Система автоматического регулирования соотношения топливо- воздух нагревательного устройства Советский патент 1983 года по МПК F23N1/02 

Изобретение относится к области регулирования процесса горения газообразного топлива, сжигаемого в нагревательных устройствах, и может быть использовано вчерной и цветной металлургии, а также в других отраслях промышленности.

Известна система автоматического регулирования соотношения топливо воздух нагревательного устройства, содержащая датчик расхода воздуха, датчик расхода топлива с блоком из- влечения корня и датчик соотношения топливо - воздух, связанные с регуля тором, соединенным с исполнительным механизмом на линии подачи воздуха в нагревательное устройство, датчик и задатчик содержания кислорода в отводящих продуктах горения, соединенные с корректирующим блоком, связанным с регулятором Г1.

Недостатком системы является то, что при колебаниях теплоты сгорания топлива, влияющих на стехиометрическое отношение топливо - воздух, она не обеспечивает высокую точность регулирования процесса горения.

Кроме того, коррекция соотношения осуществляется только по отклонению выходного параметра процесса, причем параметра инерционного: содержания кислорода. Из теории управления известно, что в этом случае запаздывание результата измерения приводит к дополнительной динамической погрешности, понижающей качество регулирования и затрудняющей его практическую реализацию. Погрешность может быть уменьшена только за счет допол нительного ввода в систему опережающей информации о входных возмущениях (в данном-случае по отклонению состава или теплоты сгорания-топлива), влияющих на соотношении топливо воздух, с последующей их компенсациг ейа При этом, обязательным условием является то, что входные параметрыносители информации должны быть менее инерционны, чем выходной параметр.

Цель изобретения - повышение точности регулирования.

Указанная цель достигается тем, что система автоматического регулирования соотношения топливо - воздух нагревательного устройства, содержащая датчик расхода воздуха, датчик , расхода топлива с блоком извлечения корня и задатчик соотношения топливо - воздух, связанные с регулятором, соединенным с исполнительным механизмом на линии подачи воздуха в нагревательное устройство, датчик к задатчик содержания кислорода в : отходящих продуктах горения, соеди- ненные с корректирующим блоком, связанным с регулятором, содержит датчики температуры, давления воздуха, вычислительный блок и втоЕ ичный прибор приведенного расхода.воздуха, датчики температуры, давления, плотности топлива, вычислительный блок и вто-ричный прибор приведенного расхода

топлива, пять блоков умножения, три блока деления и задатчик расчетной iплотности топлива, причем датчики температуры, давления и расхода воздуха соединены с вычислительным блоком

0 приведенного расхода воздуха, соединенного через вторичный прибор приведенного расхода воздуха с п.ервым входом регулятора, первые выходы датчика тепературы и давления топлива соед1Г5 нены с вычислительным блоком приведенного/ расхода топлива, второй выход датчика температуры соединен вместе с выходом датчика /плотности; топлива с входами первого бйока умножения,

Q выход которого совместно с вторым выходом датчика давления топлива соединен с входами первого блока деле,ния, первый выход которого вместе с первым выходом задатчика расчетной

5 плотности топлива соединен с вычислительным блоком приведенного расхода топлива, выход которого вместе с выходом блока извлечения корня соединен с входами второго блока умножения, соединенного с вторичным при0бором приведенного расхода топлива, а вторые выходы первого блока деления и задатчика расчетной плотности топлива соединены с входами третьего блока деления, выход которого вместе

5 с выходом задатчика соотношения топливо - воздух соединен с входом третьего блока умножения, выход кототорого совместно с выходом корректирующего блока соединен с входами

0 четвертого блока умножения, выход

которого вместе с выходом вторичного прибора приведенного расхода топлива соединен с входами пятого блока умно-, жения, выход которого соединен с

г вторым входом регулятора.

На чертеже изображена функциональная схема системы автоматического регулирования соотношения топливо воздух нагревательного устройства. Нагревательное устройство 1 осна0

щено горелкой 2 и газопроводом 3.

Измерительная диафрагма 4 соединена с датчиком 5 расхода топлива блоком 6 извлечения корня,блоком 7 умножения (второй блок умножения ) и вторичным

5 прибором 8 приведенного расхода топлива. .

Датчик 9 давления топлива через вторичный прибор 10 и датчик 11 температуры через вторичный прибор 12

0 соединены с вычислительным блоком 13 Приведенного расхода топлива.

