Разработка системы управления электроприводом дымососа водогрейного котла тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Сапожников, Сергей Сергеевич

• Сапожников, Сергей Сергеевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Сапожников, Сергей Сергеевич

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

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

1.1. Технологические особенности сжигания топлива

1.2. Виды котельных агрегатов

1.3. Электропривод дымососов

1.4. Особенности применения регулируемого электропривода дымососа

1.5. Задачи диссертационной работы и методы их решения

Глава 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

2.1. Описание объекта исследования

2.2. Модель газовоздушного тракта

2.3. Модель теплообмена в газовоздушном тракте и водяном контуре

2.4. Математическая модель центробежного механизма

2.5. Математическая модель электропривода

Глава 3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ РАЗРЕЖЕНИЯ

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

3.2. Компьютерная модель теплообмена в газовоздушном тракте и водяном контуре

3.3. Обобщенная модель котлоагрегата и дымовой трубы

3.4. Линеаризация упрощенной модели котлоагрегата

3.5. Синтез регулятора разрежения

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

Глава 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ДЫМОСОСА

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

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

4.3. Альтернативные методы решения проблемы применения регулируемого электропривода на дымососах

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Приложение 6

Приложение 7

Приложение 8

Приложение 9

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка системы управления электроприводом дымососа водогрейного котла»

ВВЕДЕНИЕ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Научная новизна работы:

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

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

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

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

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

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1.1. Технологические особенности сжигания топлива

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

Процесс горения входящих в состав топлива химических элементов приводит к образованию тепла, двуокиси углерода СО2, водяных паров, а также токсичных соединений оксидов азота ЫОх и угарного газа СО. Причём, при большом выделении указанных химических соединений падает КПД котла. Поэтому для уменьшения образования вредных веществ и увеличения КПД котла необходимо регулировать режим горения топлива, основными показателями качества которого являются соотношение «воздух-газ» и разрежение в топке [19].

На рис. 1.1 показана зависимость концентрации составляющих продуктов сгорания газа и КПД котла от коэффициента избытка воздуха - а (соотношение количества воздуха и газа, подаваемых в горелки) [21].

Для реализации оптимального процесса горения необходимо поддерживать коэффициент избытка воздуха аош (заштрихованная область) в зоне минимальной концентрации СО (~50 ррт). При условии недостатка воздуха происходит так называемый химический недожог топлива, вследствие чего в атмосферу выбрасывается большое количество угарного газа. Избыток воздуха приводит к большему содержанию окислов азота N0* в дымовых газах и потерям тепла в атмосфере вместе с избыточным воздухом. Оба отклонения от оптимального режима ведут к падению КПД котла [23].

Первым условием качественного горения топлива (заштрихованная зона на рис. 1.1) является оптимальное соотношение «воздух-газ», подавае-

мых в горелки. При этом КПД котла будет достаточно высок, а содержание Аюх и со в продуктах сгорания незначительно. Проблема изменения соотношения «воздух-газ» средствами регулируемого электропривода решена в [19].

| Показатели горения

в Оу

в

со/ | N0* ч Зона оптимального горения (

Недостаток воздуха 0Сопт Избыток воздуха

Рис. 1.1. Концентрации составляющих продуктов сгорания газа и КПД котла в зависимости от коэффициента избытка воздуха

Вторым условием качественного горения топлива является удаление дымовых газов. Важнейший показатель этого процесса - разрежение в топке котла, значение которого поддерживается на некотором оптимальном уровне, чтобы:

- избежать отрыва факела от горелки;

- уменьшить подсос наружного неорганизованного воздуха в топку;

- исключить выброс вместе с дымовыми газами полезного тепла;

- не допустить превышения давления в топке над атмосферным давлением во избежание попадания продуктов сгорания в котельное помещение.

Правильный выбор значения величины разрежения и его стабилизация на заданном уровне обеспечивают высокий КПД котла, экономию топлива, а также исключают аварийные ситуации по факту отрыва пламени от горелок или превышения давления в топке над допустимым уровнем.

Таким образом, поддержание разрежения в топке является важнейшей задачей системы управления котлом, решение которой позволит оптимизировать процесс горения и избежать возникновения аварийных ситуаций.

