Система управления котлом

Автоматизация это высший этап машинного производства, когда человек частично или полностью освобождается от выполнения операций регулирования и управления.

Цель дипломного проекта – произвести автоматизацию процесса парообразования в котле ДКВР-20-13 на  «Третьем Березниковском калийном производственном рудоуправлении» ОАО «Уралкалий».[1]

 

5. Описание технологического процесса

 

Современная котельная установка  представляет собой сложное техническое сооружение. Она состоит из котельного агрегата ДКВР-20-13 и котельного вспомогательного оборудования. Продукцией котельного цеха является насыщенный водяной пар требуемых параметров, используемый на технологические нужды.

В состав котельного агрегата входят: паровой котёл, топка, водяной экономайзер, обмуровка, а также арматура.

Котёл типа ДКВР-20-13 представляет собой  вертикально-водотрубный двухбарабанный паровой котёл с естественной циркуляцией. Котёл имеет два одинаковых по длине и диаметру барабана. Топочная камера полностью экранирована трубами. Для повышения экономичности работы котёл снабжают чугунным водяным экономайзером, который позволяет снизить температуру уходящих газов.

К вспомогательному котельному оборудованию относятся тягодутьевые и питательные устройства, оборудование водоподготовки, топливоподачи, системы шлакозолоудаления и золоулавливания, а также контрольно-измерительные приборы и средства автоматизации.

В качестве основного топлива на производстве используется попутный нефтяной газ, в качестве резервного топлива мазут.

Ниже на рисунке 1.1 приведена структура  производства пара.

 

Рисунок 1.1 – Структура производства пара

 

Насыщенный водяной пар используется на технологические нужды других основных цехов, горячая хозяйственно-питьевая вода поступает в систему хозяйственно-питьевого  водоснабжения и используется на хозяйственно-бытовые нужды. Характеристики основного сырья и энергоресурсов приведены ниже в таблице 1.1.

 

Таблица 1.1

Характеристики основного сырья  и энергоресурсов

№ п/п	Наименование	Показатель	Норма
1	2	3	4
1	Исходная вода	Общая жесткость, мг·экв/дм3 Щелочность общая, мг·экв/дм3 Хлориды, мг·экв/дм3	22,0 1,5-2,6 Не нормируются
2	Кварцевый песок	Размер зерен, мм	0,5-1,5
3	Катионит марки КУ2-8 ГОСТ 20298-74	Размер зерен, мм	0,3-1,25
4	Топливо нефтяное мазут ГОСТ 10585-99, Марка 100	Вязкость кинематическая, сСт при 80 °С, не более Температура вспышки в  открытом тигле, °С, не более Массовая доля механических примесей, %, не более Массовая доля воды, %, не более  Теплота сгорания (низшая) в  пересчете на сухое топливо кДж/кг, не менее	118   110   1,0 1,0 39900
5	Попутный нефтяной газ	Теплота сгорания низшая, МДж/м3 (ккал/м3) при 20°С и 101,325 кПа, не менее Область значений числа Воббе (низшего) МДж/м3 (ккал/м3) Объемная доля кислорода, %, не более Масса механических примесей в 1 м3, не более Давление, МПа	31,8 (7600) 41,2-54,5 (9850-13000) 1,0   0,001 0,5-0,6

 

Продукцией паровой котельной  является насыщенный водяной пар  и горячая хозяйственно-питьевая вода, характеристики которой приведены в таблице 1.2.

 

Таблица 1.2

Характеристики продукции

№ п/п	Наименование	Показатель	Норма
1	Насыщенный водяной пар	Общая жесткость, Мкг·экв/дм3, не более Температура, °С, не более Давление, МПа, не более	15 160 0,7
2	Горячая хозяйственно-питьевая вода	Температура, °С, не более Давление, МПа, не более	70 0,6

 

