СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2000 года по МПК F22B35/02 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах автоматического регулирования паровых или водогрейных котельных установок, в частности в системах автоматического регулирования процесса горения в котельных установках для получения пара или горячей воды.

Известны системы автоматического регулирования паровых (или водогрейных) котлов на базе регуляторов системы "Кристалл", выпускаемых Московским заводом тепловой автоматики, состоящие из контуров регулирования расходов топлива и воздуха, уровня воды в барабане и разрежения в топке, каждый из которых в свою очередь состоит из датчиков регулируемых параметров и задающих устройств, связанных с регуляторами, которые через исполнительные механизмы связаны с датчиками обратной связи и с регулирующими органами топлива, воздуха, воды и отходящих газов. Задачей регулирования процесса горения является поддержание соответствия расхода топлива и воздуха, подаваемых в топку, для обеспечения необходимого расхода пара (теплоносителя) потребителю. Условием постоянного соотношения паровой нагрузки (расхода пара) и паропроизводительности котельной установки является постоянство давления пара в барабане котла. По отклонению давления пара в барабане (или другого параметра теплоносителя, например, температуры воды в водогрейном котле) в контуре регулирования расхода топлива формируется сигнал на изменение расхода топлива, а с датчика положения исполнительного механизма органа, регулирующего топливо, подается сигнал в регулятор контура регулирования расхода воздуха для обеспечения соотношения расходов топлива и воздуха, подаваемых в топку котельной установки, (см. "Производственные и отопительные котельные", Е. Ф. Бузников, К.Ф. Раддатис, Э.Я. Берзиньш. Москва, Энергоиздат, 1984 г., стр. 222-235).

Недостатком данной системы регулирования, в части обеспечения соотношения расходов топлива и воздуха, является то, что для обеспечения адекватности сигнала с датчика положения расхода топлива необходимо на дозирующем сечении регулирующего органа поддерживать постоянный перепад давлений, конструктивно обеспечить компенсацию зазоров в сочленениях исполнительного механизма с регулирующим органом и компенсировать нелинейность характеристик регулирующего органа. Отсутствие перечисленных доработок приводит к тому, что точность регулирования расходов топлива и воздуха и их соотношение очень грубое и пригодно только для котельных установок с потреблением от них постоянного расхода пара, т.е. работающих в одном режиме. При смене режима потребления пара требуется переналадка.

Известны системы автоматического регулирования паровых (или водогрейных) котлов, состоящие из контуров регулирования расхода топлива и воздуха, уровня воды в барабане и разрежения в топке, каждый из которых в свою очередь состоит из датчиков регулируемых параметров и задающих устройств, связанных с регуляторами, которые, в свою очередь, связаны через исполнительные механизмы с датчиками обратной связи (датчики положения регулирующих органов) и с регулирующими топливо, воздух, воду и отходящие газы органами. Задачей регулирования в данных системах процесса горения является поддержание соответствия расходов воздуха и пара (теплоносителя). Для уменьшения динамических погрешностей контура регулирования расхода воздуха по расходу пара (теплоносителя) вводится дополнительный сигнал с датчика положения исполнительного механизма, органа регулирующего топливо, который обеспечивает поддержание постоянного давления пара (теплоносителя) в барабане, (см. "Руководство по эксплуатации вооружения, техники, систем и сооружений. Книга 8. Котельные и тепловые сети. Часть III. Электрооборудование, КИП и автоматика". Военное издательство, Москва, 1984 г., стр. 128-143).

Недостатком этих систем автоматического регулирования в части обеспечения процесса горения является то, что сигнал с датчика положения органа регулирующего топливо, грубый. Для увеличения точности необходимо введение дополнительных устройств, повышающих адекватность сигнала расходу топлива, компенсация погрешностей кинематических связей между исполнительным механизмом и регулирующим органом, нелинейности расходной характеристики регулирующего органа и поддержания постоянного перепада на дозирующем сечении регулирующего органа. Такая система автоматического регулирования парового котла используется только при работе с постоянной паровой нагрузкой, но с частыми переходами с жидкого топлива на газообразное и наоборот.

