автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка системы управления электроприводом дымососа водогрейного котла

На правах рукописи

.С.*/-

САПОЖНИКОВ СЕРГЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

ДЫМОСОСА ВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА Специальность 05.09.03 - "Электротехнические комплексы и системы"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Москва 2013 005542846

005542846

Работа выполнена на кафедре Автоматизированного электропривода федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Научный руководитель

. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Бычков Михаил Григорьевич

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Электротехники и промышленной электроники Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана

Красовский Александр Борисович

кандидат технических наук, технический директор ЗАО «Интма» г. Москва Сарач Михаил Борисович

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)»

Защита диссертации состоится «20» декабря 2013 года 14 час. 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Национальном исследовательском университете «МЭИ» по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, корп. М.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан » 2013 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.157.02 /у

к.т.н., доцент / ^/^Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Комфортность проживания населения в современном городе напрямую зависит от качества электро- и теплоснабжения. Бесперебойное снабжение потребителей электричеством и теплом требуемых параметров является одной из главных задач государства. Для такой страны как Россия эта задача является наиболее приоритетной, так как значительная часть её территории находится в условиях холодного климата, где сбои в сфере коммунальных услуг отражаются крайне негативно.

В связи с ростом потребления всех видов энергии и цен на топливо актуальной становится задача ресурсо- и энергосбережения, решению которой уделяется значительное внимание во всём мире. «Энергетическая стратегия России до 2020 г.» оценила потенциал энергосбережения в отрасли теплоснабжения на нужды жилищно-коммунального хозяйства как 26% от имеющегося в стране. Для реализации этого потенциала принят Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

Основным исполнительным элементом в системах, обеспечивающих поддержание технологических процессов на объектах тепло- и электроэнергетики, является электропривод, который до недавнего времени был нерегулируемым. Основным и практически единственным способом регулирования технологических величин до настоящего времени являлось дросселирование насосов и вентиляторов, применение которого обусловливает избыточное потребление электроэнергии.

Обилие проблем, связанных с несовершенством существующей организации технологических процессов, стало поводом для теоретического обоснования целесообразности внедрения на повысительных насосах систем тепловодоснабжения и тягодугьевых механизмах котлоагрегатов регулируемого электропривода. Практическая реализация этого способа управления на теплоэнергетических объектах Москвы доказала их эффективность, устранила многие ранее существовавшие недостатки, открыла новые возможности регулирования, позволила повысить качество оказываемых населению услуг, принесла ощутимый эффект ресурсо- и энергосбережения. В настоящее время внедрение регулируемого электропривода на механизмы сетевых насосов, насосов рециркуляции и дутьевых вентиляторов котлов стало обязательным при создании комплексных автоматизированных систем управления тепло-станций при их модернизации или новом строительстве. Среднегодовая экономия электроэнергии за счёт применения таких систем на сетевых насосах достигает 30%, на дутьевых вентиляторах - 60%. Кроме того, экономится до 2% газа и до 10% потребляемой жителями воды. На дымососах практически всех котлов районных тепловых станций Москвы для оптимизации процесса горения с помощью локальной системы регулирования рьарежения исполь-

зуехся частотно-регулируемый электропривод, который позволяет сэкономить до 90% электроэнергии в год. Столь значительная экономия электроэнергии обусловливается наличием фактора естественной тяги.

Однако в процессе эксплуатации существующих систем регулирования разрежения в топке котла выявлены недостатки, заключающиеся в возникновении, при некоторых условиях, режима автоколебаний и невозможности поддержания заданного разрежения при работе в режиме малой тепловой мощности, что приводит к аварийному отключению котла. Предполагается, что явление избыточной самотяги трубы является одной из причин, влияющих на работу электропривода дымососа и ухудшающих качество регулирования разрежения в топке.

Диссертация посвящена исследованию подобных систем и разработке способов улучшения их технических показателей. Изложенное позволяет считать тему диссертации весьма актуальной.

Дель диссертационной работы - повышение энергоэффективности тягодутьевого тракта и надежности системы управления процессом горения в котлоагрегатах средствами регулируемого электропривода.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих за^

дач:

- анализ технологического процесса работы котлоагрегата в составе комплекса оборудования централизованной системы тепло-водоснабжения. Определение и классификация основных физических величин, влияющих на разрежение в топке котла;

- разработка и реализация в среде. МаНаЬ/БитЛшк математических моделей элементов котлоагрегата с учётом их взаимосвязей. Оценка их статических и динамических характеристик в различных режимах работы;

- синтез контура регулирования разрежения. Исследование влияния естественной тяги и настроек электропривода дымососа на показатели качества регулирования разрежения;

- разработка нового алгоритма управления, позволяющего средствами регулируемого электропривода оптимизировать процесс горения независимо от условий работы котла. Апробация алгоритма на реальном технологическом объекте.

Методы исследования. При решении поставленных в работе задач использованы: положения теории автоматизированного электропривода и теории автоматического управления, методы компьютерного моделирования (в программных комплексах РЬиМвюп и МаЙаЪ/8шш1шк).

Все экспериментальные данные получены посредством наблюдения и регистрации показаний.на действующих тепловых станциях Москвы без ущерба для комфортности населения.

Научная новизна работы:

1. Выявлена, теоретически и экспериментально исследована проблема аварийного останова котлоагрегатов, состоящая в возникновении генераторного режима электропривода дымососа и размыкании контура регулирования разрежения.

2. Проведено компьютерное моделирование установившихся режимов течения воздушного потока в турбоагрегате при различных соотношениях частоты вращения и объемного расхода. В результате получены аналитические формулы для различных участков рабочих характеристик и показана справедливость формул приведения при изменении частоты вращения.

