книги из ГПНТБ / Эффективное использование газового топлива Сб. ст

fi. А. Б а л а ш о в , А. В. В е н е д и к т о в

АВТОМАТИЗАЦИЯ СЖИГАНИЯ ГАЗОВОГО ТОПЛИВА В ПРОМЫШЛЕННЫХ УСТАНОВКАХ

I

Внастоящее время, в связи с увеличивающейся в нашей стране добычей природного газа, большое количество топливопотребля­ ющих установок переводится на сжигание газового топлива, улучшаются гигиенические условия эксплуатации таких устано­ вок, появляются широкие возможности для их комплексной авто­ матизации.

Вряде случаев технический персонал, занимающийся перево­ дом промышленного оборудования на природный газ, не имеет

специального образования в области автоматического регулиро­ вания и в связи с этим при автоматизации реконструируемых установок встречается с известными трудностями. Большие затруд­ нения при этом вызывает правильный и обоснованный выбор ти­ па и количества применяемой аппаратуры и особенно составле­ ние принципиальной схемы автоматики.

Учитывая это, авторы сочли полезным изложить основные по­ ложения, касающиеся выбора различных приборов автоматическо­ го регулирования и их практического применения для автомати­ зации тепловых режимов установок, сжигающих природный газ.

В рамках статьи трудно описать множество решений регулиро­ вания установок на газообразном топливе. Однако, анализируя схемы автоматизации таких установок, можно отметить, что все они характеризуются наличием в них отдельных узлов и приборов, сходных по своему назначению hi предназначенных в комплексе для выполнения одной и той же задачи.

Так, например, для промышленных печей основным назначени­ ем системы автоматического регулирования является поддержа­ ние заданной теплопроизводительности печи, что достигается пу­ тем изменения количества подаваемого в печь топлива.

Аналогичные функции должна выполнять система регулирова­ ния отопительного или промышленного котла, ведущим парамет­ ром в которой также является теплопроизводительность котла,

11* 163

определяемая либо температурой нагреваемой в нем воды, либо количеством и давлением выдаваемого пара. Изменение величины регулируемого параметра и в этом случае достигается за счет уменьшения количества топлива, сжигаемого в топке котла.

В общем случае схема автоматизации установки, использую­

сматривается наличие специального узла регулирования перекидки клапанов и реверсирования работы газогорелочных устройств.

Наконец, безопасное сжигание газообразного топлива может быть обеспечено лишь в случае невозможности поступления его в то­ почное пространство при отсутствии в нем условий воспламенения. Поэтому котлы и некоторые виды печей должны оборудоваться системами автоматики безопасности; реагируя на погасание пла­ мени в топке, они позволяют полностью прекращать подачу

топлива к горелкам.

Рассмотрим подробнее каждый из таких узлов в отдельности. Узел регулирования теплопроизводительности. Этот узел под­ держивает теплопроизводительноеть котла или печи в соответст­ вии с заданным графиком (рис. 1). Исполнительный механизм из-

зп

Газ

Рис. 1. Схема регулирования теплопроизводительности печи:

ТЯ—термопара; Э Я —автоматический регулирующий потенциометр; И М —исполнитель­ ный механизм; Р К —регулирующий клапан.

меняет с помощью регулирующего органа производительность га­ зовых горелок, получая импульс от соответствующего регулятора. Последний в случае регулирования теплового режима печи или котла является регулятором температуры, а в случае регулирова­ ния теплового реж има парового котла — регулятором давления пара.

164

В качестве чувствительного элемента регуляторов температу­ ры могут применяться радиационные пирометры, термопары, тер­ мометры сопротивления. Чувствительным элементом регуляторов давления обычно служат манометры.

Узел регулирования соотношения газ — воздух. Тепловой режим

промышленных печей часто требует наличия узкого интервала ко­ лебания состава печной атмосферы. Малейшие отклонения от этого интервала, вызванные изменением соотношения газ — воздух, могут повлечь за собой брак продукции и увеличенный расход топлива.

При сжигании газа в котельных установках требования к под­ держанию постоянства соотношения газ — воздух хотя и менее жест­ кие, однако отклонения коэффициента избытка воздуха от номи­ нальной величины и здесь сказываются на снижении экономично­ сти установки.

Устойчивое и эффективное сжигание газообразного топлива в смеси с воздухом, а также постоянство избытка воздуха в топке может быть достигнуто применением в системе автоматики специ­ ального узла регулирования соотношения газ — воздух.

