СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАГРУЗКИ КОТЛА С ПЫЛЕСИСТЕМАМИ ПРЯМОГО ВДУВАНИЯ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК F23N1/02 

Изобретение относится к автоматизации теплоэнергетических объектов, в частности к автоматическому регулированию котла с пылесистемами прямого вдувания и воздушной сушкой топлива.

Известен способ автоматического регулирования процесса горения в шахтно-мельничных топках паровых котлов (SU №136003, МПК F23N 1/02, G05D 27/00, 12.02.1960), использующий скоростной (опережающий) сигнал, по средней мощности электродвигателей мельниц, передаваемый в качестве корректирующего сигнала регулятору топлива для поддержания оптимального соотношения между нагрузкой котла и расходом первичного воздуха.

Недостатком этого способа является большая инерционность и невысокая динамическая точность регулирования.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу автоматического регулирования нагрузки котла с пылесистемами прямого вдувания является способ, реализованный в системе автоматического регулирования процесса горения в шахтно-мельничных топках парогенераторов (SU №623061, МПК F23N 1/02, 22.10.1976). В этом способе производительность котла с пылесистемами прямого вдувания поддерживают изменением суммарного расхода первичного воздуха в пылесистемы по сигналу от регулятора тепловой нагрузки котла, а также изменением расхода топлива в мельницы по сигналам загрузки мельниц и сигналам по скорости изменения расхода первичного воздуха.

Недостатками этого способа являются:

- Низкое быстродействие и динамическая точность регулирования тепловой нагрузки котла, как при изменении задания по нагрузке котла (внешних возмущениях), так и внутренних неконтролируемых возмущениях в подаче топлива в мельницы. При случайном изменении подачи топлива в мельницу происходит изменение нагрузки котла, вызывающее ложное срабатывание регулятора тепловой нагрузки котла.

- Узкий диапазон регулирования тепловой нагрузки котла. При исчерпании диапазона регулирования расхода первичного воздуха (полном открытии шибера первичного воздуха) происходит ограничение на увеличение подачи топлива в мельницу, хотя запас по размольной производительности пылесистемы еще не исчерпан.

Известна система автоматического регулирования процесса горения в шахтно-мельничных топках парогенераторов (SU №623061, МПК F23N 1/02, 22.10.1976). Система содержит регулятор расхода первичного воздуха, регуляторы топлива (загрузки мельниц) в количестве, соответствующем числу мельниц, и регулятор расхода общего воздуха. Каждый регулятор топлива снабжен дифференциатором, вход которого соединен с датчиком расхода первичного воздуха.

Недостатком этой системы является низкая динамическая точность и узкий диапазон регулирования тепловой нагрузки котла.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой системе автоматического регулирования нагрузки котла с пылесистемами прямого вдувания является система автоматического регулирования подачи топлива и воздуха (патент SU №1359574 МПК F23N 1/02, 1985). Система содержит регулятор тепловой нагрузки котла, регуляторы расхода сырого топлива в мельницы, механизмы бесступенчатого регулирования оборотов питателей, с датчиками загрузки мельниц и дифференциаторами, датчики и регуляторы расхода первичного воздуха.

Недостатками этой системы также являются низкая динамическая точность и узкий диапазон регулирования тепловой нагрузки котла.

Задачей предлагаемого способа является повышение быстродействия, динамической точности и расширение диапазона регулирования тепловой нагрузки котла, оснащенного пылесистемами с прямым вдуванием и воздушной сушкой топлива, а также повышение надежность работы пылесистем за счет предотвращения перегрузки («завала») мельниц.

Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом способе автоматического регулирования нагрузки котла с пылесистемами прямого вдувания сигнал по отклонению загрузки мельницы от заданного значения динамически преобразуют в инерционном звене с характеристикой канала регулирования «расход топлива из мельницы - нагрузка котла» и подают на вход регулятора тепловой нагрузки котла.

