Цифровое устройство для контроля, анализа и оптимизации процесса сжигания топлива в котлоагрегате

Область техники
Полезная модель относится к информационно-измерительным устройствам котлоагрегатов, конкретно к блоку контроля, анализа и оптимизации процесса сжигания топлива в котлоагрегате.
Уровень техники
Известен индикатор-приставка /RU 51173/ для контроля, анализа и оптимизации процесса сжигания топлива в котлоагрегате, содержащая последовательно соединенные лямбда-датчик, аналого-цифровой преобразователь, анализатор составляющих дымовых газов котлоагрегата и цифровой индикатор.
Недостатком известного устройства /RU 51173/ является пониженное качество оптимизации процесса сжигания топлива в котлоагрегате, связанное с контролем и анализом ограниченного количества параметров работы котлоагрегата, а именно - только составляющих дымовых газов. Ручная оптимизация процесса сжигания топлива по индикации составляющих дымовых газов котлоагрегата требует повышенной профессиональной квалификации оператора котлоагрегата и повышенных затрат времени на розжиг и поддержание стабильной работы котлоагрегата.
Известен прибор /RU 5440/ для контроля, анализа и оптимизации процесса сжигания топлива в котлоагрегате, включающий микропроцессор с клавиатурой ввода параметров работы котлоагрегата и блоком вывода результатов оптимизации на дисплей. При этом микропроцессор снабжен программой расчета коэффициента полезного действия (КПД) по введенным значениям давления перегретого пара, его температуры, расхода пара, давления в барабане котла, температуры питательной воды, ее расхода, затрат электроэнергии на собственные нужды котлоагрегата, расхода топлива и его теплотворной способности (калорийности).
Недостатком известного прибора /RU 5440/ является повышенная инерционность процесса контроля, анализа и оптимизации процесса сжигания топлива в котлоагрегате, связанная с необходимостью визуального снятия указанных выше параметров работы котлоагрегата с соответствующих приборов учета и ручного ввода снятых показаний на микропроцессор.
Повышенная инерционность контроля, анализа и оптимизации процесса сжигания топлива в котлоагрегате с помощью известного прибора /RU 5440/ не обеспечивают безопасную и эффективную эксплуатацию теплотехнического оборудования, особенно работающего на газе.
В этих условиях задача обеспечения безопасной и эффективной эксплуатации котлоагрегатов, работающих на газе - одна из важнейших задач, стоящих перед проектировщиком и обслуживающим персоналом котельных.
Решение этих задач на практике осложняется изношенностью оборудования, его физическим и моральным старением, неисправностью отдельных элементов средств автоматики, а также недостаточно высоким уровнем квалификации и низкой технологической дисциплиной обслуживающего персонала, что может повлечь за собой серьезные аварии, сопровождающиеся человеческими жертвами. Расследование аварийных ситуаций нередко затруднено из-за отсутствия объективной информации о причинах, приведших к их возникновению. Большинство аварий происходит во время пуска котла в работу. Связано это с тем, что о розжиге факела запальника и пламени горелки оператор получает информацию по срабатыванию определенных датчиков и приборов защиты. Это не всегда достоверно. Кроме того, на этапе розжига, обслуживающий персонал часто допускает нарушение правил промышленной безопасности, производственных инструкций и дисциплины труда. Характерные примеры подобных нарушений - несоблюдение заданного времени вентиляции топки котла при повторном пуске. В некоторых случаях обслуживающий персонал, несмотря на неисправность элементов и приборов контроля факела запальника и пламени горелки котла, имитирует их исправное состояние и принудительно пускает котлоагрегат в работу, что является грубейшим нарушением инструкции по эксплуатации котла. Визуальный контроль за факелом запальника через существующее смотровое окно позволяет видеть лишь незначительную его часть.
Желательно оснащение котлоагрегата цифровым устройством автоматизированного контроля, анализа и оптимизации процесса сжигания топлива, обеспечивающим повышение безопасности розжига и эксплуатации промышленных котлоагрегатов, работающих на жидком или газообразном топливе.
Таких устройств в известном уровне техники не выявлено.
Постановка задачи
Задачей полезной модели является создание цифрового устройства для контроля, анализа и оптимизации (ЦУКАО) процесса сжигания топлива (ПСТ).
