Автоматическое регулирование котельных установок

2-1. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО
РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ

Топливо, подаваемое в топку парового котла, приносит с собой некоторое количество тепла в виде скрытой химической энергии. При сжигании топлива входящие в его состав горючие элементы (углерод С, водород Н и сера S) соединяются с кислородом воздуха, в результате чего тепло топлива освобождается. Регулирование процесса горения, происходящего в топке парового котла, должно обеспечивать непрерывную подачу с топливом тепла, в количестве, необходимом для покрытия расхода тепловой энергии с паром, выработанным котлом, а также для восполнения непроизводительных потерь, неизбежных при работе котельной установки. Непроизводительный расход тепла, сопутствующий работе котла, складывается из следующих основных потерь:

а) с уходящими газами (газы, покидающие агрегат через дымовую трубу, имеют более высокую температуру, чем воздух, из которого они образовались в топке);

б) от химической неполноты сгорания (не все горючие химические элементы, содержащиеся в составе топлива, входят в соединение с кислородом и отдают свое тепло в топке);

в) от механической неполноты сгорания (часть несгоревшего топлива удаляется из котла со шлаком и золовыми уносами);

г) потери в окружающую среду за счет лучеиспускания нагретой поверхности обмуровки агрегата.

Потери тепла при сжигании топлива в топке оцениваются по величине коэффициента полезного действия котла η_к представляющего собой отношение количества тепла, полезно примененного на образование пара, к теплу, подведенному в топку с топливом в виде химической энергии. С допустимым приближением можно принять, что процесс образования пара в котле происходит при постоянном объеме, следовательно, давление выработанного в котле пара определяется количеством тепла, полученного им от горящего в топке пламени. Отсюда видно, что постоянство давления и температуры служит показателем соответствия между подачей тепла с топливом и расходом его с паром. По условиям эксплуатации обычно допускаются лишь незначительные отклонения давления и температуры пара, выработанного котлами от заданного значения.

Для выделения тепла при сжигании топлива в топку должно быть подано определенное количество воздуха, содержащего кислород, необходимый для горения. Подача избыточного количества воздуха приводит к увеличению потерь с уходящими газами, а недостаток воздуха может вызвать появление химической неполноты сгорания. Расход воздуха на 1 кг сжигаемого топлива зависит от количества скрытой в нем химической энергии тепла, которая выражается величиной рабочей теплотворной способности топлива. Чем выше теплотворная способность топлива, тем больше воздуха должно быть подано в топку для его сгорания. Количество кислорода, необходимого для выделения 1 ккал тепла при сжигании топлива, примерно одинаково для топлив всех видов. Поэтому для сжигания различных топлив при постоянном расходе тепла, т. е. при постоянной паровой нагрузке, требуется одинаковое количество воздуха, независимо от сорта и химического состава топлива.

Расход топлива зависит от его теплотворной способности. Если, например, теплотворная способность топлива при работе котла с постоянной нагрузкой по пару уменьшится вдвое, то расход топлива нужно будет увеличить в 2 раза, оставив при этом расход воздуха без изменения.

Для сжигания 1 кг топлива необходимо подать в топку υ_в м³/кг воздуха:

(2-1)

где υ_t — теоретически необходимое количество воздуха в м³, отнесенное к 1 кг топлива; α — коэффициент избытка воздуха.

Задача регулирования состоит в поддержании заданного избытка воздуха, при котором обеспечиваются оптимальные условия экономичного сжигания топлива. Коэффициент избытка воздуха определяется путем измерения содержания свободного кислорода О₂ или углекислоты СО₂ в дымовых газах, выраженного в процентах от объема газов. Величина а может быть найдена по следующим уравнениям:

где О₂ и СО₂ — объемное содержание кислорода и углекислоты в дымовых газах, определенное химическим анализом, %; СО_2макс — теоретическое содержание углекислоты в газах при условии, что полное сгорание топлива имело место при теоретически необходимом количестве воздуха, %.

