УСТРОЙСТВО И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СООТНОШЕНИЕМ ТОПЛИВА И ВОЗДУХА ПРИ СЖИГАНИИ УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ В ТОПОЧНОЙ УСТАНОВКЕ УГОЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
DEVICE AND METHOD OF CONTROLLING RATIO OF FUEL AND AIR AT COMBUSTION OF COAL DUST IN FURNACE INSTALLATION PLANT

Изобретение относится к устройству для управления соотношением топлива и воздуха при сжигании угольной пыли в топочной установке угольной электростанции, которая содержит средства пневматической транспортировки угольной пыли к горелкам топочной установки угольной электростанции, а также средства подвода воздуха для горения к горелкам или же в топочную камеру топочной установки угольной электростанции, при этом топочная установка угольной электростанции по направлению протекания воздуха содержит по меньшей мере следующие устройства: вентилятор свежего воздуха для всасывания свежего воздуха из окружающей среды, вентилятор мельницы для подачи части подвергнутого всасыванию свежего воздуха в качестве транспортирующего воздуха для загрузки его угольной пылью, подогреватель воздуха для предварительного нагревания подвергнутого всасыванию свежего воздуха и части транспортирующего воздуха с использованием теплоты дымовых газов топочной установки угольной электростанции, устройство управления количеством воздуха для управления количеством воздуха для горения, вводимым в топочную камеру, устройство управления количеством воздуха для управления транспортирующим воздухом, применяемым для пневматической транспортировки угольной пыли, а также измерительные устройства для измерения вводимого в топочную камеру угольной электростанции количества воздуха для горения и устройство для дозированного подвода предварительно выбранного количества угольной пыли к горелкам.
Кроме того, изобретение относится к способу управления соотношением топлива и воздуха при сжигании угольной пыли в топочной установке угольной электростанции, которая обладает по меньшей мере приведенными выше признаками.
Управление соотношением топлива и воздуха при сжигании угольной пыли в топочных установках угольных электростанций имеет особое значение для достижения по существу полного сжигания подводимого топлива, или же для поддержания заданных стехиометрических параметров процесса сжигания и, таким образом, для достижения высокого энергетического коэффициента полезного действия, а также для поддержания низких значений выбросов. Поэтому топочные установки в угольных электростанциях наряду с соответствующими устройствами для дозированного подвода к горелкам количества топлива, предварительно выбранного в соответствии с требуемой нагрузкой, имеют управляющие устройства, при помощи которых количеством воздуха, подводимым к горелкам или же в топочную камеру, управляют в зависимости от подводимого количества топлива. Для этого требуются измерительные устройства, при помощи которых вводимое в топочную камеру количество воздуха, а именно, количество воздуха для горения и количество транспортирующего воздуха, может регистрироваться максимально точно. И то, и другое необходимо, чтобы оптимально регулировать процесс сжигания в зависимости от нагрузки, при этом количество топлива и, таким образом, количество транспортирующего воздуха, предварительно выбирают в соответствии с требуемой нагрузкой, а количеством воздуха для горения управляют с целью достижения заданных стехиометрических параметров сжигания.
На практике встречаются как топочные установки угольных электростанций, в которых к каждой отдельной горелке или группе горелок подводят предварительно выбранное количество угольной пыли, и в соответствии с этим предварительно выбранным количеством угольной пыли управляют количеством воздуха, подводимым к этой горелке или к этой группе горелок, с целью достижения заданных стехиометрических параметров сжигания, так и топочные установки, в которых предварительно выбирают лишь общее количество угольной пыли, подводимой ко всем горелкам котла, и соответственно управляют также лишь количеством воздуха, подводимым в общей сложности ко всем горелкам этого котла или же ко всему котлу.
В каждом случае необходимо измерять подводимое к котлу количество воздуха, либо по отношению к отдельной горелке или группе горелок, либо по отношению ко всем горелкам котла или же к котлу в целом, чтобы реализовать соответствующее управление количеством воздуха для горения и, таким образом, регулировать процесс сжигания.
Кроме того, в топочных установках электростанций с пневматической транспортировкой угольной пыли к горелкам управляют количеством транспортирующего воздуха для пневматической транспортировки угля. Это управление также требует измерения количества транспортирующего воздуха.
Измерение количества воздуха в топочных установках угольных электростанций преимущественно осуществляют с применением зондов измерения давления при помощи измерения разности давлений. Для этого в систему труб или же каналов, проводящую воздух для горения, а также в систему труб или же каналов, проводящую транспортирующий воздух, устанавливают зонды измерения давления. На основании измеренных давлений может быть определена скорость протекания в каналах, и, с учетом геометрических параметров канала, соответственно может быть определено количество воздуха. Предпочтительно зонды измерения давления не находятся непосредственно в поперечном сечении канала, а соединены с проводящими воздух каналами при помощи так называемых импульсных трубопроводов.
Для улучшения энергетического коэффициента полезного действия топочной установки электростанции является традиционным предварительное нагревание свежего воздуха. Зачастую для этого применяют регенеративный подогреватель воздуха. В регенеративных подогревателях воздуха аккумулирующая масса, преимущественно гладкие или гофрированные металлические листы, попеременно вначале нагреваются горячими дымовыми газами, а затем охлаждаются свежим воздухом, так что осуществляется теплопередача от дымовых газов к свежему воздуху. С этим сопряжено введение частиц летучей золы в свежий воздух. При работе топочной установки электростанции это регулярно приводит к загрязнению зондов измерения давления или же импульсных трубопроводов. Следствием являются постоянные работы по очистке и техническому обслуживанию. Проблематичным является то, что степень загрязнения зондов измерения давления не может быть однозначно определена на основании измеренной разности давлений, и поэтому результаты измерений при продолжении эксплуатации подвержены существенному риску ошибок. Следствием является дрейф измерения количества воздуха, который может определяться лишь с большим трудом. В конечном итоге это приводит к неточному управлению соотношением топлива и воздуха, сопряженному с ухудшенным коэффициентом полезного действия и повышенными выбросами вредных веществ.
По состоянию техники известны измерительные устройства, которые анализируют трибоэлектрические эффекты на датчиках, расположенных друг за другом по направлению протекания среды, содержащей частицы. Такие измерительные устройства обеспечивают возможность определения скорости протекания, содержащей частицы текучей среды, а также определения загрузки протекающей среды. Так, например, в DE 696 34 249 Т2 описана измерительная система, при помощи которой посредством анализа трибоэлектрических эффектов на двух расположенных в объемном потоке чувствительных элементах могут быть определены скорость объемного потока, состоящего из газа и порошка, соотношение между газом и порошком в объемном потоке и степень турбулентности в протекающей порошковой суспензии. При помощи такой измерительной системы можно определять количество порошкообразного твердого вещества, пневматически транспортируемого в загруженном порошком газовом потоке. Измерительная система может, например, применяться для управления количеством порошкообразного твердого вещества, подводимого в некоторый процесс. Из US 4,512,200 А известен способ определения количества угольной пыли, пневматически транспортируемого в трубопроводе к горелке, при котором также подвергают анализу трибоэлектрические эффекты частиц угольной пыли на датчиках, расположенных друг за другом по направлению протекания, с целью определения количества угольной пыли, подвергаемого пневматической транспортировке.
Упомянутые выше измерительные системы и способы определения скорости протекания и загрузки содержащих частицы текучих сред при помощи анализа трибоэлектрических эффектов на датчиках, расположенных друг за другом по направлению протекания, содержащих частицы сред, принципиально предназначены для того, чтобы определять количество транспортируемого в протекающей среде твердого вещества в форме частиц. С этой целью они применяются с высокой надежностью и точностью. Однако они перестают действовать при определении объемного потока транспортируемого в системе трубопроводов газа, не содержащего частиц.
3
Поэтому в DE 10 2008 030 650 А1 предложен способ управления соотношением топлива и воздуха при сжигания угольной пыли в топочной установке угольной электростанции, имеющей регенеративный подогреватель воздуха для предварительного нагревания свежего воздуха," при котором измерение количества воздуха для горения и измерение количества транспортирующего воздуха осуществляют на основании анализа согласно корреляционному методу трибоэлектрических эффектов на датчиках, расположенных в воздушном потоке друг за другом по направлению протекания, при этом в воздушный поток перед датчиками вводят от 0,1 мг до 10 мг мелкозернистых частиц на 1 м воздуха. Предпочтительно введение мелкозернистых частиц в воздушный поток осуществляют лишь во время фазы пуска топочной установки угольной электростанции, то есть, лишь в той фазе, в которой угольная пыль не сжигается, и, таким образом, через регенеративный подогреватель воздуха в свежий воздух не вносятся частицы летучей золы. Затраты на непрерывное введение мелкозернистых частиц в течение всего времени работы топочной установки угольной электростанции являются слишком значительными. Поэтому описанное в DE 10 2008 030 650 А1 решение является рациональным лишь для топочных установок угольных электростанций, содержащих регенеративный подогреватель воздуха с целью предварительного нагревания свежего воздуха.
3
3
3
Кроме того, оказалось, что измерение количества воздуха для горения и измерение количества транспортирующего воздуха в топочной установке угольной электростанции на основании анализа согласно корреляционному методу трибоэлектрических эффектов, проводимых в воздушном потоке трибоэлектрически заряженных частиц на датчиках, расположенных в воздушном потоке друг за другом по направлению протекания воздуха, уже не применимо с достаточно высокой точностью измерений, если загрузка частицами воздуха и/или скорость протекания воздушного потока находятся ниже критических значений. Упомянутые критические значения имеют место примерно при загрузке частицами в размере 0,1 мг летучей золы на 1 м воздуха, или же при скорости протекания в размере 10 м/с, при этом оба значения зависят друг от друга в отношении степени реализуемой точности измерений таким образом, что загрузка воздуха частицами может быть меньше, чем указанные 0,1 мг летучей золы на 1 м воздуха, если скорость протекания воздуха существенно больше, чем 10 м/с, или же наоборот, что скорость протекания воздуха может составлять менее 10 м/с, если загрузка воздуха частицами больше, чем упомянутые 0,1 мг летучей золы на 1 м воздуха.
Целью изобретения являются устройство и способ управления соотношением топлива и воздуха при сжигании угольной пыли в топочной установке угольной электростанции, при помощи которых устраняются упомянутые выше недостатки. В частности, измерение количества воздуха для горения и измерение количества транспортирующего воздуха в топочной установке угольной электростанции на основании анализа согласно корреляционному методу сигналов, полученных посредством датчиков, расположенных в воздушном потоке друг за другом по направлению протекания воздуха, должно быть улучшено в том отношении, что оно применимо также и в топочных установках угольных электростанций, или же при способе эксплуатации топочной установки угольной электростанции, при которых не происходит или же происходит лишь чрезвычайно малая загрузка воздуха частицами, и/или при которых скорость протекания воздуха мала.
