Выбор и исследование рационального метода контроля пламени в топках теплоагрегатов сельскохозяйственных предприятий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выбор и исследование рационального метода контроля пламени в топках теплоагрегатов сельскохозяйственных предприятий

Нестеров Г.Д., Нестерова Н.С.

Академия маркетинга и социально-информационных технологий

(г. Краснодар)

Аннотация

Автоматизация теплоагрегатов предполагает наличие в системах автоматики безопасности. Ее основным элементом является устройство защиты от погасания пламени горелок, функционирующих при работе котла. Наиболее уязвимы в отношении безопасности агрегаты малой и средней мощности, которыми оснащены предприятия, перерабатывающие сельскохозяйственное сырье.

В статье приведены результаты исследования пневматического датчика контроля наличия пламени горелки, реализованного на основе дроссельных измерителей температуры. Аналитически и экспериментально доказано, что использование предложенного способа позволяет создать простое, надежное, помехозащищенное устройство в системе автоматической защиты теплоагрегата. пневматический датчик автоматизация теплоагрегат

Ключевые слова: ТЕПЛОПЕРЕДАЧА, ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ МЕТОД, КАПИЛЛЯР, ПОМЕХИ, ПОЛЕЗНЫЙ СИГНАЛ, ПОГАСАНИЕ ФАКЕЛА

Особенность работы тепловых агрегатов малой энергетики, к которым относится большое количество предприятий, перерабатывающих сельскохозяйственное сырье, заключается в неблагоприятных и тяжёлых условиях эксплуатации по сравнению с другими отраслями, в связи с чем существенно увеличивается вероятность возникновения аварийных ситуаций, и требуется первоочередное оснащение тепловых установок простой и надёжной аппаратурой автоматической защиты [1].

Объектам малой энергетики для защиты от наиболее опасного фактора возникновения аварийной ситуации, а именно: отрыва пламени горелки, - оказалось целесообразным воспользоваться пневматическим методом контроля теплового излучения пламени, отличающимся от других рядом достоинств [2].

Нестационарность теплопередачи в топке после срыва факела может быть успешно использована для контроля горения. С этой целью необходимо найти пути увеличения быстродействия измерителя, ослабить влияние на термоприёмник шумового фона нагретых топочных стенок и газов, устранить недостатки эксплуатационного характера, связанные с термической усталостью, загрязнением, коррозией датчика.

Аппаратурно пневматический метод надежного контроля теплового потока факела с получением необходимых динамических показателей легко реализовать при помощи дроссельных измерителей температуры. Высокое быстродействие в этом случае может быть достигнуто за счет использования в качестве приемника тонкостенного капилляра, интенсивно охлаждаемого внутренней струей воздуха и путём наружного обдува, а также за счет возможного при охлаждении размещения чувствительного элемента в топке вблизи зоны горения, в отличие от наружной установки ранее безуспешно применявшихся термодинамических пирометров. Комбинированное охлаждение предупреждает термическую усталость и коррозию датчика. Благодаря наружному обдуву он надежно изолирован от механических частиц топочной среды.

Начальный и наиболее ответственный этап разработки системы автоматической защиты, который во многом определяет четкую и надежную работу автоматики безопасности, - выбор по каждому каналу представительных первичных сигналов. Из ряда прямых и косвенных показателей, характеризующих аварийное изменение контролируемых параметров, необходимо выделить сигналы, которые могут быть реализованы более простым аппаратурным решением и имеют достаточный уровень полезного сигнала на фоне переменной составляющей шумов , в соответствии с неравенством

(1)

где - степень представительности первичного сигнала, а знак модуля учитывает возможность появления самой неблагоприятной ситуации, когда знаки действия помех совпадают.

В формуле (1) в суммарную величину шумов входит изменение значения сигнала первичного преобразователя от колебаний нагрузки контролируемого объекта, если зависимость существует. Для случая, когда она ярко выражена, и необходимо учесть режим работы объекта, справедливо уточненное выражение:

(2)

где - минимальное значение полезного сигнала при изменении нагрузки объекта в регулируемом диапазоне.