Датчик 14 плотности топлива через вторичный прибор 15 соединен с первым блоком 16 умножения, к второму

5 входу которого подсоединен второй выход датчика температуры. Выход блока 16 умножения вместе с вторым выходом датчика давления соединён с входами первого блока деления 17. Первый выход /блока 17 деления вместе с первым вьйсодом задатчика 18 расчетной плотности топлива соединен с входами второго блока 19 деления,. выход которого соединен с вычислительным блоком приведенного расхф1а топлива. Вторые выходы блока 17 деления и задатчика 18 расчетной плотности топлива соединены с входами третьего блока 20 деления. Выход третьего блока деления с выходом задатчика 21 соотношения топливо воздух соединен с входами третьего блока 22 умножения. Выход третьего блока умножения подсоединен к первому входу четвертого блока 23 умножения, выход которого вместе с выходом вторичного прибора 8 приведенного расхода топлива соединен с входами пятого блока 24 умножения.., На воз духопроводе 25 ,подходящем к горелке 2 установлены исполнительный механизм 26 с регулирующей заслонкой 27, датчик 28 температуры воздуха, соединенный с вторичным прибором 29, измерительная диафрагма 30, связанна с датчиком 31 расхода воздуха; датчи 32 давления воздуха с вторичным прибором 33. Выходы вторичный приборов 29 и 33 и датчика 31 воздуха соединены с вхо дами вычислительного блока 34 приведенного расхода воздуха, выход которого соединен через вторичный прибор 35 с входами регулятора 36. Второй вход регулятора 36 соединен с выходом блока 24 умножения. На выходе нагревательного устройства 1 установлен датчик 37 содержания кислорода в отходящих продуктах горения соединенный со вторичным прибором 38 подключенным к корректирующему блоку 39 кислорода. Другой вход блока 39 соединен с задатчиком 40 содержания кислорода, а выход корректирующего блока соединен с вторым входом блока 23 умножения. Теоретически необходимое соотношёние (при коэффициенте избытка воз духа ot,i равном единице приведенных расходов воздуха и топлива VlJ равно стехиометрическому отношению, зависящему от теплоты сгорания топлива, т.е. v . -ч где К - коэффициент стехиометрического отношения, определяемый по теплоте сгорания топ лива прио1.1.i Действительный расход воздуха Vg приведенный к нормальному состоянию , учетом заданного коэффициента из- ытка воздуха cL равен ,, Тогда действительное соотношение опливо - воздух выражается через их риведенные расходы в .зад liTr- регулировании соотношения возожны два случая. Действительная низшая теплота сгоания топлива, поиведенная к нормальому состоянию, постоянна 0„«const кал/нм (частный случай). Тогда сотношение расхода в уравнении (1) const ,и в уравнении (3) не изменяется и регулирование осуществляется по измеряемым приведенным асходам топлива и воздуха. Действительная теплота сгорания топлива измеряется (r (общий случай I. При этом соотношение риведенных расходов в уравнениях (1 ) и (3) необходимо корректировать в зависимости от колебаний теплоты сгорания, так как (QJ, var при условии, что в уравнении (3) eL,3«A г const) В виде произведения двух величин коэффициентК Р . к учетом указанных условий уравнение (.3) примет вид нскар о6 «АкРк°Р, (4) Г . .к скор где Vg - скорректированный -расход воздуха, приведенный к нормальному состоянию, К - расчетный схехиометрический коэффициент (определяется по расчетной теплоте сгорания топлива при оС 1 и является для данных условий величиной постоянной ); - коэффициент коррекции расчетного стехиометрического отношения в зависимости от колебаний действительной теплоты сгорания топлива. Величина может быть представлена отношением где «н расчетная теплота сгорания топлива определяется по расчетному составу топлива приведенная к формальному состоянию, ккал/нм. Подставим значение в уравнение 4 ) -o/aaA lt H «н В Известные системы регулирования не позволяют осуществлять автомати ческую коррекцию непосредственно по этому показателю, а ручная коррекци невозможна из-за стохастического ха рактера возмущений. Поэтому перспективной является система автоматического регулирования/ основанная на косвенном контроле Q 1 , определяемой по непрерывн измеряемым параметрам топлива: давл нию, температуре и плотности, срайн ваемой с заданной (расчетной плотностью. I На основании свойств природного газа наиболее широко применяемого; газообразного топлива, зависимость между плотностью и теплотой сгорани можно представить в виде л А IX ,, НА lf, Т .1 fj л, где Р - действительная плотносТА топлива, приведенная к нормальному состоянию, кг/им ; 2 - постоянный коэффициент; Та же зависимость для заданной (расчетной (плотности топлива, приведенной к- нормальному состоянию Величина (2„ з уравнении (5/ отклоняется от заданного (расчетного значения в основном в результате ко лебаний составу топлива. При этом соот тственно изменяется связанная с ней ли нейной зависимостью действительная плотность fр , измеряя которую и сравнивая по соотношению с заданной (расчетной )плотностью кюжно непрерывно и практически безынерционно контролировать отклонения теплоты сгорания топлива, а значит и вводит автоматическую коррекцию в заданное соотношение топливо - воздух. На основании изложенного, а также с учетом уравнения (5 ) и зависимостей (6 ) ч {71 выражение для скор ректированного .соотношения топливо воздух примет вид в рабочих условиях с помощью дат чика плотности измеряют не уУ,а дей ствительное значение плотности топл ва р. Однако простая замена в уравнении (8J первой на вторую приводит к дополнительной методической погрешности результата измерения, так как в отличие от зависимости (б действительная плотность (с учетом уравнения состояния газа/ зависит от давления, температуры и теплоты сгорания, т.