CC BY
418
УДК 621.18
О. В. Авдеева
СИСТЕМА ЭКСТРЕМАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ГОРЕНИЕМ ТОПЛИВА В КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ
Аннотация. В статье излагаются результаты работы по автоматизации управления процессом горения топлива в котельной установке, предлагаются пути повышения эффективности процесса горения на основе экстремального управления.
Ключевые слова: котельная установка, горелка, котлоагрегат, соотношение «топливо - воздух», алгоритм поиска экстремума, метод наименьших квадратов.
Введение
Теплоэнергетика - отрасль промышленности, которая отличается широкой механизацией технологических процессов, высокими параметрами рабочей среды, требованиями к точности их регулирования, а также наличием собственного источника энергии; она является той областью науки и техники, где постоянно находят приложение методы теории и новые технические средства автоматического управления.
Дальнейшее развитие энергетики должно концентрировать усилия на технологическом совершенствовании основного оборудования с целью повышения эффективности, долговечности и надежности его работы. Наряду с внедрением централизованного контроля и управления широко распространены автоматические системы регулирования отдельных участков технологического процесса, автоматического управления и защиты оборудования.
Потери энергетического топлива в значительной мере зависят от совершенства его сжигания. Наряду с конструкцией топочного устройства и режимом работы котла эффективность процесса горения зависит от качества работы систем автоматического регулирования подачи топлива и воздуха в топку парового котла [1].
Предлагаемая в данной работе система управления горением топлива относится к оптимизации процессов горения в тепловых установках и может использоваться при разработке систем контроля горения в топках промышленных котлов. Применение системы направлено на разработку энергоэффективных методов сжигания топлива и снижение загрязнений атмосферы вредными продуктам путем повышения точности ведения процесса горения топлива, который на практике носит экстремальный характер.
Постановка задачи
Регулирование процессов горения и парообразования в целом сводится к поддержанию вблизи заданных значений следующих величин:
— давления перегретого пара;
— разрежения в верхней части топки;
— избытка воздуха в топке, влияющего на экономичность процесса горения.
Подсистемы регулирования давления перегретого пара и разряжения в верхней части топки реализуются с использованием традиционных методов автоматического регулирования. Наряду с конструкцией топочного устройства и режимом работы котла эффективность процесса горения зависит от качества работы систем автоматического регулирования подачи топлива и воздуха в топку котла. Основное влияние на эффективность
167
Вестник Пензенского государственного университета № 3 (11), 2015
процесса горения оказывает количество воздуха в топке. При сжигании топлива в топку должно быть подано определенное количество воздуха, содержащего кислород, необходимый для горения. Излишнее количество воздуха приводит к увеличению потерь тепла с уходящими газами, а недостаток воздуха может вызвать появление потерь от химической неполноты сгорания.
На практике применяется несколько видов систем регулирования соотношения «топливо - воздух». Наиболее распространенные из них:
1. Система управления процессом горения, в которой поддерживается соотношение «топливо - воздух» в соответствии с заранее подготовленной режимной картой [1]. Недостатком данной системы является сложность составления режимной карты и неэффективность при определенных условиях (износ технологического оборудования, изменение состава топлива и т.д), что приводит к возникновению статической ошибки регулирования.
2. Система управления процессом горения, в которой происходит экстремальное управление с обратной связью по тому или иному показателю качества работы котельной установки. Недостатком данной системы является низкое быстродействие и низкая помехозащищенность [2].
3. Система управления процессом горения по составу дымовых газов. Недостатком данной системы является высокая стоимость и недолговечность сенсоров оксида углерода (или кислорода) и трудоемкость монтажа датчиков в дымовом тракте котельной установки [3].
Предлагается система управления горением топлива с адаптацией метода поиска экстремума [2] для систем оптимизации процесса горения топлива, т.е поиск в реальном времени оптимального соотношения «топливо - воздух», обеспечивающего заданную производительность котельной установки с минимальным расходом топлива.
