Библиографическое описание:

Туляганов М. М., Абдуллабеков И. А. Математическая модель оптимизации режима горения природного газа в топке паровых котлов с помощью частотно-регулируемого асинхронного электропривода // Молодой ученый. — 2016. — №12. — С. 400-403.



The questions of management of burning of natural gas in heating are examined on the basis of mathematical model for optimization of burning process with the use of the frequency-controlled asynchronous drives of ventilators.

Для получения пара в паровом котле, работающем на природном газе, к топке отдельно подаются природный газ и воздух. Смесь газа с теоретически необходимым для полного сгорания воздухом называют стехнометрической смесью. Однако если в топку подавать только теоретически необходимое количество воздуха, то добиться полного сгорания топлива невозможно. Размер избытка или недостатка воздуха определяется коэффициентом расхода воздуха , который показывает отношение действительного количества воздуха, расходуемого на горение, к теоретически необходимому. Необходимость сжигать топливо полностью при близкому к 1,0 вызывается стремлением обеспечить наиболее экономичную и эффективную работу агрегата. Чем меньше , тем меньше теплоты унесут отходящие газы. Кроме того, увеличение снижает температуру в топке, отчего газ горит менее активно и сгорание может стать неполным. Добиваясь сжигания газа с наименьшим , нельзя сокращать его настолько, чтобы сгорание стало неполным, так как даже небольшая неполнота сгорания приводит к очень значительным потерям теплоты [1].

В настоящее время разрабатываются и успешно внедряются, особенно на крупных паровых котлах, такие методы сжигания газа, которое позволяют, не снижая эффективности, резко уменьшить содержание вредных веществ в продуктах горения. Наиболее эффектным способом является, организация плавного регулирования скорости тягодутьевого вентилятора, который обеспечивает оптимизацию процесса горения природного газа в топке.

При работе котла на природном газе в крупных паровых котлах для оптимизации процесса горения природного газа, можно применять следующую схему системы регулирования «топливо — воздух», представленную на рис. 1.

Рис. 1. Блочно-структурная схема регулирования воздуха «топливо — воздух» по расходам газа и воздуха: QГ и QB — соответственно расходы газа и воздуха; Р — регулятор; ИМ — исполнительный механизм; РО — регулировочный орган; ЗУ — задающее устройство

В блочно-структурной схеме управление процессом горения газа в топке осуществляется сигналами, полученными из ЗУ. Для оптимизации процесса горения в топке составим математическую модель, позволяющую поддержать газ и воздух в количестве, необходимом для полного сгорания газа. Если учесть что в паровых котлах используется природный газ — метан, то расход воздуха, необходимого для сжигания 1 м 3 метана составляет 9,52 м 3 [1].

Упрощенная математическая модель для блочно-структурной схемы регулирования «топливо — воздух» по расходам природного газа и воздуха имеет следующий вид:

. (1)

Начальные условия: первоначально считаем, что расход газа — неизменный параметр: , а расход воздуха является регулируемым параметром .

По выражению мощности приводного двигателя определим расход воздуха вентилятора

, (2)

где РС — механическая мощность на валу, угловая скорость приводного двигателя, соответствующие статическому моменту вентилятора МС; общий КПД вентилятора.

Выражения (2) подставим в (1) и запишем в измененном виде:

. (3)

Для дутьевого вентилятора начальный статический момент при вращающем механизме может быть принят [4], следовательно, значение статического момента будет изменяться по закону

(4)

где номинальное значение статического момента вентилятора; относительное значение частоты; f1 и f1H — соответственно действующее и номинальное значения частоты; s — скольжение.

На основе уравнений (3) и (4) составляем систему уравнений математической модели оптимального управления процессом горения в топке

(5)

В представленной математической модели (5) оптимального управления процесса горения в топке регулируемым параметром является частота напряжения статорной обмотки, питающей асинхронный двигатель вентилятора. В процессе горения несоблюдение условия пропорциональности расходов газа и воздуха устраняется регулированием скорости приводного асинхронного двигателя вентилятора, и тем самым обеспечивается пропорциональность расходов обоих компонентов. Поэтому, единственное правильное решение оптимизации процесса горения — это использование частотно-регулируемого асинхронного электропривода для вентилятора в топке [2,3].

Учитывая, что угловая скорость приводного двигателя , преобразуем систему уравнений (5):

. (6)

Если ввести следующие обозначения:

, , , , то в результате получим:

, (7)

где - оптимальный регулируемый параметр — частота напряжения статорной обмотки, питающей асинхронный двигатель вентилятора.

Когда в (7) порядок алгебраического уравнения высок (), нахождение аналитического решения затруднительно, что придется прибегать к использованию численных методов решения.

Эту задачу можно решить численно следующим образом:

Для вычисления регулируемого параметра из алгебраического уравнения используем один из численных методов [5]: итерации, половинного деления или Ньютона.

Обозначим левую часть (7) через .

, (8)

где — вектор коэффициентов алгебраического уравнения.

Как отмечено в [5], метод Ньютона эффективен для решения тех уравнений, для которых значение модуля производной близ корня достаточно велико, т. е. график функции в окрестности данного корня имеет большую крутизну. По приведенным выше соображениям для решения алгебраического уравнения целесообразно применить метод Ньютона.

Применение частотно-регулируемого асинхронного электропривода с преобразователем частоты для управления вентиляторами обеспечивает:

– полное устранение токовых перегрузок двигателя;

– снижение потребляемой электроэнергии на 10 %...50 % благодаря отказу от регулирования шиберами;

– автоматическое поддержание температуры в воздуховодах при изменениях режимов работы оборудования;

– возможность точной дозировки и повышение КПД процессов горения.

В результате расход топлива снижается на 3 %...10 % при той же производительности котла.

Сочетание сжигания топлива при малых значениях и количестве воздуха равному его теоретическому значению с рециркуляцией продуктов горения позволяет снизить количество образующихся окислов азота на 70–90 % при сжигании газа.

Литература:

  1. Чепель В. М., Шур И. А. Сжигание газов в топках котлов и печей и обслуживание газового хозяйства предприятий. — 8-е изд., перераб. и доп. — C.-П.: Недра, 1990. — 591 с.
  2. Имомназаров А. Т., Аъзамова Г. А. Асинхрон моторларнинг энергия тежамкор иш режимлари. Монография. — Тошкент: ТошДТУ, 2014. — 140 б.
  3. Hoshimov O. O., Imomnazarov A. T. Ekektr mexanik tizimlarda energiya tejamkorlik. 2- nashr. Дarslik. — Тoshkent: Fan va texnologiya, 2015.– 155 b.
  4. Сыромятников И. А. Режимы работы асинхронных и синхронных электродвигателей. Госэнергоиздат: — М. 1984. — 527с.
  5. Светозарова Г. И., Сигитов Е. В., Козловский А. В. Практикум по программированию на алгоритмических языках. М.: Наука, 1980, -320 с.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle