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.
Основные термины (генерируются автоматически): горения природного газа, процесса горения, оптимизации процесса горения, частотно-регулируемого асинхронного электропривода, расход воздуха, алгебраического уравнения, процесса горения природного, паровых котлах, асинхронный двигатель вентилятора, процессом горения, процессом горения газа, приводного двигателя, угловая скорость приводного, полного сгорания, скорость приводного двигателя, сжигания газа, крупных паровых котлах, расход воздуха вентилятора, режима горения природного, полного сгорания газа.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос