автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Управление режимами работы котельных установок в автономных системах теплоснабжения

На правах рукописи

Казаков Максим Юрьевич

УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМАМИ РАБОТЫ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК В АВТОНОМНЫХ СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

05.13.06-Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комсомольск-на-Амуре

О 5 СЕН 2013

005532506

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (КнАГТУ) на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок»

Научный руководитель: Гринкруг Мирон Соломонович, кандидат

технических наук, доцент кафедры «Общая физика» ФГБОУ ВПО «КнАГТУ»

Официальные оппоненты: Амосов Олег Семенович, доктор технических

наук, профессор, заведующий кафедрой «Промышленная электроника» ФГБОУ ВПО «КнАГТУ»

Слободенюк Андрей Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Тепловозы и тепловые двигатели» ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

Ведущая организация: ОАО "Хабаровская

энерготехнологическая компания"

Защита состоится « 27 » сентября 2013г. в 13 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.092.04 в ФГБОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27, ауд. 201-3, e-mail: kepapu@knastu .ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Комсомольского-на-Амурс государственного технического университета.

Автореферат разослан « 23 » августа 2013 г.

Ученый секретарь sz

диссертационного совета Д 212.092.04 —" В.И. Суздорф

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы обусловлена необходимостью уменьшения потерь энергии в процессе ее производства на котельных, а также ростом стоимости тепловой энергии и топлива для ее выработки.

В большинстве малых населенных пунктов отопление осуществляется котельными небольшой производительности, значительная часть которых работает на твердом топливе. Управление режимами работы таких котлов не оптимизировано, что приводит к снижению эффективности их работы. Кроме того, отсутствует методика оптимального выбора устанавливаемых котлов при проектировании таких котельных.

Вопросам теории и практики проектирования и оптимизации режимов работы котельных, системам автоматизации котельных посвящены работы Ю.Л. Гусева, Л.М. Фейерштейна, Л.С. Этингена, Г.Г. Гохбайма, Л.С. Клюева, А.Г. Товарнова, И.С. Берсенева, М.А. Волкова, Ю.С. Давыдова, Б.В. Глазова, А.Х. Дубровского, A.A. Клюева, D. Lindsley! М. Malek. Вместе с этим теория и методология режимов работы котельных на твердом топливе с периодической загрузкой исследованы не достаточно.

Особенностью малых котельных является периодическая подача твердого топлива и, вследствие этого, неравномерность процесса горения по времени. В научной литературе эти процессы не рассмотрены.

Следствием указанных особенностей является повышенный расход топлива на котельной.

Объектом исследования являются режимы работы котельных малой производительности с периодической загрузкой твердого топлива.

Предметом исследования являются методики выбора устанавливаемых котлов на котельной, процесс выработки тепла на котельной при одновременной работе нескольких котлов, характеристики процесса горения в топке котла, системы управления режимами работы котлов.

Целью работы является повышение энергоэффективности процессов выработки тепла на котлах небольшой производительности с периодической загрузкой твердого топлива путем оптимизации режимов работы и разработки теоретических аспектов синтеза структуры и параметров котельной.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих методик выбора котлов при проектировании котельной и выработать рекомендации по выбору котлов.

2. Провести анализ характеристик и режимов работы существующих твердотопливных котлов небольшой производительности с периодической загрузкой топлива.

3. Разработать методику распределения нагрузки между несколькими одновременно работающими котлами с целью уменьшения суммарного расхода топлива.

4. Разработать программное обеспечение для определения оптимального состава котлов на котельной из условия минимизации годового расхода топлива.

5. Разработать математическую модели процесса горения топлива при периодической загрузке.

6. Разработать систему автоматического регулирования работы котельной, которая должна определять оптимальный состав рабочих котлов по прогнозируемой нагрузке котельной, распределять нагрузку между котлами, осуществлять управление подачей воды, топлива и воздуха в условиях неравномерности процесса горения топлива при периодической загрузке.

Методы исследования основаны на математическом моделировании исследуемых процессов, программировании. Использовались современные пакеты прикладного программного обеспечения MathCAD, Excel, система программирования Visual Basic for Application. Также были проведены экспериментальные исследования работы котлов с периодической загрузкой твердого топлива.

Научная новизна заключается в:

1. Разработке системы автоматики котлов малой производительности с периодической загрузкой твердого топлива, учитывающей неравномерность горения во времени. Предложенная система автоматического регулирования работы котельной учитывает прогноз температуры наружного воздуха для определения оптимального состава рабочих котлов. Регулирование подачи топлива происходит за счет изменения периода загрузки или массы загружаемого топлива. Регулировать подачу воздуха предлагается по измеряемым показателям содержания кислорода и угарного газа в уходящих газах, их температуре и разряжении в топке. Предложенный способ позволит достичь максимального значения химического коэффициента полезного действия работы котла.

2. Создании математической модели горения топлива в котле при периодической загрузке, учитывающей неравномерность горения во времени и получении новых результатов, позволяющих прогнозировать выработку тепла котлом во времени.

3. Создании алгоритмов и программного обеспечения для расчета оптимальных параметров и режимов работы котлов на котельной, учитывающих прогнозируемую нагрузку и определяющих моменты запуска и остановки котлов для снижения расхода топлива.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика определения оптимального распределения нагрузки между несколькими одновременно работающими котлами

2. Методика определения оптимальной структуры котельной с целью минимизации годового расхода топлива

3. Математическая модель горения топлива в котле при периодической загрузке топлива, учитывающая неравномерность горения топлива.

4. Способы управления котельной для повышения среднего коэффициента полезного действия процесса выработки тепла.

Практическая значимость заключается в:

1. Разработанной методике обеспечивающей эффективное распределение нагрузки между установленными котлами с целью уменьшения суммарного расхода топлива.

2. Разработанном программном обеспечении, позволяющем определять состав котлов на котельной, обеспечивающий наибольшую эффективность в заданных условиях.

3. Разработанной системе автоматики твердотопливных котлов малой производительности, учитывающей неравномерность процесса горения и повышающей средний во времени кпд котлов.

