CC BY
32
УДК 681.5.015.23:658.264
А.В. ЛЫСЮК
Одесский Национальный Политехнический Университет, Украина
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКОЙ БАРАБАННОГО КОТЛА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ГОРЮЧИХ
ИСКУССТВЕННЫХ ГАЗОВ
Рассмотрена возможность использования искусственных газов в качестве топлива вместо природного газа для энергетического барабанного котла. Плотность и теплотворная способность искусственных газов не является постоянной. В некоторых случаях пропускная способность регулирующего органа не может обеспечить подачу необходимого количества искусственного газа на горелочные устройства. Это приводит к снижении тепловой мощности энергетической установки. Таким образом, возникает научно-техническая задача увеличения пропускной способности установленного регулирующего органа в зависимости от вида сжигаемого топлива. Изменение пропускной способности регулирующего органа должно быть учтено при проектировании системы управления тепловой нагрузкой.
Ключевые слова: барабанный котел, автоматическая система управления, искусственные горючие газы, регулирующий орган.
О.В. ЛИСЮК
Одеський Нащональний Псштехшчний Ушверситет, Украша
ВДОСКОНАЛЕННЯ СИСТЕМИ УПРАВЛ1ННЯ ТЕПЛОВОГО НАВАНТАЖЕННЯ БАРАБАННОГО КОТЛА ДЛЯ СПАЛЮВАННЯ ГОРЮЧИХ ШТУЧНИХ ГАЗ1В
Розглянуто можливгсть використання штучних газгв в якостг палива замгсть природного газу для енергетичного барабанного котла. ЩЫьтсть i теплотворна здаттсть штучних газгв не е постшною. У деяких випадках пропускна здаттсть регулюючого органу не може забезпечити подачу необхiдно'i кiлькостi штучного газу на пальники. Це призводить до зниження теплово' потужностi енергетично' установки. Таким чином, виникае науково-техтчна задача збшьшення пропускно' спроможностi встановленого регулюючого органу в залежностi вiд виду палива. Змта пропускно'1' здатностi регулюючого органу мае бути врахована при проектувант системи управлiння тепловим навантаженням.
Ключовi слова: барабанний котел, автоматична система управлiння, штучш горючi гази, регулюючий орган.
O.V. LYSIUK
Odessa National Polytechnic University, Ukraine
IMPROVEMENT OF THE CONTROL SYSTEM OF THERMAL LOADING OF A DRUM BOILER FOR COMBUSTION OF COMBUSTIBLE ARTIFICIAL GASES
The possibility of using artificial gases as a fuel instead of natural gas for an energy drum boiler is considered. The density and calorific value of artificial gases is not constant. In some cases, the capacity of the control valve can not provide the supply of the necessary amount of artificial gas to burners. This leads to a decrease in the thermal capacity of the power plant. Thus, there arises the scientific and technical problem of increasing the capacity of the established control valve, depending on the type of burned fuel. The change in the capacity of the valver must be taken into account when designing a heat load control system.
Key words: drum boiler, automatic control system, artificial combustible gases, control valve.
Постановка проблемы
Согласно экспертному прогнозу роста мировой экономики спрос на энергетические ресурсы может вырасти на 36% с 2011 по 2030 год. Ключевыми факторами роста энергопотребления будут рост численности населения планеты (до 8,3 млрд к 2030 году) и рост глобального ВВП (в два раза по сравнению с 2011 годом). Благодаря быстрой индустриализации и урбанизации стран с низким и средним уровнем дохода на них придется 70% от мирового роста ВВП и более 90% роста мирового спроса на энергию. Логичное, пропорционально росту ВВП, увеличение спроса на энергию будет ограничено непрерывным улучшением энергоэффективности ее использования. Снижение энергоемкости производства будет обеспечено использованием возобновляемых энергоресурсов, сланцевых энергоносителей и новых более совершенных технологий производства промышленных товаров и переработки сырья [1].
