Водогрейный котел необходим для подачи теплой воды к потребителю. Исследуемый в данной работе объект, является связующим пунктом между теплоэлектростанциями и самим потребителем, подогревая до необходимой температуры воду. Водогрейный газомазутный котел использует два вида топлива: газ и мазут. Соответственно из-за сложности технологического процесса, а также нескольких узлов регулирования, котёл можно назвать сложно-регулируемым объектом. Для корректной работы котла необходимо координировать работу нескольких регуляторов. В статье рассматривается вариант исследования такой системы для конкретного объекта с использованием программного регулятора с автонастройкой.
Ключевые слова: ПИД регулятор, инвариантные системы, водогрейный газомазутный котел, теплоэлектростанция.
A hot water boiler is required to supply warm water to the consumer. The boiler room on which these boilers are located is a connecting point between thermal power plants and the consumer himself, heating the water to the required temperature. The hot water gas-fuel oil boiler uses two types of fuel: gas and fuel oil. Accordingly, due to the complexity of the technological process, as well as several control units, the boiler can be called a difficult-to-regulate object. For the boiler to work correctly, it is necessary to regulate a number of parameters, from which the definition of PID control comes. Where do the following definitions come from, like the invariance of the system, the use of controllers.
Key words: PID, invariant systems, hot water gas-oil boiler, heat-power plant.
Введение
Котельная — комплекс технологически связанных тепловых энергоустановок, расположенных в обособленных производственных зданиях, встроенных, пристроенных или надстроенных помещениях с котлами, водонагревателями и котельно-вспомогательным оборудованием, предназначенный для выработки теплоты.
Водогрейный котел — котел необходимый для нагревания воды, его сферой применения является система отопления, вентиляция, а также горячее водоснабжение различных зданий и сооружений. Обычно водогрейные котлы используются в составах районных котельных, для покрытия пиковой тепловой нагрузки ТЭЦ.
Технологический процесс котла является сложным процессом, который время от времени проходит ряд резких изменений, в плане регулирования нагрузки, но для начала необходимо произвести начальные работы, такие как розжиг, вентиляция и опрессовка топки котла в автоматическом режиме, для облегчения работы операторов и ускорения данного процесса.
Изменение нагрузки котла происходи в основном из-за погодных условий в городе и требования ЦТРП выдачи определенной температуры воды за котлом.
Водогрейный котел КВГМ-50–150 является одним из 4-х котлов южной районной котельной (ЮРК), которая отапливает и снабжает горячей водой Бостандыкский район города Алматы, насчитывающий около 345 000 человек населения. Данный котел работает один раз в год на протяжении всего отопительного сезона. В городе Алматы из-за не стандартного климата данный сезон варьируется, например в 2021 году отопительный сезон начался 15 октября и продлится до 21 апреля 2022 года.
Нагрузка данного котла в период с 15 октября 2021 года изменялась в двух направлениях, на увеличение и понижение. Увеличение нагрузки произошло из-за резкого похолодания и снижения температуры до 0 ℃, в ходе чего был увеличен как расход воды, так и расход газа, что способствует большему объему подогреваемой воды.
Основными элементами рабочего процесса, осуществляемого в котельной установке, являются:
1) процесс горения топлива;
2) процесс теплообмена между продуктами сгорания или самим горящим топливом с водой;
3) процесс парообразования, состоящий из нагрева воды, ее испарения и нагрева полученного пара;
Во время работы в котлах образуются два взаимодействующих друг с другом потока: поток рабочего тела и поток образующегося в топке котла;22
В результате этого взаимодействия на выходе объекта получается пар заданного давления и температуры.
Горение топлива является сплошным физико-химическим процессом. Химическая сторона горения представляет собой процесс окисления его горючих элементов кислородом, проходящий при определенной температуре и сопровождающийся выделением тепла. Интенсивность горения, а также экономичность и устойчивость процесса горения топлива зависят от способа подвода и распределения воздуха между частицами топлива. Условно принято процесс сжигания топлива делить на три стадии: зажигание, горение и дожигание. Эти стадии в основном протекают последовательно во времени, частично накладываются одна на другую.