Исследуем представительность первичного сигнала по тепловому излучению пламени в традиционном месте его отбора: в амбразуре контролируемой горелки у зоны факела, где интенсивность тепловыделения максимальна. Первому из двух упомянутых выше требований он удовлетворяет, поскольку его аппаратурная реализация термодинамическим пирометром, как уже было отмечено, технологически несложна. Определим теперь, достаточен ли уровень полезного сигнала.

Теплопередача к чувствительному элементу - результат совокупного действия теплового излучения и конвективного теплообмена, то есть процесс сложного теплообмена. В общем случае без учёта наружного обдува термодинамического датчика уравнение его теплового баланса в стационарных условиях имеет вид:

(3)

где: - количество тепла, воспринятого чувствительным элементом;

и - результирующие, соответственно, лучистой и конвективной составляющих теплообмена между факелом и термоприёмником;

и - результирующие, соответственно, лучистой и конвективной составляющих теплообмена между источниками топочного шума и термоприёмником;

- величина теплового потока, уходящего конвективно от датчика с внутренней струей воздуха.

Введение тепловой завесы путём естественного присоса воздуха из помещения котельной к термоприёмнику практически исключает из теплового баланса датчика, наряду с конвективной составляющей теплообмена , паразитную составляющую , а также существенно ослабляет шумовую составляющую за счёт охлаждения защитной струей близлежащих к чувствительному элементу топочных стенок. Таким образом, уравнение (3) преобразуется к виду

(4)

где: - величина теплового потока, уходящего от термоприёмника конвективно с защитной струей тепловой завесы;

- коэффициент, учитывающий степень ослабления тепловой завесой шумового излучения стенок.

После момента погасания факела , когда , справедливо равенство:

(5)

Конструктивно варьированием величин составляющих и можно обеспечить

(6)

Тогда величина полезного сигнала после погасания факела составит:

(7)

Переходя к температурному выражению полезного сигнала, имеем:

(8)

где: - температура капилляра, усреднённая по его длине;

- время срабатывания канала контроля факела.

В динамике при погасании пламени , причём в пределе стремится к воздуха, протекающего внутри капилляра.

Аналитически температура капилляра для различных режимов работы котлоагрегата определяется по нормативному методу ВТИ расчета теплообмена в однокамерных топках. Он базируется на системе уравнений, описывающих процесс теплопередачи в топочных камерах. Применительно к рассматриваемому варианту уравнение радиационного теплообмена топочной среды с лучевоспринимающей поверхностью нагрева датчика имеет вид:

,(9)

уравнение теплового баланса топочной камеры:

,(10)

уравнение теплопередачи между поверхностью нагрева Н и холодным воздухом:

,(11)

эмпирическое уравнение для определения эффективной температуры топочной среды:

(12)

Здесь: - константа излучения абсолютного черного тела;

- приведённая степень черноты системы;

- расчётный расход топлива;

- коэффициент, учитывающий влияние селективности среды на радиационный теплообмен;

- коэффициент сохранения тепла;

- средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания на I кг топлива в интервале температур ;

- адиабатическая температура сгорания топлива;

- температура продуктов сгорания в выходном сечении топки;

- полезное тепловыделение в топке;

- энтальпия продуктов сгорания I кг топлива при температуре и избытке воздуха в конце топки ;

- термическое сопротивление слоя загрязнения;

- поправка, учитывающая влияние на рода топлива, угла наклона горелок к горизонтали, степени экранирования топочной камеры.

Ввиду более сложных процессов теплообмена капилляра по сравнению с описываемыми данной системой уравнений, воспользоваться указанным методом можно лишь для качественной оценки полезного сигнала, а количественные характеристики легко найти экспериментально.

