СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ГОРЕЛКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОТЛОВ

Полезная модель относится к области автоматизации производственных процессов в теплоэнергетике, а именно оптимального управления процессом сжигания газообразного топлива в горелках энергетических котлов.
Известным способом оптимизации процесса сжигания газообразного топлива является установка требуемого соотношения расходов окислителя (воздуха) и топлива. В промышленных горелках оптимальное соотношение расходов топлива и воздуха устанавливается по их давлениям перед горелкой. Известно устройство, в котором использованы звуковые сигналы для контроля и диагностирования степени полноты сгорания топлива в горелочных устройствах, например в техническом решении (патент США №5120214, опубл. 09.06.92) микрофон использован в качестве датчика состояния процесса горения, по показаниям которого предлагается регулировать подачу газообразного топлива.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является система контроля горелок энергетических котлов (Свид. на полезную модель РФ №9637. опубл. 16.04.1999), содержащая горелочные устройства, подключенные к топливному и воздушному трубопроводам, звуководы и микрофоны, выходами подключенные к вычислительным устройствам, каждое горелочное устройство снабжено селективным усилителем звука, подключенным между выходом микрофона и входом вычислительного устройства, манометром, установленным на воздушном трубопроводе, выходом соединенным с вычислительным устройством.
Недостатком указанной полезной модели является то, что сигнал на выходе вычислительного устройства, получаемый в результате деления сигнала на выходе селективного усилителя звука на сигнал на выходе манометра имеет монотонный характер и не показывает предпочтительное значение
давления воздуха, соответствующее максимальной полноте сгорания газообразного топлива.
Технической задачей, решаемой полезной моделью, является повышение точности контроля работы горелок путем оперативных измерений интенсивностей спектров звукового давления на характерной для горелки частоте факела горелки и потока воздуха на входе в горелку и оперативной установки в автоматическом режиме оптимального давления воздуха на входе в горелку, соответствующего текущей нагрузке котла.
Поставленная техническая задача решается тем, что известная система контроля горелок энергетических котлов, содержащая горелочное устройство с завихрителем потока воздуха, подключенное к газовому и воздушному трубопроводам, первый звуковод и первый датчик звукового давления, подключенный через первый усилитель к вычислительному устройству, согласно предлагаемой полезной модели, снабжена экстремальным регулятором, состоящим из последовательно соединенных регулирующего блока, исполнительного механизма и вмонтированного в воздушный трубопровод для установки давления воздуха регулирующего органа, а каждая горелка снабжена вторым измерительным каналом, содержащим второй звуковод, установленный в корпусе завихрителя потока воздуха, второй датчик звукового давления и подключенный к нему второй усилитель, каждый измерительный канал снабжен последовательно соединенными преобразователем и фильтром, при этом входы преобразователей подсоединены к выходам первого и второго усилителей, а выходы фильтров соединены с вычислительным устройством, причем выход фильтра второго измерительного канала подключен к отрицательному входу вычислительного устройства, выход вычислительного устройства соединен с регулирующим блоком экстремального регулятора.
На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемой системы контроля и оптимального управления горелки энергетических котлов, на фиг.2 - экспериментально полученные при двух постоянных давлениях газа перед
1
2
горелкой графики зависимостей интенсивностей выделенной полосы звуковых давлений на характерной частоте звука для факела горелки (графики l, l) и интенсивности звукового давления на этой же характерной частоте потока воздуха на входе в горелку от давления воздуха перед горелкой (график 2).
