СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОДАЧИ ТОПЛИВА В ТОПКУ БАРАБАННОГО ПЫЛЕУГОЛЬНОГО КОТЛА
REGULATION SYSTEM OF FUEL SUPPLY IN THE FURNACE OF A COAL-FIRED DRUM BOILER

Изобретение относится к тепловой энергетике и предназначено для управления подачей топлива в топку барабанного пылеугольного котла.
Известна система регулирования питания водой барабанного котла с двумя регуляторами (Автоматизация крупных тепловых электростанций / Под ред. М.П. Шальмана. - М.: Энергия, 1974. С. 102-103). Основной регулятор в режиме нормальной работы воздействует на регулирующий питательный клапан по трехимпульсной схеме с сигналами по уровню воды в барабане и по расходам питательной воды и перегретого пара. Точность полученных сигналов по расходам регламентирована заданными диапазонами изменения измеряемых параметров. При частой работе котла на пониженных нагрузках осуществляется автоматическое переключение на регулирующий клапан байпасной линии с обратным автоматическим переключением после подъема нагрузки. На клапан байпаса воздействует дополнительный регулятор, который получает тот же сигнал по уровню воды в барабане, но сигналы по расходам в связи с их непредставительностью на пониженных нагрузках не используются. Управление переходит от основного регулятора с сигналом по расходу пара в диапазоне нагрузок режима нормальной работы, на другой регулятор при пониженных нагрузках, у которого сигнал по расходу пара не применяется в связи с потерей точности этого сигнала. Осуществляется перестроение структуры используемых системой функций, которые в разных диапазонах нагрузок характеризуют работу котла.
Недостатком системы является невозможность ее применения для регулирования расхода топлива в топку барабанного пылеугольного котла, т.к. отсутствует технологическое оборудование для подачи топлива.
Известна система управления подачей топлива по сигналу расхода топлива (Автоматизация технологических процессов и производств в теплоэнергетике: учебник для студентов вузов / Г.П. Плетнев. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство МЭИ. 2005. - С. 206-207). Сигнал по расходу топлива характеризует тепловосприятие поверхностей нагрева во всем диапазоне нагрузок котла, в т.ч. при пониженных.
Однако непосредственное измерение расхода топлива применяется только для газообразного и жидкого видов топлива, состав которых и их теплотворная способность меняются незначительно.
Наиболее близкой к предлагаемой является система регулирования подачи топлива в топку барабанного пылеугольного котла, которая содержит топливоподающее устройство с исполнительным механизмом и регулятором, к первому входу которого подключен задатчик нагрузки, к второму датчик расхода пара и к третьему датчик давления пара в барабане с дифференциатором (Наладка систем автоматического регулирования барабанных паровых котлов / А.С. Клюев, А.Т. Лебедев, С.И. Новиков. - М.: Энергоатомиздат. 1985. - С. 140-141). Формируемый импульс по «теплоте» для твердых видов топлива статически и динамически точно характеризует тепловыделение в топке барабанного котла.
Основной недостаток системы обусловлен тем, что расход пара измеряют на сужающем устройстве. При переходе на пониженные нагрузки этот сигнал становится непредставительным, ухудшается статическая точность сигнала по теплоте, что ограничивает диапазон работы котла, что особенно негативно может сказываться в регулирующем режиме.
Другие недостатки системы связаны с отсутствием адаптивных свойств, которые реализуются изменением параметров динамической настройки регулирующих блоков с помощью внешних сигналов, подключаемых на специальные параметрические входы электронных средств регулирования (Беляев Г.Б., Кузищин В.Ф., Смирнов Н.И. Технические средства автоматизации в теплоэнергетике: учеб. пособие. - М.: Энергоиздат, 1982. - С. 124, 130). Для этих же целей в микропроцессорных средствах регулирования может применяться табличное управление (ПИД-регуляторы: вопросы реализации. Ч. 2. Расчет параметров регулятора / Денисенко В. // Современные технологии автоматизации. - 2008. - №1. - С. 96). В этом случае для формирования таблицы параметров настройки регулятора могут применяться специальные устройства (ТРАНСФОРМЕР. Прибор микропроцессорный. Система автоматики управления регуляторами котлового оборудования / Руководство по эксплуатации РЭ РКО 4218-008-40055471-2010.. - М.: Электротехническая компания, 2010. - 14 с.).