3. В программном комплексе МАТЬДВ/БтиПпк разработана компьютерная модель централизованной системы теплоснабжения, позволяющая исследовать алгоритмы регулирования технологических параметров воздействием на частоту вращения регулируемых электроприводов дутьевого вентилятора и дымососа.

4. Разработан и экспериментально подтверждён в условиях промышленной эксплуатации алгоритм регулирования разрежения в топке котла, заключающийся в использовании второго канала регулирования (положением шибера дымососа) для предотвращения генераторного режима электропривода дымососа и аварийного останова котлов. Обоснованность и достоверность научных положений и выводов

подтверждена совпадением основных теоретических-результатов, полученных в результате компьютерного моделирования, и экспериментальных данных, полученных при реализации исследуемых систем на базе общепромышленных компонентов.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты теоретического и экспериментального исследования проблемы аварийного останова котлоагрегатов, состоящей в возникновении генераторного режима электропривода дымососа и размыкании контура регулирования разрежения.

2. Процедура расчета рабочих характеристик дымососа и дутьевого вентилятора в широком диапазоне изменения частоты вращения и расхода, включая режим наличия самотяги в газовоздушном тракте котла.

3. Компьютерная модель-котлоагрегата и результаты её исследования, выявляющие условия возникновения колебаний и размыкания контура регулирования разряжения.

4. Алгоритм регулирования разрежения в топке котла, заключающийся в использовании второго канала регулирования (положением шибера) для предотвращения генераторного режима электропривода дымососа и аварийного останова котлов, и варианты его практической реализации.

Основные практические результаты диссертапии состоят в разработке предложений по реализации различных вариантов систем управления электроприводом дымососа, обеспечивающих оптимальный процесс горения независимо от условий работы котла. Получен патент на полезную модель «Устройство для регулирования режима горения в топке котла».

Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертация соответствует паспорту специальности 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на VI Международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2010, обсуждались на заседании кафедры Автоматизированного электропривода федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 печатные работы, все в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых Высшей Аттестационной Комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации). Получен патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 45 наименований и приложений. Ее содержание изложено на 153 страницах машинописного текста, включает 86 иллюстраций и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель исследований, определены основные задачи для достижения цели, отражена научная новизна и практическая ценность работы, дана общая характеристика работы.

В первой главе рассмотрены технологические особенности процесса производства тепла при сжигания топлива. Оптимальное соотношение «воздух-газ» обеспечивает качественное горение топлива, при котором КПД котла будет достаточно высок, а содержание КОх и СО в продуктах сгорания незначительно. Вторым условием качественного горения топлива является поддержание разрежения в топке котла на некотором оптимальном уровне, что помимо обеспечения высокого КПД котла и экономии топлива, исключает аварийные ситуации по факту отрыва пламени от горелок или превышения давления в топке над допустимым уровнем.

Рассмотрено основное оборудование и технологические линии, обеспечивающие работу водогрейного котла (рис. 1). Проблема регулирования соотношения «воздух-газ» решена средствами регулируемого электропривода. Основными электрохфиводами, обеспечивающими работу водогрейного котла, являются электроприводы рециркуляционных насосов (РН), дутьевых вентиляторов (ЦЗ) и дымососов (ДС). Именно ДВ и ДС те механизмы, от ко-

торых напрямую зависит КПД котла и количество токсичных веществ, выбрасываемых в атмосферу.

Рис. 1

Применение регулируемого электропривода на дымососах даёт значительный эффект энергосбережении (до 90%). Однако, неучёт технологических особенностей режима горения и удаления дымовых газов, несоответствие технологических требований и технических характеристик преобразовательной техники могут приводить к неустойчивой работе горелок и аварийным отключениям котлов по факту погасания горелок (отрыв пламени) или достижения уставки защиты по разрежению. Проблема существенного влияния естественной тяги дымовой трубы (самотяги) на качество регулирования режима горения выявлена в промышленных условиях на водогрейных котлах типа КВГМ-100, используемых на районной тепловой станции «Жулебино» (Москва).

Задача системы регулирования разрежения - это поддержание его постоянного значения во всём диапазоне нагрузок котла. Одноконтурная система регулирования, стабилизирующая разрежение Яразр в топке котла, входит в состав двухуровневой системы АСУ ТП теплостанции.

Упрощённо представим Яразр как баланс избыточного давления от сгорания газовоздушной смеси Яв + Ягаз, создаваемого дымососом напора Ядс, падения напора на шибере АЯшиб, сопротивлений газохода АНГ и дымовой трубы ДЯда, а также разницы между давлением дымовых газов и давлением атмосферного воздуха Ядг - Яатм

Яразр = Я8 + Ягаз - ДЯдс + АЯшиб + АЯГ + ЛЯДТ + Ядг -Яата (1)

Разница между давлением дымовых газов Ядг и атмосферным давлением Яетм называется естественной тягой или самотягой Яс

Негативное влияние естественной тяги на качество регулирования разрежения при невозможности рекуперации энергии в питающую сеть показано на рис. 2. Предполагается, что естественная тяга, начиная с момента времени /2, не даёт электроприводу далее снижать частоту вращения в соответ-

ствии с заданием, из-за отсутствия возможности создания отрицательного момента на валу. В некоторых условиях работы возникает колебательный процесс (рис. 3), который может оказаться незатухающим, т.е. в некоторых режимах работы существующая система автоматического регулирования разрежения не может поддерживать разрежение на заданном уровне. Эта проблема, нарушающая нормальную работу котлов и приводящая к их аварийному останову, требует более детального изучения и эффективного решения.