1.2. Виды котельных агрегатов

Существуют два основных типа котлов - паровые и водогрейные. Паровые котлы производят пар высокого давления [20]. На тепловых станциях энергия пара используется для вращения лопаток паровой турбины, на валу которой находится вал электрогенератора. Паровой котёл, основная задача которого - выработка пара, необходимого для производства электроэнергии, называется энергетическим. Кроме того, пар применяется для технологических нужд промышленных предприятий, сельского хозяйства, а также в паровых подогревателях воды для систем теплоснабжения.

Водогрейные котлы служат для получения горячей воды требуемых характеристик для систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения жилых, общественных зданий и промышленных предприятий. Нагретая до нужной температуры вода доставляется по тепловым сетям к абонентским установкам - тепловым пунктам, задача которых снабжать потребителей холодной и горячей водой, а также теплом. Оба типа котлов являются важнейшей составляющей теплоэнергетических систем, а стабильность работы этих агрегатов напрямую влияет на их функционирование. Количество установленных на тепловой станции котлов варьируется в зависимости от нагрузки.

Одним из факторов, определяющих конструктивные особенности котла и всей технологической схемы производства тепла, является вид используемого топлива. Так, в котлах на природном газе или жидком топливе отсутствуют золоуловители, а также устройства для удаления шлака и золы, которые представляют неотъемлемую часть котлоагрегатов, работающих на твёрдом пылевидном топливе.

Принципиальная схема теплостанции [19] показана на рис. 1.2.

напорный трубопровод

обратный трубопровод

Рис. 1.2. Принципиальная схема теплостанции Основное оборудование и технологические линии:

водогрейные котлы К1 -Кп, работающие самостоятельно или параллельно с другими в любой комбинации;

сетевые насосы СН, обеспечивающие циркуляцию теплоносителя в городской магистрали через котлы и линию перепуска;

линия рециркуляции, подающая горячую воду после котлов на их вход с помощью рециркуляционных насосов РН;

линия перепуска, содержащая регулирующий клапан РКпер и подающая воду с выхода сетевых насосов непосредственно в напорный трубопровод теплосети с предварительным смешиванием с горячей водой после котлов;

линия подпитки, поддерживающая давление в обратном трубопроводе путем восполнения потерь теплоносителя за счет подачи подготовленной воды насосом подпитки НП.

Рассмотрим основное оборудование и технологические линии, обеспечивающие работу водогрейного котла (рис. 1.3).

С02

Напорный трубопровод

N0,

Воздухоподогреватель

Рис. 1.3. Упрощенная принципиальная схема водогрейного котла

Основными электроприводами, обеспечивающими работу водогрейного котла, являются электроприводы рециркуляционных насосов (РН), дутьевых вентиляторов (ДВ) и дымососов (ДС). Дутьевой вентилятор подаёт в горелки предварительно подогретый в воздухоподогревателе воздух, где он смешивается с поступающим под избыточным давлением газом. Дымососы поддерживают необходимое разрежение в топке котла и выбрасывают в атмосферу продукты сгорания через дымовую трубу. Рециркуляционные насосы подают горячую воду с выхода котла на его вход, поддерживая тем самым рекомендуемое значение температуры воды на входе котла.

Экономайзер, предварительно подогревающий воду на входе котла, и воздухоподогреватель - узлы, характерные в основном для энергетических котлов [24].

При нерегулируемом электроприводе управление технологическим режимом осуществляется дросселирующими устройствами: соотношение «воздух-газ» - направляющим аппаратом и регулирующим клапаном РКг, напор и расход в линии рециркуляции воды через котёл - регулирующим клапаном РКрец, а разрежение - шибером.

На рис. 1.4 показан общий вид водогрейного котла КВГМ-100 тепловой мощностью 100 Гкал/ч (1 Гкал/ч = 1,163 МВт). Котёл имеет П-образную компоновку, состоит из топочной камеры (топки), где происходит сжигание топлива, и конвективной шахты, куда поступает нагретая в топке газовоздушная смесь (Приложение 2). В котлах типа КВГМ устанавливается один ДВ, оснащённый асинхронным электроприводом переменного тока мощностью 11 - 400 кВт, который подаёт воздух в 3 - 4 горелки (Приложение 9). Удаление дымовых газов осуществляется дымососом.

Рис. 1.4. Общий вид водогрейного котла КВГМ-100

Котлы типа ПТВМ (рис. 1.5) конструктивно отличаются наличием большего количества горелок с индивидуальными дутьевыми вентиляторами. Так, котёл ПТВМ-50 оборудован двенадцатью горелками, а в котлах ПТВМ -100 (120) установлено шестнадцать горелок. Воздух в каждую горелку подаётся индивидуальным дутьевым вентилятором с низковольтным асинхронным электроприводом мощностью 5,5 — 12 кВт, а газ поступает через общий регулятор газа. Дымосос в котлах этого типа отсутствует, удаление дымовых газов осуществляется за счёт естественной тяги.

