algorytm

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Algorytm sterowania pracą kotła rusztowego
Andrzej Szlęk, Ryszard Wilk
Instytut Techniki Cieplnej
Politechnika ÅšlÄ…ska w Gliwicach
1.Wstęp
Popularność węglowych kotłów rusztowych w polskim systemie
energetycznym wynika z ich prostej budowy, łatwości obsługi oraz powszechnej
dostępności stosowanego w nich paliwa. Cechy te sprawiają, że również i w
perspektywie najbliższych lat będą one szeroko stosowanym typem urządzeń w
Polsce. Należy stwierdzić, że mimo wspomnianej łatwości obsługi kotłów
rusztowych prowadzenie ich z wysoką sprawnością jest zagadnieniem trudnym i
złożonym. Złożoność ta wynika z dużej bezwładności cieplnej, zmieniających się
parametrów paliwa oraz zmian charakterystyki kotła związanych na przykład z
zarastaniem powierzchni grzewczych. W rezultacie powyższych przyczyn
sprawność kotłów spotykanych na terenie kraju rzadko przekracza 80 %.
Podwyższenie sprawności tych urządzeń grzewczych jest możliwe poprzez
zastosowanie urządzeń kontroli i sterowania. W chwili obecnej najczęściej
spotykanym rozwiązaniem jest analizator dwutlenku węgla jako urządzenie
kontrolne oraz obsługa ludzka jako element wykonawczy systemu. W opinii
autorów niniejszego opracowania rozwiązanie takie nie umożliwia prowadzenie
kotła z maksymalną sprawnością, choć oczywiście jest lepsze od braku
jakichkolwiek urządzeń kontroli.
2.Opis problemu
Stan pracy kotła określają parametry, które można podzielić na dwie
podstawowe grupy:
·
parametrów nastawczych
, których wartość może być zmieniana przez
obsługę w granicach wynikających z ograniczeń technicznych. Do grupy tej
należą przede wszystkim: wysokość warstwownicy węgla (h), prędkość
posuwu rusztu (w) oraz ilość powietrza podmuchowego wyrażana poprzez
stosunek nadmiaru powietrza (
). Oprócz tego w grupie tej należy umieścić
rozpływ powietrza na poszczególne strefy podmuchowe, jednak w
niniejszych rozważaniach parametr ten zostanie pominięty jako mający
mniejsze znaczenie.
l
·
parametrów wynikowych
, których wartość wynika z wartości parametrów
nastawczych oraz charakterystyki kotła. Do grupy tej zaliczyć należy: moc
cieplną kotła (Q), sprawność energetyczną (
), skład spalin (w tym
wspomnianą zawartość dwutlenku węgla w spalinach [CO
2
]), straty wylotowe
w żużlu i spalinach itd.
Zależność pomiędzy opisanymi parametrami można zapisać symbolicznie
w następujący sposób:
h
)
[CO
2
]=f
2
(w,h,
l
(1)
(2)
(3)
l
)
)
Celem kotła jest osiągnięcie określonej wydajności cieplnej, którą należy w
związku z tym traktować jako parametr. W związku z powyższym równanie (1)
posłużyć może przy danych dowolnych dwóch parametrach nastawczych
wyliczeniu wartości trzeciego zapewniającego osiągnięcie określonej mocy
cieplnej. Jeżeli z równania (1) wyznaczona zostanie wysokość warstwownicy
h
=f
3
(w,h,
l
1
Q=f
1
(w,h,
(h), to równania (2) i (3) można zapisać jako:
[CO
2
]=f
2
(w,Q,
l
)
(4)
(5)
)
Najkorzystniejsza wartość prędkości posuwu rusztu (w) oraz stosunku
nadmiaru powietrza (
h
=f
3
(w,Q,
l
) powinna zostać wyznaczona z równania (5) metodą
optymalizacji. Jak wspomniano we wstępie obecnie stosowane systemy oparte
na analizatorach dwutlenku węgla pozwalają na utrzymywanie zadanej wartości
stężenia tego gazu. Jak zostanie wykazane w dalszej części niniejszego
opracowania metody te nie są równoważne.
l
3.Opis obliczeń
Obliczenia przeprowadzono przy następujących założeniach:
·
kocioł pracuje w sposób ustalony. Założenie to upraszcza niniejsze rozważania
poprzez ograniczenie liczby stopni swobody nie wpływając na wnioski
jakościowe.
znana jest zawartość części palnych w żużlu jako funkcja wysokości warstwy
węgla oraz ilości powietrza podmuchowego. Postać oraz sposób
wyznaczenia współczynników tej funkcji podają autorzy w materiałach
Drugiej Konferencji na temat Założeń i Realizacji Kompleksowej
Modernizacji Systemów Ciepłowniczych, która odbyła się w Korbielowie w
dniach 11-13 grudnia 1996.
