CC BY
40
Оригинальная статья / Original article УДК 629.113.001
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-1-113-119
ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА С ПЫЛЕУГОЛЬНОЙ ТОПКОЙ © П.А. Лузин1, М.П. Дунаев2
Иркутский национальный исследовательский технический университет, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Разработка математической модели тепловых процессов котельного агрегата с пылеугольной топкой с воздействием на питатель пыли. МЕТОДЫ. Динамика топки определяется процессом дозирования и транспортировки пыли. При изменении количества подаваемой пыли одновременно изменяется и скорость воздуха. Суммарное воздействие определяется методом суперпозиции. РЕЗУЛЬТАТЫ. Получены результаты исследований в области математического моделирования тепловых процессов котельного агрегата. Представлена разработанная модель котла с пылеугольной топкой с воздействием на питатель пыли. ВЫВОД. Установлено, что между контурами регулирования существует взаимосвязь. Действия возмущений в отдельных контурах могут передаваться и на другие контуры. Исследование процессов в отдельном контуре следует проводить с учетом взаимных связей, а общую систему регулирования нужно рассматривать не как совокупность отдельных систем, а как нечто целое и единое.
Ключевые слова: математическая модель, тепловые процессы, аккумулирующие емкости, парогенерация, метод суперпозиции.
Формат цитирования: Лузин П.А., Дунаев М.П. Динамическая модель котельного агрегата с пылеугольной топкой // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 1. С. 113-119. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-1-113-119
DYNAMIC MODEL OF A BOILER UNIT WITH A PULVERIZED COAL FURNACE P.A. Luzin, M.P. Dunaev
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation.
ABSTRACT. The PURPOSE of the article is development of a mathematical model of thermal processes taking part in a boiler unit with a pulverized coal furnace with the impact on a dust feeder. METHODS. Furnace dynamics is determined by the process of batching and dust transport. Changes in the amount of feed dust simultaneously change air velocity. The resultant action is determined by the superposition method. RESULTS. The results of studies in the field of mathematical modeling of thermal processes taking part in a boiler unit are obtained. The developed model of a boiler with a pulverized coal furnace with the impact on a dust feeder is introduced. CONCLUSION. It is determined that there is a relationship between control circuits. Disturbance actions in individual circuits can be transmitted to other circuits. The processes taking part in a separate circuit should be researched with regard to mutual relationships while common control system should be viewed rather as something whole and unified than as a complex of separate systems. Keywords: mathematical model, thermal processes, storage reservoirs, steam generation, superposition method
For citation: Luzin P.A., Dunaev M.P. Dynamic model of a boiler unit with a pulverized coal furnace.
Proceedings of Irkutsk State Technical University, 2017. vol. 21. no. 1. pp. 113-119. (in Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-1-113-119
Введение
Режимы работы парогенераторов электростанции зависят от нагрузки турбин. В каждый момент времени парогенераторы
должны вырабатывать столько пара, сколько его потребляют турбины. С увеличением нагрузки турбин производительность паро-
1
Лузин Петр Александрович, аспирант, e-mail: banzaiman@bk.ru Petr A. Luzin, Postgraduate, e-mail: banzaiman@bk.ru
2Дунаев Михаил Павлович, доктор технических наук, профессор кафедры электрического привода и электрического транспорта, e-mail: mdunaev10@mail.ru
Mikhail P. Dunaev, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Electrical Drive and Electric Transport, e-mail: mdunaev10@mail.ru
генераторов должна быть увеличена. Показателем соответствия между выработкой пара парогенератором и его потреблением турбиной служит постоянное давление пара в барабане парогенератора или в паропроводе. Увеличение давления пара указывает на то, что производительность парогенераторов превышает потребность турбин в паре. В этом случае ее необходимо снизить. При уменьшении давления пара производительность должна быть повышена.
Применяемые методы,
Давление пара должно быть постоянным для обеспечения экономичной работы турбины. В соответствии с принятыми нормами давление пара в установившихся режимах должно поддерживаться с отклонениями, не превышающими ±2% от номи-
3
нального3.
Экономичный режим горения топлива обеспечивается при подаче в топку воздуха в количестве, определяемом равенством
У=аУо, (1)
где а - коэффициент избытка воздуха; Уо - теоретически необходимое количество воздуха.