Исследование процесса горения топлива в горелке котлоагрегата
Проведено исследование процесса горения в топке энергетического котлоагрегата марки ДЕ-16-14ГМ. Сущность проведенного эксперимента заключается в следующем (см. рис. 1):
- энергетический котлоагрегат работает при средней производительности по перегретому пару 9,2 т/ч;
- количество топлива и воздуха, подаваемых в топку котла, поддерживается с помощью соответствующих стандартных регуляторов топлива (РТ) и воздуха (РВ), при этом количество подаваемого топлива регулируется в зависимости от заданной нагрузки (количества производимого перегретого пара), количество подаваемого воздуха - в соответствии с заранее подготовленной режимной картой «топливо - воздух»;
- произведена подготовка и наладка технических, вычислительных и программных средств для регистрации временных трендов основных параметров котельной установки: количества произведенного перегретого пара, количества потребляемого топлива и воздуха; для регистрации временных трендов был использован контроллер (КНТР) с модулем ввода аналоговых сигналов;
- унифицированные сигналы с датчиков расхода перегретого пара (датчик F пара), топлива (датчик F газа) и воздуха (датчик F возд.) поступают на модуль ввода аналоговых сигналов, где происходит их первичная обработка и передача в контроллер. С помощью предустановленного программного обеспечения в контроллере происходит регистрация и архивирование значений аналоговых сигналов.
168
Техника, технология, управление
Рис. 1. Схема работы котельной установки
На рис. 2-4 показаны экспериментально снятые осциллограммы изменения расхода перегретого пара, топлива и воздуха. Осциллограммы были построены на базе минутных значений технологических параметров. На рис. 5 приведена статическая характеристика потребления газа от подачи воздуха в топку. Характеристика получена путем аппроксимации экспериментальных значений потребления топкой воздуха и топлива.
169
Вестник Пензенского государственного университета № 3 (11), 2015
Рис. 5. Статическая характеристика потребления газа от подачи воздуха в топку: а - осциллограмма входного сигнала и; б - управляющего воздействия экстремального регулятора у; в - сигнал на входе нелинейного элемента ui; г - сигнал на выходе нелинейного элемента и2 (и - воздух, мз/ч; и1 - расход воздуха в котельной, мз/ч; и2 - расход топлива в котельной, м3/ч; у - компенсация расхода воздуха, м3/ч)
На основании полученной осциллограммы (см. рис. 4) был проведен анализ эффективности работы котельной установки, в результате которого установлено, что изменение расхода топлива от расхода воздуха носит экстремальный характер. Для обеспечения наиболее эффективного процесса горения параметры топлива и воздуха должны соответствовать точке экстремума. Также из рис. 6 видно, что при сжигании топлива допущена подача избыточного количества воздуха.
170
Техника, технология, управление
Рис. 6. Зависимость расхода топлива от расхода воздуха в топке котлоагрегата
В результате это увеличивает потребление электроэнергии на тягодутьевые механизмы и приводит к необходимости нагрева избыточно подаваемого воздуха, и, как следствие, процесс горения топлива становится неоптимальным.
Моделирование процесса горения топлива в котельной установке
Для поддержания оптимального процесса горения в котельной установке предлагается применить алгоритм поиска экстремума статической характеристики инерционного объекта [4]. Исследования процесса горения в котельной установке показывают, что данный процесс можно представить с помощью модели Гаммерштейна (см. рис. 7).
Рис. 7. Структурная схема модели Гаммерштейна
В результате анализа существующих методов было установлено, что традиционные методы экстремального регулирования в рассматриваемом случае неэффективны, так как данный процесс происходит в условиях сильных помех, что приводит к «рысканью» экстремальной системы вплоть до потери устойчивости [5].
Для обеспечения устойчивости системы предлагается использовать рекуррентный алгоритм метода наименьших квадратов, с помощью которого вычисляется коэффициент передачи экстремального объекта по изменению его входной и выходной величины с последующим поиском нулевого значения этого коэффициента. Алгоритм экстремального регулирования состоит из следующих этапов:
1) считывание входного и выходного сигналов с экстремального объекта;
2) вычисление коэффициентов АРСС-модели по рекуррентному методу наименьших квадратов;
3) вычисление коэффициента передачи объекта;
4) поиск управляющего воздействия, обеспечивающего нулевое значение коэффициента передачи с использованием прямых методов поиска нуля функций.