Рис. 1.5. Основные элементы конструкции водогрейного котла ПТВМ-50 (100) 1 - дымовая труба; 2 - конвективные поверхности нагрева; 3 - камерная топка;

4 - газомазутная горелка; 5 - дутьевой вентилятор

Наиболее распространённые типы дутьевых вентиляторов - ВД и ВДН. Существует ряд типоразмеров вентиляторов этих серий. Практически каждому типоразмеру соответствует несколько типов электродвигателей разной мощности.

1.3. Электропривод дымососов

Самыми распространенными типами дымососов являются дымососы серий Д и ДН. На каждый типоразмер возможна установка двигателей различной мощности. По конструкции дымососы этих серий можно разделить на два вида: одностороннего и двустороннего всасывания. Основное различие между ними состоит в количестве каналов подачи дымовых газов - один и два соответственно. Дымососы двустороннего всасывания предназначены для установки на водогрейные и паровые котлы большой производительности - 100 — 180 Гкал/ч и 320 — 480 т/ч [22].

И на водогрейных, и на энергетических котлах устанавливаются дымососы указанных выше серий, однако зачастую последние оснащаются сра-

зу двумя дымососами. Так, на ТЭЦ г. Краснокаменск (рис. 1.6) на нескольких энергетических котлах типа БКЗ установлено по два дымососа, работающих параллельно.

Рис. 1.6. Внешний вид Краснокаменской ТЭЦ В частности, на котле № 1 типа БКЗ 320-140 установлено два дымосо-

3 2

са двустороннего всасывания Д-21,5х2У, 310 тыс. м/ч, 470 кгс/м с асинхронным электроприводом мощностью 1000 кВт, 750 об/мин, 6 кВ. На котлах №№ 5-9 типа БКЗ 210-140 установлено по два дымососа ДН-26, 210 тыс

■2 Л

м /ч, 279 кгс/м с асинхронным электроприводом мощностью 400 кВт, 600 об/мин, 6 кВ (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Электропривод дымососа ДН-26 На водогрейных котлах КВГМ-100 (Рис. 1.4), входящих в состав РТС «Жулебино» г. Москва, установлены дымососы двустороннего всасывания

типа ДН22*2-0,62, оснащённые асинхронным электроприводом мощностью 250 кВт, 750 об/мин, 6 кВ. Как уже было отмечено ранее, на каждый тип дымососа возможна установка двигателей различной мощности.

Дымососы и дутьевые вентиляторы - механизмы, от которых напрямую зависит КПД котла и количество токсичных веществ, выбрасываемых в атмосферу.

До недавнего времени единственно возможным средством регулирования производительности описанных механизмов являлось ручное регулирование (дросселирование) с помощью шиберов. Такой метод регулирования приводил к неизбежным потерям электроэнергии. В некоторых случаях устанавливались менее надёжные и более дорогие многоскоростные двигатели [25]. Ситуация изменилась с появлением преобразовательной техники.

Сравним дроссельное и частотное регулирование с точки зрения энергоэффективности. На рис. 1.8 показана типовая зависимость напора, создаваемого дымососом, от расхода (кривая 1) и две регулировочные характеристики (кривые 2 и 3).

Рис. 1.8. Паспортная и регулировочные характеристики дымососа типа Д/ДН Предположим, что согласно характеристике дымового тракта необходимый расход <2\ обеспечивается напором Н\ (рабочая точка А). Для снижения напора с величины Н2 по паспортной характеристике 1 до требуемого значения Н\ характеристика 2 при дроссельном регулировании должна прой-

ти через точку А. Собственно дымосос при этом будет работать на своей паспортной характеристике, развивая напор Н2 и потребляя мощность, пропорциональную произведению и (2\. Разница между напорами вентилятора и всей установки, равная АН= Н2 - Н\, определит потери давления на дросселе и избыточно потребляемую электрическую мощность АР [32]:

АН[кгс/м2]д,[м3/с] АР =-±-[кВт], (1.1)

где 102 - переводной коэффициент единиц измерения; г|дв и г|ДС - КПД электродвигателя и дымососа.