Согласно изобретению эта цель достигнута при помощи устройства согласно п.1 формулы изобретения, а также при помощи способа согласно п.9 формулы изобретения. В относящихся к п.1 формулы изобретения пп.2-8 описаны благоприятные варианты выполнения устройства согласно изобретению, а в относящихся к п.9 формулы изобретения пп.9-16 описаны благоприятные варианты выполнения способа согласно изобретению.
m
m
Предложенное в изобретении устройство для управления соотношением топлива и воздуха при сжигании угольной пыли в топочной установке угольной электростанции, которая содержит средства пневматической транспортировки угольной пыли к горелкам топочной установки угольной электростанции, а также средства подвода воздуха для горения к горелкам или же в топочную камеру топочной установки угольной электростанции, при этом по направлению протекания воздуха расположены по меньшей мере следующие устройства: вентилятор свежего воздуха для всасывания свежего воздуха из окружающей среды, вентилятор мельницы для подачи части подвергнутого всасыванию свежего воздуха в качестве транспортирующего воздуха к угольной мельнице, подогреватель воздуха для предварительного нагревания подвергнутого всасыванию свежего воздуха и части транспортирующего воздуха с использованием теплоты дымовых газов топочной установки угольной электростанции, устройство управления количеством воздуха для управления количеством воздуха для горения, вводимым в топочную камеру, устройство управления количеством воздуха для управления количеством транспортирующего воздуха, применяемым для пневматической транспортировки угольной пыли, а также измерительные устройства для измерения количества воздуха для горения, вводимого в топочную камеру, и количества транспортирующего воздуха, применяемого для пневматической транспортировки угольной пыли, и устройство для дозированного подвода предварительно выбранного количества угольной пыли к горелкам, и в которой измерение количества воздуха осуществляют при помощи корреляционного измерительного устройства, анализирующего сигналы, вырабатываемые посредством электростатической индукции по меньшей мере на двух датчиках, расположенных в проточном поперечном сечении канала, проводящего воздух, друг за другом по направлению протекания воздуха, характеризуется тем, что по направлению протекания воздуха перед датчиками на расстоянии l от 1 до 10 условных проходов проточного поперечного сечения проводящего воздух канала в области датчиков, предпочтительно от 3 до 5 условных проходов проточного поперечного сечения проводящего воздух канала в области датчиков, в проточном поперечном сечении проводящего воздух канала расположен электрод с контуром, имеющим средний радиус r в размере 0,1 мм ≤r≤1,2 мм, при этом расстояние l равно расстоянию между электродом и расположенным по направлению (s) протекания воздуха первым из обоих расположенных друг за другом датчиков, что электрически действующий по отношению к этому электроду противоположный электрод по меньшей мере частично расположен по направлению протекания воздуха перед датчиками, и что электрод, а также противоположный электрод соединены с различными полюсами источника высокого напряжения с напряжением U в размере 12 кВ ≤U≤ 20 кВ, предпочтительно 15 кВ ≤U≤17 кВ.
При этом как измерение количества подводимого в котел воздуха для горения, так и измерение количества транспортирующего воздуха, необходимого для пневматической транспортировки угольной пыли, осуществляют при помощи корреляционного измерительного устройства, которое анализирует сигналы, вырабатываемые вследствие электростатической индукции на датчиках, расположенных в проточном поперечном сечении проводящего воздух канала друг за другом по направлению протекания воздуха. Для этого в системе каналов, проводящей воздух для горения, и в системе каналов, проводящей транспортирующий воздух, расположены соответствующие датчики, которые электрически соединены с корреляционными измерительными устройствами.
m
m
m
m
m
m
Предпочтительно расположенный в проводящем воздух канале перед датчиками на расстоянии l электрод, электрически соединенный с источником высокого напряжения, может иметь один или несколько острых концов или острых кромок с контуром, имеющим средний радиус r в размере 0,1 мм ≤r≤1,2 мм, или может быть выполнен в виде провода со средним радиусом r в размере 0,1 мм ≤r≤1,2 мм. Особенно предпочтительно упомянутый электрод выполнен в виде выступающего в проточное поперечное сечение стержня, при этом выступающий в проточное поперечное сечение конец электрода проходит примерно до середины проточного поперечного сечения и имеет по меньшей мере один острый конец или острую кромку со средним радиусом r в размере 0,1 мм≤r≤1,2 мм.
Если стенки проводящего воздух канала выполнены электропроводящими, то в одном предпочтительном варианте выполнения изобретения они могут быть электрически подключены в качестве противоположного электрода по отношению к электроду, расположенному в проточном поперечном сечении проводящего воздух канала.
В другом варианте выполнения изобретения противоположный электрод выполнен в виде электропроводящего стержня или провода, который проходит через поперечное сечение канала по меньшей мере до половины и расположен по направлению протекания воздуха после электрода и перед датчиками, то есть, по направлению протекания воздуха между электродом и датчиками. Разумеется, по направлению протекания воздуха между электродами и датчиками может быть расположено несколько стержней или проводов, электрически включенных в качестве противоположного электрода. Однако предпочтительно по направлению протекания воздуха между электродом и датчиками расположен полностью проходящий через поперечное сечение канала стержень или провод, электрически подключенный в качестве противоположного электрода.
m
m
m
m
Предпочтительно электрод изолирован по отношению к стенке проводящего воздух канала. Он может иметь один или несколько острых концов или острых кромок с контуром, имеющим средний радиус r в размере 0,1 мм ≤r≤1,2 мм, или может быть выполнен в виде провода со средним радиусом r в размере 0,1 мм ≤r≤1,2 мм. Предпочтительно электрод электрически подключен в качестве катода. Противоположный электрод предпочтительно электрически подключен к потенциалу массы. Последнее является рациональным, в частности, тогда, когда стенки канала выполнены электропроводящими и функционируют в качестве противоположного электрода.
Датчики могут быть выполнены электрически изолированными по отношению к проводимому в каналах воздуху, чтобы избежать помех вследствие непосредственного обмена зарядами между датчиками и ионизированными молекулами воздуха.
