Разработка систем комплексной автоматизации топочных процессов твердотопливных котлоагрегатов с топками кипящего слоя

Энергоснабжение, водоснабжение и теплоснабжение объектов военного назначения

УДК 355.673:621.182/621.18

Александров С.В., Болбышев Э.В., Бондарев А.В. Aleksandrov S.V., Bolbyshev E. V., Bondarev A.V.

Разработка систем комплексной автоматизации топочных процессов твердотопливных

котлоагрегатов с топками кипящего слоя Development of the comprehensive automation systems of combustion processes of solid fuel

boilers with fluidized bed furnaces

Аннотация:

В статье описано существующее техническое состояние котельных малой мощности Министерства обороны РФ. Приведены инновационные технические решения по созданию систем автоматического регулирования котлов кипящего слоя малой мощности. Представлена новая структурная схема системы автоматизации угольной котельной с котлами кипящего слоя. Abstract:

The article deals with the current technical condition of the boilers of small capacity of the Ministry of defense of the Russian Federation. Innovative technical solutions to the creation of systems of automatic regulation of low power boilers with a fluidized bed are described. The new structural scheme of the automation system of a coal-fired boiler house with boilers of a fluidized bed is presented.

Ключевые слова: высокотемпературный кипящий слой, системы автоматизации Keywords: Boilers with high-temperature fluidized bed, automation system.

В соответствии с Ведомственной целевой программой «Модернизация теплового хозяйства Министерства обороны Российской Федерации, включая газификацию котельных (2018-2027 гг.)» намечены следующие мероприятия по повышению эффективности:

- строительство блочно-модульных маломощных автоматизированных угольных котельных с реконструкцией тепловых сетей;

- строительство и реконструкция газовых котельных с тепловыми сетями;

- реконструкция ЦТП и тепловых сетей;

- строительство и реконструкция котельных с котлами высокотемпературного кипящего слоя и тепловыми сетями.

По состоянию на декабрь 2017 года в Министерстве обороны РФ эксплуатируется 963 котельных. Из общего числа 96 котельных мощностью от 1,5 до 9,0 Гкал/час не подлежат переводу

на газ. Эти котельные в основном оборудованы котлами малой мощности устаревшей конструкции, в основном с ручным обслуживанием, имеющие низкие технико-экономические показатели. Кроме того, данные котельные характеризуются отсутствием систем автоматизации и тяжелым ручным трудом эксплуатационного персонала.

Применение технологии кипящего слоя является наиболее перспективным направлением реконструкции угольных котельных, так как позволяет устойчиво работать с КПД (80-83)% на каменных и бурых углях с фракционным составом от (30-40) мм. до угольной пыли, зольностью и влажностью до (30-40) %. Котлоагрегаты разработанные кафедрой двигателей и тепловых установок ВИ(ИТ) обладают высокой надежностью и ремонтопригодностью, поставляются на строительную площадку в виде блоков, удобных для оперативного монтажа. Они оснащены трехступенчатой системой газооочистки, включающей вторичное дутье, возврат уноса и батарейные циклоны. Применение таких котлоагрегатов в совокупности с системами механизации топливоподачи и шлакозолоудаления позволяет снижать расход топлива в 1,5 - 2 раза по сравнению с существующими угольными котельными.

Важной проблемой является обеспечение работы котлов в автоматическом режиме без участия эксплуатационного персонала, так как в настоящее время управление работой котлов кипящего слоя осуществляется оператором дистанционно со щита по режимной карте.

При разработке схем автоматического регулирования твердотопливных котельных с котлами высокотемпературного кипящего слоя следует учитывать ряд важных дополнительных особенностей технологического процесса сжигания топлива:

1. На сегодняшний день на всех промышленных и экспериментальных образцах котлов малой мощности с топками ВТКС розжиг твердого топлива во время их пуска осуществляется ручным способом за счет воспламенения древесного топлива, помещенного заблаговременно в топку.

2. Эффективное сжигание местных сортов твердого топлива (фрезерный торф, древесные отходы) в котлах высокотемпературного кипящего слоя требует учета особенностей состава топлива, которое по сравнению с каменными и бурыми углями обладает высокой влажностью (более 60 %), низкой зольностью (менее 3-5%) и малыми значениями низшей удельной теплоты сгорания (не более 3500 ккал/кг).

3. Работа котлов высокотемпературного кипящего слоя может сопровождаться возникновением аварийных ситуаций, связанных с внезапным аварийным прекращением подачи на котельную электроэнергии.