Таким образом, в известной системе регулирования не обеспечивается необходимая статическая точность измерения и регулирования параметров на пониженных нагрузках, отсутствуют контроль подачи топлива и питательной воды, изменяется динамическая точность работы системы на разных нагрузках, что при постоянных параметрах динамической настройки регулятора требует заведомо завышенной величины динамической ошибки, дополнительно ограничивает диапазон использования энергоустановки в регулирующем режиме работы оборудования, а также ведет к увеличению энергозатрат на собственные нужды.
Соответственно в системе регулирования отсутствует возможность перехода в диапазон пониженных нагрузок и обратно, не сформированы условия безударности таких переходов, отсутствует датчик параметра технологического процесса, позволяющий сформировать команду перевода объекта управления на пониженные нагрузки, нет функциональных элементов, необходимых для формирования условий безударного перевода, отсутствуют средства параметрической адаптации регулятора к меняющимся условиям работы котла.
Техническим результатом применения системы является повышение точности регулирования подачи топлива при переходе на пониженные нагрузки барабанного пылеугольного котла, что позволяет расширить регулировочный диапазон изменения нагрузок.
Технический результат достигается тем, что система регулирования подачи топлива в топку барабанного пылеугольного котла, содержащая топливоподающее устройство с исполнительным механизмом и регулятором, к первому входу которого подключен задатчик нагрузки, а к второму входу датчик расхода пара, и датчик давления пара в барабане с дифференциатором, дополнительно содержит датчик положения клапана расхода питательной воды, датчик положения исполнительного механизма, три блока коммутации, задатчик границы диапазонов нагрузки, блок сравнения, нелинейный элемент и два формирователя параметров настройки, причем выход дифференциатора соединен с первым входом первого блока коммутации и через нелинейный элемент с вторым входом первого блока коммутации, а выход первого блока коммутации подключен к третьему входу регулятора, задатчик границы диапазонов нагрузки соединен с первым входом второго блока коммутации, второй вход которого соединен с датчиком положения исполнительного механизма, а выход подключен к четвертому входу регулятора, датчик расхода пара через первый формирователь параметров настройки соединен с первым входом третьего блока коммутации, второй вход которого через второй формирователь параметров настройки соединен с датчиком положения клапана расхода питательной воды, а выход третьего блока коммутации подключен к пятому входу регулятора, причем третьи входы блоков коммутации соединены с выходом блока сравнения, к входам которого подключены задатчик границы диапазонов нагрузки и датчик положения исполнительного механизма.
На чертеже приведена блок-схема системы.
Система регулирования подачи топлива в топку барабанного пылеугольного котла содержит топливоподающее устройство 1 с исполнительным механизмом 2 и регулятором 3. К первому входу регулятора 3 подключен задатчик нагрузки 4, а к второму входу датчик расхода пара 5. Датчик давления пара 6 в барабане соединен с дифференциатором 7. Выход дифференциатора 7 соединен с первым входом первого блока коммутации 8 и через нелинейный элемент 9 соединен с вторым входом первого блока коммутации 8. Выход первого блока коммутации 8 подключен к третьему входу регулятора 3. Задатчик границы диапазонов нагрузки 11 соединен с первым входом второго блока коммутации 10. Второй вход второго блока коммутации 10 соединен с датчиком положения 12 исполнительного механизма. Выход второго блока коммутации 10 подключен к четвертому входу регулятора 3. Датчик расхода пара 5 через первый формирователь параметров настройки 14 соединен с первым входом третьего блока коммутации 13. Второй вход третьего блока коммутации 13 через второй формирователь параметров настройки 15 соединен с датчиком положения клапана расхода питательной воды 16. Выход третьего блока коммутации 13 подключен к пятому входу регулятора 3. Третьи входы блоков коммутации 8, 10 и 13 соединены с выходом блока сравнения 17, к входам которого подключены задатчик границы диапазонов нагрузки 11 и датчик положения 12 исполнительного механизма.
Задатчик границы диапазонов нагрузки 11 позволяет корректировать границу перехода из диапазона высоких нагрузок, когда сигнал по расходу пара является представительным и формирование сигнала по теплоте не имеет ограничений, в диапазон малых нагрузок, когда сигнал по расходу пара становится непредставительным.
Блок сравнения 17 предназначен для контроля знака рассогласования разности входных сигналов и формирует на выходе логический сигнал «0» или «1», который управляет блоками коммутации 8, 10 и 13.
Блоки коммутации 8, 10 и 13 представляют собой группы контактов, выходы которых совмещены с выходами блоков коммутации, первый вход является нормально замкнутым к выходу, а второй вход нормально разомкнутым. Положение контактов определяется логическим сигналом «0» или «1» на управляющем втором входе.