По направлению протекания воздуха после упомянутого электрода, расположенного в проточном поперечном сечении проводящего воздух канала и соединенного с источником высокого напряжения с напряжением U в размере 12 кВ ≤U≤ 20 кВ, предпочтительно 15 кВ ≤U≤ 17 кВ, может быть предусмотрено одно или несколько корреляционных измерительных устройств, анализирующих сигналы, вырабатываемые посредством электростатической индукции по меньшей мере на двух датчиках, расположенных в проточном поперечном сечении проводящего воздух канала друг за другом по направлению протекания воздуха. Несколько упомянутых корреляционных измерительных устройств могут быть также расположены в различных ветвях проводящей воздух системы каналов, если электрод, соединенный с источником высокого напряжения с напряжением U в размере 12 кВ ≤U≤ 20 кВ, предпочтительно 15 кВ ≤U≤ 17 кВ, расположен по направлению протекания в проточном поперечном сечении проводящего воздух канала перед разветвлением. Важным является то, что измеренное вдоль направления протекания воздуха расстояние l от датчиков до упомянутого электрода меньше 10 условных проходов проточного поперечного сечения проводящего воздух канала в области датчиков.
m
m
Предложенный в изобретении способ основан на измерении количества воздуха, а именно, измерении количества воздуха для горения и измерении количества транспортирующего воздуха, при помощи анализа согласно корреляционному методу измерений электрических сигналов, которые вырабатываются посредством электростатической индукции по меньшей мере на двух датчиках, расположенных в проточном поперечном сечении проводящего воздух канала друг за другом по направлению протекания воздуха. Он характеризуется тем, что по направлению протекания воздуха перед датчиками по меньшей мере часть воздушного потока подвергается воздействию электрода, подводящего напряжение U в размере 12 кВ ≤U≤ 20 кВ, предпочтительно 15 кВ ≤U≤ 17 кВ, и имеющего контур электрода со средним радиусом r в размере 0,1 мм ≤r≤ 1,2 мм, и вследствие этого подвергается ионизации, а датчики тем не менее не подвергаются воздействию потока ионов, вызываемого напряжением U и протекающего между электродом и противоположным электродом. Предпочтительно электрод подводит отрицательное напряжение, то есть подключен в качестве катода.
<mrow><mover accent="true"><mi>E</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>E</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Ионизированные молекулы воздуха, которые в виде потока ионов протекают в электрическом поле
от электрода к противоположному электроду, вступают во взаимодействие с другими молекулами воздушного потока, вследствие чего молекулы воздушного потока подвергаются электрическому воздействию таким образом, что при протекании воздушного потока мимо датчиков молекулами воздушного потока, подвергнутыми электрическому воздействию, посредством электростатической индукции в датчиках вырабатываются электрические сигналы, которые могут быть надежным образом подвергнуты анализу при помощи корреляционного измерительного устройства. При этом особое значение имеет то, что датчики не подвергаются непосредственному воздействию потока ионов между электродом и противоположным электродом. Они расположены на таком удалении от электрода, что воздействие электрического поля
, образующегося между электродом и противоположным электродом, является несущественным, то есть, напряженность электрического поля составляет менее 0,3 В/м.
Воздушный поток может подвергаться воздействию постоянного отрицательного напряжения U на электроде или же изменяющегося во времени напряжения U с максимальными значениями в размере 12 кВ ≤U≤ 20 кВ, предпочтительно 15 кВ ≤U≤ 17 кВ. Особенно рациональным является воздействие импульсного напряжения U с максимальными значениями в размере 12 кВ ≤U≤ 20 кВ, предпочтительно 15 кВ ≤U≤ 17 кВ, и продолжительностью импульса примерно 1 мс.
Было обнаружено, что в случае изменяющегося напряжения U, в частности, импульсного напряжения U, корреляционное измерение может производиться не только на основании анализа стохастических сигнатур электрических сигналов, вырабатываемых на датчиках посредством электростатической индукции, но и, кроме того, может подвергаться анализу временная функция изменения электрического напряжения U и, таким образом, изменение во времени воздействия этого напряжения U на молекулы воздушного потока, с целью определения скорости протекания воздуха и, таким образом, измерения количества воздуха.
В особенно предпочтительном варианте выполнения способа воздушный поток подвергают периодически повторяющейся последовательности импульсов, содержащей n импульсов с напряжением U, имеющим максимальное значение в размере 12 кВ ≤U≤ 20 кВ, предпочтительно 15 кВ ≤U≤ 17 кВ, и продолжительностью импульсов примерно 1 мс, при этом 2≤n≤10, и последовательность, состоящая из n импульсов, периодически повторяется с периодом от 0,2 с до 3,0 с, предпочтительно от 1,0 с до 1,5 с.
Особенно рациональный вариант выполнения способа с импульсным напряжением между электродом и противоположным электродом состоит в том, что анализ согласно корреляционному методу измерений сигналов, вырабатываемых посредством электростатической индукции, производят со смещением по времени по отношению к импульсам напряжения U, которое подводит электрод. Предпочтительно смещение по времени составляет от 5 мс до 150 мс, особенно предпочтительно от 8 мс до 70 мс. Благодаря этому достигается то, что сигналы помех, генерируемые в датчиках быстро изменяющимися электромагнитными полями, которые вызываются импульсами напряжения, не попадают в анализ сигналов, вырабатываемых на датчиках воздушным потоком посредством электростатической индукции.
Предложенный в изобретении способ обеспечивает возможность очень точных измерений количества воздуха даже при сравнительно малых скоростях протекания воздуха от 2 м/с до 10 м/с.