Расчет процесса горения обычно сводится к определению количества воздуха в м 3 , необходимого для сгорания единицы массы или объема топлива количества и состава теплового баланса и определению температуры горения.
Работа котла обуславливается постоянными изменениями параметров, которые сильно взаимосвязаны друг с другом. Для того, чтобы увеличить исходную температуру воды, оператору необходимо проверить водяную нагрузку через котёл, после чего происходит регулирование таких параметров, как: расход газа, давления газа, давления воздуха, разряжение в топке котла и т. д. в ходе чего поступает вопрос о регулировании параметров.
Регулирование параметров котла является необходимым условием для работы, исходя из данных условий были выведены следующие цели исследования:
— Разработка структурной схемы системы автоматизации для стабилизации параметров котла при переменной нагрузке;
— Разработка математической модели котла КВГМ-50–150 при переменной нагрузке.
- Технические характеристики объекта управления
Газ является основным видом топлива для данного водогрейного котла, в качестве дополнительного источника топлива используется мазут. Процесс работы котла можно разделить на следующие этапы:
— Вентиляция топки котла;
— Опрессовка газовых труб;
— Розжиг блоков горелок;
После данных этапов, оператору необходимо вывести котел в определенный режим работы, для выдачи температуры, выставленной оператором центрального транзитно-распределительного пункта (ЦТРП) .
Для корректной работы нового котла котельной необходимо пройти процесс настройки и вывода котла к максимально эффективному сгоранию топлива. Данный процесс проводит режимная группа, которая при помощи специальной аппаратуры (газоанализаторов и т. д.) выводит данный котел к эффективному сгоранию газа, начиная с малой нагрузки продолжая до пикового режима. После проведения данного процесса и математических расчетов, сотрудником режимной группы выдается режимная карта для работы с данным котлом. Режимная карта котла продемонстрирована на рисунке 1.
Рис. 1. Режимная карта котла № 3В
Работа котла КВ-ГМ-50–150 автоматизирована под среднюю нагрузку, т. е. работу котла при температуре не ниже 0 ℃. При влиянии внешних факторов оператор в соответствии с режимной картой изменяет нагрузку и выдаёт необходимо значение температуры воды на выходе из котла. При этом оператор обязательно проверяет следующие параметры:
— давление газа после регулятора;
— давление воздуха к горелкам;
— разряжение в топке котла;
— расход газа;
— расход воды;
— температура на входе т выходе котла.
- Водогрейный котел как объект управления
Рис. 2. Технологическая схема водогрейного газового котла
К горелке котла подводятся газ и воздух. Воздух подается дутьевым вентилятором. Горючая смесь, которая образуется в горелке, воспламеняется и отдает тепло в топочную камеру. В результате процесса горения образуются газообразные продукты — дымовые газы. Их отсасывает дымосос, а затем выбрасывает в атмосферу.
Сжигание осуществляется факельным способом. При сжигании газового топлива необходимо обеспечить: хорошее предварительное перемешивание газа с воздухом, ведение процесса с малыми избытками воздуха, разделение потока смеси на отдельные струи. Подогрев газовоздушной смеси и химическая реакция горения протекают очень быстро. Основным фактором длительности горения является время, затраченное на перемешивание газа с воздухом в горелке. От быстроты и качества перемешивания газа с необходимым количеством воздуха, зависит скорость и полнота сгорания газа, длина факела топки и температура пламени. Для процесса горения дымососом создается необходимое разряжение и обеспечивается полное удаление продуктов сгорания.
