Система автоматического регулирования соотношения топливовоздух нагревательного устройства

 

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕ ryjmPQBAHHfl СООТНОШЕНИЯ ТОПЛИВО ВОЗДУХ НАГРЕВАТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА, содержащая датчик расхода воздуха, датчик расхода топлива с блоком извлечения корня и задатчик соотношения топлива - воздух, связанные с регулятором, соединенна с исполнительным механизмом на линии подачи воздуха в .нагревательное устройство датчик и задатчик содержания кислорода в отходящих продуктах горения, соединенные с корректирующим блоком связанным .с регулятором, о т л и ч ю щ а я с я тем, что, с целью повы шения точности регулирования, она содержит датчики температуры, давле ния воздуха, вычислительный блок и вторичный прибор приведенного расхо да воздуха, датчики температуры, да вления, плотности топлива, вычислительный блок и вторичный прибор приведенного расхода топлива пять блоков умножения, три блока деления и задатчик расчетной плотности топлива , причем датчики температуры, давления и расхода воздуха соединены с вычислительным блоком приведенного . расхода воздуха, соединенного через вторичный, прибор приведенного расхода воздуха с первым входом регулято .ра, первые выходы датчиков температуры и давления топлива соединены с вычислительным блоком приведенного расхода топлива, второй выход датчика температуры соединен вместе с выходом датчика плотност топлива с входами первого блока умножения, выход которого совместно с вторым выходом датчика давления топлива со4 единен с входами первого блока деления , первый выход которого вместе с первым выходом задатчика расчетной плотности топлива соединен с входами второго блока деления, выход которого соединен с вычислительным блоком приведенного расхода топлива., выход которого вместе с выходом блока извлечения корня соединен с входами второго блока умножения, соединеннопа со вторичным прибором приведенного расхода топлива, а вторые выходы пер вого блока деления и задатчика расчетной плотности топлива соединены с входами третьего блока деления, выход которого вместе с вьосодом задатчика соотношения топливо - воздух соединен о входом третьего блока умноженйя , выход которого совместно с выходом корректирующего блока соединен с входами четвертого блокёъ умно1кения , выход которого вместе с выхоIOM вторичного прибора приведенного расхода топлива соединен с уходами пятого блока умножения, выход которого соединен с вторым входом регулятора .

69) (11) СОЮЗ GOBETCHHX . ООНЮВВ Ю

РЕСПУБЛИК

3(Д) F 23 М 1/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3391801/24-06 (22) 29.01,82 / (46) 07.12.83. Бюл. 9 45 (72) Э.Н. Кульпа, И.Н. Зинченко, М.С. Бабицкий, А.Н. Ванжа,A.È.Êéñåлев, В.И. Вондаренко и Н.Ф,Коновалов (71) Донецкий научно-исследовательский институт черной металлургии (53) 621.182 261(088.8) (56) 1. Каганов В.Ю. Автоматизация металлургических печей ° М., "Металлургия", 1975 с. 376. (54) (57) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СООТНОШЕНИЯ ТОПЛИВО

ВОЗДУХ НАГРЕВАТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА, содержащая датчик расхода воздуха, датчик расхода топлива с блоком извлечения корня и эадатчик соотношения топлива — воздух, связанные с регулятором, соединейным с исполнительным механизмом на линии подачи воздуха в .нагревательное устройство, датчик и задатчим содержания кислорода в отходящих продуктах горения, соединенные с корректирующим блоком, связанным с регулятором, о т л и ч аю щ а я с я тем, что, с целью повышения точности регулирования, она содержит датчики температуры, давления воздуха, вычислительный блок и вторичный прибор приведенного расхода воздуха, датчики температуры, давления, плотности топлива, вычислительный блок и вторичный прибор приведенного расхода топлива, пять блоков умножения, три блока деления и задатчик расчетной плотности топлива, причем датчики температуры, дав- ления и расхода воздуха соединены с,вычислительным блоком приведенного расхода воздуха, соединенного через вторичный прибор приведенного расхода воздуха с первым входом регулятора, первые выходы датчиков температуры и давления топлива соединены с . вычислительным блоком приведенного расхода топлива, второй выход датчика температуры соединен вместе с выходом датчика плотности топлива с входами первого блока умножения, выход которого совместно с вторым выходом датчика давления топлива соФ единен с входами первого блока деления, первый выход которого вместе с первым выходом задатчика расчетной плотности топлива соединен с входами Я второго блока деления, выход которого соединен с вычислительньм блоком приведенного расхода топлива,, выход которого вместе с выходом блока извлечения корня соединен с входами второго блока умножения, соединенного Ф со вторичным прибором приведенного

С расхода топлива, а вторые выходы пер вого блока деления и задатчика расчетной плотности топлива соединены с входами третьего блока деления, выход которого вместе с выходом задатчика соотношения топливо - воздух соединен о входом третьего блока ум ноженйя, выход которого совместно с выходом корректирующего блока соединен с входами четвертого блока умно.)кения, выход .которого вместе с выходом вторичнОго прибора приведенного расхода топлива соединен с входами пятого блока умножения, выход кото- рого соединен с вторьм входом регу-лятора.

1059354

Изобретение относится к области регулирования процесса горения газо- образного топлива, сжигаемого в нагревательных устройствах, и может

/ быть использовано в черной и цветной металлургии, а также в других отраслях промышленности.

Известна система автоматического регулирования соотношения топливо воздух нагревательного устройства, содержащая датчик Расхода воздуха, датчик расхода топлива с блоком извлечения корня и датчик соотношения топливо — воздух, связанные с регуля тором, соединенным с исполнительным механиэмом на линии подачи воздуха 15 в нагревательное устройство, датчик и эадатчик содержания кислорода вотнодящих продуктах горения, соединенные с корректирующим блоком, свяэанньж с регулятором j1). 20

Недостатком системы является то, что при колебаниях теплоты сгорания топлива, влияющих на стехиометрическое отношение топливо — воздух, она не обеспечивает высокую точность регулирования процесса горения.

Кроме того, коррекция соотношения осуществляется только по отклонению выходного параметра процесса, причем параметра. инерционного: содержания кислорода. Из теории управления известно, что в этом случае запаздывание результата измерения приводит к дополнительной динамической погрешности, понижающей качество регулирования и затрудняющей его практическую реалиэацию, Погрешность может быть уменьшена только за счет допол" нительного ввода в систему опережающей информации о входных возмущениях

1 в данном случае по отклонению сос- 40 тана или тЕплоты сгорания топлива), влияющих на соотношении топливо воздух, с последующей их компенсаци ей,. При этом, обязательным условием является то, что входные паРаметРы- 45 носители информации должны быть менее инерционны, чем выходной параметр.

Цель изобретения — повышение точности регулирования. 50

Указанная цель- достигается тем, что система автоматического регулирования соотношения топливо - воздух нагревательного устройства, соцержащая датчик расхода воздуха, датчик расхода топлива с блоком извлечения корня и эадатчик соотношения топливо — воздух, сняэанные с регулятором, соединенным с исполнительным механизмом на линии подачи воздуха в нагревательное устройство, датчик 60 и задатчик содержания кислорбда в отходящих продуктах горения, соединенные с корректирующим блоком, связанным с регулятором, содержит датчики температуры, давления воздуха, вы-65 числительный блок и вторичный прибор приведенного расхода воздуха, датчики температуры, давления, плОтности топлива, вычислительный блок и вто-. ! ричный прибор приведенного расхода ,топлива, пять блоков умножения, три блока деления и задатчик расчетной плотности топлива, причем датчики температуры, давления и расхода воздуха соединены с вычислительным блоком приведенного расхода воздуха, соединЕнного через вторичный прибор принеденного расхода воздуха с первым входом ре гулятора,первые выходы датчика тепературы и давления топлива соединены с вычислительным блоком приведенного расхода топлива, второй выход датчика температуры соединен вместе с выходом датчика (плотности; топлина с входами первого блока умножения, выход которого совместно с вторым выходом датчика давления топлива соединен с входами первого блока деле,ния, первый выход которого вместе с первым выходом задатчика расчетной плотности топлива соединен с вычислительным блоком приведенного расхода топлива, выход которого вместе с выходом блока извлечения корня соединен с входами второго блока умножения, соединенного с вторичным прибором приведенного расхода топлива, а вторые выходы первого блока деления и задатчика расчетной плотности топлива соединены с входами третьего блока деления, выход которого вместе с выходом задатчика соотношения топливо - воздух соединен с входом третьего блока умножения, выход кототорого совместно с выходом корректирующего блока соединен с входами четвертого блока умножения, выход которого вместе с выходом вторичного прибора приведенного расхода топлива соединен с входами пятого блока умно-. жения, выход которого соединен с вторым входом регулятора.

На чертеже изображена функциональная схема системы автоматического регулирования соотношения топливовоздух нагревательного устройства.

Нагревательное устройство 1 оснащено горелкой 2 и газопроводом Э.

Измерительная диафрагма 4 соединена с датчиком 5 расхода топлина блоком б извлечения корня, блоком 7 умножения (второй блок умножения ) и вторичным прибором 8 приведенного расхода топлива.

