Статья посвящена разработке автоматизированной системы управления подготовки топлива. Современные технологии сжигания угля традиционными методами, такими как пылевидное, кускообразное или в кипящем слое не позволяют существенно увеличить коэффициент полезного действия. Применение водоугольных топлив позволяет снизить затраты на угольных, мазутных котельных малой и средней мощности на 30…50 %., обеспечивает более полное сгорание угля по сравнению со слоевым сжиганием на угольных котлах, существенно снижает выбросы NOx, взрыво- и пожаробезопасность, а также позволяет полезно использовать шламы и отходы производств. В статье рассматриваются принципы работы системы подготовки топлива, а также приводится структурная схема установки.
Ключевые слова: теплоэнергетический комплекс, водоугольное топливо, система топливоприготовления, автоматизированная система управления.
В настоящее время не существует комплексных установок по производству и сжиганию искусственного композиционного жидкого топлива (ИКЖТ), большинство существующих решений представляют собой разомкнутые системы с точки зрения теории управления, а также отсутствуют автоматические системы управления производством и сжиганием ИКЖТ. Однако существуют автоматические системы производства водоугольного топлива (ВУТ), а также системы топливоподачи ВУТ. Рассмотрим некоторые из них с целью выделения наиболее подходящих, а также объединения в одну автоматизированную систему производства и сжигания ИКЖТ.
Приготовление ВУТ осуществляют в несколько этапов. Для начала необходимо получить угольную крошку с фракцией 10–12 мм. Дробление осуществляется на стандартных дробилках (молотковых, щёковых и т. д.). Помол до фракции 100–150 мкм осуществляется в присутствии воды в оборудовании мокрого помола. Данный этап является ключевым при приготовлении ИКЖТ, поскольку определяет дальнейшие характеристики ИКЖТ (грансостав, вязкость, стабильность и т. д.).
Самым популярным оборудованием мокрого помола являются специально спроектированные вибромельницы различных модификаций, где помол угля осуществляется мелющими телами (шарами, стержнями) в присутствии воды. На сегодняшний день рынок вибромельниц для мокрого помола весьма ограничен единичными моделями. Это в основном мельницы типа ВМ-200 и ВМ-400 производительностью по эталонному продукту до 2,5 т/ч (до 500 мкм), по ВУТ — не более 1,5 т/ч. Основным недостатком вибромельниц являются высокие энергозатраты на приготовление ВУТ [1].
Водоугольное топливо является жидким топливом и имеет вязкость, немного превышающую вязкость мазута: примерно 800–1000 МПа·с по сравнению с 400–440 МПа·с (до 44 мм2/с) у мазута. Соответственно, подача КЖТ в топку котла осуществляется аналогично мазуту, но через форсунки, специально разработанные для суспензионных топлив. Форсунки должны быть устойчивы к абразивному истиранию частицами угля, поэтому имеют специальную конструкцию [2].
Сжигание ВУТ осуществляется в несколько основных этапов: прогрев топки, переход на водоугольное топливо, рабочий режим. При режиме прогрева топки происходит запуск инициирующей топки для доведения значений температуры в топке до уровня, при котором происходит сгорание ВУТ при помощи дизельного топлива. Далее происходит переход на водоугольное топливо: включается компрессор для продувки топливопровода и форсунки, затем происходит подача топлива из емкости ВУТ при помощи насосов. После этого остается только поддерживать заданную температуру путем регулирования подачи воздуха в топку и подачу ВУТ [3].
В данном случае необходим циркуляционный контур, предназначенный для поддержания стабильности состава ВУТ. Так как ОВУТ является более стабильной суспензией, то нет необходимости применения этого контура.
В настоящее время существует несколько способов сжигания ВУТ: в кипящем слое, факельное сжигание в предтопках, комбинированное факельное сжигание с другими видами топлива. Сжигание в кипящем слое является не самым эффективным из-за большого процента недожога, однако в этом случае не требуются специальные мероприятия по модернизации топочной камеры [3].
