Ткаченко О.Є., студент, Гавриленко Б.В., к.т.н., доц.
Донецький національний технічний університет
У наш час однією з актуальних проблем, які стоять перед державою є проблема збереження паливних ресурсів. Рішення даного завдання слід шукати в залученні в промислове використання джерел енергії, які до цих пір не враховувалися в паливно-енергетичному балансі країни, а також у розробці методів експлуатації паливних ресурсів, які дозволять повністю використовувати їх паливний потенціал і звести втрати енергії до мінімуму. Одним із шляхів вирішення даної задачі є впровадження нової технології спалювання твердого палива в низькотемпературному киплячому шарі (НТКС).
Завдяки впровадженню цієї технології стає можливим використання запасів низькосортного твердого палива, утилізація відходів вуглезбагачення та вуглевидобутку. Даним способом можливо спалювати вугілля зольністю до 70%. При цьому механічний недопал палива в середньому складає лише 6% в порівнянні з 40% при спалюванні вугілля в звичайних шарових топках.
Потрібна якість управління процесом горіння палива можна досягти лише шляхом комплексного контролю стану технологічних параметрів топок НТКШ. За основу законів управління слід прийняти роботу топок з максимальним ККД і мінімальними втратами паливних ресурсів. Отже, з'являється необхідність впровадження системи автоматичного керування роботою системи теплопостачання в цілому, з урахуванням потреб теплопотребітелей і можливостей тепловиробників, які змінюються в часі, з метою зменшення нераціональних втрат теплоносія і паливних ресурсів.
Розглянемо таку систему теплопостачання шахти (див. рис.1), яка, на думку авторів, враховує висунуті вище вимоги. [1]. В її основу закладено Багатоконтурна система автоматичного управління шахтними котельними, тобто така система, в якій присутні кілька контурів управління - за кількістю основних технологічних параметрів топок НТКШ.
У даній системі є n споживачів теплової енергії - С1 ... Сn, кожен з яких споживає теплоту Qc1 ... Qcn відповідно. Теплоносій (вода) надходить до кожного споживача по трубопроводу із загального колектора, на який працюю m водогрійних котлів топок НТКС Т1 ... Тn. При цьому від кожного котла отримуємо Qк.о.1 ... Qк.о.m теплоти відповідно.
Головною проблемою даної системи теплопостачання є нераціональна витрата теплової енергії, яка виробляється котлами. Це обумовлено тим, що загальна кількість енергії, споживаної усіма споживачами, величина змінна і залежить від пори року, кількості працюючих споживачів, їх технічного стану і т. п.
Таким чином, спожите тепло змінюється в функції часу:
, (1)
Звідси з'являється необхідність регулювати загальну кількість тепла, що виробляється котлами відповідно до змін споживаної енергії. Для вирішення даної задачі запропонована наступна система регулювання процесу теплопостачання.
Рисунок 1 - Система теплопостачання шахти із засобами автоматизації
Кожен теплопотребітель обладнується теплолічильників ТС1 ... ТСn, який вважає спожиту енергію, а також включає функцію підтримання значення споживаної енергії на заданому рівні. Спожите тепло Qс визначається наступним чином:
Qc = Vρ (hвх-hвіх), (2)
де V - об'єм теплоносія, що протікає через трубопровід за час спостереження;
ρ - щільність теплоносія (води), в нашому випадку ρ = const;
hвх, hвіх - питомі ентальпії теплоносія відповідно у трубопроводі на вході споживача і на виході з нього.
Ентальпія є функцією температури теплоносія h = f (T), тому для визначення спожитого тепла вимірюють температуру води на Твх і виході Твіхпотребітеля. Після цього інформаційні сигнали від датчиків технологічних параметрів V1 ... Vn, Твх1 ... Твхn, Твіх1 ... Твіхn надходять до теплолічильників ТС1 ... ТСn, де на підставі отриманої інформації обчислюються значення Qc1 ... Qcn.
