Полная версия

Главная arrow Техника arrow АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

АВТОМАТИЗАЦИЯ УСТАНОВОК ДЛЯ ПОДОГРЕВА

ВОДЫ, ВОЗДУХА И ПОЛУЧЕНИЯ ПАРА ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

До 20 % добываемого в стране топлива потребляется котельными, производящими 60 % используемой тепловой энергии.

Среднее сельскохозяйственное предприятие имеет от 10 до 20 котлов или теплогенераторов и расходует в год 8... 10 тыс. т условного топлива. В целом же по стране работает приблизительно 700 тыс. единиц этого оборудования, которое обслуживает более 1,5 млн человек. Естественно, надежная и экономичная эксплуатация оборудования систем теплоснабжения невозможна без его автоматизации, причем экономический эффект от автоматизации возрастает с увеличением мощности котельной.

Рассмотрим основные положения технологии производства тепловой энергии с точки зрения автоматизации управления этим процессом.

В сельскохозяйственном производстве используют твердое, жидкое и газообразное топливо. Твердое и жидкое топливо состоит из углерода С, водорода Н, кислорода О, азота N, органической серы Sop, колчеданной серы SK, золы А влаги W. Газообразное топливо (природный газ) на 94 % состоит из метана СН4 и небольшого количества других углеводородов, оксида углерода и водорода.

Основная техническая характеристика топлива — это теплота сгорания (?,„ характеризующая количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг или 1 м3 топлива. Теплота сгорания зависит от вида и количества топлива (каменный уголь 12...36 МДж/кг, природный газ 35 МДж/м3). К другим характеристикам относятся влажность, зольность и содержание летучих веществ — газообразных горючих продуктов, выделяющихся при сгорании топлива.

Топочные устройства должны обладать максимально возможной экономичностью, высокой производительностью и надежностью. Топливо в топке может сгорать на колосниковой решетке (слоевые топки) и во взвешенном состоянии в воздушном потоке (камерные топки).

Автоматизация подачи топлива в камеру сгорания котла существенно влияет на производительность процесса получения горячей воды и пара.

Слоевые топки с неподвижным слоем топлива на колосниковой решетке обслуживают вручную. Перемещение топлива по колосниковой решетке частично механизировано. В одной из таких конструкций топливо по колосниковой решетке перемещается планкой 1 (рис. 8.3, а), совершающей возвратно-поступательные движения от фронта котла к задней стенке топки, и обратно. При этом на прямом ходе планка перемещает топливо к задней стенке, при обратном подрезает слой шлака, обеспечивая доступ воздуха в топку. Управление такой планкой автоматизировано.

Слоевые топки, в которых топливо перемещается вместе с решеткой, (рис. 8.3, б) механизированы полностью. Колосниковое полотно, выполненное в виде бесконечной ленты, перемещается со скоростью 2...30 м/ч. Топливо из загрузочной воронки само ссыпается на движущуюся решетку, причем толщину слоя на ней устанавливают с помощью регулируемого шибера. Специальная форма свода топки способствует быстрому нагреву и воспламенению поступившего топлива.

Более совершенна загрузка топлива с помощью пневмомеханических забрасывателей (рис. 8.4, а), использующих энергию вращения ротора (л = 410...760 мин-1) и сжатого воздуха. Топливо из бункера извлекается питателем 7, совершающим возвратно-поступательные движения, и распределяется роторным метателем по полотну колосниковой решетки. Транспортирование мелкого угля и угольной пыли осуществляется потоком воздуха. Дальность полета крупных кусков топлива значительна (4,5 м и более), поэтому решетки в топках с такими забрасывателями перемещаются от задней стенки к фронту. Основная часть воздуха, необходимого

Типы топок

Рис. 8.3. Типы топок:

а — слоевая полумеханическая: /—планка; 2—колосники; б— слоевая механическая: / — уголь; 2—шибер; 3— топка; 4—решетка; 5—воздушные короба; в — камерная: /—факел; 2— экран

Типы топлнвополаюших устройств

Рис. 8.4. Типы топлнвополаюших устройств:

а — пневмомеханический забрасыватель: /— питатель; 2— уголь; 3— роторный метатель; б — пылеугольная горелка: 1 — топка; 2 — форсунка; в — инжекторная горелка

для горения, подается под решетку через систему коробов. Оставшаяся часть воздуха подается непосредственно в топку. Управление механической топкой автоматизировано.

