Система автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности высокотемпературного кипящего слоя с устройством и расходной емкостью воды для аварийных режимов Российский патент 2019 года по МПК F23N5/20 

Техническое решение относится к области теплоэнергетики, а именно к системам автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности высокотемпературного кипящего слоя.

Работа котла малой мощности с топкой высокотемпературного кипящего слоя осуществляется в диапазоне 1100…1200°С. Данные котлы малой мощности с топкой высокотемпературного кипящего слоя устанавливаются для различных потребителей.

Аналогом заявленного изобретения является система автоматического регулирования параметров котла с топкой низкотемпературного кипящего слоя (НТКС), разработанная специалистами треста «Донецкуглеавтоматика» по статье Бочаров А.А., Вискин Ж.В. Методика реконструкции и эксплуатации топок для сжигания высокозольных углей в кипящем слое. Донецк: Донецкуглеавтоматика, 1989, с. 80-91 - [1]. Система состоит из регуляторов разряжения, уровня, выпуска шлака, воздуха, топлива. Работа всех регуляторов осуществляется с использованием исполнительных механизмов электрических однооборотных (МЭО). В данной схеме предусмотрен контроль следующих параметров: температуры уходящих дымовых газов, давления дутьевого воздуха, температуры кипящего слоя, температуры и давления пара (воды) на выходе из котла, параметры электродвигателей дутьевого вентилятора и дымососа.

Так же известны способы сжигания угля в высокотемпературном кипящем слое по литературным источникам:

- Смирнов А.В., Юферев Ю.В., Воронов В.Ю., Макаров В.П. Технология сжигания угля в высокотемпературном кипящем слое в коммунальных котельных малой мощности. СПб: Стройпрофиль, 2004, №4/1, с. 108-110 - [2];

- Юферев Ю.В., Воронов В.Ю. Опыт реконструкции и эксплуатации котла «Братск» с топкой ВТКС.// Сборник работ докторантов и адъюнктов. СПб: ВИТУ, 1998, №2, с. 56-58 - [3];

Устройства их реализующие способы сжигания угля по [2] и [3] включают в себя вариатор, регулирующий подачу топлива, преобразователь напряжения с двигателем постоянного тока для привода подвижной решетки для удаления шлака и золы. Регулирование производительности дымососа и вентилятора осуществляется посредством исполнительных МЭО.

Данные аналоги [1], [2] и [3] обладают недостатком:

- регулирование разряжения в топке котла и подачи воздуха осуществляется при помощи шиберов с электроприводами МЭО, что приводит к потерям при дросселировании воздуха и газов;

- отсутствуют преобразователи частоты для привода вентилятора и дымососа, что увеличивает расход электроэнергии;

- отсутствует позонное регулирование первичного воздуха, что приводит к увеличению потерь от химического недожога и с механической неполнотой сгорания топлива;

- нет канала регулирования давления вторичного воздуха, вследствие чего снижается эффективность выгорания топлива и возрастает доля уноса твердых частиц из слоя;

- для регулирования подачи топлива используется вариатор, для привода подвижной решетки для удаления шлака и золы преобразователь напряжения, которые характеризуются низкой надежностью.

Известен «Котлоагрегат для сжигания угля в котле с высокотемпературным кипящим слоем с механическим устройством и расходной емкостью воды для аварийных режимов» по патенту на полезную модель РФ: RU 179495 U1 от 15.05.2018, МПК F23C 10/02 - [4], состоящий измеханического топочного устройства в виде узкой наклонной к горизонту подвижной колосниковой решетки для сжигания твердого топлива в высокотемпературном кипящем слое, поверхностей нагрева, питателя топлива, эжектора, на колосниковой решетке установлено ручное механическое устройство для удаления шлака из топки котла в аварийной ситуации, установлена расходная емкость воды с ручным насосом для охлаждения удаляемого шлака в аварийной ситуации.