Основные результаты диссертационной работы были получены автором в ходе исследований, выполнявшихся в рамках научно-исследовательской работы «Автономные системы децентрализованного энергообеспечения (кластерные энергосберегающие системы выработки, транспорта и преобразования тепловой и электрической энергии)».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на:

международной научно-технической конференции «Электротехнические комплексы и системы», г. Комсомольск-на-Амуое 2010; '

международной научно-практической конференции «Энергосбережение в теплоэлектроэнергетике И

теплоэлектротехнологиях», г. Омск, 2010;

- II Международной научно-практической конференции г Пенза

2011;

- V Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов», Благовещенск, 2011;

- Международном научном форуме студентов, аспирантов и 2012>ДЫХ УЧ6НЫХ °ТраН Азиатско-Тихоокеанского региона, Владивосток,

- Всероссийской молодежной конференции «Горение твердого топлива», Томск, 2012.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 статей и тезисов, включая одну статью в журнале, рекомендованном ВАК РФ. На созданный в процессе диссертационного исследования программный продукт получено свидетельство об официальной регистрации программы для

ЭВМ №2012619358. Также подана заявка на регистрацию патента на способ снижения расхода топлива на котельных.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и одного приложения, в котором представлены акты о внедрении результатов диссертационной работы. Общий объем диссертации 138 страниц машинописного текста, в том числе 42 рисунка и 16 таблиц.

Автор выражает большую благодарность и признательность кандидату технических наук, Ткачевой Юлии Ильиничне за оказанную помощь в планировании работы, обсуждении научных результатов и большую консультативную работу при написании и представлении данной работы к защите.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работ, поставлены цель и задачи, показаны научная новизна и практическая ценность, перечислены методики проведения, апробация и реализация выполненных исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе были проанализированы:

1) потери энергии при выработке тепловой энергии на котельной;

2) методики выбора состава котлов на котельной;

3) способы распределения нагрузки между несколькими работающими котлами;

4) системы автоматики, реализованные на современных малых котельных.

По результатам анализа литературных источников и исследования автономных энергосистем можно сделать следующие выводы:

1. Существующая методика выбора котлов не ориентирована па достижение минимального годового расхода топлива.

2. При распределении нагрузок между котлами не учитывается возможность достижения минимального суммарного расхода топлива.

3. Основная часть котельных работает на твердом топливе. Количество таких котельных составляет 87%. Вследствие использования твердого топлива, его загрузка в топку осуществляется периодически. В большей части котельных осуществляется ручная подача топлива, хотя и встречаются котельные с автоматической подачей. Особенностью процесса горения в таких котлах является изменение параметров горения во времени.

4. Системы автоматики малых котельных, работающих на твердом топливе, не развиты. Регулирование подачи воздуха в соответствии с процессом горения обычно не осуществляется, вследствие чего наблюдаются существенные колебания коэффициента избытка воздуха, приводящие к увеличению потерь с уходящими газами.

Также в первой главе проводится анализ характеристик котельных малой производительности Хабаровского края и исследование возможности повышения эффективности их работы.

Была собрана информация по организациям Хабаровского края, обеспечивающим отопление и горячее водоснабжение.

Распределение котельных по количеству установленных котлов и количеству котлов, находящихся в работе, представлены на рисунках 1 и 2.

0,35 -|------_

0,3--------

| 0,25-----—--

дачобщ °-2 -----

0,15----------

0,1-- -----

0,05-------

1 23456789 10

п ->

Рисунок 1 - Гистограмма распределения котельных по количеству установленных котлов

На 92% котельных установлено от двух до шести котлов.

0,5 1---------

0,4--Г=п---

0,3 - --

№Ыобщ°>2 "

0,1 ---

1 2 3 4 5 6

Рисунок 2 - Гистограмма распределения котельных по количеству котлов, находящихся в работе

На 40% котельных в работе находится один котел, еще на 39% котельных - в работе два котла.

В таблице 1 представлено распределение котельных по виду используемого топлива. Большая часть котельных (87%) работает на твердом топливе - каменном, буром угле, дровах и древесной щепе.

В течение года нагрузка на котельных существенно изменяется и варьируется от максимальных значений в декабре-январе до минимальных в мае-октябре.

Таблица 1.

Распределение котельных по видам используемого топлива

Вид топлива Процент использования

твердое топливо 87,0%

жидкое топливо 11,2%

газ 1,8%

На 85% котельных минимальная месячная нагрузка составляет не более 40% от максимальной.

Осредненный относительный график изменения нагрузки котельных в течение года для котельных без горячего водоснабжения представлен на рисунке 3.

0,9 - ___,-

0,8 - _______

0,7 - ------

| 0,6 - -

О^шах -

0,4 - ---

0,3 - ____

0,2 - -

0.1 - _

0 -I-----1=---,-,-1 __

янв фев мар апр май игон июл авг сен окт ноя дек

месяц -►

Рисунок 3 - Осредненный относительный график изменения нагрузки котельных в течение года для котельных без горячего водоснабжения

Значения нормативного удельного расхода условного топлива на отпущенную тепловую энергию для твердотопливных котельных находится в пределах от 172 до 320 кг у.т./Гкал. Средневзвешенное значение составляет 207 кг у.т./Гкал.

86% твердотопливных котлов, находящихся в работе, имеют коэффициент полезного действия от 60% до 80%.

Автором были проведены экспериментальные исследования котлов при периодической загрузке твердого топлива.

Во время испытаний измерялись следующие параметры работы котлов:

- содержание кислорода, угарного газа и температура уходящих газов. Замеры производились с интервалом в 1 минуту с помощью газоанализатора марки АНКАТ-310.

- температура воды в прямом и обратном трубопроводе. Замеры производились с интервалом 1-3 минуты с помощью пирометра марки Кельвин или штатных термометров.

- расход воды на входе или выходе из котла измерялся с помощью ультразвукового расходомера ЯКеатЬих - 700Р.

На рисунках 4, 5 показаны полученные в процессе испытаний типичные зависимости параметров горения топлива и работы котлов от времени на обследованных котлах, Загрузка топлива в первый котел производилась вручную, во второй - автоматической системой подачи топлива каждые четыре минуты.

1

360

• : |: 1;

V г

■ а д ---------

!

1 1

• •

15:26 1530 15:35 15:40 15:45 15:5С

15:55 1&00 16:05 16:10

а - коэффициент избытка воздуха; I - температура уходящих газов, °С;

42 - потери с уходящими газами, %

Рисунок 4 - Зависимости параметров процесса горения от времени для котла с ручной подачей топлива

Анализируя процесс горения топлива в котле, можно отметить следующие особенности. После загрузки топлива наблюдается короткий период времени длительностью 1-2 минуты, когда значение коэффициента избытка воздуха резко увеличивается. Это можно объяснить тем, что в это время вновь загруженное топливо еще не разгорелось, но оно затрудняет горение топлива в нижних слоях. Затем наблюдается значительное падение значения коэффициента избытка воздуха. В это время происходит интенсивное разгорание и горение заброшенного топлива. Затем масса горящего топлива постепенно уменьшается и коэффициент избытка воздуха увеличивается.

