RZECZPOSPOLITAPOLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITAPOLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia (22) Data zgłoszenia (51) IntCl6. F23N 3/08 G05D 7/00 (54)Sposób i układ regulacji dopływu powietrza całkowitego do kotła (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 08/94 Uprawniony z patentu: Instytut Automatyki Systemów Energetycznych, Wrocław, PL Elektrownia "Turów", Bogatynia, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 04/97 (72)Twórcy wynalazku: Janusz Pollak, Wrocław, PL Euzebiusz Tymes, Wrocław, PL Robert Kielian, Wrocław, PL Zbigniew Wierzbicki, Wrocław, PL Stefan Piontek, Zgorzelec, PL Jan Giebułtowski, Zgorzelec, PL Ryszard Chudzik, Sulików, PL Janusz Podgórniak, Zgorzelec, PL PL B1 1 Sposób regulacji dopływu powietrza całkowitego do ( 57) kotła, w którym przepływem powietrza do paleniska steruje się w obwodzie otwartym w zależności od strumienia energii chemicznej dostarczanego paliwa, przy czym stosunek paliwo-powietrze koryguje się w regulatorze powietrza sygnałem wyjściowym z działającego w obwodzie zamkniętym regulatora zawartości tlenu, znam ienny tym, ze zadany przepływ powietrza (Lv) tłoczonego przez wentylator podmuchu określa się na podstawie danych o stratach powietrza (Lnp) w instalacji powietrza między wentylatorem podmuchu a paleniskiem i danych o powietrzu dossanym (Lnk) do kotła, przy uwzględnieniu w procesie regulacji zmiennego współczynnika nadmiaru powietrza (λ) uzależnionego funkcjonalnie od przepływu pow ietrza teoretycznie potrzebnego (LT) do spalania, otrzymanego z przeliczenia w znany sposób strumienia energii chemicznej (E) paliwa, przy czym zadany przepływ powietrza (Lv) tłoczonego przez wentylator podmuchu oraz zadaną zawartość tlenu (Ov) w spalinach kształtuje się dynamicznie w blokach dynamicznych (D1, D2) uwzględniając kierunek zmiany zadanego przepływu powietrza (Lv) 4 Układ regulacji dopływu powietrza całkowitego do kotła, w którym wyjście regulatora zawartości tlenu jest połączone z wejściem regulatora powietrza, znam ienny tym, ze układ identyfikacji (Ind) nieszczelności instalacji powietrza i dossań do kotła jest połączony z blokiem przeliczającym (BP), którego pierwsze wyjście, na którym pojawia się sygnał żądanego przepływu powietrza tłoczonego (Lv) przez wentylator podmuchu jest połączone z pierwszym blokiem dynamicznym (D 1) oraz z członem detekcji (Cd) kierunku zmian zadanego przepływu powietrza, któ reg o wyjścia są połączone z wejściem ste r ującym pierwszego (D 1) oraz drugiego (D2) bloku dynamicznego,...

2 Sposób i układ regulacji dopływu powietrza całkowitego do kotła Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób regulacji dopływu powietrza całkowitego do kotła, w którym przepływem powietrza do paleniska steruje się w obwodzie otwartym w zależności od strumienia energii chemicznej dostarczanego paliwa, przy czym stosunek paliwo-powietrze koryguje się w regulatorze powietrza sygnałem wyjściowym z działającego w obwodzie zamkniętym regulatora zawartości tlenu, znamienny tym, że zadany przepływ powietrza (Lv) tłoczonego przez wentylator podmuchu określa się na podstawie danych o stratach powietrza (Lnp) w instalacji powietrza między wentylatorem podmuchu a paleniskiem i danych o powietrzu dossanym (Lnk) do kotła, przy uwzględnieniu w procesie regulacji zmiennego współczynnika nadmiaru powietrza (λ) uzależnionego funkcjonalnie od przepływu powietrza teoretycznie potrzebnego (Lt) do spalania, otrzymanego z przeliczenia w znany sposób strumienia energii chemicznej (E) paliwa, przy czym zadany przepływ powietrza (Lv) tłoczonego przez wentylator podmuchu oraz zadaną zawartość tlenu (Ov) w spalinach kształtuje się dynamicznie w blokach dynamicznych (Dl, D2) uwzględniając kierunek zmiany zadanego przepływu powietrza (Lv). 2. Sposób regulacji według zastrz. 1, znamienny tym, że przy zwiększaniu zadanego przepływu powietrza (Lv), w pierwszym bloku dynamicznym (Dl) przetwarza się sygnał wejściowy do niego według transmitancji idealnego kompensatora (K) dla obwodu otwartego, zaś przy zmniejszaniu zadanego przepływu powietrza (Lv) sygnał wyjściowy z idealnego kompensatora (K) koryguje się przepuszczając go przez pierwszą inercję (I1), co najmniej pierwszego rzędu. 