Датчик .9 давления топлива через вторичный прибор 10 и датчик 11 температуры через вторичный прибор 12 соединены с вычислительным блоком 13 приведенного расхода топлива, Датчик 14 плотности топлива через вторичный прибор 15 соединен с первым блоком 16 умножения, к второму входу которого подсоединен второй вы1059354 ход датчика температуры. Выход блока

16 умножения вместе с вторым выходом датчика давления соединен с входами первого блока деления 17. Первый выход /блока 17 деления вместе с первым выходом задатчика 18 расчет- 5 ной плотности топлива соединен с входами второго блока 19 деления,. .выход которого соединен с вычислительным блоком приведенного расхода топлива. Вторые выходы блока 17 деления и задатчика 18 расчетной плотности топлива соединены с входами третьего блока 20 деления. Выход третьего блока деления с выходом эадатчика 21 соотношения топливо— воздух соединен с входами третьего блока 22 умножения.

Выход третьего блока умножения подсоединен к первому входу четвертого блока 23 умножения, выход которого вместе с выходом вторичного прибора 8 приведенного расхода топлива соединен с входами пятого блока

24 умножения.. ца воздухопроводе 25,подходящем к горелке 2 установлены исполнительный механизм 26 с регулирующей заслонкой

27, датчик 28 температуры воздуха, соединенный с вторичным прибором 29, измерительная диафрагма 30, связанная с датчиком 31 расхода воздуха датчик30

32 давления воздуха с вторичным прибором 33.

Выходы вторичных приборов 29 и 33 и датчика 31 воздуха соединены с входами вычислительного блока 34 приве- З5 денного расхода воздуха, выход которого соединен через вторичный прибор

35 с входами регулятора 36.

Второй вход регулятора 36 соединен с выходом блока 24 умножения. На выходе нагревательного устройства 1 установлен датчик 37 содержания кислорода в отходящих продуктах горения, соединенный со вторичным прибором 38, подключенным к корректирующему блоку

39 кислорода. Другой вход блока 39 45 соединен с задатчиком 40 содержания кислорода, а выход корректирующего блока соединен с вторым входом блока

23 умножения. теоретически необходимое соотно- 5р щенке (при коэффициенте избытка воздуха Ы равном единице ) приведенных расходов воздуха ч н и топлива н<

Ч" равно стехиометрическому отношенйю, зависящему от теплоты сгорания 55 топлива, т.е.

Чно — =К (1)

Ь

Нн

I где К - коэффициент стехиометричес1 кого отношения, определяемый по теплоте сгорания топлива при d,-=1.

Действительный расход воздуха V приведенный к нормальному состоянию; 65 с учетом заданного коэффициента из--бытка воздуха с * равен

Ч нд задЧ "о (а)

Ь Ь

Тогда действительное соотношение топливо — воздух выражается через их приведенные расходы

Чнд =.с *к . (ь) нп 1.

VT ,При регулировании соотношения возможны два случая.

Действительная низшая теплота сгорания топлива, понведенная к нормальному состоянию, постоянна Q„canst ккал/нм3 (частный случай ). Тогда со» отношение расхода в уравнении (1 )

gsaA=const и в уравнении (3) не изменяется и регулирование осуществляется по иэмеряемым приведенным расходам топлива и воздуха.

Действительная теплота сгорания нД топлива измеряется Й „ = var (общий случай ). При этом соотношение приведенных расходов в уравнениях (1 ) и (3 ) необходимо корректировать в зависимости от колебаний теплоты сгорания, так как K„=E(Qн ) = var н при условии, что в уравнении (3)

d,3а с,„st). В виде проиэведе" ния двух величин коэффициент. < к Р,. K

С учетом укаэанных условий уравнение (3 ) примет вид

Vs н скар За* K P кор чнп

1 T где V н ко р

8 скорректированный расход воздуха, приведенный к нормальному состоянию, нм З/ч;

К вЂ” расчетный схехиометрический коэффициент (определяется по расчетной теплоте сгорания топлива при ot.= 1 и является для данных условий величиной

ПОстОяннОЙ )ó

Кко = коэффициент коррекции расчетного стехиометрического отношения в зависимости от колебаний действительной теплоты сгорания топлива, Величина Кк может быть представлена отношением нд

К кор н ан) н где И вЂ” расчетная теплота сгорания, нР х топлива (определяется по расчетному составу топлива, приведенная к нормальному состоянию, ккал/нмЗ.

1059354

* )*

1 н4 9т

Гт -„p*

Ъ т где K> - коэффициент пропорциональности)

7* - действительная температура т топлива в рабочих условиях, К)

Р* — действительное давление т топлива в рабочих условиях, кгс/м

Анализ действия механизма компен» сации по измеряемым "помехам --давлению ц температуре.

Например,при ееличении давления действительная плотность топлива увеличивается, а так как они находятся соответственно в знаменателе и числителе уравнения (9 ), то взаимно компенсируются, чем исключают погреш« ность. При увеличении температуры плотность уменьшается, а их произведение не изменяется.

Таким образом, правая часть уравнения (9) позволяет непрерывно контролировать теплоту сгорания топлива по величине р4 с автоматической компенсацией влияния давления и температуры иа плотность, а значит и на результат измерения.

Подставляя значение р из уравнение н4 (9) в уравнение (8), получим выражение алгоритма автоматической коррекции соотношения топливо - воздух по колебаниям теплоты сгорания топлива, 9т т

Ч

° В <3©*КР в т и "" 9"

Т Т я =К р .4., (6) Подставим значение К"C,> в урав-; нение (4 ) н скор

* HP т н 3

Известные системы регулирования не позволяют осуществлять автоматическую коррекцию непосредственно по этому показателю, а ручная коррекция невозможна из-за.стохастического характера возмущений.

Поэтому перспективной является система автоматического регулирова- ния, основанная на косвенном контроле О "„", определяемой по непрерывно,15 измеряемым параметрам топлива: давле- нию, температуре и плотности, сравниваемой с заданной (расчетной )плотностью.

На основании свойств природного 20 газа наиболее широко применяемого газообразного.топлива, зависимость между плотностью и тейлотой сгорания. можно представить в виде где р * - действительная плотность нд т топлива, приведенная к нормальному состоянию, кг/ нм 3 °

Kg — постоянный коэффициент)

Та же зависимость для заданной (расчетной )плотности топлива, при« веденной к нормальному состоянию

НА

Величина Я H з уравнении (5) от" Щ клоняется от заданного (расчетного) значения в основном в результате ко лебаннй состава топлива. При этом соответственно изменяется связанная с ней линейной з ависимостью действительная плотность тн* измеряя которую и сравнивая по соотношению с заданной (расчетной )плотностью можно непрерывно и практически беэынерционно контролировать отклонения теплоты сгорания топлива, а значит и вводить автоматическую коррекцию в заданное соотношение топливо — воздух.

На основании изложенного, а также с учетом уравнения (5 ) и зависимостей (6 ) и (7 ) выражение для скор- 55 ректированного .соотношения топливовоздух примет вид н скадар — *ы ""к <у

Т 9т

В рабочих условиях с помощью дат». .чика плотности измеряют не g 4,а действительное значение плотностй толли-а5 ва р ., Однако простая замена в уравнении (8 ) первой на втору)с приводит к дополнительной методической погрешности результата измерения, так как в отличие от зависимости (6 ) действительная плотность (c учетом уравнения состояния газа) зависит от гавления,температуры и теплоты сгорания, т,е. является функцией трех параметров у* =е (P* т*, а"*).:.

Г

В информационном смысле для сфор-. мулированной выше задачи контроля теплоты сгорания, первые два из нихпомехи, а третий -полезная информация.

Для формирования сигнала измерения в виде однопараметрической зависимости р =f>(Я „ 4)идентичной уравнению (6 ), необходима автоматическая компенсация методической погрешности, вызванной влиянием этих помех на плотность, что реализуется выражением

1059354

ИЛи

CL - (13)

* 1

1-К, О*

45 где

Система корректирует соотношение топливо — воздух и по выходному параметру - содержанию кислорода в отходящих продуктах горения.

В сочетании с коррекцией по входным возмущеййям этот показатель расширяет 5 возможностй алгоритма (10), который тогда принимает вид

Р* * т

«)нс» Kç P*

3 т но - " РнР

r заданное содержание киси ЗС5* лорода в отходящих про- 15

* дуктах горения,Ъ»

Й вЂ” действительное содержа2 ние кислорода в отходя- щих продуктах горения,Ъ;

Примение показателя О в виде ;»0 величин (а не разности, как в известных технических решениях) обосновано следующим образом.

При полном сгорании топлива коэффициент избытка связан с содержанием

02 в продуктах горения известным уравнением д (12)

21 02 зо где К4 — постоянный коэффициент. 35

Эксйериментально установлено, что коэффициент избытка воздуха в рабочем пространстве агрегатов при любом способе сжигания топлива изменяется . в пределах сР4 = 1,05: -1,5.

