CC BY
120
УДК 621. 34:620.92.004.14
Ю .И. Даниленко, С.С. Сапожников
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЕ РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА ДЫМОСОСАХ КОТЛОАГРЕГАТОВ
Рассмотрена двухканальная система автоматического регулирования разрежения с воздействием на частоту вращения дымососа и угол открытия шибера дымохода, позволяющая исключить отрицательное воздействие избыточной естественной тяги на качество горения в топке котла. Предложено альтернативное решение проблемы при помощи устройства, объединяющего звенья постоянного тока преобразователей частоты дутьевого вентилятора и дымососа, которое исключает потери энергии, присущие дросселированию, устраняет эффект избыточной тяги и не требует больших капитальных затрат на модернизацию.
E-mail: epe@bmstu.ru
Ключевые слова: регулируемый электропривод, преобразователь частоты, звено постоянного тока, дымосос, разрежение в топке, генераторный режим.
Основными показателями, определяющими качество режима горения топлива в котле, являются соотношение воздух - газ и разрежение в топке. Поддержание указанных показателей на заданном уровне обеспечивается одновременной работой электроприводов двух механизмов - дутьевого вентилятора и дымососа.
Еще недавно регулирование режима горения осуществлялось дросселированием, т. е. изменением угла открытия шиберов, устанавливаемых в воздушных и дымовых трактах. Однако поскольку в России, как и во многих других странах, проблемам энергосбережения стало уделяться повышенное внимание, широкое распространение получил регулируемый электропривод, положительные свойства и эффективность применения которого на тепловых станциях подробно рассмотрены в [1]. Так, с помощью частотно-регулируемого электропривода проведена замена ручного регулирования качества горения газа (соотношение воздух - газ) на автоматическое, что позволило сэкономить до 4 % газа и до 60 % электроэнергии, потребляемой дутьевыми вентиляторами, а также повысить качество регулирования тепловой мощности котла. Позднее стала осуществляться замена нерегулируемого электропривода частотно-регулируемым на механизмах дымососов котлов. В результате этого мероприятия проявился значительный эффект энергосбережения на дымососах. Например, в Москве на районной тепловой станции (РТС) «Жулебино» максимальная экономия электроэнергии наблюдалась в феврале 2009 г. и составила 95,3 %.
Столь значительный эффект энергосбережения объясняется наличием фактора естественной тяги. Степень влияния указанного явления на качество регулирования разрежения может быть достаточно высока, что определяет особенности применения регулируемого электропривода на дымососах котла.
Существенное влияние естественной тяги на режим горения было выявлено на водогрейных котлах типа КВГМ-100, установленных на уже упоминавшейся станции «Жулебино». Дымовой тракт состоит из трубы 1 высотой 110 м, борова 2 с установленными в нем шибером 3 и дымососом 4 (рис. 1). Ранее существовавший высоковольтный асинхронный электропривод дымососа с электродвигателем мощностью 250 кВт, 6 кВ заменен на регулируемый секционированный вентильно-индукторный электропривод 5 типа ВИП-250 (250 кВт 0,4 кВ) [2]. Его положительные свойства и конструктивные особенности в данной статье не рассматриваются, поскольку не имеют решающего значения для рассматриваемой проблемы. Для дальнейшего рассмотрения важна только одна характеристика - то, что его силовой преобразователь нереверсивный, т.е. не способен возвращать энергию в питающую сеть при работе в генераторном режиме.
Рис. 1. Схема дымового тракта
Регулирование разрежения рр в топке котла осуществляется одноконтурной системой управления (СУ), входящей в состав двухуровневой системы АСУ ТП теплостанции. Реализация алгоритма управления возложена на программируемый контроллер 6 (см. рис. 1).
Упрощенно представим рр как баланс избыточного давления от
сгорания газа рг, напора рд, создаваемого дымососом, падения
напора на шибере Дрш, падения напора в дымовом тракте Ардт и естественной тяги рест:
Рр = Рг - Рд +ДРш + ДРд.т - Рест.