е. является функ-цией трех параметровf .(, т. аГ).; в информационном смысле для сфор- мулироззаиной выше задачи контроля теплоты сгорания/ первые два из них помехи, а третий - полезная информация. Лля формирования сигнеша измерения в видеоднопараметрической зависимост fj f J (fi ) идентичной уравнению (б |i, необходима автоматическая компенсация методической погрешности, вызванной влиянием этих помех на плотность, что реализуется выражениемfill Kj .- коэффициент пропорциональностиТ - действительная температура топлива в рабочих условиях,К; рА действительное давление топлива в рабочих условиях, кгс/мл. Анализ действия механизма компенсации по измеряемьал -помехам --давлению н температуре. Например,при увеличении давления действительная плотность топлива увеличивается, а так как они находятся срответствейно в знаменателе и числителе уравнения (9), то взаимно компенсируются, чем исключают погрешность. При увеличении температуры плотность уменьшается, а их произведение ие изменяется. Таким образом, правая часть уравнения (9/ позволяет непрерывно контролировать теплоту сгорания топлива по величине р с автоматической компенсацией влияния давления и температуры на плот.иость, а значит и на результат измерения. Пояставляя значение f уравнения (9) в уравиеиие (8), получим выражение алгоритма автоматической коррекции соотношения топливо - воздух по колебаниям теплоты сгорания топлива. -гЫ- Система корректирует соотношение топливо - воздух и по выходному пар метру - содержанию кислорода в отхо дящих продуктах горения. В сочетании с коррекцией по входны возму1це1Тйям этот показатель расширя возможности алгоритма (10), который тогда принимает вид иск ар K,Pt О - об кРгде Q - заданное содержание кис лорода в отходящих продуктах горения,%; 2 действительное содержание кислорода в отходящих продуктах горения,% Примение показателя О в виде величин (а не разности, как в извес ных технических решенияхJ обоснован следующим образом. При полном сгорании топлива коэф фициент избытка связан с содержание в продуктах горения известным уравнением где К - постоянный коэффициент. Экспериментально установлено, чт коэффициент избытка воздуха в рабочем пространстве агрегатов при любо способе сжигания топлива изменяется в пределах oi 1,05 -1,5. В этом Диапазоне-зависилюсть сС -f4( ) линейна и уравнение (13) можно аппроксимировать уравнением прямой 1+КуОА 4j где Kj - постоянный коэффициент 1 - значение коэффициента из бытка (при стехиомет рическом соотношерНи . Из урмнения (14) следует,что есл у.А otvi-r 1, -то О О .1 0 . Но это теоретический предел,кото fbifi по условиям сме14ения недостижим Обычно при сжигании топлива (кроме специальных случаев) значение оС (для газообразного топлив of.3aA 1,05 : 1,1 , а содержание 61 О 2 О. Этим и определен нижн предел указанного диапазона измененияВ этом диапазоне значение cf. при известных ot и О. можно пре делить по измеренному значению 0 из пропорции оС Ot оСЭ«А - ЭОА а значит и более точно контролировать отклонение от заданного значения . Алгоритм коррекции (11), реализованный в системе регулирования соотношения топливо - воздух, позволяет поддерживать коэффициент избытка воздуха на заданном оптимальном уровне путем коррекции соотношения по колебаниям теплоты сгорания топлива и по отклонению содержания кислсн ода в продуктах горения. Система регулирования соотношения топливо - воздух работает следующим образом. Нагревательное устройство 1 оснащено горелкой 2, к которой по газопроводу 3 и воздухопроводу 25 поступает топливо и воздух в соотношении, установленном задатчиком 21 с учетом необходимого коэффициента избытка . воздуха, а также задатчиком 18, учитывающим расчетную теплоту сгорания топлива. При отклонении теплоты сгорания от заданного (расчетного) -значения соответственно изменяется действительная плотность топлива, что приводит к разбалансу, сигналов датчика 14 и задатчика 18. Однако действительная плотность зависит также от давления и температуры топлива, что вносит погрешность, которая устраняется за счет учета значения этих параметров и вычисления приведенной действительной плотности. При этом сигналы давления температуры и действительной плотности с выхода приборрв 1Q, 12, 14, поступают на блоки 16 и 17. Вычисленное значение приведенной действительной плотности дег лится в блоке 19 на сигнал задатчика18 и поступает в вычислительный блок 13 и приведенного расхода топлива с сигнала задатчика 21 соотношения. Такой же результат, полученный в блоке 20, перемножается. Их произведение поступает на. один из входов блока 23 умножения, на другой вход которого подается с выхода корректирующего блока 39 результат сравнения действительного содержания кислорода в продуктах горения, измеряемого прибором 38 с заданным задатчиком 40. Сигнал блока 23 перемножается в блоке 24 с приведенным расходом топлива ив результате вычисляется приведенный скорректированный по отклонению теплоты сгорания и содер жания кислорода в продуктах горения расход воздуха. Сигнал скорректированного расхода воздуха в виде задания на входе регулятора 36 сравнивается с сигналом приведенного расхода воздуха. В зависимости от знака и величины разбаланса регулятор через исполнительный механизм-26 воздействует на 15егулирующую заслонку 27 воздуха, изменяя расход воздуха в соответствии с скорректированным заданием. ,

