Автоматическое управление сжиганием топлива с учетом его состава и кислородного потенциала

Устройство управления процессом горения в нагревательных печах имеет контур

управления температурой путем изменения расхода топлива. По расходу топлива

устанавливается расход воздуха( который корректируется по отклонению

измеренного содержания кислорода в продуктах горения от заданного( которое(

в свою очередь устанавливается с учетом нагрузки печи. При открытие

заслонок корректирующий сигнал отключается( а вместо него подключается

другой сигнал( обеспечивающий изменения расхода воздуха на величину

ориентировочно равную количеству холодного воздуха( поступающего через

открытое окно. При закрытие заслонок этот сигнал отключается( расход

воздуха возвращается к первоначальному значению. Через некоторое время(

необходимое для стабилизации горения( подключается корректирующий импульс

по содержанию кислорода.

Метод прямого регулирования расхода воздуха по содержанию кислорода при

всей его кажущейся простоте до сих пор не нашел широкого применения даже на

объектах( работающих при нагрузках близких оптимальным. Причиной является

рассмотренное выше запаздывание как в измерительной системе так и в

отработке регулирующего воздействия. В результате анализа частоты

следования возмущений( требующих изменения расхода воздуха( и времени

запаздывания этого изменения на примере теплоэнергетического котла(

работающего при 80% нагрузке( показано( что время работы с n( заметно

отличается от n опт.( составляет почти половину времени работы котла и не

может быть уменьшено. Хорошие результаты могут быть получены либо при

устранении запаздывания( либо при стабилизации параметров топлива и воздуха

и нагрузки агрегата.

Для частичной компенсации запаздывания вводят сигнал по расходу воздуха(

организуют дифференциальную цепочку уже в системе измерения и суммируют два

параметра( характеризующих процесс – содержание кислорода и недожог. Для

этого сигнал по расходу воздуха дифференцируют( сигнал химического недожога

инвертируют и суммируют с сигналом содержания кислорода( суммарный сигнал

преобразуют в линейный и совместно с дифференцированным сигналом по расходу

воздуха используют для формирования регулирующего воздействия. Кроме

уменьшения запаздывания такой способ регулирования позволяет поддерживать

минимальное содержание О2 и избежать остаточной неравномерности

регулирования.

Стремление работать с минимальным содержанием О2 объясняется попытками

выйти на экстремум зависимости тепловыделения от коэффициента расхода

воздуха. Однако эта зависимость достаточно размыта и наклон кривой слева(

больше чем справа. Следовательно даже идеальный регулятор обеспечит

погрешность удержания экстремума слева большую( чем справа. Для устранения

этого дефекта и обеспечения максимального использования энергии топлива

дополнительно измеряют разность средних наклонов левой и правой ветвей(

формируют корректирующий сигнал( пропорциональный этой разности( и

суммируют его с основным сигналом задания регулятору соотношения.

Работа с предельно малым содержанием кислорода ведет к тому( что в факеле

по его длине одновременно присутствуют и О2 и СО даже при n > 1. Если

обозначить величину недожога за О ( то наибольшая температура в факеле

будет в точке где n – О =1. Если при установке датчика температуры в этой

области( задать желаемое содержание СО и начальную температуру факела( то

высокое качество управление процессом горения можно обеспечить за счет

того( что оптимальный расход воздуха стабилизируется в зависимости от

параметра качества процесса горения( который однозначно характеризует этот

процесс. Для реализации этого способа необходимо в схему регулирования

соотношения объемов топлива и воздуха ввести корректирующий импульс по

отклонению произведения температуры на соотношение от заданного для этого

произведения постоянного значения( определяемого из заданных начальных

температуры и концентрации О2 и СО.

Наиболее простой системой поиска оптимального соотношения является система

с экстремальным регулятором( попытки внедрить которую на отечественных

заводах ведутся с 50 – х годов.

В качестве входного параметра система использует температуру в зоне горения

и изменяет расход воздуха до достижения максимальной температуры( а затем

поддерживают ее вблизи максимума попеременным изменением n в обе стороны.

При всей кажущейся простоте система не прижилась на нагревательных печах.