В том случае, когда топочная установка угольной электростанции содержит регенеративный подогреватель воздуха, электрод должен подводить напряжение U только тогда, когда загрузка угольной пыли в транспортирующий воздух не осуществляется, и, таким образом, через регенеративный подогреватель воздуха в свежий воздух не вводятся частицы летучей золы, или когда скорость протекания воздуха в области датчиков является сравнительно малой. В этом случае измерение количества воздуха согласно корреляционному методу во время отопления топочной установки угольной электростанции угольной пылью, а также при высокой скорости протекания воздуха в области датчиков, может осуществляться посредством анализа сигнатур сигналов, которые вызваны посредством трибоэлектрических эффектов на носителях зарядов, образованных вводимыми в воздушный поток частицами летучей золы. Если же частицы летучей золы в воздушном потоке отсутствуют или присутствуют лишь в очень малом количестве, и/или если скорость протекания воздуха меньше 10 м/с, требуется, чтобы упомянутый электрод подводил напряжение U, как это описано выше.
В указанном выше случае может быть рациональным, если упомянутый электрод подводит описанным выше образом напряжение U лишь время от времени, чтобы применять полученные посредством этого результаты измерений количества воздуха с целью проверки измерений количества воздуха, произведенных согласно корреляционному методу измерений при помощи анализа сигнатур сигналов, которые вызываются посредством трибоэлектрических эффектов на носителях электрических зарядов, образованных вводимыми в воздушный поток частицами летучей золы.
Особое преимущество изобретения состоит также в том, что согласно корреляционному методу измерений непосредственно измеряют скорость протекания воздуха, так как выработка сигналов на датчиках посредством электростатической индукции осуществляется непосредственно молекулами воздушного потока, в то время как в сравнимых способах, известных по состоянию техники, согласно корреляционному методу измерений подвергают анализу сигнатуры сигналов, которые выработаны проводимыми в воздушном потоке частицами, а именно частицами летучей золы. Естественным образом скорость движения частиц может иметь по отношению к скорости протекания воздушного потока, проводящего частицы, проскальзывание, которое приводит к искажению результатов измерений. Упомянутое проскальзывание может быть тем больше, чем меньше скорость протекания воздушного потока, и чем больше размеры частиц.
Предложенные в изобретении устройство и способ обеспечивают возможность бесперебойного и не требующего технического обслуживания управления соотношением топлива и воздуха в топочной установке угольной электростанции и, таким образом, процессом сжигания, с высокой надежностью, точностью и продолжительным постоянством точности измерения количества воздуха.
Изобретение поясняется подробнее ниже при помощи варианта выполнения. На соответствующих чертежах показано:
фиг.1 - упрощенная блок-схема топочной установки угольной электростанции,
фиг.2 - расположение электрода, соединенного с источником высокого напряжения, а также датчиков, соединенных с корреляционным измерительным устройством, в канале, проводящем воздух для горения,
фиг.3 - вариант выполнения острого конца электрода, соединенного с источником высокого напряжения,
фиг.4 - временные характеристики высокого напряжения, подключенного к электроду,
фиг.5 - следующая характеристика высокого напряжения, подключенного к электроду,
фиг.6 - другое расположение электрода, соединенного с источником высокого напряжения, с сопряженным противоположным электродом, выполненным в виде стержня, а также с датчиками, соединенными с корреляционным измерительным устройством, в канале, проводящем воздух для горения,
фиг.7 - другой вариант выполнения острого конца электрода, соединенного с источником высокого напряжения,
фиг.8 - расположение электрода, соединенного с источником высокого напряжения, а также датчиков двух корреляционных измерительных устройств после разветвления канала, проводящего воздух для горения,
фиг.9 - временная характеристика измерения количества воздуха в топочной установке электростанции.
Изображенная на фиг.1 упрощенная блок-схема топочной установки угольной электростанции начинается с всасывающей свежий воздух заслонки 1 свежего воздуха, за которой по направлению s протекания воздуха расположен вентилятор 2 свежего воздуха. После вентилятора 2 свежего воздуха от подвергнутого всасыванию свежего воздуха отделяют транспортирующий воздух. Его транспортируют далее при помощи вентилятора 3 мельницы, а именно, частично к регенеративному подогревателю 4 воздуха. В регенеративном подогревателе 4 воздуха при стационарной работе топочной установки угольной электростанции нагревают часть транспортирующего воздуха. Другую часть транспортирующего воздуха проводят далее в холодном состоянии. Обе части транспортирующего воздуха сводят вместе в дозированном количестве при помощи заслонки 5 горячего воздуха и заслонки 6 холодного воздуха, а именно, в таком количественном соотношении, что температура смеси угля и транспортирующего воздуха после загрузки мелкой угольной пылью находится в пределах предварительно выбранных граничных значений. Температуру транспортирующего воздуха регистрируют при помощи устройства 8 измерения температуры, расположенного после угольной мельницы 7. Перед угольной мельницей 7 в проточном поперечном сечении проводящего воздух канала расположен электрод 10, соединенный с источником 9 высокого напряжения, а ниже по направлению s протекания транспортирующего воздуха расположены два датчика 11, которые соединены с устройством 12 измерения количества транспортирующего воздуха. Эти датчики 11 выполнены в виде выступающих в поток транспортирующего воздуха измерительных стержней, попарно расположенных друг за другом по направлению s протекания транспортирующего воздуха.