Техническим результатом, получаемым за счет создания ЦУКАО ПСТ, является повышение безопасности розжига и эксплуатации промышленных котлоагрегатов, работающих на жидком или газообразном топливе.
Сущность полезной модели
Решение поставленной задачи и достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что цифровое устройство для контроля, анализа и оптимизации процесса сжигания топлива (ЦУКАО ПСТ) содержит блок автоматизированной обработки сигналов (БАОС) котлоагрегата. БАОС снабжен вводным устройством параметров котлоагрегата и устройством вывода результатов обработки сигналов котлоагрегата на монитор и устройство документирования. Вводное устройство оснащено не менее чем тремя входными портами для соединения с камерами видеонаблюдения (ВК) газовых горелок, двумя портами для соединения соответственно с демпферными датчиками давления газа и воздуха на входе горелки, двумя портами для соединения соответственно с датчиком кислорода и демпферным датчиком разряжения в камере сжигания, тремя портами для соединения с блоком датчиков химического состава дымовых газов в выхлопной трубе котлоагрегата, тремя портами для соединения с блоком датчиков температуры котлоагрегата. Выводное устройство снабжено выходными портами для соединения с монитором и устройством документирования розжига и работы котлоагрегата. Конструктивно БАОС выполнен в виде контроллера (безоболочной микроЭВМ) и содержит соединенные интерфейсной шиной сопряжения вводное устройство параметров котлоагрегата, процессор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), блок перепрограммируемой памяти (БПП) для хранения программ обработки сигналов котлоагрегата, блок памяти рабочих параметров и аварийных ситуаций котлоагрегата, выводное устройство и видеокарту для вывода текущей видеоинформации о техническом состоянии котлоагрегата.
Такое конструктивное исполнение цифровое устройство для контроля, анализа и оптимизации процесса сжигания топлива (ЦУКАО ПСТ) позволяет охватить множественным контролем основные элементы котлоагрегата, влияющие на надежность и безопасность работы котлоагрегата, Множественный контроль ВК, в свою очередь, позволяет исключить возможность включения клапана запальника без наличия искры на электродах запальника и, тем самым, исключить возможность накопления взрывоопасных объемов топлива и предотвратить соответствующие аварии котлоагрегата.
В целом указанные технические преимущества полезной модели позволяют повысить безопасности розжига и эксплуатации промышленных котлоагрегатов, работающих на жидком или газообразном топливе.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-3.
На фиг. 1 представлена функциональная схема ЦУКАО ПСТ, на фиг. 2 - пример выходных результатов ЦУКАО ПСТ, отображаемых на мониторе при запуске котлоагрегата, на фиг. 3 - схема установки видеокамер для непрерывного наблюдения горелок котлоагрегата.
На фиг. 1-2 обозначены:
1 - блок автоматизированной обработки сигналов котлоагрегата (БАОСК);
1.1 - интерфейсная шина сопряжения;
1.2 - вводное устройство параметров котлоагрегата;
1.3 - процессор;
1.4 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
1.5 - перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) для хранения программ управления БАОСК;
1.6 - блок памяти рабочих параметров и аварийных ситуаций (БПРП и АС) котлоагрегата;
1.7 - выводное устройство результатов обработки сигналов БАОСК;
1.8 - видеокарта вывода текущей видеоинформации о техническом состоянии котлоагрегата 19;
2, 3, 4 - соответственно первый, второй и третий порт подключения камер видеонаблюдения запальников и газовых горелок в топке котлоагрегата;
5, 6 - порты для подключения демпферного датчиков давления газа и воздуха соответственно на входе горелки;
7, 8 - порты для подключения соответственно датчика кислорода и демпферного датчика разряжения в камере сжигания;
9, 10, 11 - порты для подключения соответственно датчика окиси углерода, датчика двуокиси углерода и датчик двуокиси азота дымовых газов в выхлопной трубе котлоагрегата;
12, 13, 14 - порты для подключения соответственно датчика температуры газа и воздуха на входе топки котлоагрегата, а также -датчика температуры дымовых газов на выходе топки (в выхлопной трубе котлоагрегата);
15, 16 - выходные порты для подключения монитора 17 и устройства 18 документирования соответственно;
17 - монитор с виртуальной клавиатурой (меню) для отображения параметров котлоагрегата и оптимальных режимов розжига и сжигания топлива в нем;
18 - устройство документирования розжига и работы котлоагрегата;
18.1 - принтер;
18.2 - съемная флэш-память;
19 - котлоагрегат.
