CC BY
85
УДК 625.1
ОПЕРАТИВНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ЭКОНОМИЧНОСТИ ГОРЕНИЯ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОТЛАХ
Л.С. Казаринов, Т.А. Игнатова, А.В. Кинаш, О.В. Колесникова, Д.А. Шнайдер
Рассматривается способ автоматической оптимизации процесса горения в топке энергетического котла на основе прогнозного значения КПД котла, позволяющего понизить инерционность автоматической системы регулирования экономичности процесса горения. Приводятся временные характеристики поиска оптимального значения КПД.
Ключевые слова: перовые котлы, энергетические котлы, процесс горения, оптимизация процесса горения, экономичность процесса горения, регулирование процесса горения.
Оптимизация экономичности процессов горения в топке энергетического котла является актуальной задачей, непосредственно связанной с минимизацией расхода топлива. Типовым подходом к решению данной задачи является регулирование соотношения «топливо-воздух» на входе топки котла по содержанию кислорода (02) в дымовых газах [1-3]. Однако содержание 02 не является постоянным в процессе эксплуатации, так как его значение зависит от многих факторов: паровой нагрузки, качественного состава топлива, потерь теплоты с уходящими газами и др.
В этой связи представляется целесообразным осуществлять регулирование экономичности процесса горения по прямым показателям. Однако использование регулирования по прямым показателям экономичности котла обладает повышенной инерционностью. Этот недостаток особенно проявляется для котлов, работающих в условиях переменных характеристиках топлива. Подобные режимы характерны для котлов, в которых сжигаются вторичные энергетические ресурсы технологических производств.
В данной работе предлагается для оптимизации режима горения в топке котла использовать прогнозное значение КПД котла, которое позволяет понизить инерционность автоматической системы регулирования экономичности процесса горения.
Казаринов Лев Сергеевич - д.т.н., профессор, декан приборостроительного факультета ЮУрГУ, заведующий кафедрой автоматики и управления ЮУрГУ; kazarinov@ait.susu.ac.ru.
Игнатова Татьяна Александровна - инженер кафедры автоматики и управления ЮУрГУ; tanya_ignatova@mail.ru. Кинаш Александр Викторович - ведущий специалист по автоматизации ЦЭС ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»; kinash@mmk.ru.
Колесникова Ольга Валерьевна - к.т.н., доцент кафедры автоматики и управления ЮУрГУ; popova_ov@ait.su-su.ac.ru.
Шнайдер Дмитрий Александрович - к.т.н., доцент кафедры автоматики и управления ЮУрГУ; вЬпау-der@ait.susu.ac.ru.
1. Экстремальная автоматическая система регулирования экономичности процессов горения
Функциональная схема экстремальной автоматической системы регулирования экономичности процессов горения изображена на рис. 1. Система состоит из двух контуров. Внутренний контур образуют объект 1 регулирования и автоматический регулятор 2 подачи общего воздуха, действующий по упрощенной схеме пар Д, - воздух Св. Внешний контур составляет объект 1 регулирования, экстремальное устройство 3 с входным сигналом по прогнозной оценке показателя экономичности процесса горения фпр(4 а также устройство выработки прогнозной оценки показателя экономичности процесса горения 4 с входным сигналом по тепловой мощности 0вх(О, вносимой в топку котла с топливом, и сигналом Гвых(0, характеризующим значение выходной тепловой мощности, который в вариантном исполнении может измеряться;
• на выходе котла;
• на выходе барабана для барабанных котлов;
• как оценка тепловыделения в топке котла;
• как сигнал, пропорциональный тепловос-приятию топочных экранов.
Рис. 1. Функциональная схема экстремальной автоматической системы регулирования
Процесс автоматической оптимизации процесса горения в топке для энергетических котлов осуществляется следующим образом.
Автоматический регулятор 2 подачи воздуха (рис. 1) действует как регулятор соотношения рас-
Л.С. Казаринов, Т.А. Игнатова, А.В. Кинаш
О.В. Колесникова, Д.А. Шнайдер
ход пара £)„ - расход воздуха и обеспечивает в первом приближении оптимум этого соотношения в статике в соответствии с режимной картой энергетического котла при постоянном расходе топлива. Далее экстремальное устройство 3, действующее по принципу запоминания и оценки экстремума по приращению, устраняет возможную статическую неточность регулятора 2 при действии на экономичность процесса горения изменяющихся во времени факторов и выводит систему регулирования в область экстремума сигнала по прогнозной оценке показателя экономичности процесса горения фпр(/) путем принудительного изменения в заданных пределах расхода воздуха, поступающего в топку энергетического котла.
Схема устройства выработки прогнозной оценки показателя экономичности процесса горения приведена на рис. 2.
&*(')
Рис. 2. Схема устройства выработки прогнозной оценки показателя экономичности процесса горения
Здесь БДП1 - блок динамической задержки сигнала 6„х(0 с передаточной функцией Щ'(р) (где р - сИЖ), соответствующей переходной функции А'(0; БДП2 - блок динамического опережения сигнала Гвых(0 с передаточной функцией ~1,
соответствующей переходной функции /г'(0;
(•)/(•) - блок деления; От~т)(0 - входной сигнал <2т0) с динамическим запаздыванием на тактовый сдвиг т; 1&+т)(0 - выходной сигнал Увт(0 с динамическим опережением на тактовый сдвиг т.
