СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ В ТОПКЕ БАРАБАННОГО ПАРОВОГО КОТЛА Российский патент 2011 года по МПК F23N1/02 

Изобретение относится к теплоэнергетике, касается автоматизации барабанных паровых котлов, а именно экономичности процесса горения в топке.

Известен способ автоматической оптимизации процесса горения в топке барабанного парового котла, имеющего топочные экраны, путем последовательного изменения расхода воздуха, подводимого к горелкам, с помощью регулятора поиска, причем дополнительно измеряют и стабилизируют величину химического недожога в дымовых газах в заданных пределах, измеряют повышение содержания кислорода в дымовых газах над заданным значением и последовательно изменяют расход воздуха, подводимого к каждой горелке, с помощью регулятора поиска до появления в продуктах сгорания соответствующей горелки химического недожога, определяемого по увеличению химического недожога в дымовых газах [А.С. № 735869].

Недостаток этого способа состоит в том, что он не обеспечивает оптимального содержания кислорода, так как оптимальное содержание кислорода не является постоянным в процессе эксплуатации, его значение зависит от многих факторов (паровой нагрузки, качественного состава топлива, потерь теплоты с уходящими газами и др.). Данный недостаток особенно проявляется для котлов, в которых утилизируются вторичные энергетические ресурсы технологических процессов, например доменный газ в металлургии.

Указанный недостаток снижает точность поддержания максимального КПД.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ автоматической оптимизации процесса горения в топке барабанного парового котла, имеющего топочные экраны, путем измерения параметров, характеризующих КПД котла и соотношение топливо-воздух соответственно, определения отклонений измеренных сигналов от своих заданных значений и последующего изменения с помощью регулятора поиска оптимального расхода воздуха по сумме этих отклонений, причем в качестве параметров, характеризующих КПД котла и соотношение топливо-воздух, используют тепловосприятие топочных экранов и разность расходов пара и воздуха соответственно [А.С. № 1064078].

Недостатком этого способа является следующее. Экономичность процесса горения в топке характеризуется отношением тепла, выработанного в топке, к теплу, внесенного в топку с топливом. В переменных режимах при изменениях расхода и калорийности топлива сигнал по тепловосприятию топочных экранов характеризует лишь одну сторону отношения, определяющего экономичность процесса горения. Вторую сторону отношения - тепло, вносимое в топку с топливом, - сигнал по тепловосприятию топочных экранов не учитывает. Данный недостаток проявляется в переменных режимах, характерных для котлов, в которых утилизируются вторичные энергетические ресурсы технологических процессов.

Указанный недостаток снижает точность поддержания максимального КПД.

Цель изобретения - повышение точности оптимизации процесса горения в топке барабанного парового котла, работающего в переменных режимах, характерных для котлов, в которых утилизируются вторичные энергетические ресурсы технологических процессов, повышение КПД котла.

Поставленная цель достигается тем, что способу автоматической оптимизации процесса горения в топке барабанного парового котла, имеющего топочные экраны, путем измерения параметров, характеризующих КПД котла и соотношение топливо-воздух соответственно, определения отклонений измеренных сигналов от своих заданных значений, последующего изменения с помощью корректирующего регулятора расхода воздуха по сумме этих отклонений и осуществления экстремального регулирования, в отличие от ближайшего аналога в качестве параметров, характеризующих КПД котла используют: текущий тепловой поток, поступающий из топки в циркуляционный контур барабанного котла; текущий тепловой поток, вносимый в топку котла с топливом; корреляционное измерение временного сдвига указанных тепловых потоков; синхронизированное отношение указанных тепловых потоков и определяют корреляцию указанного отношения с расходом воздуха, по которой осуществляют экстремальное регулирование.

На фиг.1 изображена функциональная схема автоматической системы экстремального регулирования; на фиг.2 - схема регулирования подачи воздуха по соотношению «нагрузка-воздух» с оптимальной коррекцией по сигналу корреляционного коэффициента по воздуху r_тв(t); на фиг.3 - временные характеристики корреляционного коэффициента по воздуху r_тв(t); на фиг.4 - временные характеристики доли природного газа в выработке тепла барабанным паровым котлом.

Система (фиг.1) состоит из двух контуров. Стабилизирующий контур образуют объект 1 регулирования и автоматический регулятор 2 подачи общего воздуха, действующий по упрощенной схеме нагрузка z_н - воздух Q_в. Контур оптимальной коррекции составляет объект 1 регулирования и корректирующий регулятор 3.

Процесс автоматической оптимизации процесса горения в топке барабанного парового котла осуществляется следующим образом.

Корректирующий регулятор 3 вырабатывает корректирующий сигнал у_кор на основе сигнала r_тв(t), поступающего с вычислительного устройства 6. Вычислительное устройство 6 вырабатывает сигнал r_тв(t) на основе сигналов текущих отклонений от соответствующих средних значений расхода воздуха Q_в(t) и КПД топочных процессов η_т(t). Сигнал КПД топочных процессов η_т(t) вырабатывает вычислительное устройство 5 на основе сигналов тепла Q_вх(t-τ(t)), вносимого в топку котла с топливом, с временным сдвигом τ(t), определяемым корреляционным измерителем 4, и теплового потока Q_ц.к(t), поступающего из топки в циркуляционный контур барабанного котла. Сигналы Q_вх(t) и Q_ц.к(t) снимаются с измерительных устройств котла [Плетнев Г.П. Автоматизированное управление объектами тепловых электростанций. - М.: Энергоиздат, 1981. - С.228-230].

