Автоматизація процесу спалювання газового палива в котлоагрегатах ТЕЦ промислових підприємств

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І Науки УКРАЇНИ

НаціональнИЙ гірничИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Романенко Володимир Ілліч

УДК 621.18:622.412.13

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Автоматизація процесу спалювання газового палива в котлоагрегатах ТЕЦ промислових підприємств

Спеціальність 05.13.07-“Автоматизація технологічних процесів”

Дніпропетровськ - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі аерології та охорони праці Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор ГОЛІНЬКО Василь Іванович, Національний гірничий університет міністерства освіти і науки України, (м. Дніпропетровськ) завідувач кафедри аерології та охорони праці. котлоагрегат газовий паливо

Офiцiйнi опоненти:

доктор технічних наук, професор Ткачов Віктор Васильович, Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри автоматизації та комп'ютерних систем (м. Дніпропетровськ);

кандидат технічних наук, доцент Багрій Віктор Васильович, Дніпродзержинський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри електроніки та автоматики.

Провідна установа - Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра інформатики, автоматики і систем управління

Захист дисертацiї вiдбудеться "24" листопада 2005р. о 14 годинi на засiданнi спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027, м. Днiпропетровськ, пр. К.Маркса, 19

З дисертацiєю можна ознайомитись у бiблiотецi Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027, м. Днiпропетровськ, пр. К.Маркса, 19

Автореферат розiсланий "19" листопада2005 р.

Вчений секретар спецiалiзованої вченої ради к.т.н., доцент А.А. Колб.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. ТЕЦ промислових підприємств відіграють істотну роль, як у плані додаткового виробництва електроенергії, так і в плані забезпечення безупинного енергопостачання важливих технологічних об'єктів підприємств і утилізації різних вторинних видів енергоносіїв - відходів і побічних продуктів основного виробництва, наприклад, доменного і коксового газу.

Нині устаткування багатьох ТЕЦ морально і фізично застаріло. Велика частина основного устаткування була введена в дію в 1960-1980 роках. Понад 40% енергоблоків відробили свій ресурс. Старіння енергетичного устаткування призводить до низької енергетичної ефективності його роботи і сприяє підвищенню викиду шкідливих речовин у навколишнє середовище.

Ефективність роботи котлоагрегатів ТЕЦ у значній мірі визначається якісними показниками систем керування процесом спалювання газового палива й у першу чергу систем автоматичного регулювання (САР) витрат загального повітря, що призначені для підтримки найбільш економічного режиму горіння в топці котла. Повне спалювання одиниці об'єму палива вимагає подачі визначеного обсягу повітря, кількість якого залежить від виду і сорту палива та його характеристик. З метою усунення можливого недопалу і забезпечення необхідного запасу на регулювання в топку подається дещо більше повітря, ніж потрібно для повного згорання палива. Величина надлишку повітря істотно впливає на втрати теплоти в котлі з димовими газами, хімічним і механічним недопалом, а в кінцевому підсумку - на ККД котла.

Нині на більшості котлоагрегатів ТЕЦ промислових підприємств контроль складу димових газів не проводиться, а регулювання витрат повітря здійснюється за режимними картами. Таке регулювання не забезпечує врахування всього різноманіття можливих режимів роботи, особливо багатопаливних котлоагрегатів, у яких одночасно спалюються різні види газового палива, що у свою чергу не дозволяє підвищити енергоефективність котлоагрегатів і знизити викиди шкідливих речовин в атмосферу.

Тому розробка методів і технічних засобів оптимального керування процесами спалювання газового палива, що забезпечують підвищення енергоефективності котлоагрегатів ТЕЦ промислових підприємств і зниження викидів шкідливих речовин у довкілля, є актуальною науково-прикладною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за темою дисертації виконані відповідно до Комплексної Державної програми енергозбереження України (постанова Верховної Ради України від 15 лютого 1999 р. № 911) і планами науково-дослідних робіт Національного гірничого університету за темою “Розробка, дослідження і впровадження методів і технічних засобів автоматичного виміру і настроювання оптимальних значень процентного вмісту кисню і газів недопалу в багатопаливних котлоагрегатах ТЕЦ-2 КДГМК “Криворіжсталь” (№ держреєстрації 0104U002024).

Мета і задачі досліджень.

Метою дисертаційної роботи є зниження питомих витрат газового палива на котлоагрегатах ТЕЦ промислових підприємств і викидів шкідливих речовин у навколишнє середовище шляхом розробки САР витрат загального повітря, що забезпечує оптимальне керування процесами спалювання за показником енергоефективності.

Для досягнення поставленої мети необхідно:

- виконати аналіз існуючих методів, засобів і систем контролю режимів роботи та керування процесом спалювання газового палива в котлоагрегатах ТЕЦ промислових підприємств;

- обґрунтувати методи, розробити та дослідити засоби контролю складу димових газів котлоагрегатів ТЕЦ промислових підприємств;

- встановити залежності зміни складу димових газів від складу газових компонентів палива й енергетичної потужності котлоагрегату для забезпечення його максимальної енергоефективності;

- визначити закони оптимального керування витратами загального повітря для котлоагрегатів ТЕЦ, розробити і дослідити засоби оптимального керування процесом спалювання газового палива в котлоагрегатах ТЕЦ промислових підприємств;

- провести дослідно-промислову експлуатацію та оцінити ефективність запропонованих законів оптимального керування і розроблених технічних засобів контролю.