Увеличение избытка воздуха против оптимального количества приводит к дополнительным потерям тепла с уходящими газами, а снижение - к появлению потерь с химическим и механическим недожогом. Подача воздуха в топку должна обеспечить поддержание оптимальных избытков воздуха, при которых обеспечивается экономичное сжигание топлива. Избыток воздуха определяется путем измерения процентного содержания кислорода (О2) или углекислоты (СО2) в продуктах сгорания.
Автоматическая подача воздуха регулируется по косвенным показателям: ко-
Выработка пара парогенератором зависит от количества тепла, выделившегося в топке при сгорании топлива. Если в топке выделяется тепла больше, чем необходимо для выработки нужного количество пара, то излишнее тепло приводит к росту давления пара. Недостаточная подача топлива в топку приводит к снижению давления пара. Таким образом, регулирование подачи топлива должно обеспечивать поддержание постоянного давления пара, вырабатываемого парогенератором.
расчеты и их результаты
личеству топлива, расходу пара и др. Расход воздуха регулируется изменением производительности дутьевых вентиляторов [1].
Для поддержания устойчивого процесса горения необходимо удалять продукты сгорания, образующиеся при сжигании топлива. На всех парогенераторах, кроме работающих под наддувом, продукты сгорания удаляются дымососами. Косвенным показателем соответствия между подачей в топку топлива и воздуха и удалением продуктов сгорания служит разрежение в топочной камере. Увеличение разрежения в топочной камере приводит к возрастанию присосов в топку и газоход. При этом увеличивается расход электроэнергии на привод дымососа, и экономичность работы парогенератора снижается [2]. Нельзя допускать избыточного давления в топке, так как дымовые газы будут попадать в помещение котельной. Топочная камера при работе парогенератора должна постоянно находиться под разрежением.
Для решения ряда задач автоматизации необходима динамическая модель поверхностей нагрева, по которым протекает рабочая среда при переменном давлении.
Каждый котел содержит аккумулирующие емкости, действие которых ком-
3Резников М.И., Липов Ю.М. Паровые котлы тепловых станций: учебник. М.: Энергоиздат, 1981. 240 с. / Reznikov M.I., Lipov Yu.M. Steam boilers of thermal power plants. Moscow, Energoizdat Publ., 1981, 240 p.
пенсирует различие между условным и действительным расходом пара. Запишем уравнение динамического равновесия котла
лением:
dMp
Dny - DK = —,
L dt
(2)
где Dпx - генерируемый расход пара; Ок - расход пара, отдаваемый котлом; Мр - расход среды, принимающей участие в процессе аккумуляции.
Линеаризуя в зоне небольших отклонений давления, получим
ADn„ -DK = d-^.
L dt
(3)
Для этих условий справедлива зависимость между количеством аккумулированного вещества и давления в котле:
Отсюда
АМр = КАРк.
(4)
где К = ^ - коэффициент аккумулирующей емкости котла.
Запишем на основании (2) и (3) дифференциальное уравнение, устанавливающее связь между расходом пара и дав-
dMp _ dAPk dt dt
ADn% -ADn = K
dAPk dt '
(5)
При сравнении различных котлов удобно пользоваться уравнениями балан-са4, записанными в относительных единицах, и аккумулированным количеством пара, отнесенным к давлению в котле Рк:
Dn
Dn Dn
Крк dApk _ ^ dApk
Dn dtpk
dt
T0 dApk pk dt '
(6)
где Бп - паропроизводительность котла; Т - постоянная, характеризующая время, за которое при изменении давления на единицу измерения получается полный расход пара за счет аккумуляции в котле; То - постоянная, соответствующая падению давления в котле [3].
При совместной работе котла и потребителя пара интерес представляет давление Рт на выходе из котла. Разность РК - Рт определяется потерей напора в котле. Если предположить, что потери давления сосредоточены в одном дроссельном сечении котла, расчетная схема замещения трубопроводов свежего пара, пароперегревателя и испарительной части может быть эквивалентна схеме, представленной на рис. 1.
Рис. 1. Эквивалентная схема регулируемого участка давления Fig. 1. Equivalent circuit of the controlled pressure area
Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика: учебник для вузов.: 2-е изд. М.: Наука, 1976. 888 с. / Abramovich G.N. Applied gas dynamics. Moscow, Nauka, Pabl., 1976, 888 p.