Рис. 2

I

Рис. 3

Вторая глава посвящена разработке математической модели централизованной системы теплоснабжения, которая должна учитывать основные факторы, оказывающие влияние на разрежение в топке котла. При рассмотрении процессов генерации и передачи тепловой энергии, происходящих в водогрейном котле, выделены два канала:

- канал подачи газовоздушной смеси и удаления дымовых газов - газовоздушный и дымовой тракты;

- канал рециркуляции теплоносителя — водяной контур.

При этом сделаны следующие допущения:

- рассматривается один котлоагрегат;

- пренебрегаем потерями тепловой мощности через стенки котла, трубы, трубопроводов и теплообменников;

- пренебрегаем потерями теплоносителя (циркуляционной воды), не рассматривается работа насоса подпитки;

- не учитывается возможность рециркуляции и перепуска теплоносителя;

- совокупность центральных тепловых пунктов представлена суммарной тепловой нагрузкой, при этом пренебрегаем распределением ЦТП в пространстве и разветвлениями трубопроводов.

Интегральными показателями процессов тепло- и массообмена являются значения объемного Q или массового расхода, напора (давления) Н, температуры Т на входе и выходе каждого элемента математической модели. Связь между ними зависит от характера протекающих физико-химических процессов и устанавливается на основании уравнений баланса массы, баланса теплоты и универсального газового закона для массы каждого элемента

м

(3)

(4)

где Ст - теплоёмкость массы т, РТ ВХ, Рт_вых - мощность входных и выходных тепловых потоков, Я - давление (напор), V- объем, Т- абсолютная температура массы газа т с молярной массой универсальная газовая постоянная.

Обобщенная схема математической модели котлоагрегата и дымовой трубы (рис. 4) является многомассовой с различными типами теплопередачи.

На рис. 4 обозначены: массы смеси газов в топке тш и газов в дымовой трубе тш, имеющие теплоёмкости и температуры Сом, Тш, Сдг, Гдг соответственно, поступающий в топку расход газа £Эгаза и связанная с ним тепловая мощность РГОрения, расход воздуха <2ДВ, подаваемого дутьевым вентилятором, расход газа Qдc, забираемого из топки и подаваемого в трубу дымосо-. сом и связанная с ним тепловая мощность РдС, расход выходящих из трубы газов . и связанная с ним теп, масса

труб теплообменника ттр и масса воды в котле твод (в трубах его теплообменника).

Значения бдв и £>дс рассчитываются в моделях дутьевого вентилятора и дымососа по разности давлений между их выходом и входом, а также по значениям угловой скорости (частоты вращения), поступающим из моделей соответствующих электроприводов. Из моделей ДВ и ДС в качестве обратной связи поступают сигналы моментов сопротивления вращению Мю и Мдс.

Многомассовую тепловую модель системы теплоснабжения можно представить в виде совокупности одномассовых тепловых моделей (рис. 5). Тепловая мощность последовательно передается от массы газовоздушной смеси к массе воды первичного контура теплообменника ДТП через все промежуточные массы, включённые в модель, и за выч«Том мощности, ухо-

Рис. 4

0»

ловая мощность Р,

дящей к потребителю, и мощности, идущей на нагрев всех входящих в модель масс, возвращается к массе воды в котле.

Рис. 5

Реальный процесс сжигания газа в топке может моделироваться только в специальных прикладных пакетах расчёта объёмной картины протекания газовой смеси в трёхмерной модели топки с учётом химических процессов горения. Для. упрощения модели топки принимаются следующие дополнительные допущения:

- используется средняя температура смеси в топке Гсм, определяемая по одномассовой модели нагрева идеального газа при постоянном объеме, распределение давления также считается однородным;

- температура смеси на выходе теплообменника принимается равной температуре дымовых газов в трубе Тдг, поскольку ранее было сделано допущение об отсутствии тепловых потерь через стенки топки и трубы;

- пренебрегаем конструктивными особенностями теплообменника (наличием конвективной части) и считаем температуру труб теплообменника Гтр равной среднему значению между Тш, и Твот.

Разработана математическая модель центробежного механизма - дутьевого вентилятора. Для него наиболее важна напорно-расходная характеристика Н(0), которая обычно представляется в виде графика при номинальной частоте вращения. Особого рассмотрения требует режим работы приводного двигателя со скоростью холостого хода при разных значениях расхода, создаваемых при отрицательных значениях перепада давления. Следует заметить, что эта точк-* характеристики не совпадает с точкой пересечения харак-

теристикой Н{0) оси абсцисс, поскольку в случае работы насоса в нормальном режиме работы значительный момент потерь в агрегате компенсируется моментом двигателя, тогда как при работе с внешним подпором некоторый, требующий определения, вращающий момент создаётся за счёт потока жидкости (газа). Такой режим работы, характерный для дымососов котлоагрега-тов, объясняется наличием фактора самотяги. Паспортные Н((У) характеристики не дают представления о работе механизма в области отрицательных перепадов давлений, поэтому для описания работы дымососа в данных условиях были выполнены специальные расчёты.

В качестве инструмента компьютерных исследований работы дымососа с регулируемой частотой вращения и отрицательным перепадом давления был выбран программный комплекс РЬ-даУЫоп-НРС ООО ТЕСИС, предназначенный для численного моделирования трёхмерных ламинарных и турбулентных, стационарных и нестационарных течений жидкости и газа.

С использованием упрощенной модели ротора турбомеханизма получены семейства характеристик #(£?, п) и М,;(£>, п) в широком диапазоне изменения частоты вращения и расхода (рис.6 и 7).

