совершенствование автоматической системы управления тягодутьевым механизмом промышленного котлоагрегата с целью обеспечения энергосберегающих режимов и сбалансированного распределения воздушных и тепловых потоков.
Технический результат - повышение энергетической эффективности использования воздушных и тепловых потоков за счет модернизации конструктивного решения тягодутьевых механизмов (ТДМ) и применения современных систем энергосберегающих электроприводов переменного тока с частотным управлением.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для энергосберегающего управления воздушными и тепловыми потоками тягодутьевого механизма промышленного котлоагрегата, содержит регулируемый электропривод дутьевого вентилятора котлоагрегата, вход которого подключен к первому выходу микроЭВМ, на первый вход которой поступает сигнал задания давления воздуха перед горелкой котлоагрегата, состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства, второй вход которого соединен с выходом датчика температуры подаваемого в котлоагрегат воздуха, третий вход подключен к датчику давления топлива, установленному в магистральном топливопроводе, а выход с первым входом суммирующего устройства, второй вход которого соединен с выходом датчика расхода воздуха, установленного на вводном трубопроводе котлоагрегата, третий вход подключен к датчику содержания кислорода в отходящих газах, установленному в контуре регулирования дымососа, а выход - со входом регулятора подачи воздуха, первый выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства электропривода вентилятора дымососа, а второй выход - со входом последовательно соединенных преобразователя частоты, асинхронного двигателя и редуктора, выходной вал которого соединен с датчиком частоты вращения, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства электропривода подачи газообразного топлива в котлоагрегат, и кинематически через редуктор с валом вентилятора, обеспечивающего режим нагнетания воздуха в полость котлоагрегата, регулируемый электропривод подачи топлива в топку котлоагрегата, вход которого подключен ко второму выходу микроЭВМ, на второй вход которой поступает сигнал задания расхода топлива, состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства, третий вход которого соединен с выходом датчика расхода топлива, установленного в раструбе магистральной линии подачи топлива, а выход - со входом последовательно соединенных регулятора расхода топлива, преобразователя частоты, асинхронного двигателя и редуктора, выходной вал которого кинематически соединен с валом вентилятора, обеспечивающего режим подачи топлива к форсункам котлоагрегата, регулируемый электропривод вентилятора дымососа, вход которого подключен к третьему выходу микроЭВМ, на третий вход которой поступает сигнал задания величины разрежения воздуха в котлоагрегате, состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства, третий вход которого соединен с выходом датчика расхода уходящих газов, а выход с первым входом суммирующего устройства, второй вход которого соединен с выходом датчика разрежения, установленного в нижней части котлоагрегата, а выход - со входом последовательно соединенных регулятора отработанных газов, преобразователя частоты, асинхронного двигателя и редуктора, выходной вал которого кинематически соединен с валом вентилятора разрежения дымовых газов котлоагрегата и при этом микроЭВМ выполнена с возможностью реализации функции синхронизации управления асинхронными электроприводами для стабилизации и оптимизации скоростных режимов управляемого электротехнического комплекса котельного агрегата с целью обеспечения режимных показателей воздушных и тепловых потоков.
На фигуре 1 приведена структурная схема устройства для энергосберегающего управления воздушными и тепловыми потоками тягодутьевого механизма промышленного котлоагрегата.
Управляемый электротехнический комплекс котлоагрегата, предназначенный для поддержания оптимального режима горения в топке, содержит регулируемый электропривод дутьевого вентилятора, электропривод подачи топлива в топку и электропривод вентилятора дымососа.