Наиболее близкой по технической сущности и получаемому результату к предлагаемой является система автоматического регулирования котельной установки, состоящая из паропроизводящей котельной установки для производственных или отопительных нужд, контура регулирования расхода топлива по поддержанию постоянного давления пара (параметра теплоносителя) в барабане, контура регулирования расхода воздуха в топку, контура регулирования уровня воды в барабане и контура регулирования разрежения в топке, в каждый из которых входит датчик регулируемого параметра и задающее устройство, связанные с регулятором, который в свою очередь связан с исполнительным механизмом, кинематически связанным с датчиком обратной связи и регулирующим органом топлива, воздуха, воды и отходящих газов, соответственно. Датчики регулируемых параметров - давления пара (параметра теплоносителя) в барабане, давления воздуха в воздуховоде перед форсункой, уровня воды в барабане и разрежения в топке с электрическим выходом связаны с регуляторами соответствующих контуров, (см. "Производственные и отопительные котельные", Е.Ф. Бузников, К.Ф. Раддатис, Э.Я. Берзиньш. Москва, Энергоиздат, 1984 г., стр. 222-235).

Обеспечение надежной, бесперебойной, с необходимым ресурсом работы котельной установки в автоматическом режиме независимо от режима потребления пара (теплоносителя) потребителем (либо для производственных, либо для отопительных нужд) в известных системах автоматического регулирования достигнуть очень сложно, т.к. требуется существенная доработка установок с усложнением системы для точного регулирования соотношения топлива и воздуха при обеспечении постоянства давления пара в барабане (параметра теплоносителя) независимо от потребления расхода пара (теплоносителя).

Сложности в организации автоматического регулирования процесса горения в котельных установках усугубляются еще и тем, что при использовании тяжелых углеводородных топлив типа ТКМ-8, ТКМ-15 по ТУ 38.401-58-74-93 взамен мазутов типа М-40 или М-100 по ГОСТ 10585-75, требуется нагревать это топливо до +110^o ... +120^oC и осуществлять непрерывную прокачку топлива от форсунки на слив в рециркуляционную магистраль (т.е. снова на вход в топливный насос), чтобы не образовывалось застойных зон из-за загустения топлива (при +30^oC оно уже практически не течет, очень вязкое). В этом случае сигнал от датчика обратной связи не характеризует расход топлива, поступающий на форсунку.

Данное обстоятельство ограничивает применение существующих систем автоматического регулирования по сорту жидкого топлива.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи автоматического регулирования паропроизводящих и водогрейных котельных установок, работающих на жидком и газообразном топливах, обеспечивающее необходимую точность регулируемых параметров теплоносителя при оптимальном соотношении расходов воздуха и топлива в широком диапазоне потребления пара или горячей воды для промышленных и отопительных нужд.

Поставленная задача решается тем, что в системе автоматического регулирования котельной установки, содержащей контур регулирования расхода топлива, состоящий из датчика параметра расхода топлива, соединенного с регулятором расхода топлива, который, с одной стороны, связан с задающим устройством, а с другой стороны - с исполнительным механизмом, кинематически связанным с регулирующим органом, установленным в магистрали подачи топлива между топливным насосом и форсункой, контур регулирования расхода воздуха в топку котельной установки, состоящий из регулятора расхода воздуха, который, с одной стороны, связан с задающим устройством, а с другой стороны - с исполнительным механизмом, кинематически связанным с регулирующим органом, установленным в воздуховоде подвода воздуха в топку перед дутьевым вентилятором, контур регулирования разрежения в топке котельной установки, состоящий из датчика разрежения в топке, соединенного с регулятором разрежения в топке, который, с одной стороны, связан с задающим устройством, а с другой стороны - с исполнительным механизмом, кинематически связанным с регулирующим органом, установленным в дымоходе после экономайзера перед дымососом, контур регулирования подачи воды в котельную установку, состоящий из датчика параметра, характеризующего режим подачи питательной воды, соединенного с регулятором расхода питательной воды, который, с одной стороны, связан с задающим устройством, а с другой стороны - с исполнительным механизмом, кинематически связанным с регулирующим органом, установленным в магистрали подачи питательной воды между насосом и котельной установкой, датчик параметра теплоносителя связан с регулятором расхода воздуха, датчик параметра расхода воздуха на входе в топку связан с задающим устройством регулятора расхода топлива, а задающее устройство регулятора расхода воздуха выполнено в виде задатчика параметра теплоносителя.

Предлагаемая система автоматического регулирования котельной установки позволяет оптимизировать соотношение расходов топлива и воздуха, обеспечить точное регулирование расхода топлива, исключить влияние нелинейностей, зазоров за счет местной обратной связи, т.к. датчик давления топлива охватывает регулирующий орган, исполнительный механизм и регулятор контура регулирования расхода топлива.