Рассматривать этот узел целесообразнее в комплексе с узлом регулирования теплопроизводительности установки, так как их ра­ бота является взаимосвязанной. Вместе эти два узла образуют одну общую систему регулирования горения, которая обычно за­ висит от типа применяемых газогорелочных устройств и в отдель­ ных случаях может претерпевать те или иные видоизменения.

На рис. 2 показана схема регулирования горения установки, оборудуемой горелками с принудительной подачей воздуха. Изме-

ЗП

Рис. 2. Схема регулирования горения с одним регулятором:

TIT—термопара; ЭП—электронный регулирующий потенциометр; И М —испол­ нительный механизм; Г —газовая горелка; Р З —регулировочная заслонка; Г Р К— газовый регулирующий клапан; В Р К —воздушный регулирующий клапан.

нение подачи газа и воздуха', необходимого для горения, до­ стигается путем изменения степени открытия регулирующих кла­ панов, устанавливаемых на газо- и воздухопроводах. Оба сопря­ женных друг с другом клапана с помощью системы тяг и рычагов приводятся й действие, исполнительным механизмом, получающим

165

импульс от регулятора теплойроизводительности. Вопрос пропор^ ционирования подачи топлива и воздуха решается в этой схеме наиболее просто. Однако постоянство соотношения газа и возду­ ха нарушается при колебании давлений и температуры.

Описанной системе свойственны некоторая громоздкость обо­ рудования и неточность регулирования, являющаяся следствием

Рис. 3. Схема регулирования горения с применением для регулирования соотношения регулятора прямого действия:

ТП—термопара: ЭЛ—электронный регулирующий потенциометр с встроенным пневма­ тическим регулятором: ИМ—исполнительный механизм с регулировочным клапаном; г —горелка; Р Р Г —регулятор расхода газа.

предварительная настройка клапанов затрудняется. Кроме того, вследствие вытягивания тросов взаимная регулировка клапанов 'с 1ечением времени нарушается.

Описанная схема широко применяется на установках неболь­ шой мощности, главным образом на печах, где требования к ка­ честву газовоздушной смеси относительно невысоки.

Несколько иной способ решения задачи автоматического пропордионирования смеси газ — воздух показан на рис. 3.

Как и в предыдущем случае, количество сжигаемого топлива в этой схеме регулируется клапаном. Однако роль его выполняет регулятор прямого действия, реагирующий на изменение давления Еоздуха за регулирующей заслонкой на воздухопроводе.

Положение воздушной заслонки изменяется под действием ре­ гулятора теплопроизводительности агрегата.

Недостатком подобных схем является наличие в них регуля­ торов прямого действия, применение которых ввиду их громоздко­ сти и сложности настройки в известной степени ограничено.

Обе описанные схемы не дают возможности изменять соотно­ шение количества газа и воздуха в процессе работы установки. С этой точки зрения наиболее гибкой является схема с регулятором

166

ального регулятора, который в комплексе с расходомерами, уста­ навливаемыми на газо- и воздухопроводах, образует следящую систему. Импульс, поступающий в регулятор соотношения с ..рас­ ходомера на газопроводе установки, сравнивается с импульсом, полученным регулятором от расходомера воздуха. В случае, если заранее установленное задатчиком регулятора соотношение по-

эп

Рис. 4. Схема регулирования горения с регулятором соотношения:

Г —горелка; Р П —радиационный пирометр; ЭП—электронный регулирующий потен­ циометр; И Р —изодромный регулятор; ИМ—исполнительный механизм; 9 Р С —электри­

душный регулирующий клапан; Р З —регулировочная заслонка.

токов газа и воздуха по какой-либо причине нарушается, регуля­ тор приводит в действие исполнительный механизм, который по­ воротом заслонки на воздухопроводе восстанавливает заданное соотношение.

В качестве регулятора соотношения в схеме можно использовать электрические, гидравлические, пневматические и комбинирован­ ные регуляторы, выпускаемые промышленностью.

Описанная схема с регулятором соотношения является наибо­ лее универсальной. Применение ее ограничивается лишь в тех случаях, когда стоимость оборудования системы автоматики оказывается чрезмерно высокой по сравнению с ожидаемым эф­ фектом.

Последняя схема так же, как и две предыдущие, чувствительна к изменению параметров газа и воздуха. Поэтому для предотвра­ щения возможных колебаний давления газа непосредственно пе­ ред горелками на газопроводе устанавливается стабилизирующий давление регулятор.

При использовании подогретого газа и воздуха схема регули­ рования соотношений может быть дополнена введением автомати­ ческой коррекции по температуре потоков. Однако применять та­ кого рода корректировку ввиду ее сложности рекомендуется лишь там, где имеются значительные колебания температуры газа и воз­

167

духа, в заметной степени влияющие на состав газовоздушной смеси.