Рис.6

При построении компьютерной динамической модели для турбомеханизма целесообразно в качестве независимых внешних воздействий использовать давление на его входе Нт и давление на выходе Нвъа, разность которых даёт значение Я = Нвых - Нвх. Для этого формулы, описывающие различные участки характеристик Я(0, трансформированы в зависимости Qi.IT). После определения <2 расчёт значений производится по формулам, аппроксимирующим различные участки графиков Мс(£>) на рис 7.

В результате сравнения картин распределения параметров потока в различных режимах работы и обработки характеристик Я(<2, п) и Мс(2, п) показано, что, несмотря на нарушение допущений для применения критериев подобия (струйности течения, осевой симметрии и равномерности распределения скорости по поперечному сечению потока), формулы приведения применимы как для двигательного, так и для генераторного режимов работы приводного двигателя.

^ „ 2 м. I п. I

д2 п2 Г\о2> 2 «2 Пг2>

Соотношения для расчёта семейств характеристик Н(<0 п) и Мс(<2, «), полученные в результате анализа данных моделирования, позволяют перейти к расчёту аналогичных характеристик реальных агрегатов, установленных в котле КВГМ-100-150М: дымососа ДН-22х2-0,62ГМ и дутьевого вентилятора ВДН-20. В качестве примера на рис. 8 приведено семейство характеристик Н(<2, п) для дымососа.

В качестве математической модели электропривода использовались два варианта упрощенных моделей регулируемого электропривода, основанных на линеаризации рабочего участка механической характеристики. Первый вариант соответствует работе скалярной системы ПЧ-АД. Во втором варианте предполагается реализация двухконтурной системы подчинённого регулирования со стандартной настройкой на технический оптимум.

В третьей главе разрабатываются рекомендации по совершенствованию САР разрежения на основе результатов исследования компьютерной модели системы централизованного теплоснабжения, полученных для различных режимов работы входящих в неё электроприводов.

Расчёт постоянных времени нагрева показывает существенные различия в значениях для масс воды (до 230 с и более) и смеси в топке (0,5 с). С

Рис. 8.

целью ускорения и упрощения моделирования многомассовая модель водяного контура упрощается до одномассовой модели воды в котле, что фактически означает переход от модели системы теплоснабжения к модели котло-агрегата. При этом расход теплоносителя и температура обратной воды учитываются как входные воздействия.

Для синтеза регулятора разрежения разработана линеаризованная модель котлоагрегата. Результаты моделирования показали, что по причине изменения параметров объекта регулирования с изменением тепловой мощности котла, синтезированный регулятор обеспечивает оптимальные переходные процессы для режима работы только с той тепловой мощностью для которой он был настроен. Так, работа на минимальной тепловой мощности с настройками регулятора для номинальной ведёт к затягиванию переходных процессов, тогда как при работе на номинальной тепловой мощности с настройками регулятора для минимальной увеличивается колебательность при отработке скачков управляющих и возмущающих воздействий.

Опыты показали, что режим устойчивых колебаний появляется в результате совокупного действия нескольких факторов, а именно ограничения момента электропривода, близкой к номинальной частоте вращения, достаточно большого возмущения или близкой к номинальному режиму температуры газовой смеси (рис. 9 и 10). Предположение о влиянии самотяги на колебательность системы не подтвердилось.

Для устранения последствий ограничения момента в систему управления был введён релейный сигнал о выходе регулятора скорости на ограничении, который осуществляет отключение сигнала рассогласования с входа интегральной составляющей регулятора разряжения. Данное решение позволяет устранить колебательность системы, вызываемую ограничением момента двигателя ДС (рис. 11 и 12).

Рис. 9

Однако наличие фильтра на выходе датчика разрежения с постоянной времени Т_йИг = 0,2 с в совокупности с указанными ранее условиями приводит к автоколебаниям даже при ограничении выхода интегральной составляющей.

Альтернативным вариантом устранения колебательности может быть затягивание переходных процессов за счёт уменьшения коэффициентов про-пропорциональной и интегральной составляющих регулятора разрежения. Опыты показали, что уменьшение коэффициентов в 5 раз дают приемлемое качество и дительность переходных процессов. Дальнейшее уменьшение коэффициентов ведет к значительному затягиванию отработки внешних воздействий.

Экспериментальные данные моделирования при наличии самотяги (рис. 13 и 14) показали, что скорость вращения, при которой электропривод дымососа может перейти в генераторный режим, растёт с увеличением величины самотяги. Следует отметить, что если самотяга достаточно велика, то даже при остановленном электроприводе дымососа величина разрежения в топке может достигать значения в несколько раз превосходящего заданную величину. В

таких условиях поддержание разрежения в топке невозможно без изменения самой Q-H характеристики дымососа, например за счёт изменения угла открытия шибера.

При уменьшении угла закрытия шибера увеличится момент, необходимый для создания заданного разрежения, что расширит зону работы электропривода в двигательном режиме, а значит, устранит негативное влияние са-

Рис. 11

Рис. 12

мотяги при работе котлоагре-гата с малой тепловой мощностью. Следует отметить, что данное решение приводит к дополнительным затратам электроэнергии, которые, однако, можно минимизировать чёткой идентификацией

наступления генераторного режима.

В четвёртой главе предложены различные варианты реализации САР разрежения на промышленных объектах. АСУ котлоагрегата состоит из следующих взаимозависимых систем (рис 15):

1. САР температуры воды на входе котла поддерживает температуру на входе котла Тзвхкотла в диапазоне 60 — 70°С.

2. САР давления воздуха в общем воздухопроводе поддерживает давление в общем воздухопроводе Нв общ перед горелками изменением частоты вращения регулируемого электропривода дутьевого вентилятора ЧРП ДВ.

3. САР давления воздуха перед горелками предназначена для поддержания соотношения величины «воздух-газ» на оптимальном уровне.

