автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему: Оптимизация процесса горения в топках барабанных котлов с применением экстремальных систем и комплексных критериев
Автореферат диссертации по теме "Оптимизация процесса горения в топках барабанных котлов с применением экстремальных систем и комплексных критериев"
На правах рукописи
ГОРБАЧЕВ АЛЕКСЕЙ СТАНИСЛАВОВИЧ
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ В ТОПКАХ БАРАБАННЫХ КОТЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ СИСТЕМ И КОМПЛЕКСНЫХ КРИТЕРИЕВ
Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (в том числе по отраслям)
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена в Московском энергетическом институте (Те) ническом университете) на кафедре Автоматизированных систе управления тепловыми процессами.
Научный руководитель: доктор технических наук
профессор Плетнев Г.П
Официальные оппоненты: доктор технических наук
профессор Шавров A.B. кандидат технических нау| доцент Саков И.А.
Ведущая организация: ОАО «Мосэнерго»
Защита состоится « 21 » июня 2000г. в час.00 мин, в аудитории Б - 205 на заседании диссертационного совета К-053.16.01 в Московском энергетическом институте (Технически
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московског энергетического института (Технического университета).
Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печаты организации) просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, Крас ноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).
Автореферат разослан « /?» М4Я
Ученый секретарь диссертационного совета К-053.16.01 к.т.н., с.н.с.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы : Одной из главных задач Энергетической программы Московского региона является определение путей обеспечения эффективного и надежного снабжения народного хозяйства и населения топливом, электрической и тепловой энергией при ограничении негативного воздействия топливно-энергетического комплекса на окружающую среду.
Обеспечение надежной безаварийной эксплуатации паровых котлов во многом определяется решением проблемы надежности работы теплонапряженных поверхностей нагрева. Одним из важнейших факторов, влияющих на надежность этих поверхностей нагрева, является положение ядра факела в топке котла. Неравномерность обогрева параллельно работающих труб панелей контуров циркуляции может привести к выходу их строя как вследствие нарушений характеристик циркуляций или гидродинамики, так и вследствие интенсификации процессов образования внутритрубных отложений.
С учетом всего вышесказанного особую актуальность, в плане обеспечения надежной работы поверхностей нагрева котла, имеет разработка методов, позволяющих оперативно контролировать расположение факела горящего топлива (его ядра) по ширине, глубине и высоте топки в различных режимах эксплуатации котла.
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. Значительная эко-
номическая самостоятельность электростанций, сокращение централизованно выделяемых средств на ремонт оборудования и резкое увеличение цен на органическое топливо придает исключительную актуальность проблеме повышения экономичности процесса горения топлива в топках паровых котлов за счет разработки новых и усовершенствования существующих автоматических систем регулирования.
1. Разработка и техническая реализация экстремальной системы регулирования (ЭСР) экономичности процесса горения с сигналом по тепловосприятию топочных экранов АРПС с исследованием
ЭСР в лабораторных и промышленных условиях.
2. Обоснование использования сигнала по тепловосприятию топочных экранов АРПС для определения положения ядра факела в топке барабанного парового котла и оценка его влияния на надежность работы экранных поверхностей нагрева.
3. Разработка и техническая реализация системы технической диагностики (СТД) положения ядра факела в топке барабанного парового котла на базе программно-технического комплекса (ПТК) «Квинт».
4. Разработка комплексного эколого-экономического критерия управления для оптимизации процесса горения в топке барабанного парового котла.
Научная новизна работы:
1. Разработана экстремальная система регулирования (ЭСР) экономичности процесса горения в топке барабанного парового котла
формированием входного сигнала по крутизне статической характеристики объекта и переменным шагом при поддержании экстремума.
2. Аналитически определена математическая модель статики, устанавливающая квадратичную функциональную зависимость между перепадом давлений на контуре естественной циркуляции и тепловым потоком соответствующей топочной панели.
3. Определены статические характеристики сигнала ЛРПС в зависимости от положения ядра факеле в топке. Показана возможность и разработан способ использования данного сигнала в системах технической диагностики положения ядра факела в топке.
4. Разработан комплексный эколого - экономический критерий для регулирования экономичности процесса горения в топках барабанных паровых котлов.