Камерные топки (см. рис. 8.3, в) для сжигания твердого топлива в воздушном потоке требуют его размола до пылевидного состояния (20...25 мкм). Несмотря на большой расход энергии на помол (до 30 кВт • т/ч), такие топки отличаются большой экономичностью, надежностью и подготовленностью к автоматизации (мощность топки изменяется в зависимости от количества угольной пыли, подаваемой шнековым питателем).

Важнейший элемент камерной топки — горелка (рис. 8.4, б), обеспечивающая транспортирование пыли и ее перемешивание с воздухом.

Транспортирование жидкого топлива в топку обеспечивается форсункой. Вязкое топливо (мазут) должно быть предварительно подогрето до 70...100вС. Существуют также форсунки, которые распыляют топливо за счет центробежных сил, образующихся при вращении стакана, внутрь которого подается топливо (ротационные форсунки).

Газовое топливо подается в топку через горелку. Инжекторная горелка (рис. 8.4, в) сама подсасывает нужное для сжигания газа количество воздуха. В мощных современных газовых и газомазутных горелках воздух подается специальным вентилятором. Производительность горелки регулируется поворотной заслонкой на подводящем газопроводе.

Важная характеристика топки — мощность, которая пропорциональна расходу топлива.

В сельскохозяйственных отопительных и отопительно-производственных котельных применяют котлы двух типов: паровые и водогрейные. Первые из них работают по принципу естественной

циркуляции рабочего тела (воды), а вторые — по принципу принудительной циркуляции, создаваемой специальным насосом.

В паровых котлах с естественной циркуляцией для перемещения рабочего тела используют гравитационный напор, возникающий за счет разности плотностей воды и паровой смеси. Основной элемент котла — барабан 3 (рис. 8.5, а), в который насосом 6 подается вода. По нсобогреваемым опускным трубам / вода поступает в коллектор, а оттуда в экранные трубы 2, служащие стенками топочной камеры изнутри и обогреваемые теплотой сгорания топлива Q. Образующаяся в экранных трубах 2 пароводяная смесь вытесняется в барабан 3 водой из опускных труб (естественная циркуляция), где происходит ее разделение на пар и воду. Вода снова опускается в коллектор, а пар поступает в пароперегреватель 4 и оттуда к потребителю.

Часть теплоты выходящих из котла газообразных продуктов сгорания (дымовых газов) идет на нагрев воды в экономайзере 5 и воздуха в воздухоподогревателе 7.

На предприятиях сельскохозяйственного теплоснабжения широко применяют двухбарабанные котлы ДЕ (ДКВР), многие из которых не оборудованы паронагревателем и вырабатывают насыщенный пар при давлении 1,4 МПа. Котлы этого типа недостаточно экономичны, что объясняется отсутствием развитых хвостовых поверхностей нагрева, а также неэффективностью ручного регулирования процесса горения в режиме переменных нагрузок. Автоматизация позволяет значительно уменьшить влияние после-

Принципиальные схемы парового (а) и водогрейного (б) котлов

Рис. 8.5. Принципиальные схемы парового (а) и водогрейного (б) котлов:

/ — опускные трубы; 2—подъемные (экранные) трубы; J —барабан; 4— пароперегреватель; 5 — водяной экономайзер; б — питательный насос; 7— воздухоподогреватель; дутьевой вентилятор; 9— сетевой насос; 10— поверхности нагрева

дней составляющей, особенно при работе котла на жидком или газообразном топливе.

В общем случае схемы автоматизации котла в значительной степени зависят от вида сжигаемого топлива.

Водогрейные котлы (рис. 8.5, б) используют для нагрева воды, циркулирующей в тепловой сети. Наиболее распространены чугунные стационарные котлы, набираемые из отдельных литых секций, соединяемых между собой при помощи ниппелей и стяжек. Котлы этого типа, как правило, работают на твердом топливе, имеют слоевую топку и характеризуются низким уровнем автоматизации.