На чертежах фиг. 1. представлена принципиальная схема системы автоматического регулирования котельной установки, описанная на примере паропроизводящей котельной установки, а на фиг. 2. - структурная схема контуров каскадного регулирования расходов топлива и воздуха системы автоматического регулирования котельной установки,
где W₀(p) - передаточная функция, описывающая объект регулирования - паропроизводящую котельную установку;
W₁(p) - передаточная функция, описывающая регулятор и исполнительный механизм контура регулирования расхода воздуха;
W₂(p) - передаточная функция, описывающая дутьевой вентилятор и воздуховод;
W₃(p) - передаточная функция, описывающая регулятор и исполнительный механизм контура регулирования расхода топлива;
К_п - коэффициент усиления датчика давления пара;
К_в - коэффициент усиления датчика давления воздуха;
К_м - коэффициент усиления датчика давления топлива перед форсункой;
К_р.о. - коэффициент усиления органа регулирующего топливо (игольчатый клапан);
К_ф - коэффициент усиления форсунки;
P_п0 - настройка (уставка) по давлению пара задающего устройства регулятора расхода воздуха;
ΔP_п - изменение давления пара в барабане паропроизводящей котельной установки;
ΔϕВНА_вент - изменение положения жалюзей входного направляющего аппарата дутьевого вентилятора - регулирующего органа контура регулирования расхода воздуха;
ΔP_в - изменение давления воздуха в воздуховоде на входе в топку котельной установки;
ΔP_ф - изменение давления топлива перед форсункой;
ΔB - изменение расхода топлива, поступающего в топку для сжигания;
ε₁ - сигнал рассогласования между сигналами текущего значения давления пара в барабане и заданным значением давления пара в барабане от задающего устройства;
ε₂ - сигнал рассогласования между сигналами давления воздуха и топлива.

Заявленная система (фиг. 1) автоматического регулирования содержит паропроизводящую котельную установку 1 с барабаном 2 (объект регулирования), который паровой магистралью 3 связан с потребителем, контур 4 регулирования расхода воздуха, состоящий из датчика 5 давления пара в барабане 2, регулятора 6, связанного с датчиком 5 давления пара, с задающим устройством 7 заданного значения давления пара в барабане и с исполнительным механизмом 8, который кинематически связан с органом 9, регулирующим расход воздуха и установленным перед дутьевым вентилятором 10, который размещен в воздуховоде 11 подвода воздуха к вентилятору и от вентилятора в топку котельной установки 1, контур 12 регулирования расхода топлива, состоящий из датчика 13 давления воздуха в воздуховоде 11 перед входом в топку котельной установки 1, датчика 14 давления топлива в магистрали 15 подвода топлива к форсунке 16, связанных с регулятором 17, задающего устройства 18 и исполнительного механизма 19, связанных с регулятором 17, органа 20 регулирующего топливо, кинематически соединенного с исполнительным механизмом 19 и установленного в магистрали 15, контур 21 регулирования уровня воды в барабане 2, состоящий из датчика 22 уровня воды в барабане 2, регулятора 23, связанного с датчиком 22, с задающим устройством 24 заданного значения уровня воды в барабане 2 и с исполнительным механизмом 25, кинематически связанным с органом 26, регулирующим расход питательной воды, который установлен в магистрали 27 подвода питательной воды после водохимподготовки в барабан 2, контур 28 регулирования разрежения в топке котельной установки 1, состоящий из датчика 29 давления в топке, регулятора 30, связанного с датчиком 29, с задающим устройством 31 заданного значения разрежения в топке и с исполнительным механизмом 32, кинематически соединенного с органом 33 регулирующим расход газа, который установлен перед дымососом 34, размещенный в газоходе 35 отвода газов из топки котельной установки 1.

Система автоматического регулирования паропроизводящей котельной установки работает следующим образом.

В паропроизводящую котельную установку 1 (фиг. 1) по воздуховоду 11 подается воздух от дутьевого вентилятора 10, расход воздуха изменяется за счет регулирующего органа 9 - входного направляющего аппарата дутьевого вентилятора 10, который управляется исполнительным механизмом 8 по сигналу от регулятора 6, в который заводится сигнал от датчика 5 давления пара в барабане 2 котельной установки 1, текущее значение давления пара от датчика 5 в регуляторе 6 сравнивается с заданным значением давления пара от задающего устройства 7, в зависимости от сигнала рассогласования (фиг. 2) ε₂ происходит изменение положения регулирующего органа 9, тем самым изменяется расход воздуха.