Первый и основной ее недостаток в отсутствии представительной точки

контроля температуры. Каждая горелка в зоне горит по своему( в зависимости

от режима работы зоны меняется местоположение факелов и их яркость( через

зону проходит металл с различной температурой и радиационными свойствами и

т. д. В результате система( обеспечив максимальную температуру в точке

контроля( заводит всю зону и эффективность сжигания топлива в далеко

неоптимальную области. Второй недостаток связан с рассмотренными выше

последствиями запаздывания в отработке изменения расхода воздуха по

сравнению с изменениями расхода топлива. Этот недостаток усугубляется еще и

тем( что система сама постоянно изменяет n и оценивает результат( который

появляется только через некоторое время( в течении которого идет сжигание

топлива при n = n опт. Система достаточно хорошо и быстро подводит n к

области n ном.( если соотношение было далеко от оптимального( но в таких

режимах работают очень редко и( как правило( преднамеренно( т.е.

вмешательство системы не требуется.

Поэтому для систем( работающих только по поиску экстремума( необходимо

формировать сложный входной сигнал( отражающий действительно эффективность

работы всего агрегата( и подавать его в качестве корректирующего в систему(

обеспечивающий работу всех контролируемых возмущений без запаздывания или с

минимальным запаздыванием.

Как уже указывалось выше( стремление к обеспечению максимальной

эффективности сжигания топлива только за счет поддержания максимальной

температуры горения вступает в противоречие с целым рядом других

требований( влияющих на эффективность работы агрегата и в первую очередь с

требованиями о защите окружающей среды. Поэтому в последнее время среди

способов сжигания топлива появились и такие( при которых организуют потоки

бедной и богатой газо-воздушной смеси( поток богатой смеси предварительно

нагревают до температуры воспламенения( а получающиеся продукты сгорания

инжектируют потоком бедной смеси в зону горения печи.

Такого рода инжекционная горелка( обеспечивая полное выгорание топлива(

минимизирует выход окислов азота при достаточно высокой температуре факела.

Снижение выхода окислов азота( бес потери эффективности использования

топлива за счет происходящего при этом снижения температуры горения( можно

обеспечить увеличив коэффициент излучения факела путем впрыска в него воды

или подачи пара.

В этом случае температура факела упадет, но за счет роста коэффициента

излучения поток тепла к металлу снизится незначительно. Образование окислов

азота уменьшится существенно. При этом оптимальное состояние топлива и

воздуха на подводе к горелкам обеспечит одна из описанных выше систем, так

что в продуктах горения не будет содержаться избыточного кислорода, что

обеспечит малую концентрацию NOx и низкое окалинообразование. Однако

увеличение в продуктах горения содержание H2O ведет к существенному

ускорению окалинообразования.

Обеспечить оптимальное соотношение топливо – воздух и минимизировать

запаздывание при его отработки даже для самых совершенных из описанных выше

систем регулирования можно за счет введения опережающего результаты

сжигания импульса по рассчитанным по составу топлива значениям теоретически

необходимого количеств воздуха В0 и плотности газа, например, импульса В0.

Вычисленный в районе газосмесительной станции, где осуществляется

приготовление топлива переменного состава, этот импульс поступит в систему

регулирования у потребителя топлива раньше, чем само топливо. Это позволит

произвести все регулирующие воздействия в системе точно в нужный момент,

полностью устранив запаздывание. Устранить возможные небольшие отклонения,

возникшие из-за неточности расчета или отработки, можно уже по результатам

сжигания, т.е. с помощью обратной связи.

Этот второй процесс произойдет уже с запаздыванием, но для случая малых

остаточных отклонений и потери будут минимальными для выполнения вычислений

и формирования корректирующих импульсов при сжигании газов переменного

состава фирма Techdata США разработала и выпустила на рынок блок

«Сжигание газа». Блок представляет собой набор программ, позволяющий

рассчитывать теплоту сгорания смеси газов, расход воздуха, требуемый для

полного сгорания, температуру горения при заданном коэффициенте расхода

воздуха, состав продуктов сгорания. Данные о термодинамических и физических

свойствах простых газов и отдельных компонентов топлива и продуктов

сгорания содержится в поставляемой с блоком библиотеке. Данные о

применяемых потребителем комбинациях газов в смеси можно запоминать, если

эти комбинации стабильны, или рассчитывать по измеренным расходам газов.

Для реализации блока фирмой разработан интерфейс пользователя, подключаемый

без проблем к любому средству автоматизации и почти не требующий

предварительного обучения обслуживающего персонала.