Потери мощности для вентиляторов рассчитываются аналогичным образом.

Альтернативой дросселированию является частотное регулирование. Для работы установки в точке А (рис. 1.8) нужно уменьшить частоту электропитания так, чтобы регулировочная характеристика 3 проходила через эту точку, что предопределяет отсутствие избыточного напора и, соответственно, избыточно потребляемой мощности.

Такой способ регулирования позволяет сэкономить на дымососных установках до 90% электроэнергии [36]. Кроме того, замена нерегулируемого электропривода на регулируемый позволяет повысить качество управления технологическим процессом.

1.4. Особенности применения регулируемого электропривода дымососа

Задача энергосбережения на дымососах котлоагрегатов средствами регулируемого электропривода уже решена на многих котлоагрегатах, но по мере накопления опыта эксплуатации были выявлены проблемы, приводившие к неустойчивой работе системы регулирования разрежения, а также к аварийным отключениям котлов. В сложившейся ситуации возникла необходимость выявить причину этих явлений и предложить способ их устранения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сапожников, Сергей Сергеевич, 2013 год

Список литературы

1. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года / Утверждена Правительством Российской Федерации от 28 августа 2003 года. № 1234-Р.

2. Ilinski N. Frequency Converters in Water Supply Systems for Energy Saving // Energy Engineering. 2000. Vol. 97. № 5.

3. Ильинский Н.Ф. Энергосбережение в центробежных машинах средствами электропривода // Вестник МЭИ. 1995. № 1.

4. Ильинский Н.Ф. Энергосберегающий электропривод насосов // Электротехника. 1995. № 7.

5. Ильинский Н.Ф. Энергосберегающий электропривод насосов и вентиляторов // Тезисы докл. науч.-техн. семинара «Энергосберегающий электропривод насосов и вентиляторов». — М.: МЭИ. 1995.

6. Ильинский Н.Ф. Современные подходы к энергосбережению средствами электропривода в промышленности и коммунальном хозяйстве // Энергоменеджер. Ежеквартальный бюллетень. Вып. 5. Зима 1997.

7. Ильинский Н.Ф. Сопоставление энергопотребления асинхронного электропривода центробежных машин при частотном и параметрическом регулировании // Вестник МЭИ. 1995. № 6.

8. Ильинский Н.Ф. Регулируемый электропривод. Энерго- и ресурсосбережение // Приводная техника. 1997. № 3.

9. Ильинский Н.Ф. Перспективы развития регулируемого электропривода // Электричество. 2003. № 3.

10. Ильинский Н.Ф., Шакарян Ю.Г. Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода. -М.: Минтопэнерго РФ, 1997.

11. Виницкий Ю.Д., Мамиконянц Л.Г., Шакарян Ю.Г. Вопросы применения регулируемых электроприводов и тиристорных пуско-остановочных устройств для повышения экономичности и управляемости тепловых электростанций // Электрические станции. 1994. № 9.

12. Лезнов Б.С. Методические рекомендации по приближенному расчету эффективности применения регулируемого электропривода в насосных установках систем водоснабжения. — М.: ВИЭСХ, 1980.

13. Лезнов Б.С. Определение эффективности применения центробежных насосов с регулируемой частотой вращения // Сб. Эксплуатация водопроводных сетей и сооружений на них. — М.: МДНТП, 1980.

14. Лезнов Б.С., Гинзбург Я.Н. Экономия энергии в водном хозяйстве // Водоснабжение и санитарная техника. 1983. № 4.

15. Лезнов Б.С. Экономия электроэнергии в насосных установках. - М.: Энергоатомиздат, 1991.

16. Лезнов Б.С. Экономичное регулирование режимов работы канализационных насосных станций // Ред. журн. Водоснабжение и санитарная техника. - М.: Деп. в ВНИИС. 1993. № 4651.

17. Чистяков H.H. Повышение эффективности работы систем горячего водоснабжения. - М.: Стройиздат, 1988.

18. Чистяков H.H. Перспективы применения регулируемого электропривода во внутренних системах водоснабжения жилых микрорайонов // Тезисы докладов научно-технического семинара «Энергосберегающий электропривод насосов и вентиляторов». М.: МЭИ, 1995.

19. Крылов Ю.А. Разработка энерго-ресурсосберегающих технологий в топливно-энергетическом хозяйстве города на основе современного электропривода: Дисс. докт. техн. наук. М., 2009.

20. Фокин В.М. Теплогенерирующие установки систем теплоснабжения.

