Энергосберегающий алгоритм регулирования подачи воздуха и разряжения в топке отопительного котла

Размещено на http://www.allbest.ru/

Энергосберегающий алгоритм регулирования подачи воздуха и разряжения в топке отопительного котла

Ямаев Артур Ирекович,

аспирант Уфимского государственного авиационного

технического университета



Анализ структуры потерь энергоресурсов в сфере производства, распределения и потреблении электроэнергии показывает, что определяющая доля потерь - до 90% приходится на сферу энергопотребления. Учитывая, что более 60% всей вырабатываемой электроэнергии потребляют электроприводы, можно сделать вывод о высокой актуальности задач энергосбережения при проектировании, эксплуатации, а также модернизации систем электропривода.

Большое распространение электроприводы получили на предприятиях жилищно-коммунального хозяйства. При этом внедрение энергосберегающих технологий в этой области позволяет получить не только экономический, но и социальный эффект.

Одно из направлений повышения эффективности, экономия электроэнергии при работе отопительного котла.

В связи с тем, что основным потребителем электроэнергии при работе отопительного котла являются дымососы и вентиляторы можно выделить актуальную задачу - разработка и внедрение энергосберегающего алгоритма регулирования производительности дымососов и вентиляторов.

На рис.1 показана схема работы отопительного котла.

Рис.1. Схема работы отопительного котла



Вода, проходя теплообменные поверхности котла, в котором сжигается газ, нагревается до заданной температуры и поступает в теплосеть. Сжигание топлива осуществляется в атмосферном воздухе, состоящем из окислителя - кислорода О2 (21%) и инертного, не участвующего в горении азота N2 (79%). При полном горении теплоты выделяется больше, чем при неполном. Поэтому следует добиваться, чтобы сгорание топлива в котельных установках было полным. Главным условием этого является подвод к топливу такого количества кислорода, чтобы его было достаточно для полного окисления горючих элементов. Это было бы возможно при идеальном смешивании топлива и кислорода воздуха, подводимого в зону горения. Причем кислорода при этом было бы столько, сколько требуется по реакции горения, то есть теоретически необходимое его количество. Однако на практике в этом случае не удается достигнуть полного сгорания топлива. Поэтому процесс горения ведется с некоторым избытком воздуха.

Отношение действительного количества воздуха (), расходуемого для сжигания топлива, к теоретически необходимому () называется коэффициентом избытка воздуха. [Хаванов П.А.]

(1)

На практике принимают ориентировочно следующие значения б для различных топлив: для пылевидного и газообразного топлива-1,03...1,16, для жидкого топлива (мазут)-1,2...1,25, для твердого топлива-1,3...1,65.

Как указано в [Плетнев Г.П.] для обеспечения условий нормального топочного режима необходимо наличие небольшого постоянного разряжения в верхней части топки (до 20 - 30Па)(2)

В случаях, когда естественная тяга для преодоления воздушных и газовых сопротивлений котлоагрегата недостаточна, применяют специальные механизмы (дутьевой вентилятор и дымосос), с помощью которых осуществляется так называемая уравновешенная искусственная тяга.

Несоблюдение условий (1) и (2) приводит к аварийным ситуациям в работе котла: проскок пламени, отрыв пламени и снижает эффективность сжигания топлива.

В тоже время температура окружающего воздуха в течение отопительного периода меняется в широких пределах, поэтому возникает необходимость регулирования подачи топлива с целью обеспечения заданной температуры теплоносителя.

В связи с вышеизложенным в процессе работы отопительного котла возникает необходимость регулирования подачи воздуха и разряжения. При этом процесс регулирования должен обеспечивать необходимые режимы в соответствии с технологической картой работы отопительного котла, так как даже кратковременный выход параметра давления воздуха и разряжения за установленные пределы может привести к аварийной ситуации.

Рассмотрим основные методы регулирования режимов работы дымососов и вентиляторов

1. Дросселирование.

2. Изменение конструктивных характеристик вентилятора.

2.1 изменение угла атаки лопастей вентиляторов.

2.2 Изменение количества лопастей вентилятора.

3. Прерывистое регулирование [Ланцов А.В.].

4. Управление скоростью вращения ротора электродвигателя вентилятора.

4.1 Изменения конфигурации бегущего магнитного поля.

4.2 Параметрическое регулирование.

5. вариаторы и муфты скольжения.

6. Электродвигатели постоянного тока.

7. Изменение частоты напряжения питания электропривода вентиляторов и дымососов.