3. Sposób regulacji według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że przy zwiększaniu zadanego przepływu powietrza (Lv) sygnał zadanej zawartości tlenu w spalinach (Ov) w drugim bloku dynamicznym (D2) przepuszcza się przez drugą inercję (12), co najmniej pierwszego rzędu, zaś przy zmniejszaniu zadanego przepływu powietrza (Lv) sygnał zadanej zawartości tlenu (Ov) przepuszcza się przez układ zawierający równolegle połączoną drugą inercję (12) oraz szeregowo połączony rzeczywisty człon różniczkujący (D) z trzecią inercją (I3). 4. Układ regulacji dopływu powietrza całkowitego do kotła, w którym wyjście regulatora zawartości tlenu jest połączone z wejściem regulatora powietrza, znamienny tym, ze układ identyfikacji (Ind) nieszczelności instalacji powietrza i dossań do kotła jest połączony z blokiem przeliczającym (BP), którego pierwsze wyjście, na którym pojawia się sygnał zadanego przepływu powietrza tłoczonego (Lv) przez wentylator podmuchu, jest połączone z pierwszym blokiem dynamicznym (Dl) oraz z członem detekcji (Cd) kierunku zmian zadanego przepływu powietrza, którego wyjścia są połączone z wejściem sterującym pierwszego (Dl) oraz drugiego (D2) bloku dynamicznego, przy czym wejście drugiego bloku dynamicznego (D2) jest połączone z drugim wyjściem bloku przeliczającego (BP), na którym pojawia się sygnał zadanej zawartości tlenu (Ov) w spalinach, zaś wyjście pierwszego (Dl) oraz drugiego (D2) bloku dynamicznego są połączone odpowiednio z regulatorem powietrza (RP) oraz z regulatorem (RO) zawartości tlenu w spalinach. * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ regulacji dopływu powietrza całkowitego do kotła, zwłaszcza w procesie spalania odbywającym się w palenisku podciśnieniowym Znany jest z czasopisma Energetyka nr 8 z 1992 r., str 283, sposób i układ regulacji dopływu powietrza całkowitego do kotła w wersji paliwo-powietrze.

3 Przedstawiony sposób charakteryzuje się tym, że regulator powietrza steruje przepływem powietrza do paleniska, przy czym przepływ zmienia się proporcjonalnie do strumienia dostarc z o n e g o p a l i w a. Z ł o ż o n y s t o s u n e k p a l i w o - p o w i e t r z e k o r y g u j e s i ę w r e g u l a t o r z e p o w i e t r z a sygnałem wyjściowym z regulatora zawartości tlenu w spalinach. Wartość zadana zawartości tlenu jest zmienna i uzależnia się ją od sygnału zadanego obciążenia lub częściej od rzeczywistej wydajności parowej kotła bądź mocy bloku energetycznego tak, że wykazuje ona tendencję rosnącą przy malejącym obciążeniu. Układ realizujący ten sposób regulacji jest układem zamknięto-otwartym z pomiarem zakłócenia w postaci strumienia paliwa lub strumienia energii chemicznej, w sytuacji gdy strumień paliwa mnoży się przez jego wartość opałową. Na wejście regulatora zawartości tlenu jest podawany sygnał rzeczywistej i zadanej zawartości tlenu. Wyjście regulatora zawartości tlenu jest połączone z wejściem regulatora powietrza, na którego inne wejścia są podawane sygnały przepływu rzeczywistego i zadanego powietrza całkowitego tworzonego na podstawie pomiaru zakłócenia. Tak prowadzona regulacja nie uwzględnia w pełni czynników zależnych od indywidualnych charakterystyk danego kotła mających wpływ na dokładne wyznaczenie sygnału zadanego przepływu powietrza tłoczonego przez wentylator. Ponadto sygnał pomiarowy regulatora zawartości tlenu jest często obarczony znacznymi szumami znajdującymi się w paśmie częstotliwości użytecznych układu regulacji zawartości tlenu, co ogranicza możliwość osiągnięcia w nim wymaganej jakości regulacji. Sygnały, od których uzależnia się zmienną wartość zadaną, cechują się powolniejszą dynamiką przy wymuszeniach paliwem od dynamiki regulowanego w tym układzie procesu spalania. Sposób regulacji dopływu powietrza całkowitego do kotła według wynalazku, w którym przepływem powietrza do paleniska steruje się w obwodzie otwartym w zależności od energii chemicznej dostarczanego paliwa, przy czym stosunek paliwo-powietrze koryguje się w regulatorze powietrza sygnałem wyjściowym z regulatora zawartości tlenu działającego w obwodzie zamkniętym, charakteryzuje się tym, że zadany przepływ powietrza tłoczonego przez wentylator podmuchu określa się na podstawie danych o stratach powietrza w instalacji powietrza między wentylatorem podmuchu a paleniskiem i danych o powietrzu dossanym do kotła. Równocześnie w procesie regulacji uwzględnia się zmienny współczynnik nadmiaru powietrza, który jest uzależniony funkcjonalnie od przepływu powietrza teoretycznie potrzebnego do spalania otrzymanego z przeliczenia w znany sposób strumienia energii chemicznej paliwa, przy czym zadany przepływ powietrza tłoczonego przez wentylator podmuchu oraz zadaną zawartość tlenu w spalinach kształtuje się dynamicznie w blokach dynamicznych uwzględniając kierunek zmiany zadanego przepływu powietrza. Przy zwiększaniu zadanego przepływu powietrza, w pierwszym bloku dynamicznym przetwarza się sygnał wejściowy do niego według transmitancji idealnego kompensatora dla obwodu otwartego, zaś przy zmniejszaniu zadanego przepływu powietrza sygnał wyjściowy z idealnego kompensatora koryguje się przepuszczając go przez pierwszą inercję co najmniej pierwszego rzędu. Przy zwiększaniu zadanego przepływu powietrza sygnał zadanej zawartości tlenu w spalinach w drugim bloku dynamicznym przepuszcza się przez drugą inercję, co najmniej pierwszego rzędu, zaś przy zmniejszaniu zadanego przepływu powietrza sygnał zadanej zawartości tlenu przepuszcza się przez układ zawierający równolegle połączoną drugą inercję oraz szeregowo połączony rzeczywisty człon różniczkujący z trzecią inercją. Tak prowadzony sposób regulacji, dzięki zwiększeniu statycznej i dynamicznej dokładności wyznaczania zadanego przepływu powietrza i skoordynowaniu działania obwodu otwartego z regulatorem zawartości tlenu w spalinach poprzez ukształtowanie dynamiki przebiegu jego wartości zadanej odpowiednio do rzeczywistego przebiegu zawartości tlenu, zwiększa dokładność regulacji w warunkach szybkich i znacznych zmian strumienia energii chemicznej paliwa, przy ograniczeniu roli regulatora zawartości tlenu w spalinach głównie do kompensowania innych zakłóceń, co przyczynia się do optymalizacji spalania. Następuje również zmniejszenie zakresu zmian wielkości regulującej i tendencji do jej oscylacji Układ regulacji dopływu powietrza całkowitego do kotła według wynalazku, w którym wyjście regulatora zawartości tlenu jest połączone z wejściem regulatora powietrza, charakte-

4 ryzuje się tym, że układ identyfikacji nieszczelności instalacji powietrza i dossań do kotła jest połączony z blokiem przeliczającym, którego pierwsze wyjście, na którym pojawia się sygnał zadanego przepływu powietrza tłoczonego przez wentylator podmuchu, jest połączone z pierwszym blokiem dynamicznym oraz z członem detekcji kierunku zmian zadanego przepływu powietrza. Wyjścia tego członu są połączone z wejściem sterującym pierwszego oraz drugiego bloku dynamicznego, którego z kolei wejście jest połączone z drugim wyjściem bloku przeliczającego, na którym pojawia się sygnał zadanej zawartości tlenu w spalinach. Wyjście pierwszego oraz drugiego bloku dynamicznego jest połączone odpowiednio z regulatorem powietrza oraz z regulatorem zawartości tlenu w spalinach. Układ regulacji według wynalazku zapewnia realizację dokładnego sterowania w torze otwartym działającym od głównego zakłócenia dzięki wykorzystaniu indywidualnych charakterystyk kotła, to jest informacji o dossaniach i nieszczelnościach, optymalnego współczynnika nadmiaru powietrza dla każdej wielkości strumienia energii chemicznej przy jednoczesnym ograniczeniu działania zamkniętego obwodu regulacji zawartości tlenu w spalinach, który kompensuje inne zakłócenia oraz nieuniknione niedokładności obwodu otwartego, między innymi związane z chwilową zmiennością zależności statycznych występujących w pośrednich pomiarach strumienia paliwa. Wynalazek jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia schemat ideowy układu regulacji realizującego sposób regulacji dopływu powietrza całkowitego do kotła. Sygnał strumienia energii chemicznej paliwa E, który otrzymuje się z wymnożenia w członie mnożącym Cm sygnału strumienia paliwa B przez wartość opałową Wo, jest podawany na wejście pierwszego członu przeliczającego Cp1 w bloku przeliczającym BP. Układ identyfikacji Ind nieszczelności instalacji powietrza i dossań do kotła dostarcza ciągle lub okresowo informacje o stratach powietrza Lnp w instalacjach powietrza między wentylatorem podmuchu a paleniskiem do pierwszego sumatora S1 oraz sygnał o powietrzu dossanym Lnk do kotła na pierwsze wejście drugiego członu przeliczającego Cp2 i na pierwsze wejście trzeciego członu przeliczającego Cp3 w bloku przeliczającym BP. Pierwsze wyjście bloku przeliczającego BP, będące wyjściem pierwszego sumatora S1, na którym pojawia się sygnał przepływu powietrza Lv, tłoczonego przez wentylator podmuchu, jest połączone z wejściem idealnego kompensatora K w pierwszym bloku dynamicznym Dl oraz z członem detekcji Cd kierunku zmian zadanego przepływu powietrza, którego wyjścia są połączone liniami sygnału sterującego z pierwszym W1 oraz z drugim W2 przełącznikiem. Wejście drugiej inercji I2 oraz rzeczywistego członu różniczkującego D w drugim bloku dynamicznym D2 jest połączone z drugim wyjściem bloku przeliczającego BP będącego jednocześnie wyjściem czwartego członu przeliczającego Cp4, na którym pojawia się sygnał zadanej zawartości tlenu Ov w spalinach. Wyjście drugiej inercji I2 jest połączone z wejściem drugiego sumatora S2, którego inne wejście jest połączone poprzez trzecią inercję I3 z wyjściem rzeczywistego członu różniczkującego D. Wyjście drugiego sumatora S2 jest połączone poprzez drugi przełącznik W2 z dodatnim wejściem pierwszego członu różnicowego Cr1, na którego ujemne wejście jest podawany sygnał rzeczywistej zawartości tlenu Or w spalinach. Wyjście pierwszego członu różnicowego Cr1 jest połączone z regulatorem zawartości tlenu RO w spalinach, którego wyjście jest połączone z kolei z dodatnim wejściem drugiego członu różnicowego Cr2. Jego inne dodatnie wejście jest połączone poprzez pierwszy przełącznik W1 z wyjściem pierwszej inercji I1 oraz z wyjściem idealnego kompensatora K Na ujemne wejście drugiego członu różnicowego Cr2 jest podawany sygnał rzeczywistego przepływu powietrza Lr. Wyjście drugiego członu różnicowego Cr2 jest połączone z wejściem regulatora powietrza RP. Wyjście pierwszego członu przeliczającego Cp1 jest połączone z drugim wejściem drugiego członu przeliczającego Cp2 oraz z drugim wejściem trzeciego członu przeliczającego Cp3, którego wyjście jest połączone równocześnie z wejściem czwartego członu przeliczającego Cp4 oraz z trzecim wejściem drugiego członu przeliczającego Cp2. Wyjście drugiego członu przeliczającego Cp2 jest połączone z pierwszym sumatorem S1. W pierwszym członie przeliczającym Cp1 sygnał strumienia energii chemicznej E paliwa jest przeliczany w oparciu o uproszczony wzór Rosina-Fehlinga na odpowiadający mu przepływ powietrza L t

5 teoretycznie potrzebnego do spalania. W trzecim członie przeliczającym Cp3 następuje utworzenie właściwej dla danego kotła zależności od współczynnika nadmiaru powietrza X od sygnału przepływu powietrza LT teoretycznie potrzebnego do spalania. Gdy następuje zmniejszanie jego wartości, w związku z rosnącym udziałem powietrza dossanego do kotła we współczynniku nadmiaru powietrza X i z potrzebą uwzględnienia bezpiecznego funkcjonowania kotła przy niższych obciążeniach, współczynnik nadmiaru powietrza X rośnie. Zależność ta może być korygowana okresowo za pomocą informacji o powietrzu dossanym Lnk do kotła w sytuacjach gdy następują jego zmiany tuż przed miejscem pomiaru zawartości tlenu W drugim członie przeliczającym Cp2 następuje obliczenie wymaganego przepływu powietrza z wentylatora podmuchu Lw na wlocie do paleniska zgodnie z bilansem przepływów powietrza, co obrazuje wzór: Lw = λ LT - Lnk gdzie: X - współczynnik nadmiaru powietrza LT - przepływ powietrza teoretycznie potrzebnego