Воздух должен подаваться в таком количестве, чтобы обеспечить полное сжигание топлива (1:10) и при этом выделяется углекислый газ СО2 и пары воды Н2О. Если воздуха недостаточно, то кроме неполноты сжигания, т. е. экономических потерь будет загрязнение атмосферы так как при этом выделяются сажа и угарный газ СО, это не допустимо, так как СО действует на организм отравляюще, а сажа осаждаясь на поверхностях котлов приводит к перерасходу топлива и загрязнению атмосферы. Таким образом, необходимо регулировать соотношение «топливо — воздух».
Для работы котла на газовом топливе применены 4 подовые горелки с прямой щелью, которые устанавливаются между секциями вертикальных топочных экранов. Горелка имеет два ряда отверстий, диаметром 1,5 мм, расположенных в шахматном порядке.
На основании анализа технологических процессов необходимо отметить, что водогрейный котел, как объект управления, необходимо рассматривать как сложный объект с взаимозависимыми параметрами, требующими взаимосвязанные контуры регулирования
- Регулируемые параметры котла
Котел является сложным регулируемым объектом управления. Ниже на рисунке 3 представлена схема материальных потоков и их информационные переменные, которые показывают работу котла.
Рис. 3. Схема материальных потоков и их информационный переменных
Входными потоками котла являются: газ, вода и воздух. У каждого из которых происходит разветвление: давление, температура и расход. Каждый из потоков влияет на работу котла соответственно. Также в процессе работы на котел действуют возмущающие воздействия. К ним относятся различные параметры, такие как: температура окружающей среды, количество потребителей, время суток и т. д. Выходными же потоками является нагретая вода и дымовые газы.
После рассмотрения схемы материальных потоков необходимо составить схему взаимосвязи между входными и выходными величинами в водогрейном котле (рис. 4).
Рис. 4. Схема взаимосвязи между входными и выходными величинами в водогрейном котле
На рисунке 4 показана схема взаимосвязи между входными и выходными величинами в водогрейном котле. Входными параметрами являются расход воды, газа и воздуха, которые в свою очередь перектрестно действуют на выходные величины, такие как давление воды, количество выбросов в атмосферу и температура нагретой воды.
- Математическая модель котла
На рисунке 5 показана структурная схема системы автоматического управления температурой воды на выходе из водогрейного котла КВГМ-50–150.
Рис. 5. Структурная схема САР температуры воды при изменении нагрузки
Представленная схема САР является каскадной, в которой происходит регулирование трех контуров, которые в сумме дают регулирование температуры. В схеме представлены 3 контура регулирования:
- Регулирование расхода топлива;
- Регулирование температуры воды;
- Регулирование расхода воды.
Начальным значение для трех контуров является заданное значение температуры. Реализация данной системы проходила в среде TIA Portal V16. Где была разработана математическая модель данной САР и выведен соответствующие аналитические показатели.
5. Разработка математической модели котла
Математическая работа котла реализована в среде TIA Portal V16, с использованием стандартных блоков для ПИД-регуляторов, таких как PID-compact (в роли регулятора), Cont_C (в роли объекта управления и возмущающего воздействия на объект управления).
PID-compact (рис. 6) является блоком с 5 различными режимами работы:
- Не активен;
- пред-настройка;
- ручная точная настройка;
- автоматический режим;
- ручной режим.
Рис. 6. Блок ПИД-регулятора PID-compact
Ниже представлена программный код, реализованный на языке программирования LAD (рис. 7а, б).
Рис. 7а. Программная реализация
Рис. 7б. Программная реализация
При автоматической настройке регулятора PID-compact и ввода возмущающегося воздействия, реализованного при помощи регулятора CONT_C получена переходная характеристика показанная на рисунке 8.
Рис. 8. Переходная характеристика регулирования температуры с учетом внешнего воздействия
Выводы
Правильная регулировка основного параметра, а именно температуры воды на выходе котла, является основной задачей на предстоящий год, так как это обеспечить бесперебойную работу котла и выдачу необходимой температуры воды к потребителю и уменьшению нагрузки операторов. Регулирование также решает проблему быстрого взаимодействия при изменении внешних факторов, т. е. возмущающих воздействий, что увеличивает работу эффективность работы котлов.