Отсутствие конструктивных решений не позволяет обеспечить пуск таких котлов в автоматическом режиме, отсутствие автоматических систем регулирования снижает эффективность работы котлоагрегатов в целом, а отсутствие автоматики безопасности может привести к аварии и

выходу котлоагрегата из строя. Проблемы автоматизации твердотопливных котельных обсуждались в трудах сотрудников кафедры двигателей и тепловых установок ВИ(ИТ) [1, 2, 3, 4]. Изложенные особенности предопределяют необходимость разработки новых технических решений, как по конструкциям самих котлов, так и по системам их автоматизации. Структурная схема системы автоматизации угольной котельной с котлами кипящего слоя предлагаемая коллективом кафедры двигателей и тепловых установок ВИ(ИТ) представлена на рис. 1

Рис.1. Структурная схема системы автоматизации угольной котельной с котлами кипящего слоя

Для решения вопроса комплексной автоматизации твердотопливных котлов кипящего слоя

для строительства и реконструкции котельных был разработан НИОКР «Автоматизация», в

соответствии с которым были разработаны новые технические решения:

- «Котлоагрегат для сжигания твёрдого топлива в кипящем слое с улучшенными характеристиками топочных процессов»

- «Котлоагрегат для сжигания твердого топлива в кипящем слое с горелкой для сжигания жидкого топлива».

- «Схема автоматизации с каналом управления розжиговой горелкой».

- «Система автоматического регулирования процессом горения в топке с высокотемпературным кипящим слоем котла малой мощности».

- «Котлоагрегат для сжигания угля в котле с высокотемпературным кипящим слоем с механическим устройством и расходной емкостью воды для аварийных режимов»

- «Система автоматического регулирования процесса горения торфа и древесных отходов котла малой мощности с топкой высокотемпературного кипящего слоя».

- «Силовая установка с активным котлом утилизатором»

- «Система автоматического регулирования процесса сжигания угля в топке котла с высокотемпературным кипящим слоем в среде уходящих газов дизель-генератора».

Для повышения устойчивости горения на статических режимах, а также повышения качества переходных процессов на динамических режимах кафедрой двигателей и тепловых установок ВИ(ИТ) ВА МТО был разработан котлоагрегат с топкой ВТКС с улучшенными характеристиками топочных процессов [1].

Применение питателя топлива шнекового типа позволило обеспечить равномерную подачу, за счет чего повысилась устойчивость горения и температурного режима на статических режимах и качество переходных процессов на динамических режимах. Подвод первичного воздуха под колосниковую решетку по гнутому патрубку в вертикальном направлении предотвратил смещение воздушного потока в сторону и возникновение кратерного горения. Реализация принципа подмеса уходящих газов на всасывающую линию дутьевого вентилятора привела к уменьшению концентрации кислорода в смеси и установлению оптимальной температуры, при которой не происходит шлакование. Добавление дополнительной трубной секции в надрешеточную поверхность нагрева повысило теплосъем от кипящего слоя.

Внесенные конструктивные решения поясняются рис. 2.

Для сокращения времени пуска котлоагрегата и обеспечения безопасности обслуживающего персонала в потолочном экране котлоагрегата КВП-1,74 ВТКС была установлена горелка на жидком топливе, которая позволяет осуществить разогрев угля в первой дутьевой зоне до температуры воспламенения.

Благодаря наличию горелки резко уменьшилась опасность для обслуживающего персонала. Положительным эффектом стала возможность использования жидкого топлива как резервного. Это позволяет диверсифицировать поставки топлива, а также повышает надежность теплоснабжения потребителя за счет оперативной смены вида топлива.

Рис. 2. .Котлоагрегат для сжигания твёрдого топлива в кипящем слое с улучшенными

характеристиками топочных процессов 30

Соединение розжиговой горелки на жидком топливе с регулятором подачи топлива и установка программируемого контроллера позволило осуществлять автоматический розжиг твердого топлива за счет факела, образующегося при сгорании жидкого топлива, что повышает уровень автоматизации котла и надежность его работы. На данное техническое решение 05.12.2016 г. получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель [2].

Схема установки представлена на рис. 3.