Вырабатываемая котлом тепловая мощность - главный показатель, определяющий необходимость регулирования разрежения, -варьируется количеством включенных горелок и расходом газа через каждую. Величина рг зависит от тепловой мощности. Внешний возмущающий фактор - естественная тяга рест, - величина переменная,
зависящая от разности температур газов в топке и атмосферного воздуха, высоты трубы и погодных условий. При неработающем котле, отключенном дымососе и полностью открытом шибере разрежение в топке котла составляет 25 мм вод. ст. и более, в то время как при работающем котле оно должно быть 10... 12 мм вод. ст. Этот пример наглядно демонстрирует степень влияния естественной тяги на стабилизируемый показатель.
Напор, развиваемый дымососом рд, определяется частотой вращения приводного электродвигателя и паспортными параметрами дымососа. Падение напора Арш зависит от угла открытия шибера и
расхода дымовых газов через него. Негативное влияние естественной тяги на качество регулирования разрежения при невозможности рекуперации энергии в питающую сеть показано на рис. 2. Оператор, начиная с момента времени в несколько этапов снижает тепловую
мощность котла, уменьшая расход газа Qг.
п,
об/мин
300
150 - -
——« -X Пз -!-1- 1
п 1 i. i «
т 1 1
1 | |
1
1 \ 1
1 \ 1
1 4. ж Ii. JUi \рр 1 1 1 1
ц 1 i| 1
и /2 4
Рис. 2. Осциллограмма снижения расхода газа
ММ ВОД. CT
--+12
+6
- 0
---6
-12
Из графика видно, что система управления уменьшает частоту вращения п и рр с несколько большими колебаниями, чем в установившемся режиме, поддерживается на заданном уровне 12 мм вод. ст. В отрезок времени ^ - ¿2 идет четкая отработка электроприводом задания на частоту вращения пз. С момента времени ¿2 существовавшая ранее положительная разность (пз - п) снижается до нуля и даже приобретает отрицательное значение. Это значит, что естественная тяга не дает электроприводу далее снижать частоту вращения согласно заданию, так как нет возможности создания отрицательного момента на валу. По этой причине может возникать колебательный процесс, причем незатухающий. При колебаниях разрежения -20...+5 мм вод. ст. процесс сжигания топлива идет с низким КПД и существует вероятность аварийного отключения котла при достижении уставок защиты.
На РТС «Жулебино» данная проблема была решена введением второго независимого канала регулирования - углом открытия шибера. Алгоритм управления при таком двухканальном регулировании подразумевает уменьшение угла открытия шибера при достижении установленного минимального расхода газа. В этом случае дымосос вращается с большей частотой, не позволяя естественной тяге создать отрицательный момент на валу. Двухканальный метод управления имеет следующие основные недостатки:
• уменьшение эффекта энергосбережения по причине частичного возврата к дроссельному регулированию;
• предупредительный характер предотвращения генераторного режима, основанный на контроле тепловой мощности и предположении режима избыточной естественной тяги.
Первый из недостатков является принципиальным и может быть минимизирован при ликвидации второго, но не устранен полностью. Влияние второго можно уменьшить, например, добавив еще один показатель возможности появления генераторного режима - температуру наружного воздуха. Однако очевидно, что данный способ не совершенен.
Более энергоэффективным является выбранное в качестве прототипа устройство для регулирования частоты вращения нескольких асинхронных электродвигателей [3], содержащее общее звено постоянного тока с нереверсивным выпрямителем и индивидуальные инверторы напряжения по количеству электродвигателей. Устройство не имеет возможности инвертирования электроэнергии в питающую электросеть, но генерируемая энергия одного электродвигателя потребляется другими, работающими в двигательном режиме благодаря общей шине постоянного тока, объединяющей все инверторы напряжения по входам.