На основании вышеизложенного, наиболее рациональным представляется способ

управления сжиганием топлива в многозонных методических печах, включающий

регулирование расхода топлива, при котором измеряют температуру среды в

каждой зоне, датчиком обеспечивающим измерение средне интегрального

значения, характеризующего интенсивность нагрева металла во всей зоне. При

отклонении измеренного от заданного значения измеряют расход топлива.

Измеряют или рассчитывают по составу топлива его теплоту сгорания и

соответствующим образом корректируют измеренное значение расхода топлива в

зону. Измеряют температуру воздуха и соответствующим образом корректируют

измеренное значение расхода воздуха, вычисляют и поддерживают изменением

расхода воздуха заданное соотношение топливо-воздух, определенное по

составу и расходу топлива. Измеряют содержание кислорода в продуктах

горения( в конце зоны сравнивают его с заданным значением, определенным по

расходам топлива и воздуха в эту и предыдущие зоны. При отклонении

измеренного значения от заданного изменяют соответствующим образом расход

воздуха в зону. Измеряют давление в печи, сравнивают с заданным и устраняют

отклонение изменением сопротивления дымового тракта, которое фиксируют на

время открытия заслонок окна выдачи металла. Измеряют содержание кислорода

в продуктах горения в конце печи, сравнивают его с заданным, определенным

по суммарным расходам топлива и воздуха на печь. При наличии отклонения

измеренного значения от заданного изменяют давление в печи в сторону

уменьшения отклонения. При снижении расхода топлива в зону ниже 15 – 20% от

максимального увеличивают заданное значение коэффициента расхода воздуха и

при дальнейшем снижении нагрузки полностью прекращают изменение расхода

воздуха.

Реализация способа позволяет за счет предварительного расчета характеристик

топлива и воздуха осуществить стабилизацию коэффициента расхода воздуха еще

до начало горения, т.о. компенсировать основную часть возмущающего

воздействия практически без запаздывания. За счет введения обратной связи

по содержанию кислорода минимизируется остаточная ошибка регулирования.

Учет расходов во все предыдущие зоны позволяет компенсировать ошибки в

работе их систем регулирования в последующих зонах. Исключение подсосов

холодного воздуха в печь и связанных с этим отрицательных последствий

(перерасход топлива, увеличенное окалинообразование и т.п.) обеспечивается

за счет изменения давления в печи. Изменение заданного значения расхода

воздуха в зависимости от нагрузки зоны позволяет стабилизировать режим

работы горелок, расположение и форму факела, что обеспечивает интенсивный

нагрев металла. Прекращение регулирование давления в печи на время открытия

заслонок обеспечивает сохранность оборудования и исключает ложные

срабатывания всех систем регулирования и их негативные последствия.

Возможность изменения заданного расхода воздуха в зависимости от нагрузки

печи позволяет минимизировать количество вредных выбросов в атмосферу.

Разработка АСУ ТП.

В соответствии с проведенным анализом способа регулирования коэффициента

расхода воздуха можно провести синтез системы управления сжиганием топлива

с учетом его состава и кислородного потенциала печной атмосферы.

Функциональная схема системы приведена на рис.1.

Система синтезирована на базе комплекса программ для микро-ЭВМ и содержит

минимальное число физических элементов – средств автоматизации. Такой

подход продиктован стремлением обеспечить высокие метрологические

характеристики системы, так как любое дополнительное средство автоматики

при отработке возложенной на него функции, а таких функций в системе очень

много, неизбежно вносит свою долю в увеличение общей погрешности работы

системы. Точность же выполнения расчетов с помощью микро-ЭВМ можно

обеспечить на порядок, а то и на два выше, чем с помощью специализированных

блоков, реализующих тот же алгоритм расчета.

Исходя из этого, в состав системы включены только первичные преобразователи

- датчики. Для исключения запаздывания в

отработке управляющих воздействий, связанных с настройкой регуляторов и

усилителей мощности, в системе предусматривается прямое цифровое управление

двигателями при регулирующих клапанах газа и воздуха и учет люфтов в их

сочленениях.

Состав системы

Система включает в себя следующие контуры Контур управления температурой в

зоне (на рис.1 не показан). Контур состоит из: термоэлектрического

преобразователя, установленного в своде печи, нормирующего преобразователя,

обеспечивающего согласование выходного сигнала термоэлектрического

преобразователя с уровнем входных сигналов микро-ЭВМ, программы управления

расходом топлива Pr.УТ и программы управления регулирующим органом на

газопроводе зоны Pr.Ут. Задание в этот контур поступает от системы

оптимизации режима нагрева металла, которая рассчитывает задание

температуры для каждой зоны печи. Программ же Pr.УТ и Pr.Ут по одной.