Величина расхода воздуха, подаваемого в топку, измеряется датчиком 13 давления воздуха на входе в топку и подается в регулятор 17 через задающее устройство 18, одновременно в регулятор 17 подается сигнал от датчика 14 давления топлива в магистрали 15 подачи топлива к форсунке 16 после органа 20, регулирующего топливо, который приводится в действие исполнительным механизмом 19, управляемый регулятором 17, за счет появления сигнала рассогласования (фиг. 2) ε₁ между давлениями воздуха и топлива.

Давления воздуха и топлива для котельной установки определены режимной характеристикой, являющейся регламентирующей для котельной установки. Представленная на фиг. 2 структурная схема контуров 3 и 4 регулирования расходов воздуха и топлива поясняет совместную работу этих контуров с целью обеспечения необходимого расхода пара потребителю при поддержании постоянного заданного значения давления пара в барабане 2 (фиг. 1). По известным передаточным функциям (фиг. 2), описывающим объект регулирования, в части влияния изменения расхода топлива на изменение давления пара в барабане W₀(p) 1 и дутьевой вентилятор с входным направляющим аппаратом и воздуховодом W₂(p) 2, определяются параметры передаточной функции W₃(р) 5 регулятора 17 (фиг. 1) и исполнительного механизма 19 (фиг. 1). Как видно из фиг. 2, дополнительно введенная обратная связь по давлению топлива перед форсункой звено 6, охватывающая звено 5 - регулятор 17 (фиг. 1.) с исполнительным механизмом 19 (фиг. 1) и звено 7 - регулирующий орган 20 (фиг. 1), представляет часть контура 4 (фиг. 2) регулирования топлива в общей каскадной схеме стабилизации давления пара в барабане. Эквивалентная передаточная функция части контура 4 (фиг. 2) имеет вид

где эквивалентный коэффициент усиления;
эквивалентная постоянная времени;
К₃ и τ₃ - - параметры регулятора 17 (фиг. 1) - коэффициент усиления и постоянная времени, соответственно;
К_им - коэффициент усиления исполнительного механизма 19 (фиг. 1).

Из выражения Т_экв видно, что выбором параметров К₃ и τ₃ можно сделать второе слагаемое значительно меньшим по сравнению с τ₃ и тогда им можно пренебречь. В этом случае эквивалентная передаточная функция части контура 4 (фиг. 2) регулирования топлива трансформируется практически в безынерционное звено с передаточной функцией:

Таким образом, за счет подбора параметров регулятора 17 (фиг. 1) К₃ и τ₃ исключается зависимость от К_им и К_р.о., т.е. исключается влияние люфтов, зазоров в сочленениях исполнительного механизма 19 (фиг. 1) и органа 20 (фиг. 1) регулирующего топливо, непостоянства перепада давления топлива в магистрали 15 (фиг. 1) на регулирующем органе 20 (фиг. 1) и других отрицательных факторов. И самым значительным является то, что подбором коэффициентов усиления К_м датчика 6 (фиг. 2) давления топлива и К_в датчика 8 (фиг. 2) давления воздуха можно обеспечить зависимость P_м=f(P_в), что является режимной характеристикой работы котельной установки,
где P_м - давление топлива перед форсункой;
P_в - давление воздуха на входе в топку.

По требуемой точности поддержания параметров пара, вырабатываемого котельной установкой 1 (фиг. 1), запасам устойчивости, быстродействию определяются параметры передаточной функции звена 9 (фиг. 2) в основном регулятора 6 (фиг. 1).

Контур 21 регулирования уровня воды в барабане обеспечивает поддержание уровня постоянным, т.к. регулятор 23 по рассогласованию сигналов от датчика 22, измеряющего уровень воды, и устройства 24, задающего уровень воды в барабане, вырабатывает управляющий сигнал, подаваемый на исполнительный механизм 25, связанный с органом 26 регулирования питательной воды. Питательная вода по магистрали 27 подается в барабан 2, регулирующий орган 26 изменяет расход питательной воды, увеличивая или уменьшая его, до тех пор, пока рассогласование текущего значения уровня воды не сравняется с заданным.

