Система автоматического регулирования процесса горения силовой установки с активным котлом-утилизатором высокотемпературного кипящего слоя с воздухоподогревателем
AUTOMATIC CONTROL SYSTEM OF COMBUSTION PROCESS OF POWER PLANT WITH ACTIVE BOILER-UTILIZER OF HIGH-TEMPERATURE FLUIDIZED BED WITH AIR HEATER

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно системе автоматического регулирования процесса горения в силовой установке для сжигания древесных отходов и торфа с активным котлом-утилизатором высокотемпературного кипящего слоя с воздухоподогревателем.
Известна система автоматического регулирования параметров котла с топкой низкотемпературного кипящего слоя (НТКС), разработанная специалистами треста «Донецкуглеавтоматика»: Бочаров А.А., Вискин Ж.В. Методика реконструкции и эксплуатации топок для сжигания высокозольных углей в кипящем слое. Донецк: Донецкуглеавтоматика, 1989, с. 80-91 - [1]. Она состоит из регуляторов разряжения, уровня, выпуска шлака, воздуха, топлива. Работа всех регуляторов осуществляется с использованием исполнительных механизмов МЭО. В данной схеме предусмотрен контроль следующих параметров: температуры уходящих дымовых газов, давления дутьевого воздуха, температуры кипящего слоя, температуры и давления пара (воды) на выходе из котла, параметры электродвигателей дутьевого вентилятора и дымососа.
Так же известны способы сжигания угля в высокотемпературном кипящем слое по литературным источникам:
- Смирнов А.В., Юферев Ю.В., Воронов В.Ю., Макаров В.П. Технология сжигания угля в высокотемпературном кипящем слое в коммунальных котельных малой мощности. СПб: Стройпрофиль, 2004, №4/1, с. 108-110 - [2];
- Юферев Ю.В., Воронов В.Ю. Опыт реконструкции и эксплуатации котла «Братск» с топкой ВТКС.// Сборник работ докторантов и адъюнктов. СПб: ВИТУ, 1998, №2, с. 56-58 - [3].
Устройства их реализующие способы сжигания угля по [2] и [3] включают в себя вариатор, регулирующий подачу топлива, преобразователь напряжения с двигателем постоянного тока для привода подвижной решетки для удаления шлака и золы. Регулирование производительности дымососа и вентилятора осуществляется посредством исполнительных механизмов электрических однооборотных (МЭО).
Данные аналоги [1], [2] и [3] обладают рядом недостатков:
- регулирование разряжения в топке котла и подачи воздуха осуществляется при помощи шиберов с электроприводами МЭО, что приводит к потерям при дросселировании воздуха и газов;
- отсутствуют преобразователи частоты для привода вентилятора и дымососа, что увеличивает расход электроэнергии;
- отсутствует позонное регулирование первичного воздуха, что приводит к увеличению потерь от химического недожога и с механической неполнотой сгорания топлива;
- нет канала регулирования давления вторичного воздуха, вследствие чего снижается эффективность выгорания топлива и возрастает доля уноса твердых частиц из слоя;
- не предназначены для использования торфа и древесных отходов;
- для регулирования подачи топлива используется вариатор, для привода подвижной решетки для удаления шлака и золы преобразователь напряжения, которые характеризуются низкой надежностью.
Аналогом - «устройства» является «Силовая установка с активным котлом-утилизатором высокотемпературного кипящего слоя» по патенту на изобретение РФ: RU 2650018 С1 от 06.04.2018, МПК F23G 7/06 [4], в которой отработавшие газы дизель-генератора поступают в котел-утилизатор, выходной патрубок выхлопных газов из дизель-генератора разделен на два патрубка, на которых установлены соответственно первый и второй регулируемые задвижки выхлопных газов, выход первой задвижки соединен с дымовой трубой, выход второй задвижки соединен со входом в трубопровод подачи воздуха, на линии которого после вентилятора установлен третья регулируемая задвижка. Силовая установка [4] состоит из дизель-генератора, магистрали впуска воздуха в дизель, котла-утилизатора подключенного газовпускным патрубком к выхлопному коллектору дизеля, магистрали подачи питательной воды в котел-утилизатор. Котел-утилизатор выполнен в виде котлоагрегата с топкой высокотемпературного кипящего слоя, включающего механическое топочное устройство с наклонной к горизонту подвижной колосниковой решеткой, поверхности нагрева, дутьевые зоны первичного и вторичного воздуха, питатель топлива, эжектор возврата уноса, к газовпускному патрубку котла-утилизатора подключен дутьевой вентилятор, к выхлопному коллектору дизель-генератора подключен газоход перепуска выхлопных газов в атмосферу с глушителем шума, на линии нагнетания дутьевого вентилятора, на газовпускном патрубке котла-утилизатора и на газоходе перепуска выхлопных газов в атмосферу установлены устройства регулирования расхода сред. Перепуск выхлопных газов от дизель-генератора в линию подачи воздуха в топку котла-утилизатора от дутьевого вентилятора повышает эффективность силовой установки. Так применение на линии нагнетания дутьевого вентилятора котла-утилизатора соединенного с выхлопным коллектором дизель-генератора позволяет осуществить подмес выхлопных газов. Подмес выхлопных газов к воздуху, идущему на горение, предотвращает увеличения температуры в топке и уменьшает концентрацию кислорода в смеси. Это приводит к установлению оптимальной температуры горения и снижает вероятность зашлаковывания подвижной колосниковой решетки.