Раскрытие сущности полезной модели
Согласно фиг. 1-3 цифровое устройство для контроля, анализа и оптимизации процесса сжигания топлива (ЦУКАО ПСТ) содержит блок 1 автоматизированной обработки сигналов (БАОС) котлоагрегата 19. Конструктивно БАОС 1 выполнен в виде контроллера (безоболочной микроЭВМ) и содержит соединенные интерфейсной шиной 1.1 сопряжения вводное устройство 1.2 параметров котлоагрегата 19, процессор 1.3, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 1.4, блок 1.5 перепрограммируемой памяти (БПП) для хранения программ обработки сигналов котлоагрегата, блок 1.6 памяти рабочих параметров и аварийных ситуаций котлоагрегата, выводное устройство 1.7 и видеокарту 1.8 для вывода текущей видеоинформации о техническом состоянии котлоагрегата 19. Для обеспечения пропускной способности до 400 Мбит/с и возможности горячего подключения видеокамер и датчиков параметров котлоагрегата водное устройство 1.2 параметров котлоагрегата 19 и устройство 1.7 вывода результатов БАОС 1 снабжены опциональными цифровыми двунаправленными наружными портами типа IEEE 1394.
При этом вводное устройство 1.2 оснащено не менее чем тремя входными портами 2, 3, 4 для соединения с камерами видеонаблюдения газовых горелок, двумя 5, 6 портами для соединения соответственно с демпферными датчиками давления газа и воздуха на входе горелки, двумя портами 7, 8 для соединения соответственно с датчиком кислорода и датчиком разряжения в камере сжигания, тремя портами 9, 10, 11 для соединения с блоком датчиков химического состава дымовых газов в выхлопной трубе котлоагрегата, тремя портами 12-14 для соединения с блоком датчиков температуры котлоагрегата. Блок датчиков химического состава дымовых газов в выхлопной трубе котлоагрегата включает датчик 9 окиси углерода, датчик 10 двуокиси углерода и датчик И двуокиси азота. Блок датчиков температуры котлоагрегата включает датчики 12, 13 температуры газа и воздуха, подаваемых в топку котлоагрегата, а также датчик 14 температуры дымовых газов в выхлопной трубе котлоагрегата.
Выводное устройство 1.7 блока 1 автоматизированной обработки сигналов котлоагрегата (БАОСК) снабжено выходными портами 15-16 для соединения с монитором 17 и устройством 18 документирования розжига и работы котлоагрегата. Монитор 17 снабжен сенсорной панелью управления, а устройство 18 документирования выполнено в виде принтера 18.1 и/или съемной флэш-памяти 18.2.
Работа полезной модели
Перед началом работы цифровое устройство для контроля, анализа и оптимизации процесса сжигания топлива (ЦУКАО ПСТ) подключается своими портами 2-14 через интерфейсные линии связи (на фигурах не показано) к сигнальным выходам соответствующих видеокамер и датчиков контроля технологических параметров котлоагрегата. При этом видеокамеры 2, 3 (фиг. 3) устанавливают в котлоагрегате с возможностью одновременной видимости в реальном масштабе времени горелок котлоагрегата. Выходные порты 15-16 ЦУКАО ПСТ через соответствующие интерфейсные линии связи подключают к монитору 17 и устройству 18 документирования.
Далее включают ЦУКАО ПСТ. При этом сигнальная информация видеокамер и датчиков контроля технологических параметров котлоагрегата 19 поступает через порты 2-14, через вводное устройство 1.2 и интерфейсную двунаправленную шину 1.1 сопряжения в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 1.4. После ввода в ОЗУ 1.4 сигнальной информации с котлоагрегата 19 ППЗУ 1.5 по заложенной в нем программе управления передает принятые сигналы в процессор 1.3. В процессоре 1.3 производится анализ и оптимальная обработка принятых сигналов и на экран монитора 17 через видеокарту 1.5, шину 1.1 сопряжения и порт 15 выводятся текущие значения питающих и технологических параметров котлоагрегата 19.