Недостатком известного аналога [4], является то, что не предусмотрены для этого котлоагрегата исполнительные механизмы с электроприводами для автоматического останова и регулирования работы котла в аварийных ситуациях. То есть, не описана работа котлоагрегата [4] с системой автоматического регулирования для предупреждения аварийных ситуаций с аварийным электроприводом колосниковой решетки, аварийным электроприводом насоса расходной емкости и устройствами автономного аварийного питания, что снижает эффективность его эксплуатации, так при исчезновении напряжения остановится дутьевой вентилятор и двигатель электропривода колосниковой решетки. Прекращается подача воздуха под колосниковую решетку. Топливо, имеющее температуру 1100-1200 градусов, опустится на колосниковую решетку, где только с помощью обслуживающего персонала механически имеется возможность предотвращения опасности спекания шлака и выхода котла из строя.

Прототипом заявленной «Системы автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности высокотемпературного кипящего слоя с устройством и расходной емкостью воды для аварийных режимов» является «система» по патенту на полезную модель РФ: RU 49603 U1 от 27.11.2005, МПК F23N 1/00 - [5], которая состоит из программируемого контроллера, блоков управления регуляторов подачи воздуха с каналами регулирования позонного первичного и вторичного воздуха, топлива, разряжения, удаления шлака и золы с датчиками и исполнительными механизмами, приборами контроля и безопасности, частотно-регулируемымиприводами вентилятора, дымососа, питателя топлива и подвижной решетки для удаления шлака и золы.

Недостатком прототипа - «системы» [5], является то, что она не предназначена для прототипа - «устройства» [4], то есть не может быть без усовершенствования применена на данном устройстве и не оборудована -аварийными электроприводами, линиями связи с соответствующими блоками управления ПЛК и блоком бесперебойного автономного питания.

Недостатки аналогов и прототипов ставят задачу повышения автоматизации котлоагрегата [4] путем создания системы автоматического управления процессом горения и останова котла при возникновении аварийных ситуаций.

Данная задача решается за счет того, что в системе автоматического регулирования дополнительно установлены исполнительные механизмы с электроприводами, которые линиями связи соединены с соответствующими блоками управления программируемого контроллера (ПК), кроме того система оборудована блоком бесперебойного автономного питания с возможностью автоматического включения при пропадании внешнего питания.

Сущность заявленного изобретения состоит в том, что «система автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности высокотемпературного кипящего слоя с устройством и расходной емкостью воды для аварийных режимов» состоящая из ПК, блоков управления регуляторов подачи воздуха с каналами регулирования позонного первичного и вторичного воздуха, топлива, разряжения, удаления шлака и золы с датчиками и исполнительными механизмами, приборами контроля и безопасности, частотно-регулируемыми приводами вентилятора, дымососа, питателя топлива и подвижной решетки для удаления шлака и золы. Котлоагрегат в свою очередь состоит механического топочного устройства в виде узкой наклонной к горизонту подвижной колосниковой решетки, поверхностей нагрева, питателя топлива, эжектора, устройства для удаленияшлака из топки котла в аварийной ситуации, расходной емкости воды с насосом для охлаждения удаляемого шлака в аварийной ситуации. Установленные на котле устройства для удаления шлака из топки котла в аварийной ситуации, насос расходной емкости для охлаждения удаляемого шлака в аварийной ситуации дополнительно оборудованы аварийными электроприводами, которые линиями связи соединены с соответствующими блоками управления ПК, кроме того система оборудована блоком бесперебойного автономного питания с возможностью автоматического включения при пропадании внешнего питания в виде дизель-генератора или оснащена устройством автоматического переключения на внешнюю резервную линию электропитания.

Техническим результатом является повышение уровня автоматизации котлоагрегата и повышение безопасной эксплуатации при внештатной ситуации.

