Автоматизация горелочных устройств парового котла

Автоматизация это применение комплекса средств, позволяющих осуществлять производственные процессы без непосредственного участия человека, но под его контролем. Автоматизация производственных процессов приводит к увеличению выпуска, снижению себестоимости и улучшению качества продукции, уменьшает численность обслуживающего персонала, повышает надежность и долговечность машин, дает экономию материалов, улучшает условия труда и техники безопасности. Автоматизация освобождает человека от необходимости непосредственного управления механизмами. В автоматизированном процессе производства роль человека сводится к наладке, регулировке, обслуживании средств автоматизации и наблюдению за их действием. Если автоматизация облегчает физический труд человека, то автоматизация имеет цель облегчить так же и умственный труд. По уровню автоматизации теплоэнергетика занимает одно из ведущих мест среди других отраслей промышленности. Теплоэнергетические установки характеризуются непрерывностью протекающих в них процессов. При этом выработка тепловой и электрической энергии в любой момент времени должна соответствовать потреблению (нагрузке). Почти все операции на теплоэнергетических установках механизированы, а переходные процессы в них развиваются сравнительно быстро. Этим объясняется высокое развитие автоматизации в тепловой энергетике. Автоматизация параметров дает значительные преимущества т. е.

1) повышение производительности труда,

2) приводит к изменению характера труда обслуживающего персонала,

3) увеличивает точность поддержания параметров,

4) повышает безопасность труда и надежность работы оборудования,

5) увеличивает экономичность работы парогенератора.

Автоматизация котла включает в себя автоматическое регулирование, дистанционное управление, технологическую защиту, технологические блокировки и сигнализацию. Автоматическое регулирование обеспечивает ход непрерывно протекающих процессов питание водой, горение, перегрев пара и др. Дистанционное управление позволяет дежурному персоналу пускать и останавливать установку, а так же переключать и регулировать ее механизмы на расстоянии, с пульта, где сосредоточены устройства управления.

Теплотехнический контроль за работой оборудования осуществляется с помощью показывающих и самопишущих приборов, действующих автоматически. Датчики ведут непрерывный контроль процессов, протекающих в установке, или же подключаются к объекту измерения обслуживающим персоналом или информационно-вычислительной машиной. Технологические блокировки выполняют в заданной последовательности ряд операций при пусках и остановках механизмов установки, а так же в случаях срабатывания технологической защиты. Блокировки исключают неправильные операции при обслуживании установки, обеспечивают отключение в необходимой последовательности оборудования при возникновении аварии. Устройства технологической сигнализации информируют персонал о состоянии оборудования (в работе, остановлено и т. п.), предупреждают о приближении параметра к опасному значению, сообщают о возникновении аварийного состояния парогенератора и его оборудования. Применяются звуковая и световая сигнализация. Эксплуатация котла должна обеспечивать надежную и эффективную выработку пара требуемых параметров и безопасные условия труда персонала. Для выполнения этих требований эксплуатация должна вестись в точном соответствии с законоположениями, правилами, нормами и руководящими указаниями, в частности, в соответствии с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации паровых котлов» Госгортехнадзора

«Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей», «Правилами технической эксплуатации теплоиспользующих установок и тепловых сетей» и др. На основе указанных материалов для каждой котельной установки должны быть составлены должностные и технологические инструкции по обслуживанию оборудования, ремонту, технике безопасности, предупреждению и ликвидации аварий и т. п. Должны быть составлены технические паспорта на оборудование, исполнительные, оперативные и технологические схемы трубопроводов различного назначения. Знание инструкций, режимных карт работы котла и указанных материалов является обязательным для персонала. Эксплуатация котлов производится по производственным заданиям, составляемым по планам и графикам выработки пара, расхода топлива, расхода электроэнергии на собственные нужды, обязательно ведется оперативный журнал, в который заносятся распоряжения руководителя и записи дежурного персонала о работе оборудования, а так же ремонтную книгу, в которую записывают сведения о замеченных дефектах и мероприятиях по их устранению. Должны вестись первичная отчетность, состоящая из суточных ведомостей по работе агрегатов и записей регистрирующих приборов и вторичная отчетность, включающая обобщенные данные по котлам за определенный период. Каждому котлу присваивается свой номер, все коммуникации окрашиваются в определенный условный цвет, установленный ГОСТом. Установка котлов в помещении должна соответствовать правилам Госгортехнадзора, требованиям техники безопасности, санитарно-техническим нормам, требованиям пожарной безопасности.

1. Обзор патентно-технической литературы

Обоснование важность и перспективы совершенствования огневых технологий в частности путем применения новой электроогневой технологии чистого сжигания любых веществ и газов с использованием электрических полей в качестве катализатора горения. Рассмотрено применение технологии в теплоэнергетике, тепловых двигателях транспорта, установках огневой утилизации отходов и др. Показано, что новая технология позволяет не только интенсифицировать процессы горения, но и повысить их управляемость (температуры, градиента теплопроводности, давление газов и прочее). Делается вывод о ее перспективности при решении острейших энергетических и экологических проблем цивилизации. Острота экологических проблем в мире нарастает, грозя перерасти в глобальную экологическую катастрофу. Главной причиной загрязнения атмосферы в больших городах является в первую очередь несовершенство огневых технологий (теплоэнергетики, тепловых машин, двигателей транспорта, сжигание отходов). Уже доказано, что их вклад в загрязнение атмосферы планеты приближается к 70−80%. Под огневыми технологиями понимают любые технологии сжигания топлива, веществ, газов.

