Технические науки. Автоматизированные системы управления на
производстве.
Ямаев Артур Ирекович
Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет
Система автоматического управления тягодутьевыми механизмами
отопительного котла.
В первой главе рассмотрены
особенности работы газовоздушного тракта отопительного котла, как объект
управления, проведен анализ задач и путей повышения энергоэффективности
управления дымососами и вентиляторами газовоздушного тракта отопительного
котла.
Для анализа наблюдаемых,
управляемых и возмущающих параметров рассмотрим работу газовоздушного тракта
отопительного котла, как объекта управления.
Количество топлива
подаваемого в топку отопительного котла определяется количеством тепловой
энергии вырабатываемой котлом, которая зависит от температуры окружающей среды.
В соответствии с температурным графиком работы отопительного котла, температура
теплоносителя меняется в зависимости от температуры окружающей среды.
С другой стороны абоненты
тепловой сети, в целях экономии тепловой энергии, также регулируют ее
потребление. Например, снижая ее потребление в ночные часы.
Учитывая, что
, (1)
где Qк – тепловая энергия котла,
Qiп –
тепловая энергия потребляемая i-м потребителем,
Qпот
–потери тепловой энергии,
n –
количество потребителей.
Изменение Qiп и Qпот
ведет к изменению тепловой мощности потребляемой котлом. Таким образом,
температура окружающей среды (tокр), тепловая энергия
потребленная абонентами тепловой сети(Qiп) и потери тепловой энергии
в тепловых сетях(Qпот) являются основными возмущающими факторами,
определяющими необходимость изменения подачи топлива в топку отопительного
котла.
В тоже время из формулы (2)
видно, что изменение расхода топлива(Bр) приводит к изменению
расхода воздуха(Vв) и является основным возмущающим воздействием для
воздушного тракта отопительного котла, и определяют необходимость регулировки
подачи воздуха в отопительный котел.
Vв =Vo*Вр*(т*(tв+273)/273, (2)
где Вр - расчетный расход топлива,
Vo - теоретический расход воздуха для сгорания 1кг топлива,
т - коэффициент избытка воздуха в топке,
tв - температура воздуха.
При работе отопительных
котлов с уравновешенным газовоздушным трактом для обеспечения нормального
топочного режима необходимо наличие небольшого постоянного разряжения в верхней
части топки отопительного котла до 20-30 Па. Учитывая, что изменение температуры уходящих газов, расхода топлива и
изменение действительного количества
продуктов сгорания
являются возмущающими воздействиями для газового тракта отопительного котла,
что требует регулирования разряжения отопительного котла.
Vr=Vп*Вр и
Vдг= Vг *(273+Тух)/273,
(3)
где
Vп - суммарный объем продуктов сгорания 1кг топлива,
Vг -
действительное количество продуктов сгорания,
Vдг -
объем продуктов сгорания перед дымососом,
Тух
– температура уходящих газов.
В качестве наблюдаемых
параметров для определения фактического расхода воздуха и разряжения,
используются датчики давления и разряжения.
Для управления подачей
воздуха и создания разряжения в топке отопительного котла применяются
вентиляторы. На рис.2 показаны характеристики вентилятора – зависимость
выходного давления Н от расхода воздуха В, и характеристики системы подачи
воздуха или отводящих газов.
Рис. 2
Точка пересечения двух кривых
является фактической рабочей точкой, определяющей расход (В) в системе.
Исходя из графика (рис.2)
изменение расхода воздуха и разряжение возможно двумя основными способами:
1.
Изменяя
характеристики системы подачи воздуха или отводящих газов;
2.
Изменяя
характеристики вентилятора или дымососа.
Таким образом, в результате
воздействия рассмотренных выше возмущающих факторов возникает задача
регулирования количества воздуха расходуемого для сжигания топлива и разряжения
в топке отопительного котла.
Наиболее целесообразно
осуществлять этот процесс в автоматическом режиме.
Автоматическое регулирование
производительности тягодутьевых механизмов отопительного котла дает возможность
более точно поддерживать наивыгоднейшие соотношения между расходом топлива,
воздуха и отсосом газов во всем диапазоне производительности отопительного
котла. Чем точнее работает комплекс регуляторов, тем лучше будут поддерживаться
наивыгоднейшие соотношения указанных величин, тем выше будет к.п.д. агрегата.
Автоматическое регулирование увеличивает надежность работы, облегчает условия
труда и позволяет уменьшить количество обслуживающего персонала.
Рассмотрим основные
требования к САУ газовоздушного тракта отопительного котла. Заданные режимной
картой отопительного котла значения в соответствии с формулами (2) и (3)
расхода воздуха и разряжения обеспечивает полное и эффективное сгорание топлива
при условии обеспечения безопасной работы отопительного котла. Нарушение этих
соотношений приводит к срабатыванию автоматики защиты отопительного котла и его
отключения.
В соответствии с инструкцией
по наладке котлов устанавливается время задержки (tзад.), в течение которого
возможны нарушения соотношений (2) и (3), и предельные отклонения расхода
воздуха и разряжения от заданных значений δпред, которые устанавливаются
на уровне δ=5%.