Сигнал по скорости изменения расхода первичного воздуха, подаваемый на вход регулятора загрузки мельницы, дополнительно преобразуют в интегро-дифференцирующем звене с характеристикой отношения передаточных функций каналов регулирования «расход первичного воздуха - мощность мельницы / расход топлива в мельницу -мощность мельницы».

Для расширения диапазона регулирования тепловой нагрузки котла при ограничении расхода первичного воздуха, сигнал рассогласования между заданным и фактическим расходом первичного воздуха подают на вход регулятора загрузки мельницы.

Для повышения надежности работы пылесистем, путем предотвращения перегрузки мельниц, величину сигнала рассогласования, поступающего на вход регулятора загрузки мельницы, ограничивают до величины, предельно допустимой по условиям завала мельницы.

Заявленный способ реализован в системе автоматического регулирования производительности котла с пылесистемами прямого вдувания. Система содержит регуляторы загрузки мельниц с исполнительными механизмами питателей сырого угля, с датчиками загрузки мельниц и дифференциаторами, регуляторы расхода первичного воздуха в мельницы с исполнительными механизмами и датчиками расхода первичного воздуха в каждую мельницу, регулятор тепловой нагрузки котла с датчиком тепловой нагрузки котла и блоком задания от системы более высокого уровня.

Для выполнения поставленной задачи система дополнительно снабжена регулятором суммарной производительности расхода первичного воздуха, первым блоком суммирования, вторыми блоками суммирования, последовательно соединенными третьим блоком суммирования и компенсирующим инерционным звеном, подключенным к входу регулятора тепловой нагрузки.

Система также снабжена интегро-дифференцирующими звеньями, четвертыми блоками суммирования, блоками выделения минимального сигнала и задатчиками предельно допустимого значения загрузки мельниц (по числу пылесистем).

На фиг.1 представлена структурная схема системы для осуществления способа автоматического регулирования нагрузки котла с четырьмя пылесистемами прямого вдувания; на фиг.2 - одномельничная расчетная схема динамической модели автоматической системы регулирования, поясняющая принцип работы способа.

Система для осуществления способа автоматического регулирования нагрузки котла с пылесистемами прямого вдувания содержит регуляторы 1 загрузки мельниц в количестве, соответствующем числу мельниц с исполнительными механизмами 2 регулирования оборотов питателей сырого угля, с датчиками 3 загрузки мельниц (например, активной мощности двигателя) и дифференциаторами 4 с подключенными к ним датчиками 5 расхода первичного воздуха в мельницы, регуляторы 6 расхода первичного воздуха в количестве, соответствующем числу мельниц, с исполнительными механизмами 7 регулирующих органов 8 на линии подачи первичного воздуха в каждую мельницу. Система содержит также регулятор 9 тепловой нагрузки котла, с датчиком 10 тепловой нагрузки и блоком задания 11 от системы более высокого уровня (например, регулятора мощности блока). Выход регулятора 9 подключен к регулятору 12 суммарного расхода первичного воздуха, выход которого подключен к сумматорам 13 сигналов. На второй вход каждого сумматора 13 подключен датчик 5 расхода первичного воздуха в соответствующую пылесистему, а выход соединен с входом соответствующего регулятора 6 расхода первичного воздуха. Датчики 5 расхода первичного воздуха всех пылесистем подключены через сумматор 14 на вход регулятора 12 суммарного расхода первичного воздуха. Выход дифференциатора 4 каждой мельницы, через интегро-дифференцирующее звено 15, подключен на первый вход соответствующего регулятора 1, на второй вход которого подключен сумматор 16. На входы сумматора 16 подключены датчик 3 и задатчик 17 загрузки мельницы, а также блок 18 выбора минимального сигнала, к входам которого подключены задатчик 19 предельно допустимой загрузки мельницы и выход соответствующего сумматора 13. Выходы сумматоров 16 подключены также к входам сумматора 20, выход которого через компенсирующее инерционное звено 21 подключен на вход регулятора 9.

Способ автоматического регулирования нагрузки котла с пылесистемами прямого вдувания осуществляется системой регулирования следующим образом.