Ограничительные признаки изобретения «Система автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности высокотемпературного кипящего слоя с устройством и расходной емкостью воды для аварийных режимов», состоящая из ПК, блоков управления регуляторов подачи воздуха с каналами регулирования позонного первичного и вторичного воздуха, топлива, разряжения, удаления шлака и золы с датчиками и исполнительными механизмами, приборами контроля и безопасности, частотно-регулируемыми приводами вентилятора, дымососа, питателя топлива и подвижной решетки для удаления шлака и золы. Котлоагрегат в свою очередь состоит механического топочного устройства в виде узкой наклонной к горизонту подвижной колосниковой решетки, поверхностей нагрева, питателя топлива, эжектора, устройства для удаления шлака из топки котла в аварийной ситуации, расходной емкости воды с насосом для охлаждения удаляемого шлака в аварийной ситуации, описывают общие элементы системы автоматического регулирования процесса горения иконструкции котла малой мощности высокотемпературного кипящего слоя для прототипа и заявленного технического решения.

Отличительный признаки «Система автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности высокотемпературного кипящего слоя с устройством и расходной емкостью воды для аварийных режимов» с устройством для удаления шлака из топки котла в аварийной ситуации, насосом расходной емкости для охлаждения удаляемого шлака в аварийной ситуации дополнительно оборудованы аварийными электроприводами, которые линиями связи соединены с соответствующими блоками управления ПК, кроме того система оборудована блоком бесперебойного автономного питания с возможностью автоматического включения при пропадании внешнего питания, при этом блок бесперебойного питания выполнен в виде дизель-генератора или оснащен устройством автоматического переключения на внешнюю резервную линию электропитания, позволят достигнуть заявленный технический результат, а именно повысить уровень автоматизации котла и безопасной эксплуатации при возникновении аварийных ситуаций:

Предложенная «Система автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности высокотемпературного кипящего слоя с устройством и расходной емкостью воды для аварийных режимов» поясняется фигурой на листе графических материалов, где:

1 - программируемый контроллер;

2, 3, 4 и 5 - исполнительные механизмы с частотно-регулируемыми приводами питателя топлива, колосниковой решетки, дымососа, вентилятора;

6, 7 - датчики давления общего и вторичного воздуха;

8 - датчик температуры кипящего слоя;

9, 10 - датчики давления прямой и обратной сетевой воды;

11, 12 - датчики температуры прямой и обратной сетевой воды;

13 - вентилятор;

14 - дымосос;

15 - питатель топлива;

16 - подвижная решетка для удаления шлака и золы;

17 - датчик разряжения;

18, 19, 20, 21 - дутьевые зоны первичного воздуха;

22, 23, 24, 25 - шибера позонного регулирования первичного воздуха;

26, 27, 28, 29 - датчики давления первичного воздуха;

30, 31, 32, 33 - исполнительные механизмы с электроприводом МЭО;

34 - шибер регулирования вторичного воздуха;

35 - сопла вторичного дутья;

36 - исполнительный механизм с электроприводом МЭО;

37 - насос аварийной подачи воды с электроприводом;

38 - аварийный электропривод колосниковой решетки;

39 - газоанализатор;

40 - расходная емкость воды;

41 - источник бесперебойного питания.

Заявленное техническое решение состоит из программируемого логического контроллера (ПК) (1), блоков управления регуляторов подачи воздуха с каналами регулирования позонного первичного (18-21) и вторичного воздуха (35), топлива, разряжения, удаления шлака и золы с датчиками и исполнительными механизмами, приборами контроля и безопасности, частотно-регулируемыми приводами вентилятора (13), дымососа (14), питателя топлива (15) и подвижной решетки для удаления шлака и золы (16), Котлоагрегат в свою очередь состоит механического топочного устройства в виде узкой наклонной к горизонту подвижной колосниковой решетки (16), поверхностей нагрева, питателя топлива (15), эжектора. Устройства для удаления шлака из топки котла в аварийной ситуации дополнительно снабжено аварийным электроприводом колосниковой решетки (16), расходной емкости воды (40), с насосом (37) аварийной подачи воды с электроприводом для охлаждения удаляемого шлака в аварийной ситуации которые линиями связи соединены с соответствующими блокамиуправления ПК (1), кроме того система оборудована блоком бесперебойного автономного питания (41) с возможностью автоматического включения при пропадании внешнего питания, выполненного в виде дизель-генератора или блоком бесперебойного питания (41) оснащенного устройством автоматического переключения на внешнюю резервную линию электропитания