Огневые технологии наиболее распространены в мире, без них немыслима современная цивилизация. Теплоэнергетика и транспорт, металлургия и пищевая промышленность, нефтегазоперерабатывающая и химическая промышленность, огневое обезвреживание отходов вот далеко не полный перечень использования огневых технологий. До тех пор, пока человечество не усовершенствует огневые технологии, глобальные экологические проблемы решить невозможно. Описана и раскрыта сущность новой технологии экологически чистого и эффективного видов топлива и отходов. Почему экологам трудно защитить природу современная методология и технология решения экологических проблем состоит в анализе степени и источников загрязнения окружающей среды (экологический мониторинг), а также в очистке атмосферы, воды и почвы от токсичных компонент в случае превышения в них предельно допустимых концентраций токсичных веществ. К сожалению, в настоящее время методы измерения огромного спектра токсичных веществ, выделяемых в атмосферу при горении веществ, а тем более методы их утилизации, объективно сложны, дороги и несовершенны. Даже использование идеальной техники для измерения загрязнения атмосферы продуктами горения является неэффективным, поскольку это уже борьба со следствиями несовершенства огневых и других технологий, а не с причинами загрязнения атмосферы. Экологическая и энергетическая эффективность известных огневых технологий известно, что на данный момент реальная эффективность преобразования химической энергии топлива в процессе горения остается низкой (например, в тепловых двигателях она составляет не более 25%, а эффективность преобразования тепловой энергии в электроэнергию на теплоэлектростанциях не превышает 40%). Если же учесть затраты энергии на добычу, переработку и доставку топлива потребителям, то суммарный КПД существующих огневых технологий (тепловых машин и установок) составит не более 10−15%! Это означает, что более половины химической энергии топлива переходит в тепло и в разнообразные токсичные вещества и отходящие газы, которые отравляют атмосферу планеты и создают кислотные осадки, глобальный «парниковый» эффект, грозящий потеплением климата, вселенский потопом и окончательным отравлением живой природы. Таким образом, вклад несовершенной энергетики в загрязнение природы составляет 70−80%! Как очистить атмосферу планеты, особенно мегаполисов мира, когда из выхлопных труб транспорта и дымовых труб производственных предприятий вылетают вещества и газы с химическим составом, превышающим половину таблицы Менделеева, и в количествах, которые уже сопоставимы с объемами оставшегося чистого воздуха планеты до тех пор, пока человечество не научится эффективно и экологически чисто сжигать вещества и газы, атмосфера планеты будет грязной и в недалеком будущем непригодной для жизни.

1.1 Физическая сущность и проблемы классического горения веществ

Горение это одно из самых сложных известных человеку явлений. С научной точки зрения, горение это цепная реакция последовательного дробления частиц топлива на все более мелкие заряженные радикалы, это и физико-химические процессы преобразования химической энергии межмолекулярных связей, это и физические процессы преобразования энергии на молекулярном и атомном уровнях в тепло и свет, а также многие другие процессы, протекающие одновременно. Со школьной скамьи известно, что горение это процесс взаимодействия топлива с окислителем, сопровождающийся выделением тепловой и световой энергии. В высшей школе добавляют к этому определению следующее: «…а также скрытой энергии химических связей отходящих газов». Процессы горения изучают и совершенствуют ученые и специалисты самых различных профилей (химики, физики, теплоэнергетики, теплофизики и т. д.). Известны фундаментальные исследования цепных реакций горения, проведенные русскими учеными Н. Н. Семеновым, Я. Б. Зельдовичем и их последователями. В настоящее время интенсивность горения топлива повышают преимущественно посредством воздушного дутья в зону горения, т. е. заведомо увеличивают объем отходящих токсичных газов в атмосферу. Зададим несколько наивных на первый взгляд вопросов. Зачем вообще нужен для горения веществ окислитель (воздух или кислород) можно ли вообще обойтись без традиционного окислителя как начинается и происходит процесс горения неясных вопросов в физике горения очень много. Как, например, регулировать температуру и интенсивность горения можно ли управлять теплопроводностью пламени как упорядочить тепловое движение частиц в пламени и в нагретых отходящих газах, и к чему это приведет, есть и еще одна проблема горения это сами углеводородные топлива, используемые в современных тепловых процессах. Еще великий русский ученый Д. И. Менделеев афористически утверждал, что использовать нефть все равно, что топить печь денежными ассигнациями. Поскольку углеводородные топлива являются сложными химическими веществами, а процессы горения пока несовершенны, то в процессе их горения образуется целый «букет» других попутных веществ и токсичных газов, которые бесцельно уносят неиспользованную внутреннюю энергию топлива в атмосферу и отравляют нашу планету. Известно, что идеальное топливо это водород, так как горение водорода в кислороде является практически идеально чистым. Однако, в настоящее время, технология получения водорода и кислорода остается дорогостоящей, а процесс горения водорода взрывоопасным. Поэтому водородные тепловые машины и технологии не нашли массового применения, а в качестве топлива по-прежнему повсеместно применяют органические вещества и газы. Физическая сущность новой электроогневой технологии. Каким же образом, можно сжечь углеводородное топливо экологически чисто? И как реализовать на практике такую экологически чистую огневую технологию? Краткий ответ таков: необходимо создать такие условия горения органического топлива, ввести такой катализатор горения, при которых энергия химических межмолекулярных и внутримолекулярных связей органического топлива практически полностью высвобождается и превращается в энергию электромагнитного излучения, например, в световую и тепловую энергию без образования промежуточных экологически вредных веществ и газов. После этого рабочее тело (например, воду) эффективно нагревают данным направленным и сконцентрированным электромагнитным излучением с использованием эффектов отражения и концентрации электромагнитных волн либо превращают электромагнитное излучение непосредственно в электроэнергию. В этом случае возникает новая возможность регулировать температуру пламени и предельно снизить объем окислителя, т. е. создать горение органики при минимальном объеме отходящих газов. Возможно ли в принципе такое «чистое» горение органических веществ и газов c использованием электрического поля в качестве «катализатора» да, возможно, но при правильно выбранных параметрах этого поля, точнее, если правильно «приручить» гигантские кулоновские силы электрического поля, путем взаимодействия электрически заряженных частиц топлива, окислителя с силовыми линиями электрического поля. Один из вариантов экспериментальной установки показан на рисунок 1.1