Зависимость между расходом пара и давлением с учетом аккумуляции на отдельных участках установки (см. рис. 1) описывается уравнениями:
. йАрк
ADn
I
ADn = К-
dt
APn - AP1 = KL1ADn;
ADn-ADt = Td-±d-^]
p0 dt
. APk-APT = KL2ADT.
(7)
Структурная схема, соответствующая уравнениям (7), представлена на рис. 2.
Если в качестве возмущающего воздействия примем расход пара у потребителя Адт и учтем аккумуляцию в котле и паровой сети, связанную с изменением давления, то зависимость давления у потребителя и расход пара можно записать в виде
¿Арк _
ADn2 - ADn = К
ADn - ADT =
dt
D0 dAp-p p0 dt '
(8)
APk - APT = KLAD
Dnz
LL
APk
Л"
Vtp
о
V*
Система уравнений (8) графически представлена на рис. 3.
Динамические свойства участка по структуре (рис. 3) могут быть исследованы в зависимости от того, какое давление принято за регулируемую величину.
Примеры динамических моделей паросиловых установок5. При общем подходе к автоматизации паросиловой установки объект следует рассматривать как нечто новое, а не совокупность отдельных систем, поскольку между отдельными участками регулирования существуют явно выраженные связи взаимного влияния. Для создания совокупной системы автоматического управления установкой нужно синтезировать общую модель объекта путем согласования моделей отдельных участков регулирования. Система регулирования котлом всегда индивидуальна и зависит от его конструкции, вида используемого топлива, эксплуатационных характеристик6.
АРТ
AD„
л-
V
—И
АР,
А Dt
к
Рис. 2. Структурная схема регулируемого участка давления Fig.2. Block diagram of the controlled pressure area
Рис. 3. Структурная схема регулируемого участка давления с учетом аккумуляции
в котле и паровой сети, связанной с изменением давления Fig. 3. Block diagram of the controlled pressure area taking into account the accumulation in the steam boiler and steam network associated with pressure change
5Ешенко А.А. Динамические модели регулируемых объектов теплоэнергетических установок: учеб. пособие. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1998. 59 с. / Eshenko A.A. Dynamic models of controlled facilities of thermal power plants. Irkutsk, Publishing House of Irkutsk State Technical University, 1998, 59 p.
6Глюза А.Т. [и др.]. Тепловые и атомные электрические станции. Дипломное проектирование: учеб. пособие для вузов. Минск: Высш. шк., 1991. 336 с. / Glyuza A.T. [et al.]. Thermal and nuclear power stations. Graduate design. Minsk, Higher School, Pabl., 1991, 336 p.
Структурная модель котла с пылеугольной топкой с воздействием на питатель сырого угля. Динамическая модель, представленная на рис. 4, последовательно объединяет результаты, полученные для процессов топочного устройства и поверхностей нагрева при постоянном давлении. Процессы, протекающие в системе, могут быть исследованы как реакции на различные возмущения: обогревом испарительной системы, расходом питательной воды или пара. В модели топки наряду с процессами дозирования и транспортировки учтены динамические свойства мельницы и сепаратора, когда воздействие на количество топлива, поступающего к горелкам, осуществляется путем изменения подачи сырого топлива в мельницу. При этом вынос топлива из мельницы зависит и от расхода воздуха через нее. В структуре топки имеются два направления: поток воздуха (первичного и транспортирующего) и поток «сырое топливо - пыль». Модель дает возможность определить изменение во времени тепловыделения в топке и расход дымовых газов и установить основные закономерности динамики передачи тепла в радиационных и конвективных поверхно-
стях нагрева. Изменение температуры следует за тепловыделением с инерцией первого порядка, а изменение теплопередачи в конвективных поверхностях - с инерцией второго порядка. Увеличение избытка воздуха уменьшает обогрев радиационных поверхностей с инерцией второго порядка и увеличивает обогрев последующих поверхностей нагрева.
Изменение температуры на выходе из экономайзера, вызванное колебаниями обогрева или изменениями расхода питательной воды, влияют на парообразование [4].
Возмущение испарительной системы обогревом вызывает в совокупности с малой инерцией изменение парогенерации. Возмущение водоподогревателя обогревом вызывает изменение температуры на выходе экономайзера. Аналогичный эффект вызывает расход питательной воды. Изменение генерируемого расхода пара определяется суммой возмущающих и управляющих воздействий. При регулировании температуры нагрева впрыском в структуре приведены три вида возмущений: температурой на входе, расходом пара и обогревом.