Достоверность и обоснованность научных положение, выводов и рекомендаций опирается на большой объем экспериментального материала, собранного на натурных объектах и в процессе вычислительного эксперимента, проверку основных результатов на имитационных моделях, промышленное применение разработанных систем регулирования.
Практическая значимость работы.
1. Разработан опытный образец ЭСР экономичности процесса горения с сигналом по тепловосприятию топочных экранов на базе микропроцессорных регуляторов ПРОТАР, позволяющий управлять процессом горения в топках паровых барабанных котлов с большей эффективностью.
2. Предложенный метод определения положения ядра факе-1а в топках паровых барабанных котлов по косвенным показателям
позволяет осуществлять контроль за состоянием экранных поверхностей нагрева и повысить надежность их работы.
3. Разработан промышленный образец системы технической диагностики положения ядра факела в топке с применением сигнала по тепловосприятию топочных экранов на базе ПТК «Квинт».
Внедрение результатов работы. Разработанные ЭСР экономичности процесса горения внедрены на барабанных паровых котлах ТП-108 (станционный № 1А) и ТМ-104/А (станционный № 4) ГРЗС № 5 ОАО «Мосэнерго».
Публикации. По результатам диссертации имеется четыре публикации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, состоящего из 104 наименований, трех приложений. Общий объем диссертации составляет 137 страниц, в том числе 121 страницу основного текста, включающего 38 рисунков и 11 таблиц.
Во введении обоснована актуальность рассматриваемых проблем, приведена краткая характеристика работы и структура изложения материала.
В первой главе проведен обзор существующих схем регулирования экономичности процесса горения. Анализ показал, что существующие в настоящее время типовые способы и схемы регулирования экономичности процесса горения в топках паровых барабанных котлов с применением сигнала по содержанию остаточного кислорода в продуктах сгорания не нашли широкого практического примене-
1ия из-за трудностей технической реализации, значительной инерци-знности каналов передачи информации и отсутствия надежных дат-WKOB. Опыт эксплуатации АСР экономичности процесса горения с сигналом по «теплоте» показывает недостаточную представитель-юсть сигнала к внутритопочным возмущениям, неинвариантность к »прыскам охлаждающей воды в паропровод и, как следствие, зависимость от качества и режима работы АСР первичного перегрева naja. Способы и схемы регулирования экономичности процесса горе-мя с использованием корректирующих сигналов по С0,С0г,нг, вы-(одного сигнала оптического дымомера и другие, приведенные в об-юре, не нашли широкого применения из-за низкой надежности, слож-юсти технической реализации и наладки, недостаточной обоснован-юсти принятых схемных решений, неполноты промышленных испы-аний опытных образцов.
Использование экстремальных систем регулирования (ЭСР), >снованных на вычислении текущего значения КПД котла, как в ре-киме реального времени, так и с использованием моделей, затруд-1ено аккумуляцией теплоты в паровом котле и большим влиянием ;истематических погрешностей в каналах измерений. Применение ЮР процесса горения с коррекцией по температурным сигналам то-ючного пространства ограничено недостаточной представительно-ггью данных сигналов и сложностью реализации схем регулирова-
Тем не менее, проведенный обзор и анализ источников пока-ал, что идея экстремального регулирования экономичности процес-:а горения в топке барабанного парового котла с учетом всего накопанного опыта и широких возможностей нового поколения техниче-:ких средств автоматизации остается перспективной для реализации.
Во второй главе показано, что тепловыделение в топке можно оценить по перепаду давлений в подъемных и опускных трубах контура естественной циркуляции (рис. 1). Разность давлений (] рл-рб- результат целого ряда факторов, в частности, интенсивности обогрева подъемных труб, поскольку она определяет паро-
Рис. 1. Физическая модель контура естественной циркуляции. 1 - барабан; 2 - нижний коллектор; 3.4- опускная и подъемные трубы; 5 - верхний
содержание пароводяной смеси и служит источником движущего напора
коллектор; I, - расстояние от нижнего коллекто - естественной ЦИрКуЛЯЦИИ.
ра до места отбора сигнала; q - тепловой поток.