Наиболее простым и самым распространенным способом регулирования вентиляторов являются дросселирование. При этом вентилятор вхолостую расходует часть своей мощности, преодолевая вводимое в напорный или всасывающий воздуховод сопротивление (шибер). Поэтому часть потребляемой агрегатом электроэнергии расходуется вхолостую. Дополнительное оборудование, необходимое в этом случае, имеет низкую надежность, трудно регулируемое и потребляет много энергии

Таким образом, технология дроссельного регулирования (с помощью задвижек): неэкономична, требует постоянного контроля дежурным персоналом, допускает большие колебания, вызывает повышенный износ оборудования

Наиболее эффективным и экономичным способом регулирования производительности вентиляторов является плавное изменение их скорости вращения, которое достигается применением частотно-регулируемого электропривода.

Изменение частоты питающей сети является задачей, решаемой преобразователями частоты. Современные достижения электроники позволяют осуществлять изменение частоты с погрешностью 0,01%.

Применение частотно регулируемого электропривода вентиляторов позволяет достичь следующих преимуществ по сравнению с традиционными методами:

- уменьшение энергопотребления в среднем на 30-40%;

- поддерживает заданный расход воздуха или температуры охлаждаемого объекта;

- устранение пусковых токов и перегрузок двигателя;

- уменьшение механического износа оборудования и снижение затрат на его техническое обслуживание и ремонт;

- увеличение срока службы контактно-коммутационной аппаратуры и снижение вероятности выхода из строя двигателей;

- во всем диапазоне рабочих скоростей и нагрузок, коэффициент мощности электропривода близок к единице;

К недостаткам можно отнести то, что необходимо учитывать инерционность дымососов и вентиляторов с целью обеспечения надежной работы.

Представим передаточную функцию дымососа W(p) в виде апериодическом звене первого порядка

fдв

Где fп - частота питающего напряжения; fдв - частота оборотов рабочего колеса.

,

где Т - постоянная времени.

Постоянная времени Т1 зависит от массы рабочего колеса, которая определяется производительностью и связана с потребляемой электрической энергией.

Так для дымососа мощность Р=120кВт время пуска составляет 40 сек, а постоянная времени Т=13,3 сек.

Таким образом в процессе частотного регулирования в течении 20-40 сек могут возникать режимы, когда условия 1 и 2 будут нарушены.

А так как система защиты отопительного котла, также рассчитана на период времени 20-30 сек, то это приведет его к аварийному отключению.



Рис.2. Блок схема для вентилятора

Для исключения этой ситуации необходимо в процессе регулирования режимов работы согласовывать время регулирования подачи газа, воздуха и производительности дымососа. При этом время регулирования определяется исходя из постоянной времени самого инерционного элемента - дымососа. Недостаток этого способа - низкое быстродействие, сложность регулировки.

Для решения задачи эффективного регулирования режимов работы дымососа и вентилятора предложен алгоритм, сочетающий регулирование производительности дымососа и вентилятора как с помощью преобразования частоты, так и с помощью заслонки.

На рис.2 и 3 показаны блок - схемы устройств, реализующих предложенный способ для дымососа и вентилятора отопительного котла.

Устройство (рис.2) содержит вентилятор, электрически связанный с частотным преобразователем, датчик положения заслонки, регулятор, текущее значение разряжения измеряется датчиком разряжения, связанным с регулятором, заслонку, задатчик.



Рис.3. Блок схема для дымососа

Необходимую подачу воздуха (измеряют по значению разряжения) в процессе эксплуатации котлоагрегата задают блоком задатчика и сравнивают с текущим значением, поступающим от датчика разряжения. Разностный сигнал формируют в блоке регулятора, который управляет положением заслонки подачи воздуха в топку котлоагрегата. В зависимости от положения датчика положения заслонки, регулятор формирует сигналы управления частотным преобразователем, который в свою очередь плавно изменяет работу вентилятора, учитывая угол открытия поворотной заслонки, и изменяют частоту вращения рабочего колеса вентилятора таким образом, чтобы угол открытия заслонки находился в заданных пределах. При этом устанавливают на регуляторе значения х1 (минимальный уровень открытия заслонки) и х2 (максимальный уровень открытия заслонки), при выходе за эти граничные значения регулятор формирует сигналы управления частотным преобразователем, который в свою очередь плавно изменяет работу вентилятора в сторону увеличения (если уровень открытия заслонки больше значения х2) или уменьшения (если уровень открытия заслонки меньше значения х1) частоты вращения вентилятора.

Принцип работы системы автоматического регулирования дымососа (рис.3), реализующий предложенный способ управления, аналогичен вышеописанному.

Таким образом, система регулирования позволяет обеспечить компенсацию быстроизменяющихся возмущений за счет регулирования заслонки, а медленные возмущения (например, изменения температуры) за счет изменения частоты вращения рабочего колеса дымососа и вентилятора.

Система внедрена на котельной УНПЗ, экономия электроэнергии потребляемой дымососами за отопительный период составила 30%.