Як вже Було відзначено вище, використовувані теплолічильники повинні включати функцію регулювання споживаного тепла в залежності від заданого значення Qз. З формули (2) випливає, що регулювати спожите тепло можна змінюючи або витрата теплоносія або його температуру.
З точки зору простоти реалізації технічного рішення регулятора вибираємо регулювання по витраті теплоносія. Для цього на живлять трубопроводи встановлюються керовані засувки КЗ, на які діє виконавчий механізм у випадку розбіжності значень заданого тепла Qз з фактично споживаним Qс. При цьому керуючий сигнал Ук на КЗ пропорційний різниці значень тепла Qз - Qс.
Але даний спосіб регулювання споживаної енергії дає хороші результати лише за несуттєве відхилення фактичних значень тепла від заданих в результаті впливу незначних збурюючих впливів, а також при невеликій зміні уставки. Крім цього, при ньому не враховується перевитрата тепла, виробленого топками НТКС, так як температура теплоносія залишається незмінною.
При значних відхиленнях уставки споживаної теплоти як відключення теплопотребітеля або введення нового, або ж обумовлених зміною температури навколишнього повітря і т. п., даний спосіб управління не дасть бажаних результатів, тому що тепло, вироблене котлами, буде чи марно витрачатися на обігрів навколишнього середовища при значному зменшенні загального значення споживаної енергії або, у протилежному випадку, його взагалі не вистачить для живлення всіх споживачів. Значить, для раціонального витрати теплової енергії необхідно не тільки односторонньо регулювати спожите тепло, а й регулювати значення теплової енергії, одержуваної від котлоагрегатів топок НТКШ. В ідеальному випадку повинен існувати баланс [2]:
, (3)
Для забезпечення даного балансу в систему управління вводимо мікропроцесорний пристрій МПУ, на який надходять значення спожитого тепла від усіх споживачів. На основі отриманої інформації МПУ посилає сигнали управління Zк1 ... Zкm відповідно на регулятори технологічних параметрів кожної топки Р1 ... Рm, за допомогою яких регулюється кількість тепла виробляється котлоагрегатами топок Qк.о1 ... Qк.о.m. При цьому може змінюватися як кількість працюючих котлоагрегатів, так і потужність, з якою вони працюють для забезпечення необхідного кількість тепла з мінімальними втратами.
Регулювати кількість тепла, що виробляється котлоагрегатами, можна шляхом зміни технологічних параметрів топок, головним з яких є температура НТКШ, яка напряму пов'язана зі значенням виробленого тепла. При цьому регулятор також виконує функцію регулювання стану технологічних параметрів з метою уникнення аварійної ситуації.
Як бачимо з рисунка 1, регулятор виробляє керуючий вплив на виконавчі механізми технічного обладнання топок ΣХкі, змінюючи значення технологічних параметрів. При цьому для досягнення необхідної якості управління вводиться зворотній зв'язок по цих параметрах. Від датчиків на регулятор надходять інформаційні сигнали про фактичні значення FSтехнологіческіх параметрів Σі. А під ними ми розуміємо температуру НТКС ТСI, швидкість дуттєвого повітря Κi і витрата твердого палива Bi кожної топки.
Розглянемо докладніше управління роботою котельні на прикладі регулювання роботи однієї топки НТКС. Для отримання необхідної якості управління вводимо багатоконтурну САУ топкою НТКШ з головним контуром управління по температурі шару, яку визначаємо за допомогою термопари ТП і двома допоміжними контурами - по швидкості подачі твердого палива, вимірюваної тахогенератором (ТГ) і за швидкістю дуттєвого повітря, вимірюваної дифманометрів (ДМ ) (див. рис.2).
У системі є задатчик продуктивності котлаQ, який фактично є задатчиком температури киплячого шару (ЗТ), на який надходить сигнал уставкіZот МПП, вибраний в залежності від необхідної продуктивності котла Q, з сигналом зворотного зв'язку по фактичної продуктивності котла Qк.о. При цьому необхідно зауважити, що, так як продуктивність котла безпосередньо пов'язана з температурою НТКС, то і її фактичне значення визначається на підставі поточного значення температури шару - Тс.
