Автоматическое регулирование соотношения топливо - воздух

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автоматическое регулирование соотношения топливо - воздух

Автоматическое регулирование соотношения расходов топлива и воздуха, подаваемых в печь, должно обеспечивать необходимые условия сжигания топлива. Эти условия различаются для печей того или иного назначения, но в целом их можно сформулировать следующим образом:

1) топливо должно сжигаться экономично;

2) сжигание топлива должно быть организовано так, чтобы в печи сохранялись наилучшие условия теплообмена факела с металлом и кладкой;

3) сжигание топлива должно быть организовано так, чтоб в печи поддерживалась газовая атмосфера определенного состава.

В зависимости от типа печи перед системой автоматического регулирования ставится задача выполнения одного из перечисленных требований или определенной их совокупности.

Численно соотношение топливо -- воздух определяется так называемым коэффициентом расхода воздуха, часто обозначаемым буквой . Часто встречающееся название "коэффициент избытка воздуха" сложилось исторически и является менее точным, так как в ряде современных металлургических печей топливо сжигается в определенных зонах не при избытке, а при недостатке воздуха.

Коэффициент расхода воздуха равен:

(1)

где В_B -- действительный расход воздуха; -- теоретический расход воздуха, необходимый для полного сжигания топлива; -- теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сжигания единицы топлива; В_T -- расход топлива.

При отоплении печи топливом нескольких видов, например природным газом и мазутом, и при использовании для формирования факела и сжигания этих топлив вентиляторного воздуха, сжатого воздуха и кислорода числитель и знаменатель выражения (1) представляют собой соответственно суммы расходов кислородоносителей и топлив.

Рассмотрение формулы (1) показывает, что для точного определения коэффициента расхода воздуха необходимо точное знание расходов топлива и воздуха и состава топлива, так как от последнего зависят величина .

Если топливо сжигается с и при идеальном смешении с воздухом, то развивается максимальная калориметрическая температура горения. При часть топлива не сгорает из - за недостатка кислорода и максимальная температура не достигается. При > 1 топливо сгорает полностью, но часть выделяющегося при этом тепла идет на нагрев излишнего воздуха и максимальная температура горения также не достигается. Справедливость рассуждений о качественных изменениях теоретической калориметрической температуры горения» т.е. температуры, развиваемой при полном сгорании топлива и без теплообмена продуктов сгорания с окружающей средой, сохраняется и для реальных температур, получаемых в рабочих пространствах металлургических печей.

На рис. 4.7, а и б показаны графики зависимостей калориметриеской и реальной температур от коэффициента расхода воздуха. Максимум реальной температуры имеет место при значениях о, несколько больших единицы, из-за того, что в условиях не идеального, а реального смешения топлива и воздуха полное сгорание требует некоторого избытка воздуха. Уровень реальных температур несколько ниже из-за теплообмена факела с окружающей средой. Из графиков также следует, что изменением коэффициента расхода воздуха можно регулировать температуру горения; последняя уменьшается (правая ветвь кривой) с увеличением .

Как показывают исследования, при сжигании газообразного топлива в различных реальных печах максимальная температура достигается при б=1,05ч1,15, а при сжигании жидкого топлива -- при б=1,15ч1,25.

Рисунок - Зависимости температуры горения и окалинообразования от коэффициента расхода воздуха

Таким образом, если требуется получить наибольшую скорость нагрева металла и экономичное сжигание топлива, то в печи нужно иметь максимальную температуру и, следовательно, система автоматического регулирования должна поддерживать коэффициент расхода воздуха на соответствующем уровне. В термических печах часто возникают несколько иные задачи, связанные с тем, что воздух следует подавать с избытком или недостатком для снижения температуры факела и изменения его длины и формы с целью предотвращения перегрева изделий и кладки и обеспечения равномерного нагрева садки.

Коэффициент расхода воздуха влияет не только на теплообмен, но и на массообмен в печах. Очевидно, что изменения коэффициента, а сопровождаются изменениями состава печной атмосферы. При в печи создается восстановительная атмосфера, а при - окислительная. Влияние коэффициента расхода воздуха на угар металла из-за окислительного воздействия кислорода печной атмосферы иллюстрирует рис. 4.7, в. По оси ординат на этом графике отложено количество образующейся окалины G_ок в процентах от массы металла. Неправильное регулирование расхода воздуха может привести к повышенному окислению металла н существенному ухудшению экономических показателей агрегата. В печах безокислительного нагрева, работающих с недостатком воздуха в зоне высокотемпературного нагрева, регулирование коэффициента расхода воздуха обеспечивает печную атмосферу оптимального состава и исключает сильное окалинообразование. В таких печах коэффициент поддерживается на уровне 0,45 - 0,55.