·
temperatura spalin na wylocie z kotła jest stała. W rzeczywistości temperatura
spalin jest słabo zależna od parametrów pracy kotła, a w silnym stopniu zależy
od stopnia czystości powierzchni grzewczych.
Przy powyższych założeniach stosunkowo prosto jest wyznaczyć postać
funkcji określonych równaniami (4) oraz (5). Warstwice takiej funkcji wykreślone
dla kotła WR-5 pracującego z mocą 5,5 MW przedstawiają rysunki 1 oraz 2, a
dla mocy 4,0 MW rysunki 3 i 4.
Rys. 1 Sprawność kotła jako funkcja prędkości posuwu rusztu oraz stosunku
nadmiaru powietrza. Moc kotła 5.5 MW
2
·
Rys. 2
[CO
2
] w
spalinach
jako
funkcja
prędkości
posuwu
rusztu
oraz
stosunku
nadmiaru
powietrza.
Moc kotła
5.5 MW.
Rys. 3 Sprawność kotła jako funkcja prędkości posuwu rusztu oraz stosunku
nadmiaru powietrza. Moc kotła 4.0 MW
Rys. 4 [CO2] w spalinach jako funkcja prędkości posuwu rusztu oraz stosunku
nadmiaru powietrza. Moc kotła 4.0 MW
Z porównania wykresów 1 i 2 oraz 3 i 4 widać, że postać funkcji opisanych
równaniami (4) oraz (5) jest inna zarówno w przypadku mocy 4 MW jak i 5.5
MW. Z rysunków tych wyraźnie widać, że przemieszczanie się wzdłuż linii stałej
zawartości dwutlenku węgla w spalinach pociąga za sobą zmianę sprawności
osiąganej przez kocioł. Wynika z tego, że prowadzenie kotła według pomiaru
zawartości dwutlenku węgla w spalinach nie jest rozwiązaniem najlepszym z
możliwych.
4.Podsumowanie i wnioski
Na podstawie przeprowadzonych rozważań stwierdzić można, że
3
prowadzenie kotła rusztowego według wskazań analizatora dwutlenku węgla nie
jest rozwiązaniem zapewniającym osiągnięcie maksymalnej sprawności.
Zdaniem autorów maksymalizacja sprawności kotła w całym obszarze jego pracy
jest możliwa przy zastosowaniu jednej z dwóch metod:
·
modelu matematycznego opisującego całość zachowania kotła i sterującego
jego pracą. Przykład takiego modelu przedstawili autorzy na zeszłorocznej
konferencji. na temat Założeń i Realizacji Kompleksowej Modernizacji
Systemów Ciepłowniczych. Ze względu na zmianę charakterystyki kotła
model taki powinien być wyposażony w algorytm samokorekcji
współczynników równań opisujących kocioł. Metoda ta jest rozwijana przez
Zespół Spalania Instytutu Techniki Cieplnej we współpracy z firmą Praterm.
algorytmu dążącego do ciągłej maksymalizacji sprawności. Przykładem
takiego rozwiÄ…zania jest system opracowany przez firmÄ™ Praterm przy
współudziale Instytutu Techniki Cieplnej.
Obydwa podejścia wymagają wyposażenia kotła w urządzenie pomiarowo
sterujÄ…ce oraz centralny komputer z zaprogramowanym algorytmem sterowania.
Pierwsza z wymienionych metod jest ogólniejsza oraz szybsza w działaniu,
natomiast podstawową zaletą drugiej metody jest mała wrażliwość na zmiany
charakterystyki kotła. Niewątpliwą przewagą drugiej metody jest fakt, że została
ona z powodzeniem zastosowana w kilku kotłowniach gdzie dowiodła swej
skuteczności w oszczędzaniu paliwa, a tym samym obniżaniu kosztów
funkcjonowania ciepłowni.
4
·
[ Pobierz całość w formacie PDF ]