СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ В ТОПКЕ БАРАБАННОГО ПАРОВОГО КОТЛА
AUTOMATIC OPTIMISATION METHOD OF COMBUSTION PROCESS IN DRUM STEAM BOILER FURNACE

Изобретение относится к теплоэнергетике, касается автоматизации барабанных паровых котлов, а именно экономичности процесса горения в топке.
Известен способ автоматической оптимизации процесса горения в топке барабанного парового котла, имеющего топочные экраны, путем последовательного изменения расхода воздуха, подводимого к горелкам, с помощью регулятора поиска, причем дополнительно измеряют и стабилизируют величину химического недожога в дымовых газах в заданных пределах, измеряют повышение содержания кислорода в дымовых газах над заданным значением и последовательно изменяют расход воздуха, подводимого к каждой горелке, с помощью регулятора поиска до появления в продуктах сгорания соответствующей горелки химического недожога, определяемого по увеличению химического недожога в дымовых газах [А.С. № 735869].
Недостаток этого способа состоит в том, что он не обеспечивает оптимального содержания кислорода, так как оптимальное содержание кислорода не является постоянным в процессе эксплуатации, его значение зависит от многих факторов (паровой нагрузки, качественного состава топлива, потерь теплоты с уходящими газами и др.). Данный недостаток особенно проявляется для котлов, в которых утилизируются вторичные энергетические ресурсы технологических процессов, например доменный газ в металлургии.
Указанный недостаток снижает точность поддержания максимального КПД.
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ автоматической оптимизации процесса горения в топке барабанного парового котла, имеющего топочные экраны, путем измерения параметров, характеризующих КПД котла и соотношение топливо-воздух соответственно, определения отклонений измеренных сигналов от своих заданных значений и последующего изменения с помощью регулятора поиска оптимального расхода воздуха по сумме этих отклонений, причем в качестве параметров, характеризующих КПД котла и соотношение топливо-воздух, используют тепловосприятие топочных экранов и разность расходов пара и воздуха соответственно [А.С. № 1064078].
Недостатком этого способа является следующее. Экономичность процесса горения в топке характеризуется отношением тепла, выработанного в топке, к теплу, внесенного в топку с топливом. В переменных режимах при изменениях расхода и калорийности топлива сигнал по тепловосприятию топочных экранов характеризует лишь одну сторону отношения, определяющего экономичность процесса горения. Вторую сторону отношения - тепло, вносимое в топку с топливом, - сигнал по тепловосприятию топочных экранов не учитывает. Данный недостаток проявляется в переменных режимах, характерных для котлов, в которых утилизируются вторичные энергетические ресурсы технологических процессов.
Указанный недостаток снижает точность поддержания максимального КПД.
Цель изобретения - повышение точности оптимизации процесса горения в топке барабанного парового котла, работающего в переменных режимах, характерных для котлов, в которых утилизируются вторичные энергетические ресурсы технологических процессов, повышение КПД котла.
Поставленная цель достигается тем, что способу автоматической оптимизации процесса горения в топке барабанного парового котла, имеющего топочные экраны, путем измерения параметров, характеризующих КПД котла и соотношение топливо-воздух соответственно, определения отклонений измеренных сигналов от своих заданных значений, последующего изменения с помощью корректирующего регулятора расхода воздуха по сумме этих отклонений и осуществления экстремального регулирования, в отличие от ближайшего аналога в качестве параметров, характеризующих КПД котла используют: текущий тепловой поток, поступающий из топки в циркуляционный контур барабанного котла; текущий тепловой поток, вносимый в топку котла с топливом; корреляционное измерение временного сдвига указанных тепловых потоков; синхронизированное отношение указанных тепловых потоков и определяют корреляцию указанного отношения с расходом воздуха, по которой осуществляют экстремальное регулирование.
тв
тв
На фиг.1 изображена функциональная схема автоматической системы экстремального регулирования; на фиг.2 - схема регулирования подачи воздуха по соотношению «нагрузка-воздух» с оптимальной коррекцией по сигналу корреляционного коэффициента по воздуху r(t); на фиг.3 - временные характеристики корреляционного коэффициента по воздуху r(t); на фиг.4 - временные характеристики доли природного газа в выработке тепла барабанным паровым котлом.
н
в
Система (фиг.1) состоит из двух контуров. Стабилизирующий контур образуют объект 1 регулирования и автоматический регулятор 2 подачи общего воздуха, действующий по упрощенной схеме нагрузка z - воздух Q. Контур оптимальной коррекции составляет объект 1 регулирования и корректирующий регулятор 3.