Сказанное выше позволяет сделать вывод, что системы автоматического регулирования соотношения топливо -- воздух решают важные задачи, обеспечивающие производительную и экономичную работу металлургических печей.

Автоматическое регулирование соотношения расхода топлива и воздуха на большинстве печей осуществляется при помощи регуляторов соотношения. Чаще всего ведущим потоком в схеме отопления и автоматического пропорционирования является топливо, расход которого задается регулятором температуры. Регулятор соотношения получит информацию о расходах топлива и воздуха и управляет расходом воздуха, который является, таким образом, ведомым потоком. В некоторых случаях применяется обратная схема, где ведущим потоком служит воздух, а ведомым - топливо. Расходы газообразного топлива и воздуха измеряются обычно дросселирующими устройствами: диафрагмами, соплами, трубами Вентури. Расход мазута измеряется расходомерами постоянного перепада или объемными расходомерами.

Регулирование соотношения по расходам топлива и воздуха, подводимых к печи имеет ряд недостатков.

Во-первых, на участках воздухопровода, расположенных после измерительного устройства, могут иметь место потери воздуха выбиванием, особенно через неплотности в кладке рекуператоров, регенераторов, каналов и рабочего пространства, которые нарушают отрегулированный коэффициент расхода воздуха. По существу объектом регулирования соотношения является участок трубопровода между дросселирующим измерительным устройством и регулировочным клапаном, а не рабочее пространство печи, в котором должно происходить сжигание топлива при заданном расходе воздуха.

Во-вторых, коэффициент расхода воздуха может искажаться за счет погрешностей в измерении расходов топлива и воздуха и из-за колебаний состава топлива. Погрешности измерений возникают в результате отклонений температуры, давления, вязкости и тд. измеряемых сред от значений, принятых при расчете дросселирующих устройств. Например, подогрев воздуха меняется в процессе эксплуатации печи из-за износа рекуператора и если не применяется расходомер с автоматической компенсацией, то изменения температуры воздуха будут вызывать ошибки в измерении его расхода. Колебания в составе топлива, например смешанного газа, могут возникать из-за колебаний состава и количества газа, поступающего с коксовых батарей, а состав мазута может отличаться в разлитых партиях этого топлива. Качественная работа системы регулирования соотношения требует точного измерения расходов и стабилизации характеристик топлива.

В-третьих, все применяемые системы регулирования соотношения достаточно точно поддерживают заданный коэффициент расхода воздуха при изменениях расходов сред в пределах 100 -- 35 % от максимальных значений. При работе печей могут иметь место гораздо более глубокие, например 5 -- 6-кратные, изменения расходов топлива и воздуха. При этом перепады статических давлений на дросселирующих органах, являющиеся мерой расходов, изменяются в 25 - 36 раз, что приводит к потере чувствительности измерительной аппаратуры на малых расходах и к большим ошибкам измерений и регулирования коэффициента расхода воздуха. Помимо рассмотренного, влияние на сгорание топлива в рабочем пространстве печи оказывают также подсосы воздуха из окружающего пространства. Для ряда конструкций печей указанные недостатки могут не иметь существенного значения и регулирование коэффициента расхода воздуха на подводе к печи является удовлетворительным. Во многих же случаях желательно осуществлять процесс регулирования на основе контроля процесса сжигания топлива.

Контроль процесса сжигания может осуществляться по результатам анализа продуктов сгорания.

Анализ формул показывает, что для контроля коэффициента расхода воздуха при неполном сгорании топлива необходимо проводить анализ покидающих печь продуктов сгорания. При полном сгорании достаточно осуществлять анализ лишь на О₂ и СО₂. Применение автоматических газоанализаторов и вычислительных устройств для расчетов коэффициента расхода воздуха позволяет непрерывно контролировать качество сжигания топлива.

На основе этого создаются системы регулирования с коррекцией задания регулятору соотношения по составу продуктов сгорания. Успешная работа таких систем во многом зависит от представительности проб газа, отбираемых для автоматического анализа, т.е. от того, насколько состав продуктов сгорания в месте отсоса газозаборной фурмой соответствует среднему их составу на выходе из рабочего пространства печи. Неправильная установка газозаборной фурмы, например, с малым заглублением в дымовой канал, после шибера, поворота или расширения канала может привести к тому, что продукты сгорания будут отбираться из объема, в который подсасывается воздух, или из застойных зон, где состав газа отличается от состава основного потока. Помимо получения представительной пробы, должны быть решены зада« очистки и охлаждения пробы, сведения к минимуму транспортного запаздывания по трассе импульсной линии и запаздываний в собственно газоанализаторах.