Рисунок 1.1 — Вариант экспериментальной установки Блок-схема экспериментальной установки для исследования новой электроогневой технологии показана на рисунке 1.1, установка содержит корпус (1) с электроизолированными от корпуса плоскими электродами (2), (они могут быть размещены как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости). Электроды (2) размещены на противоположных внутренних стенах камеры горения (3). Устройство снабжено смесителем (4) с устройством подачи (5) топливной смеси в зону горения. Одновременно устройство (5) выполняет функции электрического воспламенения смеси. Описываемое устройство снабжено воздушным трактом (6), содержащим активизатор окислителя (7), который присоединен по цепи управления к регулятору (8) (управление степени активизации окислителя), а воздуховодом (9) к смесителю (4). На конце воздуховода возможно размещение вихревого устройства (на рисунке не показано). Устройство снабжено также топливным трактом (10), содержащим активизатор топлива (11) и регулятор (12) активизатора и расхода топлива, причем, блок (11) присоединен топливопроводном к смесителю (4). Устройство снабжено электрическим активизатором горения (14), который содержит высоковольтный преобразователь (15) напряжения и частоты, присоединенный по цепи управления к своему регулятору (16). Электрический выход блока (15) присоединен к одному из электродов (2), а второй выход надежно электрически заземлен контуром заземления (17). Высоковольтный провод с выхода блока (15) присоединен к электроду (2) через проходной электроизолятор (не показан на рисунке 1а). Устройство снабжено датчиком токсичности газов (18), присоединенным на вход оптимизатора режима (19), который является системой управления для взаимосвязанного регулирования всех параметров горения. Для этого выход оптимизатора режима (19) присоединен на входы управления регуляторов (8), (12), (16). Устройство работает следующим образом. Вначале подают активизированные окислитель О1 через воздушный тракт (6), активизатор (7) и воздуховод (9) в смеситель (4), затем подают в тот же смеситель (4) активизированное топливо Т1 через топливный тракт (10) и активизатор (11). В смесителе (4) готовят топливную смесь, которую распыляют и одновременно воспламеняют искрой от блока (5). В камере горения (3) пламя и отходящие газы обрабатывают сильным переменным электрическим полем, образованным от блока (14) в зазоре между электродами (2). В процессе горения пламени измеряют токсичность отходящих газов специальным датчиком токсичности (18). В зависимости от текущей токсичности взаимосвязано регулируют посредством оптимизатора режима (19) параметры горения пламени. Конкретно, через регулятор (6) изменяют расход окислителя и степень его активизации, через регулятор (12) изменяют расход топлива и степень его активизации, а через регулятор (16) изменяют напряженность и частоту переменного электрического поля от блока (14) в камере горения (2). Отметим, что электрическое поле в камере горения (3), конкретнее, в зазоре между электродами (2), каталитически воздействует не только на факел пламени, но и на отходящие газы. Сущность этого процесса состоит в том, что ускоряются процессы дробления и окисления радикалов топлива и молекул токсичных окислов, причем, чем выше напряженность этого поля и его частота, тем выше интенсивность горения и очистки токсичных газов. В результате взаимосвязанного регулирования всех перечисленных выше параметров достигается более полное и интенсивное «чистое» сжигание любого топлива.