6 5

4

3

2 I 0

а - коэффициент избытка воздуха; I - температура уходящих газов, °С; - потери с уходящими газами, %

Рисунок 5 - Зависимости параметров процесса горения от времени для котла с автоматической подачей топлива

При работе котлов наблюдаются значительные колебания величины потерь с уходящими газами, синхронные с колебаниями коэффициента избытка воздуха. Максимальное значение потерь с уходящими газами в среднем в 2,15 раз выше чем минимальные, что говорит о значительной неравномерности горения топлива. Стоит отметить, что при автоматизированной подаче топлива колебания параметров горения ниже, чем при ручной.

Максимальные значения температур в среднем в 1.2 раза превышают минимальные значения. Среднее значение температуры уходящих газов превышают величину 200°С, что является избыточным. Это также повышает потери с уходящими газами.

Таким образом, в настоящее время эксплуатация малых котельных, работающих на твердом топливе, характеризуется следующими факторами, снижающими экономичность работы:

1) Существующая в настоящее время практика установки на котельных однотипных котлов не является оптимальной с точки зрения минимизации годового расхода топлива с учетом меняющейся месячной загрузки котельной. Выбор котлов должен производиться на основе решения оптимизационной задачи.

2) Отсутствие системы рационального распределения нагрузки между несколькими одновременно работающими котлами.

3) Работа котлов на нагрузке, меньшей номинальной.

1 Л л / \ 1 1

___

V 1

'6:30_16:35 16:40 16:15 16:50 16:55

I ■■■>■■■« —.—1.-е I

4) Отсутствие системы автоматики горения на большинстве котельных. Это не позволяет регулировать количество подаваемого воздуха в соответствии с параметрами процесса горения, что приводит к росту расхода топлива на выработку тепла.

5) Периодичность загрузки топлива, которая, ввиду отсутствия автоматики горения, приводит к существенным колебаниям коэффициента избытка воздуха, что снижает средний кпд работы котлов.

Во второй главе поставлена задача выбора оптимального состава котлов на котельной и распределения нагрузки между котлами из условия минимизации годового расхода топлива и приведен алгоритм ее решения.

Для определения состава котлов на котельной необходимо решить оптимизационную задачу. Целевой минимизируемой функцией является годовой расход топлива котельной:

к

где Ок - годовой расход топлива каждого котла.

°к = £ Вис ■ Р;к '1 " + »*.„„ -Екшш -Ль«ш '0.65 ч + пкгор •£;.„„„ -Ркти 0,3ч

/

где Р/к И g.i - теплопроизводителыюсть (Гкал/ч) и удельный расход условного топлива (кг у.т./Гкал) при данной теплопроизводительности кого котла на ¡-ом режиме, причем некоторые Р.л = = О, если к-ый котел в ¡-ый час отключен, л, - количество запусков к-ого котла из холодного состояния в течение года, п, .^ - количество запусков к-ого котла из горячего состояния в течение года, ёкип - номинальный удельный расход условного топлива к-ого котла, кг у.т./Гкал, Рктм - номинальная теплопроизводительность к-ого котла, Гкал/ч.

Для определения нагрузки в каждый час отопительного периода используются значение максимального среднесуточного расхода тепла на отопление, график изменения среднесуточной температуры воздуха в течение года, график колебаний температуры в течение дня, температурный график, в котором указано какие значения температуры воды должны обеспечиваться в прямом и обратном трубопроводах при каждом значении температуры наружного воздуха.

Значение в находится для каждого набора, состоящего из одного, двух, трех или четырех котлов, выбираемых из исходного списка. Набор, обеспечивающий минимальное значение О, и является искомым.

Для определения каждого значения в из имеющегося набора котлов генерируются всевозможные комбинации рабочих котлов. Для каждой комбинации рассчитывается минимальный расход топлива на нагрузке Р требуемой в каждый час отопительного периода, если данная комбинация может обеспечить такую нагрузку. При этом при одновременной работе нескольких котлов требуется определить оптимальное распределение нагрузки между котлами.

Для этого необходимо решить следующую систему уравнений: В, =g](/i)-/>1

в2 =52(^2)-Л

в n=g„(P„)-P„ Р\+Р2+:.+ РП=РП где В; - расход топлива i-ым котлом за рассчитываемый час, кг.

При этом. В, + в, +... + вп -> min .

Решив данную систему, получим, что оптимальное распределение нагрузки между несколькими одновременно работающими котлами находится из условия равенства всех производных расходов топлива по теплопроизводительности:

В\'р, =В2'р2=-= вп'р„ ■

При этом должно быть выполнено соотношение равенства суммы теплопроизодительностей всех котлов требуемой нагрузке:

Pi+P2+... + P„ = PH

Решение полученных уравнений находится численно методом двоичного поиска.

Для расчета минимального расхода топлива за год используется метод динамического программирования, в котором учитываются затраты топлива на растопку запускаемых котлов.

Затраты на растопку каждого котла принимаются равными 30% от часового расхода топлива при работе на номинальной нагрузке в случае растопки из горячего состояния (котел не был в работе менее 12 часов) и 65% - в случае растопки из холодного состояния (от 12 часов и выше).

Рассчитав значение годового расхода топлива G для каждого возможного набора котлов, определяем какой из наборов обеспечивает наименьшее значение.

По описанной методике автором была разработана программа, с помощью которой были произведены расчеты по определению оптимального состава котлов на котельной при оптимальном распределении нагрузки между несколькими одновременно работающими котлами.

Результаты расчетов при максимальном количестве котлов 1, 2 и 3 представлены ниже. Использование четырех котлов практически не дает уменьшения годового расхода топлива.

На рисунке б представлена зависимость среднегодового удельного расхода условного топлива от величины максимального суточного расхода тепла.

188 186 184

| 182 180 178

кг у.т./Гкал

176 174 172 170

0 5000 10000 15000

<2год, Гкал-».

.......1 котел -----2 котла -3 котла

Рисунок 6 - Среднегодовой удельный расход условного топлива при установке оптимальных котлов

Реальные суточные и сезонные изменения нагрузки котельной увеличивают удельный расход условного топлива па 2,3-5 кг/Гкал в случае установки 1 котла, на 1,6-3,7 кг/Гкал в случае использования 2 котлов и на 1,4-3,1 кг/Гкал в случае использования 3 котлов по сравнению с минимальным возможным в идеальных условиях при работе котла с постоянной нагрузкой, равной его номинальной теплопроизводительности.