Об'єктом дослідження є процес спалювання газового палива в котлоагрегатах ТЕЦ промислових підприємств.

Предметом дослідження є закони оптимального керування, методи контролю параметрів і технічні засоби автоматизації процесів спалювання газового палива в котлоагрегатах ТЕЦ промислових підприємств.

Методи дослідження. Для розв'язання поставлених задач у роботі використані: аналіз і узагальнення існуючих літературних джерел щодо методів і технічних засобів керування процесом спалювання газового палива в котлоагрегатах ТЕЦ промислових підприємств - при виборі й обґрунтуванні напрямків досліджень; загальні методи теорії оптимального керування, матричне і варіаційне числення - при визначенні законів оптимального керування витратою загального повітря для однопаливних і багатопаливних котлоагрегатів ТЕЦ; фізичне моделювання й експериментальні дослідження в лабораторних і промислових умовах - при обґрунтуванні методів і розробці засобів контролю й оптимального керування процесом спалювання газового палива в котлоагрегатах.

Ідея роботи полягає у визначенні закономірностей роботи котлоагрегатів ТЕЦ промислових підприємств в умовах тривалої експлуатації при одночасному використанні декількох видів палива і розробці на цій основі методів і засобів контролю й оптимального керування процесом спалювання газового палива, що забезпечують підвищення енергетичної ефективності котлоагрегатів і зниження викидів шкідливих речовин у навколишнє середовище.

Основні наукові положення і результати, їхня новизна.

Положення.

1. Концентрація кисню в димових газах, при якій забезпечуються оптимальні за максимумом енергоефективності режими роботи котлоагрегатів, не є постійною величиною, а лінійно знижується в міру збільшення енергетичної потужності котлоагрегату, причому крутість зазначеної залежності зростає зі збільшенням тривалості експлуатації і зносу котлоагрегатів.

2. Контроль вмісту кисню в димових газах котлоагрегатів термокаталітичним методом можливий при примусовому попередньому насиченні цих газів парами пального, за умови ведення реакції окислювання на високотемпературному платино-паладієвому каталізаторі при надлишковому вмісті пального і недостатній кількості окислювача в газовій суміші.

Наукові результати і їхня новизна.

1. Розроблено і досліджено нові технічні засоби для вимірювання вмісту кисню у димових викидах котлоагрегатів, що відрізняються застосуванням термокаталітичного методу контролю і веденням реакції окислювання при надлишковому примусовому насиченні димових газів котлоагрегатів парами пального і недостатній кількості окислювача в газовій суміші. Новизна розроблених засобів підтверджена патентами на винаходи.

2. Уперше встановлено закономірності зміни складу димових газів у залежності від складу газових компонентів палива і теплового навантаження, що забезпечують оптимум роботи котлоагрегатів за умовою максимальної енергоефективності.

3. Розроблено нові ефективні алгоритми і структурні схеми систем оптимального керування витратою загального повітря за модульним оптимумом для однопаливних котлоагрегатів і за інтегральними квадратичними критеріями для багатопаливних котлоагрегатів.

4. Запропоновано нові принципи побудови і технічної реалізації багатоконтурных систем оптимального керування витратами загального повітря, що забезпечують низьку чутливість синтезованих структур до координатних і параметричних збурень.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій забезпечується: строгою відповідністю висунутих наукових положень основним принципам теорії оптимального керування; застосуванням сучасних методів теоретичного аналізу з урахуванням загальноприйнятих допущень; проведенням експериментальних досліджень з використанням апробованих методик, атестованих технічних засобів і газових сумішей; збіжністю результатів теоретичних розрахунків, математичного моделювання й експериментальних досліджень; широкою апробацією наукових положень і рекомендацій; позитивними результатами дослідно-промислової експлуатації розроблених систем оптимального керування витратою загального повітря.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що вони використані при розробці та впровадженні систем оптимального керування процесами спалювання газового палива, яка забезпечила підвищення енергоефективності спалювання палива в котлоагрегатах БКЗ-220-100 ТЕЦ ВАТ “ДніпроАзот” (м. Дніпродзержинськ) і ПК-14-2м ТЕЦ-2 КДГМК “Криворіжсталь” (м. Кривий Ріг), і зниження викидів шкідливих речовин у довкілля.

Результати наукових досліджень, розроблені методи і технічні засоби оптимізації можуть бути використані при проектуванні САР об'єктами, що функціонують в умовах нестаціонарності режимів роботи і впливу широкого спектра дестабілізуючих факторів.

Розроблені технічні засоби для вимірювання вмісту кисню і газів недопалу у викидах котлоагрегатів, що характеризуються підвищеною надійністю, стабільністю, низькою вартістю і малим енергоспоживанням можуть бути використані для контролю режимів роботи інших теплоенергетичних об'єктів, у тому числі котлоагрегатів ДРЕС, ТЕС, газових котелень тощо.

Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні мети і постановці задач досліджень, обґрунтуванні методів вимірювання складу димових газів ТЕЦ та методів оптимізації і визначенні законів оптимального керування витратою загального повітря для однопаливних і багатопаливних котлоагрегатів ТЕЦ, розробці принципів структурної і технічної реалізації знайдених законів керування. Проведення експериментальних досліджень і дослідно-промислової експлуатації розроблених засобів контролю і керування здійснювалося при особистій участі автора. Зміст дисертації викладений автором самостійно.

Особистий внесок дисертанта в роботах, опублікованих у співавторстві, полягає в синтезі регулятора повітря-паливо за модульним оптимумом для однопаливних котлоагрегатів [1], обґрунтуванні вимірювальної схеми для аналізатора кисню [2], теоретичному обґрунтуванні режиму роботи аналізатора кисню для контролю складу димових газів [3], обґрунтуванні напрямків робіт з енергозбереження на ТЕЦ [6] дослідженні термокаталітичного аналізатора кисню в промислових умовах [9] та розробці ознак винаходів, що забезпечують працездатність газоаналізаторів при контролі складу димових газів [7, 8].

Апробація результатів дисертації.

Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на міжнародних конференціях “Форум гірників” (Дніпропетровськ, 2003), “Тиждень гірника” (Москва, 2003), “Україна наукова 2003” (Дніпропетровськ, 2003), “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості” (Кривий Ріг, 2004, 2005) науково-технічних семінарах ВАТ “КГМК “Криворіжсталь” (Кривий Ріг, 2003, 2004) і кафедри аерології та охорони праці Національного гірничого університету (Дніпропетровськ, 2004).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 наукових робіт, у тому числі 6 у наукових фахових виданнях, включених до переліку ВАК України, 2 патенти на винаходи, 2 - матеріали конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів і висновку. Вона містить 175 сторінок машинописного тексту, включаючи 27 малюнків, 23 таблиці, список використаних джерел з 86 найменувань і 7 додатків на 13 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, визначена її мета і задачі досліджень, викладені основні наукові положення та результати, що виносяться на захист, показана новизна результатів, наведені відомості про практичне значення та впровадження результатів роботи.

У першому розділі розглянутий об'єкт дослідження. Виконано аналіз існуючих систем технологічного контролю і керування котлоагрегатами ТЕЦ промислових підприємств. Він показав, що керування процесом спалювання палива, засноване на виборі кількості повітря за режимними картами, не забезпечує оптимуму роботи котлоагрегатів за умовою енергоефективності. Особливо наочно це проявляється в багатопаливних котлоагрегатах ТЕЦ промислових підприємств через нестабільність і мінливість складу доменного і коксового газів.

Існуючі САР процесу спалювання палива типу “теплота - повітря”, “навантаження - повітря” не забезпечують правильного співвідношення паливо-повітря, особливо в динамічному режимі, при частих і глибоких збуреннях. Для компенсації виникаючих відхилень в існуючі САР повітря вводять додатковий коригувальний сигнал за вмістом вільного кисню в димових газах. Це дозволяє будувати САР повітря з прямою оцінкою якості процесу спалювання палива, однак апаратурні недоліки існуючих датчиків кисню, їх низька надійність, значне запізнювання і велика стала часу, виключають таку можливість і обмежують застосування сигналу за киснем як коригувального. В Україні практично відсутні газоаналізатори для контролю параметрів димових газів, а окремі розробки не задовольняють вимогам, як за технічними характеристиками, так і за економічними показниками. Газоаналізатори, що випускаються розвинутими капіталістичними країнами, які мають досить високі метрологічні характеристики, через велику вартість практично не застосовуються.

Котлоагрегати ТЕЦ промислових підприємств мають нестаціонарні в часі параметри та характеризуються значними і частими змінами навантажень. Тому вони вимагають створення САР, які відрізняються низькою чутливістю до різного роду параметричних і координатних збурень та забезпечують високу точність регулювання технологічних параметрів в динаміці і статиці при забезпеченні максимальної енергоефективності.

За результатами аналізу сформульовані задачі дослідження, розв'язання яких дозволяє досягти мети дисертації.

Другий розділ присвячений розробці та дослідженню методів і засобів контролю складу димових газів.

За основу при розробці газоаналізатора кисню прийнято термокаталітичний метод, сутність якого полягає в тому, що реакцію гетерогенно-каталітичного окислювання пального ведуть при недостатній кількості окислювача. У такому випадку вихідний сигнал термокаталітичного датчика є пропорційним вмісту кисню. Уперше цей метод був запропонований для вимірювання кисню в повітрі.

Зважаючи на те, що концентрація кисню в димових газах суттєво менше, ніж в атмосфері, а також істотно відрізняється склад газів, їх густина, вологість, теплопровідність, теплоємність та ін., питання використання термокаталітичного методу для контролю кисню в димових газах котлоагрегатів вимагало проведення додаткових досліджень, в результаті яких нами теоретично доказана можливість використання термокаталітичного метода для контролю складу димових газів, обґрунтований режим роботи термокаталітичного датчика та схема його включення, досліджено вплив температури та змінних неконтрольованих газових компонентів на роботу газоаналізатора.