1.2 Особенности применения окислителей в новой технологии

Из термодинамики и теории горения известно, что в обычном процессе горения оптимальное соотношение массы окислителя, например, воздуха и топлива составляет примерно 16:1. В наших опытах с электрополевым катализатором экологически чистое горение углеводородного топлива (мазута, солярки) достигалось и при дефиците окислителя (например, при соотношении массы окислителя и топлива 1:1). Для практиков это означает, что имеется реальная возможность снижения объема отходящих газов любых тепловых машин в 10−15 раз при сохранении их прежней мощности. При этом, как показывают опыты, из состава отходящих газов вообще устранялись сажа и углеводороды. Окиси углерода, азота в опытах снижались в 4−8 раз, а светимость пламени увеличивалась в 5−10 раз. Данные проведенных экспериментов, по сути, подтверждают гипотезу о возможности эффективного экологически чистого горения как процесса прямого преобразования химической энергии органического топлива в энергию электромагнитного излучения факела пламени (включая тепловой и оптический диапазоны). В процессе горения происходит устранение экологически вредных токсичных компонент в отходящих газах в результате многократной интенсификации процесса горения под действием электромагнитных катализаторов. Введенные в электроогневую технологию операции по регулируемой активизации окислителей топлива обеспечивают дополнительное улучшение процесса горения, особенно при сжигании тяжелых топлив и водотопливных эмульсий, что проверено нами экспериментально. Особенно эффективным является совместное воздействие на процесс горения путем обработки пламени сжигаемой активизированной топливной смеси с помощью переменного электрического поля. Благодаря введению операции регулирования всех параметров горения (расхода топлива, окислителя, степени их активизации и интенсивности горения), по информации о токсичности выходных отходящих газов удается достичь эффективного горения практически всех известных топлив и отходов. Наши опыты также доказывают эффективность сочетания операций обработки самого пламени, отходящих газов и воздуха (окислителя) переменным электрическим полем. Сущность такой дополнительной очистки отходящих газов состоит в дроблении частиц сажи и дымности электрическими силами переменного поля, а также в доокислении некоторых токсичных окислов в среде озонированного окислителя. Поперечного вращающегося электрического поля, изменение высоты факела пламени осуществляли с использованием продольного электрического поля. Проведенное нами исследование убедительно доказывает, что именно электрическое поле, прямо воздействующее на пламя, и эмиссия потока электронов (идеальный тип окислителя) в пламя могут наиболее эффективно интенсифицировать процесс горения и сделать его экологически чистым и безвредным для человека и для окружающей среды. Энергозатраты на активизацию горения пламени сильными электрическими полями малы и не превышают 1−3 процентов от тепловой энергии факела пламени. Достоинством данного изобретения является универсальность его применения при сжигании любых горючих веществ, что обусловлено расширением диапазона регулирования параметров электрического поля (напряженности и частоты), особенно в режиме их взаимосвязанного регулирования. Сущность каталитического воздействия переменного электрического поля на процесс горения пламени состоит в эффективном разрыве дипольных радикалов топлива активизированным (дипольным) окислителем, а также в лучшем перемешивании слоев горящего пламени с окислителем, благодаря устранению двойного электрического слоя на границе факела пламени. Таким образом, данное техническое решение благодаря своим существенным отличиям от аналогов позволяет достичь новых положительных эффектов. Становится возможным расширение сферы применения известного электроогневого способа на процессы сжигания любых горючих веществ. Кроме того, существенно повышается управляемость процесса горения пламени. Отметим также, что в опытах по сжиганию органических топлив в сильных электрических полях регулирование температуры факела пламени и его светимости достигалось при неизменном расходе топлива и окислителя, путем изменения параметров электрополевого катализатора горения (напряженности и частоты) продольного электрического (электромагнитного) поля. Вращение и стабилизацию факела пламени получали с помощью. Кроме того, экспериментально доказано, что энергозатраты, требуемые на создание и регулирование этого электрического поля и потока электронов, необходимых для интенсификации и экологизации горения, весьма малы по сравнению с энергией горения и составляют доли процента от энергии пламени. Таким образом, как ни парадоксально, наши опыты убедительно доказывают, что лучшие «окислители» и катализаторы горения это не избыточный воздух и кислород, а электрон и электрическое поле. Электрическое поле может служить не только эффективным катализатором горения, но и регулятором его интенсивности, кроме того, оно может управлять даже вектором теплопроводности. Опытами доказано, что можно регулировать параметры этого поля, а также управлять температурой пламени и градиентом теплопроводности пламени. Интересные результаты экспериментов получились при измерении полной теплоты сгорания одного и того же количества топлива при обычном способе сжигания топлива и с использованием электрических катализаторов горения, даже при дефиците окислителя. В последнем случае энергия горения топлив возрастает почти в 1,5 раза, что объясняется более полным выделением химической энергии топлива в электромагнитное излучение. При обычных же способах сжигания, химическая энергия органического топлива использовалась не полностью и оставалась в виде скрытой суммарной химической энергии межмолекулярных связей многочисленных токсичных отходящих газов, выбрасываемых тепловыми установками в атмосферу. На основании проведенных экспериментов можно предположить, что, по-видимому, удельные теплоемкости веществ при данном способе их сжигания на 20−50% выше, чем при обычном способе. В этой новой физике горения и состоит суть новых электроогневых технологий. На способы управления и интенсификации процессов горения веществ в электрическом поле уже получены патенты на изобретения РФ.

Дудышев В.Д. «Способ управления горением пламени». Патент РФ № 2 071 219 с приоритетом от 19.04.94 г., (базовый электроогневой метод).

Дудышев В.Д. «Способ интенсификации и управления горением пламени». Патент РФ № 2 125 682 с приоритетом от 06.06.95 г. (развитие электроогневого метода).

2. Анализ задачи и концепция проекта

2.1 Описание и анализ объекта автоматизации

Котлоагрегат типа ТГМ изготовлен Таганрогским котельным заводом для сжигания мазута и природного газа. Котельный агрегат ТГМ предназначен для получения пара высокого давления. Котлоагрегат, однобарабанный вертикально-водотрубный, с естественной циркуляцией, регенеративным воздухоподогревателем (РВП-54М), радиационный, имеет П-образную компоновку. Он состоит из топочной камеры, являющейся восходящим газоходом и опускной конвективной шахты, разделённой на два газохода после кпп, топочная камера полностью экранирована и оборудована шестью газомазутными горелками. На стенах топочной камеры размещены панели испарительных экранов и радиационного пароперегревателя, потолок экранирован трубами потолочного пароперегревателя. В верхней части топки, в поворотной камере, соединяющей топку с конвективной шахтой, расположен ширмовый пароперегреватель. Конвективная шахта разделена по вертикали на две камеры прямоугольного сечения. В ней размещены конвективный пароперегреватель, водяной экономайзер. За водяным экономайзером находится нижняя поворотная камера газохода и далее по ходу газов расположены два регенеративных воздухоподогревателя.