Также была рассчитана суммарная мощность устанавливаемых котлов. При использовании одного котла его теплопроизводительность выбирается минимальной достаточной для обеспечения заданной нагрузки. В среднем, теплопроизводительность котла составляет 4.3-5% от максимального суточного расхода тепла.

При использовании двух котлов величина суммарной теплопроизводительность составляет 7.3-8% от максимального суточного расхода тепла, а при использовании трех котлов - 10.6-11.6%.

При оптимальном выборе котлов и регулировании в случае установки двух котлов теплопроизводительность одного из них должна составлять в среднем 40% от суммарной теплопроизводительности, а второго - 60%. В 85% случаев котел меньшей теплопроизводительности работает 790-1127 часа за год, а котел большей теплопроизводительности -3649-3986 часа. При этом котлы практически не работают вместе.

Для случая трех котлов при оптимальном выборе котлов и регулировании их теплопроизводительности составляют в среднем 25, 33 и 42% от суммарной теплопроизводительности. При этом в 85% случаев котел меньшей теплопроизводительности работает 452-838 часов в год, котел средней теплопроизводительности - 675-1117 часа, а котел большей

теплопроизводительности - 3077-3659 часа. И в этом случае котлы также практически не работают вместе.

При оптимальном выборе котлов, устанавливаемых на котельной, при каждой величине требуемой нагрузки в работу должен включаться, как правило, один котел с минимальной достаточной теплопроизводительностыо. Однако при этом следует учитывать также потери, возникающие при запуске ранее не работавшего котла.

В третьей главе построена математическая модель горения твердого топлива при его периодической загрузке.

Процесс горения твердого топлива в котле при его периодической загрузке можно разбить на три этапа:

1) разогрев топлива и испарение содержащейся в нем влаги;

2) разгорание топлива

3) сгорание топлива

Количество тепла, требуемое для разогрева топлива и испарения влаги (Гкал) равно:

_ бразогр + 8пагр.вод + биспар + 8нагр.лар 109

гДе £?разогр =т-ст -(ггор -'топ)-О-И') - количество тепла, необходимое на нагрев топлива до температуры горения, кал; &Ш1рвод =№-т-ск -(100-л,,,,) -количество тепла, требуемое для нагрева воды до 100 °С, кал; биспар = УУ-т-г - количество тепла, необходимое для испарения воды, кал; йш-рпар = № т-с„ (гух -100) - количество тепла, необходимое для нагрева пара до температуры уходящих газов, кал; ш - масса загруженного топлива, кг; V/ - массовая доля влаги в топливе; с„ - удельная теплоемкость воды, кал/кг °С; сп - удельная теплоемкость пара, кал/кг-°С; г - удельная теплота парообразования, кал/кг; ^ - температура уходящих газов, °С; 1гор - температура горения топлива, °С; 1топ - температура загружаемого топлива, °С.

На первом этапе вновь заброшенное топливо забирает часть тепла, выделяемого уже горящим топливом.

Зависимость поглощаемой мощности (Гкал/ч) от времени на этом этапе описывается уравнением:

'1 'Г где 11 - длительность первого этапа, ч.

На втором этапе заброшенное топливо постепенно разгорается.

Принимается, что разгорание происходит одинаково по ширине слоя, а скорость разгорания постоянна. При этом разгоревшееся топливо начинает сгорать и выделять тепловую энергию.

Скорость сгорания топлива (кг/с) пропорциональна массе горящего топлива:

где к - коэффициент скорости сгорания топлива, определяющий какая часть горящего топлива сгорает за секунду, с"1.

Масса горящего топлива на этом этапе увеличивается в связи с разгоранием части загруженного топлива и уменьшается в связи с полным сгоранием части горящего топлива.

Этот процесс описывается следующим дифференциальным уравнением:

с/т

-— м — кт

Л гор

где V - скорость разгорания топлива, кг/с;

Скорость разгорания топлива определяется по формуле:

т •(!-№')

у =-^-¿

'2

где ш - масса загруженного топлива, кг, 12 - время окончания второго этапа, ч.

Решение исходного дифференциального уравнения записывается в

виде:

Тогда выделяемая мощность на втором этапе = = Я 1-е""), 0<!<!-, где q - теплота сгорания топлива, ккал/кг.

На третьем этапе происходит только сгорание топлива. Этот процесс описывается уравнением:

с!т

Соответственно мощность, выделяемая на третьем этапе:

Загрузка топлива в топку происходит неоднократно, поэтому описанные этапы повторяются для каждой загрузки.

При этом масса загружаемого топлива т, при каждой загрузке может отличаться.

Общая мощность тепловыделения в топке от ¿-ой загрузки топлива рассчитывается по формуле:

где г, - время ¡-ой загрузки.

Общая мощность тепловыделения в топке от всех загрузок топлива

равна:

/

Выработка тепла котлом в каждый момент времени рассчитывается по формуле:

Р,ыр«) = РаГ,щ(')->1(0

Данная модель горения была реализована в математическом пакете МаЛСас! 2013.

Результаты расчетов были сопоставлены с проведенными экспериментальными исследованиями (рисунок 7).

Рвыр, ГкалД

-Вырабопа по результатам испытаний -у I, часы

.......Выработка го результатам расчетов

Рисунок 7 - Сопоставление по одному из исследованных котлов

Четвертая глава посвящена разработке системы автоматического регулирования работы малых котельных с периодической загрузкой твердого топлива.

К разрабатываемой системе управления были предъявлены следующие требования:

- она должна быть достаточно простой и недорогой с целью легкости обслуживания и использования малоквалифицированным персоналом, а также экономической обоснованности использования автоматики.

- она должна определять оптимальный состав рабочих котлов в каждый момент времени, управлять моментами включения и отключения котлов с учетом планируемой потребности в выработке тепла по прогнозу температуры наружного воздуха, рационально распределять нагрузку между несколькими одновременно работающими котлами.

- она должна учитывать периодичность загрузки топлива и возникающую вследствие этого неравномерность процесса горения. Система должна включать в себя возможность регулирования подачи воздуха в соответствии с процессом горения. Также должна быть предусмотрена возможность регулирования массы загружаемого топлива или периода загрузки.

Предложенная система включает в себя следующие элементы:

1. Контроллер для общего управления работой котельной

2. Датчик температуры наружного воздуха для определения требуемой выработки тепла котельной.