Более совершенны конструкции водотрубных котлов типа ПТВМ, KB-ГМ, KB-ТС, имеющих современную компоновку, большую единичную мощность и высокую степень автоматизации. Все они (кроме KB-ТС) работают на жидком и газообразном топливе с КПД до 90 %.

Экономическая эффективность процесса выработки тепловой энергии в значительной мере зависит от конструкции вспомогательных поверхностей нагрева котлов, позволяющих в максимальной степени использовать теплоту сгорания топлива. К этим поверхностям нагрева относятся водяной экономайзер (рис. 8.6, я), предназначенный для подогрева питательной воды теплотой выходящих дымовых газов, и воздухоподогреватель (рис. 8.6,6), предназначенный для нагрева воздуха, используемого в топке котла для сжигания топлива (нагрев воздуха на 1 °С эквивалентен снижению температуры выходящих газов на 0,4 °С).

Экономичность работы котельного агрегата оценивают по КПД г|к (рис. 8.7, я), равному отношению количеств теплоты q2 и используемых на выработку и перегрев пара, к общему количеству теплоты Iq, выделившейся при полном сгорании топлива.

Из косвенных методов оценки экономичности самый распространенный — метод анализа состава дымовых газов, покидающих топку.

Как видно из рисунка 8.7, я, минимум потерь соответствует определенному коэффициенту избытка воздуха в топке сц.. Этот коэффициент можно оценить по содержанию

Рис. 8.6. Вспомогательные поверхности нагрева котла:

а — водяной экономайзер; б — воздухоподогреватель

График зависимости КПД котла от коэффициента избытка воздуха в топке (а) и схема устройства для регулирования подачи дутьевого вентилятора (б)

Рис. 8.7. График зависимости КПД котла от коэффициента избытка воздуха в топке (а) и схема устройства для регулирования подачи дутьевого вентилятора (б):

/ — дутьевой вентилятор; 2—направляющий аппарат; 3— кинематическая связь; 4—исполнительный механизм

кислорода в выпускных дымовых газах:

где 21 — содержание кислорода в атмосферном воздухе, %; Ог — содержание кислорода в дымовых газах, %.

Управление экономичностью процесса сжигания топлива происходит за счет изменения количества воздуха, подаваемого в топку. Это управление обеспечивается работой регулятора экономичности, воздействующего на производительность вентилятора ?(см. рис. 8.5, а).

Основной способ управления экономичностью работы котла — изменение количества воздуха, подаваемого в топку вентилятором а).

Дутьевой вентилятор радиального типа имеет большую подачу (4...8 тыс. м3/ч), поэтому вопрос экономичного регулирования его производительности очень важен.

Из трех известных способов регулирования подачи (дросселированием потока на нагнетании, на всасывании и изменении частоты вращения) самый экономичный — третий. Однако на практике обычно применяют второй — с помощью направляющего аппарата (многоосных поворотных заслонок), имеющего привод от электродвигателя (рис. 8.7, б).

Большинство топок отечественных котельных агрегатов работают под небольшим разряжением, создаваемым работой дымососа. Подача дымососа должна соответствовать объему дымовых газов, поскольку повышение разрежения приводит к увеличению присосов наружного воздуха в топку и газоходы, а также к росту объема дымовых газов и снижению КПД котла. Недопустимо и повышение давления в котле более атмосферного, поскольку это приведет к «выбиванию» продуктов сгорания в помещение котельной.

Необходимое (29...30 Па) разрежение в верхней части топки поддерживают, регулируя подачу дымососа с помощью направляющего аппарата аналогичной конструкции, но больших размеров, поскольку подача дымососа значительно больше, чем у вентилятора.

Управление подачей обеих установок автоматизировано.

