Оптимизация процесса горения в паровом котле при сжигании нескольких видов топлива с применением экстремального регулятора

i. m.

Теплоэнергетика — отрасль промышленности, отличающаяся широкой механизацией технологических процессов, высокими параметрами рабочей среды, требованиями к точности их регулирования, а также наличием собственного источника энергии, является той областью науки и техники, где постоянно находят приложение методы теории и новые технические средства автоматического управления.

Дальнейшее развитие энергетики Российской Федерации должно сосредотачивать усилия на технологическом совершенствовании основного оборудования, с целью повышения эффективности, долговечности и надежности его работы.

Технологическое оборудование современных электростанций достигло той степени сложности, при которой немыслима его эксплуатация без применения новейших средств автоматизации.

Развитие данной отрасли промышленности идет преимущественно по пути сооружения блоков мощностью более 200 МВт. Для работы таких блоков в условиях нормальной эксплуатации необходимо контролировать до 1000 параметров, а для блоков мощностью 500 и даже 800 МВт число этих параметров достигает 2500, что невыполнимо для оператора. Эту задачу берут на себя автоматические системы регулирования тепловыми процессами и ЭВМ. Особенно эффективно показали себя ЭВМ, осуществляющие сбор информации и выдающие результаты в виде советов оператору или сигналы-команды для исполнительных механизмов, расположенных’на объекте управления. Таким образом, часть функции по управлению и контролю сложными технологическими процессами берет на себя ЭВМ. В том числе круг «компетенции» ЭВМ включает в себя контроль и сигнализацию, расчет косвенных показателей и параметров, расчет технико-экономических показателей, оптимизация режимов работы оборудования.

Наряду с внедрением централизованного контроля и управления широко распространены АСР отдельных участков технологического процесса, автоматического управления и защиты оборудования.

Применение автоматизированных систем управления позволяет повысить надежность и экономичность энергетических установок при малом числе обслуживающего персонала, способствует повышению его квалификации.

В настоящее время в РАО «ЕЭС России» находится в эксплуатации большое количество барабанных паровых котлов различных типов (ТП, ТГМ, БКЗ различных модификаций и др. Например, в Московской энергетической системе свыше 80% установленной мощности, обеспечивается тепловыми электрическими станциями с паровыми барабанными котлами). С учетом этого паровые барабанные котлы служат главными объектами исследования в настоящей работе.

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 то пку парового «котла.

В настоящее время можно считать решенными вопросы, связанные с автоматическим поддержанием тепловой нагрузки котла в соответствии с заданием. В частности, определены типовые варианты подключения входных сигналов к регуляторам топлива и воздуха при сжигании различных видов топлива. При этом для оценки уровня тепловой нагрузки пылеугольных барабанных котлов в качестве типового принят предложенный в 1953 году МО ЦКТИ сигнал по теплоте [4]. Однако многолетний опыт эксплуатации автоматической системы регулирования (АСР) тепловой нагрузки с сигналом по «теплоте» показал, что последний обладает рядом существенных недостатков. Автоматические регуляторы топлива с этим сигналом, с точки зрения экономичности процесса горения, недостаточно эффективны.

Для обеспечения процессов парообразования энергии с наименьшими экономическими затратами в практике известно два основных направления экстремизации технико-экономических показателей (ТЭП) энергоблока или его оборудования [5]. При разомкнутом экстремальном управлении зависимости оптимальных значений параметров от различных видов воздействий определяются аналитически или же опытным путем по результатам испытаний на действующем оборудовании. На основе этих зависимостей и выбираются статические настройки автоматических регуляторов соотношения или составляются рекомендации по управлению для операторов (режимные карты). Примерами указанного разомкнутого управления служат оптимизация соотношений «топливо-воздух» и «вода-воздух» при изменениях нагрузки, оптимизация вакуума в конденсаторе турбины [5, 29]. Несмотря на высокое быстродействие, разомкнутые системы оптимального управления могут иметь значительную статическую ошибку.

При замкнутом экстремальном управлении с обратной связью по тому или иному показателю качества работы системы отыскание точки положения экстремума осуществляется с помощью поисковых движений. Поиск — характерная черта экстремальных систем с обратной связью. В процессе поиска определяется знак и абсолютное отклонение (либо только знак) рабочей точки от точки экстремума и инициируется движение в сторону экстремума [65]. Примеры, связанные с применением автоматических поисковых регуляторов приведены в [31, 98, 99]. Обладая меньшим быстродействием и необходимостью пробных возмущений, эти системы, тем не менее, позволяют осуществлять контроль непосредственно за текущим положением экстремума, характеризующим качество работы автоматической системы. При этом большую роль играет выбор входного сигнала ЭСР.