4. САР давления газа перед горелками. Температура воды в прямом трубопроводе поддерживается в функции температуры атмосферного воздуха Твозд. Задание давления газа перед горелками поступает с выхода регулятора температуры в прямом трубопроводе РТпр, регулируется общим для трёх горелок электроприводом клапана ЭП РКг и корректируется по содержанию кислорода 02 в дымовых газах

5. САР разрежения в топке котла. Значение разрежения в топке котла Яршр поддерживается на уровне 9-11 мм.вод.ст. во всем диапазоне регулирования тепловой мощности котла с помощью регулятора разрежения Рнразр» управляющего регулируемым электроприводом дымососа ЧРП ДС. Дополнительно возможно регулирование разрежения изменением угла открытия шибера аш, который управляется ЭП шибера. Разрежение в топке контролируется по показаниям датчика разрежения ДР.

В соответствии с результатами, полученными в главе 3, было принято решение об организации второго независимого канала регулирования разрежения - углом открытия шибера. Такая двухканальная система автоматического регулирования разрежения была реализована при непосредственном участии автора.

В систему добавлен блок сравнения с зоной нечувствительности, на вход которого из САР давления газа поступает сигнал текущего расхода газа £>г (рис. 16). При достижении расходом газа значения порога срабатыва-

Рис. 14

ния <2„ подключается канал регулирования углом открытия шибера. Регулирование разрежения осуществляется частотой вращения ДС и положением шибера„В соответствии с этим угол открытия шибера уменьшается на величину Дазш , пропорциональной разнице Оп, увеличивая нагрузку на ДС и не давая таким образом ЧРП ДС перейти в генераторный режим.

РКрец ЭП НА

ОзРКрец

|ДНркрец

Ртвх КОТПА ЧРП РН РН трубопровод котла ДТ

; САР давления ! газа перед горелками Тпр

Твозд

|нгАЗ .

ДЦГ -г-»- Горелка 1

Горелка 2

Горелка 3

САР разрежения в топке котла

Шибер

ЭП шибера

►©--Рн»

Нрдзр|_

ЧРП ДС

ДС

др

а

Рис. 15

Рис. 16

Оценить качество двухканальной системы регулирования разрежения позволяют данные, зарегистрированные АСУ котла. На рис. 17 показан

процесс уменьшения

тепловой мощности котла при двухканальном

регулировании. До момента времени разрежение Нразр

поддерживалось на уровне -12мм.в.ст. при практически полностью открытом шибере (угол открытия а »80%) и частоте вращения дымососа п равной примерно 270 об/мин. В отрезок ^ - при уменьшении 2Г регулирование выполнялось только вращения п, ас момента времени когда ()г достигает

Рис. 17

времени частотой

выбранной величины уставки ()п, - одновременно частотой вращения п и углом открытия шибера а .

Двухканальная система регулирования разрежения с управлением шибером в функции расхода газа достаточно проста в реализации ввиду отсутствия необходимости в модернизации оборудования существующей АСУ котла, но имеет следующие недостатки:

- уменьшение эффекта энергосбережения по причине частичного возврата к дроссельному регулированию;

- предупредительный характер предотвращения генераторного режима, основанный на контроле величины тепловой мощности и предвидении режима избыточной естественной тяги.

Одним из альтернативных способов может быть применение канала рекуперации в сеть механической энергии с вала двигателя, преобразуемой в электрическую. При использовании преобразователя с инвертором напряжения такое решение вызовет удорожание оборудования примерно в два раза. Возможна организация маломощного канала для рекуперации энергии, так как генераторный режим достаточно редок и характеризуется малой генерируемой мощностью. Также решением может быть применение преобразователей на основе автономных инверторов тока.

Как вариант, который можно рекомендовать по совокупности факторов (техническая и экономическая целесообразность), это гашение избыточной мощности естественной тяги на резисторе, подключаемом автоматически к звену постоянного тока по факту превышения напряжения в сравнении с двигательным режимом. Такое решение не дорогостоящее и несложно в реализации, а также лишено недостатков известного способа двухканального управления.

Более энергоэффективным является устройство управления процессом горения в топке котла, состоящее из двух преобразователей частоты элек-

троприводов дымососа и дутьевого вентилятора (или циркуляционного насоса), соединённых через управляемый ключ, обеспечивающий в случае необходимости переток электрической энергии из электропривода, работающего в генераторном режиме, в электропривод с двигательным режимом, где она полезно потребляется. Устройство не имеет возможности инвертирования электроэнергии в питающую электросеть, но генерируемая электроприводом дымососа энергия потребляется электроприводом дутьевого вентилятора.

Для сохранения управляемости системы при большой самотяге предлагается использовать устройство управления процессом горения в топке котла в сочетании с каналом управления шибером в функции выхода регулятора разрежения - задания частоты вращения дымососа. При уменьшении задания на скорость ниже некоторой уставки (например 5% от номинальной частоты вращения и„ом) подаётся сигнал на уменьшение угла открытия шибера. При увеличении задания на скорость выше 10% пном подаётся сигнал на увеличение угла открытия шибера. Предложенный алгоритм управления, сочетающий достоинства устройства управления процессом горения в топке котла и канала регулирования углом открытия шибера, сохранит полную управляемость САР разрежения при любых значениях самотяги. ,

В заключении обобщены основные результаты и выводы по работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ В работе получены следующие основные результаты:

1. Выявлена, исследована теоретически и на практике одна из причин аварийных остановов котлоагрегатов, заключающаяся в возникновении эффекта избыточной самотяги, который приводит к генераторному режиму работы электропривода дымососа и размыканию контура регулирования разрежения.

2. Разработан алгоритм расчёта рабочих характеристик воздуходувных механизмов в широком диапазоне изменения частоты вращения и расхода по их паспортным характеристикам для номинальной частоты вращения. Полученные характеристики являются основой для математического описания электропривода дымососа в двигательном и генераторном режимах работы, включая режим совместной компенсации потерь в центробежном механизме двигателем и источником внешнего разрежения.

3. Предложено математическое описание централизованной системы теплоснабжения, на основе которого разработана компьютерная модель в среде МаНаЬ/БтшНпк, учитывающая процессы тепло- и массо-обмена в газовоздушном тракте и водяном контуре, влияние самотяги дымового тракта на качество регулирования разрежения и позволяю-

щая исследовать различные алгоритмы управления электроприводами дымососа и дутьевого вентилятора.

4..Из теоретического анализа коэффициентов передачи и постоянных времени линеаризованной в окрестности рабочей точки модели контура регулирования разряжения в топке следует, что статические и динамические свойства объекта регулирования изменяются при изменении частот вращения электроприводов, расходов поступающей и удаляемой из топки газовоздушной смеси, температуры смеси в топке. Вследствие этого регулятор разряжения с постоянными коэффициентами не может обеспечить оптимальную форму переходных процессов при изменениях режима работы котлоагрегата.

5. Установлено, что при настройке регулятора разрежения на технический оптимум для номинального режима возможно возникновение затухающих колебаний в результате совокупного действия нескольких факторов, а именно ограничения момента электропривода, близкой к номинальной частоте вращения, достаточно большого возмущения или близкой к номинальному режиму температуры газовой смеси. Дополнительным условием для получения режима устойчивых колебаний является наличие инерционности в канале обратной связи по разряжению.

6. Негативное действие ограничения момента электропривода дымососа на колебательность системы обусловлено размыканием внешних контуров регулирования и неконтролируемом изменении интегральной составляющей регулятора разрежения на время действия ограничения. Введение в систему управления сигнала ограничения выхода регулятора скорости, осуществляющего отключение сигнала рассогласования с входа интегральной составляющей регулятора разряжения, позволяет устранить колебательность системы из-за ограничения момента. Альтернативным вариантом является уменьшение коэффициентов пропорциональной и интегральной составляющих регулятора разряжения для учёта постоянной времени фильтра в датчике разряжения.

7. Разработан и реализован на практике новый алгоритм управления системой регулирования разрежения, заключающийся в применении второго канала регулирования путём изменения угла открытия шибера дымососа, что исключает аварийные остановы котлов по причине избыточной самотяги. Предложено несколько вариантов реализации дополнительного канала регулирования, различающихся технической реализацией и степенью адаптации к изменениям в объекте регулирования.

8. Получен патент на полезную модель на устройство для регулирования режима горения в топке котла, идея которого заключается в соединении преобразователей частоты дутьевого вентилятора и дымососа по звену постоянного тока, что обеспечивает стабильную работу системы

регулирования разрежения в топке котла в режимах с избыточной самотягой и исключает потери электроэнергии, присущие двухканальной системе управления. .... .... .......

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Крылов Ю.А., Сапожников С.С. Проблемы применения энергосберегающего электропривода на дымососах котлоагрегатов // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. Ч. 4. - С. 52 - 57.

Патент на полезную модель № 99121. Устройство для регулирования режима горения в топке котла / Авт.: Крылов Ю.А., Сапожников С.С., Бунина Е.Ю., Савельева Е.Ю. - Заявл. 09.02.2010. Опубл. 10.11.2010.

Крылов Ю.А., Сапожников С.С. Особенности применения регулируемого электропривода на дымососах котлоагрегатов // Промышленная энергетика. 2010. N7.-С, 7-11.

Даниленко Ю.И., Сапожников С.С. Энергоэффективное решение проблемы применения регулируемого электропривода на дымососах котлоагрегатов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. Специальный выпуск «Электротехника и электроника». 2011. С. 89 -94.

Печ. л. ¡^д

Тираж ¡00

Заказ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский университет «МЭИ»

04201 365752 На правах рукописи

Сапожников Сергей Сергеевич

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ДЫМОСОСА ВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА

(Специальность 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы)

Диссертация на соискание

ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор М.Г. Бычков

Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................................4

Глава 1. ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА В КОТЛОАГРЕГАТАХ СРЕДСТВАМИ РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА........................................................................................11

1.1. Технологические особенности сжигания топлива........................11

1.2. Виды котельных агрегатов..............................................................13

1.3. Электропривод дымососов..............................................................17

1.4. Особенности применения регулируемого электропривода дымососа...........................................................................................20

1.5. Задачи диссертационной работы и методы их решения..............25

Глава 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ.....................29

2.1. Описание объекта исследования....................................................31

2.2. Модель газовоздушного тракта......................................................34

2.3. Модель теплообмена в газовоздушном тракте и водяном контуре..............................................................................................38

2.4. Математическая модель центробежного механизма....................43

2.5. Математическая модель электропривода......................................64

Глава 3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ РАЗРЕЖЕНИЯ ..............................................................69

3.1. Реализация модели централизованной системы теплоснабжения в МАТЪАВ\8н1шНпк.............................................................................................69

3.2. Компьютерная модель теплообмена в газовоздушном тракте и водяном контуре ...................................................................................................70

3.3. Обобщенная модель котлоагрегата и дымовой трубы...............74

3.4. Линеаризация упрощенной модели котлоагрегата....................75

3.5. Синтез регулятора разрежения ....................................................84

3.6. Исследование работы САР разрежения в топке на полной модели котлоагрегата......................................................................................................89

Глава 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ДЫМОСОСА 112

4.1. Двухканальная система автоматического регулирования разрежения с управлением шибером в функции расхода газа...................................115