Принципиальная схема ТП производства пара в паровом котле с естественной циркуляцией показана на рисунке 8.8. Топливо Gy и воздух GB поступают в топку котла. Продукты сгорания отдают теплоту воде, циркулирующей по контуру: барабан котла — опускные трубы — подъемные трубы — барабан котла. Пароводяная смесь в барабане котла разделяется на пар и воду. Пар под давлением р6 подается в пароперегреватель ЯЛ, где его температура повышается до 0П, а вода из барабана котла вновь опускается в ниж-

Технологический процесс производства пара в котле (а) и схема связей между основными управляющими воздействиями и регулируемыми параметрами (б)

Рис. 8.8. Технологический процесс производства пара в котле (а) и схема связей между основными управляющими воздействиями и регулируемыми параметрами (б):

Т— топка; ПП— пароперегреватель; ВЭ— водяной экономайзер; ВП — воздухоподогреватель; ДС — дымосос; ДВ — дутьевой вентилятор; ПО — пароохладитель; РА'—регулирующий клапан; РПК — регулирующий питательный клапан; НА — направляющий аппарат; G„, (7П „ (7Т, Gr, Gnp, (7enp — соответственно количество пара, питательной воды, топлива, дымовых газов, продувочной воды и впрыскиваемой в пароохладитель воды; /„ — температура пара; S, — разрежение в топке; 02 — содержание кислорода в уходящих дымовых газах; Н6 — уровень воды в барабане котла; Св — со- лссодержание воды в барабане котла

ний коллектор. Температуру перегрева пара регулируют, изменяя количество воды Свпр, впрыскиваемой в пароохладитель ПО. Необходимый для сгорания топлива воздух GB нагнетается в топку котла дутьевым вентилятором ДВ через воздухоподогреватель ВП., в котором его температура повышается за счет теплоты выходящих дымовых газов.

Движение дымовых газов создается дымососом ДС таким образом, чтобы в верхней части топки было небольшое разрежение Sjy исключающее «выбивание» дымовых газов в помещение котельной.

Питательная вода подается в барабан котла через водяной экономайзер ВЭ, где ее температура повышается за счет теплоты дымовых газов. Количество подаваемой воды (7ПВ должно обеспечить стабилизацию уровня воды Яб в барабане котла. В процессе выработки пара солесодержание воды Св в барабане котла постоянно растет. Для поддержания этого параметра на допустимом уровне непрерывно выводят часть воды (7пр из нижней части барабана.

Основные регулируемые параметры котла — (7П, рп и 0П, причем первый параметр может изменяться в соответствии с потребностью, а рп и 0П должны быть стабилизированы. Стабильно высокой должна быть и экономичность работы котла, оцениваемая по содержанию О2 в дымовых газах. Вспомогательные регулируемые параметры: уровень воды в барабане Я6, ее солесодержание Св и разрежение в топке Sj.

Перечисленные параметры изменяются в результате регулирующих воздействий, а также под действием внешних и внутренних возмущающих воздействий, носящих детерминированный и случайный характер. При этом выходная регулируемая величина одного участка является входной по отношению к другому. Так, давление в барабане котла р6 выходная величина по отношению к подаче топлива GT и входная для участка регулирования уровня воды в барабане котла.

Таким образом, котел — сложная динамическая система с несколькими входными и выходными величинами. Котельная установка может работать как в установившемся, так и в неустановив- шемся режиме.

Водогрейные котлы оборудуют регуляторами процесса сжигания топлива, а паровые — еще и регулятором питания котла водой. Автоматическое управление процессом сжигания топлива объединяет в себе три взаимосвязанные системы: управления тепловой нагрузкой (мощностью) котла; управления экономичностью процесса сжигания топлива; стабилизации разрежения в топке.

В общем случае управление тепловой нагрузкой сводится к стабилизации нагрузки котла. Тепловая нагрузка, или мощность, котла в установившемся режиме пропорциональна его производительности Gn (при постоянных параметрах пара). Следует отметить, что

при постоянном давлении пара у потребителей паропроизводитель- ность котла пропорциональна давлению пара в барабане ръ.

Процесс выработки пара может быть представлен в виде схемы, изображенной на рисунке 8.8. Регулируемый параметр — давление пара в барабане р6, а регулирующее воздействие — изменение подачи в топку топлива GT и воздуха GB, в результате чего изменяются количество выделяемой в топке теплоты Qr и давление в барабане р6. Основные внешние возмущения при регулировании рь — изменения потребления пара Gn и подачи питательной воды 6у| в. Оба этих возмущения не связаны с работой топки и воздействуют только на режим работы котла.