У випадку, коли термокаталітична реакція окислювання пального протікає при недостатній кількості окислювача, тепловиділення на каталітично активному елементі, обумовлене цією реакцією, визначається рівнянням

,(1)

де ; - нижча теплота згорання пального, Дж/кг; n - кількість молів кисню необхідних для згорання одного моля пального; - концентрація кисню в димових газах, кг/м³; - ефективна дифузійна провідність робочого термоелемента, м³/с; - дифузійна провідність фільтра, м³/с.

За умови незначного обмеження дифузії контрольованого середовища в реакційну камеру датчика, коли , тепловиділення визначається як

(2)

де - коефіцієнт ефективності реакції окислення; - визначаючий розмір термоелемента, м; - густина кисню при нормальному тиску Р₀ і температурі Т₀ = 0 ⁰С; С_ко - об'ємний вміст кисню, об.%; - відповідно, температура газу і поверхні термоелемента, ⁰К; - коефіцієнт молекулярної дифузії кисню в газі при Р₀ і Т₀, м²/с; - коефіцієнт кінематичної в'язкості газу при Р₀ і Т₀, м²/с.

За умов значного обмеження дифузії контрольованого середовища в реакційну камеру , наприклад за допомогою каліброваного отвору в стінці камери площею S і довжиною l, тепловиділення визначається виразом

(3)

Аналіз отриманих рівнянь показав, що найкращим режимом роботи термокаталітичних датчиків кисню є режим із значним обмеженням дифузії контрольованого середовища в реакційну камеру, що забезпечує незалежність результатів вимірювання від забруднення газодифузійного фільтра, зміни активності каталізатора, тиску та інших факторів при відносно малій витраті пального, необхідного для підтримання його надлишку над киснем у реакційній камері.

Теоретично доказано, що для газоаналізаторів кисню з діапазоном вимірювання 0 - 10 об.% з термокаталітичними датчиками, що працюють у режимі сильного обмеження дифузії, доцільне використання способу вимірювання зі стабілізацією напруги на порівняльному елементі термокаталітичного датчика, що забезпечує лінійність вихідної характеристики, відносно більшу чутливість та зменшення тривалості перехідних теплових процесів у аналізаторі.

Проведені дослідження дозволили розробити газоаналізатори кисню з технічними параметрами, необхідними для їх використання в САР.

Розроблений первинний перетворювач аналізатора кисню досліджений в лабораторних умовах. За результатами досліджень визначено найбільш доцільні температурні режими роботи термокаталітичних перетворювачів, установлені величини додаткових похибок газоаналізаторів від неконтрольованих компонентів і температури аналізованого середовища і запропонована методика усунення цих похибок шляхом підгонки вольтамперних характеристик гілок вимірювального моста з термоелементами.Для зменшення температурної погрішності газоаналізаторів здійснена температурна компенсація вимірювального моста і передбачена установка первинних перетворювачів у термостаті, у якому підтримується температура 353С. Установлено, що похибка від зміни тиску аналізованої суміші дорівнює нулю.

Обґрунтований метод контролю вмісту газів недопалу в викидах котлоагрегатів. Зважаючи на те, що в димових газах при усіх можливих режимах роботи котлоагрегатів завжди спостерігається надлишок кисню над газами недопалу, за основу при розробці газоаналізатора цих газів прийнято термокаталітичний метод. Обґрунтовано параметри та спосіб подачі аналізованої суміші і розроблено первинний перетворювач аналізатора СО. Проведені його дослідження в лабораторних умовах, за результатами яких вибрано температурні режими роботи термокаталітичних перетворювачів СО, встановлені величини похибок газоаналізаторів від неконтрольованих компонентів та температури аналізованого середовища і запропонована методика їх усунення.

Третій розділ присвячений синтезу та дослідженню систем оптимального управління витратами загального повітря.

Ефективність функціонування САР витрат загального повітря в першу чергу залежить від правильності встановлення залежності процентного вмісту кисню в димових газах за пароперегрівником від витрат природного газу, при якій для різного парового навантаження буде спостерігатися найбільш економічний процес спалювання палива.

Для одержання функціональної залежності процентного вмісту кисню від будь-якого сполучення витрат доменного F_д, коксового F_к і природного газу F_п з використанням розроблених технічних засобів контролю складу димових газів проведений повний факторний експеримент на котлоагрегаті ПК-14-2М СТ №3 ТЭЦ-2 ВАТ “КГМК “Криворіжсталь” при навантаженнях у діапазоні від 133 т/год. до 200 т/год. За результатами експерименту отримані рівняння, що зв'язують оптимальні значення процентного вмісту кисню (%об.) і витрат пари (т/год.) з фактичними витратами газів для котлоагрегату та їх теплотворною здатністю, які мають вигляд

(4)

(5)

(6)

З отриманих рівнянь випливає, що незалежно від виду палива концентрація кисню в димових газах котлоагрегатів, при якій забезпечується оптимум роботи за умови енергоефективності, однозначно визначається величиною енергетичної потужності котлоагрегату і лінійно знижується в міру її збільшення (рис.1).