3. Отдельные датчики температуры воды на выходах и входах каждого котла, датчики расхода воды на выходах каждого котла. Параметры, измеряемые с помощью этих датчиков, позволят определять фактическую выработку тепла котлом для управления процессом подачи топлива.

4. Датчики, позволяющие определять:

- температуру уходящих газов каждого котла;

- содержание кислорода и угарного газа в уходящих газах каждого котла;

- разрежение в топке каждого котла.

Измеренные значения позволят вычислять коэффициент избытка воздуха, значение потерь с уходящими газами и значение потерь от химического недожога.

5. Сигнальное табло для оповещения оператора котельной о времени и массе подачи топлива и рекомендуемых расходах воды.

Предложенная система автоматического регулирования состоит из:

1) подсистемы определения состава рабочих котлов на основе прогнозируемой нагрузки котельной;

2) подсистемы распределения нагрузки между рабочими котлами;

3) подсистемы определения расхода воды котлами;

4) подсистемы определения массы или периода загрузки топлива;

5) подсистемы регулирования подачи воздуха.

Ниже описан принцип работы системы управления.

Контроллер получает данные о текущей температуре наружного воздуха и прогноз значений температуры на определенный период, определяет, какую нагрузку нужно обеспечить и какие котлы нужно задействовать в работе, а также необходимую выработку тепла каждым котлом и моменты загрузки или массу загружаемого топлива. Контроллер определяет необходимый расход воды через каждый котел.

Действительные значения расхода и температуры воды на выходе из котла измеряются датчиками. С помощью отдельного датчика снимаются значения температуры воды на входе в котел. На основе всех этих значений рассчитывается, какое количество тепла в действительности вырабатывает каждый котел. На основе этого значения и прогнозного значения выработки на следующий период котроллер корректирует сигнал о необходимом количестве подаваемого топлива.

Требуемая часовая выработка тепла котельной складывается из расходов тепла на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение подключенных зданий, потерь тепла в сети, собственных нужд котельной и зависит от температуры наружного воздуха. Ее можно описать формулой:

/»ы/>('нв) = ^отопл('нв)+ ^вснт('нв)+ /гвс('нв)+ ^пот + ^сн •

Температура наружного воздуха меняется с течением времени. В настоящее время можно получить достаточно точный прогноз температуры воздуха на сутки в определенной местности. Используя эти данные можно построить кубический сплайн зависимости температуры наружного воздуха от времени на каждый отрезок времени:

'нв(г) = "О + "1 • Т + а2 ■ г2 + • г3 .

где т - время (с).

Имея зависимость температуры наружного воздуха от времени можно получить прогнозное значение мощности работы котельной в каждый момент времени.

р ¡г\_ Ритша (г) + Рвешп (г)+ РГВС (г)

где к! - коэффициент потерь тепла в сети, к2 - коэффициент потерь на собственные нужды котельной.

При работе котельной требуемая нагрузка должна распределяться между установленными котлами из условия равенства производных расходов топлива по теплопроизводительностям котлов. Поэтому можно определить выработку тепла каждым котлом.

Зная требуемое количество тепла, которое должен вырабатывать каждый котел, а также требуемые значения температуры воды в прямом и обратном трубопроводе, определяемые по температурному графику согласно температуре наружного воздуха, можно определить необходимый

расход воды через каждый котел по формуле:

р

С1еыркот

" =-11-1

се ' \пр ^иб )

где

1 выр КОТ - требуемая выработка тепла котлом, Гкал/ч.

Для подачи сетевой воды в котлы на котельных присутствует, как правило, нерегулируемый насос и регулируемые клапаны на водяном тракте на каждом котле.

Подача топлива в котлы, как правило, осуществляется вручную, но также имеются котлы, оборудованные системой с шурующей планкой, на которых осуществляется автоматическая подача топлива. При автоматической подаче масса загружаемого топлива во время каждой загрузки является постоянной, а период загрузки может изменяться.

В связи с этим рассмотрены две схемы регулирования подачи топлива.

1) регулирование массы забрасываемого топлива при постоянном периоде загрузки

Так как период загрузки постоянен, то регулировать количество вырабатываемого тепла котлом нужно с помощью изменения массы загружаемого топлива. Величина изменения массы загружаемого топлива определяется из массы топлива в предыдущей загрузке, фактической выработки тепла за предыдущий период и прогнозной выработке на очередной период.

Количество тепла, фактически выработанное за последний период работы котла, определяется по формуле:

о

Qф=^■s■ \Св{'вых-1вх >// -т

где и, - температура воды на выходе из котла, °С; и - температура воды на входе в котел, °С.

Количество тепла, требуемое для выработки в очередной период, рассчитывается по формуле:

т

0

где 1ВХ ср - средняя за предыдущий период температура воды на входе в котел, °С; Ц, - прогнозное значение температуры воды в прямом трубопроводе согласно температурного графика, °С.

Увеличение массы загружаемого топлива на очередной период рассчитывается по формуле:

Ч ■ Чср

где пСр - среднее значение кпд котла за предыдущий период.

2) Регулирование периода загрузки топлива при постоянной массе загружаемого топлива для котлов, оборудованных системой с шурующей планкой

Чтобы обеспечить выработку необходимого количества тепла котлом при постоянной массе загружаемого топлива нужно регулировать период подачи топлива.

Количество тепла, фактически выработанное за последний час работы котла, определяется по формуле:

о

У/

-1

Количество тепла, требуемое для выработки в очередной час, рассчитывается по формуле:

1

о

Увеличение массы загружаемого топлива на очередной час рассчитывается по формуле:

А

Ч-Пср

Длительность очередного периода загрузки (ч): Т„., =-

л», Л/11

ТпР |ч

Регулирование подачи воздуха происходит с помощью дымососов и нагнетательных вентиляторов. На практике встречаются различные варианты систем воздухоснабжения котлов. Наиболее типичными являются:

- установка одного общего дымососа при отсутствии нагнетательных вентиляторов;

- установка одного общего дымососа при наличии нагнетательных вентиляторов для каждого котла;

- установка отдельных дымососов для каждого котла при отсутствии нагнетательных вентиляторов;

- установка отдельных дымососов и нагнетательных вентиляторов для каждого котла.

Принцип регулирования основан на минимизации суммарных потерь с уходящими газами и от химической неполноты сгорания. Это достигается при поддержании равенства приращений потерь с уходящими газами и потерь от химического недожога |д?2| = |д9з|. В случае, если

М>М необходимо уменьшать подачу воздуха, а в случае если |д?2|<|д<уЗ| - увеличивать. При этом условии химический к.п.д. котла становится максимальным.