Стабилизация разрежения в топке обеспечивает постоянство небольшого (20...30 Па) разрежения в верхней части топки, исключающего «выбивание» газов в помещение котельной. Кроме того, разрежение способствует устойчивому горению и косвенно характеризует материальный баланс между нагнетаемым в топку воздухом GB и выходящими дымовыми газами (?,. Регулятор разрежения воздействует на направляющий аппарат дымососа, а если дымосос работает на группу котлов, то на поворотную заслонку в газоходе за водяным экономайзером.

Топка котла, как объект управления разрежением, обладает незначительной инерцией. Кроме того, величина разрежения постоянно пульсирует с амплитудой 10... 15 Па и частотой в несколько герц. Для компенсации этих недостатков применяют электрическое или пневматическое сглаживающее устройство (демпфер).

Сложность задачи автоматизации процесса питания котла водой определяется жесткими требованиями к уровню #б (± 70... 100 мм), которые объясняются опасностью заброса воды в пароперегреватель или оголения и пережога экранных труб. Особенность барабана котла, как объекта регулирования, состоит в том, что он заполнен двухфазной средой (пароводяной смесью), параметры которой существенно зависят от давления.

Схемы автоматических регуляторов питания (РП) котла водой различны; самая простая —это одноимпульсный регулятор, действующий по отклонению уровня в барабане #б. В более сложной схеме используется двухимпульсный регулятор, действующий по отклонению уровня в барабане #g в сочетании с автоматической компенсацией изменения потребления пара G„. Это уже комбинированная САР, учитывающая и отклонение регулируемой величины, и возмущающее воздействие.

Автоматизация вспомогательного оборудования котельных установок предусматривает: управление работой редукционных и редукционно-охладительных установок, а также деаэрационных установок и регулирование температуры воды, поступающей в тепловую сеть. Помимо этого автоматизации подлежат система подпитки водой тепловой сети, водоподогреватели и водоподготовительные установки.

Отопление и горячее водоснабжение коттеджей, индивидуальных зданий и сооружений может осуществляться от автоматизированной котельной установки АКУ-70. Установка разработана на базе отечественного чугунного котла КЧМ-2М, автоматизированных горелок Junior (Финляндия), долговечного циркуляционного насоса UPS (Германия) и современной автоматики «Саутер» (Швейцария).

Установка АКУ-70 состоит из двух блоков: блока котла и блока горячего водоснабжения, объединенных единой системой автоматики. Блок котла включает в себя водогрейный котел, автоматизированную горелку, датчики защиты котла от перекипания и замерзания. Блок горячего водоснабжения имеет скоростной теплообменник, циркуляционный насос, запорно-регулирующую аппаратуру, устройства автоматики с датчиками температуры теплоносителя горячей воды и температуры наружного воздуха.

Установка работает на жидком, твердом и газообразном топливе, обеспечивает теплопроизводительность до 70 кВт и температуру горячей воды до 45 °С при расходе 500 кг/ч. При этом максимальная масса установки не превышает 1050 кг, а потребляемая мощность 500 Вт.

Для нагрева холодной воды до 85 °С в системе горячего водоснабжения коттеджей, индивидуальных домов как при наличии центральной системы холодного водоснабжения, так и при ее отсутствии предназначены электроводонагреватели открытого типа «ТАВИА-ЭВАВ». Электроводонагреватели должны располагаться выше точки потребления горячей воды. Корпус электроводонагревателя, как и ТЭНы, не подвержен коррозии, так как выполнен из высококачественной нержавеющей стали марки 12Н8Т10Т.

Электронный пульт управления автоматически поддерживает заданную температуру воды. Датчик уровня жидкости предотвращает нежелательную работу ТЭНов «всухую», автоматически отключив электропитание водонагревателя. Автоматическое подпитывающее устройство избавляет от необходимости доливать воду в емкость водонагревателя вручную.

Электроводонагреватели «ТАВИА-ЭВАВ» могут быть укомплектованы дополнительным оборудованием — насосами, КИПиА, запорно-регулирующей арматурой, пластиковыми трубами и т. п.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>