Рис. 3. Устройство регулирования угольного котла высокотемпературного кипящего слоя с

розжиговой горелкой на жидком топливе

1-программируемый контроллер, 2-розжиговая горелка на жидком топливе, 3-6 - частотно-регулируемые приводы исполнительных механизмов: подачи топлив, первичного, вторичного воздуха, разряжения, удаления шлака и золы, 7-датчик общего давления, 8-датчик давления вторичного воздуха, 9-датчик температуры кипящего слоя, 10-датчик давления прямой воды, 11-датчик давления обратной воды, 12-датчик температуры прямой воды, 13-датчик температуры обратной воды, 14-вентилятор, 15-дымосос, 16-питатель топлива, 17-подвижная решетка, 18-21 -дутьевые зоны первичного воздуха (18-21), 22-25 - шиберы позонного регулирования воздуха, 26-29 - датчики давления, 30-33 - исполнительные механизмы с электроприводом МЭО, 34-шибер регулирования вторичного воздуха, 35-сопла вторичного дутья, 36-исполнительный механизм с электроприводом МЭО на линии вторичного дутья.

Для повышения эффективности управления процессом горения на переходных режимах и увеличения надежности работы приводных механизмов и снижения расхода электроэнергии было предложено оснастить приводные механизмы вентилятора, дымососа, питателя топлива и подвижной решетки для удаления шлака и золы частотно-регулируемыми приводами, с управлением при помощи программируемого контроллера (ПК). Программируемый контроллер обеспечивает оптимальное регулирование работы регуляторов, а также приборов контроля и безопасности.

Данное решение позволяет освободиться от исполнительных механизмов МЭО, уменьшить потери на дросселирование в шиберах, приводного механизма подвижной решетки для удаления

шлака и золы, снизить расход электроэнергии и автоматизировать управление процессом горения в топке котла.

Предложенная конструкция котла поясняется чертежом, изображенным на рис. 4.

Рис. 4. Система автоматического регулирования процессом горения топке с высокотемпературным кипящим слоем котла малой мощности

1 - датчик температуры обратной сетевой воды, 2 - датчик температуры прямой сетевой воды, 3 -датчик давления обратной сетевой воды, 4 - датчик давления прямой сетевой воды, 5-8 датчики позонного давления дутьевого воздуха, 9 - датчик давления вторичного воздуха, 10 - датчик общего давления,11 - датчик разряжения, 12 - газоанализатор, 13-16 - частотно-регулируемые приводы, 17 - датчик температуры кипящего слоя, 18-22 исполнительные механизмы с электроприводом МЭО, 23 - программируемый контроллер, 24-27 - зоны первичного дутья, 28 -зоны вторичного ду29 - подвижная решетка, 30 - вентилятор, 31 - питатель топлива, 32 - дымосос, 33-36 - шиберы позонного регулирования дутьевого воздуха, 37 - шибер регулирования вторичного воздуха.

При разработке вышеописанных установок существенное внимание было уделено повышению эффективности сжигания твердого топлива, однако вопросам безопасности было уделено меньше внимания.

Недостатком вышеописанных установок является то, что в аварийной ситуации при исчезновении напряжения остановится дутьевой вентилятор и двигатель электропривода колосниковой решетки. Прекращается подача воздуха под колосниковую решётку. Топливо, имеющее температуру 1100-1200 градусов, опустится на колосниковую решетку. При этом возникает опасность спекания шлака и выхода котла из строя.

Рис. 5. Котлоагрегат для сжигания угля в котле с высокотемпературным кипящим слоем с механическим устройством и расходной емкостью воды для аварийных режимов. Вид спереди.

1-колосниковая решетка прямого хода, 2-панель охлаждения, 3-питатель, 4-дутьевые зоны первичного воздуха, 5-эжектор, 6-топливный бункер, 7-поверхности нагрева , 8-расходная емкость, 9-механическое устройство для проворачивания колосниковой решетки вручную в аварийных режимах, 10-ручной насос.

Для недопущения выхода котлоагрегата из строя на колосниковой решетке установлено ручное механическое устройство для удаления шлака из топки котла, установлена расходная емкость воды с ручным насосом для охлаждения удаляемого шлака [3]. Предложенная конструкция котла поясняется чертежами рис.5.

При внезапном исчезновении напряжения отключаются двигатели вентилятора, дымососа, привода колосниковой решетки. Прекращается подача воздуха под колосниковую решетку прямого хода (1) через дутьевые зоны первичного воздуха (4).

Топливо, находившееся во взвешенном состоянии, опускается на колосниковую решетку (1). Из-за высокой температуры происходит локальный нагрев колосников, что может в последующем привести выходу из строя отдельных колосников. Во избежание выхода из строя колосниковой решетки (1) при исчезновении напряжения она проворачивается при помощи механического устройства (9) вручную, опустившееся топливо и шлак удаляются в канал транспортера шлакозолоудаления и охлаждаются посредством воды, подаваемой из расходной емкости (8) ручным насосом (10).