do spalania Lnk - powietrze dossane do kotła Współczynnik nadmiaru powietrza X w czwartym członie przeliczającym Cp4 jest przeliczany na zadaną zawartość tlenu Ov w spalinach, która jest następnie korygowana dynamicznie w drugim bloku dynamicznym D2 dla zneutralizowania działania regulatora zawartości tlenu RO w spalinach przy działającym obwodzie sterowania zadanym przepływem powietrza Lv, który jest przed podaniem do regulatora powietrza RP, korygowany dynamicznie w pierwszym bloku dynamicznym Dl. W wyniku podania z członu detekcji kierunku zmian Cd zadanego przepływu powietrza sygnału określającego kierunek zmiany zadanego przepływu powietrza Lv, na wejście sterujące pierwszego W1 oraz drugiego W2 przełącznika w blokach dynamicznych Dl, D2 kształtuje się dodatkowo dynamicznie przebiegi sygnału zadanego przepływu powietrza Lv i zadanej zawartości tlenu Ov w spalinach otrzymując współzależne względem siebie przebiegi dynamiczne Lz, Oz tych wielkości. Przy zwiększaniu zadanego przepływu powietrza Lv, tłoczonego przez wentylator podmuchu, transmitancję pierwszego bloku dynamicznego D l kształtuje się na podstawie danych eksperymentalnych o dynamice obiektu, to jest w oparciu o znajomość odpowiedzi zawartości tlenu w spalinach na wymuszenia strumieniem energii chemicznej i przepływem powietrza Stosując warunek inwariantności względem zakłócenia, jakim jest strumień energii chemicznej paliwa, otrzymuje się dla obwodu otwartego transmitancję idealnego kompensatora realizowalną fizycznie dla rozpatrywanego zastosowania. Zapewnia ona dokładną kompensację wpływu zakłócenia na zawartość tlenu w spalinach przy zwiększaniu zadanego przepływu powietrza. Wynikająca z tego minimalizacja przejściowych uchybów dodatnich zawartości tlenu pozwala na uniknięcie ryzyka niezupełnego spalania. Przy zmniejszaniu zadanego przepływu powietrza Lv transmitancję pierwszego bloku dynamicznego D l modyfikuje się włączając w szereg za idealnym kompensatorem K pierwszą inercję I1, osłabiającą intensywność i charakter zmian zadanego przepływu powietrza skorygowanego Lz dynamicznie tak, ze pojawiający się przejściowy ujemny uchyb mieści się w dopuszczalnych dla danego kotła granicach. Przyjęty sposób regulacji uwzględnia wymóg bezpiecznego funkcjonowania kotła. Pełne odsprzęganie zamkniętego obwodu regulacji zawartości tlenu przy zadziałaniu obwodu otwartego jest osiągane w wyniku kształtowania transmitancji drugiego bloku dynamicznego D2. Przy zwiększaniu zadanego przepływu powietrza Lv sygnał zadanej zawartości tlenu Ov przepuszcza się przez drugą inercję I2, zaś przy zmniejszaniu zadanego przepływu powietrza Lv, sygnał zadanej zawartości tlenu Ov przepuszcza się przez układ zawierający równolegle połączoną drugą inercję I2 oraz szeregowo połączony rzeczywisty człon różniczkujący D z trzecią inercją I3. Jednoczesne uzależnienie zadanego przepływu powietrza do kotła i zmiennego nadmiaru powietrza od strumienia energii chemicznej paliwa jest szczególnie pożądane w sytuacji opalania kotła paliwem stałym, gdzie pomiar strumienia paliwa odbywa się metodą pośrednią poprzez pomiar obrotów podajników. Typowe dla tego zastosowania przejściowe zmiany relacji strumień paliwa-obroty podajników, przykładowo podczas manipulacji przełą-

6 czeniowych w obrębie młyna węglowego, mogą powodować zmiany przepływu powietrza w niewłaściwym kierunku. Są one jednak szybko kompensowane przez regulator zawartości tlenu, na którego wejściu pojawia się wymuszający działanie odwrotne uchyb zwiększany ze względu na charakter zależności statycznej i dynamicznej nadmiaru powietrza od strumienia energii chemicznej. Przy pomiarze strumienia za pośrednictwem pomiaru obrotów podajników zamiast wartości opałowej Wo stosuje się współczynnik obliczany na podstawie uśrednionego stosunku mocy elektrycznej lub przepływu pary do sumy obrotów podajników paliwa. Współczynnik ten użyty do obliczenia energii chemicznej kompensuje wpływ powolnych odchyleń relacji rzeczywistego strumienia paliwa do obrotów podajników. Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł