Система автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности с низкотемпературным кипящим слоем и способ ее работы

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к системе автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности с низкотемпературным кипящим слоем, а именно для котлов с рециркуляцией уходящих газов. Техническим результатом является повышение эффективности. Повышение эффективности системы и способа ее работы состоит в повышении КПД самого котла и уровня автоматизации котла путем повышения эффективности управления процессом его горения на переходных и стационарных режимах. Система автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности с низкотемпературным кипящим слоем состоит из программируемого логического контроллера (ПИК) с блоками управления регуляторов, к которым кабелями подсоединены датчики и исполнительные механизмы, установленные на котле, при этом на котле низкотемпературного кипящего слоя установлены исполнительные механизмы с электроприводами и частотно-регулируемые приводы, датчики температуры кипящего слоя, СО и О₂, температуры и давления воды на входе и выходе из котлоагрегата, исполнительные механизмы для регулирования подачи топлива, регулировки инерта, регулирования шиберов входящей воздушной смеси с каналами регулирования, разрежения, удаления инерта с датчиками, приборами контроля и безопасности, частотно-регулируемые приводы дымососа, питателя топлива, также с приборами регулирования розжиговой камеры. Способ автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности с низкотемпературным кипящим слоем, заключается в снятии данных (показаний) из приборов и датчиков, установленных на котле, перевод этих аналоговых данных при помощи аналого-цифровых преобразователей в цифровой вид, подачи цифровых данных в ПЛК, их обработку согласно режимной карте работы котла и выдачи сигналов на блоки управления регуляторов, из которых команды по кабелям передаются исполнительным механизмам, установленным на котле, в зависимости от показаний от приборов и датчиков, установленных на котле, при этом в ПЛК согласно режимной карте работы котла прописывают параметры и зависимости следующих режимов автоматического регулирования котла: розжига котла, нагрузки котла, разрежения в топке котла с коррекцией по СО и О₂, температуры кипящего слоя, высоты кипящего слоя, уровня пароводяной смеси в барабане котла, уровня топлива в бункере-накопителе. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Техническое решение относится к области теплоэнергетики, а именно системе автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности с низкотемпературным кипящим слоем, а именно для котлов с рециркуляцией уходящих газов.

Работа котла малой мощности с топкой низкотемпературного кипящего слоя осуществляется в диапазоне 800…850°С. Данные котлы малой мощности с топкой низкотемпературного кипящего слоя устанавливаются в различных климатических зонах со значительными температурными перепадами от -50°С до +50°С.

Аналогом заявленного изобретения является система автоматического регулирования параметров котла с топкой низкотемпературного кипящего слоя (НТКС), разработанная специалистами треста «Донецкуглеавтоматика» по статье Бочаров А.А., Вискин Ж.В. Методика реконструкции и эксплуатации топок для сжигания высокозольных углей в кипящем слое. Донецк: Донецкуглеавтоматика, 1989, с. 80…91 - [1]. Система состоит из регуляторов разряжения, уровня, выпуска шлака, воздуха, топлива. Работа всех регуляторов осуществляется с использованием исполнительных механизмов электрических однооборотных (МЭО). В данной схеме предусмотрен контроль следующих параметров: температуры уходящих дымовых газов, давления дутьевого воздуха, температуры кипящего слоя, температуры и давления пара (воды) на выходе из котла, параметры электродвигателей дутьевого вентилятора и дымососа.

Так же известны способы сжигания угля в высокотемпературном кипящем слое по литературным источникам:

- Смирнов А.В., Юферев Ю.В., Воронов В.Ю., Макаров В.П. Технология сжигания угля в высокотемпературном кипящем слое в коммунальных котельных малой мощности. СПб: Стройпрофиль, 2004, №4/1, с. 108…110 - [2];

- Юферев Ю.В., Воронов В.Ю. Опыт реконструкции и эксплуатации котла «Братск» с топкой ВТКС. // Сборник работ докторантов и адъюнктов. СПб: БИТУ, 1998, №2, с. 56…58 - [3];

Устройства их реализующие способы сжигания угля по [2] и [3] включают в себя вариатор, регулирующий подачу топлива, преобразователь напряжения с двигателем постоянного тока для привода подвижной решетки для удаления шлака и золы. Регулирование производительности дымососа и вентилятора осуществляется посредством исполнительных МЭО.

Данные аналоги [1], [2] и [3] обладают рядом недостатков:

- регулирование разряжения в топке котла и подачи воздуха осуществляется при помощи шиберов с электроприводами МЭО, что приводит к потерям при дросселировании воздуха и газов;

- отсутствуют преобразователи частоты для привода вентилятора и дымососа, что увеличивает расход электроэнергии;

- отсутствует позонное регулирование первичного воздуха, что приводит к увеличению потерь от химического недожога и с механической неполнотой сгорания топлива;

- нет канала регулирования давления вторичного воздуха, вследствие чего снижается эффективность выгорания топлива и возрастает доля уноса твердых частиц из слоя;

- не предназначены для использования торфа и древесных отходов;

- для регулирования подачи топлива используется вариатор, для привода подвижной решетки для удаления шлака и золы преобразователь напряжения, которые характеризуются низкой надежностью.

Известен котел с циркулирующим кипящим слоем по патенту на изобретение «Котел с циркулирующем слоем» - [4], включающий в себя топку, экраны, газоход, уловитель частиц, регулятор расхода, канал возврата циркулирующих частиц, эжектор, бункер топлива с питателем, воздухораспределительную решетку, вентилятор.