Рис. 4. Структурная модель котла с пылеугольной топкой (питатель пыли) Fig. 4. Structural model of a boiler with a pulverized coal furnace (dust feeder)
Модель прямоточного котла с пылеугольной топкой с воздействием на питатель пыли5. Динамика топки определяется процессом дозирования и транспортировки пыли. При изменении количества подаваемой пыли одновременно изменяется и скорость воздуха. Суммарное воздействие определяется методом суперпозиции.
На процессы, протекающие в прямоточной испарительной системе, существенное влияние оказывают изменение расхода насыщенного пара и смещение точки конца зоны испарения. При изменении режима меняется температура рабочей среды на выходе из поверхности нагрева или ее давление4.
При рассматривании структурных моделей котельных установок доказано, что между контурами регулирования существует взаимосвязь. Действия возмущений в отдельных контурах могут передаваться и на другие контуры. Исследование процессов в отдельном контуре следует прово-
дить с учетом взаимных связей, а общую систему регулирования нужно рассматривать не как совокупность отдельных систем, а как нечто целое и единое. Основная задача создания системы автоматического регулирования паросиловой установки состоит в том, чтобы найти оптимальные решения для всего комплекса каждого конкретного объекта автоматизации.
Изменение обогрева и питания приводит к смещению положения точки начала зоны испарения, что оказывает вторичное влияние на испаритель.
В соответствии с исходной моделью котел содержит аккумулирующие емкости, действие которых компенсирует разность между условным и действительным расходом пара. При совместной работе котла и потребителя пара существенным является давление на выходе из котла, по которому можно определить динамические свойства поверхностей нагрева при колебаниях нагрузки [5].
Заключение
Между контурами регулирования существует взаимосвязь. Действия возмущений в отдельных контурах могут передаваться и на другие контуры. Исследование процессов в отдельном контуре следует
проводить с учетом взаимных связей, а общую систему регулирования нужно рассматривать не как совокупность отдельных систем, а как нечто целое и единое.
Библиографический список
1. Серов Е.П., Корольков Б.П. Динамика парогене- 1973. 440 с.
раторов. М.: Энергоиздат, 1981. 409 с. 4. Плетнев Г.П. Автоматизированное управление
2. Войкунский Я.И., Фаддеев Ю.И., Федяевский К.К. объектами тепловых электростанций. М.: Энергоиз-Гидромеханика. Л.: Судостроение, 1982. 455 с. дат, 1981. 368 с.
3. Ротач В.Я. Расчет динамики промышленных ав- 5. Профос П. Регулирование паросиловых устано-томатических систем регулирования. М.: Энергия, вок; пер. с нем. М.: Энергия, 1967. 368 с.
References
1. Serov E.P., Korol'kov B.P. Dinamika parogeneratorov [Steam generator dynamics]. Moscow, Energoizdat Publ., 1981, 409 p. (In Russian)
2. Voikunskii Ya.I., Faddeev Yu.I., Fedyaevskii K.K. Gidromekhanika [Hydromechanics]. Leningrad, Su-dostroenie Publ., 1982, 455 p. (In Russian)
3. Rotach V.Ya. Raschet dinamiki promyshlennykh
avtomaticheskikh sistem regulirovaniya [Calculation of industrial automatic control system dynamics.]. Mos-
cow, Energiya Publ., 1973, 440 p. (In Russian)
4. Pletnev G.P. Avtomatizirovannoe upravlenie ob"ektami teplovykh elektrostantsii [Automated control of thermal power plant facilities]. Moscow, Energoizdat Publ., 1981, 368 p. (In Russian)
5. Profos P. Regulirovanie parosilovykh ustanovok. [Regulation of steam power plants]. Moscow, Energiya Publ., 1967, 368 p.
Критерии авторства
Лузин П.А., Дунаев М.П. разработали математическую модель тепловых процессов котельного агрегата с пылеугольной топкой с воздействием на питатель пыли, провели обобщение и написали рукопись. Лузин П.А. несет ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 19.10.2016 г.
Authorship criteria
Luzin P.A., Dunaev M.P. have developed a mathematical model of thermal processes taking part in a boiler unit with a pulverized coal furnace with the impact on the dust feeder, summarized the material and wrote the manuscript. Luzin P.A. bears the responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
The article was received 19 October 2016