Процесс автоматической оптимизации процесса горения в топке барабанного парового котла осуществляется следующим образом.
кор
тв
тв
в
т
т
вх
ц.к
вх
ц.к
Корректирующий регулятор 3 вырабатывает корректирующий сигнал у на основе сигнала r(t), поступающего с вычислительного устройства 6. Вычислительное устройство 6 вырабатывает сигнал r(t) на основе сигналов текущих отклонений от соответствующих средних значений расхода воздуха Q(t) и КПД топочных процессов η(t). Сигнал КПД топочных процессов η(t) вырабатывает вычислительное устройство 5 на основе сигналов тепла Q(t-τ(t)), вносимого в топку котла с топливом, с временным сдвигом τ(t), определяемым корреляционным измерителем 4, и теплового потока Q(t), поступающего из топки в циркуляционный контур барабанного котла. Сигналы Q(t) и Q(t) снимаются с измерительных устройств котла [Плетнев Г.П. Автоматизированное управление объектами тепловых электростанций. - М.: Энергоиздат, 1981. - С.228-230].
Корреляционный измеритель 4 представляет собой вычислительное устройство (Техническая кибернетика. Теория автоматического регулирования. Кн.2. Анализ и синтез линейных непрерывных и дискретных систем автоматического регулирования./Под ред. В.В.Солодовникова. М., Машиностроение, 1967, с.38-40), реализующее вычисление сигнала запаздывания r(t) на основе решения экстремальной задачи
.
Смысл экстремальной задачи состоит в том, что на ее основе по параметру τ в каждый момент времени t определяется максимум коэффициента корреляции
вх
ц.к
вх
ц.к
M[Q(t-τ)Q(t) между отклонениями Q(t-τ), Q(t) от средних значений, М{·} - операция текущего усреднения случайных величин.
Устройство 5 вычисляет КПД топочных процессов по соотношению
,
вх
ц.к
где учет запаздывания τ(t) позволяет осуществлять синхронизацию потоков тепла Q(t) и Q(t).
Устройство 6 представляет собой вычислитель корреляционного коэффициента
тв
в
т
r(t)=M{ΔQ(t)·Δη(t)},
в
т
здесь ΔQ(t), Δη(t) - текущие отклонения значений тепла, вносимого в топку котла с топливом, и КПД топочных процессов от соответствующих средних значений; М{·} - операция текущего усреднения случайных величин.
т
Корреляционный коэффициент по воздуху определяет направление поиска оптимального значения расхода воздуха из условия максимума КПД топочных процессов η(t).
в.г
тв
тв
Предложенный способ экспериментально проверялся на котле «Ганомаг» при совместном сжигании доменного и природного газа. Ставилась задача снижения объема потребляемого природного газа за счет оптимизации процесса горения. Схема регулирования подачи воздуха в эксперименте представлена на фиг.2, где 7 - регулятор задания по нагрузке; Δp - перепад давления на воздухоподогревателе, представляющий сигнал отрицательной обратной связи; ЗРУ - задатчик ручного управления. По корреляционному коэффициенту r(t) оценивалась величина избытка (недостатка) расхода воздуха (фиг.3). Положительные значения r(t) свидетельствуют о недостаточной подаче воздуха, отрицательные - об избытке. Импульсами иллюстрируются временные зоны избытка (недостатка) расхода воздуха (фиг.3). Далее с помощью регулятора достигалось оптимальное значение расхода воздуха. Анализ временных характеристик (фиг.3 и 4) показывает, что в зонах оптимального расхода воздуха доля природного газа в выработке тепла принимает минимальные значения. Введение оптимальной коррекции по воздуху позволило снизить долю природного газа в выработке тепла, при этом КПД котла повысилось на 2% (фиг.4).
т
вх
Экспериментальные исследования выявили преимущество предлагаемого способа автоматической оптимизации процесса по сравнению с ближайшим аналогом, которое состоит в следующем. Достижение сигналом по тепловосприятию топочных экранов максимального значения не во всех режимах соответствует оптимальному значению КПД котла. Здесь в случае роста калорийности топлива при постоянном расходе воздуха в топке котла не будет происходить дополнительная выработка тепла. Поэтому сигнал по тепловосприятию топочных экранов, используемый в прототипе для поиска оптимального значения воздуха, останется неизменным. Вследствие этого экстремальный регулятор в данном случае не будет оперативно задействован, что приведет к снижению КПД котла. В предлагаемом способе данный случай исключается, т.к. примененный здесь текущий показатель КПД топочных процессов η чувствителен к теплу Q, внесенного в топку котла с топливом.