Недостатком аналога [4] является то, что в нем отсутствует рециркуляция уходящих газов, кроме того, для его работы не найдено системы автоматического регулирования, которая позволяет повысить уровень автоматизации такого котла, а также повысить его эффективность, путем оптимизации процессов горения.

Выполнение указанных выше недостатков (кроме системы автоматического регулирования) частично устранены в конструкции котла малой мощности с низкотемпературным кипящим слоем по патенту на изобретение РФ: RU 2244873 С2 от 27.01.2004, МПК F23C 10/04, «Топка для сжигания древесных отходов в кипящем слое» - [5]. Котел [5] является аналогом заявленного технического решения - по «устройству котла» и состоит из топки котла, поверхности нагрева, сферической беспровальной колпачковой решетки, стенки топки, системы подачи первичного и вторичного воздуха, розжигового устройства, воздушного короба, питателя топлива, шнека удаления очаговых остатков, системы возврата уноса выполненной в виде поворотной камеры и расположенного под ней бункера уноса с эжектором, воздушной заслонки, дымососа и мультициклона.

Недостатком котла [5], является то, в нем отсутствует рециркуляция уходящих газов, что существенно снижает его эффективность и регулировку температурного режима. Кроме того, котел обладает низким уровнем автоматизации, так как для него не известна система автоматического регулирования процесса горения для сжигания твердого топлива в кипящем слое. Другими словами, не известна система автоматического регулирование процесса горения для котла, в том числе и с рециркуляцией уходящих газов, что не позволяет автономно его эксплуатировать.

Прототипом заявленной «системы автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности с низкотемпературным кипящим слоем и способа ее работы» является система по патенту на полезную модель РФ: RU 49603 U1 от 27.11.2005, МПК F23N 1/00 - [6], которая состоит из программируемого логического контроллера с блоками управления регуляторов и установленными на собственно котле датчиками и исполнительными механизмами. Система по прототипу [6] состоит из регуляторов разряжения, уровня, выпуска шлака, воздуха, топлива. В данной системе предусмотрен контроль следующих параметров: температуры уходящих дымовых газов, давления дутьевого воздуха, температуры кипящего слоя, температуры и давления воды на выходе из котла, электродвигателей дутьевого вентилятора и дымососа. Приводные механизмы вентилятора, дымососа, питателя топлива и подвижной решетки для удаления шлака и золы оснащены частотно-регулируемыми приводами. В схему системы автоматического регулирования включен программируемый логический контроллер, который обеспечивает регулирование работы всех регуляторов, приборов контроля и безопасности, что позволяет полностью автоматизировать процесс горения в топке котла, повысить управляемость котлом с применением текстовой панели, которая входит в состав программируемого логического контроллера.

Недостатком прототипа - «системы автоматического регулирования» [6], является то, что она не предназначена для аналога - «устройства котла» [5], то есть не может быть без усовершенствования применена на данном котле с рециркуляцией уходящих газов (с подмесом уходящих газов). Кроме того, система [6], предназначенная для эксплуатации с котлом высокотемпературного кипящего слоя и без рециркуляции уходящих газов. И поэтому обладает недостаточной эффективностью при изменении основных параметров (расходов воздуха, топлива) на переходных режимах и внештатных неблагоприятных воздействиях на остальных режимах. Например, при уменьшении расхода топлива при прежней подаче воздуха может увеличиться коэффициент избытка воздуха, и как следствие температура горения. В результате появляется вероятность образования шлакования воздухораспределительной решетке. Аналогичная ситуация может происходить при отклонении фракционного состава топлива от штатных значений.

Недостатки аналогов [1], [2], [3], [4], [5] и прототипа [6] ставят задачу повышения автоматизации котла [5] путем создания системы автоматического регулирования процесса горения котла для сжигания твердого топлива в кипящем слое, обеспечивающей повышение эффективности управления процессом горения в котле на переходных и стационарных режимах.

Данная задача решается за счет того, что в системе автоматического регулирование процесса горения котла (с рециркуляцией уходящих газов) для сжигания твердого топлива в кипящем слое дополнительно установлены:

- запорно-регулирующая арматура с исполнительными механизмами для слива и подачи инертных материалов в топку котла;

- регулятор рециркуляции уходящих газов, соединенный с датчиком температуры кипящего слоя, исполнительным механизмом регулирования рециркуляции уходящих газов, датчиками контроля и безопасности на линии первичного дутья и рециркуляции.

Сущность заявленной «Системы автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности с низкотемпературным кипящим слоем» состоящей из программируемого логического контроллера (ПЛК) с блоками управления регуляторов к которым кабелями подсоединены датчики и исполнительные механизмы, установленные на котле, состоит в том, что на котле низкотемпературного кипящего слоя установлены исполнительные механизмы с электроприводами и частотно-регулируемые приводы, датчики температуры кипящего слоя, СО и О₂, температуры и давления воды на входе и выходе из котлоагрегата, исполнительные механизмы для регулирования подачи топлива, регулировки инерта, регулирования шиберов входящей воздушной смеси с каналами регулирования, разряжения, удаления инерта с датчиками, приборами контроля и безопасности, частотно-регулируемые приводы дымососа, питателя топлива, также с приборами регулирования розжиговой камеры.

Сущность заявленного «Способа автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности с низкотемпературным кипящим слоем», заключающегося в снятии данных (показаний) из приборов и датчиков установленных на котле, перевод этих аналоговых данных при помощи аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в цифровой вид, подачи цифровых данных в ПЛК, их обработку согласно режимной карте работы котла и выдачи сигналов на блоки управления регуляторов, из которых команды по кабелям передаются исполнительным механизмам, установленным на котле, в зависимости от показаний от приборов и датчиков установленных на котле, состоит в том, что в ПЛК согласно режимной карте работы котла прописывают параметры и зависимости следующих режимов автоматического регулирования котла: розжига котла, нагрузки котла, разрежения в топке котла с коррекцией по СО и О₂, температуры кипящего слоя, высоты кипящего слоя, уровня пароводяной смеси в барабане котла, уровня топлива в бункере-накопителе. Режим автоматического регулирования розжига котла осуществляют по датчику температуры кипящего слоя, при этом заданное значение температуры кипящего слоя сравнивают с текущим значением при розжиге котла после чего, сигнал рассогласования поступает на регулятор температуры розжига котла в ПЛК, который воздействует на исполнительные механизмы и датчики установленные на линии подачи дизельного топлива. Режим автоматического регулирования нагрузки котла осуществляют при помощи анализа разности температур прямой и обратной воды от соответствующих датчиков температур, в результате чего определяют текущую и необходимую нагрузки котла, полученные значения направляют в элемент сравнения и вычисляют сигнал рассогласования, который через элементы корректирующего контура регулирования температуры слоя направляют в регулятор нагрузки котла, управляющее воздействие с регулятора нагрузки котла направляют на частотный преобразователь питателя топлива, и далее на электропривод питателя топлива, которым изменяют скорость подачи топлива в топку котла. Режим автоматического регулирования разрежения с коррекцией по СО и О₂ информацию о заданном разрежении формируют в ПЛК по режимным параметрам текущего расходе топлива, полученного от частотного преобразователя питателя топлива, при этом сигнал о содержании СО и О₂ в дымовых газах направляют в ПЛК от датчика контроля СО и О₂, сигнал рассогласования полученный в результате сравнения заданного разрежения воздуха с текущим разрежением с учетом корректирующих контуров регулирования СО и О₂ направляют в регулятор разрежения, информацию о текущем значении разрежения над слоем направляют в ПЛК от датчика давления верхнего уровня кипящего слоя, при этом управляющее воздействие регулятора разрежения направляют в частотный регулятор дымососа, посредством чего изменяют разрежение над кипящим слоем. Режим автоматического регулирования температуры кипящего слоя осуществляют от датчика температуры кипящего слоя, при этом заданное значение температуры кипящего слоя сравнивают с текущим значением, после чего, сигнал рассогласования поступает на регулятор рециркуляции, который воздействует на исполнительный механизм регулирует расход рециркуляции дымовых газов, при невозможности регулировать температуру кипящего слоя газами рециркуляции, управляющий сигнал воздействует на регулятор расхода топлива, где с помощью частотного преобразователя подачи топлива происходит регулирования подачи топлива в топку котла. Режим автоматического регулирования высоты кипящего слоя осуществляют в ПЛК по разницы давлений датчиков давления уровня кипящего слоя и изменению нагрузки котла, информацию о заданной, необходимой высоте кипящего слоя формируют посредством обработки в соответствии с режимными параметрами сигнала рассогласования, характеризующего необходимое изменение нагрузки котла, если заданная разница давлений по нагрузке котла больше чем текущая, то регулятор ПЛК оказывает управляющее воздействие на исполнительные механизмы подачи инерта из бункера инерта в топку котла, при заданной разнице давлений по нагрузке котла, меньше чем текущая нагрузка, регулятор ПЛК оказывает управляющее воздействие исполнительные механизмы слива инерта из топки котла, При этом уровень инерта в бункере инерта контролируется датчиком контроля уровня, при получении сигнала рассогласования инерт из зольника поступает в бункер инерта. Режим автоматического регулирования уровня пароводяной смеси в барабане котла осуществляют по датчику уровня воды в барабане котла, где по сигналу о минимально допустимом значение уровня в регулятор ПЛК направляют сигнал включение насоса линии питательной воды, при заданном значении уровня насос отключают. Режим автоматического регулирования уровня топлива в бункере-накопителе осуществляют по датчику уровня топлива по сигналу о минимально допустимом значение уровня топлива управляющее воздействие через регулятор ПЛК передают на исполнительный механизм включения привода транспортера, при заданном значении уровня топлива привод отключают.

Техническим результатом заявленных технических решений является повышение эффективности системы автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности с низкотемпературным кипящим слоем и способа ее работы. Повышение эффективности «системы …» и способа ее работы состоит в повышении КПД самого котла и уровня автоматизации котла, путем повышения эффективности управления процессом его горения на переходных и стационарных режимах.

Предложенная система автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности с низкотемпературным кипящим слоем поясняется фигурами на листах графических материалов фиг. 1 - фиг. 4 где:

Фиг. 1 - Функциональная схема системы автоматического регулирования (САР).

Фиг. 2 - Функциональная схема элементов программируемого логического контроллера и выдаваемых им команд на датчики контроля и исполнительные механизмы.

Фиг. 3 - Схема заявленной «Системы …» установленная на котле, представленная в 3D виде.

Фиг. 4 - Расширенная (структурная) схема логических команд программируемого логического контроллера по фиг. 1.

На Фиг. 1 и на Фиг. 2 в теле ПЛК схематично кружками и линиями показаны команды управления и их взаимодействие. В графе приборы по месту дополнительно (по ГОСТУ 21.208 - 2013) обозначено:

FT - Прибор для измерения расхода;

SC - Частотный преобразователь;

PTIS - Приборы для измерения давления;

BTS - Прибор для контроля датчика пламени в горелке;

QTI - прибор контроля концентрации уходящих газов

«К» - Котел, состоящий из узлов:

K.I - Топка котла;

K.II - Розжиговая камера;

K.III - Бункер топлива;

K.IV - Транспортер;

K.V - Бак с дизельным топливом;

K.VI - Конвективный пароперегреватель с сетевым теплообменником;

K.VII - Золоуловитель;

K.VIII -Циклон;

K.IX - Дымовая труба;

K.Х - Дымососы;

K.XI - Бункер инерта;

K.XII - Зольник;

K.XIII - Программируемый логический контроллер (ПЛК);

K.XIV - Шнековый питатель топлива;

K.XV - Воздухораспределительная решетка.

Арматура запорно-регулирующая:

А.1 - Вентиль подачи дизельного топлива;

А.2 - Отсечной клапан подачи дизельного топлива;

А.3 - Вентиль с регулятором подачи дизельного топлива;

А.4 - Вентиль с регулятором подачи инерта;

А.5 - Вентиль с регулятором подачи инерта;

А.6 - Вентиль слива инерта;

А.7 - Вентиль с регулятором рециркуляции уходящих газов;

А.8 - Вентиль с регулятором подачи воздуха;

А.9 - Вентиль рециркуляции уходящих газов;

А.10 - Обратный клапан системы подпитки котлового контура;

А.11 - Вентиль системы подпитки котлового контура;

А.12 - Вентиль системы подпитки котлового контура;

А.13 - Вентиль сетевой подачи воды к потребителю;

А.14 - Вентиль обратной подачи воды от потребителя.

Арабскими цифрами обозначены:

1 - Канал управления электроприводом транспортера подачи топлива в бункер;

2 - Датчик контроля уровня дизельного топлива;

3 - Канал управления насосом подачи дизельного топлива;

4 - Датчик измерения расхода дизельного топлива;

5 - Канал управления отсечным клапаном подачи дизельного топлива;

6 - Датчик уровня топлива в бункере;

7 - Канал управления электроприводом питателя топлива;

8 - Датчик контроля уровня инерта в бункере;

9 - Канал управления электроприводом регулятором подачи дизельного топлива;

10 - Канал управления электроприводом шнека подачи инерта в топку котла;

11 - Канал управления приводом регулятора подачи инерта в топку котла;

12 - Канал управления приводом регулятора подачи инерта из топки котла в бункер инерта;

13 - Канал управления слива инерта из топки котла

14 - Датчик давления нижнего уровня кипящего слоя;

15 - Датчик давления верхнего уровня кипящего слоя;

16 - Канал управления регулятором рециркуляции уходящих газов;

17 - Датчик температуры кипящего слоя;

18 - Датчик давления в барабане котла измерительный;

19 - Датчик нижнего уровня воды в барабане котла;

20 - Датчик температуры в барабане котла;

21 - Датчик контроля СО и О₂;

22 - Датчик температуры уходящих газов;

23 - Канал управления электроприводом дымососа 2;

24 - Канал управления электроприводом дымососа 1;

25 - Канал управления электроприводом подпиточного насоса;

26 - Датчик температуры обратной воды;

27 - Датчик давления воды в прямом трубопроводе;

28 - Датчик измерения расхода прямой воды;

29 - Датчик температуры прямой воды;

30 - Датчик давления;

31 - Датчик уровня дизельного топлива в баке;

32 - Датчик верхнего уровня воды в барабане;

33 - Датчик давления в обратном трубопроводе;

34 - Датчик давления в барабане котла показывающий;

35 - Датчик давления в трубопроводе питательной воды;

36 - Датчик давления в трубопроводе прямой воды;

37 - Контроль пламени в растопочной камеры;

38 - Формирование искрового разряда;

39 - Датчик расхода газов рециркуляции;

40 - Канал управления регулятора подачи воздуха в топку;

41 - Насос подачи питательной воды;

42 - Насос подачи дизельного топлива;

43 - Частотный преобразователь подачи топлива;

44 - Частотный преобразователь дымососа;

Котел низкотемпературного кипящего слоя состоит из топки КС (К.I) в виде жаровой трубы, теплообменных труб (на фигурах не показаны) и воздухораспределительной решетки (К.XV). Корпус, жаровая труба и днище образуют водяной объем котла. Топливо по транспортеру углеподачи (К.IV) подается в бункер котла (К.III) и далее с помощью шнекового питателя топлива (К.XIV) поступает в топку котла.

Система автоматизации котла низкотемпературного кипящего слоя состоит из несколько блоков:

- блок управления розжига котла;

- блок управления горением в топке котла;

- блок управления подачи топлива;

- блок управления подачи инерта;

- блок управления циркуляции воды в топке котла;

- блок управления питания барабана котла.

Данные блоки включают следующие нижеприведенные датчики и исполнительные механизмы.

Блок управления розжига котла состоит из:

- датчика контроля уровня дизельного топлива (2);

- канала управления насоса подачи дизельного топлива (3);

- датчика измерения расхода дизельного топлива (4);

- канала управления отсечным клапаном подачи дизельного топлива (5);

- канала управления электроприводом регулятора подачи дизельного топлива (9);

- датчика давления (30);

- датчика уровня дизельного топлива в баке (31);

- контроля пламени в растопочной камеры (37);

- формирования искрового разряда (38).

Блок управления горением в топке котла состоит из:

- датчика температуры кипящего слоя (17);

- канала управления регулятором рециркуляции уходящих газов (16);

- датчика контроля СО и О₂ (21);

- датчика температуры уходящих газов (22);

- канала (23) управления электроприводом дымососа (2);

- канала (24) управления электроприводом дымососа (1);

- датчика расхода газов рециркуляции (39);

- датчика регулирования подачи воздуха в топку (40).

