Многоконтурная система автоматического управления шахтными котельными установками

Ткаченко А.Е., студент, Гавриленко Б.В., к.т.н., доц.

Донецкий национальный технический университет

В наше время одной из актуальных проблем, которые стоят перед государством является проблема сохранения топливных ресурсов. Решение данной задачи следует искать в вовлечении в промышленное использование источников энергии, которые до сих пор не учитывались в топливно-энергетическом балансе страны, а также в разработке методов эксплуатации топливных ресурсов, которые позволят полностью использовать их топливный потенциал и свести потери энергии к минимуму. Одним из путей решения данной задачи является внедрение новой технологии сжигания твердого топлива в низкотемпературном кипящем слое (НТКС).

Благодаря внедрению этой технологии становится возможным использование запасов низкосортного твердого топлива, утилизация отходов углеобогащения и угледобычи. Данным способом возможно сжигать угли зольностью до 70 %. При этом механический недожог топлива в среднем составляет только 6 % по сравнению с 40 % при сжигании угля в обычных слоевых топках.

Необходимое качество управления процессом горения топлива можно достичь лишь путем комплексного контроля состояния технологических параметров топок НТКС. За основу законов управления следует принять роботу топок с максимальным КПД и минимальными потерями топливных ресурсов. Следовательно, появляется необходимость внедрения системы автоматического управления работой системы теплоснабжения в целом, с учетом потребностей теплопотребителей и возможностей теплопроизводителей, которые изменяются во времени, с целью уменьшения нерациональных потерь теплоносителя и топливных ресурсов.

Рассмотрим такую систему теплоснабжения шахты (см. рис.1), которая, по мнению авторов, учитывает выдвинутые выше требования. [1]. В ее основу заложена многоконтурная система автоматического управления шахтными котельными, т.е. такая система, в которой присутствует несколько контуров управления – по числу основных технологических параметров топок НТКС.

В данной системе есть n потребителей тепловой энергии – С1…Сn, каждый из которых потребляет теплоту Qc1…Qcn соответственно. Теплоноситель (вода) поступает к каждому потребителю по трубопроводу из общего коллектора, на который работаю m водогрейних котлов топок НТКС Т1…Тn. При этом от каждого котла получаем Qк.о.1…Qк.о.m теплоты соответственно.

Главной проблемой данной системы теплоснабжения является нерациональный расход тепловой энергии, которая вырабатывается котлами. Это обусловлено тем, что общее количество энергии, потребляемой всеми потребителями, величина переменная и зависит от времени года, количества работающих потребителей, их технического состояния и т. п.

Таким образом, потребляемое тепло изменяется в функции времени:

, (1)

Отсюда появляется необходимость регулировать общее количество тепла, вырабатываемого котлами в соответствии с изменениями потребляемой энергии. Для решения данной задачи предложена следующая система регулирования процесса теплоснабжения.

Рисунок 1 - Система теплоснабжения шахты со средствами автоматизации

Каждый теплопотребитель оборудуется теплосчетчиком ТС1…ТСn, который считает потребленную энергию, а также включает функцию поддержания значения потребляемой энергии на заданном уровне. Потребляемое тепло Qс определяется следующим образом:

Qc = Vρ (hвх-hвих), (2)

где V – объем теплоносителя, протекающего через трубопровод за время наблюдения;

ρ - плотность теплоносителя (воды), в нашем случае ρ = const;

hвх , hвих - удельные энтальпии теплоносителя соответственно в трубопроводе на входе потребителя и на выходе из него.

Энтальпия является функцией температуры теплоносителя h = f(T) , поэтому для определения потребленного тепла измеряют температуру воды на Твх и выходе Твихпотребителя. После этого информационные сигналы от датчиков технологических параметров V1…Vn, Твх1… Твхn, Твих1… Твихn поступают к теплосчетчикам ТС1…ТСn , где на основании полученной информации вычисляются значения Qc1…Qcn.

Как уже було отмечено выше, используемые теплосчетчики должны включать функцию регулирования потребляемого тепла в зависимости от заданного значения Qз. Из формулы (2) следует, что регулировать потребляемое тепло можно изменяя или расход теплоносителя или его температуру.

С точки зрения простоты реализации технического решения регулятора выбираем регулирования по расходу теплоносителя. Для этого на питающие трубопроводы устанавливаются управляемые задвижки КЗ, на которые действует исполнительный механизм в случае несовпадения значений заданного тепла Qз с фактически потребляемым Qс . При этом управляющий сигнал Ук на КЗ пропорциональный разности значений тепла Qз – Qс.

Но данный способ регулирования потребляемой энергии дает хорошие результаты только при несущественном отклонении фактических значений тепла от заданных в результате влияния незначительных возмущающих воздействий, а также при небольшом изменении уставки. Кроме этого, при нем не учитывается перерасход тепла, выработанного топками НТКС, так как температура теплоносителя остается неизменной.

При значительных отклонениях уставки потребляемой теплоты как отключение теплопотребителя или введение нового, или же обусловленных изменением температуры окружающего воздуха и т. п., данный способ управления не даст желаемых результатов, так как тепло, вырабатываемое котлами, будет или бесполезно тратиться на обогрев окружающей среды при значительном уменьшении общего значения потребляемой энергии или, в противном случае, его вообще не хватит для питания всех потребителей. Значит, для рационального расхода тепловой энергии необходимо не только односторонне регулировать потребляемое тепло, но и регулировать значения тепловой энергии, получаемой от котлоагрегатов топок НТКС. В идеальном случае должен существовать баланс [2]:

, (3)