Приведенные технические решения позволят повысить эффективность сжигания твердого топлива с применением котлов с высокотемпературным кипящим слоем, а также поднять степень

надежности работы установок в аварийных ситуациях. Они могут быть использованы для проектирования и строительства теплоэнергетических установок с котлоагрегатами кипящего слоя малой мощности в интересах Министерства обороны Российской Федерации. Для дальнейших исследований планируется разработать тактико-технические требования для их промышленного изготовления, а также программное обеспечение, создать опытный образец САУ и провести его натурные испытания.

Исследования рабочих процессов планируется проводить на базе учебного научно-исследовательского комплекса с котлами ВТКС в п. Приветнинское Ленинградской области. Указанный комплекс оснащен двумя котлоагрегатами с высокотемпературным кипящим слоем КВП-1,74 ВТКС. Комплекс также оборудован системами топливоподачи, шлакозолоудаления, воздухоподачи и другими инновационными техническими решениями. В ближайшее время запланирована модернизация комплекса с установкой дизель-генератора соединенного по газовоздушному тракту с топкой котла КВП-1,74 ВТКС.

Список литературы:

1. Основные направления и практический опыт реконструкции угольных котельных малой мощности по технологии высокотемпературного кипящего слоя. Бондарев А.В., Смирнов А.В. Журнал «Военный инженер» №1 Санкт-Петербург 2016 г. с. 13-18.

2. Перспективы и опыт создания систем комплексной автоматизации топочных процессов твердотопливных котлоагрегатов с топками кипящего слоя при реконструкции и строительстве котельных. Бондарев А.В., Смирнов А.В. Журнал «Военный инженер» №2 Санкт-Петербург 2016 г. с. 17-21.

3. К вопросу технико-экономической оценки модернизации систем теплоснабжения автоматизированными угольными котельными с топками высокотемпературного кипящего слоя. Смолинский С.Н.. Журнал «Военный инженер» №2(4) Санкт-Петербург 2017 г. с. 4349.

4. Практический опыт, проблемы и перспективы разработки систем комплексной автоматизации твердотопливных котлов кипящего слоя для строительства и реконструкции котельных на объектах МО РФ. Бондарев А.В.., Александров С.В., Смолинский С.Н.. Сборник: «Современные проблемы создания и эксплуатации вооружения, военной и специальной техники». Всероссийская научно-практическая конференция. Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского. Санкт-Петербург, 2016. с. 442-446.

5. «Котлоагрегат для сжигания твёрдого топлива в кипящем слое с улучшенными характеристиками топочных процессов». Патент на полезную модель RU170747U1 от 05.05.2017.

6. «Схема автоматизации с каналом управления розжиговой горелкой» Положительное решение о выдаче патента на полезную модель (заявка №2016106051 от 05.12.2016), авторы Смирнов А.В., Смолинский С.Н., Бондарев А.В., Карпов М.А., Маллаев К.М..

7. «Котлоагрегат для сжигания угля в котле с высокотемпературным кипящим слоем с механическим устройством и расходной емкостью воды для аварийных режимов». Положительное решение о выдаче патента на полезную модель (заявка № 2016147611 от 05.12.2016), авторы Смирнов А.В., Александров С.В., Бондарев А.В., Воронов В.Ю., Корчинский В.С.

Исследования и разработки в области эффективности, надежности и боевого использования вооружения и военной техники

УДК 355.359:728.33

Владимиров Ю.Ф. Vladimirov Y.F.

О некоторых погрешностях при расчете режимов электрических сетей на основе схем замещения с сосредоточенными параметрами On inaccuracy in calculation of electrical networks on the basis of equivalent circuits with lumped

parameters

Аннотация:

В статье на примерах расчетов установившихся режимов на основе схем замещения с распределенными и сосредоточенными параметрами, характерными для электроустановок напряжением 1...10 кВ объектов военной инфраструктуры, показывается зависимость погрешностей вычислений от величины нагрузки в конце линии, а также от длительности периода свободной знакопеременной составляющей, возникающей при коммутациях в сети. Abstract:

The article presents the calculation examples of steady state conditions based on equivalent circuits with distributed and lumped parameters which are characteristic of 1.10 kV electrical equipment of military infrastructure. The paper touches upon dependence of calculation errors on the load at the end of the line as well as on the duration of free alternating component occurring at network switching.

Ключевые слова: погрешности, схемы замещения, параметры . Keywords: inaccuracy, equivalent circuits, parameters.