Блок управления подачи топлива состоит из:

- канала управления электроприводом транспортера подачи топлива в бункер (1);

- датчика уровня топлива в бункере (6);

- канала управления электроприводом питателя топлива (7).

Блок управления циркуляции воды в топке котла состоит из:

- датчика температуры обратной воды (26);

- датчика давления воды в прямом трубопроводе (27);

- датчика измерения расхода прямой воды (28);

- датчика температуры прямой воды (29);

- датчика давления в обратном трубопроводе (33);

- датчика давления в трубопроводе прямой воды (36).

Блок управления подачи инерта состоит из:

- датчика контроля уровня инерта в бункере (8);

- канала управления электроприводом шнека подачи инерта в топку котла (10);

- канала управления приводом регулятора подачи инерта в топку котла (11);

- канала управления приводом регулятора подачи инерта из топки котла в бункер инерта (12);

- канала управления слива инерта из топки котла (13);

- датчика давления верхнего уровня кипящего слоя (14);

- датчика давления нижнего уровня кипящего слоя (15).

Блок управления питания барабана котла состоит из:

- датчика давления в барабане котла измерительный (18);

- датчика нижнего уровня воды в барабане котла (18);

- датчика температуры в барабане котла (20);

- датчика верхнего уровня воды в барабане (32);

- датчика давления в барабане котла показывающий (34);

- канала управления электроприводом подпиточного насоса (25);

- датчика давления показывающий в трубопроводе питательной воды (35).

Все управление происходит за счет ПЛК (XIV). В него закладывается программное обеспечение на основе структурной схемы автоматического регулирования указанной на Фиг. 4.

Принцип работы котла с топкой низкотемпературного кипящего слоя заключается в следующем. На газораспределительной решетке (К.XV) располагается слой инертного (негорючего) материала. При подаче воздуха через газораспределительную решетку слой инерта приходит в псевдоожиженное состояние («кипит»). Разогрев твердого топлива происходит в розжиговой камере (К.II) с помощью жидкого топлива поступающего с бака с дизельным топливом (К.V) до температуры воспламенения твердого топлива. Воздух поступает за счет разряжения создаваемого дымососами (К.Х). После разогрева топлива и образования кипящего слоя (КС), отключается горелка, установленная в розжиговой камере (К.2) и в топку подается уголь из накопительного бункера (К.3). КС омывает теплообменные поверхности топки котла, которые интенсивно передают тепло воде. Нагреваясь, вода превращается в пар, который поднимается в верхнюю часть котла, где через конвективный пароперегревателем с сетевым теплообменником (К.VI), отдает тепло воде, проходящей по трубкам сетевого теплообменника, конденсируется. Конденсат стекает обратно в котел.

Продукты сгорания проходят через расположенный непосредственно на котле конвективный пароперегревателем с сетевым теплообменником, где отделенные частицы топлива направляются опять в топку через золоуловитель (К.VII) на дожигание, далее в группу циклонов (К.VIII) для отчистки продуктов сгорания от летучей золы и в дымовую трубу (К.IX).

Предусмотрена линия рециркуляции дымовых газов для регулирования температуры слоя. Наиболее крупные частицы топлива, не удержавшиеся в слое, через сливное отверстие в решетке котла, поступают в зольник (К.XII). Из него они через бункер инерта (К.XI), пневмотранспортом, возвращаются опять в топку. Зольник (К.XII) и бункер инерта (К.XI), кроме того, служат для слива и загрузки инерта при изменении нагрузки на котел. По мере наполнения зольника, зола из него удаляется. Сетевая вода подается пароводяной сетевой теплообменник, расположенный на конвективной части котла. Розжиг котла осуществляется следующим образом: При подаче с текстовой панели программируемого логического контроллера (ПЛК) команды на розжиг котла, ПЛК (К.XIII) осуществляет запуск дымососа (К.Х), опрос датчиков уровня (31,2) емкости дизельного топлива (V) и проверку работоспособности отсечного клапана подачи дизельного топлива (А2), регулятора подачи топлива (A3) и воздушных шиберов. Далее по каналу управления (3) запускается насос подачи дизельного топлива (42), открывается отсечной клапан (А2), и по датчику давления (30) устанавливаются необходимые параметры давления дизельного топлива перед форсункой. Продукты сгорания, образующиеся при сжигании дизельного топлива через воздухораспределительные колпачки решетки (К.XV), находящиеся в топки котла, подаются под слой инерта. При прохождении через слой инерта продукты сгорания отдают свою теплоту инерту и таким образом его прогревают. По датчику температуры кипящего слоя (17) сигнал считывается на ПЛК (К.XIII) и при достижении температуры 400°С в топке котла дает команду произвести первую подачу топлива в топку котла, при 500°С вторую и при 600°С третью. При достижении температуры слоя 650-700°С начинается постоянная подача топлива в топку котла, и система розжига отключается.