Предлагаемое устройство включает в себя горелку 1 (фиг.1), вмонтированную в амбразуру стенки котла 2. Горелка состоит из воздушного трубопровода 3 и расположенного внутри него газового трубопровода 4. На тыльной стороне воздушного трубопровода 3 имеется завихритель потока воздуха 5. Рабочий торец газового трубопровода 4 имеет направляющие трубки 6 для смешивания топлива с воздухом. В газовом трубопроводе 4 расположен звуковод 7, открытый конец 8 которого установлен вблизи от направляющих трубок 6, а противоположный конец, расположенный за пределами горелки 1, снабжен первым датчиком звукового давления 9. Второй датчик звукового давления 10 расположен во втором звуководе 11, вмонтированном в корпус завихрителя потока воздуха 5. Первый датчик звукового давления 9 и второй датчик звукового давления 10 с последовательно подсоединенными к ним соответственно усилителями 12 и 13, преобразователями соответственно 14 и 15, фильтрами соответственно 16 и 17 образуют первый и второй измерительные каналы, подключенные к вычислительному устройству 18. При этом выход фильтра 17 второго измерительного канала подключен к отрицательному входу вычислительного устройства 18. Выход вычислительного устройства 18 соединен с регулирующим блоком 19 экстремального регулятора 20. Выход регулирующего блока 19 подключен к исполнительному механизму 21, сопряженному с регулирующим органом 22, вмонтированном в воздушный трубопровод 3 для установки давления воздуха.
Устройство работает следующим образом. Канал с датчиком 9 формирует электрический сигнал, пропорциональный интенсивности звукового давления факела горелки, а канал с датчиком 10, формирует
электрический сигнал, пропорциональный интенсивности звукового давления потока воздуха на входе в горелку. На фиг.1 качественно показаны полные частотные спектры звуковых давлений в диапазоне частот от 50 до 500 Гц на выходах преобразователей 14 и 15. Усиление и преобразование сигналов в измерительных каналах может производиться в цифровом или аналоговом виде. Примером такого измерительного канала, может быть устройство для измерения давления (Патент РФ №2029266, кл. G 01 L 9/12, 1995 г.), представляющее собой емкостной акустический датчик звукового давления и согласованные с ним широкополосные предусилитель и измерительный преобразователь.
Фильтры 15 и 16 выделяют из спектров звуковых давлений полосы для характерной для горелки частоты. На фиг.2 качественно показаны пики интенсивности спектров колебаний звуковых давлений на характерной для горелки частоте на выходах фильтров. Для фильтрации звуковых колебаний может быть использован, например, анализатор спектра звуковых колебаний датской фирмы «Брюль и Къер», польской фирмы «SVAN» или любой отечественный анализатор спектра звуковых колебаний с электрическим выходом.
1
2
1
2
Характерной для горелки принята такая частота, для которой интенсивность колебаний звукового давления имеет наиболее близкую регрессионную связь с содержанием СО в дымовых газах. Такая частота экспериментально была найдена для конкретного типа горелок. Эксперименты проводились при постоянном давлении газа. Обработка экспериментальных данных показала, что разности пиков интенсивностей спектров на характерной частоте горелки звуковых давлений факела горелки и воздуха на входе в горелку (см. графики 3, 3 на фиг.2) имеют максимумы при минимумах содержания СО в дымовых газах (см. графики 4, 4 на фиг.2). Причем ординаты и абсциссы максимумов зависят от давления газа (нагрузки котла).
С выходов преобразователей 14 и 15 сигналы поступают на входы фильтров 16 и 17. Выходные сигналы с фильтра 16 с положительным знаком, а фильтра 17 - с отрицательным знаком поступают на входы
вычислительного устройства 18. Вычислительное устройство 18 формирует на выходе сигнал, пропорциональный разности выходных сигналов фильтров. Операция суммирования может быть реализована с помощью любой схемы цифрового или аналогового вычислительного устройства, содержащего электронный операционный усилитель с двумя входами.
Выходной сигнал с вычислительного устройства 18 поступает на вход регулирующего блока экстремального регулятора 19. В качестве такового можно использовать шаговый экстремальный регулятор (Теория автоматического управления, ч II, под ред. А.В.Нетушила. Учебник для вузов. М., «Высшая школа», 1972., стр.389.). Регулирующий блок экстремального регулятора 19 генерирует последовательность импульсов одинакового уровня положительного или отрицательного знака с частотой следования, зависимой от степени удаленности оптимизируемого процесса от экстремального значения. В окрестности экстремальной точки частота следования управляющих импульсов минимальная.
Импульсы с выхода регулирующего блока 19 управляют работой исполнительного механизма 20, который в комплекте с регулирующем органом 21 устанавливает давление воздуха перед горелкой.