СПОСОБ И СИСТЕМА ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ И НИЗКОУГЛЕРОДНОСТИ РАБОТЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ГАЗООБРАЗНЫЙ, ЖИДКИЙ И ТВЕРДЫЙ ВИДЫ ТОПЛИВА
METHOD AND SYSTEM FOR INCREASING ENERGY EFFICIENCY AND LOW-CARBON OPERATION OF INDUSTRIAL TECHNOLOGICAL UNITS USING GAS, LIQUID AND SOLID FUEL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Заявление решение относится к теплоэнергетике, а именно к области удаленного управления работой промышленных котлоагрегатов, управляемых с помощью ПЛК (программируемый логический контроллер) для повышения его энергоэффективности и сокращению выбросов продуктов горения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Автоматизация котлоагрегатов - одно из основных направлений повышения их функционирования. На базе совершенных отечественных и импортных электронных приборов, и устройств разработаны различные простейшие решения применения систем автоматического регулирования технологическими параметрами котлов. На сегодняшний день методика проведения технологических и наладочных работ составлена с учетом действующих нормативных, государственных и ведомственных документов, ГОСТ и инструкций. Большинство котлоагрегатов ежедневно работает по определенному алгоритму, обусловленному технологическим процессом предприятия. Как правило, анализируя графики работы котла можно сделать вывод, что цикл работы котла имеет повторяющиеся моменты:
с 00.00 до 08.00 часов, нагрузка котла не меняется. Технологические параметры находятся в устойчивом состоянии и обеспечивает стабилизацию режима эксплуатации агрегата.
с 08.00 до 23.00 часов нагрузка котла резко и часто меняется, что негативно влияет на показатели производительности котлоагрегата. Значения технологических параметров могут находиться на границе устойчивого состояния работы систем автоматического регулирования.
2
[0003] Известна система автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности с низкотемпературным кипящим слоем и способ ее работы (RU 2692854, кл. F23N 1/06, F23C 1/06, F23L 15/00, F23L 11/00, 2019), состоящей из ПЛК с блоками управления регуляторов, к которым кабелями подсоединены датчики и исполнительные механизмы, установленные на котле. На котле низкотемпературного кипящего слоя установлены исполнительные механизмы с электроприводами и частотно-регулируемые приводы, датчики температуры кипящего слоя, СО и O, температуры и давления воды на входе и выходе из котлоагрегата, исполнительные механизмы для регулирования подачи топлива, регулировки инерта, регулирования шиберов входящей воздушной смеси с каналами регулирования, разрежения, удаления инерта с датчиками, приборами контроля и безопасности, частотно-регулируемые приводы дымососа, питателя топлива, также с приборами регулирования розжиговой камеры.
2
[0004] Известный способ автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности с низкотемпературным кипящим слоем, заключается в снятии данных (показаний) из приборов и датчиков, установленных на котле, перевод этих аналоговых данных при помощи аналого-цифровых преобразователей в цифровой вид, подачи цифровых данных в ПЛК, их обработку согласно режимной карте работы котла и выдачи сигналов на блоки управления регуляторов, из которых команды по кабелям передаются исполнительным механизмам, установленным на котле, в зависимости от показаний от приборов и датчиков, установленных на котле. В ПЛК согласно режимной карте работы котла прописывают параметры и зависимости следующих режимов автоматического регулирования котла: розжига котла, нагрузки котла, разрежения в топке котла с коррекцией по СО и O, температуры кипящего слоя, высоты кипящего слоя, уровня пароводяной смеси в барабане котла, уровня топлива в бункере-накопителе.
[0005] Недостатками всех известных технических решений, связанных с контролем и управлением котлоагрегатов является их сложность в практическом использовании, требующих дорогостоящего оборудования, а также недостаточная эффективность управления работой котлоагрегата в связи с отсутствием расчета показателя усредненного отношения пар/топливо и его динамического анализа в ходе настройки работы котлоагрегата.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006] Заявленное изобретение направлено на решение технической проблемы в части создания нового эффективного способа управления работой котлоагрегата.
[0007] Техническим результатом является повышение эффективности работы котлоагрегата и уменьшения выбросов продуктов горения, за счет снижения потребления топливо-энергетических ресурсов с помощью адаптивной подстройки ПЛК, регулирующего режим работы котлоагрегата.
[0008] Дополнительным результатов является упрощение процесса управления котлоагрегатом.