Управление системой газового тракта котельной установки имеет своей целью поддержание стабильного разряжения в верхней части топки, что является необходимым условием устойчивости процесса горения. Возмущающим воздействиям здесь является изменение расхода воздуха, вызываемого изменением технологического режима горения, в основном для регулирования теплопроизводительности котельной установки. До последнего времени единственным методом регулирования было управление воздушной заслонкой. Внедрение энергосберегающих технологий привело к широкому использованию транзисторных преобразователей для реализации частотного управления асинхронным приводом вентилятора. При этом попытка отрабатывать быстропеременные процессы приводят из-за высокого момента инерции вентилятора к аварийным режимам в частотном регуляторе. Увеличение производительности вентилятора приводит к опасности превышения критического момента асинхронного привода и, как следствие, потери устойчивости, уменьшение - к опасному для регулятора переходу в генераторный режим, перенапряжениям на коммутирующих транзисторах. Выходом является сохранение механизма заслонки для парирования быстропеременных процессов с переводом ее в открытое состояние в стабильных режимах и регулировкой частотным приводом для сохранения эффекта энергосбережения [Ямаев А.И.].

Для исследования предложенной системы автоматического регулирования режимов работы тягодутьевых механизмов отопительного котла можно применить моделирование с использованием имитационного подхода. Имитационный подход, в частности, оправдан, если вопросы, на которые должна ответить модель, относятся не к выяснению фундаментальных законов и причин, определяющих динамику реальной системы, а к анализу поведения системы, как правило, выполняемому сугубо в практических целях [Нетушил А.В.].

Применение таких методов управления существенно нелинейным объектом, которым, безусловно, является газовоздушный тракт котельной установки, требует разработки достаточно сложных алгоритмов, тестирование которых лучше проводить на математической модели, нежели на реальном объекте, что в данном случае весьма затратно, да и небезопасно. Хорошо построенная модель, как правило, доступнее, информативнее и удобнее для исследователя, нежели реальный объект. [Ктоев А.С.]

В настоящее время всесторонние предварительные исследования различных моделей явления предшествуют проведению любых сложных экспериментов. Более того, эксперименты на моделях с применением ЭВМ позволяют разработать план натурных экспериментов, выяснить требуемые характеристики измерительной аппаратуры, наметить сроки проведения наблюдений, а также оценить стоимость такого эксперимента.

Пакет математического моделирования динамических систем SIMULINK, входящий в состав пакета MATLAB выполняет это достаточно точно и безопасно. Математическая модель газового тракта котельной установки выполнена на версии 6 пакета SIMULINK, входящего в состав 14 релиза MATLAB7.

Структурная схема модели приведена на рис. 4. Модель содержит 5 основных блоков, относящихся к основным структурам газового тракта и элементам управления.

Модель асинхронного привода включает модель двигателя переменного тока, использующего уравнения обобщенной электрической машины в системе координат U, V. Входами для него являются задатчики частоты и напряжения питания и угловой скорости вращения ротора, являющейся для этого блока обратной связью от механической системы. Выходным сигналом является электромагнитный момент на валу двигателя. Внутренние настройки блока AD-KZ позволяют ввести значения элементов электрической схемы замещения для настройки его под конкретный двигатель. Далее в блоке суммирования производится вычитание момента трения, полезного момента сопротивления от вентилятора, результат поступает на интегрирующее звено, каковым является ротор, в блок которого вводится момент инерции системы двигатель-вентилятор.

Рис. 4. Структура модели



Выходом для этого звена является угловая скорость в соответствии с уравнением движения:

,

где J - момент инерции; щ - угловая скорость; t - время; М - момент.

Частотный регулятор в данном случае моделируется пропорционально-интегральным звеном по частоте. Закон управления может быть задан любым образом, например, с помощью таблицы, пока здесь реализуется пропорциональный закон, т.е. [Вейнгер А.М.], где U - напряжение, f - частота.

Газовый тракт моделируется таблицей P=f(Q)(где P - давление воздуха, Q - расход), снятой с конкретного объекта, на вход которого поступает через пропорционально-интегральное звено сигнал с задатчика производительности, реализованного блоком SIGNALBILDER.

Основой для моделирования работы вентилятора является библиотечный блок SIMULINK - 2-DLookuptable. Исходными данными являются аэродинамические характеристики применяемого дымососа для различных положений заслонки, приведенные например в [Васильев В.В.].

Таким образом, узел вентилятора имеет входы производительности Q и положения заслонки в градусах б. Следует подробнее рассказать о регулировке по скорости вращения ротора. Данные в таблице приведены для номинальной скорости вращения, поэтому чтобы получить значение давления при заданной скорости необходимо воспользоваться известными соотношениями

и



где Q - расход, P - давление воздуха, w - угловая скорость, Q - номинальный расход, P - номинальное давление воздуха, w - номинальная угловая скорость.

Это реализуется стандартными блоками умножения / деления. Момент сопротивления вентилятора вычисляется как

[Бобко В.Д.].