Величина переменной составляющей топочного шума, которая определяет степень представительности первичного сигнала , зависит от изменения текущих значений режимных параметров котлоагрегата:

(13)

где: - абсолютная величина изменения количества тепла, воспринимаемого чувствительным элементом, при колебаниях расхода топлива в регулируемом диапазоне ;

- то же при максимально возможном диапазоне изменения коэффициента избытка воздуха в условиях дистанционного управления котлоагрегатом;

- то же при отклонении топочного разрежения в допустимом диапазоне.

Из-за сложности аналитического определения переменной составляющей топочного шума найдем ее экспериментально, как и минимальное значение уровня полезного сигнала в формуле (2). Для упрощения эксперимента представим слагаемые через перепады усредненных температур чувствительного элемента, соответствующие изменению величины тепловых потоков в выражении (13).

(14)

Правомерность этого подхода базируется на том, что при отсутствии в системе топка-капилляр теплового динамического равновесия всегда имеется однозначное соответствие между и , причём .

Тогда степень представительности первичного сигнала можно рассчитать на основе результатов эксперимента по вытекающей из (2), с учетом (8) и (14), формуле:

(15)

где - минимальное отклонение температуры капилляра после погасания пламени в рабочем интервале времени срабатывания устройства автоматической защиты.

Пользуясь известными методами планирования эксперимента и регрессионного анализа, можно получить уравнение регрессии, связывающее общий уровень помех с факторами, вызывающими их. Однако определить вклад каждого фактора в общую сумму можно также и проведя эксперимент, в котором поочередно стабилизируются две составляющие, а изменяется одна.

Отсюда вытекает необходимость оставить включенным во время опыта АСР горение двух стабилизируемых для эксперимента величин, а управление третьей осуществлять вручную. Значение варьируемых факторов при этом следует изменять в практически возможных диапазонах. Вследствие минимальности величины полезного сигнала при минимальном значении нагрузки котлоагрегата в регулируемом диапазоне, последнее принято за исходное при искусственном срыве факела, момент которого фиксировался визуально.

Для эксперимента выбран газифицированный паровой котел типа Е-6, 5-14, который предъявляет наиболее жёсткие требования по быстродействию к системе автоматического контроля пламени, а, следовательно, даёт минимальный уровень полезного сигнала по сравнению с другими котлоагрегатами. Последнее объясняется тем, что величина фиксируется от момента погасания пламени в течение времени , которое для котла Е-6, 5-14 меньше, чем для других, рассмотренных нами, и равно 6 с.

С целью максимального приближения условий эксперимента к реальным условиям работы термодинамического пирометра, помещенный в топке капилляр имел комбинированное воздушное охлаждение. Его температура измерялась нихром-константановой микротермопарой, способ установки которой на капилляре сводил величину теплоотвода от горячего спая к минимуму. Диаметр электродов термопары составлял 0,1 мм, а её горячий спай был зафиксирован на середине капилляра по его длине в кольцевом пазу глубиной 0,12 мм и экранирован от топочной радиации.

Величина минимального полезного сигнала и слагаемых в (15) имели в результате эксперимента, соответственно, следующие значения: 114 К; 24 К; 2 К; 5 К. Рассчитанная по (15) величина составила 3,7. Таким образом, согласно (2), первичный сигнал по тепловому излучению факела применительно к термодинамическому пирометру следует считать представительным, а пневматический метод контроля тепловой радиации пламени, с учетом изложенных выше положений, - наиболее рациональным для котлоагрегатов малой энергетики.

Список использованных источников

1.Нестеров Г.Д. Автоматический контроль пламени промышленных установок // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ. - 2015, №06 (110). - IDA [article ID]: 1101506020. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2015/06/pdf/20.pdf.

2.Нестеров Г.Д., Нестерова Н.С. Обеспечение безопасности промышленных тепловых агрегатов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ. - 2017, № 127 (03). Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2017/03/pdf/32.pdf.

Цитирование:

Нестеров Г.Д., Нестерова Н.С. Выбор и исследование рационального метода контроля пламени в топках теплоагрегатов сельскохозяйственных предприятий // АгроЭкоИнфо. - 2019, №1. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2019/1/st_137.doc.

Размещено на Allbest.ru