СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СООТНОШЕНИЯ ТОПЛИВО-ВОЗДУХ В ТОПКЕ КОТЛА Российский патент 2014 года по МПК F23N1/02 

Изобретение относится к теплоэнергетике, используется в системах автоматического регулирования паровых и водогрейных котлов.

Известно, что для обеспечения максимальной экономии топлива паровых и водогрейных котлов, т.е. для работы с максимальным КПД, необходимо снизить суммарные тепловые потери ∑(q₂+q₃+q₄+q₅):

η=P_K/BQ_Н=1-∑(q₂+q₃+q₄+q₅).

Здесь η - коэффициент полезного действия котла, P_K=W(Tвых-Tвх) - тепловая мощность (тепловосприятие) котла, равная произведению расхода воды W через котел и ее нагреву в котле (Tвых-Tвх), В - расход топлива, Qн - низшая рабочая теплота сгорания топлива, q₂ - относительная потеря тепла с уходящими газами, q₃ - потеря тепла от химического недожога топлива, q₄ - потеря тепла от механического недожога топлива в слое q_4ш и в уносе q_4ун, q₅ - потеря тепла от наружных поверхностей котла.

Потери тепла котла зависят от его топочного режима, главным образом, от соотношения «топливо - воздух», т.е. от коэффициента избытка воздуха α. Но эта зависимость неоднозначна: если с увеличением избытка воздуха для горения потеря тепла с уходящими газами q₂, зависящая от температуры уходящих газов, и потеря тепла с уносом q_4ун, зависящая от скорости газов в топке, растут, то потери q₃ и q_4ш снижаются. Поэтому суммарные потери тепла ∑q зависят сложным образом от избытка воздуха α; существует минимум суммарных потерь тепла при оптимальном значении избытка воздуха α_опт (Маргулова Т.Х. «Компоновка и тепловой расчет котлоагрегата» ГЭИ. М.-Л. 1956. 120 с.).

Существующие системы автоматического регулирования котлов, направленные на поддержание соотношения топливо-воздух, близкого к оптимальному, регулируют расход воздуха, сопоставляя измеренные значения некоторых параметров работы котла с заданными значениями, принятыми в качестве «оптимальных». Заданные «оптимальные» значения температуры уходящих газов Тух или содержания продуктов неполного сгорания топлива (СО, Н₂, СН₄) в уходящих газах находят в предварительных наладочных испытаниях котла для нескольких нагрузок. Полученные значения избытка воздуха а и соответствующие значения температуры и химического состава газов считают оптимальными для данной тепловой мощности (нагрузки) котла и используют для настройки задатчиков системы регулирования. Наиболее близким к предлагаемому способу является «Способ регулирования расхода воздуха» - Авт. свид. 1035343 А (15.08.83, бюллетень №30).

Недостатками известных способов являются:

1. Оптимальное соотношение «топливо-воздух» устанавливают и поддерживают не по минимуму суммарных потерь тепла ∑q, а по минимуму одной из потерь: q₂ (Тух), или q₃, не учитывая всех потерь тепла, в связи с чем КПД котла не будет максимальным, режим работы котла неоптимален.

2. Для осуществления способа необходимо проведение предварительных наладочных испытаний котла на нескольких нагрузках с определением многих параметров его работы. Для котлов, работающих на твердых топливах, эти испытания достаточно трудоемки.

3. Полученные в наладочных опытах значения параметров работы котла, принятых в качестве оптимальных, неоднозначны, поскольку качество топлива, особенно твердого (рядовых каменных и бурых углей), непостоянно, меняется даже во время наладочных опытов.

4. Необходима перенастройка задатчиков для каждой нагрузки котла при соответствующем расходе топлива, поскольку оптимальное соотношение топливо-воздух меняется. В связи с этим в переходных режимах работы котла система автоматического регулирования должна быть отключена.

Задачей предлагаемого изобретения является нахождение и поддержание максимального КПД работы котла путем регулирования соотношения «топливо-воздух» в топке котла изменением расхода дутьевого воздуха.

В результате использования предлагаемого изобретения обеспечивается работа котла с максимальным КПД.

В предлагаемом способе автоматического регулирования соотношения «топливо-воздух» путем изменения расхода дутьевого воздуха для горения постоянно измеряют расход воды W, проходящей через котел, и температуру ее на входе Tвх и выходе котла Tвых, по значениям которых рассчитывают значение тепловой мощности по выражению P_K=W(Tвых-Tвх), первоначально увеличивают расход воздуха рабочим органом на небольшую порядка 1-2% величину, через время тепловой инерции сопоставляют текущее значение тепловой мощности P_K с предыдущим значением, и дают команду рабочему органу на увеличение расхода воздуха в случае, если мощность P_K оказалось больше предыдущего значения, или на уменьшение расхода воздуха, если мощность P_K оказалось меньше предыдущего значения.

Для автоматизации способа используют анализатор, получающий на вход данные измерений расхода воды и температур ее на входе и выходе котла и вырабатывающий команды регулирующему органу. В качестве регулирующего органа используют устройство, изменяющее число оборотов дутьевого вентилятора.