171
Вестник Пензенского государственного университета № 3 (11), 2015
Для оценки эффективности предложенного алгоритма была разработана математическая модель процесса горения с экстремальным регулятором в приложении Simulink (см. рис. 8), включающая инерционный объект второго порядка с полученной ранее экстремальной характеристикой (рис. 9) и экстремальным регулятором, в котором реализуется алгоритм рекуррентного вычисления коэффициента передачи и поиска нуля этого коэффициента к [4].
Дрейф экстремальной характеристики смоделирован с помощью гармонического низкочастотного воздействия и высокочастотных помех. На рис. 8 сигнал и - изменение воздуха, м3/ч. С помощью экстремального регулятора вычисляется компенсирующий сигнал у, тем самым поддерживается оптимальное значение расхода воздуха ui, м3/ч, что выводит процесс горения на энергоэффективный режим в область минимума расхода топлива (в область экстремума).
Рис. 8. Структурная схема Simulink-модели экстремальной системы управления процессом горения топлива в котельной установке: и - воздух, мз/ч; ui - расход воздуха в котельной, мз/ч; и2 - расход топлива в котельной, м3/ч; у - компенсация расхода воздуха, м3/ч
172
Техника, технология, управление
Анализ осциллограмм, приведенных на рис. 5, позволяет сделать вывод, что даже при действии сильных помех система экстремального регулирования удерживает координаты объекта в области экстремальных значений его целевой функции.
На рис. 10 представлена фазовая траектория системы экстремального регулирования в пространстве координат нелинейного звена.
Рис. 10. Фазовая траектория экстремальной системы управления процессом горения
в котельной установке
Также по результатам моделирования видно, что время поиска экстремума соизмеримо с инерционностью объекта, фазовая траектория располагается в окрестности точки, в которой целевая функция достигает экстремума (максимума). Несмотря на высокий уровень помех, отклонение системы от точки экстремума не превышает 10 %, что подтверждает эффективность предлагаемого алгоритма поиска экстремума и позволяет снизить расход топлива на 23 %.
Заключение
В результате проведенных исследований экспериментально установлено, что изменение расхода топлива от расхода воздуха носит экстремальный характер и для обеспечения наиболее эффективного процесса горения параметры топлива и воздуха должны соответствовать точке экстремума (минимума расхода топлива).
Исследования, проведенные на моделях, показали, что комплексное внедрение алгоритма экстремального регулирования процессов горения и настройка функциональных подсистем теплоэнергетических АСУ ТП может значительно увеличить энергоэффективность этих объектов.
Список литературы
1. Плетнев, Г. П. Автоматизированное системы управления объектами тепловых электростанций / Г. П. Плетнев. - М. : Изд-во МЭИ, 1995. - 353 с.
2. Пат. 2152564 Российская Федерация, МПК F23 N 5/00. Способ контроля горения / Ахмедов Д. Б. и др. ; заявитель и патентообладатель Ахмедов Д. Б. и др. - № 97111589/06 ; заявл. 02.07.1997 ; опубл. 10.07.2000.
3. Шмелев, Н. В. Экстремальное регулирование котельного агрегата / Н. В. Шмелев // Электрические станции. - 1967. - № 10.- С. 31-37.
173
Вестник Пензенского государственного университета № 3 (11), 2015
4. Семенов, А. Д. Алгоритм экстремального регулирования на основе рекуррентной процедуры метода наименьших квадратов / А. Д. Семенов, О. В. Авдеева, А. С. Никиткин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2012. - № 1. - С. 3-11.
5. Хемди, А. Введение в исследование операций / А. Хемди. - 8-е изд. - М. : Вильямс, 2007. - 912 с.
Авдеева Ольга Викторовна
кандидат технических наук, доцент, кафедра автоматики и телемеханики, Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Avdeeva Ol'ga Viktorovna
candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of automatics and telemechanics, Penza State University
УДК 621.18 Авдеева, О. В.
Система экстремального регулирования горением топлива в котельной установке / О. В. Авдеева // Вестник Пензенского государственного университета. - 2015. - № 3 (11). - C. 167-174.