- М.: Машиностроение, 2006.

21. Беликов С.Е., Котлер В.Р. Сравнительные экологические характеристики промышленно-отопительных котлов с инжекционными и напорными горелками // Промышленная энергетика. 1999. № 5.

22. Стырикович М.А., Катковская К .Я., Серов Е.П. Котельные агрегаты.

- М.: Госэнергоиздат, 1959. 487 с.

23. Сидельковский Л.Н., Юренев В.Н Котельные установки промышленных предприятий: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 528с.

24. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. - М.: Энергоиздат, 1982.

25. Браславский И.Я., Ишматов 3.LIL, Поляков В.Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод: Учеб. пособие. - М.: Издательский центр «Академия», 2004.

26. Новое направление в приводе - мощный многосекционный вентиль-но-индукторный электропривод с векторным управлением /В.Н. Остриров, В.Ф. Козаченко, Ю.А. Крылов и др. //Электронные компоненты. 2006. № 1.

27. Ремезов А.Н., Сорокин A.B., Крылов Ю.А. Результаты промышленных испытаний мощного вентильно-индукторного электропривода ответственных механизмов непрерывных производств // Электричество. 2007. № 6.

28. Ильинский Н.Ф. Моделирование в технике: Учеб. пособие для вузов. - М.: Издательство МЭИ, 2004.

29. Мочан С.И. Аэродинамический расчет котельных агрегатов (нормативный метод). - М.: «Энергия», 1977.

30. Тепловой расчёт котельных агрегатов (Нормативный метод) / Под ред. Н.В. Кузнецова и др. - М.: Энергия, 1973.

31. Ильинский Н.Ф. Основы электропривода. - М.: МЭИ, 2007.

32. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый электропривод в насосных и воздуходувных установках. - М.: Энергоатомиздат, 2006.

33. Онищенко Г.Б., Юньков М.Г. Электропривод турбомеханизмов. - М. «Энергия», 1972.

34. Ключев В.И. Теория электропривода. - М.: Энергоатомиздат, 1998.

35. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. -М.: Энергоатомиздат, 1984.

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

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

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

39. Калинушкин М.П. Вентиляторные установки. - М.: Высшая школа, 1962.

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

41. Иванов Г.М., Иванов А.Г. Электропривод в химической и целлюлозно-бумажной отраслях промышленности: Монография - М.: МГИУ, 2008.- 480 с.

42. Панов A.C., Куцый K.JL, Горбачевский Н.К., Осипов О.Н. Модернизация электротехнического комплекса производства резиновых смесей // Тр. V Междунар. (16 Всероссийской) конф. по автоматизированному электроприводу. 2007. - С. 406 - 407.

43. Visioli A. Practical РЮ Control. - Springer - Verlag London Limited, 2006.

44. Ямаев А.И. Энергосберегающий алгоритм регулирования подачи воздуха и разрежения в топке отопительного котла / Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. 2008. № 10.

45. Тарасов Д.В. Исследование схемно-режимных особенностей частотно-регулируемых электроприводов насосных и вентиляторных установок теплостанций: Дисс. канд. техн. наук. М., 2010.

Приложение 1. Таблица тепловых и аэродинамических расчётов котла

(ДОРОГОБУЖКОТЛОМАШ)

Средне-зернистый мазут Природный газ

ИаинтоВамиг 0!о1на- Ра мер- Производительность В процентах от номинальной

ч*ние носил № (В га 100 60 го

1 2 3 * 5 6 7 8 9

1. ТеплопроизВодительность О Гкал/ч 100 60 20 100 60 20

2. Температура Воды на Входе В котел !, •с 70 102 134 70 70 70

I Температура Води на Выходе из котла Ь •с 150 150 150 150 118 86

4. Коэффициент избытка Воздуха В топке А. - 1.1 1.1 1.25 и 1.1 1.25

6. ТеплотВорная способность топлиВа ОТ, кчзл/кг' 9260 9260 9260 8620 8620 8620

7. Потеря тепла с уходящими газами Яг •Л 6.7 6.2 5.9 5.3 3.2 2Л

8. Потеря тепла от химического недожего Я> У. 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5