Контур 28 поддерживает постоянное разрежение в топке котельной установки 1. Датчик 29 разрежения в топке, измеряет текущее значение разрежения и подает сигнал в регулятор 30, где этот сигнал сравнивается с заданным значением разрежения от задающего устройства 31, по рассогласованию их, регулятор 30 вырабатывает управляющий сигнал на исполнительный механизм 32, который кинематически связан с регулирующим органом 33 - входным направляющим аппаратом дымососа 34, который установлен в дымоходе 35 отвода газов из топки котельной установки 1. Регулирующий орган 33, увеличивая или уменьшая расход газов через дымосос 34, обеспечивает его изменение до тех пор пока рассогласование текущего значения разрежения не сравняется с заданным.

Предлагаемая система автоматического регулирования котельной установки позволяет по сравнению с известными системами автоматического регулирования котельных установок оптимизировать соотношения расходов топлива и воздуха независимо от режима потребления пара, при этом давление пара в барабане поддерживается с высокой точностью.

Подбором параметров регулятора и исполнительного механизма контура регулирования расхода воздуха можно обеспечить необходимые динамические свойства системы при работе котельной установки, например, с "рваным" режимом потребления пара.

Каскадная схема подключения контуров регулирования расходов воздуха и топлива обеспечивает стабилизацию давления пара с высокой точностью, что обеспечивается введением отрицательной обратной связи по давлению топлива в контуре регулирования расхода топлива, позволяющей исключить влияние кинематических погрешностей связей органа регулирующего топливо и исполнительного механизма, упростить гидравлическую схему подачи топлива к форсунке в части обеспечения постоянства перепада давления топлива на дозирующем сечении органа, регулирующего топливо.

Существенным преимуществом также является инвариантность к сорту топлива.

Система предназначена для регулирования паровых или водогрейных котельных установок. Система, описанная на примере паропроизводящей котельной установки, содержит котельную установку с контурами регулирования расхода воздуха, расхода топлива, уровня воды в барабане и контуром регулирования разрежения в топке установки. Каждый контур содержит датчики регулируемых параметров, задатчики, исполнительные механизмы и регулирующие органы. Для оптимизации соотношения расходов воздуха и топлива независимо от потребления расхода пара с высокой точностью поддержания давления пара в барабане с помощью достаточно простой системы регулирования датчик давления пара связан с регулятором расхода воздуха, датчик параметра расхода воздуха на входе в топку связан с задатчиком регулятора расхода топлива, датчик давления топлива перед форсункой связан с регулятором расхода топлива, а задатчик регулятора расхода воздуха устанавливает заданное значение давления пара в барабане. Такое выполнение системы позволит обеспечить необходимую точность регулируемых параметров теплоносителя при оптимальном соотношении расходов воздуха и топлива в широком диапазоне потребления пара или горячей воды для промышленных и отопительных нужд. 2 ил.

Система автоматического регулирования котельной установки, содержащая контур регулирования расхода топлива, состоящий из датчика параметра расхода топлива, соединенного с регулятором расхода топлива, который, с одной стороны, связан с задающим устройством, а с другой стороны - с исполнительным механизмом, кинематически связанным с регулирующим органом, установленным в магистрали подачи топлива между топливным насосом и форсункой, контур регулирования расхода воздуха в топку котельной установки, состоящий из регулятора расхода воздуха, который, с одной стороны, связан с задающим устройством, а с другой стороны - с исполнительным механизмом, кинематически связанным с регулирующим органом, установленным в воздуховоде подвода воздуха в топку перед дутьевым вентилятором, контур регулирования разрежения в топке котельной установки, состоящий из датчика разрежения в топке, соединенного с регулятором разрежения в топке, который с одной стороны, связан с задающим устройством, а с другой стороны - с исполнительным механизмом, кинематически связанным с регулирующим органом, установленным в дымоходе после экономайзера перед дымососом, контур регулирования подачи воды в котельную установку, состоящий из датчика параметра, характеризующего режим подачи питательной воды, соединенного с регулятором расхода питательной воды, который, с одной стороны, связан с задающим устройством, а с другой стороны - с исполнительным механизмом, кинематически связанным с регулирующим органом, установленным в магистрали подачи питательной воды между насосом и котельной установкой, отличающаяся тем, что датчик параметра теплоносителя связан с регулятором расхода воздуха, датчик параметра расхода воздуха на входе в топку связан с задающим устройством регулятора расхода топлива, а задающее устройство регулятора расхода воздуха выполнено в виде задатчика параметра теплоносителя.