Рис. 1. Залежність оптимального вмісту кисню в димових газах за пароперегрівачем від витрат теплової енергії: -- за рівнянням (6); ¦ - рекомендована за результатами еколого-теплотехнічних іспитів

Характерним є те, що при збільшенні теплової потужності котлоагрегату в два рази, наприклад з 75 до 150 Гкал/год., оптимальна концентрація кисню в димових газах котлоагрегатів знижується в 1,7 рази (з 4,75 до 2,8 %об.), що свідчить про наявність перемінної компоненти надлишку повітря, подача якого необхідна для повного згорання палива в топках котла, яка залежить від кількості палива, що спалюється, і постійної складової, обумовленої підсмоктуванням повітря через негерметичності. Тому в міру збільшення тривалості експлуатації і зношеності котлоагрегатів крутість отриманої залежності зростає.

Для підтвердження достовірності встановленого зв'язку між оптимальними значеннями процентного вмісту кисню в димових газах за пароперегрівником і величиною енергетичної потужності котлоагрегату виконаний аналіз режимів, що рекомендуються зведеною відомістю роботи котла ПК-14-2М СТ №3 ТЕЦ-2, представленої в технічному звіті еколого-теплотехнічних іспитів (архівний № 24976), який підтвердив виявлену нами залежність.

Для котлоагрегату, як об'єкта керування, характерна наявність розподілених параметрів. Аналітично строго описати залежності між вхідними і вихідними параметрами для таких об'єктів складно. Тому з достатньої для інженерних розрахунків точністю об'єкт регулювання з розподіленими параметрами замінений послідовним з'єднанням динамічних ланок із зосередженими параметрами.

Котлоагрегат, як об'єкт керування, являє собою послідовне з'єднання динамічних ланок, тому при синтезі системи автоматичного регулювання витрат загального повітря нами використаний досвід, накопичений при побудові систем підпорядкованого керування електроприводами.

САР витрат загального повітря однопаливного котлоагрегату, побудована відповідно до приведеної структурної схеми, реалізована нами в складі АСУ ТП котлоагрегатів №№ 1,3 ТЕЦ ВАТ “ДніпроАзот”. Досвід експлуатації цієї системи показав її ефективність при керуванні однопаливними котлоагрегатами, що працюють на природному газі.

Динамічні параметри багатопаливних котлоагрегатів у процесі експлуатації змінюються в значно більшому діапазоні, ніж параметри однопаливних котлів. Це викликано в першу чергу нестабільністю складу та калорійності палива, що при номінальному навантаженні котла призводить до перемінних значень витрат, середнього тиску і швидкості повітря, обсягу і швидкості димових газів. Так, окремі коефіцієнти підсилення і сталі часу в структурній схемі повітряного тракту, можуть змінюватися в 1,5...2 рази.

Можливість зміни динамічних параметрів об'єкта керування в такому діапазоні вимагає перевірки працездатності синтезованої САР в умовах дії параметричних збурень. Це виконано нами шляхом математичного моделювання системи керування повітряним трактом багатопаливного котлоагрегату типу ПК-14-2м. Аналіз результатів цього моделювання показав, що оптимізація САР загального повітря за модульним оптимумом для таких котлоагрегатів не дозволяє досягти поставленої мети керування, оскільки реальна зміна динамічних параметрів об'єкта керування приводить до втрати стійкості системи. Отримані результати свідчать про те, що побудова високоякісних систем керування витратами загального повітря для багатопаливних котлоагрегатів вимагає нетрадиційних підходів до проблеми структурно-алгоритмічного синтезу.

Комплексне рішення проблеми керування нестаціонарними об'єктами, що функціонують в умовах дії широкого спектра дестабілізуючих факторів, і придання САР властивостей інваріантості до координатних і параметричних збурень може бути знайдене в класі систем, стійких при необмеженому збільшенні коефіцієнті підсилення.

При здійсненні процедури синтезу лінійних систем автоматичного керування на основі класичних методів неминуче виникає компромісна задача досягнення необхідної точності відтворення заданої траєкторії і забезпечення стійкості керованого руху. Поліпшення динамічних і статичних властивостей системи за рахунок підвищення коефіцієнта підсилення може призвести до нестійкості керованого руху. Альтернативою класичним методам синтезу може служити концепція збурено-незбуреного руху А.М. Ляпунова, що формує принципово інший підхід до розв'язання проблеми оптимального синтезу. На основі метода аналітичного конструювання регуляторів, що витікає із цієї концепції, можна будувати структури, стійкі при необмеженому збільшенні коефіцієнта підсилення.

Синтез САР витрат повітря виконаний нами шляхом послідовної оптимізації контурів регулювання від внутрішнього до зовнішнього за мінімумом інтегральних квадратичних функціоналів.

Аналіз графіків перехідних процесів, отриманих шляхом математичного моделювання, показав, що оптимізація САР витрат загального повітря за мінімумом інтегральних квадратичних функціоналів з реалізацією алгоритмів оптимального керування у фазовому просторі відхилень реального руху об'єкта керування від траєкторій незбуреного руху, що формуються еталонною моделлю, дозволяє забезпечити практично незмінну якість керування витратами загального повітря багатопливних котлоагрегатів за умов дії широкого спектру координатних і параметричних збурень.