Узел заслонки моделируется в основном блоком SliderGain, позволяющим в процессе симуляции оценить возможности ручной регулировки (рис.5).

Рис. 5. Движок управления заслонкой

Закон регулирования по частоте выбран пропорциональным производительности. В задачи исследования не входит реализация какого-либо алгоритма управления, но данная модель позволяет протестировать поведение ее в замкнутой системе регулирования, когда управляющие воздействия по частоте и положению заслонки вырабатываются некоторым блоком управления, на вход которого можно подавать значение разряжения как разность падения давления на газовом тракте и давления, развиваемого вентилятором дымососа, значение требуемой производительности и т.д.

Для реализации автоматического управления в блок схему управления заслонкой вводится схема сравнения с заданным разряжением и интегратор с предустановленными значениями насыщения по минимальному значению 0, по максимальному - 90 (рис. 6).

Рис. 6. Реализация автоматического управления заслонкой

Введение простейшей схемы позволяет стабилизировать разряжение с достаточной для практических целей точностью, хотя и приводит к значительным потерям, поскольку заслонка оказывается зажатой при пониженной производительности.

Измерения на реальных объектах показывают, что процессы горения сопровождаются случайными флуктуациями давления в газовоздушном тракте [Васильев В.В.], что можно моделировать блоком белого шума, входящего в пакет SIMULINK.

Сигнал задания можно моделировать блоком задания, входящего в пакет SIMULINK, как показано на рисунке 7.



Рис.7. Блок задания

На рис.8 изображены три графика. Первый график - разряжение в топке отопительного котла, второй - положение заслонки, третий - частота вращения электродвигателя дымососа.

Рис. 8. График изменения значения разряжения, положения заслонки и частоты вращения электродвигателя дымососа

На первом графике видно, что регулировкой положения заслонки удается стабилизировать разряжение уже через 10 с после окончания заданного воздействия на изменение производительности.

В тоже время после окончания переходного процесса положение заслонки стабилизируется на уровне 20%, что объясняется введением блока воздействия на частотный регулятор. Как ранее указывалось, постоянная времени в контуре управления частотным регулятором значительно больше, чем в контуре управления заслонкой.

Таким образом, разработанная модель газовоздушного тракта:

1. Предложенная модель удовлетворяет условию корректно поставленной математической задачи по Адамару, т.е. задачи, для которой решение существует, оно единственно и непрерывно зависит от исходных данных. [Великанов К.М.]

2. Построение САУ газовоздушным трактом отопительного котла по принципу многоконтурной системы, регулирующей производительность дымососа и вентилятора как с помощью заслонки, так и изменением частоты питающего напряжения электродвигателей, позволяет обеспечить необходимое быстродействие процесса стабилизации заданного значения разряжения и снижение энергопотребления электродвигателей дымососов и вентиляторов за счет последующего открытия заслонки.



Литература

энергосберегающий отопительный котел вентилятор

1. Бобко В.Д., Золотухин Ю.Н., Нестеров А.А. О нечеткой динамической коррекции параметров ПИД-регулятора.// Автометрия, 1998, №1, с. 50-55.

2. Васильев В.В., Шахов В.Г., Юрин С.В. Расчет аэродинамических характеристик летательных аппаратов: Учебное пособие.- Куйбышев: КуАИ, 1986 г

3. Вейнгер А.М., Каржев А.В., Лазарев Г.Б. и др. Исследование переходных процессов частотно-регулируемого привода сетевого насоса// Вестник ВНИИЭ-2004.

4. Великанов К.М. Расчеты экономической эффективности новой техники: Справочник/ Под общ. Ред. К.М. Великанова. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1990.-448 с.

5. Ексаев А.Р. Вопросы оптимизации режимов работы системы водоснабжения http://www.citycom.ru/publications/apr-2001.html

6. Ктоев А.С. Проектирование систем автоматизации технологических процессов. Справочное пособие. М.: Энергоиздат, 1990, 464 с.

7. Ланцов А.В. Частотное регулирование электроприводов www.e-audit.ru

8. Нетушил А.В. Теория автоматического управления: Учебник для вузов. Изд. 2-е, доп. и перераб. - М.: Высшая школа, 1976. - 400 с.

9. Плетнев Г.П. Автоматизированное управление объектами тепловых электростанций. М.: Энергоиздат, 1981, с. 240.

10. Хаванов П.А., доктор техн. наук, профессор кафедры теплотехники и котельных установок Московского государственного строительного университета (МГСУ), ведущий специалист компании "СЕЛЕКТ" Атмосферные газовые горелки автономных теплогенераторов http://www.select.ru/tech/1206/1312.

11. Ямаев А.И., Озеров М.Ю. Патент №2322642 Способ автоматического регулирования разрежения в топке отопительного котла от 05.09.2006.

Размещено на Allbest.ru