Режим автоматического управления остановом котла осуществляют по команде оператора с кнопки управления вручную или программируемым контроллером при аварийном отключении. При этом отключают электропривод питателя (7) подачи топлива в топку котла, при этом дымосос (К.Х) продолжает работу, постепенно снижая обороты. Закрывают задвижки подачи воздуха (А8) в топку котла и через определенный промежуток времени происходит слив инерта из топки котла в зольник (К.XII). При этом аварийное отключение производят при изменении параметров работы котла выше установленных уставками значений, а именно при:

- повышении температуры воды на выходе из котла;

- повышении, понижении давления воды на выходе из котла;

- уменьшении расхода воды через контуры циркуляции котла. Заявленная система включает в себя следующие режимы (заложенные в контурах управления ПЛК) автоматического регулирования:

1. режим автоматического регулирования нагрузки котла (температуры прямой воды);

2. режим автоматического регулирования разрежения в топке котла с коррекцией по СО и О₂;

3. режим автоматического регулирования температуры кипящего слоя;

4. режим автоматического регулирования высоты кипящего слоя;

5. режим автоматического регулирования уровня пароводяной смеси в барабане котла;

6. режим автоматического регулирования уровня топлива в бункере-накопителе;

Режим автоматического регулирования нагрузки котла.

Автоматическое регулирование нагрузки котла осуществляют при помощи анализа разности температур прямой и обратной воды. Информация о температуре прямой воды поступает в ПЛК (K.XIII) от датчика температуры прямой воды (29), информация о температуре обратной воды поступает в САР от датчика температуры обратной воды (26). В ПЛК (K.XIII) происходит сравнение текущей температуры прямой воды T_{H2O пр.} с текущей температурой обратной воды T_{H2O обр}., а также заданной температуры прямой воды Т_{Н2Опр.зад}. (95°С) с текущей температурой обратной воды Т_{Н2О обр}. В результате чего образуются значения текущей разности температур прямой и обратной воды ΔТ_факт. и необходимой разности температур прямой и обратной воды ΔТ_необх., которые характеризуют текущую и необходимую нагрузку котла. Полученные значения поступают в элемент сравнения, в результате чего вычисляется сигнал рассогласования ΔT, который через элементы корректирующего контура регулирования температуры слоя поступает на регулятор нагрузки котла. Управляющее воздействие с регулятора нагрузки котла поступает на частотный преобразователь питателя топлива (43), далее на электроприводом питателя топлива (7) который изменяет скорость подачи топлива в топку.

Режим автоматического регулирования разрежения в топке котла с коррекцией по СО и О₂.

Так как, в виду конструктивных особенностей котлоагрегата отсутствует отдельный источник воздуха, то воздух, необходимый для оптимального горения кипящего слоя поступает через всасывающий патрубок за счет разрежения создаваемого в топке. Соответственно, одновременно с изменением нагрузки котла и расхода топлива необходимо регулировать разрежение в топке котла над кипящим слоем. Регулирование разрежения в топке котла осуществляется по каскадной схеме. Информация о заданном текущем разрежении в топке котла над слоем Р_{над слоем}._зад. образуется в ПЛК (K.XIII) посредством обработки в соответствии с режимными параметрами информации о текущем расходе топлива, полученной от частотного преобразователя питателя исполнительного механизма электропривода питателя топлива (7). Корректирующие контуры регулирования разрежения включают в себя соответствующие регуляторы СО и О₂. Информация о содержании СО и О₂ в дымовых газах поступает в ПЛК (K.XIII) от датчика контроля СО и О₂ (21). Сигнал рассогласования ΔР_{над.сл.,} полученный в результате сравнения заданного разрежения воздуха с текущим разрежением Р_над.сл., с учетом корректирующих контуров регулирования поступает в регулятор разрежения. Информация о текущем значении разрежения над слоем поступает в ПЛК (K.XIII) от датчик давления верхнего уровня кипящего слоя (15). Управляющее воздействие регулятора разрежения поступает в частотный регулятор дымососа второй ступени, который регулирует скорость вращения электроприводом дымососа 2 ступени (23), посредством которого изменяется разрежение над кипящим слоем Р_над.сл..

Режим автоматического регулирования температуры кипящего слоя.

Регулирование температуры кипящего слоя осуществляется посредством каскадных контуров регулирования, регулирующих объем газов рециркуляции, корректирующих подачу топлива в топку в случае невозможности изменения температуры посредством рециркуляции уходящих газов. Информация о текущей температуре кипящего слоя поступает в ПЛК (K.XIII) от датчика температуры кипящего слоя (17). Заданное значение температуры кипящего слоя (t_сл.зад) сравнивается с текущим значением (t_тек), после чего, сигнал рассогласования Δt_сл поступает на регулятор рециркуляции по температуре слоя (регулятор рециркуляции t_сл) в программируемом контроллере (K.XIII), который воздействует на вентиль с регулятором рециркуляции уходящих газов (А7) по каналу управления регулятором рециркуляции уходящих газов убавляя расход рециркуляции дымовых газов (поднимая температуру кипящего слоя) или прибавляя расход рециркуляции дымовых газов (убавляя температуру кипящего слоя). При невозможности убавить или прибавить температуру кипящего слоя непосредственно газами рециркуляции, управляющий сигнал воздействует на регулятор подачи топлива (регулятор Fт корректир.), где с помощью частотного преобразователя подачи топлива (43) по каналу управления электроприводом питателя топлива (7) происходит уменьшение или увеличение подачи топлива в топку котла (K.I).

Регулятор рециркуляции стабилизирующий оказывает управляющее воздействие на исполнительный механизм регулятора рециркуляции уходящих газов (16) линии рециркуляции и параллельно на исполнительный механизм регулятора подачи воздуха в топку (40) линии подачи воздуха. Информация о текущем значении расхода дымовых газов в линии рециркуляции поступает в ПЛК (K.XIII) от датчика расхода газов рециркуляции (39).

Режим автоматического регулирования высоты кипящего слоя.