Недостатком прототипа - «устройства» [4], является то, что:
- обладает низким уровнем автоматизации, так как для него не известна система автоматического регулирования процесса горения для сжигания древесных отходов и торфа
- отсутствие подогрева воздуха для обеспечения устойчивого горения топлива (торф, древесные отходы);
Другими словами, не известна система автоматического регулирования процесса горения для котла-утилизатора с подогревом воздуха выхлопными газами от дизель-генератора, что не позволяет автономно его эксплуатировать.
Прототипом заявленной системы автоматического регулирования процесса горения в топке с высокотемпературным кипящим слоем котла является «система» по патенту на полезную модель РФ: RU 49603 U1 от 27.11.2005, МПК F23N 1/00 - [5], которая состоит из программируемого контроллера с блоками управления регуляторов к которым кабелями подсоединены датчики и исполнительные механизмы, установленные на собственно котле. Система по прототипу [5] состоит из регуляторов разряжения, уровня, выпуска шлака, воздуха, топлива. В данной схеме предусмотрен контроль следующих параметров: температуры уходящих дымовых газов, давления дутьевого воздуха, температуры кипящего слоя, температуры и давления пара (воды) на выходе из котла, параметры электродвигателей дутьевого вентилятора и дымососа. Приводные механизмы вентилятора, дымососа, питателя топлива и подвижной решетки для удаления шлака и золы оснащены частотно-регулируемыми приводами. В схему системы автоматического регулирования включен программируемый контроллер, который обеспечивает регулирование работы всех регуляторов, приборов контроля и безопасности, что позволяет полностью автоматизировать процесс горения в топке котла, повысить управляемость котлом с применением текстовой панели, которая входит в состав программируемого контроллера, уменьшить количество обслуживающего персонала.
Недостатком прототипа - «системы» [5], является то, что она не предназначена для - «устройства» [4], то есть не может быть без усовершенствования применена на данной силовой установке с активным котлом утилизатором высокотемпературного кипящего слоя. Кроме того, система [5] в случае горения древесных отходов и торфа с сочетанием дизель-генератором с котлом утилизатором не может обеспечить автоматическое регулирование всех параметров.
Недостатки аналогов и прототипов ставят задачу повышения автоматизации силовой установки [4] путем создания системы автоматического регулирования процесса горения котла-утилизатора для древесных отходов и торфа в кипящем слое, обеспечивающей повышение эффективности управления процессом горения в котле-утилизаторе на переходных и стационарных режимах.
Данная задача решается за счет того, что в системе автоматического регулирования установлены исполнительные механизмы с электроприводами, которые соединены кабелями с соответствующими блоками управления регуляторов системы автоматического регулирования. Посредством исполнительных механизмов с электроприводом осуществляется регулирование расхода выхлопных газов проходящих через воздухоподогреватель, подогревая воздушную смесь подаваемую в топочное устройство, вследствие чего повышается эффективность выгорания топлива и повышается КПД установки.
Сущность заявленного изобретения состоит в том, что «система автоматического регулирования процесса горения силовой установки с активным котлом - утилизатором высокотемпературного кипящего слоя с воздухоподогревателем», состоит из собственно программируемого контроллера (ПК), блоков управления регуляторов подачи воздуха с каналами регулирования позонного первичного и вторичного воздуха, топлива, разряжения, удаления шлака и золы с датчиками и исполнительными механизмами, приборами контроля и безопасности, частотно-регулируемыми приводами вентилятора, дымососа, питателя топлива и подвижной решетки для удаления шлака и золы, дизель-генератора. На выходе выхлопных газов от дизель-генератора установлены электроприводы на задвижки трубопроводов перепуска выхлопных газов в воздухоподогреватель и атмосферу, которые линиями связи соединены с соответствующими блоками управления ПК.
Техническим результатом предполагаемого изобретения - (силовой установки) является повышение уровня автоматизации системой автоматического регулирования процесса горения котла-утилизатора теплоты выхлопных газов дизель-генератора и повышения эффективности управления процессом горения на переходных и стационарных режимах.