Заявленная система работает следующим образом:

При изменении тепловой нагрузки на котлоагрегат от датчиков температур прямой (9) и обратной сетевой воды (11) подается сигнал в ПК (1), где сравниваются текущие значения температур в прямом и обратном трубопроводах с заданными значениями из режимной карты котла. При возникновении сигнала рассогласования указанных величин, из ПК (1) подается сигнал на регуляторы подачи топлива. Сигналы, подающиеся на данные регуляторы, имеют дискретные значения. После каждого изменения величины подачи топлива, воздуха, с определенной выдержкой времени заново происходит сравнение текущих значений температур в прямом и обратном трубопроводах с заданными значениями. Этот процесс продолжается до тех пор, пока сигнал рассогласования не войдет в заданный диапазон значений.

Регулирование давления первичного воздуха осуществляется с помощью шиберов позонного регулирования (22-25), датчиков давления (26-29), исполнительные механизмы с электроприводом МЭО (30-33). Регулирование вторичного воздуха организовано следующим образом.

Сигнал от датчика (8) температуры, расположенным в кипящем слое над первой дутьевой зоной, поступает в программируемый контроллер ПК (1), где сравниваются текущие значения температур с заданными значениями из режимной карты котла. При возникновении сигнала рассогласования указанных величин, из ПК (1) подается сигнал на регуляторы подачи топлива, воздуха.

Сигнал об изменении концентрации СО и О₂ в дымовых газах поступает от газоанализатора (12), и после сравнения в ПК преобразованный сигнал поступает на исполнительный механизм МЭО (36), установленный на линии подачи вторичного воздуха.

Регулятор разряжения в топке котла работает в режиме постоянного опроса датчика разряжения (17). Сигнал о разряжении в топочной камере сравнивается в ПК и при отклонении от заданного значения появляется сигнал рассогласования, который в ПК преобразуется в управляющий сигнал на изменение частоты вращения частотно-регулируемого привода дымососа (14). Ее изменение прекращается при отсутствии сигнала рассогласования.

Регулятор удаления шлака и золы предназначен для оптимального распределения материала слоя и удаления твердых продуктов горения. Входными сигналами для данного регулятора являются расход топлива. ПК выдает управляющий сигнал согласно режимной карте котла на изменение частоты вращения частотно-регулируемого привода подвижной решетки для удаления шлака и золы (16).

В аварийных ситуациях при пропадании внешнего электропитания приводные механизмы вентилятора, дымососа, привода колосниковой решетки отключаются, в ПК срабатывает сигнал о включении блоков управления аварийного электропривода колосниковой решетки (38) и через определенный промежуток времени насоса (37) аварийной подачи воды с электроприводом для удаления остатков топлива и шлака в канал транспортера шлакозолоудаления и охлаждения колосниковой решетки в топке котла посредством воды. Электропитание аварийных приводов (38) и насоса (37) аварийной подачи воды с электроприводом, а также программируемого контроллера поддерживает блок бесперебойного питания (41), выполненный в виде дизель-генератора или в виде устройства автоматического переключения на внешнюю резервную линию электропитания.

Предложенная «система автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности высокотемпературного кипящего слоя с устройством и расходной емкостью воды для аварийных режимов» не выявлена из существующего уровня развития техники, что позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизны».

Выше приведенная совокупность отличительных признаков заявленного технического решения, а именно дополнительное снабжение системы автоматического регулирования аварийными электроприводами устройства для удаления шлака из топки котла в аварийной ситуации, насоса расходной емкости для охлаждения удаляемого шлака в аварийной ситуации, блоком бесперебойного автономного питания с возможностью автоматического включения при пропадании внешнего питания, соединенными линиями связи с соответствующими блоками управления ПК не известна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил известных устройств, технологий (способов), что доказывает соответствию критерию «изобретательский уровень».

Конструктивная реализация заявленного технического решения с указанной совокупностью признаков не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленное применение».

Литература.