Таким чином, на ЗТ надходить різницевий сигнал Хз1 = Z - Тс. Це дає можливість коректувати значення уставки температури НТКШ в тому випадку, коли з певних причин ми не можемо вийти на необхідний рівень продуктивності Q при заданому значенні Тс.
З задатчика температури сигнал Хз2 надходить на регулятор швидкості дуттєвого повітря (РШДП) і регулятор швидкості закидання твердого палива в топку НТКС (РС).
Після цього керуючий сигнал Хз7 з РС надходить на виконавчий механізм повороту лопаток вентилятора дуттєвого повітря, що призводить до зміни швидкості дуттєвого повітря. А це в свою чергу викликає зміну температури НТКШ. У свою чергу керуючий сигнал Хз4 з регулятора швидкості закидання твердого палива надходить на привідний двигун (ПД) забрасивателя палива, що обертає вал живильника (ВП) твердого палива.
Для підвищення якості управління вводимо зворотній зв'язок по швидкості обертання вала живильника, що досягається вимірюванням швидкості обертання вала і подачею сигналу з нього Ув1 на суматор, де він сумується з Хз4 і в результаті на ПД надходить вже суммирующий керуючий сигнал Хз5. Аналогічним чином здійснюємо коригування по швидкості дуттєвого повітря, де сигнал Ув3 з датчика швидкості дуттєвого повітря підсумовується з сигналом РШДП.
Так як спочатку пріоритет регулювання температури віддається регулювання зміною подачі твердого палива, і лише у разі неможливості отримати необхідну глибину регулювання таким чином, переходимо до регулювання дутьевих повітрям, то на РШДП надходить також сигнал з ТГ, який додається до Хз2.
Для обох контурів регулювання вводимо зворотній зв'язок по температурі НТКШ. Даний параметр вимірюється за допомогою ТП, на яку впливає температура НТКШ Тс. У контурі регулювання по твердому паливу вихідний сигнал з неї Fв сумується з Ув1, і їхній сумарний сигнал УВ2 через зворотній зв'язок надходить на суматор, де сумується з керуючим сигналом з ЗТ Хз2 і на РС вже діє сигнал Хз3.
У контурі регулювання по швидкості дуттєвого повітря вихідний сигнал з ТП Fв сумується з сигналом з ДШДП Ув3, і через зворотній зв'язок їх сумарний Ув4 надходить на суматор, де сумується з керуючим сигналом з ЗТХз2і сигналом з ТГ і на РШДП діє сигнал Хз6.
Таким чином, синтезована схема дозволяє регулювати роботу топки НТКШ у відповідності із завданням раціональної роботи котельної [3], тобто так, що нераціональна витрата палива і втрати тепла зводяться до мінімуму. Введення контура регулювання по температурі дозволяє вийти на необхідну потужність топки, оскільки температури НТКШ розраховуються МПП виходячи з умови найбільшого загального ККД при умові виконання необхідної продуктивності Qc.
Також необхідно підкреслити, що регулювання стану технологічних параметрів топки у підпорядкованих контурам дозволяє отримати необхідні вектор управління. З цього випливає, що значення технологічних параметрів будуть підтримуватися на рівні, необхідному для отримання заданої тепловіддачі в умовах перменного витрати теплоносія, сто описується виразом (1). Отже, зайве використання твердого палива та дуттєвого повітря виключається, що значно зменшує втрати енергії від хімічного недопалювання палива і його винесення разом з дутьевих повітрям.
Список літератури
Спалювання вугілля у киплячому шарі і утилізація його відходів / Ж.В. Віскін, В.І. Шелудченко та ін - Донецьк: Друкарня "Новий світ", 1997. - 284 с.
Сидельковский Л.М., Юренев В.М. Котельні установки промислових підприємств: Підручник для вузів. - 3-е изд., Перераб. - М.: Вища школа, 1998. - 528 с.: Іл.
Хзмалян Д.М. Теорія топкових процесів: Учеб. Посібник для вузів. - М.: Енергоатом издат, 1990 .- 352 с.: Іл.