Для современного украинского государства, с учетом особенностей его географического положения и наличия определенного вида энергоресурсов, перспективным направлением развития энергетической отрасли может стать реализация малозатратных и быстро окупаемых мероприятий, позволяющих без
привлечения значительных средств, в кратчайшие сроки уменьшить потребление топлива и электроэнергии. К таким мероприятиям можно отнести использование на существующих парогенераторах, работающих на органическом топливе, новых структурных схем систем автоматического управления, которые позволят без существенной модернизации оборудования использовать в качестве топлива горючие искусственные газы.
К искусственным газам, которые получают из твердого топлива, относятся коксовый, сланцевый, генераторный и доменный. В большинстве случаев эти газы являются побочным продуктом химического или металлургического производства и невыгодны экономически для передачи на дальние расстояния, так как имеют малую теплотворную способность.
Анализ последних исследований и публикаций
В решении проблемы сжигания топлива с переменным химическим составом можно выделить несколько основных направлений: конструкционный, технологический и аналитический. Ведущими мировыми разработчиками технологий сжигания синтез-газов являются Siemens, General Electric и Mitsubishi Heavy Industries, которые предлагают сжигать искусственнее газы в газотурбинных установках (ГТУ) с усовершенствованными камерами сгорания [2]. Также рассматривается возможность модернизации самих горелочных устройств с целью изменения геометрии факела, где в конструкции горелки используется эффект взаимодействия газовых струй с набегающим поперечным потоком воздуха [3].
Другой подход связан с модификацией самого топлива - разбавлением синтез-газа азотом, паром или продуктами сгорания [4], выполняемое для повышения мощности ГТУ, за счет увеличения массового расхода продуктов сгорания через газовую турбину или повышения мощности паротурбинной части, благодаря повышению массовых расходов дымовых газов через котёл-утилизатор. Также возможно добавление в низкосортное топливо активаторов горения (анакларид) с одновременным улучшением системы подачи топлива в топку [5].
Экономический эффект также может быть достигнут за счет разработки индивидуальной технологической схемы подготовки и подачи искусственного газа к месту сжигания, в том числе и схемы промежуточного отбора теплоты на производство электроэнергии не из конечного агрегата сжигания искусственного газа, а из промежуточной точки его частичного охлаждения [6]. В случае наличия нескольких потребителей газообразного топлива можно распределить тепловую нагрузку между группой котлов, работающих на общий паропровод, в зависимости от калорийности сжигаемого газа. В основе такого решения лежит минимизация целевой функции, которая учитывает вероятность отказа оборудования и максимальную эффективность его использования [7].
Аналитический подход связан с определение химического состава горючего газа с помощью математической модели процесса сжигания топлива с известным качественным составом [8]. Дальнейшее усовершенствование математического метода определения состава горючего газа позволяют смягчить ограничения по используемому топливу и реализовать эту идею в виде технического устройства [9]. Такой подход позволит усовершенствовать существующие системы нелинейного управления котлоагрегатом, в которых экстремальный регулятор анализирует текущие расходы топлива, воздуха и пара, и определяет оптимальное соотношение компонентов газо-воздушной смеси [10].
В настоящее время в Украине на тепловых электростанциях, оснащенных барабанными котлами, промышленных и теплофикационных котельных для поддержания заданной производительности пара используется типовая автоматическая система управления (АСУ) тепловой нагрузки (рис. 1). Задача АСУ тепловой нагрузки состоит в поддержании заданного давления перегретого пара, когда барабанный котел работает в регулирующем режиме или заданного расхода перегретого пара, когда котел работает в базовом режиме. Такая АСУ, как правило, реализуется в двух модификациях - с сигналом по расходу топлива, когда на горелочные устройства подается жидкое или газообразное топливо с постоянной теплотворной способностью, и с сигналом по тепловыделению в топочной камере, когда используется твердое топливо, или качественный состав жидкого или газообразного топлива не является постоянным [11].
Способность АСУ тепловой нагрузки с сигналом по тепловыделению компенсировать внутритопочные возмущения удельной теплотой сгорания топлива ограничена пропускной способность регулирующего органа, которая не превышает 20% от номинального расхода природного газа. Также необходимо учитывать плотность и теплотворную способность искусственных газов, которые могут отличаться от аналогичных свойств природного газа (рПГ=0,68-0,85кг/м3, QНРПГ=28-46МДж/м3) как в большую, так и меньшую сторону (табл. 1).