На рисунке 8 приведена функциональная схема котельной при установке общего дымососа и индивидуальных нагнетательных вентиляторов.

Рисунок 8 - Схема комплектации котельной одним общим дымососом

при наличии нагнетательных вентиляторов для каждого котла

Был проведен сравнительный анализ работы котлов без использования системы автоматического регулирования процессом горения и с ее использованием.

В результате автоматического регулирования при работе котлов будет обеспечен оптимальный объем подачи воздуха в топку. Благодаря этому суммарная величина потерь тепла с уходящими газами и потерь от химического недожога будет минимальна.

Использование автоматики для рассмотренных котлов приводит к снижению потерь на 21-42%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

На основании выполненных в диссертационной работе исследований получены следующие основные результаты:

1. Проведен анализ котельных малой производительности. В результате анализа было выявлено, что большая часть котельных установок малой производительности работает на твердом топливе. Подача топлива в них, как правило, осуществляется периодически. Системы автоматики для таких котельных практически не развиты. Это приводит к избыточному расходу топлива на таких котельных и соответственно к снижению эффективности производства тепла. Значительная часть потерь, возникающих при производстве тепловой энергии, связана с отсутствием регулирования подачи воздуха для горения в соответствии с неравномерным процессом горения. Также на снижение эффективности работы котельных оказывает влияние неравномерность нагрузки в течение года и нерациональный выбор типов и режимов работы котлов, в частности отсутствие оптимального распределения нагрузок между работающими котлами. Теория и методология режимов работы котельных на твердом топливе с периодической загрузкой в литературе исследованы не достаточно.

2. Предложена научно обоснованная методика и разработано программное обеспечение, позволяющее определять оптимальный состав котлов на котельной из условия минимизации годового расхода топлива.

3. Разработаны теоретические основы определения оптимального распределения нагрузки между несколькими одновременно работающими котлами из условия минимизации суммарного расхода топлива.

4. Впервые разработана математическая модель горения твердого топлива при его периодической загрузке, и получены результаты, учитывающие изменение параметров горения от времени.

5. Разработана энергоэффективная система управления работой котельной. Предложенная система имеет следующие особенности. Для определения требуемой выработки котельной используется прогноз температуры наружного воздуха. Система управления на основании

прогнозируемой выработки определяет оптимальный состав рабочих котлов и эффективно распределяет нагрузку между рабочими котлами. Система управления определяет необходимый расход топлива и воды, а также осуществляет управления подачей воздуха в топки котлов. Регулирование подачи воздуха основывается на принципе минимизации суммы потерь с уходящими газами и от химического недожога.

6. Доказана экономическая эффективность выбора оптимального состава котлов, управления режимами работы котлов и внедрения системы автоматического регулирования.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

В рецензируемых журналах из списка ВАК

1. Казаков М.Ю., Гринкруг М.С., Ткачева Ю.И. «Выбор мощностей котлов на котельной из условия минимизации годового расхода топлива». Научно-технический вестник Поволжья. №5 2012г. - Казань: Научно-технический вестник Повольжья, 2012, стр 206-214.

В других изданиях

1. Гринкруг М.С., Казаков М.Ю., Ткачева Ю.И. «Особенности системы автоматизации котельных малой производительности». Международный симпозиум «Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы»: материалы международной научно-технической конференции «Электротехнические комплексы и системы» - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2010. - стр. 752. Гринкруг М.С., Казаков М.Ю., Ткачева Ю.И. «Задача выбора оптимального состава котлов для котельных малой производительности». Сборник трудов международной научно-практической конференции «Энергосбережение в теплоэлектроэнергетике И

теплоэлектротехнологиях». - г. Омск: ОГТУ, 2010, с. 85-88.

3. Гринкруг М.С., Казаков М.Ю. «Исследование характеристик котельных малой производительности хабаровского края с целью выявления возможности повышения эффективности их работы». Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах: сборник статей II Международной научно-практической конференции. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2011. - стр. 56-60.

4. Гринкруг М.С., Казаков М.Ю. «Выбор оптимального состава котлов на котельных малой производительности для достижения минимальных годовых расходов топлива». Сборник трудов V Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика-управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» -Благовещенск: ГОУВПО «АмГУ», 2011, с. 33-37

5. Казаков М.Ю. «Управление режимами работы водогрейных котлов малой мощности с ручной подачей топлива». Материалы Международного научного форума студентов, аспирантов и молодых ученых стран Азиатско-Тихоокеанского региона. Т.1/ Инженерная школа, ДВФУ. - Владивосток, 2012. -316-319 с.

6. Грннкруг М.С., Казаков М.Ю. «Математическая модель процесса горения твердого топлива в котлах малой производительности с периодической загрузкой топлива». Материалы всероссийской молодежной конференции «Горение твердого топлива», Томск 2012 сто 27-32 '

7. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2012619358 «Определение режимов работы котлов на котельной из условия минимизации годового расхода топлива котельной». Гринкруг М.С., Казаков М.Ю., Ткачева Ю.И. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 16.10.2012 г.

Казаков Максим Юрьевич

Управление режимами работы котельных установок в автономных системах теплоснабжения

Автореферат

Подписано в печать 19.08.2013 Формат 60 х 84 1/16. Бум. тип. № 3. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,4. Уч. - изд. л. 1,35. Тираж ЮОэкз. Заказ № 382

Отп. тип. ООО ПКП «Жук» 681000 г. Комсомольск-на-Амуре, ул. Павловского, 11 ИНН/КПП 2703005616/270301001 тел.: 54-40-41'

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

На правах рукописи

04201361696

Казаков Максим Юрьевич

УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМАМИ РАБОТЫ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК В АВТОНОМНЫХ СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

05.13.06-Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент, М.С. Гринкруг

Комсомольск-на-Амуре 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................ 6

ГЛАВА 1. КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ МАЛОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК............................................................................... 12

1.1. Котельные установки малой производительности.................... 12

1.1.1. Используемое топливо....................................................... 12

1.1.2. Потери, возникающие при производстве тепловой энергии................................................................................. 14

1.1.2.1. Потери тепла с уходящими газами...................... 15

1.1.2.2. Потери тепла от химической неполноты сгорания топлива................................................... 16

1.1.2.3. Потери тепла от механической неполноты сгорания топлива................................................... 17

1.1.2.4. Потери тепла от наружного охлаждения............. 18

1.1.2.5. Потери тепла с физическим теплом шлаков....... 20

1.1.3. Контрольно-измерительные приборы и системы автоматического регулирования....................................... 20