Корреляционный измеритель 4 представляет собой вычислительное устройство (Техническая кибернетика. Теория автоматического регулирования. Кн.2. Анализ и синтез линейных непрерывных и дискретных систем автоматического регулирования./Под ред. В.В.Солодовникова. М., Машиностроение, 1967, с.38-40), реализующее вычисление сигнала запаздывания r(t) на основе решения экстремальной задачи

.

Смысл экстремальной задачи состоит в том, что на ее основе по параметру τ в каждый момент времени t определяется максимум коэффициента корреляции

M[Q_вх(t-τ)Q_ц.к(t) между отклонениями Q_вх(t-τ), Q_ц.к(t) от средних значений, М{·} - операция текущего усреднения случайных величин.

Устройство 5 вычисляет КПД топочных процессов по соотношению

,

где учет запаздывания τ(t) позволяет осуществлять синхронизацию потоков тепла Q_вх(t) и Q_ц.к(t).

Устройство 6 представляет собой вычислитель корреляционного коэффициента

r_тв(t)=M{ΔQ_в(t)·Δη_т(t)},

здесь ΔQ_в(t), Δη_т(t) - текущие отклонения значений тепла, вносимого в топку котла с топливом, и КПД топочных процессов от соответствующих средних значений; М{·} - операция текущего усреднения случайных величин.

Корреляционный коэффициент по воздуху определяет направление поиска оптимального значения расхода воздуха из условия максимума КПД топочных процессов η_т(t).

Предложенный способ экспериментально проверялся на котле «Ганомаг» при совместном сжигании доменного и природного газа. Ставилась задача снижения объема потребляемого природного газа за счет оптимизации процесса горения. Схема регулирования подачи воздуха в эксперименте представлена на фиг.2, где 7 - регулятор задания по нагрузке; Δp_в.г - перепад давления на воздухоподогревателе, представляющий сигнал отрицательной обратной связи; ЗРУ - задатчик ручного управления. По корреляционному коэффициенту r_тв(t) оценивалась величина избытка (недостатка) расхода воздуха (фиг.3). Положительные значения r_тв(t) свидетельствуют о недостаточной подаче воздуха, отрицательные - об избытке. Импульсами иллюстрируются временные зоны избытка (недостатка) расхода воздуха (фиг.3). Далее с помощью регулятора достигалось оптимальное значение расхода воздуха. Анализ временных характеристик (фиг.3 и 4) показывает, что в зонах оптимального расхода воздуха доля природного газа в выработке тепла принимает минимальные значения. Введение оптимальной коррекции по воздуху позволило снизить долю природного газа в выработке тепла, при этом КПД котла повысилось на 2% (фиг.4).

Экспериментальные исследования выявили преимущество предлагаемого способа автоматической оптимизации процесса по сравнению с ближайшим аналогом, которое состоит в следующем. Достижение сигналом по тепловосприятию топочных экранов максимального значения не во всех режимах соответствует оптимальному значению КПД котла. Здесь в случае роста калорийности топлива при постоянном расходе воздуха в топке котла не будет происходить дополнительная выработка тепла. Поэтому сигнал по тепловосприятию топочных экранов, используемый в прототипе для поиска оптимального значения воздуха, останется неизменным. Вследствие этого экстремальный регулятор в данном случае не будет оперативно задействован, что приведет к снижению КПД котла. В предлагаемом способе данный случай исключается, т.к. примененный здесь текущий показатель КПД топочных процессов η_т чувствителен к теплу Q_вх, внесенного в топку котла с топливом.

Изобретение относится к теплоэнергетике, касается автоматизации барабанных паровых котлов, а именно экономичности процесса горения в топке. Технический результат изобретения - повышение точности оптимизации процесса горения в топке барабанного парового котла, работающего в переменных режимах, характерных для котлов, в которых утилизируются вторичные энергетические ресурсы технологических процессов, повышение КПД котла. Способ автоматической оптимизации процесса горения в топке барабанного парового котла, имеющего топочные экраны, путем измерения параметров, характеризующих КПД котла и соотношение топливо-воздух соответственно, определения отклонений измеренных сигналов от своих заданных значений и последующего изменения с помощью корректирующего регулятора расхода воздуха по сумме этих отклонений, отличается тем, что в качестве параметров, характеризующих КПД котла и соотношение топливо-воздух, используют: текущий тепловой поток, поступающий из топки в циркуляционный контур барабанного котла; текущий тепловой поток, вносимый в топку котла с топливом; корреляционное измерение временного сдвига указанных тепловых потоков; синхронизированное отношение указанных тепловых потоков и определяют корреляцию указанного отношения с расходом воздуха, по которой осуществляют экстремальное регулирование. 4 ил.

Способ автоматической оптимизации процесса горения в топке барабанного парового котла, имеющего топочные экраны, путем измерения параметров, характеризующих КПД котла и соотношение топливо-воздух соответственно, определения отклонений измеренных сигналов от своих заданных значений, последующего изменения с помощью корректирующего регулятора расхода воздуха по сумме этих отклонений и осуществления экстремального регулирования, отличающийся тем, что в качестве параметров, характеризующих КПД котла, используют текущий тепловой поток, поступающий из топки в циркуляционный контур барабанного котла; текущий тепловой поток, вносимый в топку котла с топливом; корреляционное измерение временного сдвига указанных тепловых потоков; синхронизированное отношение указанных тепловых потоков и определяют корреляцию указанного отношения с расходом воздуха, по которой осуществляют экстремальное регулирование.