Регуляторы 1 стабилизируют заданное количество топлива в каждой отдельной мельнице (например, по показателю активной мощности ее двигателя) от датчика 3 путем воздействия на подачу сырого топлива посредством механизма 2. Задатчики 17 служат для перераспределения загрузки мельниц.

Регуляторы 6, воздействуя на исполнительные механизмы 7 регулирующих органов 8, стабилизируют расход первичного воздуха в каждую отдельную мельницу по сигналу от датчика 5. Регулятор 12, получая сигнал от сумматора 14, поддерживает требуемый суммарный расход первичного воздуха, воздействуя через сумматоры 13 на регуляторы 6. Сигналы от датчиков 5 через дифференциаторы 4 и интегро-дифференцирующие звенья 15 поступают на входы регуляторов 1, обеспечивая пропорциональное изменение подачи топлива и воздуха в мельницы.

Регулятор 9 является регулятором следующего уровня, который обеспечивает групповое управление расходом топливовоздушной смеси в топку котла.

Сигналы рассогласования с выходов сумматоров 16 поступают на входы сумматора 20 и через инерционное звено 21 на вход регулятора 9, обеспечивая его инвариантность к внешним возмущениям.

При работе регулятора 6 в диапазоне регулирования сигнал рассогласования на выходе сумматора 13 близок к нулю (в пределах зоны нечувствительности регулятора 1), за счет практически безинерционного изменения расхода первичного воздуха при изменении сигнала задания от регулятора 9.

При увеличении нагрузки котла и ограничении расхода первичного воздуха (полном открытии шибера первичного воздуха) одной из пылесистем, сигнал рассогласования между заданным и фактическим расходом первичного воздуха с выхода сумматора 13 растет и поступает на вход регулятора 1, изменяя задание в сторону увеличения расхода топлива в мельницу. Система преобразуется в двухконтурную схему со стабилизирующим регулятором загрузки мельницы 1 и корректирующим регулятором 9 тепловой нагрузки. При этом связь с выхода сумматора 16 через сумматор 20 и инерционное звено 21 на вход регулятора 9 обеспечивает инвариантность системы к внутренним возмущениям. Параметры настройки регуляторов 9 и 1 не требуют изменения. При снижении нагрузки котла сигнал рассогласования уменьшается до нуля, и схема возвращается в исходное состояние. Тем самым расширяется диапазон регулирования тепловой нагрузки котла.

Для предотвращения перегрузки мельниц, сигнал рассогласования, поступающий с выхода сумматора 13 на вход регулятора загрузки мельницы 1, сравнивают в блоке 18 выбора минимального сигнала с сигналом от задатчика 19 и ограничивают до величины предельно допустимой загрузки (мощности) по условиям завала мельницы.

Поясним принцип работы системы с использованием динамической модели. Для упрощения представлена одномельничная схема, где: V_пер.в - расход первичного воздуха; - расход топлива на входе в мельницу; - расход пылесмеси из мельницы; N_м - мощность мельницы; Q_т - тепловыделение в топке котла, λ_в - внутреннее возмущение по топливу.

Пылесистема в динамическом отношении представляет собой двухсвязный объект регулирования с прямыми каналами регулирования и перекрестными связями, описываемыми передаточными функциями:

- расход первичного воздуха → расход пылесмеси

- расход топлива в мельницу → мощность мельницы

- расход первичного воздуха → мощность мельницы

- расход топлива в мельницу → расход пылесмеси

где k₁, k₂, k₃, k₄ и T₁, Т₂, Т₃, Т₄ - коэффициенты усиления и постоянные времени соответствующих каналов.

Как видно из выражений (1, 2, 3 и 4), первый канал описывается реальным дифференцирующим звеном первого порядка, а (2, 3, 4) - инерционным звеном первого порядка. Причем, исходя из практических и теоретических исследований, постоянные времени первого и третьего каналов, а также второго четвертого равны между собой. То есть Т₁=Т₃, а Т₂=Т₄.