Устройство 12 измерения количества транспортирующего воздуха выполнено в виде корреляционного измерительного устройства, которое анализирует сигналы, выработанные вследствие электростатической индукции на датчиках 11 посредством протекающих мимо них электрически заряженных частиц, и таким образом, измеряет скорость протекания транспортирующего воздуха. На основании площади поперечного сечения проводящего транспортирующий воздух канала в области расположения датчиков 11, а также температуры транспортирующего воздуха и статического давления транспортирующего воздуха в области расположения датчиков 11, определяют количество транспортирующего воздуха. Датчики 11 расположены по направлению s протекания транспортирующего воздуха по отношению к электроду 10 на расстоянии l, составляющем примерно 4 условных прохода проточного поперечного сечения канала в области датчиков 11. Стенка 13 проводящего воздух канала выполнена электропроводящей и подключена к потенциалу массы. Электрод 10 и датчики 11 электрически изолированы по отношению к стенке 13 канала. В соответствии с требуемой нагрузкой топочной установки электростанции к угольной мельнице 7 через дозирующее устройство 14 в дозированном количестве подают уголь. Загруженный угольной пылью транспортирующий воздух подводят к горелкам 16, расположенным в топочной камере 15. В зависимости от варианта выполнения топочной установки угольной электростанции это может осуществляться к отдельным горелкам, к группам горелок или совместно ко всем горелкам 16 топочной камеры 15. По направлению s протекания транспортирующего воздуха после регенеративного подогревателя 4 воздуха расположено устройство 17 измерения давления для регистрации статического давления транспортирующего воздуха. Кроме того, в потоке транспортирующего воздуха расположены предохранительные заслонки 18, которые закрыты во время фазы пуска топочной установки угольной электростанции, то есть, когда угольную пыль не транспортируют к горелкам 16.
Основную часть подвергнутого всасыванию свежего воздуха после вентилятора 2 свежего воздуха подводят в качестве воздуха для горения в регенеративный подогреватель 4 воздуха. Статическое давление нагретого воздуха для горения регистрируют при помощи устройства 19 измерения статического давления. При помощи устройств 17 и 19 измерения давления осуществляют управление вентилятором 2 свежего воздуха. Часть нагретого воздуха для горения непосредственно направляют к горелкам 16, а другую часть подводят в топочную камеру 15. Обе количественные части воздуха для горения регистрируют при помощи устройств 20 и 21 измерения количества воздуха для горения. Для этого в соответствующих каналах, проводящих воздух для горения, расположены датчики 11, которые соответственно соединены с устройствами 20 и 21 измерения количества воздуха для горения. Перед датчиками 11 устройств 20 и 21 измерения количества воздуха для горения в проточном поперечном сечении каналов, проводящих воздух для горения, расположено по одному электроду 10, соединенному с источником 9 высокого напряжения. Датчики 11, аналогично измерению количества транспортирующего воздуха, расположены по отношению к электроду 10 по направлению s протекания воздуха для горения на расстоянии l, составляющем примерно 20 условных проходов проточного поперечного сечения канала в области датчиков 11.
Устройства 20 и 21 измерения количества воздуха для горения, так же как и устройство 12 измерения количества транспортирующего воздуха, выполнены в виде корреляционного измерительного устройства, которое анализирует сигналы, выработанные вследствие электростатической индукции на датчиках 11 посредством протекающих мимо них электрически заряженных частиц, и таким образом, измеряет скорость протекания воздуха для горения. С учетом площади поперечного сечения канала, проводящего воздух для горения, а также температуры воздуха для горения и статического давления воздуха для горения в области расположения датчиков 11, определяют количество воздуха для горения.
Управление количеством воздуха для горения, подводимым к горелкам 16, а также в топочную камеру 15, с целью достижения соотношения топлива и воздуха, требуемого для заданных стехиометрических параметров сжигания, при заданном количестве угольной пыли, подводимой к горелкам 16 в соответствии с требуемой нагрузкой топочной установки электростанции, осуществляют при помощи управляющих заслонок 22 и 23 воздуха для горения.
В зависимости от размеров или же мощности топочной установки угольной электростанции все упомянутые выше конструктивные узлы и устройства могут присутствовать многократно и работать параллельно. В целях наглядности упрощенной блок-схемы конструктивные узлы и устройства показаны лишь однократно. Это не касается принципиального способа функционирования топочной установки угольной электростанции, в той мере, которая относится к изобретению.
На фиг.2 показано расположение электрода 10, соединенного с источником 9 высокого напряжения, а также двух датчиков 11, соединенных с корреляционным измерительным устройством 12, в проточном поперечном сечении канала, проводящего воздух для горения. Для измерения количества транспортирующего воздуха расположение электрода 10 и датчиков 11 в проточном поперечном сечении канала, проводящего транспортирующий воздух, осуществляют аналогичным образом.
m
<mrow><mover accent="true"><mi>E</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Электрод 10 электрически изолирован по отношению к электропроводящей и подключенной к потенциалу массы стенке 13 канала, проводящего воздух для горения, электрически функционирующей в качестве электрода, противоположного по отношению к электроду 10. Он выполнен в виде металлического круглого стержня с диаметром примерно 12 мм, выступающего в канал примерно до середины проточного поперечного сечения. На находящемся примерно в середине проточного поперечного сечения конце электрода 10, как показано на фиг.3, расположены металлические острые концы 24 со средним радиусом r в размере 0,4 мм. Острые концы 24 изготовлены из стального листа толщиной 1 мм, вдвинуты в выполненную в круглом стержне прорезь и соединены с круглым стержнем с возможностью проведения электрического тока. Электрод электрически соединен с источником 9 высокого напряжения. По отношению к стенке 13 канала, функционирующей в качестве противоположного электрода, он подключен в качестве катода. При таком расположении и выполнении электрода 10 и функционирующей в качестве противоположного электрода стенке 13 канала электрическое поле
будет иметь показанную конфигурацию.
По направлению s протекания воздуха для горения на расстоянии l от электрода 10, равном 4 условным проходам поперечного сечения канала, друг за другом по направлению протекания расположены два датчика 11. Датчики 11 выполнены в виде измерительных стержней, выступающих в проточное поперечное сечение примерно до его середины. При этом расстояние l относится к расстоянию между электродом 10 и первым расположенным по направлению s протекания воздуха датчиком 11 из обоих расположенных друг за другом датчиков 11. Оба датчика 11 расположены друг относительно друга по направлению s протекания воздуха на расстоянии примерно 350 мм. Расстояние датчиков 11 друг относительно друга по направлению s протекания воздуха может составлять от 200 мм до 1000 мм.