Максимальный объемный расход газа, приведенный к нормальным условиям (P=1,033 кгс/см2, @=0°С), через регулирующий орган (РО) определяется уравнением
Iap P
Qmax = 535КГ. , (1)
V pTk
где Kv max - максимальная пропускная способность РО, ДРРо - перепад давления на РО, P 2 - давление среды после РО, р - плотность газа, T - температура газа перед РО, к - коэффициент сжимаемости.
Рис. 1. Принципиальная схема управления тепловой нагрузкой с сигналом по теплоте
Таблица 1
Отношение тепловыделения природного газа к тепловыделению искусственного газа
Газ Плотность, кг/м3 Теплотворная способность, МДж/м3 Р ТПГ / РтИГ Превышение пропускной способности, %
Коксовый 0,342 17,58 1,41 21
Сланцевый 1,040 13,85 3,11 191
Генераторный, полученный при паро-кислородном дутье под давлением 0,576 15,70 2,04 84
Газ, полученный путем низкотемпературного коксования из битуминозных углей 0,620 31,90 1,04 -
Поскольку Ктах, Р2, Т1, к в процессе работы котельного оборудования практически не меняются, то уравнение (1) можно записать в виде
Ртах = КО^Р , (2)
где КРО - постоянный коэффициент, определяющий максимальный расход газа на горелочные устройства в зависимости от перепада давления на РО и плотности газа.
С учетом теплотворной способности газа РНР тепловыделение в топочной камере будет определяться уравнением:
Рт = ОРОтх = РРКО^Р - (3)
Если принять, что давление газа в газопроводе поддерживается постоянным, то тепловыделение в топочной камере при полностью открытом РО будет зависеть только от плотности газа и его теплотворной способности. Отношение тепловыделения природного газа QТaт к тепловыделению искусственного газа QТИГ позволяет определить потенциальную возможность использования существующего котельного оборудования для сжигания альтернативного газообразного топлива:
Он Он
рРПГ Н
Риг Рпг
(4)
В табл. 1 представлены результаты расчета отношения (4) для средней плотности (р пг=0,765кг/м3) и среднего тепловыделения природного газа (О НРПГ =37МДж/м3).
Результаты расчета показывают, что только газ, полученный путем низкотемпературного коксования из битуминозных углей, может быть использован вместо природного газа (дополнительное открытие регулирующего органа для обеспечения номинальной генерации пара составит 4 %).
Цель исследования
Таким образом, возникает научно-техническая задача по расширению (в сторону увеличения) диапазона управляющего воздействия автоматической системы управления тепловой нагрузкой с сигналом по теплоте, с целью использования в качестве топлива искусственных газов, когда пропускная способность регулирующего органа не в состоянии обеспечить подачу на горелочные устройства необходимого количества искусственного газа.
Одним из способов увеличения пропускной способности регулирующего органа является увеличение перепада давления на нем. Технически этого можно достичь, если искусственный газ подавать на горелочные устройства с помощью компрессора, который за счет повышения давления газа перед полностью открытым регулирующим органом, увеличивает расход и, таким образом, компенсирует его низкую теплотворную способность и (или) большую плотность.
Для решения поставленной задачи необходимо определить структуру и параметры устройства связи (УС) (рис. 1), которое должно управлять производительностью газового компрессора таким образом, чтобы после исчерпания пропускной способности РО, компрессор увеличил подачу искусственного газа в топочную камеру по сигналу от регулятора расхода топлива и это не привело бы к снижению качества регулирования (увеличению длительности переходного процесса и большим динамическим отклонениям давления Р пп и расхода Б пп перегретого пара). Предполагается, что задачи по оптимальному управлению работой дымососа и дутьевого вентилятора решаются соответствующими типовыми АСУ и их производительности по нагнетанию воздуха в топку и удалению дымовых газов достаточно для решения этих задач.