Таблица 2.1 — Техническая характеристика котла

Объект автоматизации предназначен для автоматического управления котлом (пуск, поддержание контролируемых параметров котла на заданном уровне в процессе работы, останов котла), для обеспечения безопасной эксплуатации котла в случаях выхода контролируемых параметров за допустимые пределы, а также для удаленного контроля за работой котла. В состав объекта автоматизации входит паровой котел, управления должен осуществлять непрерывный сбор данных со шкафов управления котлом о состоянии котла и параметрах их работы. Полученная информация отображаться на графическом экране, диспетчерском пульте. Автоматическое управление котлом и контроль за его работой осуществляет контроллер, установленный в шкафу управления котлом. Информацию о работе котла контроллер получает от датчиков, установленных на котле, измеряющих величину контролируемых параметров котла.

Автоматическое управление котлом заключается в поддержании контролируемых параметров на заданном уровне во всех режимах работы котла, обеспечивающих соблюдение технологического процесса, требуемую нагрузку котла, а также экономичную и безопасную работу. Данное управление осуществляется контроллером при помощи регулирующих механизмов, воздействие которых приводит к изменению контролируемых параметров.

Сигналы с датчиков поступают на входы контроллера. Контроллер сравнивает полученные сигналы с требуемыми значениями контролируемых параметров и тем самым судит о правильности ведения технологического процесса работы котла, либо производит необходимое регулирование. В случае выхода одного или нескольких контролируемых параметров за допустимые пределы производится аварийное отключение котла, чем обеспечивается его аварийная защита. Объект должен осуществлять управление котлом в следующих режимах:

автоматическом;

полуавтоматическом;

ручном;

Независимо от режима управления котлом (автоматический, полуавтоматический или ручной) комплекс обеспечивает постоянную аварийную защиту котла, осуществляющую останов котла при возникновении аварийной ситуации, включение световой и звуковой сигнализации и запоминание первопричины останова котла.

2.2 Описание технологического процесса

Паровым котлом называется комплекс агрегатов, предназначенных для получения пара. Этот комплекс состоит из ряда теплообменных устройств, связанных между собой и служащих для передачи тепла от продуктов сгорания топлива к воде и пару. Исходным носителем энергии, наличие которого необходимо для образования пара из воды, служит топливо.

Основными элементами рабочего процесса, осуществляемого в котельной установке, являются:

1) Приведение технологического процесса управления горелочными устройствами котлоагрегата в соответствие с действующими нормативными документами:

2) Реализация алгоритмов автоматической проверки герметичности газового оборудования и розжига горелочных устройств:

3) Повышение экономичности работы оборудования за счет оптимизации нестационарных режимов работы и сокращения времени пусковых операций:

Во время работы в котлоагрегата образуются два взаимодействующих друг с другом потока поток рабочего тела и поток образующегося в топке теплоносителя. В результате этого взаимодействия на выходе объекта получается пар заданного давления и температуры. Одной из основных задач, возникающей при эксплуатации котельного агрегата, является обеспечение равенства между производимой и потребляемой энергией. В свою очередь процессы парообразования и передачи энергии в котлоагрегате однозначно связаны с количеством вещества в потоках рабочего тела и теплоносителя.

Горение топлива является сплошным физико-химическим процессом, химическая сторона горения представляет собой процесс окисления его горючих элементов кислородом, проходящий при определенной температуре и сопровождающийся выделением тепла.

Интенсивность горения, а так же экономичность и устойчивость процесса горения топлива, зависят от способа подвода и распределения воздуха между частицами топлива. Условно принято процесс сжигания топлива делить на три стадии: зажигание, горение и дожигание. Эти стадии в основном протекают последовательно во времени, частично накладываются одна на другую. Расчет процесса горения обычно сводится к определению количества воздуха в м3, необходимого для сгорания единицы массы или объема топлива количества и состава теплового баланса и определению температуры горения. Значение теплоотдачи заключается в теплопередаче тепловой энергии, выделяющейся при сжигании топлива, воде, из которой необходимо получить пар, если необходимо повысить его температуру выше температуры насыщения. Процесс теплообмена в котле идет через водогазонепроницаемые теплопроводные стенки, называющиеся поверхностью нагрева. Поверхности нагрева выполняются в виде труб, внутри труб происходит непрерывная циркуляция воды, а снаружи они омываются горячими топочными газами или воспринимают тепловую энергию лучеиспусканием. Таким образом, в котлоагрегате имеют место все виды теплопередачи теплопроводность, конвекция и лучеиспускание. Соответственно поверхность нагрева подразделяется на конвективные и радиационные. Количество тепла, передаваемое через единицу площади нагрева в единицу времени носит название теплового напряжения поверхности нагрева. Величина напряжения ограничена, во-первых, свойствами материала поверхности нагрева, во-вторых, максимально возможной интенсивностью теплопередачи от горячего теплоносителя к поверхности, от поверхности нагрева к холодному теплоносителю. Интенсивность коэффициента теплопередачи тем выше, чем выше разности температур теплоносителей скорость их перемещения относительно поверхности нагрева и чем выше чистота поверхности. Образование пара в котлоагрегатах протекает с определенной последовательностью.

Уже в экранных трубах начинается образование пара. Этот процесс протекает при большой температуре и давлении. Явление испарения заключается в том, что отдельные молекулы жидкости, находящиеся у ее поверхности и обладающие высокими скоростями, а, следовательно, и большей по сравнению с другими молекулами кинетической энергией, преодолевая силовые воздействия соседних молекул, создающее поверхностное натяжение, вылетают в окружающее пространство. С увеличением температуры интенсивность испарения возрастает. Процесс обратный парообразованию называют конденсацией. Жидкость, образующуюся при конденсации, называют конденсатом. Она используется для охлаждения поверхностей металла в пароперегревателях. Пар, образуемый в котлоагрегате, подразделяется насыщенный и перегретый. Насыщенный пар в свою очередь делится на сухой и влажный. Так как на теплоэлектростанциях требуется перегретый пар, то для его перегрева устанавливается пароперегреватель. В данном случае ширмовый и коньюктивный, в которых для перегрева пара используется тепло, полученное в результате сгорания топлива и отходящих газов. Полученный перегретый пар при температуре Т=540 С и давлении Р=135 атм. идет на технологические нужды.

2.3 Требования к системе в целом

Цели разработки повысить качество и оперативность получения персоналом информации о состоянии котла. Обеспечить расширенные возможности интеграции данной системы в АСУ за счет реализации каналов передачи данных по любым стандартным протоколам между всеми подсистемами и сопряжения со всеми известными промышленными контроллерами. Обеспечить возможность расширения информационного обмена с целью реализации мониторинга и диагностики, и, в конечном счете, перехода к планированию и проведению ремонтных работ по фактическому состоянию котла повысить экономичность системы за счет автоматики процессов. Проектируемая система содержит три уровня управления.

Первый уровень.

Включает в себя средства измерений параметров объекта (датчики, измерительные блоки).

2) На втором уровне размещается.

Промышленный контроллер, используемый для хранения данных по управляемому объекту и загрузочных модулей программного обеспечения.

3) Третий уровень системы.

Формируется на базе ПЭВМ — сервер для мониторинга.

На первом и втором уровнях решаются задачи:

измерений основных параметров объекта;

технологической защиты (формирование управляющих сигналов на отключение объекта);

технологической сигнализации (формирование сигналов предупреждения);

индикация измеряемых параметров;

цифровой обработки аналоговых сигналов, поступающих с датчиков контроля и измерения параметров объекта;

6) представления оперативному персоналу текущей информации о техническом состоянии объекта.

На третьем (верхнем) уровне решаются задачи:

Просмотра и анализа архивных данных удалённый пульт мониторинга с отображения параметров и величин. Формирования и долговременного хранения информации на сервере. Применение источников бесперебойного питания автоматическая перезагрузка контроллеров при «зависании» программы защита программ от несанкционированных воздействий и ошибочных действий оператора реализация специальных алгоритмов, исключающих сбои при идентификации режимов работы объекта защита от импульсных помех из внешней сети электропитания (блоки бесперебойного питания);

2.4 Постановка задачи автоматизации

На основе анализа объекта автоматизации определим, что разрабатываемая система предназначена для повышения качества и оперативности получения персоналом информации о состоянии котла, т. е. основная задача осуществление непрерывного мониторинга основных технологических параметров котельного оборудования. Задачи проектирования сводятся к следующим: разработка структурной и функционально-технологической схем автоматизированной системы управления и мониторинга работы котла, а также выбор комплекса технических средств.

3. Разработка структурной схемы автоматизированной системы управления и мониторинга работы горелки

Для того чтобы разработать функциональную схему, необходимо сначала определить какого рода информация будет отображаться, т. е. нужно определить места установки датчиков и их типы. Также необходимо подобрать соответствующие исполнительные механизмы т.к. разрабатываемая схема функциональная, то достаточно будет определить задачи, решение которых возлагается на тот или иной исполнительный механизм и место его установки. Описание технологического объекта, приведенное ранее, позволяет определить необходимые датчики и исполнительные механизмы:

датчики давления (воздуха, разрежения в топке, разрежение за котлом, газ перед горелкой),

клапаны (газа регулирующий, опрессовки, безопасности, запальника).

Рис. 3.1 — Горелочные устройства горелки Горелка предназначена для автоматического розжига и останова горелок по командам оператора, а также для непрерывного контроля за работой каждой горелки путем контроля наличия основного факела горелки, открытого состояния отсечных клапанов на подводе газа, а также открытого состояния заслонок на подводе воздуха к горелке. При нарушении одного из перечисленных выше условий отключает горелку, если это нарушение произошло в нормальных режимах эксплуатации котлоагрегата. Если нарушение произошло в пусковых режимах на одной из растопочных горелок при отключенных остальных горелках, то выдает сигнал на отключение горелки. Газовые горелки котла снабжены блоками газооборудования «АМАКС» БГ-11. Блоки газооборудования предназначены для работы котла на газообразном топливе и выполняют следующие функции:

1) Обеспечение автоматической проверки плотности своих запорных устройств;

2) Обеспечение безопасного розжига

3) Отсечка газа при нарушении технологических параметров работы котла, недопустимом отклонении давления газа или воздуха, или при погасании факела горелки. Блоки состоят из последовательно соединенных между собой при помощи фланцевых соединений газопровода, отсечных клапанов дроссельных заслонок с электроприводом. На клапане отсечном установлена гребенка с дросселем, соединяющая входную полость этого клапана с внутренним объемом между клапаном и клапанами. Гребенка оборудована краном, электромагнитным клапаном для опрессовки блока, электромагнитным клапаном для подвода газа к запальнику и электромагнитным клапаном для присоединения газопровода безопасности.

3.1 Задачи и технология управления

В задачи входит:

1) Проверка плотности газовых блоков горелки.

2) Включение горелки в работу по команде оператора при растопке котла на газе, а также включение горелки на газе в нормальных режимах эксплуатации.

3) Плановый останов горелки на газе по команде оператора.

4) Останов горелки на газе при неисправности ее по газу или останов по команде из схемы контроля за ее работой.

5) Останов горелки по неисправности во время включения ее в работу.