[0009] Заявленные технические результаты достигаются за счет выполнения способа управления работой котлоагрегата с помощью программируемого логического контроллера (ПЛК), который содержит этапы, на которых с помощью вычислительного блока ПЛК:
a) получают данные регулирования технологических параметров работы котлоагрегата;
b) рассчитывают исходное значение усредненного за сутки значения отношения пар - топливо (УПТ) на основании полученных параметров котлоагрегата по формуле: УПТ=КП/КТ, где КП - количество производственного пара, КТ - количество израсходованного топлива, и рассчитывают показатель канала давления пара пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора (ПИД-регулятора), установленного в ПЛК;
c) на основании вычисленного показателя УПТ формируют сигнал для подстройки ПИД-регулятора в части увеличения коэффициента пропорциональности канала давления пара на 10-20%;
d) рассчитывают текущее отношение пар - топливо на основании изменений, произведенных на этапе с), при этом:
i. если значение пар - топливо больше исходного УПТ, то выполняется расчет текущего значения УПТ и итеративная подстройка ПИД-регулятора в части увеличения коэффициента пропорциональности канала давления пара на 10-20% до тех пор, пока не будет получено максимальное значение УПТ с заданным коэффициентом пропорциональности работы ПИД-регулятора или пока не будет зафиксировано повышение частоты включения газовой заслонки котлоагрегата выше порогового значения;
ii. если текущее значение отношения пар - топливо меньше, чем исходное УПТ, то выполняется подстройка ПИД-регулятора в части уменьшения коэффициента пропорциональности канала давления пара на 10-20% до тех пор, пока полученное значение УПТ не приведет к увеличению исходного значения УПТ;
e) формируют сигнал для снижения параметра времени интегрирования ПИД-регулятора канала регулирования давления пара на 10-20% относительно значения, определенного на этапе b), и определяют показатель суточного УПТ, при этом
i. если уменьшение параметра времени интегрирования привело к увеличению усредненного УПТ относительно максимально выявленного на этапе d) значения УПТ, то итеративно повторяют уменьшение времени интегрирования ПИД-регулятора с анализом на каждом шаге приращений усредненного за сутки отношения пар - топливо до момента, пока не будет зафиксировано уменьшение значения отношения пар - топливо или будет зафиксировано повышение частоты включения газовой заслонки котлоагрегата выше порогового значения; ii. если первоначальное уменьшение времени интегрирования ПИД-регулятора привело к снижению показателя УПТ, то формируется сигнал для пошагового увеличения времени интегрирования ПИД-регулятора с анализом на каждом шаге приращений усредненного за сутки отношения пар - топливо;
f) определяют значение времени интегрирования ПИД-регулятора, соответствующее максимальному значению УТП при заданном коэффициенте пропорциональности канала давления пара;
g) итеративно повторяют этапы a)-f), записывая в память ПЛК значения, полученные на этапе f), как эталонные для регулирования работы котлоагрегата.
[0010] Заявленное Система управления работой котлоагрегата, содержащая подключенный к котлоагрегату ПЛК, при этом ПЛК содержит ПИД-регулятор и вычислительный блок, который выполнен с возможностью:
a) получать данные регулирования технологических параметров работы котлоагрегата;
b) рассчитывать исходное значение усредненного за сутки значения отношения пар - топливо (УПТ) на основании полученных параметров котлоагрегата по формуле: УПТ=КП/КТ, где КП количество производственного пара, КТ количество израсходованного топлива, и рассчитывают показатель канала давления пара ПИД-регулятора, установленного в ПЛК;
c) на основании вычисленного показателя УПТ формировать сигнал для подстройки ПИД-регулятора в части увеличения коэффициента пропорциональности канала давления пара на 10-20%;
d) рассчитывать текущее отношение пар - топливо на основании изменений, произведенных на этапе с), при этом:
i. если значение пар - топливо больше исходного УПТ, то выполняется расчет текущего значения УПТ и итеративная подстройка ПИД-регулятора в части увеличения коэффициента пропорциональности канала давления пара на 10-20% до тех пор, пока не будет получено максимальное значение УПТ с заданным коэффициентом пропорциональности работы ПИД-регулятора или пока не будет зафиксировано повышение частоты включения газовой заслонки котлоагрегата выше порогового значения; ii. если текущее значение отношения пар - топливо меньше, чем исходное УПТ, то выполняется подстройка ПИД-регулятора в части уменьшения коэффициента пропорциональности канала давления пара на 10-20% до тех пор, пока полученное значение УПТ не приведет к увеличению исходного значения УПТ;
e) формировать сигнал для снижения параметра времени интегрирования ПИД-регулятора канала регулирования давления пара на 10-20% относительно значения, определенного на этапе b), и определяют показатель суточного УПТ, при этом
i. если уменьшение параметра времени интегрирования привело к увеличению усредненного УПТ относительно максимально выявленного на этапе d) значения УПТ, то итеративно повторяют уменьшение времени интегрирования ПИД-регулятора с анализом на каждом шаге приращений усредненного за сутки отношения пар - топливо до момента, пока не будет зафиксировано уменьшение значения отношения пар - топливо или будет зафиксировано повышение частоты включения газовой заслонки котлоагрегата выше порогового значения;
ii. если первоначальное уменьшение времени интегрирования ПИД-регулятора привело к снижению показателя УПТ, то формируется сигнал для пошагового увеличения времени интегрирования ПИД-регулятора с анализом на каждом шаге приращений усредненного за сутки отношения пар - топливо;
f) определять значение времени интегрирования ПИД-регулятора, соответствующее максимальному значению УТП при заданном коэффициенте пропорциональности канала давления пара;
g) итеративно повторять этапы а)-f), записывая в память ПЛК значения, полученные на этапе f), как эталонные для регулирования работы котлоагрегата.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0011] Фиг. 1 иллюстрирует общую схему автоматизации котлоагрегата.