Задача автоматизации сжигания природного газа в значительной мере упрощается в случае применения инжекционных горелок. Благодаря особенности процесса инжекции они при известных условиях могут самостоятельно поддерживать заданное соотноше­ ние между количествами газа и воздуха.

В силу этого из схемы автоматики исключается узел регули­ рования соотношения и система регулирования горения сводится к наличию в ней лишь узла регулирования теплопроизводительности установки (см. рис 1).

Своеобразной является схема регулирования процесса горения в установках с инж:екционны'ми горелками, в которых инжектирую­ щей средой является воздух, подающийся к горелкам принудительно

вается установка так называемого нуль-регулятора. Нуль-регуля­ тор устанавливается на газопроводе и предназначается для поддер­ жания давления газа перед горелками, близкого к атмосферному.

Схема с. нуль-регулятором показана на рис. 5. Теплопроизводительность установки в такой схеме регулируется с помощью регуля­ тора, воздействующего на поток воздуха. В качестве нуль-регуля­ тора применяются регуляторы прямого действия, что, однако, не является обязательным, так как принципиально для этой цели мо­ жет быть использован регулятор любого другого типа.

Следует отметить, что регуляторы нулевого давления прямого действия часто работают с некоторой погрешностью. Поэтому, для того чтобы ослабить влияние этой погрешности на саморегулируемость горелки, между регулятором и смесителем ставят узкую трубку (см. рис. 5), дающую дополнительное сопротивление на пути газаУказанное сопротивление позволяет поддерживать не­ которое разрежение за регулятором, которое значительно превы­ шает его погрешность. Сопротивление трубки обычно раосчитыва-

168

ется так, чтобы при выбранном разрежении за регулятором была обеспечена нужная пропускная способность.

Узел регулирования давления (разрежения) в топочном объ еме. Этот узел является прямым дополнением системы автомати­

ки горения.

Задачей этого узла в системах регулирования промышленных печей является поддержание линии нулевого давления на опреде­ ленном уровне.

В нагревательных печах, например, нулевую линию стремятся удержать несколько ниже пода печи для того, чтобы на поду под­ держивать давление около 0,2 мм вод. ст., что в свою очередь да­ ет возможность избежать подсосов холодного воздуха через окна

ищели.

Вслучае подъема нулевой линии подсасываемый воздух окисляет и охлаждает нагреваемые изделия. Это увеличивает ве­

личину угара металла и потери тепла с отходящими газами. На­ оборот, при значительном опускании нулевой линии происходит сильное выбивание пламени через окна и щели, что затрудняет работу обслуживающего персонала и сокращает срок службы огнеупорной кладки-

Величина давления в рабочем пространстве печи регулирует­ ся при помощи шибера, устанавливаемого в дымоходе печи.

Импульс давления отбирается обычно при помощи заборной трубки, помещенной в своде печи, и по соединительной линии пере­ дается чувствительному элементу регулятора давления. Как пра­ вило, импульсная трасса состоит из двух труб. Назначение второй трубы, называемой иногда «компенсационной», — устранить влияние, оказываемое гидростатическим давлением среды, находя­ щейся в импульсной трубке.

На рис. 6 показаны схемы подвода импульса к регулятору дав­ ления в рабочем пространстве печи.

Регуляторы разрежения, применяемые в котельных установ­ ках, получают импульс из верхней части топки и через испол­ нительный механизм воздействуют либо на шибер, устанавливае­ мый в последнем газоходе котла, либо на направляющий аппа­ рат дымососа.

Выбору места отбора импульса следует уделить серьезное вни­ мание, учитывая возможность влияния на качество регулирования различных факторов, являющихся в каждом отдельном случае специфичными для конструкции установки. Особенно это относит­ ся к промышленным печам, где требуется весьма высокая точ­ ность работы регуляторов.

Об эффективности регулирования процесса горения при использовании различных схем автоматики обычно судят по теплопроизводительности агрегата. Так, например, чем выше паропроизводительность котла при неизменном расходе топлива, тем вы­ ше экономичность топочного процесса, .тем, следовательно, эф­ фективнее работа системы автоматики. Котел в данном случае

169

играет роль гигантского калориметра, непрерывно измеряющего выделяющееся в топке тепло. Такой косвенный метод контроля за состоянием топочного процесса очень неудобен главным образом из-за своей инерционности.

Однако, если учесть, что основными показателями процесса

Рис. 6. Схема подвода импульса' к регулятору давления в рабочем про­ странстве печи:

а) *без компенсационной трассы; б) с компенсационной трассой.

