Котел малой мощности высокотемпературного кипящего слоя с системой автоматического регулирования процесса горения

Техническое решение относится к области теплоэнергетики, а именно к котлу малой мощности высокотемпературного кипящего слоя с системой автоматического регулирования процесса горения. Как правило, такие котлы работают на древесных отходах и торфе, имеющих большую влажность.

Работа котла малой мощности с топкой высокотемпературного кипящего слоя осуществляется в диапазоне 1100…1200°С. Данные котлы малой мощности с топкой высокотемпературного кипящего слоя устанавливаются в различных климатических зонах со значительными температурными перепадами от -50°С до +50°С. Основным видом топлива для данных котлов являются древесные отходы и торф, которые имеют большую влажность. Это влияет на возможность быстрого изменения нагрузки котла в зависимости от потребителя, а также регулированием его мощности в диапазоне от 30% до 100%. Соответственно при работе котла это приводит к неравномерному горению (кратерному горению), а также уменьшению коэффициента полезного действия.

В настоящей заявке на предполагаемое изобретение ниже представлены технические решения, которые позволили стабилизировать температуру в топке котла и равномерность горения, а также привели к уменьшению влажности в подаваемом топливе и к увеличению коэффициента полезного действия.

Аналогом заявленного изобретения является система автоматического регулирования параметров котла с топкой низкотемпературного кипящего слоя (НТКС), разработанная специалистами треста «Донецкуглеавтоматика» по статье Бочаров А.А., Вискин Ж.В. Методика реконструкции и эксплуатации топок для сжигания высокозольных углей в кипящем слое. Донецк: Донецкуглеавтоматика, 1989, с. 80-91 - [1]. Система состоит из регуляторов разрежения, уровня, выпуска шлака, воздуха, топлива. Работа всех регуляторов осуществляется с использованием исполнительных механизмов электрических однооборотных (МЭО). В данной схеме предусмотрен контроль следующих параметров: температуры уходящих дымовых газов, давления дутьевого воздуха, температуры кипящего слоя, температуры и давления пара (воды) на выходе из котла, параметры электродвигателей дутьевого вентилятора и дымососа.

Так же известны способы сжигания угля в высокотемпературном кипящем слое по литературным источникам:

- Смирнов А.В., Юферев Ю.В., Воронов В.Ю., Макаров В.П. Технология сжигания угля в высокотемпературном кипящем слое в коммунальных котельных малой мощности. СПб: Стройпрофиль, 2004, №4/1, с. 108-110 - [2];

- Юферев Ю.В., Воронов В.Ю. Опыт реконструкции и эксплуатации котла «Братск» с топкой ВТКС. // Сборник работ докторантов и адъюнктов. СПб: БИТУ, 1998, №2, с. 56-58 - [3];

Устройства их реализующие способы сжигания угля по [2] и [3] включают в себя вариатор, регулирующий подачу топлива, преобразователь напряжения с двигателем постоянного тока для привода подвижной решетки для удаления шлака и золы. Регулирование производительности дымососа и вентилятора осуществляется посредством исполнительных МЭО.

Данные аналоги [1], [2] и [3] обладают рядом недостатков:

- регулирование разрежения в топке котла и подачи воздуха осуществляется при помощи шиберов с электроприводами МЭО, что приводит к потерям при дросселировании воздуха и газов;

- отсутствуют преобразователи частоты для привода вентилятора и дымососа, что увеличивает расход электроэнергии;

- отсутствует позонное регулирование первичного воздуха, что приводит к увеличению потерь от химического недожога и с механической неполнотой сгорания топлива;

- нет канала регулирования давления вторичного воздуха, вследствие чего снижается эффективность выгорания топлива и возрастает доля уноса твердых частиц из слоя;

- не предназначены для использования торфа и древесных отходов;

- для регулирования подачи топлива используется вариатор, для привода подвижной решетки для удаления шлака и золы преобразователь напряжения, которые характеризуются низкой надежностью.