з1
з2
з3
Регулируемый электропривод дутьевого вентилятора (1) котлоагрегата (2), вход которого подключен к первому выходу микроЭВМ (3), на первый вход которой поступает сигнал задания U давления воздуха перед горелкой котлоагрегата, состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя (4), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (5), второй вход которого соединен с выходом датчика температуры (6) подаваемого в котлоагрегат воздуха, третий вход подключен к датчику давления топлива (7), установленному в магистральном топливопроводе, а выход с первым входом суммирующего устройства (8), второй вход которого соединен с выходом датчика расхода воздуха (9), установленного на вводном трубопроводе котлоагрегата, третий вход подключен к датчику содержания кислорода в отходящих газах (10), установленному в контуре регулирования дымососа, а выход - со входом регулятора подачи воздуха (11), первый выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (12) электропривода вентилятора дымососа, а второй выход - со входом последовательно соединенных преобразователя частоты (13), асинхронного двигателя (14) и редуктора (15), выходной вал которого соединен с датчиком частоты вращения (16), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (17) электропривода подачи газообразного топлива в котлоагрегат, и кинематически через редуктор с валом вентилятора (18), обеспечивающего режим нагнетания воздуха в полость котлоагрегата, регулируемый электропривод подачи топлива в топку котлоагрегата (19), вход которого подключен ко второму выходу микроЭВМ, на второй вход которой поступает сигнал задания U расхода топлива, состоящий из последовательно соединенных цифроаналогового преобразователя (20), выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства (17), третий вход которого соединен с выходом датчика расхода топлива (21), установленного в раструбе магистральной линии подачи топлива, а выход - со входом последовательно соединенных регулятора расхода топлива (22), преобразователя частоты (23), асинхронного двигателя (24) и редуктора (25), выходной вал которого кинематически соединен с валом вентилятора (26), обеспечивающего режим подачи топлива к форсункам котлоагрегата, регулируемый электропривод вентилятора дымососа (27), вход которого подключен к третьему выходу микроЭВМ, на третий вход которой поступает сигнал задания U величины разрежения воздуха в котлоагрегате, состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя (28), выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства (12), третий вход которого соединен с выходом датчика расхода уходящих газов (29), а выход с первым входом суммирующего устройства (30), второй вход которого соединен с выходом датчика разрежения (31), установленного в нижней части котлоагрегата, а выход - со входом последовательно соединенных регулятора отработанных газов (32), преобразователя частоты (33), асинхронного двигателя (34) и редуктора (35), выходной вал которого кинематически соединен с валом вентилятора (36) разрежения дымовых газов котлоагрегата.
Функциональные назначения элементов системы автоматического регулирования
Энергосберегающее управление тягодутьевым механизмом котлоагрегата. Для обеспечения нормальной работы котлоагрегата (КА) необходимо непрерывно подавать в топку к горящему топливу воздух, обеспечивать определенную скорость движения горячих газов по газоходам котла и удалять из него в атмосферу продукты горения. Движение воздуха и дымовых газов в КА осуществляют тягодутьевые механизмы (ТДМ).
На большинстве котлоагрегатов применяются нерегулируемые асинхронные электропривода, регулирование расхода воздуха и разрежения в топке осуществляется изменением положения заслонок направляющих аппаратов с центрального пульта, а контроль технологических параметров работы котлоагрегата - с помощью регистрирующих вторичных приборов. При таком способе регулирования потоков воздуха и отходящих газов (дыма) потери на дросселирование достигают 70%. Кроме этого, при эксплуатации КА в связи с изменением параметров воздуховодов и дымоходов, топок котлов и свойств топлива, устанавливаемые по наладочным технологическим картам режимы, отличаются от оптимальных, что вызывает перерасход топлива.
2
На существующих КА, как правило, отсутствует оперативный контроль содержания кислорода в отходящих газах, процесс сжигания топлива ведется с избытком воздуха. При этом содержание О в отходящих газах находится в пределах 8-10%, однако в большинстве случаев достаточно 2-3%. Работа КА с избытком воздуха также является источником энергопотерь на котельных установках.
Для повышения эффективности функционирования котельных установок предлагается применение современных управляемых электротехнических комплексов (УЭТК). Важнейшими элементами, таких систем являются подсистемы оптимального управления тягодутьевыми трактами котлоагрегатов, позволяющие существенно (на 30-40%) снизить потребление электроэнергии асинхронными двигателями вентиляторов и дымососов, а также обеспечить рациональный расход топлива при полном его сжигании.
В настоящее время, как правило, регулирование производительности производится упрощенными направляющими аппаратами шиберного типа, установленными во входных коробах. Поворот лопаток направляющего аппарата осуществляется через рычаги от колонки дистанционного управления. Механизм управления лопатками дутьевого вентилятора котла, снабженный нерегулируемым электроприводом, обеспечивает параметрическое регулирование напора воздуха, подаваемого в котел.