модель статики сигнала по арпс определяется выражением :
где правая часть уравнения представляет собой потери давления трения, местных сопротивлений, ускорения потока и нивелирную составляющую в подъемных и опускных трубах. Составляющие выражения (1) были определены в соответствии с нормативной методикой гидравлического расчета котельных агрегатов. Результаты расчета показали, что зависимость между перепадом давлений на контуре естественной циркуляции (сигнал по тепловосприятию топочных экранов лрпс) и тепловым потоком соответствующей топочной панели носит квадратичный характер [1]:
С использованием полнофакгорного эксперимента получены в удобной для анализа аналитической форме уравнение регрессии суммарного сигнала лрпс для двух средних боковых панелей котла ТМ - 104/А инвариантного к смещению факеле :
-191.1-г, -40.9 -г, +263.5-7, +194.6-г] -220.1-г^ +118.6-732+1.2-г,-г2 +110.3 + 76.4 • гг ■ гг
где независимые факторы - соответственно давление пара
в барабане котла (Рв,\1Па), перепад давления воздуха на воздухоподогревателе (ЛРт,Па) и расход газа на котел (Вг,м'/ч).
Рис.2. Статические характер« сгики сигнала
ранее полученной матема-
ЛРПС = /\р) при оптимальном расходе воздуха.
тической модели (2). Статические характеристики, полученные из (3), имеют ярко выраженную экстремальную зависимость сигнала ¿рдс от расхода воздуха подаваемого в топку котла (рис. 3.), что дает возможность применить сигнал по тепловосприятию топочных экранов в ЭСР экономичности процесса горения.
Интенсивность воспринятого теплового потока ц парообразующей трубой зависит от положения факела в топке. Выравнивание поля тепловых нагрузок по сечению топочной камеры необходимо с точки зрения обеспечения
¡Г2 - интенсивность роста внутритрубных отложений, мг/(см2ч), Ротл
средняя плотность отложений, з- толщина отложений, мм,
Рис.4. Переходные процессы при искусственном смещении факела.
- Длительность эксплуатации, час.
При этом температура металла будет равна
где : Гд,- температура рабочей среды, л0ТЛ - коэффициент
ТеПЛОПрОВОДНОСТИ ВНугрИТрубНЫХ ОТЛОЖеНИЙ Вт/(м-К).
Из сопоставления (4) и (5) следует, что неравномерность поля тепловых напряжений д влияет на температуру металла в третьей степени т. е.:
Ввиду этого обстоятельства выравнивание поля теплонапря-жений является важнейшей задачей по обеспечению надежности оборудования.
Рис.5. Система технической диагностики на ПТК "КВИНТ".
Получены статические характеристики сигнала арпс в зависимости от
положения ядра факела в топке котла (рис. 4). Анализ результатов позволяет применить сигнал по тепловосприятию топочных экранов АРПС в информационной системе технической диагностики положения ядра факела в топке котла. Разработан промышленный образец сис-
темы технической диагностики (СТД) реализованной на базе ПТК «Квинт» (рис. 5) , задача которой состоит в том, чтобы, используя предлагаемый сигнал, получать на дисплее текущее значение тепло-восприятия топочных экранов топки. Используя данную информацию, машинист котла, перераспределяя производительность горелок, может добиться равномерного распределения тепловой нагрузки на экранные поверхности и исключить неравномерность обогрева труб. Кроме того, используя данные архива , можно получить интегральное тепловосприятие каждого из экранов за прошедший с момента выхода котла из ремонта отрезок времени. Данная информация позволяет контролировать, а при необходимости и корректировать распределение суммарной тепловой нагрузки между экран-
Рис.6. Сопоставление статических характеристик.
ными поверхностями нагрева.
В третьей главе предложено осуществлять экстремальное регулирование экономичности процесса горения с использованием косвенного сигнала лрлс . Данный сигнал малоинерционен, пропорционален тепловыделению в топке и имеет ярко выраженную статическую характеристику в зависимости от расхода воздуха подаваемого в топку. Из уравнения теплового баланса топки и математической модели статики лРпс следует, что максимум статической характеристики л1'пс = /2 (а) находится в окрестности экстремума =/,