Процесс получения пара протекает  в следующем порядке. Центробежными  насосами питательная вода непрерывно подается в барабан котла. Ее давление составляет 14 кгс/см², это выше чем давления вырабатываемого пара. Прежде чем попасть в барабан котла, питательная вода с расходом 15-25 т/ч в зависимости от нагрузки проходит через экономайзер позиция 3, подогреваясь до температуры примерно на 40 °С ниже, чем температура насыщенного пара в котле примерно 190 °С. Барабан котла позиция 6 служит распределителем котловой воды и сборником образующего пара. С помощью опускных труб вода из барабана поступает в нижние коллекторы (сборники или распределители), к которым присоединяются трубы экранов, вертикально установленные по внутренним стенкам топочной камеры. Другим концом экранные трубы присоединяются к барабану котла. Как говорилось, экранные трубы представляют поверхность нагрева котла и предназначены для получения пара, кроме того, они защищают стенки топочной камеры от температуры. В результате радиационного (лучевого) нагрева экранных труб находящаяся в них вода закипает, образовавшиеся пузырьки пара стремятся вверх, увлекая за собой еще не вскипевшую воду. По направлению к барабану котла в трубах экрана образуется поток пароводяной смеси. Так как гидростатическое давление пароводяной смеси (эмульсии) в экранных трубах меньше, чем вес столба воды в опускных трубах, то в замкнутой гидравлической системе (барабан котла — опускные трубы — нижние коллекторы — экранные трубы — барабан котла) образуется устойчивое движение (естественная циркуляция).

Продукты сгорания сначала охлаждаются  в топочной камере котла ДКВР 20-13 позиция 5, отдавая тепло радиационным способом экранным трубам, затем охлаждаются за счет конвекции, проходя через экономайзер позиции 3. Дымовые газы (продукты сгорания) из топки с температурой 360°С и разряжением -0,94 кПа, отсасываются дымососом позиция 4, проходят через водяной экономайзер позиции 3, на выходе температура устанавливается 200 °С выбрасываются через дымовую трубу в атмосферу. Для обеспечения нормального режима горения топлива в топку вентилятором позиция 1 подается воздух.

Таким образом в топку котла  подаются топливо с температурой +5 °С, с расходом 1500 нм³/ч, давлением газа до заслонки 3,8 кПа, давление газа после заслонки 3,7 кПа и давление воздуха 1,9 кПа. В барабан котла подается питательная вода, а отбирается водяной насыщенный пар, расход которого составляет 10-20 т/ч. Регулирование процессов горения и питания паровых котлов сводится к управлению подачей топлива, воздуха, тяги и воды. Способ регулирования процесса горения определяется в первую очередь способом сжигания топлива и конструкцией топочного устройства.

Подача воды в барабан котла  регулируется таким образом, чтобы  уровень воды в барабане, оставался  на уровне 0 мм., то есть уровень воды держался середины барабана. Таким образом, парообразование получается максимальным, что повышает производительность котла.[4,5]

 

6. Разработка системы оптимального управления паровым котлом

 

В данном разделе составляется математическое описание процесса процесса парообразования в котле ДКВР-20-13 с реализацией в пакете Mathcad 2000. Производится расчет системы оптимального управления процессом парообразования.

 

5. Разработка математической модели процесса парообразования

 

В большей мере на весь процесс  парообразования будет влиять Т ˚С пламени, подаваемого на экран, состоящий из блока труб. Регулируя расход газа изменяем давление пара в барабане котла за счет изменения соотношение расхода газ-воздух из за чего происходит изменение температуры пламени, следствием чего является изменение температуры воды в котле и температура пара, а так же давление пара. Давление пара может изменяться ещё из-за потребительских нужд. Температура окружающей среды не может быть принята в качестве возмущения, так как сам котлоагрегат находится в помещении (температура колеблется +15 ˚С ÷ 35 ˚С).

В качестве исходных данных при построении математической модели приняты лишь формулы без численных значений, т.к. недостаточно информации по конструкции аппарата и пр.

Задачей оптимального управления является получение на выходе из котла перегретого  пара необходимого качества при минимальном  расходе топлива. Наиболее важным показателем  процесса получения пара является энтальпия  пара на выходе из котлоагрегата:

 

 

Рассмотрим информационную модель объекта:

 

Рисунок 2.1 - Информационная модель объекта

 

Входные управляющие и возмущающие  воздействия влияют как на выходной параметр – , так и друг на друга. Чтобы определить эти связи, а так же конкретные технологические параметры, оказывающие влияния на выходную величину , необходимо составить математическую модель парогенератора. Для составления модели запишем уравнения процессов, протекающих в паровом котле, и сведем полученные данные в блок схему.