1.1.4. Выбор типа и количества устанавливаемых котельных агрегатов.............................................................................. 29

1.2. Исследование характеристик котельных малой производительности Хабаровского края.................................... 33

1.2.1. Анализ котельных установок малой производительности............................................................ 33

1.2.2. Характеристики котлов котельных установок малой производительности............................................................ 38

1.2.3. Фактические значения параметров горения топлива...... 48

Выводы по первой главе...................................................................... 54

ГЛАВА 2. ЗАДАЧА ПО ВЫБОРУ ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА КОТЛОВ НА КОТЕЛЬНОЙ ИЗ УСЛОВИЯ МИНИМИЗАЦИИ ГОДОВОГО РАСХОДА ТОПЛИВА................................................... 56

2.1. Постановка задачи.......................................................................... 56

2.2. Определение нагрузки котельной................................................. 59

2.2.1. Типовой график изменения среднесуточной температуры воздуха в течение года................................ 61

2.2.2. Типовой график колебаний температуры в течение 64 дня.........................................................................................

2.2.3. Определение температуры наружного воздуха............... 65

2.3. Алгоритм решения задачи............................................................. 66

2.4. Проведение расчетов и анализ результатов................................ 70

Выводы по второй главе...................................................................... 79

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В КОТЛАХ МАЛОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ С ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ЗАГРУЗКОЙ ТОПЛИВА............................................................................................. 81

3.1. Горение твердого топлива при периодической загрузке........... 81

3.1.1. Разогрев топлива и испарение влаги................................. 81

3.1.2. Разгорание топлива............................................................. 84

3.1.3. Сгорание топлива................................................................ 87

3.2. Расчет выработки тепловой энергии котлом............................... 88

3.3. Сопоставление результатов расчетов по математической модели с результатами испытаний............................................. 89

Выводы по третьей главе..................................................................... 98

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК МАЛОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ. 100 4.1. Общие требования к системе автоматического

регулирования............................................................................... 100

4.2. Типичный состав оборудования, применяемого на котельной....................................................................................... 101

4.3. Принципы работы системы автоматического регулирования............................................................................... 105

4.4. Расчет выработки тепловой энергии каждым котлом................ 107

4.5. Определение требуемого расхода воды котлов.......................... 111

4.6. Алгоритмы регулирования подачи топлива............................. 111

4.6.1. Алгоритм регулирования массы забрасываемого топлива при постоянном периоде загрузки................. 111

4.6.2. Алгоритм регулирования периода загрузки топлива при постоянной массе загружаемого топлива для котлов, оборудованных системой с шурующей планкой................................................................................ 113

4.7. Алгоритмы управления подачей воздуха................................. 114

4.7.1. Алгоритм регулирования подачи воздуха при

комплектации котельной отдельными дымососами и нагнетательными вентиляторами для каждого котла. 116

4.7.2. Алгоритм регулирования подачи воздуха при комплектации котельной одним дымососом и нагнетательными вентиляторами для каждого котла. 118

4.7.3. Алгоритм регулирования подачи воздуха при комплектации котельной дымососами для каждого котла при отсутствии нагнетательных вентиляторов. 120

4.7.4. Алгоритм регулирования подачи воздуха при комплектации котельной одним дымососом при

отсутствии нагнетательных вентиляторов........................................121

4.8. Сравнительный анализ эффективности применения

автоматического регулирования подачи воздуха в топку.... 123

Выводы по четвертой главе....................................................................................................................................124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................................................126

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников ПРИЛОЖЕНИЕ. АКТ ВНЕДРЕНИЯ ......................

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы обусловлена необходимостью уменьшения потерь энергии в процессе ее производства на котельных, а также ростом стоимости тепловой энергии и топлива для ее выработки.

В большинстве малых населенных пунктов отопление осуществляется котельными небольшой производительности, значительная часть которых работает на твердом топливе. Управление режимами работы таких котлов не оптимизировано, что приводит к снижению эффективности их работы. Кроме того, отсутствует методика оптимального выбора устанавливаемых котлов при проектировании таких котельных.

Вопросам теории и практики проектирования и оптимизации режимов работы котельных, системам автоматизации котельных посвящены работы Ю.Л. Гусева, JI.M. Фейерштейна, JI.C. Этингена, Г.Г. Гохбайма, JI.C. Клюева, А.Г. Товарнова, И.С. Берсенева, М.А. Волкова, Ю.С. Давыдова, Б.В. Глазова, А.Х. Дубровского, A.A. Клюева, D. Lindsley, М. Malek. Вместе с этим теория и методология режимов работы котельных на твердом топливе с периодической загрузкой исследованы не достаточно.

Особенностью малых котельных является периодическая подача твердого топлива и, вследствие этого, неравномерность процесса горения по времени. В научной литературе эти процессы не рассмотрены.

Следствием указанных особенностей является повышенный расход топлива на котельной.

Объектом исследования являются режимы работы котельных малой производительности с периодической загрузкой твердого топлива.

Предметом исследования являются методики выбора устанавливаемых котлов на котельной, процесс выработки тепла на котельной при

одновременной работе нескольких котлов, характеристики процесса горения в топке котла, алгоритмов для управления режимами работы котлов.

Целыо работы является повышение энергоэффективности процессов выработки тепла на котлах небольшой производительности с периодической загрузкой твердого топлива путем оптимизации режимов работы и разработки теоретических аспектов синтеза структуры и параметров котельной.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих методик выбора котлов при проектировании котельной и выработка рекомендаций по выбору котлов.

2. Провести анализ характеристик и режимов работы существующих твердотопливных котлов небольшой производительности с периодической загрузкой топлива.

3. Разработать методику распределения нагрузки между несколькими одновременно работающими котлами с целыо уменьшения суммарного расхода топлива.

4. Разработать программное обеспечение для определения оптимального состава котлов на котельной из условия минимизации годового расхода топлива.

5. Разработать математическую модели процесса горения топлива при периодической загрузке.

6. Разработать принципы и алгоритмы работы системы автоматического регулирования работы котельной, которая должна определять оптимальный состав рабочих котлов по прогнозируемой нагрузке котельной, распределять нагрузку между котлами, осуществлять управление подачей воды, топлива и воздуха в условиях неравномерности процесса горения топлива при периодической загрузке.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика определения оптимального распределения нагрузки между несколькими одновременно работающими котлами

2. Методика определения оптимальной структуры котельной с целью минимизации годового расхода топлива

3. Математическая модель горения топлива в котле при периодической загрузке топлива, учитывающая неравномерность горения топлива.