Таким образом, зная содержание в газах свободного кислорода, можно судить об избытке воздуха, поданного в топку. Чем больше в газах свободного кислорода, тем меньше процентное содержание остальных газов, в частности углекислоты СО₂. Судить о правильности подачи воздуха в топку можно только при отсутствии химической неполноты сгорания, т. е. при отсутствии в газах окиси углерода СО и продуктов неполного сгорания водорода топлива. Практика показывает, что наличие определенного избытка воздуха гарантирует полноту сгорания топлива и содержание в газах продуктов неполного сгорания можно не контролировать. О правильности подачи воздуха обычно судят по показаниям газоанализатора, непрерывно определяющего содержание кислорода или углекислоты в газах за котлом. В режимных картах по обслуживанию котла задается наивыгоднейшее содержание О₂ или СО₂ в газах, которое должно поддерживаться при регулировании подачи воздуха.

При сжигании топлива в топке выделяется значительное количество газообразных продуктов сгорания. Топочные газы проходят вдоль обогреваемых поверхностей котла, пароперегревателя, и экономайзеров, отдают свое тепло и удаляются наружу. Количество удаляемых газов строго соответствует расходу воздуха и топлива, а следовательно, и расходу пара, т. с. нагрузке котла. При
этом в топке должно поддерживаться заданное разрежение.

Итак, при регулировании процесса горения необходимо изменять подачу топлива (приход тепла) в соответствии с расходом пара (расход тепла), задаваемым потребителем по произвольному графику. Это выполняется регулятором топлива, имеющимся в любом варианте схемы автоматического регулирования процесса горения. Изменяя подачу топлива, регулятор топлива меняет нагрузку котла в соответствии с потребностью в паре, т. е. выполняет назначение регулятора нагрузки.

Сжигание топлива в топке котла должно быть максимально экономичным. Это достигается строгим пропорционированием расхода воздуха в соответствии с подачей топлива. Для выполнения указанной задачи любая система автоматического регулирования процесса горения снабжается регулятором воздуха. Этот регулятор должен поддерживать заданный коэффициент избытка воздуха (т. е. содержание О₂или СО₂ в газах) при всех режимах работы котла. Выполняя свои функции, регулятор воздуха поддерживает максимально экономический режим горения, т. е. служит регулятором экономичности.

Образующиеся при сгорании топлива дымовые газы должны быть удалены наружу, что выполняется при помощи регулятора газов. Регулятор газов поддерживает заданное разрежение в топочном пространстве, следовательно, выполняет функции регулятора разрежения.

Таким образом, в состав любой системы автоматического регулирования процесса горения котла входят три основных регулятора: топлива, воздуха и газов. Многочисленные варианты применяемых в практике схем автоматизации в основном различаются между собой способом получения показателей, характеризующих потребность в паре и количество тепла, выделяющееся при сгорании в каждый момент работы котла. Задача получения этих показателей очень сложна и по-разному решается для котлоагрегатов разной конструкции и разных видов топлива. Этим объясняется многообразие структурных схем автоматизации процесса горения. В частности сигналы, подаваемые в систему авторегулирования процесса горения, не должны обладать значительным запаздыванием, затрудняющим работу системы.

Во время работы система автоматического регулирования процесса горения получает возмущения. Реагируя на эти возмущения авторегуляторы должны по возможности быстро приводить котел в новое установившееся состояние. Различают два вида возмущений: внешние и внутренние. Внешние возмущения возникают при изменении нагрузки потребителем и являются для работы электростанции закономерными. Внутренние возмущения незакономерны и объясняются непостоянством качества топлива и несовершенством работы оборудования. К числу наиболее часто появляющихся внутренних возмущений относятся нарушение расходных характеристик органов, регулирующих подачу топлива, например питателей пыли или сырого угля, смена сорта топлива, его влажности или зольности, приводящая к изменению теплопроизводительности и способности перемещаться по течкам и рукавам топливопроводов. Появление внутренних возмущений наблюдается при снижении уровня пыли в бункерах, понижении температуры сжигаемого мазута и т. д. Внутренние возмущения наносятся включением или отключением отдельных пылевых горелок или мазутных форсунок.

Как видно, причины, вызывающие внутренние возмущения, весьма разнообразны. Система авторегулирования процесса горения котла должна обеспечивать достаточно высокое качество регулирования как при внешних, так и при внутренних возмущениях. Это затрудняет автоматизацию процесса горения, заставляя усложнить ее схему. Следует заметить, что такого же эффекта часто можно достигнуть не усложнением схемы автоматизации, а ликвидацией самих причин возникновения внутренних возмущений. Например, замена плохо работающих питателей пыли дает заметное улучшение качества работы авторегуляторов.