<mrow><mover accent="true"><mi>E</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Следует принять во внимание, что датчики 11 расположены на таком удалении от электрода 10, на котором воздействие электрического поля
, образующегося между электродом 10 и функционирующей в качестве противоположного электрода стенкой 13 канала, является несущественным, то есть, напряженность электрического поля составляет менее 0,3 В/м.
Датчики 11 также электрически изолированы по отношению к стенке 13 канала, проводящего воздух для горения, подключенной к потенциалу массы и функционирующей в качестве противоположного электрода. Датчики 11 электрически соединены с корреляционным измерительным устройством 12.
На фиг.4 и 5 в качестве примера показаны возможные временные характеристики напряжения U, подводимого от источника 9 высокого напряжения. На фиг.4 это постоянное напряжение в размере примерно - 16 кВ, изменяющееся напряжение с пиковыми значениями примерно - 16 кВ, импульсное напряжение с продолжительностью импульса примерно 1 мс и с временными интервалами примерно 300 мс, а на фиг.5 это периодически повторяющаяся последовательность 5 импульсов с напряжением U, имеющим пиковое значение примерно - 16 кВ, с продолжительностью импульса примерно 1 мс и периодом повторения последовательности импульсов напряжения в размере 1,0 с. При этом интервал между 5 импульсами в пределах последовательности не является постоянным, а составляет вначале 0,1 с между первым и вторым импульсами напряжения, 0,15 с между вторым и третьим импульсами напряжения, 0,2 с между третьим и четвертым импульсами напряжения и, наконец, 0,25 с между четвертым и пятым импульсами напряжения.
Было обнаружено, что при помощи таких периодически повторяющихся последовательностей импульсов напряжения могут быть достигнуты особенно хорошие результаты измерений.
<mrow><mover accent="true"><mi>E</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>E</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
На фиг.6 показано другое расположение электрода 10, электрически сопряженного с ним противоположного электрода 25, выполненного в форме стержня, а также двух датчиков 11, соединенных с корреляционным измерительным устройством 12, в проточном поперечном сечении канала, проводящего воздух для горения. Противоположный электрод 25 выполнен и расположен так, что он полностью проходит через проточное поперечное сечение канала, проводящего воздух для горения. Он расположен по направлению s протекания воздуха для горения между электродом 10 и датчиками 11, или точнее, между электродом 10 и первым по направлению s протекания воздуха для горения датчиком 11 из обоих датчиков 11, и электрически изолирован по отношению к стенке 13 канала, проводящего воздух для горения. Электрод 10 и противоположный электрод 25 электрически соединены с обоими полюсами источника 9 высокого напряжения. При приложении напряжения или же импульса напряжения между электродом 10 и противоположным электродом 25 образуется электрическое поле
, как это показано на фиг.6. Датчики 11 расположены на таком удалении от электрода 10, что воздействие электрического поля
, образующегося между электродом 10 и противоположным электродом 25, является несущественным, то есть, напряженность электрического поля составляет менее 0,3 В/м.
На фиг.7 показано выполнение находящегося примерно в середине проточного поперечного сечения конца электрода 10. На упомянутом конце электрода 10 выполнены острые концы 24, ориентированные в направлении противоположного электрода 25.
На фиг.8 показано расположение электрода 10, соединенного с источником 9 высокого напряжения, а также двух групп датчиков, соответственно состоящих из двух датчиков 11, которые соответственно электрически соединены с корреляционным измерительным устройством 12.1 и 12.2, после разветвления канала, проводящего воздух для горения. Аналогично имеют место признаки расположения электрода 10 и датчиков 11, описанные со ссылками на фиг.2 или же 6, однако с тем отличием, что по направлению s протекания воздуха для горения после электрода 10 осуществляется разветвление канала, проводящего воздух для горения, и в каждой ветви канала расположено по одной группе, состоящей из двух датчиков 11, и электрически соединенной с корреляционным измерительным устройством 12.1 или же 12.2. По направлению s протекания воздуха для горения расстояние l между электродом 10 и датчиками 11 для датчиков 11, электрически соединенных с корреляционным измерительным устройством 12.1, составляет примерно 4 условных прохода поперечного сечения канала в области датчиков 11, а для датчиков 11, электрически соединенных с корреляционным измерительным устройством 12.2, оно составляет примерно 8 условных проходов поперечного сечения канала в области датчиков 11.
На фиг.9 показана временная характеристика количества воздуха для горения, подводимого к горелке 16 или группе горелок 16, во время фазы пуска топочной установки угольной электростанции.