Выполнение указанных недостатков частично устранены в «Системе автоматического регулирования процесса горения в топке с высокотемпературным кипящим слоем котла малой мощности» по патенту на полезную модель РФ: RU 49603 U1 от 27.11.2005, МПК F23N 1/00 - [4], которая является прототипом заявленного технического решения.

Прототип [4] состоит из собственно котла и системы автоматического регулирования с программируемым контроллером, блоками управления регуляторов, исполнительных механизмов и частотно-регулируемых приводов к которым кабелями подсоединены: газоанализатор, датчики температуры кипящего слоя, температуры и давления воды на входе и выходе из котла; исполнительные механизмы регулирования подачи топлива, шиберов входящего воздуха с каналами регулирования позонного первичного и вторичного воздуха, разрежения, удаления шлака и золы с датчиками, приборами контроля и безопасности; частотно-регулируемые приводы вентилятора, дымососа, питателя топлива и подвижной решетки для удаления шлака и золы. При этом программируемый контроллер (ПК) системы автоматического регулирования обеспечивает регулирование работы всех регуляторов, приборов контроля и безопасности, что позволяет полностью автоматизировать процесс горения в топке котла, повысить управляемость котлом с применением текстовой панели, которая входит в состав ПК, уменьшить количество обслуживающего персонала.

Система по прототипу [4] обладает рядом недостатков:

- отсутствием подогрева воздуха для обеспечения устойчивого горения топлива (торф, древесные отходы);

- отсутствие возможности автоматического регулирования процесса горения в топке с высокотемпературным кипящим слоем котла малой мощности при сжигании других видов топлива (торфа, древесных отходов), что снижает эффективность, универсальность и надежность работы данного котла.

Недостатки аналогов и прототипов ставят задачу совершенствования котла малой мощности высокотемпературного кипящего слоя и его системы автоматического регулирование процесса горения торфа и древесных отходов обеспечивающих повышение эффективности сжигания торфа и древесных отходов путем регулирования расходов воздуха и перепуска уходящих газов в воздухоподогреватель, для организации оптимального режима горения.

Данная задача решается за счет того, что в заявленное устройство (котел малой мощности высокотемпературного кипящего слоя с системой автоматического регулирования процесса горения) для сжигания торфа и древесных отходов установлены воздухоподогреватель, щиберы с электроприводами, которые регулируют расход уходящих газов из газохода котла в атмосферу и в воздухоподогреватель.

Сущность заявленного изобретения состоит в том, котел малой мощности высокотемпературного кипящего слоя с системой автоматического регулирования процесса горения состоит из собственно котла и системы автоматического регулирования с программируемым контроллером, блоками управления регуляторов, исполнительных механизмов и частотно-регулируемых приводов к которым кабелями подсоединены: газоанализатор, датчики температуры кипящего слоя, температуры и давления воды на входе и выходе из котла; исполнительные механизмы регулирования подачи топлива, шиберов входящего воздуха с каналами регулирования позонного первичного и вторичного воздуха, разрежения, удаления шлака и золы с датчиками, приборами контроля и безопасности; частотно-регулируемые приводы вентилятора, дымососа, питателя топлива и подвижной решетки для удаления шлака и золы. Котел малой мощности высокотемпературного кипящего слоя дополнительно снабжен воздухоподогревателем входящего воздуха уходящими горячими газами из котла, при этом выходной патрубок уходящих горячих газов из котла разделен на два патрубка, на которых установлены соответственно первый и второй регулируемые шибера уходящих горячих газов, выход первого шибера соединен с дымовой трубой, выход второго шибера соединен со входом в воздухоподогреватель, выход которого соединен с дымовой трубой, регулируемые первый и второй шибера соединены кабелями с соответствующими блоками управления регуляторов системы автоматического регулирования.

Техническим результатом является повышение эффективности заявленного технического решения, путем повышения КПД котла малой мощности и повышения уровня автоматизации такого котла.