Поскольку объектом регулирования соотношения, как уже указывалось, является участок трубопровода между измерителем расхода воздуха я регулировочным органом, то запаздывания в системе невелики. Например, при аппроксимации переходной характеристики, снятой на нагревательном колодце, кривой первого порядка с чистым запаздыванием параметры имеют следующие значения: чистое запаздывание с, постоянная времени с. Удовлетворительное качество регулирования соотношения получают обычно при использовании И-регуляторов различии конструкций.

температура топливо воздух сгорание

Схема регулирования соотношения топливо -- воздух с метрическим регулятором

Схема узла автоматической стабилизации коэффициента расхода с применением электрической аппаратуры показана на рис. 4.8. Расходы топлива (газа) воздуха измеряются диафрагмами 1 и 2, перепады давлений с которых передаются на дифманометры 3 и 4. С выходных электрических датчиков дифманометров си полы подаются на вторичные показывающие и регистрирующие приборы 5 и 6 и на электрический регулятор 7. Задание на регулирование устанавливается задатчиком 8. С выхода регулятора управляющий сигнал через универсальный переключатель 9 и блок управления 10 поступает на исполнительна механизм 11, вал которого сочленен с валом регулирующего клапана 12 на воздухопроводе.

Рисунок - Схема регулирования соотношения топливо-воздух

Значение коэффициента расхода воздуха определяется соотношением величин сигналов, поступающих на регулятор с выходных электрических датчиков дифманометров - расходомеров. При отклонении этого соотношения от заданного значения коэффициента расхода воздуха, м. от заданного соотношения расходов газа и воздуха, регулятор через исполнительный механизм и регулирующий орган осуществляет соответствующие изменения расхода воздуха. При понижении коэффициента расхода воздуха регулятор увеличивает расход воздуха, а при повышении -- уменьшает.

С помощью переключателя 9 и блока управления 10 осуществляется переход с ручного управления на автоматическое н дистанционное ручное управление исполнительным механизмом. В систему также включен дистанционный указатель положения вала исполнительного механизма и регулирующего органа 13.

В рассмотренной схеме топливо является ведущим потоком, а воздух -- ведомым. Расход топлива не зависит от функционирования системы регулирования соотношения, регулятор может изменять лишь расход воздуха, приводя его непрерывно в соответствие с независимо меняющимся расходом газа и заданным коэффициентом расхода воздуха. Наряду с таким прямым построением схемы регулирования горения топлива в системах автоматики металлургических печей встретится и обратные решения, т.е. схемы, в которых ведущим потоком является воздух, а ведомым -- регулируемый газ.

Если печь отапливается не одним, а двумя и тремя видами топлива, например мазутом и газом, и кислород, необходимый для горения, подается более чем по одному каналу, например, в виде воз духа и технически чистого кислорода, то схема регулирования горения принципиально не меняется. Сигналы всех расходомеров топлива в этом случае складываются и подаются на соответствующий вход регулятора. На другой вход подается сигнал, пропорциональный сумме расходов кислорода, поступающего с каждым из кислородоносителей. Регулятор управляет расходом одного из кислородоносителей, обеспечивая качественное сжигание всех топлив.

Регулирование соотношения топливо - воздух применением спаренных регулирующих органов

В ряде случаев, когда к регулированию соотношения не предъявляется особенно высоких требований, автоматическое пропорционирование топлива и воздуха выполняют путем применения спаренных клапанов. При такой системе топливный и воздушный регулировочные клапаны механически жестко соединены рычажной или тросовой передачей или синхронно перемещаются индивидуальным! исполнительными механизмами, управляемыми регулятором. Схема автоматики печи в этом случае не имеет регулятора соотношения. Регулятор температуры управляет как топливным, так и воздушным регулирующими органами; клапаны синхронно открываются или закрываются.

Применение подобной системы бывает целесообразно также в тех случаях, когда расход топлива претерпевает частые резкие и разнохарактерные изменения из - за возмущений в температурном режиме печи и непрерывный регулятор соотношения не в состоянии обеспечить качественное пропорционирование воздуха без больших динамических ошибок. Спаренный воздушный клапан изменяет расход воздуха без запаздывания по отношению к расходу топлива.