Для управления задвижкой используются сигналы - «закрыть задвижку» и «открыть задвижку». Сигналы управления подаются на двигатель, который управляет шибером, после анализа отклонения текущего давления в трубопроводе от заданного. Длительность подачи сигналов определяют площадь поперечного сечения трубопровода и объем перекачиваемого воздуха. Такой способ регулирования приводит к повышенному расходу электроэнергии тягодутьевыми машинами.
Разработанная система автоматического регулирования воздушными и тепловыми потоками в тягодутьевом тракте (ТДТ) реализует следующие основные функции:
2
1. Автоматический контроль расхода воздуха, топлива, отходящих газов и разрежения в топке КА, а также содержание кислорода (О) в отходящих газах.
2. Стабилизацию разрежения в топке КА в соответствие с заданием от микроЭВМ путем частотного управления скоростью асинхронного электродвигателя вентилятора дымососа.
3. Управление расходом воздуха, подаваемого в топку КА, частичным изменением скорости асинхронного двигателя дутьевого вентилятора в соответствии с задаваемым с микроЭВМ соотношением «топливо-воздух» с автоматической коррекцией задания по содержанию кислорода в отходящих газах.
4. Автоматическую подачу топлива и воздуха к смесительным горелкам с помощью вентиляторов низкого или среднего давления.
5. Синхронизацию частот вращения электроприводов дутьевого вентилятора и дымососа с целью предупреждения нарушения материального баланса между поступающим воздухом и уходящими газами.
Важнейшей подсистемой УЭТК котлоагрегата является САР разрежения в топке. Для исследования принята каскадная САР с односторонней автономностью, обладающая такими достоинствами как динамическая развязка основного и вспомогательного контуров регулирования, благодаря которой возможна независимая настройка регуляторов, а также более высокая надежность работы, так как при отказе вспомогательного контура система продолжает работать как одноконтурная.
В соответствии с выполняемыми функциями систему регулирования можно разделить на два независимых контура.
1. Контур регулирования дутьевого вентилятора. В данном контуре частота вращения регулируется ПИД-регулятором поддержания давления воздуха перед горелкой. Необходимое давление воздуха вычисляется по значению давления топлива и температуре подаваемого воздуха. Так же при необходимости производится корректировка установки давления по содержанию кислорода в уходящих дымовых газах, которое контролируется зондом. Вычисление производится микроЭВМ блока автоматического управления согласно режимной карте котла, откуда задающий сигнал поступает на преобразователь частоты (ПЧ) дутьевого вентилятора.
2
В модифицированной схеме САУ тягодутьевого тракта КА, совмещаются принципы регулирования по возмущению и отклонению. Регулятор подачи воздуха изменяет его расход с помощью регулируемого электропривода переменного тока, выполненного на базе преобразователя частоты. Сигнал, пропорциональный расходу воздуха: во-первых, устраняет возмущения по расходу воздуха, не связанные с регулированием экономичности; во вторых, способствует стабилизации самого процесса регулирования подачи воздуха, так как служит одновременно сигналом жесткой отрицательной обратной связи. Введение дополнительного корректирующего сигнала по содержанию О повышает точность поддержания оптимального избытка воздуха.
2. Контур регулирования дымососа. В данном контуре задействован датчик разрежения в топке. По его сигналу ПИД-регулятор блока автоматического управления поддерживает постоянное разрежение в топке на уровне 2-3 мм. в.ст., подавая управляющий сигнал на преобразователь частоты дымососа. Для упрощения схемы можно задействовать ПИД-регулятор преобразователя частоты, выведя на аналоговый вход ПЧ сигнал с датчика разрежения. Система регулирования дымососа должна поддерживать заданную величину разрежения в топке независимо от производительности котла. Сохранение баланса между подводом тепла и его отводом выполняется системой управления производительностью, регулирующей подачу топлива в топку. С увеличением количества топлива пропорционально возрастает подача воздуха, соответственно электропривод дымососа должен увеличить отсасывающий объем продуктов горения.