Ограничительные признаки изобретения «котел малой мощности высокотемпературного кипящего слоя с системой автоматического регулирования процесса горения», состоящий из собственно котла и системы автоматического регулирования с программируемым контроллером, блоками управления регуляторов, исполнительных механизмов и частотно-регулируемых приводов к которым кабелями подсоединены: газоанализатор, датчики температуры кипящего слоя, температуры и давления воды на входе и выходе из котла; исполнительные механизмы регулирования подачи топлива, шиберов входящего воздуха с каналами регулирования позонного первичного и вторичного воздуха, разрежения, удаления шлака и золы с датчиками, приборами контроля и безопасности; частотно-регулируемые приводы вентилятора, дымососа, питателя топлива и подвижной решетки для удаления шлака и золы», описывают общие элементы конструкции котла малой мощности высокотемпературного кипящего слоя с системой автоматического регулирования процесса горения для прототипа и заявленного технического решения.

Отличительный признак «котел малой мощности высокотемпературного кипящего слоя с системой автоматического регулирования процесса горения дополнительно снабжен воздухоподогревателем входящего воздуха уходящими горячими газами из котла», позволит повысить эффективность сгорания топлива в топке котла, из-за того, что подогретый на входе в топку воздух обеспечит лучшее сжигание такого топлива, как торф и древесные отходы, в которых содержится много влаги.

Отличительные признаки «выходной патрубок уходящих горячих газов из котла разделен на два патрубка, на которых установлены соответственно первый и второй регулируемые шибера уходящих горячих газов, выход первого шибера соединен с дымовой трубой, выход второго шибера соединен со входом в воздухоподогреватель, выход которого соединен с дымовой трубой», позволят повысить эффективность котла, путем возможности задания первым и вторым шиберами оптимальных режимов подогрева входящего воздуха в топку котла высокотемпературного кипящего слоя.

Отличительные признаки «регулируемые первый и второй шибера соединены кабелями с соответствующими блоками управления регуляторов системы автоматического регулирования», позволят повысить эффективность котла и его системы автоматического регулирования, путем автоматизации управления первым и вторым шиберами, для оптимального подогрева входящего в топку котла воздуха, то есть, позволяют повысить эффективность автоматизации котла с повышенным КПД для работы на торфе и древесных отходах. Повышается эффективность выгорания топлива, вследствие чего повышается КПД установки при сжигании разных видов твердого топлива (торф, древесные отходы и др.).

Также известен «Подогреватель воздуха топочным газом, способ установки, а также воздушный трубный компонент для подогревателя воздуха топочным газом» по патенту на полезную модель РФ: RU 2554679 С2 от 25.06.205, МПК F28D 7/16 - [5], содержащий топочную камеру котла, в которой происходит сгорания топлива, на выходе горячих газов из топочной камеры установлен циклон (возврата уноса несгоревших продуктов горения) и дымоход. В дымоходе после циклона установлен воздухоподогреватель входящего в топочную камеру воздуха. Применение в котле воздухоподогревателя входящего в топочную камеру воздуха существенно повышает его КПД.

Однако неизвестно применение такого воздухоподогревателя входящего в топочную камеру воздуха для котлов малой мощности с топкой высокотемпературного кипящего слоя. Дополнительно недостатком известного аналога [5], является то, что он не снабжен системой автоматического регулирование процесса горения, что не позволяет автономно его эксплуатировать.

Предложенная система автоматического управления котла поясняется фигурой на листе графических материалов, где:

1 - программируемый контроллер;

2, 3, 4 и 5 - блоки управления, включающие в себя регуляторы разрежения, удаления шлака и золы, подачи топлива и воздуха с частотно-регулируемыми приводами;

6, 7 - датчики давления общего и вторичного воздуха;

8 - датчик температуры кипящего слоя;

9, 10 - датчики давления прямой и обратной сетевой воды;

11, 12 - датчики температуры прямой и обратной сетевой воды;

13 - вентилятор;

14 - дымосос;

15 - питатель топлива;

16 - подвижная решетка для удаления шлака и золы;

17 - воздухоподогреватель;