Измерение расходов топлива и воздуха производится измерительными диафрагмами, рассчитанными на определенные параметры (давление, температуру, плотность;. Однако в рабочих условиях эти параметры меняют ся а широких пределах,,что вызывает погрешность в показании дйфманометра. до 30%, при наибольших отклонениях параметров. Устранение ошибки, измерения достигается в предлагаемой системе путем коррекции выходного сигнала дйфманометра по действительным значениям параметров. По топливу коррекция расхода осуществляется в вычислительном блоке 13 по измеренным параметрам с последующим перемножением в блоке 7 результата вычислительной обработки и выходного сигнала дйфманометра 5 и блока 6. Приведенный расход топлива регистрируется прибором 8.

По воздуху коррекция осуществляется в вычислительном блоке 34 по измеренным параметрам, вводимым с приборов 29 и 33 и показаниям датчика расхода с отображением приведенного расхода воздуха на вторичном приборе 35.

Осуществление автоматической коррекции с помощью системы регулирования сротноиюния топливо - воздух позволяет значительно улучшить тепловую работу технологических arpefaTOB и снизить удельный расход условного топлива.

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕ ryjmPQBAHHfl СООТНОШЕНИЯ ТОПЛИВО ВОЗДУХ НАГРЕВАТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА, содержащая датчик расхода воздуха, датчик расхода топлива с блоком извлечения корня и задатчик соотношения топлива - воздух, связанные с регулятором, соединенна с исполнительным механизмом на линии подачи воздуха в .нагревательное устройство датчик и задатчик содержания кислорода в отходящих продуктах горения, соединенные с корректирующим блоком связанным .с регулятором, о т л и ч ю щ а я с я тем, что, с целью повы шения точности регулирования, она содержит датчики температуры, давле ния воздуха, вычислительный блок и вторичный прибор приведенного расхо да воздуха, датчики температуры, да вления, плотности топлива, вычислительный блок и вторичный прибор приведенного расхода топлива пять блоков умножения, три блока деления и задатчик расчетной плотности топлива, причем датчики температуры, давления и расхода воздуха соединены с вычислительным блоком приведенного . расхода воздуха, соединенного через вторичный, прибор приведенного расхода воздуха с первым входом регулято.ра, первые выходы датчиков температуры и давления топлива соединены с вычислительным блоком приведенного расхода топлива, второй выход датчика температуры соединен вместе с выходом датчика плотност топлива с входами первого блока умножения, выход которого совместно с вторым выходом датчика давления топлива со4 единен с входами первого блока деления, первый выход которого вместе с первым выходом задатчика расчетной плотности топлива соединен с входами второго блока деления, выход которого соединен с вычислительным блоком приведенного расхода топлива., выход которого вместе с выходом блока извлечения корня соединен с входами второго блока умножения, соединеннопа со вторичным прибором приведенного расхода топлива, а вторые выходы пер вого блока деления и задатчика расчетной плотности топлива соединены с входами третьего блока деления, выход которого вместе с вьосодом задатчика соотношения топливо - воздух соединен о входом третьего блока умноженйя, выход которого совместно с выходом корректирующего блока соединен с входами четвертого блокёъ умно1кения, выход которого вместе с выхоIOM вторичного прибора приведенного расхода топлива соединен с уходами пятого блока умножения, выход которого соединен с вторым входом регулятора.

pvftofMt/S tffi ffflO yttmtt}