9. Потеря тепла от механического недожего Я* К 0 0 0 0 0 0

10. Потеря тепла б окружаощуп среду 0> % 1.0 1.2 1.4 1.0 1.2 1.4

11. Коэффициент полезного действия 1 % 91.8 92.1 92.2 93.2 95.1 95.7

13. Расчетный расход топлиба в кг/ч 11470 6989 2332 12447 7326 2424

14. Расход йоды й т/ч 1216 1216 1237 1236 1233 1233

НттеивЯамие Обозначение Ра¡мерность Средне-зернистый мазут Природный газ

Производительность В процентах от номинальной

№0 60 го та 60 го

1 г 3 4 5 6 7 3 9

ТОПКА

15. Объем топки V. М> 388 388 388 388 388 388

16Луче6осприниматая поверхность нагреВо Я Мг 359 359 359 359 359 359

17. Козффициет шетШ зффехяи&ют/ зкраноВ - 0,513 0.513 0.513 0.61 0.61 0.61

1В. Теоретическая температура горения м. "С 1976 1955 1771 1886 1882 1712

19. Температура газоВ на Выходе XI' °с 1150 976 658 1200 1008 660

20. Степень черноты топки О. - 0.75 ОЛЗ 0.702 0.54 0.553 -

21. Теплонапряжение топочного объема я. ХХВА п'-ч 279x10' 166x10' 55x10' 277x10' 164x10? 51.1x10?

21 ТшоНая хагружа дреШриятвщ«? юкртшз ч. КК(1А да 139x10' 98.3x10' 40x10* 123x10' 88x10' 39.3x10'

КОНВЕКТИВНЫЙ ПУЧОК

32. Поверхность нагреВа н, 2385 2385 2385 2385 2385 2385

33. Сечение для прохода газоб р, И1 10.27 10.27 10.27 10.27 10.27 10.27

34. Температура уходящих газаб 16- Г 185 168 151 145 98 -

35. Средний температурный напор л г 354 256 111 341 254 116

Средне-зернистый мазут Природный газ

Наинемабание Овозм- Разнер- Производительность в процентах от номинальной

чвтя ност но 60 20 ¡00 «г 20

1 2 3 * 5 6 1 8 9

36. Средняя температура га зоб \1 X 484 396 258 434 336 189

37. Скорость газов У X 10.7 5.65 1.69 10.2 5.24 1.48

ЗЗ.Коэффициент теплоотдачи конвекцией Л ИГЯЛ З-Гх 86.3 61.8 30.5 85.4 60.28 28.7

39.Козффициенп> теплоотдачи излучением ¿. ЛШЛ, Жтг 4.3 3.046 1.98 3.8 2.46 1.356

40. Коэффициент тепловой эффективности - 0.659 0.662 0.665 0.75 0.755 0.76

41.Коэффициент теплопередачи к ЯКВД. 60.69 42,1 21.52 68.0 48.0 23.2

42. Тепловосприятие пучка а. жкал'кг 4468 3638 2404 4443 3938 2633

РАСЧЕТ ТЯГИ

из. Разрежение 6 топке н кг/м1 2.0 2.0 2.0 - - -

45. Сопротивление пучка л 109 40 6.18 - - -

46. Суммарное сопротивление тракта л «'У 119 44.7 8.4

Вид с фропта

КВ-ГМ- 1 116,3-150 —

А1 15530

А2 6208

АЗ 3200

А4 5000

А5 1170

А6 2!!52%3

А7 3250

В1 9850

В2 1000

ВЗ 600

В4 1790

В5 10520

В6 5400

Система трубная

Короб воздушный

Портал Бункер золсвый

5 Обшивка

6 Паром азугопровод

7 ГИО

8 Горелка

9 Площадки и лестницы

10 Тепловая изоляция

11 Iазопровод

12 Холодильник

13 Щит водный

Приложение 3. Схема циркуляции котла КВГМ-100-150 (ДОРОГОБУЖКОТЛОМАШ)

1 1

\7 \7

а а

[ДАТУ

\И7

Движение воды Воздух

Перепускные трубы Верхние коллекторы Нижние коллекторы Дренажный вентиль Воздушный вентиль Воронка для слива

тт

Приложение 4. Вид подсистем, входящих в обобщённую математическую модель в среде МАТЬАВ, и описание используемых переменных

Обозначение Размерность Описание

Входы Qmgas кг/м3 Массовый расход газа

Внутренние переменные k PQ о Вт* м /кг Коэффициент пропорциональности

Pgortime с Момент розжига котла

P_gor Вт Мощность горения

Подсистема massa smesi

GD-

Œ>

T tг

Р_1

Т 1

га_1

Т_2 Р_2

-кю

Р tr sm

tepl_model_m_sm —'