18, 19, 20, 21 - дутьевые зоны первичного воздуха с каналами регулирования позонного первичного дутья;

22, 23, 24, 25 - шиберы позонного регулирования первичного воздуха;

26, 27, 28, 29 - датчики давления первичного воздуха;

30, 31, 32, 33 - исполнительные механизмы с электроприводом МЭО;

34 - шибер регулирования вторичного воздуха;

35 - сопла вторичного дутья;

36 - исполнительный механизм с электроприводом МЭО;

37, 39 - запорно-регулирующая арматура;

38, 40 - электроприводы МЭО;

41 - датчик температуры воздуха;

42 - датчика разрежения;

43 - газоанализатор;

44 - дымовая труба.

Заявленное техническое решение включает в себя собственно котел малой мощности высокотемпературного кипящего слоя и систему автоматического регулирования с программируемым контроллером (1), которые содержат блоки управления регуляторов (2), (3), (4) и (5) исполнительных механизмов и частотно-регулируемых приводов к которым кабелями подсоединены: газоанализатор (43), датчики температуры кипящего слоя (8), температуры (12), (11) и давления воды (10), (9) на входе и выходе из котла; исполнительные механизмы регулирования подачи топлива (15), шиберов входящего воздуха с каналами регулирования позонного первичного (22), (23), (24), (25) и вторичного (34) воздуха, разрежения (42), удаления шлака и золы с датчиками, приборами контроля и безопасности; частотно-регулируемые приводы вентилятора (13), дымососа (14), питателя топлива (15) и подвижной решетки (16) для удаления шлака и золы. При этом котел малой мощности высокотемпературного кипящего слоя дополнительно снабжен воздухоподогревателем (17) входящего воздуха уходящими горячими газами из котла, при этом выходной патрубок уходящих горячих газов из котла разделен на два патрубка, на которых установлены соответственно первый и второй регулируемые шибера уходящих горячих газов (39) и (37), выход первого шибера (39) соединен с дымовой трубой (44), выход второго шибера (37) соединен со входом в воздухоподогреватель (17), выход которого соединен с дымовой трубой (44), регулируемые первый и второй шибера (39) и (37) соединены кабелями с соответствующими блоками управления регуляторов системы автоматического регулирования.

Работа котла малой мощности высокотемпературного кипящего слоя с системой автоматического регулирования процесса горения организована следующим образом.

При изменении тепловой нагрузки на котле от датчиков температур прямой (11) и обратной сетевой воды (12) подается сигнал в программируемый контроллер (1), где сравниваются текущие значения температур в прямом и обратном трубопроводах с заданными значениями из режимной карты котла. При возникновении сигнала рассогласования указанных величин, из ПК подается сигнал на регуляторы с частотными приводами подачи топлива (4) и воздуха (5). Сигналы, подающиеся на данные регуляторы, имеют дискретные значения. После каждого изменения величины подачи топлива и воздуха, с определенной выдержкой времени заново происходит сравнение текущих значений температур в прямом и обратном трубопроводах с заданными значениями. Этот процесс продолжается до тех пор, пока сигнал рассогласования не войдет в заданный диапазон значений.

Регулирование давления первичного воздуха осуществляется с помощью шиберов позонного регулирования (22…25), по датчикам давления (26…29), исполнительными механизмами с электроприводами МЭО (30...33). Регулирование вторичного воздуха организовано следующим образом. Сигнал об изменении концентрации СО и O₂ в дымовых газах поступает от газоанализатора (43), и после сравнения в ПК (1) преобразованный сигнал поступает на исполнительный механизм МЭО (36), установленный на линии подачи вторичного воздуха.

Регулятор разрежения в топке котла работает в режиме постоянного опроса датчика разрежения (42). Сигнал о разрежении в топочной камере сравнивается в ПК (1) и при отклонении от заданного значения появляется сигнал рассогласования, который в ПК (1) преобразуется в управляющий сигнал на изменение частоты вращения частотно-регулируемого привода дымососа (2). Ее изменение прекращается при отсутствии сигнала рассогласования.