Обслуживание зон осуществляется в цикле. При этом при переходе к

соответствующей зоне из памяти берутся специфические для нее параметры:

коэффициент усиления по каналу температура-топливо при текущем расходе и

теплоте сгорания топлива; скорость перемещения регулирующего органа и его

расходная характеристика вблизи занимаемого положения; величина люфта в

случае движения в выбранном и обратном направлении и т.п. Все параметры

первоначально вводятся в память ЭВМ, а затем в процессе работы непрерывно

адаптируются по результатам регулирующих воздействий. Такой подход

позволяет уже первым регулирующим воздействием устранить минимум 90%

рассогласования между контролируемым параметром и его заданным значением,

т.о. снизить отклонение сразу практически на порядок, одновременно избежав

перерегулирования и ввода систем в автоколебания

Контур регулирования давления в рабочем пространстве печи (на рис.1 не

показан) включает в себя датчик давления с нормированным выходным сигналом,

программу управлением давлением Pr.УР, и программу управления регулирующим

органом Pr.Ур, установленном в дымоотводящем тракте. Задание для контура

формируется программой Pr.р(з), обрабатывающая поступающие к ней сигналы о

величине содержания кислорода в продуктах сгорания на выходе из печи от

заданного значения, о положении заслонок окна выдачи металла и о величине

задания, устанавливаемого оператором, исходя из режима работы дымососов и

котлов-утилизаторов.

Программа Pr.УР использует при своей работе хранящиеся в памяти и

непрерывно адаптируемые специфические параметры, позволяющие точно

рассчитывать необходимое перемещение дымового клапана, а программа Pr.Ур –

точно отрабатывать рассчитанное перемещение. Адаптация коэффициентов

производится по результатам регулирующих воздействий.

Контур управления расходом воздуха включает в себя средства измерения

перепадов давления на диафрагме, установленной на подводе газа в зоне,

давления и температуры воздуха перед диафрагмой, а также программы

вычисления фактического расхода воздуха Pr.В(ф), управления расходом

воздуха Pr.УВ(ф) и управления регулирующим органом на воздухопроводе Pr.Ув.

Задание в этот контур поступает от программы, рассчитывающей заданный

расход воздуха Pr.В(з) и корректируется внутри контура по сигналу обратной

связи, вырабатываемому программой Pr.(O2. Количество контуров управления

равно числу зон. Программы Pr.УВ(ф) и Pr.Ув работает в цикле аналогично

программам Pr.УТ и Pr.Ут( при этом программы Pr.Ут и Pr.Ув связаны между

собой,( что позволяет минимизировать запаздывание в отслеживании изменения

расхода топлива и снизить динамическую ошибку

поддержания коэффициента расхода воздуха. Программы Pr.В(ф) всех зон

связаны между собой( что позволяет учитывать режим работы предыдущих зон.

Контур расчета заданного расхода воздуха состоит из программы определения

фактического расхода топлива Pr.Т(ф)( на вход которой подключены средства

измерения перепада на диафрагме( установленной на подводе топлива к зоне и

температуры топлива( программы формирования текущего заданного значения

коэффициента расхода воздуха Pr.n и программы коррекции Pr.(n( учитывающий

топливную нагрузку зон. Программы Pr.Т(ф) всех зон связаны между собой( что

также позволяет учитывать режим работы предыдущих зон.

Контур расчета отохиометрического соотношения состоит из программы расчета

соотношения Pr.n* и программы расчета ожидаемого содержания кислорода в

топливе( являющийся контуром адаптации для программ Pr.B* и Pr.УВ(ф).

Контур контроля фактического содержания кислорода в продуктах горения в

зоне состоит из датчика кислородного потенциала( датчика температуры в

точке контроля( их нормирующих преобразователей и программы вычисления

фактического содержания кислорода.

В программе коррекции Pr.(O2 рассчитанное значение сравнивается с

фактическим( определяется отклонение и возможность появления его при

измеренном значении в зоне. Если отклонение возникло не в результате

влияния давления( а в результате ошибки либо в задании расхода воздуха(

либо в обработке(то величина управляющего воздействия в Pr.УВ(ф)

корректируется.