Оценку высоты кипящего слоя осуществляют в ПЛК (K.XIII) косвенно, посредством анализа разницы давлений (разрежений) между датчиками давления верхнего уровня кипящего слоя (15) и датчиками давления нижнего уровня кипящего слоя (14), установленного под воздухораспределительной решеткой. Чем выше перепад давлений, тем больше высота кипящего слоя. Информация о значении давления в топке котла, над кипящем слоем поступает в ПЛК (K.XIII) от датчика давления (15), а информация о значении давления под воздухораспределительной решеткой поступает в ПЛК (K.XIII) от датчика давления (14). Высота кипящего слоя должна изменяться в случае необходимости изменения нагрузки котла. Информация о заданной, необходимой высоте кипящего слоя формируется в ПЛК (K.XIII) посредством обработки в соответствии с режимными параметрами сигнала рассогласования ΔT (фиг 4), характеризующего необходимое изменение нагрузки котла. Если заданная разница давлений больше чем текущая, то ПЛК (K.XIII) оказывает управляющее воздействие на бункер инерта (XI) по каналу управления электроприводом шнека подачи инерта в топку котла (10) и запорную арматуру (А4) на линии подачи инерта в котел по каналу управления приводом регулятора подачи инерта в топку котла (11). Инерт поступает в топку котла за счет перепада давлений в бункере инерта и в топке котла. Если заданная разница давлений над кипящим слоем и под воздухораспределительной решеткой, определяемая в соответствии с требуемой нагрузкой котла, меньше чем текущая нагрузка, то ПЛК оказывает управляющее воздействие на вентиль слива инерта (А.6) по каналу управления слива инерта из топки котла (13) (фиг. 1). При этом, если по показаниям датчика контроля уровня (8) в бункере инерта уровень ниже максимально допустимой отметки, то слитый инерт по каналу управления приводом регулятора подачи инерта (12) вентиля (А5) из зольника поступает в бункер инерта (K.XI).

Режим автоматического регулирования уровня пароводяной смеси в барабане котла.

Так как, пароводяной тракт котла является замкнутым, и задействован только в теплообменном процессе с сетевой водой, то предполагается, что постоянная подача питательной воды в барабан теплообменной части котла не требуется, однако в связи с различными потерями уровень может опускаться ниже режимного значения. Информация о текущем значении уровня поступает в ПЛК (K.XIII) от дискретного, многопозиционного датчика нижнего уровня воды в барабане котла (19). Если достигается минимально допустимое значение уровня то ПЛК (K.XIII) осуществляет включение насоса линии питательной воды (41). Как только уровень достигает заданного значения происходит отключение насоса линии питательной воды (41).

Режим автоматического регулирования уровня топлива в бункере-накопителе.

Информация о текущем значении уровня топлива в бункере накопителе поступает в ПЛК (K.XIII) от дискретного, многопозиционного датчик уровня топлива в бункере (6). Если достигается минимально допустимое значение уровня то ПЛК (K.XIII) осуществляет включение скребкового транспортера (K.IV) топлива. Как только уровень достигает заданного значения происходит отключение скребкового транспортера топлива.

Представленные в настоящей заявке технические решения, позволят стабилизировать, оптимизировать, регулировать и управлять процессами горения в топке котла.

Предложенная «система автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности с низкотемпературным кипящим слоем», не выявлена из существующего уровня развития техники, что позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизны».

Вышеприведенная совокупность отличительных признаков заявленной «системы …», не известна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил известных устройств, способов (технологий), что доказывает соответствию критерию «изобретательский уровень»,

Конструктивная реализация заявленного изобретения с указанной совокупностью признаков не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленное применение».

Литература.

1. Бочаров А.А., Вискин Ж.В. Методика реконструкции и эксплуатации топок для сжигания высокозольных углей в кипящем слое. Донецк: Донецкуглеавтоматика, 1989, с. 80…91.

2. Смирнов А.В., Юферев Ю.В., Воронов В.Ю., Макаров В.П. Технология сжигания угля в высокотемпературном кипящем слое в коммунальных котельных малой мощности. СПб: Стройпрофиль, 2004, №4/1, с. 108…110.

3. Юферев Ю.В., Воронов В.Ю. Опыт реконструкции и эксплуатации котла «Братск» с топкой ВТКС.// Сборник работ докторантов и адъюнктов. СПб: БИТУ, 1998, №2, с. 56…58.

4. Патент на полезную модель РФ: SU 1772523 А1 от 30.10.1992, МПК F23C 11/02, «Котел с циркулирующем слоем».

5. Патент на полезную модель РФ: RU 2244873 С2 от 27.01.2004, МПК F23C 10/04, «Топка для сжигания древесных отходов в кипящем слое».

6. Патент на полезную модель РФ: RU 49603 U1 от 27.11.2005, МПК F23N 1/00, «Система автоматического регулирования процесса горения в топке с высокотемпературным кипящим слоем котла малой мощности» - прототип.

1. Система автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности с низкотемпературным кипящим слоем, состоящая из программируемого логического контроллера с блоками управления регуляторов, к которым кабелями подсоединены датчики и исполнительные механизмы, установленные на котле, отличающаяся тем, что на котле низкотемпературного кипящего слоя установлены исполнительные механизмы с электроприводами и частотно-регулируемые приводы, датчики температуры кипящего слоя, СО и O₂, температуры и давления воды на входе и выходе из котлоагрегата, исполнительные механизмы для регулирования подачи топлива, регулировки инерта, регулирования шиберов входящей воздушной смеси с каналами регулирования, разрежения, удаления инерта, с датчиками, приборами контроля и безопасности, частотно-регулируемые приводы дымососа, питателя топлива, также с приборами регулирования розжиговой камеры.