Регулятор удаления шлака и золы предназначен для оптимального распределения материала слоя и удаления твердых продуктов горения. Входными сигналами для данного регулятора являются расход топлива. ПК (1) выдает управляющий сигнал согласно режимной карте котла на изменение частоты вращения частотно-регулируемого привода (3) подвижной решетки (16) для удаления шлака и золы.

В установившемся режиме часть уходящих газов из котла поступает по газоходу в воздухоподогреватель (17), подогревая воздух идущий далее в трубопровод подачи первичного и вторичного дутья. При этом, оставшаяся часть уходящих газов выбрасывается в атмосферу.

В переходных режимах работы котла, при изменении температуры подаваемого нагретого воздуха в трубопроводы первичного и вторичного дутья от установившегося значения, согласно режимной карты котла, сигнал о изменении температуры от датчика температуры (41) подается в ПК (1), где сравниваются текущие значения температур в трубопроводе подачи воздуха с заданными значениями.

При возникновении сигнала рассогласования указанных величин, из ПК (1) подается сигнал на исполнительные механизмы с электроприводом МЭО (38, 40), который регулируют расход уходящих газов из газохода котла в атмосферу и в воздухоподогреватель (17). При этом изменяется положение шиберов (37, 39) и соотношение расхода уходящих газов выбрасываемых напрямую в атмосферу и в воздухоподогреватель (17).

Сигнал имеет дискретные значения. После каждого изменения величины температуры воздуха, с определенной выдержкой времени заново происходит сравнение текущих значений температур в трубопроводе подачи воздуха с заданными значениями. Этот процесс продолжается до тех пор, пока сигнал рассогласования не войдет в заданный диапазон значений.

Предложенный котел малой мощности высокотемпературного кипящего слоя с системой автоматического регулирования процесса горения для сжигания торфа и древесных отходов не выявлен из существующего уровня развития техники, что позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизны».

Выше приведенная совокупность отличительных признаков заявленного технического решения, а именно дополнительное снабжение котла малой мощности с топкой высокотемпературного кипящего слоя с системой автоматического регулирования процесса горения воздухоподогревателем входящего воздуха с регулируемыми шиберами уходящих газов, снабженными электроприводами, не известна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил известных устройств, технологий (способов), что доказывает соответствию критерию «изобретательский уровень».

Конструктивная реализация заявленного технического решения с указанной совокупностью признаков не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленное применение».

Кроме того, заявленный «котел малой мощности высокотемпературного кипящего слоя с системой автоматического регулирования процесса горения» позволяет повысить уровень автоматизации котла. Достигнутый технический результат дополнительно приведет к повышению:

- эффективности выгорания топлива;

- универсальности и стабильности работы котла;

- коэффициента полезного действия;

- уровня теплоснабжения потребителей;

- надежности.

Литература.

1. Бочаров А.А., Вискин Ж.В. Методика реконструкции и эксплуатации топок для сжигания высокозольных углей в кипящем слое. Донецк: Донецкуглеавтоматика, 1989, с. 80-91.

2. Смирнов А.В., Юферев Ю.В., Воронов В.Ю., Макаров В.П. Технология сжигания угля в высокотемпературном кипящем слое в коммунальных котельных малой мощности. СПб: Стройпрофиль, 2004, №4/1, с.108-110.

3. Юферев Ю.В., Воронов В.Ю. Опыт реконструкции и эксплуатации котла «Братск» с топкой ВТКС. // Сборник работ докторантов и адъюнктов. СПб: БИТУ, 1998, №2, с. 56-58.

4. Патент на полезную модель РФ: RU 49603 U1 от 27.11.2005, МПК F23N 1/00, «Система автоматического регулирования процесса горения в топке с высокотемпературным кипящим слоем котла малой мощности» - прототип.

5. Патент на полезную модель РФ: RU 2554679 С2 от 25.06.205, МПК F28D 7/16, «Подогреватель воздуха топочным газом, способ установки, а также воздушный трубный компонент для подогревателя воздуха топочным газом».