Контур контроля за составом смешиваемых газов состоит из программ расчета

ожидаемой теплоты сгорания( плотности и состава коксового газа – Pr.qк (

Pr.(к и Pr.Ск; доменного газа - Pr.qд ( Pr.(д и Pr.Сд; природного газа –

Pr.qп и Pr.Сп. Программы собраны в блоки( относящиеся к соответствующему

газу. На входы блоков подаются сигналы( позволяющие получать оценки для

параметров на основе известного режима работы поставщиков данного газа. Для

коксового газа – это число и номера работающих коксовых батарей( смена

шихты( на которой они работают( количество прямого коксового газа(

поступающего от коксового крыла и количество богатого газа от химического

крыла. Эти данные вводятся в блок автоматически или диспетчером и

определяют достаточно точно состав коксового газа, поступающего к

газосмесительной станции. Ошибка в определении состава уменьшается за счет

воздействия контура адаптации, реализуемого программой Pr.(Ск. Для

доменного газа влияющие факторы – число и номера работающих доменных печей,

состав шихты и количество природного газа, вдуваемого в печи. Уточняющий

сигнал идет из программы Pr.(qп в случае, если все корректирующие и

уточняющие сигналы обработаны, но полного совпадения конечных рассчитанного

и фактического значения не достигнуто. Контуры определения расходов

смешиваемых газов состоят из датчиков перепада давления на диафрагмах,

установленных на соответствующих газопроводах, датчика температуры

окружающей среды, его нормирующего преобразователя и программ расчета

расходов доменного, коксового и природного газов Pr.Д , Pr.К и Pr.П ,

соответственно. Каждая из программ получает сигнал о плотности

соответствующего газа, чем минимизируется ошибка расчета. Кроме этого

программа Pr.Д получает на вход сигнал о давлении газа, так как давление

доменного газа перед газосмесительной станцией изменяется в широких

пределах.

Контур расчета количества и процентного состава топлива состоит из программ

расчета общего количества топлива Pr.Т и программ расчета доли каждого из

газов в топливе Pr.( д , Pr.( к и Pr.( п.

Контур определения теплоты сгорания топлива состоит из датчика теплоты

сгорания мерного объема топлива, нормирующего преобразователя, программы

расчета теплоты сгорания по расходам, долям и составам смешиваемых газов

Pr. q(p) и программы расчета теплоты сгорания топлива Pr. qт.

Контур адаптации определения состава смешиваемых газов и расчета долей

доменного и природного газов в топливе состоит из программ Pr.( Ск , Pr.(

Сд, Pr.( д и Pr.( п.

Математическое описание объекта.

Каждой комбинации газов (Д, К, П) при заданных теплоте сгорания(Д, К, П) и

содержании коксового газа в топливе (К) и определяемый как(

( = 3822 (nQ-1) + 673 (nд-1) + 91(nк-7) +(nп-17) n(к (1)

где nQU, n(к - номера значений теплоты сгорания и содержание коксового газа

в топливе;

nд, nк, nп - номера газов.

Определяется доля доменного (Д) и природного (П) газов, входящих в данную

комбинацию, при заданных q(N) и q[pic], т. е. в топливо (.

[pic] ; (2)

[pic]; (3)

где: [pic] - теплота сгорания доменного, коксового и природного газов,

входящих в топливо и номер.

Для анализа влияния температуры подогрева воздуха дополнительно

рассчитывается [pic]и [pic]при заданных [pic]

Тепло, выносимое воздухом, определяется как: [pic]; (4)

Общее тепло, как: [pic]. (5)

При всех колебаниях смешиваемых газов и их количество в топливе набор

чистых газов в нем остается все же ограниченным, что позволяет

рассматривать топливо как результат смешения чистых газов, минуя

промежуточные стадии, и рассчитать результаты сжигания как сумму

результатов сжигания отдельных чистых газов, составляющих топливо. В

отличии от классических методов расчета такой метод сопровождается

некоторой погрешностью, но позволяет значительно упростить сам процесс

расчета.

Теплота сгорания ( газа определялась как сумма теплоты сгорания горючих

составляющих с учетом их содержания в газе и без учета возможного

взаимодействия при горении. Суммировались все 16 составляющих.

[pic]; (6) где: [pic] и [pic]- содержание и теплота сгорания к -го

компонента в i -ом газе.

Аналогично для плотности i -го газа: [pic]; (7) В

соответствии с данными табл. 1., относящимся к каждому к -ому компоненту i

-го газа, определялось теоретически необходимое для полного

Страницы: 1, 2, 3