GD-

Q_DV

Œb

Qm_gas

db-Qm_DS

-KZD

T sm

T_out m

Q H

dm_ln TIKJ

dm_out dm_DV

Urav_scstoyaniya_gasa

-КЮ

H sm

Подсистема 1ер1_то11е1_т_8т

Подсистема 11гау_80810уагнуа_^а8а

1 е р 1ш о (1 е 1_ш_8 т Обозначение Размерность Описание

Входы Р_1 Вт Тепловая мощность горения топлива

ш_1 кг Масса смеси в топке

Т 2 °С Температура труб котла

Внутренние переменные С_и<1_У02(1 Дж/ (кг*К) Удельная теплоемкость воздуха

Т_уогс1 °С Температура воздуха

А_1гиЬ_зшез1 Дж1 (с*К) Коэффициент теплопередачи масса смеси-трубы котла

Выходы Р_2 Вт Передаваемая тепловая мощность от смеси к трубам

11гау_8081:оуашуа Обозначение Размерность Описание

Входы м3/с Расход ДВ

0т§аз кг/с Массовый расход газа

Т о^ К Температура смеси

Внутренние переменные Т У02<1 К Температура воздуха

М уогё кг/моль Молярная масса воздуха

К Дж/(моль*К) Универсальная газовая постоянная

щуогсНорЫ кг Начальная масса воздуха в топке

ЛМорЫ м3 Объём топки

Выходы 0т_ОУ кг/с Массовый расход ДВ

тзт кг Масса смеси

Н_8Ш Па Давление смеси в топке (разрежение)

Подсистема 1ер1шос1е1_ш_1г

1ер1_тос1е1_ ш_1г Обозначение Размерность Описание

Входы Р_1:г_зт Вт Подводимая тепловая мощность от труб

Т_рг_уос1 °С Температура воды в прямом трубопроводе

Внутренние переменные СМгиЬ Дж/К Теплоемкость труб

Т_У02с1 °с Температура воздуха

А_УОс1у_ко1:1а_1гиЬ Дж/ (с*К) Коэффициент теплопередачи вода котла-трубы котла

Выходы Р_уосИг Вт Передаваемая тепловая мощность от труб воде котла

Подсистема 1ер1_тос1е1_т_уос1у_коиа

tepI_modeI_ т_УО(!у_ко1;1а Обозначение Размерность Описание

Входы Р_уосПг Вт Подводимая тепловая мощность от труб

Т_уоё_оЬг °С Температура воды в обратном трубопроводе

Qm_vody кг/с Массовый расход воды

Внутренние переменные С_ уоёу_ко1:1а Дж/К Удельная массы воды в котле

С_ ис1_уос!у Дж/К Удельная теплоемкость воды

Т_Уогс1 °С Температура воздуха

Выходы Т_уоё_рг °с Температура воды в прямом трубопроводе

Подсистема БУ

СО-

мс ОУ

р_1п а

мс п

а>

п 0¥

О

п

оыш а

а_ЫА

Н !п Н ОУ

Н_а1т

скнюу

-КЮ

Н 1П РУ

Мс_БУ Обозначение Размерность Описание

Входы Q м3/с Расход ДВ

п об/мин Частота вращения двигателя ДВ

Внутренние переменные n_nom_DV об/мин Номинальная частота вращения двигателя ДВ

Выходы P_in кВт Входная мощность ДВ

М с Н*м Момент сопротивления

Подсистема ED DV

n=const

n=var(ramp) п reg n=var(reg) W п

W 4 >

a_NA —►О-;