4.2. Двухканальная система регулирования разрежения с управлением шибером в функции напряжения и тока в звене постоянного тока преобразователя частоты....................................................................................................119

4.3. Альтернативные методы решения проблемы применения регулируемого электропривода на дымососах..............................................120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................124

Список литературы................................................................................127

Приложение 1.........................................................................................131

Приложение 2.........................................................................................133

Приложение 3.........................................................................................135

Приложение 4.........................................................................................136

Приложение 5.........................................................................................149

Приложение 6.........................................................................................150

Приложение 7.........................................................................................151

Приложение 8.........................................................................................152

Приложение 9.........................................................................................153

ВВЕДЕНИЕ

Комфортность проживания населения в каждом современном городе напрямую зависит от качества электро- и теплоснабжения. Бесперебойное снабжение потребителей электричеством и теплом требуемых параметров является одной из главных задач государства. Для такой страны как Россия эта задача является наиболее приоритетной, так как значительная часть её территории находится в условиях холодного климата, где сбои в сфере коммунальных услуг отражаются крайне негативно.

В связи с ростом потребления всех видов энергии и цен на топливо актуальной становится задача ресурсо- и энергосбережения, решению которой уделяется значительное внимание во всём мире. «Энергетическая стратегия России до 2020 г.» [1] оценила потенциал энергосбережения в отрасли теплоснабжения на нужды жилищно-коммунального хозяйства как 26% от имеющегося в стране. Для реализации этого потенциала принят Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

Основным исполнительным элементом в системах, обеспечивающих поддержание технологических процессов на объектах тепло- и электроэнергетики, является электропривод, который до недавнего времени был нерегулируемым. Основным и практически единственным способом регулирования технологических величин до настоящего времени являлось дросселирование насосов и вентиляторов, применение которого обусловливает избыточное потребление электроэнергии.

Обилие проблем, связанных с несовершенством существующей организации технологических процессов, стало поводом для теоретического обоснования целесообразности внедрения на повысительных насосах систем тепловодоснабжения и тягодутьевых механизмах котлоагрегатов регулируемого электропривода. Такие рекомендации и обоснования приведены в работах Н.Ф. Ильинского [2 - 10], Ю.Г. Шакаряна [10, 11], Б.С. Лезнова [12 - 16],

H.H. Чистякова [17, 18] и др.). Практическая реализация этого способа управления на тепло-энергетических объектах г. Москвы под руководством Ю.А. Крылова [19] доказала их эффективность, устранила многие ранее существовавшие недостатки, открыла новые возможности регулирования, позволила повысить качество оказываемых населению услуг, принесла ощутимый эффект ресурсо- и энергосбережения.

Так, на водогрейных котлах типа ПТВМ с помощью частотно-регулируемого электропривода дутьевых вентиляторов реализована система регулирования режима горения, поддерживающая необходимое соотношение «воздух-газ», которая предоставила возможность регулирования тепловой мощности котла, позволила уменьшить количество выбросов вредных веществ в атмосферу, принесла экономию электрической энергии и ресурсов. Таким образом, применение частотно-регулируемого привода позволяет решать задачу согласования режимных параметров и энергопотребления тяго-дутьевых механизмов с изменяющимся характером нагрузки котлов.

В настоящее время внедрение регулируемого электропривода на механизмы сетевых насосов, насосов рециркуляции и дутьевых вентиляторов котлов стало обязательным при создании комплексных автоматизированных систем управления теплостанций, при их модернизации или новом строительстве. Среднегодовая экономия электроэнергии за счёт применения таких систем на сетевых насосах достигает 30%, на дутьевых вентиляторах - 60%. Кроме того, экономится до 2% газа и до 10% потребляемой жителями воды.

В [45] проведено исследование схемно-режимных особенностей частотно-регулируемых электроприводов насосных и вентиляторных установок теплостанций. На основе анализа режимов работы каждой группы механизмов обоснована целесообразность перехода к регулируемому приводу и определены наиболее приоритетные для модернизации механизмы с точки зрения энерго- и ресурсосбережения, а также технологической необходимости регулирования - сетевые насосы, дутьевые вентиляторы, и дымососы. Разработанная инженерная методика расчетов эффективности применения

частотно-регулируемых электроприводов на теплостанциях апробирована по результатам обследования 52 теплостанций г. Москвы и использовалась при составлении «Программы внедрения энерго- и ресурсосберегающих систем частотного регулирования на теплоснабжающих предприятиях Департамента топливно-энергетического хозяйства Правительства г. Москвы на период 2005-2010 гг.». С помощью методики оценена экономическая эффективность и определена очередность внедрения ЧРП на теплостанциях г. Москвы.

В данной работе проблема повышения надёжности функционирования АСУ котлоагрегата решалась в части поиска методов и технических средств для снижения аварийности работы ответственных механизмов теплостанций при оснащении их частотно-регулируемым приводом (ЧРП). На основании анализа особенностей применения ЧРП сделан вывод, что в условиях тепло-станции оптимальными являются высоковольтный ПЧ на основе автономного инвертора тока (АИТ) с ШИМ, многоуровневый инвертор напряжения с ШИМ, а также специально разработанный для устойчивой работы при посадках напряжения секционированный вентильно-индукторный привод (ВИП). Основное внимание уделено исследованию особенностей работы ЧРП ответственных механизмов теплостанций в режиме самозапуска при посадках напряжения в системе электроснабжения и разработка рекомендаций по повышению надежности работы ЧРП в этих режимах.