В четвертому розділі наведені результати технічної реалізації та оцінки ефективності розроблених засобів контролю та управління.

Виконані дослідження термокаталітичного методу контролю дозволили розробити газоаналізатор ГТК - О2 для вимірювання вмісту кисню в димових газах та газоаналізатор ГТК - СО для вимірювання вмісту газів недопалу.

Газоаналізатори забезпечують безперервне автоматичне вимірювання об'ємного вмісту кисню і оксиду вуглецю в місці розміщення первинних перетворювачів і візуальну індикацію її на цифровому табло вимірювальних перетворювачів, а також передачу в систему керування аналогових струмових сигналів.

Основні технічні дані газоаналізатора ГТК - О₂:

- діапазон вимірювання об'ємної частки кисню, % 0 - 21,0;

- межа основної приведеної похибки газоаналізатора, %4,0;

- вихідний сигнал постійного струму, мА 4 - 20;

- номінальна функція перетворення

А=(I -4)/1,6, об.%,

де А - вміст кисню, І - вихідний струм газоаналізатора.

Основні технічні дані газоаналізатора ГТК - СО:

- діапазон вимірювання об'ємної частки оксиду вуглецю, % 0 - 0,2;

- межа допустимої абсолютної похибки газоаналізатора, об.%0,04;

- вихідний сигнал постійного струму, мА 4 - 20;

- номінальна функція перетворення

А=(I -4)/80 об.%,

де А - вміст оксиду вуглецю, І - вихідний струм газоаналізатора.

З метою підтвердження працездатності розроблених газоаналізаторів у промислових умовах, уточнення їх метрологічних і експлуатаційних характеристик, проведені їхні дослідження в промислових умовах на котлоагрегаті №3 ТЕЦ ВАТ “ДніпроАзот”. До досліджень були підготовлені по два зразка газоаналізаторів ГТК-О₂ і ГТК-СО. Дослідження проводилися разом із представниками Дніпропетровського державного центра стандартизації, метрології і сертифікації.

При проведенні досліджень здійснювалася: перевірка діапазону вимірювання і визначення межі приведеної основної погрішності, що допускається; перевірка номінальної функції перетворення; визначення часу встановлення вихідного сигналу, визначення терміну роботи газоаналізатора без корегування показань тощо.

Усі перевірки та операції проводилися відповідно до ДСТУ 13320-81. Як зразкові засоби використовувалися набори атестованих перевірочних газових сумішей (ПГС) у балонах під тиском.

Дослідження підтвердили працездатність розроблених газоаналізаторів у промислових умовах і дозволили уточнити їх метрологічні й експлуатаційні характеристики. За результатами досліджень вони були атестовані органами Держстандарту. Для накопичення досвіду роботи з газоаналізаторам і оцінки їхньої працездатності при тривалій роботі вони були передані в дослідно-промислову експлуатацію на ТЕЦ ВАТ “ДніпроАзот”, де успішно експлуатуються в складі АСУ ТП котлоагрегату №3 протягом 3 років.

Розроблені технічні засоби контролю складу димових газів і САР витрат загального повітря використані при розробці автоматизованої системи керування технологічним процесом горіння природного газу в котлоагрегаті БКЗ-220-100Ф №3 ТЕЦ ВАТ “ДніпроАзот”. За результатами експлуатації автоматизованої системи керування технологічним процесом на цьому котлоагрегаті визначена економічна ефективність упровадження розроблених технічних засобів та виконано аналіз технічних і екологічних наслідків упровадження розроблених технічних засобів.

Виконана оцінка економічної ефективності впровадження розроблених технічних засобів показує, що річний економічний ефект від впровадження автоматизованої системи керування технологічним процесом горіння природного газу в котлоагрегаті БКЗ-220-100Ф №3 складає більше 1,2 млн. грн. Розрахунки показали, що впровадження розроблених САР у комплекті з газоаналізаторами на котлоагрегатах ТЕЦ промислових підприємств і підприємств комунальної власності дозволить заощадити до 2,4 млн. т.у.п. за рік і значно знизити викиди парникових газів у навколишнє середовище.

Намічено перспективи проведення подальших досліджень, спрямованих на удосконалювання АСУ ТП котлоагрегатів ТЕЦ.

ВИСНОВКИ

У дисертації вирішена актуальна науково-прикладна задача підвищення ефективності спалювання палива в котлоагрегатах ТЭЦ промислових підприємств, яка полягає у встановленні закономірностей зміни складу димових газів при забезпеченні оптимуму роботи за критерієм енергетичної ефективності, розробці методів і технічних засобів автоматизації процесу спалювання газового палива, які забезпечують безперервний автоматичний контроль складу димових газів котлоагрегатів і підтримку оптимального співвідношення “загальне повітря - паливо”.

Найбільш важливі наукові і прикладні результати, висновки і рекомендації полягають у наступному:

1. Виконано аналіз систем керування, методів контролю параметрів і технічних засобів автоматизації процесів спалювання газового палива в котлоагрегатах ТЕЦ промислових підприємств. Установлено, що керування процесом спалювання палива в багатопаливних котлоагрегатах ТЕЦ промислових підприємств, засноване на виборі кількості повітря за режимними картами, не забезпечує оптимуму роботи котлоагрегатів за критерієм енергетичної ефективності через нестабільність витрат і мінливість складу доменного і коксового газів.