Передаточная функция канала «расход топлива из мельницы → тепловыделение в топке» имеет следующий вид и описывается инерционным звеном второго порядка -

Для развязки контуров регулирования реализовано наложение внешних компенсирующих связей, с целью обеспечения автономности по каналам регулирования. Это позволяет значительно повысить качество процессов регулирования. Устройства компенсации на данной схеме представлены звеньями 4-дифференциатор, 15-интегро-дифференциирующее звено и 21-инерционное звено. Передаточные функции и параметры настройки устройств компенсации W₄(p), W₁₅(p), W₂₁(p) определяются из характеристических уравнений (6) и (7):

Преобразовав и подставив значения, получим передаточные функции устройств компенсации:

где: k_PЗM и Т_РЗМ - коэффициент усиления и постоянная времени регулятора загрузки мельницы.

Устройство компенсации W₄(p), описывается реальным дифференцирующим звеном первого порядка с постоянной времени и коэффициентом пропорциональности, тождественным настройкам регулятора загрузки мельницы. Такая схема обеспечивает инвариантность регулятора загрузки мельницы к внешним возмущениям (при изменении задания регулятору тепловой нагрузки), при совпадении динамических характеристик по каналам регулирования «расход первичного воздуха → мощность мельницы / расход топлива в мельницу → мощность мельницы». Однако в реальности данные характеристики могут существенно отличаться. Введение устройства компенсации W₁₅(p), описываемое интегро-дифференцирующим звеном, обеспечивает полную инвариантность к внешним возмущениям даже при отличии динамических свойств каналов.

Устройство компенсации W₂₁(p), тождественное в динамическом отношении каналу , обеспечивает инвариантность системы к внутренним возмущениям. То есть при случайном изменении подачи («провале») топлива в мельницу, сигнал по каналу В'→В''→Q_T, поступающий на вход регулятора 9, компенсируется сигналом по каналу В'→N_M→W₂₁(p). Регулятор загрузки мельницы один устраняет это возмущение, не вызывая ложного срабатывания регулятора тепловой нагрузки

Предложенное изобретение позволяет:

- обеспечить полную инвариантность системы регулирования к внутренним и внешним возмущениям и тем самым повысить качество (быстродействие и динамическую точность) регулирования нагрузки котла;

- расширить диапазон регулирования производительности пылесистем при исчерпании диапазона регулирования расхода первичного воздуха, что особенно важно при участии в первичном регулировании частоты;

- повысить надежность работы пылесистемы и предотвратить перегрузку мельницы, за счет ограничения сигнала рассогласования, поступающего с регулятора первичного воздуха до предельно допустимой, по условиям завала мельницы, величины.

Изобретение относится к автоматизации теплоэнергетических объектов, в частности к автоматическому регулированию котла с пылесистемами прямого вдувания. Регулятор тепловой нагрузки котла (ТНК), получая сигнал задания от системы более высокого уровня (например, от регулятора мощности блока), воздействует на регуляторы расхода первичного воздуха, обеспечивая тем самым пропорциональное изменение расхода первичного воздуха в мельницы. Сигнал по изменению расхода первичного воздуха в каждую пылесистему, динамически преобразованный в последовательно соединенных дифференциаторе и интегро-дифференцирующем звене, поступает на вход регулятора загрузки соответствующей мельницы, который, воздействуя на изменение расхода топлива, обеспечивает совместно с изменением расхода первичного воздуха практически безинерционный вынос пыли из мельницы. Сигнал по отклонению загрузки мельницы от заданного значения, динамически преобразованный в инерционном звене с характеристикой канала регулирования «расход топлива из мельницы - нагрузка котла», поступает на вход регулятора ТНК. В результате обеспечивается инвариантность регулятора ТНК к внутренним возмущениям в подаче топлива в мельницы. При ограничении расхода первичного воздуха, сигнал рассогласования между заданным и фактическим расходом первичного воздуха поступает на вход регулятора загрузки мельницы, увеличивая расход топлива в мельницу и расширяя тем самым диапазон регулирования ТНК. Для предотвращения перегрузки мельниц, сигнал рассогласования, поступающий на вход регулятора загрузки мельницы, ограничивают до величины предельно допустимой загрузки (мощности) по условиям завала мельницы. Предложенное изобретение позволяет обеспечить полную инвариантность системы регулирования к внутренним и внешним возмущениям и тем самым повысить качество (быстродействие и динамическую точность) регулирования нагрузки котла; расширить диапазон регулирования производительности пылесистем при возникновении ограничения расхода первичного воздуха; предотвратить перегрузку мельниц и тем самым повысить надежность работы пылесистем и котла в целом. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ автоматического регулирования производительности котла с пылесистемами прямого вдувания путем поддержания требуемой нагрузки котла изменением суммарного расхода первичного воздуха в пылесистемы по сигналу от регулятора тепловой нагрузки котла, изменением расхода топлива в мельницы по сигналу загрузки мельницы и сигналу скорости изменения расхода первичного воздуха, отличающийся тем, что сигнал по отклонению загрузки мельницы от заданного значения динамически преобразуют в инерционном звене с характеристикой канала регулирования «расход топлива из мельницы - нагрузка котла» и подают на вход регулятора тепловой нагрузки котла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сигнал по скорости изменения расхода первичного воздуха подаваемый на вход регулятора загрузки мельницы дополнительно преобразуют в интегродифференцирующем звене с характеристикой отношения передаточных функций каналов регулирования «расход первичного воздуха - мощность мельницы - расход топлива в мельницу - мощность мельницы».