Значительный технологический и экономический эффект от применения регулируемого электропривода, положительные отзывы эксплуатирующего персонала позволили расширить внедрение энергосберегающих технологий на тепловых станциях. Так, на дымососах практически всех котлов районных тепловых станций Москвы для оптимизации процесса горения с помощью локальной системы регулирования разрежения используется частотно-регулируемый электропривод, который позволяет сэкономить до 90% электроэнергии в год. Столь значительная экономия электроэнергии обусловливается наличием фактора естественной тяги (самотяги).

Однако, в процессе эксплуатации существующих систем регулирования разрежения в топке котла выявлены недостатки, заключающиеся в возникновении, при некоторых условиях, автоколебаний и невозможности поддержания заданного разрежения при работе в режиме малой тепловой мощности, что приводит к аварийному отключению котла.

Предполагается, что явление избыточной самотяги трубы является одной из причин, влияющих на работу электропривода дымососа и ухудшающих качество регулирования разрежения в топке.

Для решения проблемы средствами автоматизированного электропривода необходимо провести детальный анализ режимов работы котлоагрегата и входящих в его состав электроприводов, выявить причины негативных явлений, выработать рекомендации по их устранению, чему и посвящена данная работа.

Цель диссертации - повышение энергоэффективности тягодутьевого тракта и надежности системы управления процессом горения в котлоагрега-тах средствами регулируемого электропривода.

Предметом исследований является электропривод дымососа как составляющая электрооборудования и систем автоматического регулирования водогрейного котла.

Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы и решены решены следующие задачи:

- анализ технологического процесса работы котлоагрегата в составе комплекса оборудования централизованной системы тепло-водоснабжения. Определение и классификация основных физических величин, влияющих на разрежение в топке котла;

- разработка и реализация в среде Ма1:1аЬ/81тиНпк математических моделей элементов котлоагрегата с учётом их взаимосвязей. Оценка их статических и динамических характеристик в различных режимах работы;

- синтез контура регулирования разрежения. Исследование влияния естественной тяги и настроек электропривода дымососа на показатели качества регулирования разрежения;

- разработка нового алгоритма управления, позволяющего средствами регулируемого электропривода оптимизировать процесс горения независимо от условий работы котла. Апробация алгоритма на реальном технологическом объекте.

Методы исследования. При решении поставленных в диссертационной работе задач использованы: положения теории автоматизированного электропривода, теории автоматического управления, методы компьютерного моделирования (в программных комплексах Р1о\уУ1зюп и Май аЬ/Б ¡тиИпк).

Все экспериментальные данные получены посредством наблюдения и регистрации показаний на действующих тепловых станциях Москвы без ущерба для комфортности населения.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждена совпадением основных теоретических результатов, полученных в результате компьютерного моделирования, и экспериментальных данных, полученных при реализации исследуемых систем на базе общепромышленных компонентов.

Научная новизна работы:

1. Выявлена, теоретически и экспериментально исследована проблема аварийного останова котлоагрегатов, состоящая в возникновении генераторного режима электропривода дымососа и размыкании контура регулирования разрежения.

2. На основе анализа результатов компьютерного моделирования установившихся режимов течения воздушного потока в турбоагрегате при различных соотношениях частоты вращения и объемного расхода разработана процедура расчёта рабочих характеристик в широком диапа-

зоне изменения частоты вращения и расхода с использованием каталожных характеристик вентиляторов.

3. Предложена математическая модель, учитывающая влияние естественной тяги дымового тракта на качество регулирования разрежения и позволяющая разрабатывать алгоритмы управления электроприводом дымососа.

4. Разработан и экспериментально подтверждён в условиях промышленной эксплуатации алгоритм регулирования разрежения в топке котла, заключающийся в использовании второго канала регулирования для предотвращения генераторного режима электропривода дымососа и аварийного останова котлов.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Результаты теоретического и экспериментального исследования проблемы аварийного останова котлоагрегатов, состоящей в возникновении генераторного режима электропривода дымососа и размыкании контура регулирования разрежения.

2. Процедура расчета рабочих характеристик дымососа и дутьевого вентилятора в широком диапазоне изменения частоты вращения и расхода, включая режим наличия самотяги в газовоздушном тракте котла.

3. Математическая модель централизованной системы теплоснабжения, учитывающая влияние естественной тяги дымового тракта на качество регулирования разрежения и позволяющая разрабатывать алгоритмы управления электроприводом дымососа.

4. Алгоритм регулирования разрежения в топке котла, заключающийся в использовании второго канала регулирования для предотвращения генераторного режима электропривода дымососа и аварийного останова котлов.

Основные практические результаты диссертации состоят в разработке предложений по реализации различных вариантов систем управления

электроприводом дымососа, обеспечивающих оптимальный процесс горения независимо от условий работы котла. Практическое решение имеет «Устройство для регулирования режима горения в топке котла», на которое получен патент на полезную модель.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на VI Международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2010, обсуждались на заседании кафедры Автоматизированного электропривода федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 печатные работы, все в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых Высшей Аттестационной Комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации. Получен патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 45 наименований и приложений. Ее содержание изложено на 153 страницах машинописного текста, включает 86 иллюстраций и 4 таблицы.

Глава 1. ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА В КОТЛОАГРЕГАТАХ СРЕДСТВАМИ РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

1.1. Технологические особенности сжигания топлива

В основе технологии производства тепла лежит процесс горения. В топку котлоагрегата подаются топливо и воздух, и в результате совокупности быстрых экзотермических реакций окисления горючих составляющих топлива выделяется значительное количество тепловой энергии и дымовых газов.

Процесс горения входящих в состав топлива химических элементов приводит к образованию тепла, двуокиси углерода СО2, водяных паров, а также токсичных соединений оксидов азота ЫОх и угарного газа СО. Причём, при большом выделении указанных химических соединений падает КПД котла. Поэтому для уменьшени