Данный технологический процесс  в котле будет представлен  в виде упрощенной модели, так как  она будет полностью отражать протекания процесса. Как уже было сказано выше, к количественному  параметру относится нагрузка котла, которая может меняться в широких  пределах в зависимости от графика  нагрузок потребителей. Мы пришли к  выводу что к качественным параметрам относятся уровень в барабане L, давление пара Р и температура перегретого пара Т. В барабане котла происходит предварительный нагрев жидкости до температуры Т₂, тепловым потоком Ф₁. Надо заметить, что коллекторы экранов котла представляют вторую емкость нагрева, которая нагревается тепловым потоком Ф₂ и кипит при температуре Т₃ и давлении пара Р. К известным нам граничным условиям можно добавить:

• объем в барабане V₁,
• объем экранных труб V₂,
• температуру входящих потоков Т_вх .

В условной первой емкости уровень  воды в барабане, постоянный, а значит V1=const.

Упрощенный материальный баланс первой емкости можно представить в  виде:

 

, где

 

F_В – расход воды;

F₂ – расход пара из котла.

Уравнение теплового баланса имеет  следующий вид:

[скорость накопления тепла  в емкости]=[приход тепла]+[приход  тепла с тепловым потоком]-[отвод тепла].

 

, где

 

с-теплоемкость жидкости;

р –плотность жидкости.

Из уравнения теплового баланса  можно определить температуру Т₂.

Уравнение материального баланса  жидкой фазы для условной второй емкости:

 

, где

 

m_п – поток пара.

Из этого уравнения можно  определить V₂.

Материальный баланс паровой фазы :

 

, где

 

m₁ – поток пара проходящий через выходной вентиль.

Из уравнения материального  баланса паровой фазы определим  массу М.

Поскольку предполагается, что жидкостью  и паром все время существует равновесие, при построении модели не нужно уравнение теплового  баланса пара. Температуру пара принимаем  равной температуре жидкости в барабане.

Тепловой баланс жидкой фазы :

[изменение теплосодержание]=[входящее  тепло]+[поток тепла]-[теплосодержание паровой фазы].

 

, где

 

коэффициента трения – λ – трение пара о стенки трубопровода на выходе из барабана

Из данного уравнения можно  определить поток пара .

Давление в паровом пространстве можно найти из закона газового состояния:

 

 

Объем занимаемым паром V_Г находим

 

, где

 

V₀ – полный объем емкости.

Температуру кипящей жидкости найдем из соотношения выражающего связь  между давлением и температурой кипения:

 

 

Поток пара, проходящий через вентиль, определяется из выражения:

 

 

Тепловые потоки Ф₁ и Ф₂ определяются:

 

 

где - коэффициент теплоотдачи через стенку, - площадь нагрева.

Для отчетливого представления  связей между составленными уравнениями  математической модели составлена блок-схема, показанная на рис. 2.2.

 

 

Рисунок 2.2 - Блок – схема уравнений  математической модели котла

 

Программная реализация выполнена  в пакете Mathcad 2000

 

 

 

Рисунок 2.3 - Моделирование процесса парообразования в котле

 

В результате реализации математической модели при помощи пакета Mathcad 2000 мы получили зависимости изображенные на рис. 2.3. На данных графиках мы наблюдаем при увеличение объема воды в барабане котла (график 1) происходит плавное уменьшение температуры воды (график 2) до температуры подаваемой в котел и уменьшение давления пара (график 3). [10,9]

 

6.  Формулировка задачи оптимального управления

 

Критерий оптимальности - это выходная величина, значение которой является количественной оценкой процесса при выборе оптимальных параметров его состояния.

Основной задачей оптимального управления является поиск параметров процесса, при которых будет наименьшей удельный расход попутного газа на 1 Дж тепла, передаваемого потребителю, что приводит к снижению себестоимости продукта.

Наложение ограничений

Важная особенность задач оптимизации  – наличие ограничений.

Ограничение по количеству:

Выпуск пара не должен быть ниже значения, запрашиваемого потребителем, в данном случае обогатительной фабрикой. Поскольку  снижение количества выпущенного пара повлечет за собой снижение мощностей  основного производства, где пар  используется как основной теплоноситель  и применяется для поддержания  определенной температуры. Выпуск пара в большем количестве, также не желателен, поскольку излишки не будут участвовать в производственном процессе и предприятие понесет убытки.

Ограничения по технологическим условиям:

Эти ограничения связаны с условиями  производства. Для данного процесса можно наложить ограничения по расходу  газа в топку, по расходу воды в  барабан и давлению пара на выходе из котла.

Расход газа нельзя увеличить до величины превышающей мощность работы вентилятора, так как без поддержания  оптимального соотношения «газ-воздух»  процесс нормального горения  нарушается, либо вообще прекращается. То же происходит и при уменьшении расхода газа ниже допустимых пределов.