В свою очередь повышение уровня автоматизации приводит к сокращению обслуживающего персонала силовой установки, а также позволит дистанционно осуществлять ее контроль и управление. Повышения эффективности управления процессом горения позволит дополнительно повысить надежность и экономичность силовой установки, а также позволит, предотвратить вероятность аварийных ситуаций.
Ограничительные признаки изобретения «система автоматического регулирования процесса горения силовой установки с активным котлом -утилизатором высокотемпературного кипящего слоя с
воздухоподогревателем», состоит из ПК, блоков управления регуляторов подачи воздуха с каналами регулирования позонного первичного и вторичного воздуха, топлива, разряжения, удаления шлака и золы с датчиками и исполнительными механизмами, приборами контроля и безопасности, частотно-регулируемыми приводами вентилятора, дымососа, питателя топлива и подвижной решетки для удаления шлака и золы, дизель-генератора.
Отличительные признаки изобретения - на выходе выхлопных газов от дизель-генератора установлены электроприводы на задвижки трубопроводов перепуска выхлопных газов в воздухоподогреватель и атмосферу, которые линиями связи соединены с соответствующими блоками управления ПК.
Предложенная система автоматического регулирования процесса горения силовой установки с активным котлом утилизатором высокотемпературного кипящего слоя с воздухоподогревателем поясняется чертежом на листе графических материалов, где:
1 - программируемый контроллер;
2, 3, 4 и 5 - каналы управления, включающие в себя регуляторы разряжения, удаления шлака и золы, подачи топлива и воздуха с частотно-регулируемыми приводами;
6, 7 - датчики давления общего и вторичного воздуха;
8 - датчик температуры кипящего слоя;
9, 10 - датчики давления прямой и обратной сетевой воды;
11, 12 - датчики температуры прямой и обратной сетевой воды;
13 - вентилятор;
14 - дымосос;
15 - питатель топлива;
16 - подвижная решетка для удаления шлака и золы;
17 - воздухоподогреватель;
18, 19, 20, 21 - дутьевые зоны первичного воздуха с каналами регулирования позонного первичного дутья;
22, 23, 24, 25 -шибера позонного регулирования первичного воздуха;
26, 27, 28, 29 - датчики давления первичного воздуха;
30, 31, 32, 33 - исполнительные механизмы с электроприводом МЭО;
34 - шибер регулирования вторичного воздуха;
35 - сопла вторичного дутья;
36 - исполнительный механизм с электроприводом МЭО;
37, 39 - запорно-регулирующая арматура;
38, 40 - электроприводами МЭО;
41 - датчик температуры воздуха;
42 - датчика разряжения;
43 - газоанализатор;
44 - дымовая труба;
45 - глушитель шума;
46 - дизель-генератор.
Заявленное техническое решение (чертеж) включает в себя собственно дизель-генератор (46), котел-утилизатор высокотемпературного кипящего слоя и систему автоматического регулирования с программируемым контроллером (1), которые содержат блоки управления регуляторов (2), (3), (4) и (5) исполнительных механизмов и частотно-регулируемых приводов к которым кабелями подсоединены: газоанализатор (43), датчики температуры кипящего слоя (8), температуры (12), (11) и давления воды (10), (9) на входе и выходе из котла; исполнительные механизмы регулирования подачи топлива (15), шиберов входящего воздуха с каналами регулирования позонного первичного (22), (23), (24), (25) и вторичного (34) воздуха, разряжения (42), удаления шлака и золы с датчиками приборами контроля и безопасности; частотно-регулируемые приводы вентилятора (13), дымососа (14), питателя топлива (15) и подвижной решетки (16) для удаления шлака и золы. При этом котел-утилизатор высокотемпературного кипящего слоя дополнительно снабжен воздухоподогревателем (17) входящего воздуха выхлопных газами от дизель-генератора (46), при этом выходной патрубок выхлопных газов от дизель-генератора разделен на два патрубка, на которых установлены соответственно первый и второй регулируемые шибера уходящих горячих газов (37) и (39), выход первого шибера (37) соединен с глушителем шума (45), выход второго шибера (39) соединен со входом в воздухоподогреватель (17), выход которого соединен с глушителем шума (45), регулируемые первый и второй шибера (37) и (39) соединены кабелями с соответствующими блоками управления регуляторов системы автоматического регулирования.
Работа системы автоматического регулирования процесса горения силовой установки с активным котлом-утилизатором высокотемпературного кипящего слоя с воздухоподогревателем организована следующим образом.