Время задержки срабатывания
защиты составляет tзад.=5 сек.
Из вышеизложенного следуют
требования к САУ газовоздушного тракта отопительного котла:
1.
Точность
поддержания заданных значений расхода воздуха и разряжения в топке
отопительного котла не более 5%.
2.
Быстродействие
САУ газовоздушного тракта отопительного котла, определяемое как время перехода
от одних заданных значений расхода воздуха Вв и разряжения, не более tзад.,
где tзад. – время задержки срабатывания защиты отопительного котла.
3.
Перерегулирование
в процессе автоматического управления не более 5%.
Расчетная температура, на
которую рассчитывается тепловая мощность отопительного котла, например для РБ
составляет -35°С. Реальная температура наружного воздуха в течение отопительного
периода существенно выше.
В результате тепловая
мощность котельной меняется, при этом минимальная мощность котла составляет
около 30% от номинального значения, средняя загрузка котла за отопительный
период составляет около 70% от номинальной мощности.
Следовательно, САУ
газовоздушного тракта отопительного котла должна обеспечивать устойчивую работу
в диапазоне изменения мощности отопительного котла от 30% до 100%.
Важной характеристикой
работы САУ газовоздушного тракта отопительного котла является ее
энергоэффективность.
В процессе регулирования
подачи воздуха и разряжения отопительного котла вентиляторы и дымососы
потребляют электроэнергию.
Пусть Рн=Рвн+Рдн,
где Рн – суммарная
номинальная мощность вентилятора (Рвн) и дымососа (Рдн),
соответствующая номинальной мощности отопительного котла, а
Р70=Рв70+Рд70,
где Р70 – суммарная мощность вентилятора (Рв70) и
дымососа (Рд70), соответствующая уровню мощности отопительного котла
70% от номинального значения.
Тогда, для сравнения работы
различных САУ газовоздушного тракта отопительного котла, можно ввести критерий
энергоэффективности работы САУ газовоздушного тракта отопительного котла Кэф.
Кэф=(1- Р70/
Р100).
При этом чем выше Кэф,
тем более энергоэффективна работа САУ газовоздушного тракта отопительного
котла.
Учитывая, что средняя
загрузка котла за отопительный период составляет около 70%, с помощью Кэф
можно оценить экономию электроэнергии (Рэк) вентиляторами и
дымососами отопительного котла за отопительный период в процессе работы САУ
газовоздушного тракта отопительного котла.
Рэк=Кэф*(Рвн+Рдн)*tр,
где tр – время работы дымососа
вентилятора за отопительный период.
Проанализируем работу САУ
газовоздушного тракта отопительного котла, основанных на различных способах
подачи воздуха и создания разряжения в отопительном котле, с учетом
рассмотренных выше требований к САУ газовоздушного тракта отопительного котла и
предложенного критерия энергоэффективности.
В основной массе
отопительные котлы, находящиеся сегодня в эксплуатации, для
регулирования производительности тягодутьевых механизмов применяют
энергозатратный метод (Кэф=0) регулирования подачи
воздуха и разряжения при помощи направляющих аппаратов (заслонок). К
достоинствам этого метода следует отнести его быстродействие, позволяющее
обеспечить необходимые скорости регулирования.
Опыт применения частотно-регулируемого привода асинхронных
двигателей дымососов и вентиляторов показал, что этот метод обладает высокой
энергоэффективностью (Кэф=0,3), в тоже время его применение ограничено низким быстродействием,
обусловленным большим моментом инерции рабочих колес дымососа и вентилятора.
К недостаткам,
этого метода регулирования производительности тягодутьевых механизмов
отопительного котла, следует отнести низкое быстродействие обусловленное
инерционностью рабочих колес дымососов и вентиляторов.
Для решения задачи
энергоэффективного управления тягодутьевыми механизмами газовоздушного тракта
отопительного котла автором предложена концепция регулирования давления воздуха
и разряжения.
Суть заключается в
одновременном регулировании сопротивления газовоздушного тракта при помощи
направляющих аппаратов (заслонки) и изменении частоты питающего напряжения
электродвигателя дымососа и вентилятора.
В этом случае направляющие
аппараты позволяют обеспечить необходимое быстродействие в переходных режимах
работы отопительного котла и компенсацию возмущающих воздействий.
В установившихся режимах и в
условиях медленно меняющихся возмущений регулирование осуществляется за счет
изменения частоты питающего напряжения электродвигателей тягодутьевых
механизмов.
При этом направляющие
аппараты открываются уменьшая сопротивление газовоздушного тракта, и, как
следствие, снижая энергопотребление
дымососа и вентилятора.
Таким образом, предложенный
способ позволяет осуществлять энергоэффективное регулирование
производительности дымососа и вентилятора при обеспечении необходимого
быстродействия.
Литература:
1.
Ланцов А.В. Частотное регулирование электроприводов
www.e-audit.ru
2.
Плетнев Г.П.
Автоматизированное управление объектами тепловых электростанций. М.:
Энергоиздат, 1981, с. 240.
3.
Ямаев А.И., Озеров М.Ю.
Патент №2322642 Способ автоматического регулирования разрежения в топке
отопительного котла от 05.09.2006.