Схема регулирования соотношения топливо - воздух с коррекцией по составу продуктов сгорания

Рисунок - Схема соотношения топливо - воздух с коррекцией по составу продуктов сгорания

Возможность контроля коэффициента расхода воздуха по составу продуктов сгорания используется, как уже упоминалось, для коррекции задания регуляторам соотношения топливо - воздух. Принципиальная схема такой системы регулирования показана на рис. 4.9. Дросселирующие устройства с расходомерами 1 и 2, регулятор 3 и исполнительный механизм 4 при регулирующем органе на воздухопроводе образуют стандартный узел пропорцнонирования расходов. Пробы продуктов сгорания, покидающих рабочее пространство печи, непрерывно отбираются при помощи водоохлаждаемой фурмы 5 и подаются к газоанализатору 6. Данные результатов анализа поступают в корректирующий блок 7, выходной сигнал которого воздействует на задаток регулятор 3.

Для контроля коэффициента расход» воздуха при полном сжигании топлива, т.е. когда в отходящих газах отсутствуют горюше составляющие, достаточно определять только содержание кислорода и прибор 6 в этом случае представляет собой газоанализатор на кислород. При неполном сгорании топлива до места установки фурмы, которое может диктоваться конструктивными особенностями печи, комплект газоанализаторов будет более сложным. Он должен включать в себя приборы или блоки для контроля количества горючих компонентов. Блок 7 служит для выработки корректирующего сигнала.

Поскольку при полном сгорании топлива существует однозначная связь между коэффициентом расхода воздуха и содержанием кислорода в продуктах сгорания, то в этом случае в блоке 7 предусматривают задатчик процентного содержания кислорода и происходит непрерывное сравнение текущего значения содержания кислорода с заданным. При появлении отклонения текущего значения от заданного вырабатывается корректирующий сигнал, изменяющий задание на регуляторе соотношения. Закон формирования корректирующего сигнала как всякого управляющего воздействия определяют на основе изучения статических и динамических характеристик контура регулирования. При неполном сгорании топлива блок 7 осуществляет автоматический непрерывный расчет величины коэффициента расхода воздуха и имеет задатчик величины . Отношение текущего значения от заданного сопровождается появлением корректирующего сигнала. Задаваемые значения содержания кислорода или коэффициента , соответствующие наилучшим условиям сжигания топлива, зависят от конструкции и режима работы агрегата и определяются предварительными технологическими испытаниями.

Система в целом работает следующим образом Возмущения, связанные с изменениями расхода топлива, компенсируются регулятором соотношения 3. Если же, например, из - за прогара рекуператора увеличатся потери воздуха в дымовой тракт, то это вызовет уменьшение фактического расхода воздуха, подаваемого к горелкам, и отклонение содержания кислорода в продуктах сгорания от заданного значения. Корректирующий блок 7 подаст команду на увеличение задания регулятору 3 для того, чтобы скомпенсировать потери воздуха в рекуператоре. Аналогично система сработает и при других возмущениях, связанных с отклонениями фактического коэффициента расхода воздуха от заданного. При таком построении система регулирования является двухконтурной, так как включает в себя контур регулирования соотношения и корректирующий контур.

В принципе задачу стабилизации содержат я кислорода в продуктах сгорания или коэффициента расхода воздуха можно было бы решить, используя одноконтурную систему регулирования, которая состояла бы из датчика-газоанализатора, регулятора воздуха и исполнительного механизма при воздушном клапане. При отклонении условий сжиганий топлива от заданных регулятор соответствующим образом управлял бы расходом воздуха. В такой системе отсутствовал бы регулятор соотношения. Однако таким образом системы пропорционирования не выполняют, так как они обладали бы плохими динамическими качествами из-за больших запаздываний по тракту печи и особенно в системе газового анализа. Больше запаздывания в получении информации об условиях сжигания топлива неизбежно привели бы к плохому качеству регулирования при компенсации резких возмущений, связанных с изменениями расхода топлива. Двухконтурная система лишена этого недостатка, так как контур регулирования соотношения получит информацию об истинном расходе топлива от расходомера с небольшим запаздыванием и регулятор соотношения быстро компенсирует отклонения в пропорционировании воздуха, вызванные колебаниями в расходе топлива. Корректирующий контур компенсирует все другие возмущения, которые вызывают ошибки в пропорционировании и о которых упоминалось ранее. Таким образом, двухконтурная система регулирования соотношения топливо -- воздух сохраняет хорошие динамические свойства и обеспечивает качественное пропорционированне воздуха.

Размещено на Allbest.ru