Недостатком этого устройства является взаимовлияние электроприводов в динамических режимах и неприменимость для устройств
общепромышленного назначения ввиду объектно-ориентированного исполнения на конкретный технологический процесс.
Однако такое устройство устраняет отрицательное воздействие естественной тяги на качество регулирования разрежения в топке котла без дополнительных потерь электроэнергии и значительного удорожания применяемого оборудования.
На рис. 3 приведена структура предлагаемого устройства, включающая два преобразователя частоты 1 и 2, первый из которых соединен с электродвигателем 3 дымососа, а второй - с электродвигателем 4 дутьевого вентилятора. Каждый преобразователь частоты состоит из выпрямителей 5 и 6, инверторов 7 и 8 и фильтрующих конденсаторов 9 и 10.
Рис. 3. Структура системы с объединением шин постоянного тока
Преобразователь частоты электропривода дымососа дополнительно снабжен датчиком выпрямленного напряжения 13, соединенным входом с выпрямителем 5, а выходом - с блоком управления ключом 12. Блок управления своим выходом подключен к полупроводниковому ключу 11, который соединен входом с выпрямителем преобразователя частоты электропривода дымососа 5, а выходом - с выпрямителем преобразователя частоты электропривода дутьевого вентилятора 6.
Соединение выпрямителей двух преобразователей частоты через управляемый ключ обеспечивает в случае необходимости переток электрической энергии из электропривода, работающего в генераторном режиме, в электропривод с двигательным режимом, где она полезно потребляется.
Нормальным режимом эксплуатации устройства является двигательный режим обоих электроприводов - дымососа и дутьевого вентилятора. При этом выпрямленное напряжение на выходе 5, измеряемое датчиком напряжения 13, не превышает величину уставки, содержащейся в блоке управления 12. Ключ 11 закрыт, и каждый электропривод работает без взаимосвязи с другим.
При переходе электропривода дымососа в генераторный режим напряжение на конденсаторе 9 повышается, и по достижении уставки в блоке управления 12 ключ 11 открывается, чем обеспечивается контур обмена энергией между электроприводами дымососа и вентилятора. В результате генерируемая электрическая энергия расходуется в электродвигателе дутьевого вентилятора, а его преобразователь частоты потребляет из сети меньшее количество энергии. Этим достигается полная управляемость электропривода дымососа даже при его переходе в генераторный режим, что предотвращает колебания разрежения в топке котла и его аварийные отключения.
Использование данного устройства позволяет снижать капитальные затраты на модернизацию котловых электроприводов путем применения более простого и дешевого преобразователя частоты по сравнению с другими преобразователями, обеспечивающими рекуперацию энергии, и экономить электроэнергию.
Выводы. 1. Регулируемый электропривод является эффективным инструментом управления дымососами теплоэнергетических котлов, однако естественная тяга может ухудшать качество управления процессом горения в случае работы котла на малых мощностях при низких температурах наружного воздуха.
2. Существующая система автоматического регулирования с двумя каналами управления частотой вращения дымососа и углом открытия шибера решает проблему качества регулирования разрежения, но обладает недостатком, связанным с уменьшением эффекта энергосбережения.
3. Предложенное устройство позволяет устранить негативное влияние естественной тяги без уменьшения эффекта энергосбережения при минимальных затратах на модернизацию существующей системы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Крылов Ю. А. Разработка энергоресурсосберегающих технологий в топливно-энергетическом хозяйстве города на основе современного электропривода: Дисс. д-ра техн. наук. - М., 2009.
2. Новое направление в приводе - мощный многосекционный вентильно-индукторный электропривод с векторным управлением / В. Остриров, В. Ко-заченко, Ю. Крылов и др. // Электронные компоненты. - 2006. - № 1.
3. Панов А. С., Куцый К. Л., Горбачевский Н. К., Осипов О. Н. Модернизация электротехнического комплекса производства резиновых смесей // Труды V Международной (16-всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу. 2007. - СПб., 2007. - С. 406-407.
Статья поступила в редакцию 15.11.2011