Факельное сжигание ВУТ осуществляется по классической схеме: топливо подаётся под давлением через распыляющую форсунку, аналогично мазуту. Распыление ВУТ может производиться как сжатым воздухом, так и паром — выбор производится в зависимости от типа котла и условий в котельной. Полностью самостоятельное (автономное) сжигание ВУТ позволяет иметь только один источник энергии (уголь) и, следовательно, снизить затраты на содержание топливного хозяйства. Однако, полностью автономное горение на существующих котлах, как правило, возможно при использовании предтопков. При их использовании удлиняется траектория факела ВУТ, особенно в начальной фазе, где происходит нагрев капель ВУТ. Это позволяет снизить объём зоны горения ВУТ. С целью поддержания стабильного температурного режима, предтопки изготавливают теплоизолированными (адиабатическими).
При использовании факельного сжигания такие параметры ВУТ, как соотношение твёрдое/жидкое, тонина помола, а также вязкость ВУТ должны быть как можно ближе к проектным значениям с целью сохранения стабильного воспламенения и горения ВУТ и сохранения высоких эксплуатационных характеристик котла (КПД, количество выбросов и др.)
Рис. 1. Принципиальная схема факельного сжигания ВУТ
Комбинированное факельное сжигание с другими видами топлива, наиболее приемлемо при использовании ВУТ на уже существующих объектах, особенно на угольных котлах. ВУТ подаётся в котёл через одну или несколько форсунок. В случае газомазутного котла второе топливо (газ или мазут, а также уголь) подается через другую горелку.
К преимуществам комбинированного сжигания можно отнести простоту схемы, её масштабируемость для использования на котлах малой, средней и большой мощности. Кроме того, комбинированное сжигание характеризуется минимальными сроками и стоимостью внедрения при одновременной организации стабильного горения ВУТ. Наличие второго топлива снижает требования к качеству подготовки ВУТ [3].
Автоматизированная система управления процессом подготовки композиционного жидкого топлива к сжиганию в топке котла строится по трехуровневому принципу:
– верхний;
– средний;
– нижний.
Для электропитания технических средств должна быть предусмотрена трехфазная четырехпроводная сеть с глухо заземленной нейтралью 380/220 В (+10–15) % частотой 50 Гц (+1–1) Гц. Каждое техническое средство запитывается однофазным напряжением 220 В частотой 50 Гц через сетевые розетки с заземляющим контактом.
Разработанная система должна вести автоматический контроль параметров технологического объекта, сбор, хранение, обработку и передачу информации о ходе технологического процесса и состоянии технологического оборудования. АСУ должна иметь трехуровневый принцип организации, оснащена современным оборудованием и средствами автоматизации, иметь возможность передачи информации на дальние расстояния, с минимизацией участия диспетчеров в технологическом процессе; иметь архивацию данных о состоянии технологического процесса.
Процесс сжигания топлива начинается с подачи растопочного дизельного топлива путем открытия регулирующего органа. При достижении температуры в топочной камере, которая измеряется при помощи датчиков температуры, и при которой происходит стабильное горение ОВУТ, подается сигнал включения компрессора, для продувки топливопровода и форсунки.
Далее подается сигнал на открытие регулирующего органа при помощи исполнительного механизма и установку минимальных оборотов топливного насоса ОВУТ. Вместе с этим происходит прекращение подачи дизельного топлива регулирующим органом при помощи исполнительного механизма. При помощи датчика давления-разрежения поддерживается разрежение в топочной камере, путем изменения мощности вентилятора дымовых газов.
Поддержание заданной температуры в топочной камере осуществляется путем регулирования подачи воздуха в топку с использованием регулирующего органа исполнительным механизмом, а также подачи ОВУТ при помощи регулирующего органа и исполнительного механизма по сигналу от датчика наличия свободного кислорода в дымовых газах.
При выключении прекращают подачу ОВУТ и воздуха от компрессора при помощи регулирующих органов и исполнительных механизмов. Разрежение в топке поддерживают до полного выгорания топлива и остывания топки до заданной температуры работой вентиляторов дымовых газов.
Литература:
1. Назмеев Ю. Г., Мингалеева Г. Р. Системы топливоподачи и пылеприготовления ТЭС. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 332 с.
2. Кушнир И. С. Автоматизация управления производством многокомпонентного топлива // Обчислювальна техніка та автоматизація 23(201). — 2012. — С. 21–28.
3. Матузов С. В. Сжигание кавитационного водоугольного топлива в низкотемпературном кипящем слое // VIII Всероссийская конференция с международным участием «Горение твердого топлива». — 2012. — С. 61.1–61.5.