По командам от блока сравнения 17 блоки коммутации 8, 10 и 13 перестраивают структуру системы, состав используемых функций и формирование параметров настройки регулятора 3, обеспечивая структурно-параметрическую адаптацию свойств системы в зависимости от изменения нагрузки котла.
Первый блок коммутации 8 обеспечивает изменение динамических свойств сигнала по теплоте, формируемого по сигналам от датчика расхода пара 5 и скорости изменения давления пара в барабане от датчика давления 6 и дифференциатора 7. В диапазоне нагрузок больше величины сигнала от задатчика границы диапазонов нагрузки 11, когда сигнал по расходу пара представителен, сигнал по теплоте соответствует типовому и не имеет ограничений, при этом сигнал с выхода дифференциатора 7 поступает на третий вход регулятора 3 через первый вход первого блока коммутации 8. При переходе в диапазон нагрузок меньше величины сигнала от задатчика границы диапазонов нагрузки 11, когда сигнал по расходу пара становится непредставительным, обеспечивается безударное перестроение информационной структуры сигнала по теплоте, При этом сигнал с выхода дифференциатора 7 поступает на третий вход регулятора 3 через второй вход первого блока коммутации 8 и нелинейный элемент 9, который вводит ограничение в динамическую составляющую сигнала по теплоте.
Нелинейный элемент 9 представляет собой однополярный ограничитель отрицательных сигналов, предназначенный для исключения их прохождения с выхода дифференциатора 7 при переходе на пониженные нагрузки котла в тех случаях, когда происходят процессы снижения нагрузки. При наборе нагрузки нелинейный элемент 9 в диапазоне пониженных нагрузок не ограничивает прохождение сигнала, обеспечивая компенсация внешних возмущений по скорости изменения давления пара в барабане и формируя требуемые динамичные переходные процессы, в т.ч. при переходе в диапазон высоких нагрузок.
Второй блок коммутации 10 обеспечивает безударное переформирование требуемых статических свойств сигнала по теплоте при переходе на малые нагрузки и потере точности измерения величины расхода пара. В диапазоне высоких нагрузок, когда сигнал по расходу пара представителен, сигнал от задатчика границы диапазонов нагрузки 11, подключенный к четвертому входу регулятора 3 через первый вход второго блока коммутации 10, будучи величиной заданной и постоянной, добавляется к сигналу по теплоте, не изменяя его свойств. При переходе в диапазон малых нагрузок вместо постоянного сигнала от задатчика границы диапазонов нагрузки 11 через второй вход второго блока коммутации 10 на четвертый вход регулятора 3 поступает сигнал от датчика положения 12 исполнительного механизма. Это обеспечивает при пониженных нагрузках сохранение крутизны суммарной статической регулировочной характеристики от датчика расхода пара 5 и датчика положения 12 исполнительного механизма.
Третий блок коммутации 13 обеспечивает перевод регулятора 3 по его пятому входу с параметров настройки, формируемых на высоких нагрузках по сигналу от датчика расхода пара 5 первым формирователем параметров настройки 14 и подаваемых через первый вход третьего блока коммутации 13 на параметры, формируемые на пониженных нагрузках по сигналу от датчика положения клапана расхода питательной воды 16 вторым формирователем параметров настройки 15 и подаваемых через второй вход третьего блока коммутации 13.
Формирователи параметров настройки 14 и 15 реализуют способ изменения параметров настройки регулятора каждый в своем диапазоне нагрузок по сигналу, который характеризует изменение свойств барабанного котла.
Блок сравнения 17 управляет изменением свойств системы в зависимости от перехода из одного диапазона работы в другой и обратно путем сравнения сигналов от задатчика границы диапазонов нагрузки 11 и датчика положения 12 исполнительного механизма. Если величина текущего значения сигнала от датчика положения 12 исполнительного механизма больше величины сигнала от задатчика границы диапазонов нагрузки 11, что соответствует высоким назрузкам, то на выходе блока сравнения 17 логический «0». Он поступает на третьи управляющие входы блоков коммутации 8, 10 и 13, выходы которых в этом случае соединены с первыми входами. Когда котел переходит на малые нагрузки, величина сигнала от датчика положения 12 исполнительного механизма становится меньше величины сигнала от задатчика границы диапазонов нагрузки 11, тогда на выходе блока сравнения 17 формируется логическая «1». Эта команда поступает на третьи управляющие входы блоков коммутации 8, 10 и 13, выходы которых в этом случае соединяются с вторыми входами.
Работа системы регулирования подачи топлива в топку пылеугольного котла в зависимости от нагрузки происходит следующим образом.