40 В этом диапазоне;зависимость

- <+ (g ) линейна и уравйение (13 » можно аппроксимировать уравнением прямой

g*= <+Ê 0, (14) с

К вЂ” постоянный коэффициент»

1 — значение коэффициента из5 бытка с - (при стехиометрическом соотношеи» и».

Из уравнения (14) следует,что если ,о - о(— 1, то 02 О -О, Но это теоретический предел, кото рый по условиям смешения недостижим.

Обычно при сжигании топлива (кроме специальных случаев ) значение с 4 7о(Ъ1 (для газообразного топлива) сЕ ©*= 1,05 : 1,1, а содержание 60

0 2 * ъ 0с 22т т> О. Этим и определен нижними предел указанного диапазона измене-.. ния а .

В этом диапазоне значение d.* при известных d * и 02 *. можноапре; 65 делить по измеренному значению 0" из

7 пропорции о

*, з * за

02 а значит и более точно.контролировать отклонение от заданного значения.

Алгоритм коррекции (11), реализованный в системе регулирования соотношения топливо — воздух, позволяет поддерживать коэффициент избытка воздуха на заданном оптимальном уровне путем коррекции соотношения по колебаниям теплоты сгорания топлива и по отклонению содержания кислорода в продуктах горения.

Система регулирования соотношения топливо — воздух работает следующим образом.

Нагревательное устройство 1 оснащено горелкой 2,к которой по газопроводу 3 и воздухопроводу 25 поступает топливо и воздух в соотношении, установленном задатчиком 21 с учетом необходимого коэффициента избытка, воздуха, а также задатчиком 18, учитывающим расчетную теплоту сгорания топлива.

При отклонении теплоты сгорания от заданного (расчетного) -значения соответственно изменяется действительная плотность .топлива, что приводит к разбалансу. сигналов датчика 14 и задатчика 18. Однако действительная плотность зависит также от давления и температуры топлива, что вносит погрешность, которая устраняется за счет учета значения этих параметров и вычисления приведенной действительной плотности. При этом сигналы давления температуры и действительной плотности с выхода приборов 19, 12, 14, .поступают на блоки

16 и 17. Вычисленное значение приведенной действительной плотности де лится в блоке 19 на сигнал задатчика18 и поступает в вычислительный блок

13 и приведенного расхода топлива с сигнала задатчика 21 соотношения.

Такой же результат, полученный в блоке 20, 1»еремножается. Их произведение поступает на один из входов блока 23 умножения. íà другой вход .которого подается с выхода корректи рующего блока 39 результат сравнения действительного содержания кислорода в продуктах горения, измеряемого прибором 38 с заданным задатчиком 40 °

Сигнал блока 23 перемножается в блоке 24 с приведенным расходом топлива Ч и в результате вычисляется приведенный скорректированный по отклонению теплоты сгорания и содер» жания кислорода в продуктах горения расход воздуха. Сигнал скорректированного расхода воздуха в виде зада- ния на входе регулятора Зб сравнива1059354

Составитель И. Аксенов

Редактор Н. Джуган Техред М.Кузьма Корректор, p,Вилак

Заказ 9804/42 Тираж 583 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ется с сигналом приведенного расхода воздуха. В зависимости от знака и ве- личины разбаланса регулятор через исполнительный механизм 26 воздействует на регулирующую заслонку 27 воздуха, изменяя. расход воздуха в соответствии 5 с скорректированным заданием.

Измерение расходов топливаи воздуха проиэвоцится измерительными диафрагмами, рассчитанными на определенные параметры (давление, температу- 1О ру, плотность). Однако в рабочих условиях эти параметры меняются в широких пределах,, что вызывает-погрешность в показании дифманометра.до 30%, при наибольших отклонениях параметров.

Устранение ошибки, измерения достигается в предлагаемой системе путем коррекции выходного сигнала дифманометра по действительным значениям параметров. По топливу коррекция расхода осуществляется в вычислительном блоке 13 по измеренным параметрам с последующим перемножением в блоке 7 результата вычислительной обработки и выходного сигнала дифманометра 5 и блока 6. Приведенный расход топлива регистрируется прибором 8.

По воздуху коррекция осуществляется в вычислительном блоке 34 по измеренным параметрам, вводимым с приборов 29 и 33 и показаниям датчика рас.хода с отображением приведенного расхода воздуха на вторичном приборе 35.

Осуществление автоматической коррекции с помощью системы регулирования соотношения топливо — воздух позволяет значительно улучшить тепловую работу технологинескнх агрегатов и снизить удельный расход условного топлива.