На рис. 3 приведены типовые переходные функции, характеризующие динамические свойства энергетического котла и устройства выработки прогнозной оценки показателя экономичности процесса горения.
На рис. 3 введены следующие обозначения: Ан(0 - нормированная переходная функция котла, определяемая по соотношению
т
К00)
ла импульса тепловой мощности <2т((); А£(0 -нормированная переходная функция, совпадающая с переходной функцией Ин(() в интервале [0;т] и равная единице при (>т; й£(/-т) - нормированная переходная функция, совпадающая с переходной функцией /?„(/) в интервале [т; оо).
Измерение прогнозной оценки показателя экономичности процесса горения в предлагаемом устройстве 4 (рис. 2) отличается от известных способов тем, что используется динамически синхронизированное отклонение сигнала выработки тепла на выходе котла к количеству тепла, внесенного в топку. Существующие подходы к решению данной задачи основаны, например, на использовании среднестатистической оценки показателя экономичности процесса горения:
уСр
фСр _ ■‘вых
&СхР
где <2вх ~ среднее количество тепловой мощности, вносимой в топку котла с топливом за период наблюдения; 7В°РХ - значение сигнала, характеризующего среднее количество выходной тепловой мощности, выработанной за период наблюдения.
Данная оценка является инерционной и не может служить для целей оперативной оптимизации процесса горения в топке энергетического котла.
Использование для указанной цели оценки показателя экономичности процесса горения по текущим значениям сигналов
(,) = ^ых(0
а* (о
некорректно, так как импульс тепловой мощности на входе котла проходит на выход котла с динамическим запаздыванием. Поэтому оба сигнала 8ВХ(0 и Увых(/) являются динамически не синхронизированными.
Предлагается корректное измерение показателя экономичности процесса горения, основанное на динамической синхронизации сигналов процессов подачи теплой мощности с топливом на вход котла и выработки теплой мощности на выходе котла [4] в соответствии со схемой устройства на рис. 2:
Ч£Г°(0
фпр(0 =
Й2"т)(0
где /г(0 - переходная функция котла по выходному сигналу Увых(/) при подаче с топливом на вход кот-
При этом величина тактового сдвига т выбирается исходя из условий обеспечения требуемой скорости сходимости процесса поиска оптимального соотношения топливо-воздух и заданной точности прогноза.
2. Результаты расчетов
Сравнительные временные характеристики поиска оптимального значения КПД, получаемые в соответствии с предлагаемым способом и способом, изложенным в [3], приведены на рис. 4.
22
Вестник ЮУрГУ, № 17, 2008
Оперативное регулирование экономичности горения в энергетических котлах_________________
Здесь представлены траектории выхода экстремального регулятора в область максимума показателя экономичности процесса горения: А0-А1-А2-А3-А4-...- для способа, изложенного в [3]; Ао-ВНЗ2-В3-В4-...- для предлагаемого способа. Шаги поиска экстремального регулятора равны интервалу времени Т\ переходного процесса /гн(/) (см. рис. 3). Шаги поиска предлагаемого экстремального регулятора состоят из такта задержки т, переходный процесс в котором соответствует переходной функции И'({), и интервалу времени 7^ переходного процесса, соответствующего переходной функции А£^(0 обратного динамического
оператора \}¥’(р)\ 1. Так как обратный динамический оператор [И^"(р)] 1 дает прогнозную оценку
показателя экономичности процесса горения, суммарный шаг поиска Тг по заявленному способу будет меньше интервала времени Т\. Т2 < Тх. В итоге быстродействие системы экстремального регулирования по заявленному способу будет выше. Эксперименты с котлом типа ТП-200-1, показали, что при величине шага Т\ = 2 мин величина шага Т2 соответствовала 0,8 мин.
Рис. 4. Сравнительные временные характеристики поиска оптимального значения КПД
Заключение
1. Для повышения эффективности процессов горения в топках энергетических котлов, работающих в резко выраженных динамических режимах, целесообразно использовать системы автоматической оптимизации по прямым показателям экономичности.
2. Использование в качестве критерия оптимизации прямых показателей экономичности, вычисляемых на основе статистических оценок, приводит к повышенной инерционности системы автоматического регулирования. Для решения быстродействия системы автоматической оптимизации целесообразно использовать прогнозные оценки показателей.
3. В работе предложена прогнозная оценка показателей экономичности, основанная на динамической синхронизации.
Литература
1. Плетнев, Г. П. Автоматизированное управление объектами тепловых электростанций / Г. П. Плетнев. -М.: Энергоиздат, 1981. -368 с.
2.А. с. 735869 СССР. Способ автоматической оптимизации процесса горения в котле / В. Ю. Вадов, Ю. С. Денисов. - Опубл. 1980, Бюл. № 19.
3. А. с. 1064078 А СССР. Способ автоматической оптимизации процесса горения в топке барабанного парового котла / Г. П. Плетнев, А. Н. Лес-ничук, В. С. Мухин - Опубл. 1983, Бюл. № 48.
4.Казаринов, Л. С. Оперативное управление
технологическими процессами с прогнозом показателей энергетической эффективности / Л. С. Казаринов, Д. А. Шнайдер // Вестник ЮУр-ГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». - 2008. — Вып. 8,
№ 17(117). - С. 9-12.
Поступила в редакцию 28 апреля 2008 г.