1. Бочаров А.А., Вискин Ж.В. Методика реконструкции и эксплуатации топок для сжигания высокозольных углей в кипящем слое. Донецк: Донецкуглеавтоматика, 1989, с. 80-91.

2. Смирнов А.В., Юферев Ю.В., Воронов В.Ю., Макаров В.П. Технология сжигания угля в высокотемпературном кипящем слое в коммунальных котельных малой мощности. СПб: Стройпрофиль, 2004, №4/1, с. 108-110.

3. Юферев Ю.В., Воронов В.Ю. Опыт реконструкции и эксплуатации котла «Братск» с топкой ВТКС.// Сборник работ докторантов и адъюнктов. СПб: ВИТУ, 1998, №2, с. 56-58.

4. Патент на полезную модель РФ: RU 2650018 С1 от 06.04.2018, МПК F23G 7/06, «Силовая установка с активным котлом утилизатором высокотемпературного кипящего слоя» - прототип по котлу.

5. Патент на полезную модель РФ: RU 49603 U1 от 27.11.2005, МПК F23N 1/00, «Система автоматического регулирования процесса горения в топке с высокотемпературным кипящим слоем котла малой мощности» - прототип по системе.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к системам автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности высокотемпературного кипящего слоя при возникновении аварийных ситуаций. Состоит из программируемого контроллера (ПК) (1), блоков управления, регуляторов подачи воздуха с каналами регулирования позонного первичного (18-21) и вторичного воздуха (35), топлива, разряжения, удаления шлака и золы с датчиками и исполнительными механизмами, приборами контроля и безопасности, частотно-регулируемыми приводами вентилятора (13), дымососа (14), питателя топлива (15) и подвижной решетки для удаления шлака и золы (16). Котлоагрегат в свою очередь состоит из механического топочного устройства в виде узкой наклонной к горизонту подвижной колосниковой решетки (16), поверхностей нагрева, питателя топлива (15), эжектора. Устройство для удаления шлака из топки котла в аварийной ситуации дополнительно снабжено аварийным электроприводом колосниковой решетки (16), расходной емкостью воды (40), с насосом аварийной подачи воды с электроприводом (37) для охлаждения удаляемого шлака в аварийной ситуации, которые линиями связи соединены с соответствующими блоками управления ПК (1). Кроме того, система оборудована блоком бесперебойного автономного питания (41) с возможностью автоматического включения аварийных приводов при пропадании внешнего питания, выполненным в виде дизель-генератора, или блоком бесперебойного питания (41), оснащенным устройством автоматического переключения на внешнюю резервную линию электропитания. Технический результат - повышение уровня автоматизации котлоагрегата и повышение безопасной эксплуатации при внештатной ситуации. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности высокотемпературного кипящего слоя с устройством и расходной емкостью воды для аварийных режимов, состоящая из программируемого контроллера, блоков управления, регуляторов подачи воздуха с каналами регулирования позонного первичного и вторичного воздуха, топлива, разряжения, удаления шлака и золы с датчиками и исполнительными механизмами, приборами контроля и безопасности, частотно-регулируемыми приводами вентилятора, дымососа, питателя топлива и подвижной решетки для удаления шлака и золы, котла, состоящего из механического топочного устройства в виде узкой наклонной к горизонту подвижной колосниковой решетки, поверхностей нагрева, питателя топлива, эжектора, устройства для удаления шлака из топки котла в аварийной ситуации, расходной емкости воды с насосом для охлаждения удаляемого шлака в аварийной ситуации, отличающаяся тем, что установленные устройства для удаления шлака из топки котла в аварийной ситуации, насос расходной емкости для охлаждения удаляемого шлака в аварийной ситуации дополнительно оборудованы аварийными электроприводами, которые линиями связи соединены с соответствующими блоками управления программируемого контроллера, кроме того, система оборудована блоком бесперебойного автономного питания с возможностью автоматического включения при пропадании внешнего питания.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что блок бесперебойного питания выполнен в виде дизель-генератора.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что блок бесперебойного питания оснащен устройством автоматического переключения на внешнюю резервную линию электропитания.