[0012] Фиг. 2 иллюстрирует схему контроля ТЭП котлоагрегата.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0013] На Фиг. 1 представлена общая схема автоматизации котлоагрегата в рамках заявленного изобретения. В котлоагрегат (20) по трубопроводу (21) поступает вода, а по трубопроводу (22) из котлоагрегата (20) выходит пар. На трубопроводе (22) установлены счетчик (7) расхода пара (или расходомер воды) и датчик (4) давления пара. Для выработки пара в топку котлоагрегата (20) по трубопроводу (23) с установленным на нем датчиком (2) давления воздуха, подаваемого на горелку в котлоагрегате (20). По трубопроводу (24) поступает воздух, при этом на трубопроводе (24) установлены счетчик (6) расхода газа и датчик (1) давления газа, поступающего на горелку.
[0014] Для управления котлоагрегатом (20) на трубопроводе (23) установлен исполнительный механизм (3) регулирования расхода воздуха на горелку топки котлоагрегата (20), а на трубопроводе (24) установлен исполнительный механизм (5) регулирования расхода газа, подаваемого на горелку котлоагрегата (20). Исполнительные механизмы (3, 5) по входу связаны с ПЛК (10).
[0015] Как показано на Фиг. 2, счетчик (6) расхода газа счетчик расхода пара (7) передают информацию в блок (103) расчета технико-экономического показателя (ТЭП), входящего в состав ПЛК (10).
[0016] ПЛК (10) включает блок (103) вычисления ТЭП, блок (101) задания давления воздуха в зависимости от давления газа (соотношение газ-воздух), передающий данные в ПИД-регулятор (102) давления воздуха, подаваемого на горелку. Блок ТЭП (103) на основании данных, получаемых от счетчиков (6, 7), формирует сигнал для ПИД-регулятора (104) давления пара в котле. Также, управление ПИД-регулятором (104) может осуществляться с помощью внешнего воздействия (105), например, через панель оператора. Также, ПИД-регулятор (104) получает на вход данные от датчика давления пара (4). Выход ПИД-регулятора (102) давления воздуха связан со входом исполнительного механизма (3) регулирования расхода воздуха, подаваемого на горелку котлоагрегата (20). [0017] Данная система автоматизации котла позволит получать непрерывные данные о КПД котла, расхождение технологических параметров от заданных режимной картой. Это позволяет существенно повысить эффективность и экономичность котлоагрегата, а также упростить его управление за счет автоматизации процесса контроля его работы. [0018] В процессе работы котлоагрегата (20) происходит непрерывное измерение следующих параметров с помощью датчиков (1,4, 6): давления газа, давления воздуха, и давления пара. Данные поступают на обработку в ПЛК (10), программная логика которого с помощью вычислительного блока выполняет сравнение с заданными значениями и вырабатывает управляющие воздействия для ПИД-регуляторов (102, 104). Блок ТЭП (103) рассчитывает показатели на основе измерений датчиков расхода пара (6) и газа (7). Результаты расчетов используются для регулировки скорости изменения управляющего сигнала ПИД-регулятора (104).
[0019] Заявленный способ управления котлоагрегатом (20) осуществляется с помощью автоматической работы ПЛК (10) следующим образом. Вначале выполняется получение данных регулировки технологических параметров работы котлоагрегата (20). При исходных значениях каналов регулирования технологических параметров («Пар», «Уровень», «Воздух» и «Разрежение»), полученных при их предварительной наладке, определяется усредненные за сутки отношение «Пар - топливо» по формуле: УПТ=КП/КТ, где КП - количество производственного пара; КТ - количество израсходованного топлива.