Наличие небольшого (до 20-30 Па) постоянного разрежения в верхней части топки необходимо по условиям нормального топочного режима. Оно препятствует выбиванию газов из топки, способствует устойчивости факела и является косвенным показателем материального баланса между нагнетаемым в топку воздухом и уходящими газами.
Входным регулирующим воздействием этого участка служит расход дымовых газов, определяемый производительностью дымососов. К внешним возмущающим воздействиям относится изменение расхода воздуха в зависимости от тепловой нагрузки агрегата, а к внутренним - нарушения газовоздушного режима, связанные с изменениями состава и калорийности топлива. Отрицательным свойством тягодутьевого тракта являются колебания регулируемой величины около среднего значения с амплитудой до 10-15 Па и частотой до нескольких Гц. Такие колебания зависят, в частности, от пульсаций расходов топлива и воздуха.
Регулирование разрежения осуществляется посредством изменения количества уходящих через дымосос газов, отсасываемых дымососом. При этом производительность дымососа регулируется управляемым электроприводом. Заданное значение регулируемого параметра устанавливается с помощью микроЭВМ. При работе котла в регулирующем режиме могут происходить частые изменения тепловой нагрузки и, следовательно, изменения расхода воздуха. Указанное приводит к временному нарушению материального баланса между поступающим воздухом и уходящими газами. Для предупреждения данного нарушения и увеличения быстродействия регулятора расхода отработанных газов в схему (фиг. 1) на вход регулятора введено дополнительное воздействие от регулятора расхода воздуха.
Поддержание оптимального режима горения в топке обеспечивается выбором необходимой скорости вращения электродвигателей тягодутьевых механизмов при полностью открытых направляющих аппаратах практически во всем диапазоне рабочей производительности котельной установки. В отдельных случаях возникает неустойчивый режим горения при розжиге котла и в начальном диапазоне его производительности («отрыв» пламени от запальника или от горелки). Такой режим характеризуется значительными динамическими возмущениями давления/разрежения в топке.
Применение преобразователей частоты для управления вентилятором подачи воздуха в топку и вентилятором дымососа позволяет не только эффективно решить задачу повышения энергоэффективности, но и автоматизировать технологический процесс. Установка ПЧ не исключает регулирования потока воздуха шибером, эта система регулирования может использоваться как резервная.
Функциональные возможности преобразователей частоты:
- автоматическое включение и плавный пуск электродвигателя;
- управление частотой и напряжением на входе, в том числе автоматическое по часам реального времени;
- поддержание величины технологического параметра;
- повторное включение после аварийного отключения;
- плавный останов и отключение электродвигателя;
защита электродвигателя в аварийных ситуациях и нештатных режимах.
Применительно к дымососам и вентиляторам возможны следующие варианты управления:
- полностью ручной режим, когда оператор согласно визуальным показаниям прибора разрежения или избыточного давления выставляет необходимую частоту;
- управление преобразователем с помощью ПИД-регулятора, при этом используется датчик давления или разрежения с токовым или потенциометрическим выходом. Последний вариант обычно интегрируется в систему управления котлом. Система управления тягодутьевыми механизмами обычно включает в себя несколько ПЧ (управление приводами дымососов и вентиляторов), датчики разрежения, датчики давления.
Разработанное устройство для энергосберегающего управления воздушными и тепловыми потоками ТДМ представляет из себя сложный многодвигательный УЭТК, выполненный на базе современных комплектных энергосберегающих электроприводов переменного тока с микропроцессорным управлением и типовых промышленных датчиков температуры, частоты вращения, разрежения, расхода воздуха, топлива, отработанных газов, содержания кислорода. Система управления многодвигательным электроприводом спроектирована по модульному принципу и обеспечивает следующие основные требования:
1. Диапазон изменения частоты вращения рабочих органов должен быть равен диапазону изменения производительности.
2. Пуск двигателей электроприводов должен быть плавным и продолжаться не более тридцати секунд.
3. Электропривод должен обеспечивать работу в двух основных режимах: пуско-тормозных с заданной интенсивностью и в режиме стабилизации скоростных режимов ТДМ.