При изменении тепловой нагрузки на котле от датчиков температур прямой (11) и обратной сетевой воды (12) подается сигнал в программируемый контроллер (1), где сравниваются текущие значения температур в прямом и обратном трубопроводах с заданными значениями из режимной карты котла. При возникновении сигнала рассогласования указанных величин, из ПК подается сигнал на регуляторы с частотными приводами подачи топлива (4) и воздуха (5). Сигналы, подающиеся на данные регуляторы, имеют дискретные значения. После каждого изменения величины подачи топлива и воздуха, с определенной выдержкой времени заново происходит сравнение текущих значений температур в прямом и обратном трубопроводах с заданными значениями. Этот процесс продолжается до тех пор, пока сигнал рассогласования не войдет в заданный диапазон значений.
2
Регулирование давления первичного воздуха осуществляется с помощью шиберов позонного регулирования (22…25), по датчикам давления (26…29), исполнительными механизмами с электроприводами МЭО (30…33). Регулирование вторичного воздуха организовано следующим образом. Сигнал об изменении концентрации СО и O в дымовых газах поступает от газоанализатора (43), и после сравнения в ПК (1) преобразованный сигнал поступает на исполнительный механизм МЭО (36), установленный на линии подачи вторичного воздуха.
Регулятор разряжения в топке котла работает в режиме постоянного опроса датчика разряжения (42). Сигнал о разрежении в топочной камере сравнивается в ПК (1) и при отклонении от заданного значения появляется сигнал рассогласования, который в ПК (1) преобразуется в управляющий сигнал на изменение частоты вращения частотно-регулируемого привода дымососа (2). Ее изменение прекращается при отсутствии сигнала рассогласования.
Регулятор удаления шлака и золы предназначен для оптимального распределения материала слоя и удаления твердых продуктов горения. Входными сигналами для данного регулятора являются расход топлива. ПК (1) выдает управляющий сигнал согласно режимной карте котла на изменение частоты вращения частотно-регулируемого привода подвижной решетки для удаления шлака и золы (3).
В установившемся режиме часть уходящих газов от дизель-генератора поступает по газоходу в воздухоподогреватель (17), подогревая воздух идущий далее в трубопровод подачи первичного и вторичного дутья. При этом, оставшаяся часть уходящих газов выбрасывается в атмосферу.
В переходных режимах работы котла, при изменении температуры подаваемого нагретого воздуха в трубопроводы первичного и вторичного дутья от установившегося значения, согласно режимной карты котла, сигнал о изменении температуры от датчика температуры (41) подается в ПК (1), где сравниваются текущие значения температур в трубопроводе подачи воздуха с заданными значениями.
При возникновении сигнала рассогласования указанных величин, из ПК (1) подается сигнал на исполнительные механизмы с электроприводом МЭО (38, 40), который регулируют расход выхлопных газов из выхлопного патрубка дизель-генератора в атмосферу и в воздухоподогреватель (17). При этом изменяется положение шиберов (37, 39) и соотношение расхода выхлопных газов выбрасываемых напрямую в атмосферу и в воздухоподогреватель (17).
Предложенная «Система автоматического регулирования процесса горения силовой установки с активным котлом - утилизатором высокотемпературного кипящего слоя с воздухоподогревателем», для котлов с подогревом воздуха выхлопными газами от дизель-генератора не выявлена из существующего уровня развития техники, что позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизны».
Выше приведенная совокупность отличительных признаков заявленного технического решения, а именно дополнительное системы автоматического регулирования процесса горения силовой установки с активным котлом-утилизатором высокотемпературного кипящего слоя с воздухоподогревателем входящего воздуха с регулируемыми шиберами выхлопных газов, снабженными электроприводами, не известна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил известных устройств, технологий (способов), что доказывает соответствию критерию «изобретательский уровень».
Конструктивная реализация заявленного изобретения с указанной совокупностью признаков не представляет никаких конструктивно технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленное применение».
Литература.
1. Бочаров А.А., Вискин Ж.В. Методика реконструкции и эксплуатации топок для сжигания высокозольных углей в кипящем слое. Донецк: Донецкуглеавтоматика, 1989, с. 80-91.
2. Смирнов А.В., Юферев Ю.В., Воронов В.Ю., Макаров В.П. Технология сжигания угля в высокотемпературном кипящем слое в коммунальных котельных малой мощности. СПб: Стройпрофиль, 2004, №4/1, с. 108-110.
3. Юферев Ю.В., Воронов В.Ю. Опыт реконструкции и эксплуатации котла «Братск» с топкой ВТКС.// Сборник работ докторантов и адъюнктов. СПб: БИТУ, 1998, №2, с. 56-58.
4. Патент на полезную модель РФ: RU 2650018 С1 от 06.04.2018, МПК F23G 7/06, «Силовая установка с активным котлом утилизатором высокотемпературного кипящего слоя».
5. Патент на полезную модель РФ: RU 49603 U1 от 27.11.2005, МПК F23N 1/00, «Система автоматического регулирования процесса горения в топке с высокотемпературным кипящим слоем котла малой мощности» - прототип