Сущность предлагаемого способа поясняется на фиг.1 и 2.

На фиг.1 представлена схема автоматического регулирования котла,

На фиг.2 представлена зависимость мощности котла P_K от расхода воздуха V.

Устройство для осуществления способа содержит котел 1, трубопроводы подвода воды 2 и отвода нагретой воды (пара) 3, подачу топлива 4, линию подвода воздуха 5, дутьевой вентилятор 6, измерительное устройство 7, анализатор 8, регулятор расхода воздуха (рабочий орган) 9.

Устройство работает следующим образом: вода поступает в котел 1 через трубу 2, нагревается, и выходит через трубу 3. Топливо в котел поступает по линии 4, воздух для горения - по трубопроводу 5. Измерительное устройство постоянно измеряет расход воды W и температуры ее на входе Tвх и выходе Tвых котла и направляет значения измеренных величин в анализатор 8. Анализатор рассчитывает мощность котла по выражению Р=W(Tвых-Tвх), сопоставляет с предыдущим значением и вырабатывает команду рабочему органу 9 на открытие или закрытие.

Способ автоматического регулирования осуществляют следующим образом.

При включении системы автоматического регулирования постоянно измеряют расход воды и ее температуры, рассчитывают мощность котла Р, первоначально увеличивают расход воздуха по команде рабочему органу на небольшую порядка 2% величину. Через время тепловой инерции (порядка 1 минуты для небольших котлов) сопоставляют текущее значение мощности P_K=W(Tвых-Tвх) с предыдущим значением мощности, и дают команду рабочему органу на увеличение расхода воздуха (открытие) в случае, если мощность P_K оказалось больше предыдущего значения P_K, или команду на уменьшение расхода воздуха (закрытие), если P_K оказалось меньше предыдущего значения. Таким образом находят и поддерживают максимальный КПД (максимальную мощность) при каждой нагрузке котла.

При работе парового котла при расчете мощности вместо температуры воды Tвых используют теплосодержание пара, зависящее от давления и температуры пара на выходе котла.

В переходных режимах работы котла предлагаемый способ будет работать аналогично.

Пример работы системы регулирования показан на фиг.2, где дано изменение тепловой мощности котла P_K в зависимости от расхода воздуха. При работе котла в режиме, соответствующем точке 1, первоначальная команда от анализатора рабочему органу на увеличение расхода воздуха приводит к увеличению мощности P₂≥P₁. В связи с этим анализатором вырабатывается следующая команда рабочему органу на дальнейшее увеличение расхода воздуха. Таким образом, режим работы котла приблизится к оптимальному (максимальной мощности и КПД).

Если исходный режим работы котла соответствует точке 2, то первоначальная команда на увеличение расхода воздуха приведет к снижению мощности, и команда, вырабатываемая анализатором, будет дана на уменьшение расхода воздуха. Режим работы котла будет приближаться к оптимальному. Таким образом, система регулирования постоянно вырабатывает команды на увеличение или уменьшение расхода воздуха, приближая режим работы котла к оптимальному.

При теплотехнических испытаниях водогрейного котла «Братск» со слоевой колосниковой топкой на каменном угле Кузнецкого месторождения марки 2СС при тепловой мощности 0,82 МВт измеренный КПД котла составил 0,77. При этом оптимальное значение коэффициента избытка воздуха составило 1,45.

Изобретение относится к теплоэнергетике, используется в системах автоматического регулирования паровых и водогрейных котлов. Техническим результатом изобретения является нахождение и поддержание режима работы котла с максимальным КПД путем регулирования соотношения «топливо-воздух» в топке котла изменением расхода дутьевого воздуха. Для этого постоянно измеряют расход воды, проходящей через котел, и температуры ее на входе и выходе котла, по значениям которых рассчитывают значение тепловой мощности котла, первоначально увеличивают расход воздуха рабочим органом на величину порядка 2%, через время тепловой инерции сопоставляют текущее значение тепловой мощности с предыдущим значением и дают команду рабочему органу на увеличение расхода воздуха в случае, если мощность оказалось больше предыдущего значения, или на уменьшение расхода, если мощность оказалась меньше предыдущего значения. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ автоматического регулирования соотношения топливо-воздух в топке котла путем изменения расхода дутьевого воздуха для горения топлива, отличающийся тем, что постоянно измеряют расход воды W через котел и температуру ее на входе Tвх и выходе котла Tвых, по значениям которых определяют тепловую мощность котла по выражению P_K=W(Tвых-Tвх), первоначально увеличивают расход воздуха рабочим органом на величину порядка 2%, и через время тепловой инерции сопоставляют текущее значение тепловой мощности P_K с предыдущим значением, и дают команду рабочему органу на увеличение расхода воздуха в случае, если P_K оказалось больше предыдущего значения, или на уменьшение расхода воздуха, если P_K стало меньше предыдущего значения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сопоставление значений мощности P_K выполняют анализатором, который получает на вход данные измерений расхода воды и температур ее на входе и выходе котла и вырабатывает команды рабочему органу на увеличение или уменьшение расхода воздуха.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве регулирующего органа используется устройство, изменяющее число оборотов дутьевого вентилятора.