Этот вид останова производится на этапе включения горелки в работу при неисправностях, которые происходят до момента открытия запорного органа, открывающего подачу топлива в горелке. К указанным неисправностям относятся не открытие шибера на подводе воздуха к горелке, не открытие запорных задвижек на газе, которые не открывают подачу топлива в котел погасание пламени запальника, контроль за которым осуществляется во все время этапа включения в работу горелки. Если указанные выше неисправности происходят на растопочных горелках при растопке котла, то горелка, на которой произошла эта неисправность, отключается.

3.2 Алгоритм управления

При автоматическом управлении горелками различаются следующие состояния оборудования горелки:

1) отключена;

2) розжиг;

включена (рабочее);

останов;

авария при останове.

Для управления каждой горелкой служат команды пуск горелки и останов горелки. Команда «Пуск» для горелки формируется оператором с местного пульта горелки или от прибора контроля пламени запальника щита управления котлом при наличии сигнала «Розжиг горелки разрешен». Команда «Останов» формируется как по инициативе оператора, так и автоматически в процессе управления котлом при срабатывании локальных защит горелки или при останове котла. Программа «Пуск» алгоритма управления «Горелка» состоит из последовательно выполняемых шагов и блокировок.

Программы используется при пуске и останове горелки.

При пуске выполняется приведение схемы в исходное состояние (состояние «отключена»), которое характеризуется отсутствием сигналов пламени запальника и факела горелки и отключенным состоянием линий подачи газа к запальнику и топлива к горелке. Положение воздушной заслонки в отключенном состоянии горелки не регламентируется, и заслонка, как правило, устанавливается в одно из крайних положений «Открыто» — «Закрыто» в зависимости от состояния котла. Первоначально, при включении автоматики котла состояние горелки идентифицируется как «Отключена», если выполняются следующие условия:

отсутствует факел горелки;

отсутствует пламя запальника;

отключена подача газа к горелке;

Перед розжигом горелки отсечные клапаны должны быть закрыты, а электромагнитный клапан открыт. Проверка герметичности ПЗК горелки между отсечными клапанами блока установлены два дискретных датчика минимального давления и максимального. Датчик настраивается на давление около 3 кПа. Датчик настраивается на давление 0,5…0,7 от рабочего давления газа перед блоком. При наличии на датчике давления выше заданного настройкой контакт датчика замыкается, включая соответствующий вход контроллера управления и/или элементы световой индикации состояния датчика. При проверке герметичности ПЗК горелки выполняются следующие действия:

проверить наличие условий для проверки герметичности ПЗК:

отсечные клапаны закрыты;

наличие давления газа в газопроводе горелок котла превышающее уставку датчика;

давление газа отсутствует (контакт датчика разомкнут).

Проверка герметичности ПЗК последующей горелки производится не ранее чем через пять секунд после окончания проверки герметичности ПЗК предыдущей горелки. Закрыть (включить) электромагнитный клапан и ожидать в течение некоторого времени (3…5 секунд) изменения давления в пространстве между отсечными клапанами. Срабатывание одного из датчиков давления или говорит о том, что отсечной клапан или электромагнитный клапан не плотен. Проверка герметичности ПЗК горелки должна быть прекращена, формируется сообщение — нарушена герметичность отсечных клапанов. Если по окончании указанного интервала времени величина давления лежит между уставками выполняется третий этап.

Розжиг запальника.

Розжиг запальника горелки начинается по команде оператора с операторской станции или с местного пульта «Пуск горелки» при наличии сигнала «Разрешен розжиг горелки». Сигнал «Разрешен розжиг горелки» формируется при выполнении следующих условий:

сформирован сигнал «Розжиг горелок разрешен»;

горелка находится в исходном состоянии «Отключена» или в состоянии «Остановлено» при отсутствии аварийных сигналов;

поступила команда с пульта системы на розжиг горелки;

сигнал «Розжиг горелок разрешен» при отсутствии сигнала общего факела в топке, когда отключены все горелки котла, формируется, если выполняются следующие условия:

выполнена вентиляция топки;

есть разрешение на розжиг от локальной автоматики.

После розжига первой в порядке очередности включения горелки сигнал

«Розжиг горелок разрешен» формируется, если включена защита по погасанию общего факела в топке. При розжиге котла по сигналу «Розжиг горелок разрешен» дается разрешение на розжиг любой горелки в любой очередности.

По команде оператора «Пуск горелки» с операторской станции при наличии сигнала «Разрешен розжиг горелки» выполняется розжиг запальника. Открывается отсечной клапан. После полного открытия клапана (время открытия должно быть не более 70 сек.) подается напряжение на искровой блок. Одновременно с подачей искры открывается электромагнитный клапан подачи газа на запальник горелки. По истечении 15 секунд искровой блок запальника отключается независимо от наличия или отсутствия сигнала «Факел запальника». При успешном выполнении розжига через 6…8 секунд появляется сигнал наличия пламени запальника. С момента появления пламени запальника горелка переводится в состояние «Розжиг», сбрасывается признак состояния «Отключена горелка» (или «Останов горелки»), включается признак состояния «Розжиг горелки». Пламя запальника контролируется ионизационным датчиком, подключенным к прибору контроля пламени. По сигналу наличия пламени запальника снимается блокировка подачи газа к горелке, и выполняются операции по розжигу основного факела.

Розжиг основного факела горелки.

При этом выполняются следующие действия открывается отсечной клапан; не позднее 25 секунд с момента начала открытия клапана устанавливается контроль наличия факела горелки и включается защита по погасанию факела горелки дроссельная заслонка плавно (10−20% в минуту, определяется при выполнении ПНР) открывается до полного открытия воздушный шибер устанавливается в положение, соответствующее положению дроссельной заслонки, по режимной карте на горелку (уточняется при ПНР) отключение запальника — закрытие электромагнитного клапана. При успешном выполнении розжига основного факела горелки, горелка переводится в состояние «Включена».