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при ограничении расхода первичного воздуха сигнал рассогласования между заданным и фактическим расходом первичного воздуха подают на вход регулятора загрузки мельницы.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что величину сигнала рассогласования поступающего на вход регулятора загрузки мельницы ограничивают до величины предельно допустимой по условиям завала мельницы.

5. Система для автоматического регулирования производительности котла с пылесистемами прямого вдувания, содержащая регуляторы загрузки мельниц, выходами подключенные к исполнительным механизмам питателей сырого угля, а входами - к датчикам загрузки каждой мельницы и через дифференциаторы к датчикам расхода первичного воздуха в мельницы, регуляторы расхода первичного воздуха в мельницы, выходами подключенные к исполнительным механизмам регулирующих органов расхода первичного воздуха в каждую мельницу, а входами - к датчикам расхода первичного воздуха в каждую мельницу, регулятор тепловой нагрузки котла с датчиком тепловой нагрузки котла и блоком задания от системы более высокого уровня, выходом подключенный к каждому регулятору первичного воздуха, отличающаяся тем, что дополнительно снабжена регулятором суммарной производительности расхода первичного воздуха и подключенным на его вход первым блоком суммирования, а выходом соединенным с входами всех регуляторов расхода первичного воздуха, на входы первого блока суммирования подключены датчики расхода первичного воздуха, а на второй вход регулятора суммарной производительности подключен выход регулятора тепловой нагрузки, система также снабжена вторыми блоками суммирования, включенными между датчиками загрузки и входами регуляторов загрузки мельниц, последовательно соединенными третьим блоком суммирования и компенсирующим инерционным звеном, выходом подключенным к входу регулятора тепловой нагрузки, а входы третьего блока суммирования соединены с выходами вторых блоков суммирования всех пылесистем.

6. Система по п.5, отличающаяся тем, что снабжена по числу пылесистем компенсирующими интегродифференцирующими звеньями, включенными между выходами дифференциаторов и входами регуляторов загрузки мельниц каждой пылесистемы.

7. Система по п.6, отличающаяся тем, что снабжена четвертыми блоками суммирования, включенными на входы регуляторов расхода первичного воздуха, а входами соединенными с выходом регулятора суммарного расхода первичного воздуха и датчиками расхода первичного воздуха.

8. Система по п.7, отличающаяся тем, что снабжена блоками выделения минимального сигнала, включенными между выходом четвертого блока суммирования каждой пылесистемы и входом второго блока суммирования и задатчиками предельно допустимого значения загрузки мельницы, подключенными на второй вход блока выделения минимального сигнала.