2. Встановлено, що попереднє насичення димових газів котлоагрегатів парами пального до концентрації, що забезпечує їхній надлишок над киснем, дозволяє здійснювати контроль вмісту останнього в димових газах термокаталітичним методом. Доказано, що термокаталітичний метод вимірювання забезпечує необхідну точність вимірювання об'ємного вмісту кисню в димових газах. Обґрунтовані режими роботи датчиків кисню та схеми їх включення, що забезпечують лінійність вихідної характеристики, високу чутливість і малу тривалість перехідних теплових процесів у датчику при незалежності результатів вимірювання від забруднення газодифузійного фільтра, зміни активності каталізатора, тиску та інших факторів. Розроблені і досліджені в лабораторних і промислових умовах нові технічні засоби для вимірювання вмісту кисню і газів недопалу у викидах котлоагрегатів.

3. З використанням розроблених технічних засобів установлено закономірності зміни складу димових газів у залежності від складу газових компонентів палива і енергетичної потужності при забезпеченні оптимуму роботи котлоагрегатів за критерієм енергетичної ефективності. Доведено, що концентрація кисню в димових газах, при якій забезпечується зазначений оптимум, не є постійною величиною, а лінійно знижується з ростом енергетичної потужності котлоагрегату, причому крутість зазначеної залежності зростає в міру збільшення тривалості експлуатації і зносу котлоагрегатів.

4. Теоретично обґрунтовані методи оптимізації систем регулювання витрат загального повітря для однопаливних і багатопаливних котлоагрегатів ТЕЦ і контролю режиму їхньої роботи. Розроблено нові ефективні алгоритми і структурні схеми систем регулювання витрат загального повітря за модульним оптимумом для однопаливних котлоагрегатів і за інтегральними квадратичними функціоналами якості для багатопаливних котлоагрегатів.

5. Запропоновано нові принципи побудови і технічної реалізації багатоконтурних систем керування витрат загального повітря, що мають низьку чутливість до координатних і параметричних збурень.

6. Розроблені технічні засоби контролю складу димових газів і САР витратами загального повітря впроваджені в складі АСУ ТП котлоагрегатів БКЗ-220-100 ТЕЦ ВАТ “ДніпроАзот” (м. Дніпродзержинськ) і ТЕЦ-2 ВАТ “КГМК “Криворіжсталь” (м. Кривий Ріг).

7. Виконаний аналіз технічних і екологічних наслідків використання розроблених технічних засобів показав, що у випадку широкого впровадження розроблених САР у комплекті з газоаналізаторами на котлоагрегатах ТЕЦ промислових підприємств і підприємств комунальної власності дозволить щорічно заощадити до 2,4 млн. т.у.п. і значно знизити викиди парникових газів у навколишнє середовище.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ У РОБОТАХ

1. Романенко В.И., Садовий А.В. Регулирование соотношения воздух-топливо в однотопливных котлоагрегатах / Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук. техн. зб. - 2002. - Вип. 69. - С. 90-94.

2. Голинько В.И., Романенко В.И., Фрундин В.Ю. Обоснование мостовой измерительной схемы термокаталитических газоанализаторов / Сб. науч. тр. НГУ. - 2003. - №17, том 2. - С. 352-357.

3. Романенко В.И., Голинько В.И. Теоретическое обоснование термокаталитического метода контроля содержания кислорода / Сб. науч. тр. НГУ. - 2004. - №19, том 3. - С. 30-38.

4. Романенко В.И. Контроль состава дымовых газов топливосжигающих агрегатов / Вісник Криворізького технічного університету. - 2005, №8. - С. 163-168.

5. Романенко В.И. Уменьшение выбросов парниковых и вредных газов маневровыми котлоагрегатами ГРЭС путем выравнивания графиков нагрузок энергосистемы энергоемкими потребителями / Науковий вісник НГУ, - Дніпропетровськ, 2002 - №3. - С. 78-81.

6. Романенко В.И., Волков В.Ф. Энергосбережение на КГГМК “Криворожсталь” // Теория и практика металлургии. - Днепропетровск, 2001 - №2(22). - С. 17-20.

7. Патент України 58700А, МК G01N25/22 Спосіб термокаталітичного аналізу газів і пристрій для його реалізації / В.І. Голінько, В.І. Романенко, В.Е. Фрундін, Р.К. Стасєвич // Опубл. 15.08.03 Бюл. №8.

8. Патент України 58701А, МК G01N25/22. Термокаталітичний дифузійний газоаналізатор кисню / В.І. Голінько, В.І. Романенко, В.Е. Фрундін, Р.К. Стасєвич // Опубл. 15.08.03 Бюл. №8.

9. Романенко В.И., Голинько В.И., Фрундин В.Е. Исследование термокаталитического метода измерения кислорода // Горный информационно-аналитический бюллетень, - Москва, МГГУ, 2003 - №3, с. 213-216.