4. Способы управления котельной для повышения среднего коэффициента полезного действия процесса выработки тепла.

Методы исследования основаны на математическом моделировании исследуемых процессов, программировании. Использовались современные пакеты прикладного программного обеспечения MathCAD, Excel, система программирования Visual Basic for Application. Также были проведены экспериментальные исследования работы котлов с периодической загрузкой твердого топлива.

Научная новизна заключается в:

1. Разработке принципов и алгоритмов системы автоматики котлов малой производительности с периодической загрузкой твердого топлива, учитывающей неравномерность горения во времени. Предложенная система автоматического регулирования работы котельной учитывает прогноз температуры наружного воздуха для определения оптимального состава рабочих котлов. Регулирование подачи топлива происходит за счет изменения периода загрузки или массы загружаемого топлива. Регулировать подачу воздуха предлагается по измеряемым показателям содержания кислорода и угарного газа в уходящих газах, их температуре и разряжении в топке. Предложенный способ позволит достичь максимального значения химического коэффициента полезного действия работы котла.

2. Создании математической модели горения топлива в котле при периодической загрузке, учитывающей неравномерность горения во времени и получении новых результатов, позволяющих прогнозировать выработку тепла котлом во времени.

3. Создании алгоритмов и программного обеспечения для расчета оптимальных параметров и режимов работы котлов на котельной, учитывающих прогнозируемую нагрузку и определяющих моменты запуска и остановки котлов для снижения расхода топлива.

Практическая значимость заключается в:

1. Разработанной методике обеспечивающей эффективное распределение нагрузки между установленными котлами с целью уменьшения суммарного расхода топлива.

2. Разработанном программном обеспечении, позволяющем определять состав котлов на котельной, обеспечивающий наибольшую эффективность в заданных условиях.

3. Разработанных алгоритмах управления подачей воздуха и топлива в топку котла.

Основные результаты диссертационной работы были получены автором в ходе исследований, выполнявшихся в рамках научно-исследовательской работы «Автономные системы децентрализованного энергообеспечения (кластерные энергосберегающие системы выработки, транспорта и преобразования тепловой и электрической энергии)».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на:

международной научно-технической конференции

«Электротехнические комплексы и системы», г. Комсомольск-на-Амуре, 2010;

международной научно-практической конференции

«Энергосбережение в теплоэлектроэнергетике и теплоэлектротехнологиях», г. Омск, 2010;

- II Международной научно-практической конференции, г. Пенза, 2011;

- V Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов», Благовещенск, 2011;

- Международном научном форуме студентов, аспирантов и молодых ученых стран Азиатско-Тихоокеанского региона, Владивосток, 2012.

- Всероссийской молодежной конференции «Горение твердого топлива», Томск, 2012.

- XV Краевом конкурсе молодых учёных и аспирантов, г. Хабаровск,

2013.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 статей и тезисов, включая одну статью в журнале, рекомендованном ВАК РФ. На созданный в процессе диссертационного исследования программный продукт получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2012619358. Также подана заявка на регистрацию патента на способ снижения расхода топлива на котельных.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и одного приложения, в котором представлен акт о внедрении результатов работы. Общий объем диссертации 138 страниц машинописного текста, в том числе 42 рисунка и 16 таблиц.

Автор выражает большую благодарность и признательность кандидату технических наук, Ткачевой Юлии Ильиничне за оказанную помощь в планировании работы, обсуждении научных результатов и большую

консультативную работу при написании и представлении данной работы к защите.

ГЛАВА 1

КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ МАЛОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК

1.1. Котельные установки малой производительности

Котельная установка представляет собой комплекс устройств, размещенных в специальных помещениях и служащих для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию пара или горячей воды [36].

Назначение котельной установки определяет ее производительность.

Производительность котельной установки или ее мощность складывается из производительности отдельных котлов, входящих в ее состав [24].

Под номинальной теплопроизводительностью котла понимают наибольшую нагрузку (Гкал/ч), которую котел должен обеспечивать в длительной эксплуатации при сжигании основного топлива [18].

Водогрейные котлы бывают малой (4—65 кВт), средней (70—1750 кВт) и большой (от 1,8 МВт) мощности [13].

1.1.1. Используемое топливо

По виду сжигаемого топлива различают котлы для газообразного, жидкого и твердого топлива [49].

Для характеристики качества топлива используется такой показатель, как теплота сгорания топлива - это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива (размерность ккал (МДж/кг)) или 1 м газового топлива (ккал/м ). Количество теплоты, выделившееся при полном сгорании топлива, зависит от того, в каком агрегатном состоянии находится в продуктах сгорания влага (выделившаяся из топлива и образовавшаяся в результате сгорания водорода) - в

парообразном или жидком. Если в продуктах сгорания все водяные пары конденсируются и образуют жидкую фазу, то теплота сгорания называется высшей (^ц. Если же конденсации водяного пара не происходит, то теплоту сгорания называют низшей С)п. Разница между высшей и низшей теплотами сгорания равна теплоте конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания топлива [49, 24, 20, 59].

Связь между высшей и низшей теплотами сгорания определяется выражением

где г„ - теплота конденсации водяного пара, принимаемая равной 2,51 МДж/кг; в,, 0 -масса влаги, кг, содержащейся в продуктах сгорания 1 кг топлива.

В реальных условиях продукты сгорания топлив в подавляющем большинстве случаев покидают котельные установки при температуре более высокой, чем температура, при которой происходит конденсация содержащихся в них водяных паров, т.е. выше температуры точки росы. При этом теплота конденсации водяных паров полезно не используется и в тепловых расчетах не учитывается. В связи с этим в теплотехнических расчетах используется величина С^ [59].

Большая разница в величине теплоты сгорания различных видов топлива затрудняет в некоторых случаях проведение сравнительных расчетов, например, при выявлении запасов топлива, при оценке целесообразности применения разных сортов топлива и пр. Поэтому вводится понятие о так называемом условном топливе. Условным называется топливо с теплотой сгорания, равной 7000 ккал/кг или 29,31 МДж [24].

Для перевода действительного топлива в условное пользуются соотношением:

вусл=в(^/о

где - низшая теплота сгорания фактически используемого рабочего

топлива; (Зусл - теплота сгорания условного топлива.

Величину Х = (3£/(3усл называют тепловым эквивалентом данного топлива [49].

1.1.2. Потери, возникающие при производстве тепловой энергии

Не все тепло, вносим