2. Способ автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности с низкотемпературным кипящим слоем, заключающийся в снятии данных из приборов и датчиков, установленных на котле, перевод этих аналоговых данных при помощи аналого-цифровых преобразователей в цифровой вид, подачи цифровых данных в программируемый логический контроллер, их обработку согласно режимной карте работы котла и выдачи сигналов на блоки управления регуляторов, из которых команды по кабелям передаются исполнительным механизмам, установленным на котле, в зависимости от показаний от приборов и датчиков, установленных на котле, отличающийся тем, что в программируемый логический контроллер согласно режимной карте работы котла прописывают параметры и зависимости следующих режимов автоматического регулирования котла: розжига котла, нагрузки котла, разрежения в топке котла с коррекцией по СО и О₂, температуры кипящего слоя, высоты кипящего слоя, уровня пароводяной смеси в барабане котла, уровня топлива в бункере-накопителе.

3. Способ автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности с низкотемпературным кипящим слоем по п. 2, отличающийся тем, что режим автоматического регулирования розжига котла осуществляют по датчику температуры кипящего слоя, при этом заданное значение температуры кипящего слоя сравнивают с текущим значением при розжиге котла, после чего сигнал рассогласования поступает на регулятор температуры розжига котла в программируемый логический контроллер, который воздействует на исполнительные механизмы и датчики, установленные на линии подачи дизельного топлива.

4. Способ автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности с низкотемпературным кипящим слоем по п. 2, отличающийся тем, что режим автоматического регулирования нагрузки котла осуществляют при помощи анализа разности температур прямой и обратной воды от соответствующих датчиков температур, в результате чего определяют текущую и необходимую нагрузки котла, полученные значения направляют в элемент сравнения и вычисляют сигнал рассогласования, который через элементы корректирующего контура регулирования температуры слоя направляют в регулятор нагрузки котла, управляющее воздействие с регулятора нагрузки котла направляют на частотный преобразователь питателя топлива и далее на электропривод питателя топлива, которым изменяют скорость подачи топлива в топку котла.

5. Способ автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности с низкотемпературным кипящим слоем по п. 2, отличающийся тем, что режим автоматического регулирования разрежения с коррекцией по СО и О₂, информацию о заданном разрежении формируют в программируемом логическом контроллере по режимным параметрам текущего расхода топлива, полученного от частотного преобразователя питателя топлива, при этом сигнал о содержании СО и О₂ в дымовых газах направляют в программируемый логический контроллер от датчика контроля СО и О₂, сигнал рассогласования, полученный в результате сравнения заданного разрежения воздуха с текущим разрежением с учетом корректирующих контуров регулирования СО и О₂, направляют в регулятор разрежения, информацию о текущем значении разрежения над слоем направляют в программируемый логический контроллер от датчика давления верхнего уровня кипящего слоя, при этом управляющее воздействие регулятора разрежения направляют в частотный регулятор дымососа, посредством чего изменяют разрежение над кипящим слоем.

6. Способ автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности с низкотемпературным кипящим слоем по п. 2, отличающийся тем, что режим автоматического регулирования температуры кипящего слоя осуществляют от датчика температуры кипящего слоя, при этом заданное значение температуры кипящего слоя сравнивают с текущим значением, после чего сигнал рассогласования поступает на регулятор рециркуляции, который воздействует на исполнительный механизм, регулирует расход рециркуляции дымовых газов, при невозможности регулировать температуру кипящего слоя газами рециркуляции, управляющий сигнал воздействует на регулятор расхода топлива, где с помощью частотного преобразователя подачи топлива происходит регулирование подачи топлива в топку котла.

7. Способ автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности с низкотемпературным кипящим слоем по п. 2, отличающийся тем, что режим автоматического регулирования высоты кипящего слоя осуществляют в программируемый логический контроллер по разнице давлений датчиков давления уровня кипящего слоя и изменению нагрузки котла, информацию о заданной необходимой высоте кипящего слоя формируют посредством обработки в соответствии с режимными параметрами сигнала рассогласования, характеризующего необходимое изменение нагрузки котла, если заданная разница давлений по нагрузке котла больше, чем текущая, то регулятор программируемого логического контроллера оказывает управляющее воздействие на исполнительные механизмы подачи инерта из бункера инерта в топку котла, при заданной разнице давлений по нагрузке котла меньше, чем текущая нагрузка, регулятор программируемого логического контроллера оказывает управляющее воздействие на исполнительные механизмы слива инерта из топки котла, при этом уровень инерта в бункере инерта контролируется датчиком контроля уровня, при получении сигнала рассогласования инерт из зольника поступает в бункер инерта.

8. Способ автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности с низкотемпературным кипящим слоем по п. 2, отличающийся тем, что режим автоматического регулирования уровня пароводяной смеси в барабане котла осуществляют по датчику уровня воды в барабане котла, где по сигналу о минимально допустимом значении уровня в регулятор программируемого логического контроллера направляют сигнал на включение насоса линии питательной воды, при заданном значении уровня насос отключают.

9. Способ автоматического регулирования процесса горения котла малой мощности с низкотемпературным кипящим слоем по п. 2, отличающийся тем, что режим автоматического регулирования уровня топлива в бункере-накопителе осуществляют по датчику уровня топлива, по сигналу о минимально допустимом значении уровня топлива управляющее воздействие через регулятор программируемого логического контроллера передают на исполнительный механизм включения привода транспортера, при заданном значении уровня топлива привод отключают.