4. Во всем диапазоне изменения производительности необходимо автоматически поддерживать постоянную частоту вращения электроприводов с отклонением, равным не более 0,5-1%.
5. Система автоматического регулирования должна быть устойчивой во всех режимах и ограничивать имеющее место колебание питающего напряжения в установившемся режиме в пределах ±5%.
6. Многодвигательный электропривод должен обеспечивать регулирование частот вращения в диапазоне 5:1.
Применение электропривода по системе «преобразователь частоты - асинхронный двигатель» позволяет наиболее рациональным образом решить комплекс вопросов, связанных с надежностью, быстродействием, точностью регулирования, снижением потерь тепловой и электрической энергии.
Применение ресурсосберегающих электроприводов позволяет снизить уровень потребления электрической энергии, особенно в режиме холостого хода, а также обеспечить управление интенсивностью пуско-тормозных режимов.
Устройство работает следующим образом. Перед пуском устройства напряжение подается на блоки питания микроЭВМ, аналогово-цифровые преобразователи, преобразователи частоты, датчики частоты вращения, температуры, разрежения, расхода воздуха, топлива, отработанных газов, содержания кислорода.
Программа в микроЭВМ обеспечивает заданные скоростные режимы автоматизированного многодвигательного электропривода и следит за режимными показателями: температурой поступающего воздуха, разрежением дымовых газов в топке котлоагрегата, содержанием кислорода, расходом топлива и уходящих газов, давлением топлива. Программа микроЭВМ устанавливает базовые скоростные режимы отдельно для электроприводов вентиляторов подачи воздуха, топлива и дымососа.
Для предупреждения изменений тепловой нагрузки и, следовательно, изменения расхода воздуха, в схему (фиг. 1) САР на вход регулятора отработанных газов (32) введено дополнительное воздействие от регулятора расхода воздуха (11).
з1
1. Контур регулирования дутьевого вентилятора. В данном контуре частота вращения вентилятора (18) регулируется ПИД-регулятором расхода воздуха (11) для поддержания заданного давления воздуха перед горелкой. Сигнал задания (U) давления воздуха подается на первый вход микроЭВМ. Управляющий сигнал для преобразователя частоты (13) и асинхронного двигателя (14) формируется в суммирующих устройствах (5) и (8) из импульсов, поступающих от датчиков температуры воздуха (6), расхода воздуха (9) и давления топлива (7). Кроме того, корректировка уставки давления воздуха по содержанию кислорода в уходящих дымовых газах, осуществляется датчиком (10).
з2
2. Контур регулирования вентилятора подачи газообразного топлива. На второй вход микроЭВМ подается сигнал (U) задания расхода топлива, соответствующий заданной производительности котлоагрегата. Сохранение баланса между подводом тепла и его отводом выполняется системой управления производительностью, регулирующей подачу топлива в топку. С увеличением количества топлива пропорционально возрастает подача воздуха. За счет введения обратной связи через датчик частоты вращения (16) электроприводы вентиляторов подачи воздуха (1) и топлива (19) работают в следящем режиме, обеспечивая синхронный пуск и торможение. Кроме того, поддержание материального баланса между расходом топлива и объемом поступающего в топку воздуха, обеспечивается обратными связями через датчики расхода топлива (21) и частоты вращения (16). Сформированный в суммирующем устройстве (17) результирующий сигнал поступает на ПИД-регулятор расхода топлива (22) и далее через преобразователь частоты (23), асинхронный двигатель (24), редуктор (25) регулирующий частоту вращения вентилятора (26), обеспечивая заданную производительность КА.
з3
3. Контур регулирования дымососа. На третий вход микроЭВМ подается сигнал задания (U) величины разрежения воздуха в топке котлоагрегата. В данном контуре задействованы датчики разрежения (31) и расхода уходящих газов (29), которые в суммирующих устройствах (12) и (30) совместно с сигналом задания формируют управляющий сигнал, поступающий на вход ПИД-регулятора расхода отработанных газов (32), который через преобразователь частоты (33) и асинхронный двигатель (34) регулирует частоту вращения вентилятора (36), поддерживая постоянное разрежение в топке на уровне 2-3 мм. в.ст.