Воздействие на топливоподающее устройство 1 через исполнительный механизм 2 регулятор 3 осуществляет в соответствии с сигналом от задатчика нагрузки 4, подключенного к первому входу регулятора 3.
На высоких нагрузках регулятор 3 работает по типовому сигналу теплоты, сформированному двумя составляющими: сигналом от датчика расхода пара 5, поступающим на второй вход регулятора, 3 и сигналом по скорости изменения давления пара в барабане от датчика давления 6 с дифференциатором 7, поступающим на третий вход регулятора 3 через первый вход первого блока коммутации 8. В этом диапазоне нагрузок на третьем управляющем входе первого блока коммутации 8 логический сигнал «0» исключает работу нелинейного элемента 9, подключенного к второму входу первого блока коммутации 8. Такой же логический «0» на третьем входе второго блока коммутации 10 в этом диапазоне обеспечивает подсоединение на четвертый вход регулятора 3 через первый вход второго блока коммутации 10 сигнала от задатчика границы диапазонов нагрузки 11, что не искажает свойства сигнала по теплоте. При этом сигнал от датчика положения 12 исполнительного механизма, подключенный к второму входу блока 10 в управлении не участвует. В зависимости от изменения свойств объекта управления в диапазоне высоких нагрузок через первый вход третьего блока коммутации 13 первый формирователь параметров настройки 14, соединенный с датчиком расхода пара 5, вводит требуемые параметры регулятора 3. Второй формирователь параметров настройки 15, соединенный с датчиком положения клапана расхода питательной воды 16 и подключенный к второму входу третьего блока коммутации 13 при этом находится в стерегущем состоянии, готовый включиться в работу при переходе на пониженные нагрузки. Таким образом, на высоких нагрузках логическая команда «0» от блока сравнения 17, получающего сигналы от задатчика границы диапазонов нагрузки 11 и датчика положения 12 исполнительного механизма, которая поступает на третьи управляющие входы блоков коммутации 8, 10 и 13, формирует требуемую структуру функций и величины параметров настройки регулятора.
При переходе на пониженные нагрузки перестраивается структура функций системы и формируются соответствующие параметры настройки. Величина сигнала от датчика положения 12 исполнительного механизма становится меньше величины задания от задатчика границы диапазонов нагрузки 11 и меняется знак разности этих сигналов. Логическая команда «1» от блока сравнения 17 поступает на третьи входы блоков коммутации 8, 10 и 13. При этом параметры настройки регулятора 3 через его пятый вход и второй вход третьего блока коммутации 13 меняет второй формирователь параметров настройки 15, статическую регулировочную характеристику в составе сигнала по теплоте через четвертый вход регулятора 3 и второй вход 10 корректирует датчик положения 12 исполнительного механизма, работая вместе с датчиком расхода пара 5, а дифференциальную составляющую в составе сигнала по теплоте через третий вход регулятора 3 и второй вход первого блока коммутации 8 путем однополярного преобразования обнуляют в процессах снижения нагрузки и вводят при наборе нагрузки.
Только один из трех каналов изменения функций требует специальных мер по обеспечению безударного перехода с высоких нагрузок на пониженные. При перестроении структуры системы второй блок коммутации 10 обеспечивает сохранение статической составляющей сигнала по теплоте во всем диапазоне. На границе перехода колебания исключены.
Воздействием на задатчик границы диапазонов нагрузки 11 корректируется заданное значение для перехода системы из диапазона высоких нагрузок в пониженные и обратно.
При работе системы регулирования котел может обеспечивать как любую требуемую постоянную паропроизводительностью, так и переменную производительность. При переменной производительности частота переходов увеличивается.
Система может быть реализована как с применением электронных средств, так и программируемых регуляторов и контроллеров, например МФК1500 группы компаний «ТЕКОН» или КР-500 ЗАО «ВОЛМАГ».
Таким образом, предлагаемая система обеспечивает согласованный прямой и косвенный контроль параметров, характеризующих нагрузку котла - расходов пара, питательной воды и топлива - и их применение на разных нагрузках в зависимости от возможности соблюдения требований к точности оценки расхода пара. Это позволяет расширить регулировочный диапазон изменения нагрузок и повысить точность регулирования подачи топлива как при высоких, так и при пониженных нагрузках барабанного пылеугольного котла. В целом обеспечивается требуемая функциональная и параметрическая точность управления топливоподачей на высоких и пониженных нагрузках. Система регулирования формирует требуемые свойства объекта управления в условиях ограничения точности измерения параметров, характеризующих его работу.