<mrow><mover accent="true"><mi>E</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>E</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Вначале осуществляют предварительную вентиляцию топочной камеры 15. Управляющие заслонки 22 и 23 воздуха для горения полностью открыты, в то время как предохранительные заслонки 18 в канале транспортирующего воздуха закрыты. В топочную камеру 15 направляют исключительно воздух для горения. Управление вентилятором 2 свежего воздуха осуществляют в зависимости от давления воздуха для горения, измеренного при помощи устройства 19 измерения статического давления. Вначале в топочную камеру 15 вдувают такое количество воздуха для горения, что происходит многократная замена (по меньшей мере трехкратная) количества воздуха в топочной камере 15, чтобы удалить остатки топлива из топочной камеры 15 и избежать вспышек. После многократной замены количества воздуха в топочной камере 15 образуется готовность к воспламенению для расположенной в топочной камере 15 горелки для жидкого топлива или газа (на фиг.1 не показана). С началом готовности к воспламенению осуществляют управление количеством воздуха для горения в зависимости от подводимого для процесса воспламенения количества топлива (жидкого топлива или газа). Источники 9 высокого напряжения генерируют последовательности импульсов высокого напряжения, которые подаются на электроды 10, подключенные в качестве катода по отношению к стенкам 13 канала, проводящего воздух для горения, функционирующим в качестве противоположного электрода. Импульсы высокого напряжения имеют продолжительность 1 мс и максимальные значения напряжения U=-16 кВ. При помощи устройств 20 и 21 измерения количества воздуха для горения измеряют количество воздуха для горения, и при помощи управляющих заслонок 22 и 23 воздуха для горения управляют количеством воздуха для горения, подводимым к горелкам 16 или же в топочную камеру 15. Отопление топочной установки угольной электростанции жидким топливом или газом продолжают до тех пор, пока не будет достигнуто достаточное предварительное нагревание топочной камеры 15 и регенеративного подогревателя 4 воздуха. В течение времени отопления жидким топливом или газом на электроды 10 подают импульсы высокого напряжения, чтобы образовать в потоке воздуха для горения облака ионизированных молекул воздуха. Эти облака ионизированных молекул воздуха подводятся в электрическом поле
, которое образуется между электродом 10 и противоположным электродом, в виде потока ионов к противоположному электроду. При этом происходит взаимодействие между упомянутыми ионизированными молекулами воздуха и другими молекулами потока воздуха для горения. Вследствие этого взаимодействия молекулы потока воздуха для горения подвергаются электрическому воздействию таким образом, что при их протекании мимо датчиков 11 на датчиках вследствие электростатической индукции вырабатываются сигналы, на основании которых посредством анализа согласно корреляционному методу измерений может определяться соответствующая скорость протекания воздуха для горения. Затем на основании скорости протекания воздуха для горения с учетом площади поперечного сечения канала, проводящего воздух для горения, а также температуры воздуха для горения и статического давления воздуха для горения в области расположения датчиков 11, рассчитывают соответствующее количество воздуха для горения. Важным является то, что датчики 11 не подвергаются непосредственному воздействию потока ионов между электродом 10 и противоположным электродом 13, 25, так как сигналы, которые вырабатывались бы на датчиках 11 вследствие потока ионов, проводимого электрическим полем
, делали бы невозможным анализ согласно корреляционному методу измерений, который также применяется для анализа выработанных на датчиках 11 сигналов, которые, как дополнительно описано ниже, образуются на датчиках посредством трибоэлектрических эффектов протекающих мимо них электрически заряженных частиц вследствие электростатической индукции.
При достижении достаточного предварительного нагревания топочной камеры 15 начинают загрузку угольной пыли в топочную камеру 15. Для этого посредством вентилятора 3 мельницы и открывания предохранительных заслонок 18 запускают поток транспортирующего воздуха, а угольную мельницу 7 загружают углем в дозированном количестве. Транспортирующий воздух загружают угольной пылью. Угольная пыль воспламеняется на еще продолжающих работу горелках для жидкого топлива или газа.
С началом загрузки угля в топочную камеру 15 и его воспламенением подача импульсов высокого напряжения на электроды 10 может быть завершена, так как в воздух для горения и транспортирующий воздух через регенеративный подогреватель 4 воздуха вносится достаточное количество частиц золы, которые электрически заряжаются посредством трибоэлектрических эффектов и при протекании мимо датчиков 11 вследствие электростатической индукции вырабатывают на них сигналы, которые могут подвергаться анализу согласно корреляционному методу измерений. Несмотря на это, с интервалами примерно 30 минут, а при необходимости и с более короткими интервалами, на электроды 10 могут подаваться импульсы высокого напряжения, чтобы с целью проверки точности измерений устройства произвести измерения, которые реализуются как на основании сигналов, вырабатываемых посредством трибоэлектрических эффектов на датчиках 11 протекающими мимо них заряженными частицами золы, так и на основании сигналов, вырабатываемых ионизированными молекулами воздуха посредством электростатической индукции. Это обеспечивает возможность существенно более точного измерения скорости протекания воздуха для горения или же транспортирующего воздуха, результатом чего является существенно более точное измерение количества воздуха для горения и количества транспортирующего воздуха, благодаря чему в конечном итоге может осуществляться значительно более точное управление соотношением топлива и воздуха при сжигании угольной пыли в топочной установке угольной электростанции.
Если же скорость протекания воздуха для горения или транспортирующего воздуха уменьшается до значения ниже 10 м/с, то на электроды 10 должны подаваться соответствующие импульсы высокого напряжения, так как при этом значительно ухудшается точность измерения количества воздуха для горения или же измерения количества транспортирующего воздуха согласно корреляционному методу измерений при помощи анализа сигналов, вырабатываемых на датчиках 11 исключительно посредством трибоэлектрических эффектов электрически заряженных частиц.
Список обозначений
1 заслонка свежего воздуха
2 вентилятор свежего воздуха
3 вентилятор мельницы
4 регенеративный подогреватель воздуха
5 заслонка горячего воздуха
6 заслонка холодного воздуха
7 угольная мельница
8 устройство измерения температуры
9 источник высокого напряжения
10 электрод
11 датчик
12 корреляционное измерительное устройство
12.1 корреляционное измерительное устройство
12.2 корреляционное измерительное устройство
13 стенка канала
14 дозирующее устройство
15 топочная камера
16 горелка
17 устройство измерения статического давления транспортирующего воздуха
18 предохранительная заслонка в потоке транспортирующего воздуха
19 устройство измерения статического давления воздуха для горения.
20 устройство измерения количества воздуха для горения
21 устройство измерения количества воздуха для горения
22 управляющая заслонка воздуха для горения
23 управляющая заслонка воздуха для горения
24 острый конец электрода 10 или расположенный на электроде
<mrow><mover accent="true"><mi>E</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
25 противоположный электрод
электрическое поле
l расстояние
n количество импульсов напряжения U
m
r средний радиус острого конца
s направление протекания
U напряжение.