Оператор анализирует на мониторе наличие сигналов на портах 2-14, а именно:
на портах 2, 3, 4 - видеоизображений от видеокамер наблюдения запальников и газовых горелок в топке котлоагрегата 19;
на портах 5, 6 - давления газа и воздуха соответственно на входе горелки от соответствующих демпферных датчиков;
на портах 7, 8 - уровень кислорода и разряжения (среднее значение и амплитуды пульсаций) в камере сжигания от соответствующих измерительных датчиков;
на портах 9, 10, 11 - уровень окиси углерода, двуокиси углерода и двуокиси азота в дымовой трубе котлоагрегата от соответствующих химических датчиков - анализаторов;
на портах 12, 13, 14 - численные значения температуры газа и воздуха на входе топки котлоагрегата 9,
на порту 14 - численные температуры дымовых газов на выходе топки (в выхлопной трубе котлоагрегата).
На основании видеонаблюдения на экране монитора 17 численных значений сигналов на портах 2-14 оператор судит об исправном состоянии запорной арматуры и готовности котлоагрегата 19 к пуску.
Далее с помощью кнопки «меню» на сенсорной панели монитора выбирает режим оптимального запуска котлоагрегата 19. При этом сигнал с монитора 17 через порт 15 и шину 1.1 поступает на ППЗУ 1.5 и последний включает расчет оптимального режима розжига котлоагрегата 19.
При этом БАОС 1 по измеренным значениям сигналов на портах 2-14 контролирует момент появления устойчивой искры на электродах запальников и формирует разрешающий сигнал:
открытия запорной арматуры подачи воздуха и газа на клапан запальника (КЗ) и запорный клапан (ЗК) горелки (КГ);
работы трансформатора запальника (ТЗ) для выработки искры запальника (ИЗ);
работы видеокамер (ВК) и прибора контроля факела запальника и пламени (ПКФП) горелки;
работы контрольных электродов КЭ1 и КЭ2 запальника и горелки соответственно.
Оптимальные значения параметров для розжига котлоагрегата 19 выводятся через порт 15 на экран монитора 17 (фиг. 2) в виде видеоизображения временной диаграммы работы ТЗ, ИЗ, ВК, КЗ, КЭ1, ПКФП, ЗК, КГ, КЭ2 и видеоизображений ВК внутренней поверхности камеры (ВПК) сжигания топлива, ее запальников и горелок. Анализируя видеоизображения ВПК, оператор визуально диагностирует состояние внутренней поверхности камеры сжигания и ее элементов.
Одновременно указанные видеоизображение в цифровой форме с БАОС 1 выдаются через порт 16 на устройство документирования 18.
Далее оператор, следуя параметрам, представленным на мониторе 17, производит анализ розжига и дальнейшей работы котлоагрегата. При работе котлоагрегата изменяются температурные режимы его технологических параметров. Изменяется состав и температура газов на выходе дымовой трубы. Изменения и пульсации указанных параметров через порты 2-14 передаются на БАОС 1. БАОС 1 по измененным значениям сигналов флуктуации газа, воздуха, разряжения на портах 2-14 корректирует расчеты и отображает на мониторе уточненные их значения. Оператор на пульте управления отрабатывает соответствующим образом данные монитора 17. За счет этого оптимизируется режим работы котлоагрегата 19 по критерию «Безопасность - экономичность» и минимизируются затраты топлива при эксплуатации котлоагрегата 19.
После выхода котлоагрегата 19 на рабочий режим оператор производит визуальный контроль за его эксплуатацией по текущей информации на мониторе 17. При уходе параметров (давления, температуры, погасания топки, утечки газа, изменения состава и уровня дымовых газов) и возникновении других аварийных ситуаций БАОС 1 высвечивает на экране монитора 17 номер ошибки и выдает сигнал на включение звукового оповещения (на фигурах не показано).
Промышленная применимость
Полезная модель разработана на уровне технического проекта, математического и физического моделирования процесса розжига котлоагрегата. Проведены экспериментальные работы по определению оптимального цвета плазменной горелки для контроля, анализа и управления соотношением «Топливо-Воздух» и соответствующие доработки программ БАОС 1. В процессе экспериментальных работ было выявлено, что на этапе розжига котлоагрегата, при постоянном прогреве его стенок видеокамеры БАОС 1 фиксировали трещины кладки внутренних стенок топки котлоагрегата 19. Указанный факт можно рассматривать как явление дефектоскопии, позволяющее своевременно обнаружить неисправность топки, предотвратить аварию и, как следствие, дополнительно повысить безопасность эксплуатации котлоагрегата 1 с помощью предлагаемой полезной модели.