10. Романенко В.И. Повышение эффективности сжигания газового топлива в котлоагрегатах ТЭЦ // Матеріали міжнародної науково-практичної конференції “Україна наукова 2003”, Том 27. Гірнича справа. - Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2003. - С. 30-31.

АНОТАЦIЯ

Романенко В.І. Автоматизація процесу спалювання газового палива в котлоагрегатах ТЕЦ промислових підприємств. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07-“Автоматизація технологічних процесів” - Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2005.

В дисертаційній роботі виконано аналіз систем керування, методів контролю параметрів і технічних засобів автоматизації процесів спалювання газового палива в котлоагрегатах ТЕЦ промислових підприємств. Установлено закономірності зміни складу димових газів у залежності від складу газових компонентів палива і енергетичної потужності при забезпеченні оптимуму роботи котлоагрегатів за критерієм енергетичної ефективності. Обґрунтовано термокаталітичний метод та створені технічні засоби для вимірювання об'ємного вмісту кисню в димових газах котлоагрегатів. Обґрунтовані методи оптимізації систем регулювання витрат загального повітря для однопаливних і багатопаливних котлоагрегатів ТЕЦ. Розроблено нові ефективні алгоритми і структурні схеми САР витрат загального повітря, що забезпечують низьку чутливість до координатних і параметричних збурень.

Ключові слова: система автоматичного регулювання, газове паливо, котлоагрегат, димові гази, кисень, метод, технічні засоби, контроль, оптимізація.

АННОТАЦИЯ

Романенко В.И. Автоматизация процесса сжигания газового топлива в котлоагрегатах ТЭЦ промышленных предприятий. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - “Автоматизация технологических процессов” - Национальный горный университет, Днепропетровск, 2005.

В диссертационной работе осуществлено решение актуальной научно-прикладной задачи повышения эффективности сжигания топлива в котлоагрегатах ТЭЦ промышленных предприятий.

Выполнен анализ систем управления, методов контроля параметров и технических средств автоматизации процессов сжигания газового топлива в котлоагрегатах ТЭЦ промышленных предприятий.

Установлены закономерности изменения состава дымовых газов в зависимости от состава газовых компонентов топлива и изменения энергетической мощности при обеспечении оптимума работы котлоагрегатов по критерию энергетической эффективности, заключающиеся в том, что концентрация кислорода в дымовых газах, при которой обеспечивается указанный оптимум, не является постоянной величиной, а линейно снижается по мере увеличения энергетической мощности котлоагрегата, причем крутизна указанной зависимости возрастает по мере увеличения продолжительности эксплуатации и степени износа котлоагрегатов.

Обоснован термокаталитический метод контроля содержания кислорода в дымовых газах, режимы работы датчиков кислорода и схемы их включения, обеспечивающие линейность выходной характеристики, высокую чувствительность и малую продолжительность переходных тепловых процессов в датчике при независимости результатов измерения от загрязнения газодиффузионного фильтра, изменения активности катализатора, давления и иных факторов. Разработаны и исследованы в лабораторных и промышленных условиях новые технические средства для измерения содержания кислорода и газов недожога в выбросах котлоагрегатов.

Обоснованы методы оптимизации систем регулирования расхода общего воздуха для однотопливных и многотопливных котлоагрегатов ТЭЦ и контроля режима их работы. Разработаны новые эффективные алгоритмы и структурные схемы многоконтурных систем регулирования расхода общего воздуха, оптимизированных по модульному оптимуму для однотопливных и интегральным квадратичным функционалам качества для многотопливных котлоагрегатов.

Предложены новые принципы построения и технической реализации многоконтурных систем управления, обеспечивающих низкую чувствительность САР расхода общего воздуха к координатным и параметрическим возмущениям.

Разработанные технические средства контроля состава дымовых газов и САР расхода общего воздуха внедрены в составе АСУ ТП котлоагрегатов БКЗ-220-100 ТЭЦ ОАО “ДнепрАзот” (г. Днепродзержинск) и ТЭЦ-2 КГМК “Криворожсталь” (г. Кривой Рог).

Ключевые слова: система автоматического регулирования, газовое топливо, котлоагрегат, дымовые газы, кислород, метод, технические средства, контроль, оптимизация.

Abstract

Romanenko V.I. The Automation of the Gas Fuel Burning Process in the Heat Station Boilers of the Industrial Enterprises. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.13.07 - “Automation of technological processes” - National mining university, Dnepropetrovsk, 2005.

The present thesis deals with the analysis of the control systems, equipment monitoring methods and technologies of the automation of the gas fuel burning process in the heat station boilers of the industrial enterprises. The regularities of the change of the flue gases were determined in dependence on the makeup of the gas components of the fuel and generating capacity in conditions of providing the optimum functioning of the boilers according to the power efficiency criterion. The catalytic thermal method was substantiated and the technologies for measuring oxygen volumetric content in the flue gases of the boilers were made. The optimization methods for the control system of the aggregate air consumption in the mono- and multifuel boilers of the heat stations were substantiated. New efficient algorithms and SAR aggregate air consumption block diagrams which provide the low apprehensibility to the coordinate and parametric perturbations were elaborated.

Key-words: automatic control system, gas fuel, boiler, flue gases, oxygen, method, technologies, control, optimization.

Размещено на Allbest.ru

...