[0020] Определяется показатель канала давления пара ПИД-регулятора (104). Далее, на основании вычисленного показателя УПТ формируются сигнал для подстройки ПИД-регулятора (104) в части увеличения коэффициента пропорциональности канала давления пара на 10-20% и рассчитывается текущее отношение пар - топливо на основании выполненной подстройки.
[0021] Далее с помощью ПЛК (10) выполняется следующее:
- если полученное значение пар - топливо больше исходного УПТ, то выполняется расчет текущего значения УПТ (с учетом выполненной подстройки канала ПИД-регулятора (104)) и последующая итеративная подстройка ПИД-регулятора (104) в части увеличения коэффициента пропорциональности канала давления пара на 10-20% до тех пор, пока не будет получено максимальное значение УПТ с заданным коэффициентом пропорциональности работы ПИД-регулятора (104) или пока не будет зафиксировано повышение частоты включения газовой заслонки котлоагрегата (20) выше порогового значения;
- если текущее значение отношения пар - топливо меньше, чем исходное УПТ, то выполняется подстройка ПИД-регулятора (104) в части уменьшения коэффициента пропорциональности канала давления пара на 10-20% до тех пор, пока полученное значение УПТ не приведет к увеличению исходного значения УПТ.
[0022] На основании указанных выше действий вычислительным блоком (процессром) ПЛК (10) формируется сигнал для снижения параметра времени интегрирования ПИД-регулятора (104) канала регулирования давления пара на 10-20% относительно ранее выявленного значения. После чего снова определяется показатель суточного УПТ, причем, если уменьшение параметра времени интегрирования привело к увеличению усредненного УПТ относительно максимально выявленного значения УПТ, то уменьшение времени интегрирования ПИД-регулятора с анализом на каждом шаге приращений усредненного за сутки отношения пар - топливо итеративно повторяется до момента, пока не будет зафиксировано уменьшение значения отношения пар - топливо, или будет зафиксировано повышение частоты включения газовой заслонки котлоагрегата (20). выше порогового значения.
[0023] Если же ПЛК (10) фиксирует, что первоначальное уменьшение времени интегрирования ПИД-регулятора (104) привело к снижению показателя УПТ, то формируется сигнал для пошагового увеличения времени интегрирования ПИД-регулятора (104) с анализом на каждом шаге приращений усредненного за сутки отношения пар - топливо. Далее определяется значение времени интегрирования ПИД-регулятора (104), соответствующее максимальному значению УТП при заданном коэффициенте пропорциональности канала давления пара. Вышеописанные действия итеративно повторяются пока не будет выявлен оптимальный с точки зрения времени интегрирования ПИД-регулятора (104) показатель максимального значения УПТ. Выявленные значения записываются в память ПЛК и используются как эталонные для последующей регулировки работы котлоагрегата (20). Окончательным этапом наладки канала «давления пара» (канала ПИД-регулятора (104)) по ТЭП является настройка адаптивного режима регулирования, выполняемого ПЛК (10), при котором система, выполняя анализ показателей ТЭП, вносит корректировку в параметры настройки канала ПИД-регулятора (104), обеспечивая экономию топливно-энергетических ресурсов и уменьшение выброса вредных веществ в атмосферу, без потери эффективности КПД котлоагрегата (20).
[0024] Ниже будут представлены примеры практических испытаний заявленного технического решения.
[0025] В таблице 1 приведены результаты экспериментов по определению оптимальных значений параметров динамической настройки ПИД-регулятора давления пара котла ДЕ-10-14-225ГМ.
[0026] Процесс поиска оптимальных значений параметров динамической настройки регулятора давления пара (Таблица 2):
3
Коэффициент пропорциональности=3: 0 ср.=(84,7+83,3)/2=84 м/т
3
Коэффициент пропорциональности=4: 0 ср.=(80,7+83.6+83,8+79,3)/4=81,8 м/т
3
Коэффициент пропорциональности=4.5: 0 ср.=(81,5+82.1)/2=81,6 м/т
[0027] Процесс определения оптимальных значении параметров динамической настройки регулятора давления пара представлен в Таблице 3.
Таблица 3.
3
[0028] Представленные испытания показывают, что за счет применения заявленного метода управления котлоагрегатом (20) удалось снизить удельный расход газа в сутки на 2,2 м/т или 2,6%.