Известно, что формирование сигнала по КПД в темпе с процессом горения в настоящее время не практикуется в силу невысокой точности его измерения.

31]. Однако, экстремальное управление вполне возможно по косвенному показателю (сигналу), отвечающему определенным требованиям.

Обеспечение надежной безаварийной эксплуатации паровых котлов во многом определяется решением проблемы • надежности работы теплонапряженных поверхностей нагрева. В первую очередь это топочные экраны и пароперегреватель. Надежная работа этих поверхностей нагрева определяется большим числом конструктивных и эксплуатационных режимных факторов [32]. Одним из важнейших факторов, связанных как с конструкцией, так и с режимом эксплуатации котла является аэродинамика факела горящего топлива. Структура и расположение факела в топочном объеме определяет наличие или отсутствие перекосов-неравномерностей температур и газового состава, а, следовательно, неравномерностей плотности теплового потока по ширине, глубине и высоте топки. Неравномерность обогрева параллельно работающих труб панелей контуров циркуляции и пароперегревателя может привести к выходу их из строя как вследствие нарушений характеристик циркуляции или гидродинамики, так и вследствие интенсификации процессов образования внутритрубных отложений, шлакования и отложений на наружной поверхности труб, а также коррозийных процессов [33]. Применяемые в настоящее время косвенные методы измерения тепловых нагрузок экранных поверхностей: температурные вставки, переносные термозонды и др. не отвечают требованиям оперативности и доступности для эксплуатационного персонала. Кроме того, барабанные котлы в меньшей степени оснащены этими методами и приборами.

Из всего вышесказанного следует вывод, что проблема экономичности процесса горения в топках паровых котлов по-прежнему считается актуальной. Кроме того, новые экономические условия требуют комплексного подхода к данной проблеме, с учетом экологического фактора и надежности основного оборудования. В настоящей работе рассматривается один из путей ее решения.

В диссертационной работе обосновано использование сигнала .'по тепловосприятию топочных экранов АРп.с. в экстремальной системе регулирования (ЭСР) экономичности процесса горения в топке барабанного парового котла, разработана ЭСР экономичности процесса горения с корректирующим сигналом по тепловосприятию топочных экранов ДРп.с. для «многотопливных» барабанных паровых котлов на базе микропроцессорных регуляторов, а также обосновано использование сигнала АРп.с. для системы технической диагностики (СТД) теплонапряжённости экранных поверхностей нагрева барабанного парового котла и сигнала по перепаду давлений рабочей среды в экранах топочной камеры прямоточного котла АР в системе технической диагностики положения ядра факела в топке прямоточного котла.

Диссертация состоит из четырех глав и приложений.

В первой главе «Обзор и анализ литературных источников и постановка задачи исследования» приведен краткий анализ существующих схем регулирования экономичности процесса горения в топках барабанных паровых котлов, сформулированы проблемы научного исследования и постановка задач, решаемых в диссертации.

Во второй главе «Обоснование применения сигнала АРпс для оптимизации процесса горения в топке барабанного котла» приведены полученное по результатам выполненных на ПЭВМ расчетов исследование влияния изменения положения точек отбора сигналов давления в цирконтуре котла Р на значение сигнала АРп.с., экспериментальные данные по определению статических характеристик сигнала АРп.с., полученные с помощью полнофакторного эксперимента на котле ТП-108. Приведено обоснование применения сигнала, характеризующего тепловыделение в топке (АРп.с.), для системы технической диагностики теплонапряжённости экранных поверхностей нагрева, разработан промышленный образец СТД тсплон’апряжснпости экранных поверхностей нагрева па базе микропроцессорных регуляторов. 1.