Останов.

При погасании факела горелки по сигналу горелка действием локальных защит переводится в состояние останов. В состояние останов горелка может быть переведена также по команде оператора с операторской станции системы управления, а также по команде автоматики при останове котла. При переходе горелки в состояние останов включается соответствующий признак, и выполняются действия по переводу горелки в состояние отключена.

Последовательность выполнения операций по останову горелки зависит от состояния горелки перед остановом. Выполнение технологических операций останова горелки осуществляется непрерывно и завершается переходом горелки в состояние «Авария при останове» или «Горелка отключена». Останов горелки, в общем случае, включает следующие действия:

отключение сигнала «Разрешен розжиг горелки», если он был включен;

отключение линии подачи газа к горелке закрытие клапанов (нормальное время закрытия клапанов не более 1 с.);

перевод воздушного шибера горелки в положение «Открыто»;

проверка на плотность блока горелки по сокращенной программе;

закрыть дроссельную заслонку на газе.

Технологические операции отключения запальника горелки и подачи рабочего топлива выполняются одновременно. Отключение запальника, если он в момент перехода горелки в состояние останов был включен, осуществляется отключением сигнала «Разрешен розжиг горелки». После отключения запальника сбрасывается сигнал «Запальник горелки включен» и воздушная заслонка горелки переводится в положение открыто.

При отключении подачи газа к горелке закрываются отсечные клапана газопровода горелки. При появлении сигнала о закрытом положении клапана отсекателя открывается вентиль свечи безопасности горелки. При появлении одного из сигналов закрытого положения клапана отсекателя, включается сигнал, отключена подача газа к горелке. Иначе по истечении контрольного времени при отсутствии любого из сигналов закрытого положения отсечного клапана или клапана отсекателя и открытого положения свечи безопасности вызывает появление сообщения «Авария при отключении газопровода горелки». Наличие сигнала «Включена подача газа к горелке» при появлении сигнала «Авария при отключении газопровода горелки» вызывает дополнительное предупреждение оператору о нарушении режима и ожидание в течение 1…3 минут команд оператора отключение газопровода к котлу, останов котла или продолжение работы без смены состояния. Отсутствие команд оператора по истечению контрольного времени вызывает автоматическое отключение подачи газа к котлу. При успешном отключении газопровода выполняется вентиляция горелки после успешного отключения запальника и газопровода горелки при останове в течение 10 минут выполняется вентиляция горелки. Во время вентиляции контролируется открытое положение воздушного шибера и давление воздуха перед горелкой, которое должно быть не ниже порога вентиляции (значение уточняется при наладке). Нарушение условий вентиляции горелки вызывает включение предупредительной сигнализации и сигнала «Авария при вентиляции горелки».

Вентиляция является завершающей стадией останова горелки. По окончании времени вентиляции, при отсутствии аварийных сигналов, горелка переходит в состояние «Отключена». При этом сбрасывается признак состояния горелки останов и устанавливается признак состояния «Горелка отключена». Наличие сигналов «Авария при отключении запальника», «Авария при отключении газопровода» при переходе на стадию вентиляции горелки при останове или появление сигнала «Авария при вентиляции горелки» вызывает с задержкой 10 секунд переход горелки в состояние «Авария при останове».

В состояние «Авария при останове» горелка переходит из состояния «Останов», если при останове горелки зафиксированы аварийные ситуации, или из состояния «Отключена», если нарушены условия состояния горелки «Отключена». В состоянии «Авария при останове» включены признаки аварийных ситуаций. Из состояния «Авария при останове» горелка может быть переведена в состояние «Останов горелки» по команде оператора, что позволяет повторить технологические операции останова в автоматическом режиме после устранения причин, препятствующих их нормальному выполнению. Местный пульт управления горелкой служит для выдачи команд управления горелкой непосредственно с площадки обслуживания горелки и контроля основных сигналов. Команды оператора «Пуск» и «Останов» формируются при нажатии одноименных кнопок на местном пульте, а наличие сигналов «Разрешен розжиг горелки», «Пламя запальника горелки», «Факел горелки» вызывает включение одноименных световых индикаторов пульта.

3.3 Схема информационных потоков

Составим схему информационных потоков, автоматизации котла Схемы информационных потоков приведены на рисунках 2.2 и 2.3 Символ # означает, что используется дискретный сигнал. Символ 2 показывает разрядность.

Схема информационных потоков парового котла.

Рис. 3.2

1) включение/выключение дымососа

2) температура на выходе из котла.

3) разряжение в топке.

4) разрежение за котлом.

5) контроль пламени.

6) розжиг запальника.

7) клапан расхода газа.

8) подача газа к запальнику.

9) давление воздуха.

10) давление газа.

11) включение/выключение вентилятора.

Схема информационных потоков парового котла.

Рис. 3.3 — Схема информационных потоков парового котла

1) включение/выключение вентилятора

2) клапан газа

3) клапан опрессовки.

4) клапан запальника

5)Контроль пламени горелки.

6) розжиг запальника.

7) включение выключение дымососа

8) клапан воды.

9) давление воздуха.

10) давление газа на опрессовку.

11) давление газа перед горелкой.

12) разрежение в топке.

3.4 Характеристика Комплекса Технических Средств

Рабочие параметры контролера С300

Таблица 3.1 — Характеристики сервера Experion

Таблица 3.2 — Операторские станции