Rejim_raboty_DV a-NA

Q>

Mc DV

n_zad n M с M

Motor DV

XJD

n DV

n DV

M DV

n,M_DV

Motor DV

1/.I nv - V*

Inteorator

30/pi

CD" dDM

a>

njo

pi/30a

Подсистема ЕВБУ Обозначение Размерность Описание

Входы McJDV Н*м Момент сопротивления ДВ

n_zad об/мин Задание частоты вращения двигателя ДВ

Выходы a_NA % Угол открытия направляющего аппарата

М Н*м Электромагнитный момент двигателя

Motor DV Обозначение Размерность Описание

Входы n_zad об/мин Задание частоты вращения двигателя ДВ

n_tO об/мин Начальная частота вращения двигателя ДВ

Мс Н*м Момент сопротивления ДВ

Внутренние переменные SwitchDV Ключ Ввод/вывод звена ПЧ

Tp_DV С Постоянная времени ПЧ ДВ

Kp_DV Коэффициент усиления ПЧ

Sw_b_DV Ключ Динамическая Ь/Статическая Ь

b_DV Н*м*с Модуль статической жесткости механической хар-ки двигателя ДВ

Te_DV с Электромагнитная постоянная времени двигателя ДВ

J DV * 2 КГ*М Суммарный момент инерции ДВ

Выходы n об/мин Частота вращения двигателя ДВ

M Н*м Электромагнитный момент двигателя ДВ

Подсистема ББ

Мс DS

PJn Мс

Мс DS

сю-

П DS

G>

Н dt

СЮ-

a_Shiber

сю-

Н sm

H_out n

a_Shiber H In

Q

De!ta_Q^ H DS

Q(H)DS

■КБ

0_0Б

Подсистема 0(Н)Б8

a_Shiber

CL)Q (~2)Della_Q CDh.DS

Подсистема Мс_Б8

с

Подсистема <3(Н)Б8 Обозначение Размерность Описание

Входы Н_т Па Давление на входе ДС

Н_ои1 Па Давление на выходе ДС

п об/мин Частота вращения двигателя ДС

аБЫЬег % Угол открытия шибера

Внутренние переменные 8_п_Б8 (м3/с)2/ Па Аэродинамическое сопротивление ДС

дп_08 м3/с Начальный расход ДС

Т_уог(1 °С Температура воздуха

НО ЭБ Па Давление ДС при С>_08=0

Выходы 0 08 м3/с Расход ДС

НШ Па Давление ДС

Мс ББ Обозначение Размерность Описание

0 м3/с Расход ДС

Входы п об/мин Частота вращения двигателя ДС

ппошОБ об/мин Номинальная частота вращения двигателя ДС

Выходы Р_т кВт Входная мощность ДС

М с Н*м Момент сопротивления ДС

Подсистема ED DS

сю-Ю

Hsm i i. Н zad

Н atm Н zad

H atm

Н Н, H_zad

H_zad n_reg_out

Reg_razr

n_reg

n=const n=var(ramp) n=var(reg) a Shiber

_ -KX)

Rejim_raboty_DS a_Shiber

Switch_DS. |>L—

Mc DS L-H

М_с n

n_zad M

KD

П DS

Motor DS

Regrazr

Motor DS

cz>

n zad

a>

m_c (±>-

n to

K_p.PS

T_p_0S.s-1

n.FCh

Sw_DS

PCh

pi/30

^рогО^-

га!

S .v b DS

b_DS

Ь DS'4 43

T.e.DS.s^-1

С

М01

Me

1/J_DS

Integrator

Qn (T)M

pi/30_

Подсистема ED DS

Обозначение

Размерность

Описание

Входы

Н sm

Па

Давление смеси в топке

Mc DS

Н*м

Момент сопротивления ДС

Внутренние переменные Hatm Па Атмосферное давление

H_zad Па Задание разрежения в топке

n_zad об/мин Задание частоты вращения двигателя ДС

Выходы a_Shiber % Угол открытия шибера

n_DS об/мин Частота вращения двигателя ДС

M_DS Н*м Электромагнитный момент двигателя ДС

Обозначение Размерность Описание

Н zad Па Задание разрежения в топке

Входы Н Па Давление смеси в топке (разрежение)

T_on_reg с Время включения регулятора разрежения

Внутренние переменные Кг об/мин/Па Коэффициент усиления регулятора разрежения

Тг с Постоянная времени регулятора разрежения

Выходы nregout об/мин Задание скорости ДС

Motor DS Обозначение Размерность Описание

nzad об/мин Задание частоты вращения двигателя ДС

Входы n_tO об/мин Начальная частота вращения двигателя ДС

Мс Н*м Момент сопротивления ДС

SwJDS Ключ Ввод/вывод звена ПЧ

TpDS с Постоянная времени ПЧ ДС

KpDS Коэффициент усиления ПЧ

Sw_b_DS Ключ Динамическая Ь/Статическая Ь

Внутренние переменные b_DS Н*м*с Модуль статической жесткости механической хар-ки двигателя ДС

TeDS с Электромагнитная постоянная времени двигателя ДС

JDS * 2 кг*м Суммарный момент инерции ДС

Выходы n об/мин Частота вращения двигателя ДС

M Н*м Электромагнитный момент двигателя ДС