горения являются избыток воздуха в топке и химическая неполно­ та сгорания топлива, то весьма перспективным становится метод непосредственного контроля за состоянием . топочного процесса путем применения быстродействующего газоанализатора на кислород-

В последнее время созданы и успешно проходят промышлен­ ные испытания системы регулирования процесса горения с приме­ нением газоанализаторов. Одну из схем, поясняющих суть такого

.метода регулирования, мы даем на рис. 7.

Регулятор теплопроизводительности Т получает импульс по давлению пара в барабане котла и с помощью исполнительного механизма ИМ изменяет подачу топлива в топку котла.

Оптимальный избыток воздуха, соответствующий минималь­ ной сумме потерь от химического недожога и с отходящими газа­ ми, поддерживается с помощью так называемого регулятора эконо­ мичности. Его роль выполняет регулятор подачи воздуха В, полу­

пунктирными линиями, обеспечивает быстроту действия регулято­ ра подачи воздуха при изменениях подачи топлива. Это также

i 70

улучшает работу регулятора разрежения, облегчая тем самым ре­ гулирование коэффициента избытка воздуха.

Подобные схемы, имеющие некоторые принципиальные отли­ чия, находят применение в так называемых системах оптимально­ го и экстремального регулирования крупных металлургических и

этих систем открываются з связи с развитием счетно-решающей техники.

Говоря конкретно о выборе и практическом применении различ­ ных типов регуляторов в разобранных схемах регулирования, преж­ де всего отметим, что все встречающиеся в промышленности авто­ матические регуляторы различают по следующим основным приз­ накам: 1) по регулируемой величине; 2) по принципу действия; 2) по роду действия; 4) по виду вспомогательной энергии; 5) по типу обратной связи.

Регулируемая величина (параметр) как классификационный признак является показателем возможности применения регуля-

-торов для автоматизации того или иного узла установки, напри­ мер, для регулирования температуры, давления и т. д. Однако

считать принцип и род их действия.

По принципу действия регуляторы делятся на регуляторы пря­ мого и непрямого действия.

171

Ввиду малой величины этих усилий применение регуляторов пря­ мого действия ограничивается использованием их в схемах регу­ лирования установок небольшой мощности.

Регуляторы н е п р я м о г о действия по виду вспомогательной энергии, используемой для приведения в действие исполнительного механизма, разделяются на гидравлические, пневматические, элект­

рические и комбинированные.

Г и д р а в л и ч е с к и е регуляторы находят широкое примене­ ние при автоматизации котлов и печей; они отличаются большой чувствительностью, значительной величиной перестановочных уси­ лий, развиваемых исполнительными механизмами, высокой эксплу­ атационной надежностью.

Однако наряду с положительными качествами гидравлические регуляторы имеют и ряд недостатков, к числу которых относятся ограниченность расстояния между усилителем и исполнительным механизмом, а также • необходимость тщательной герметизации маслопроводов и сальниковых соединений. В отдельных случаях они не удовлетворяют требованиям противопожарной безопасности.

П н е в м а т и ч е с к и е регуляторы, обладая достаточно высокой эксплуатационной надежностью, полностью удовлетворяют усло­ виям пожарной безопасности. Требования к герметизации здесь значительно упрощаются, отпадает необходимость и в прокладке обратных линий.

К недостаткам регуляторов этого типа следует отнести более сложное их устройство, повышенный износ отдельных частей ре­ гулятора вследствие высокой скорости истечения воздуха, а так­ же необходимость тщательной очистки воздуха от пыли и масла.

Э л е к т р и ч е с к и е регуляторы выгодно отличаются от гид­ равлических и пневматических отсутствием ограничений в протя­ женности монтажа соединительных линий, а также отсутствиемзапаздываний в передаче импульсов.

Однако роль исполнительного механизма таких регуляторов ча­ сто выполняет электродвигатель, который, будучи снабжен редук­ тором, имеет конечные выключатели и тормозные приспособления, служащие для преодоления сил инерции при перемене направле­ ния вращения двигателя. Все это усложняет конструкцию испол­ нительного механизма, снижая тем самым общие достоинства электрических регуляторов.

Желание совместить в одной системе достоинства регуляторов, работающих с различными энергетическими средами, привело к созданию комбинированных систем регулирования, приспособлен­ ных к работе в самых различных установках. В комбинированных регуляторах может использоваться сразу несколько источников энергии (масло, электроэнергия и т. д.).

Наиболее целесообразным в таких регуляторах следует счи­ тать применение электрических и пневматических датчиков, элек-

172