Изложение основного материала исследования
В рассматриваемом технологическом участке барабанного котла можно выделить следующие структурные элементы - это компрессор и газопровод искусственного газа, регулирующий орган, через который проходит как природный газ, так и искусственный, топочная камера с экранными поверхностями нагрева, барабан котла и паропровод. Регулируемыми параметрами для этого участка являются: давление перегретого пара Рпп и тепловыделение в топочной камере 0Т, управляющим воздействием - положение РО по расходу газообразного топлива к РО или число оборотов привода компрессора п, возмущающими воздействиями - теплотворная способность топлива (внутреннее возмущение) и тепловая нагрузка потребителя пара (внешнее возмущение). Для управления технологическим участком используется двухконтурная схема регулирования с стабилизирующим регулятором расхода топлива и корректирующим регулятором давления перегретого пара (рис. 1).
Основываясь на работах [7, 12] и с учетом особенностей выбранной схемы регулирования, можно записать систему линейных дифференциальных уравнений в отклонениях для регулируемого участка. Уравнение для газового компрессора и участка газопровода от него до топочной камеры:
ТшЦ)иг + АОиг = ТК Ап + кКАп , (5)
где Тгп - инерционность газопровода, кк - коэффициент передачи между числом оборотов п и объемным расходом искусственного газа 0 ИГ.
Уравнение тепловыделения в топочной камере для природного и искусственного газа:
а^=опг кРО Акро+ОИг А0иг+Оиг иг. (6)
Уравнение передачи тепла в топочной камере к пароводяной смеси в экранных поверхностях
нагрева:
Тт А&т + А£)т = кр АОр, (7)
где Тт - инерционность процесса теплопередачи, учитывающая эффект аккумуляции тепла в металлических конструкциях барабана котла, кР - коэффициент передачи между количеством теплоты, выделившимся при
сжигании газо-воздушной смеси, и количеством тепла воспринятого пароводяной смесью в поверхностях нагрева.
Уравнение зависимости давления пара в барабане котла Рь от количества тепла, полученного пароводяной смесью, и расходом пара к потребителю В ПП:
ТБ АРЬ = кт ЛQr + ки &ВПП , (8)
где ТБ - инерционность процесса генерации пара в барабане котла, кТ, кВ - коэффициенты передачи между тепловосприятием и тепловой нагрузкой соответственно.
Уравнения для паропровода от барабана котла к потребителю:
ТПП АРПП + АРПП = Кп &РЬ; (9)
ТПП А^ПП + ЬОпп = кпп АРЬЬ , (10)
где ТПП - инерционность паропровода, кПП, кПС - коэффициенты передачи между изменением давления в барабане котла и изменением давления и расхода перегретого пара соответственно.
использующим в обратной отрицательной связи сигнал по теплоте АQИЗМ = СП-— + А РПП , где СП
Возмущение изменением калорийности топлива устраняется в типовой АСУ регулятором топлива,
Р
Л
- постоянный коэффициент, характеризующий массовую аккумулирующую способность пароводяной смеси и металла испарительной части котла [11].
Усовершенствованная АСУ тепловой нагрузки барабанного котла должна обеспечить плавный переход на подачу искусственного газа с помощью компрессора, когда регулятор топлива максимально откроет регулирующий орган. В этом случае управляющий сигнал от регулятора топлива, в соответствии с которым до этого происходило перемещение регулирующего органа, должен быть так изменен УС, чтобы его реализация с помощью компрессора не привела к существенному изменению свойств объекта по регулирующему каналу. Отношение передаточной функции участка по каналу "изменение положения
регулирующего клапана - тепловыделение в топочной камере" к передаточной функции
участка по каналу «изменение производительности компрессора - тепловыделение в топочной камере»
(8) определяет вид УС, когда управление осуществляется только одним барабанным котлом
(рис. 1):
QПГ Кро (Тгп 8 +1)
Wyc (S) = -
QtF Kк
(T Л'
J- z
К
S +1
V Kк J
(11)
С учетом малой инерционности газовых компрессоров и, располагая компрессор как можно ближе к котельному оборудованию, передаточная функция УС (11) может быть упрощена:
Wyc (S)« Q"rKp°/QHFK • (12)
XLsT К
Упрощенная передаточная функция УС является пропорциональным звеном, однако наличие в выражении (12) значений теплотворных способностей природного и искусственного газов накладывают следующие ограничения для использования такой АСУ - в качестве топлива должен использоваться один вид искусственного газа или АСУ должна быть дополнена устройством, определяющим химический состав сжигаемого газа [9].
Выводы
Проведенные исследования показали, что существует возможность использования дешевого низкокалорийного искусственного газа в качестве замены дорогого импортного природного газа на энергетических и тепло-коммунальных предприятиях Украины. Численные расчеты показали, что одним из основных ограничивающих факторов по использованию дешевого топлива без существенной модернизации энергетического оборудования является пропускная способность регулирующего органа.
Решение проблемы достигается путем повышения давления газа в газопроводе с помощью компрессора. Введение в технологическую схему газового компрессора приводит к необходимости модификации типовой АСУ тепловой нагрузки.
Применение методики классической теории автоматического управления позволило определить вид
передаточной функции устройства связи между регулятором топлива и компрессором.
Список использованной литературы
1. Рюль К. ВР: Прогноз развития мировой энергетики до 2030 года / К. Рюль // Вопросы экономики. -2013. - № 5. - С. 109-128.
2. Tanaka K. Gas turbine combustor technology contributing to environmental conservation / K. Tanaka, K. Nishida, W. Akizuk // Mitsubishi Heavy Industries Technical Review. - 2009. - V. 46, № 2. - P. 6-12.
3. Яковлев В.А. Испытания работы газогорелочного устройства с принудительной подачей воздуха и щелевой камерой / В.А. Яковлев // Фундаментальные исследования. - 2016. - № 9. - С. 299-306.
4. Кудинов А.А. Влияние впрыска водяного пара в камеру сгорания газотурбинной установки на эффективность работы котла-утилизатора / А.А. Кудинов, С.П. Горланов // Промышленная энергетика. - 2014. - № 12. - С. 32-35.
5. Канюк Г.И. Разработка системы автоматического управления паровыми котлами электростанций при сжигании низкосортных топлив / Г.И. Канюк, А.Ю. Мезеря, И.В. Сук, И.А. Бабенко, Е.Н. Близниченко // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2016. - № 2(84). - С. 44-51.
6. Потапов В.Н. Анализ схем подачи генераторного газа из биомассы и отходов для сжигания в камерных топках котлов / В.Н. Потапов, В.В. Костюнин, А.С. Ханова, Н.И. Саутченко, И.А. Зимовец, К.В. Очайкин // Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. - 2012. - № 3(11). -С. 66-72.
7. Dobrovolska T. The Automated Control System of the Burning Fuel Process with a Variable Calorific Capacity for the Refining Industry / T. Dobrovolska, V. Lozhechnikov // Journal of Automation and Information Sciences. 2016. - V. 48. - P. 25-30.
8. Максимов М.В. Модель и метод определения условной формулы углеводородного топлива при сжигании / М.В. Максимов, А.И. Брунеткин, А.В. Бондаренко // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2013. - № 6(8). - С. 20-27.
9. Брунеткин А.И. Метод определения состава горючих газов при их сжигании / А.И. Брунеткин, М.В. Максимов // Науковий вюник Нацюнального прничого ушверситету. - 2015. - № 5. - С. 83-90.
10. Авдеева О.В. Система экстремального регулирования горением топлива в котельной установке / О.В. Авдеева // Вестник Пензенского государственного университета. - 2015. - №. 3 (11). - С. 167-174.
11. Плетнев Г.П. Автоматизация технологических процессов и производств в теплоэнергетике / Г.П. Плетнев. - М.: МЭИ, 2007. - 352 с.
12. Бундюк, А. Н. Моделирование динамики топливно-воздушного тракта когенерационной энергетической установки / А.Н. Бундюк, Е.О. Улицкая, О.С. Ларионова // Пращ Одеського полггехшчного ушверситету. - 2014. - № 2. - С. 122-129.