В третьей главе «Разработка экстремальной системы регулирования (ЭСР) экономичности процесса горения в топке барабанного парового котла с использованием сигнала по тепловосприятию топочных экранов на базе микропроцессорной техники и обоснование применения сигнала АР в СТД положения ядра факела в топке прямоточного котла» разработана функциональная схема ЭСР экономичности процесса. горения с корректирующим сигналом по тепловосприятию топочных экрановпроведено ее исследование методом имитационного моделированияприведено сравнительное исследование двух методов решения задачи экстремального регулирования (ЭСР «по приращению» и ЭСР «по второй разности») в условиях, характерных для работы ЭСР на действующем оборудованииразработано программное обеспечение и описана техническая реализация ЭСР на базе микропроцессорных регуляторов применительно к паровым барабанным котлам. Также приведено обоснование возможности применения сигнала по перепаду давлений рабочей среды в экранах топочной камеры АР в системе технической диагностики положения ядра факела в топке прямоточного котла.

Материалы второй и третьей глав во многом отражают научную новизну выполненных исследований.

В четвертой главе «Промышленное внедрение выбранных схем и способов регулирования» и приложениях содержится материал, отражающий практическую значимость предлагаемых работ, приведены результаты промышленных испытаний ЭСР экономичности процесса горения с корректирующим сигналом по тепловосприятию топочных экранов на работающем одновременно на нескольких видах топлива паровом барабанном котле, выполнена оценка точности экспериментальных динамических характеристик сигнала ДРп.с.

В приложениях приведены программы разработанных ЭСР и СТД для микропроцессорных регуляторов, программы и результаты проведенных расчетов и испытаний.

Свою глубокую благодарность автор приносит научному руководителю доктору технических наук профессору Плетневу Г. П. и оказавшему ощутимую помощь автору при выполнении диссертации сотруднику кафедры АСУ ТП МЭИ кандидату технических наук доценту Лесничуку А.Н.

В заключении автор выражает благодарность всему коллективу кафедры АСУ ТП МЭИ за предоставленную возможность завершения работы, результаты которой могут быть использованы для проведения дальнейших научных разработок в области автоматизации паровых котлов.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Проведен сравнительный анализ существующих схем регулирования тепловой нагрузки и экономичности процесса горения в топках барабанных паровых котлов, показаны ограниченные возможности типовых систем оптимизации топочного процесса.

2. Расчетные и экспериментальные данные, полученные в результате исследования парового барабанного котла ТП-108 как объекта управления, подтверждают возможность использования сигнала по тепловосприятию топочных экранов ЛРПС в системах экстремального регулирования экономичности процесса горения в топках работающих на различных видах топлива паровых барабанных котлов.

3. Показана возможность использования сигнала /РПС Для оценки «теплонапряженности экранных поверхностей нагрева барабанных паровых котлов, разработана и реализована на базе микропроцессорных регуляторов на действующем оборудовании система технической диагностики (СТД) теплонапряженности экранных поверхностей нагрева.

4. Разработана структура и алгоритм экстремальной системы регулирования экономичности процесса горения с применением сигнала по тепловосприятию топочных экранов ДРПС для паровых барабанных котлов.

5. Разработана программа, имеющая широкие возможности по всестороннему исследованию и модификации ЭСР с использованием сигнала по тепловосприятию топочных экранов АРПС. Проведены в условиях, близких к реальным, всесторонние исследования разработанной ЭСР на имитирующей моделипоказана ее работоспособность в условиях наблюдаемого в промышленных условиях дрейфа экстремума.

6. Проведено сравнительное исследование двух методов решения задачи экстремального регулирования (ЭСР «по приращению», и ЭСР «по второй разности») в условиях, характерных для работы ЭСР на действующем оборудовании.

7. Разработано программное обеспечение и осуществлена техническая реализация ЭСР на базе микропроцессорных регуляторов для парового барабанного котла k ТП-108. Осуществлено промышленное внедрение разработанной ЭСР экономичности процесса горения с использованием сигнала по тепловосприятию топочных экранов на «многотопливном» барабанном паровом котле ТЭС. Промышленные испытания подтверждают преимущество ЭСР с сигналом ДРПС перед АСР топочного процесса с другими входными сигналами.

8. Разработанная АСР может быть эффективно использована при отладке топочного режима на новых или вышедших из ремонта котлах, а также при составлении или корректировке существующих режимных карт котла по процессу горения.

9. Показана возможность применения сигнала по перепаду давлений рабочей ^ среды в экранах топочной камеры АР для технической диагностики положения ядра факела в топке прямоточного котла — результаты экспериментов позволяют сделать вывод о чувствительности перепадов давлений АР1фЧлев. и ДР1фЧпр к изменению положения ядра факела в топке прямоточного парового котла.

Заключение

.