Разработка системы технической диагностики энергетической топки как основа принятия управленческих решений
Журавлев Ю. А., доктор техн. наук, Скуратов А. П., канд. техн. наук, Блох А. Г., доктор
техн. наук, Ковалев Ю. В., инж.
Современное состояние контроля, регулирования и управления основными параметрами топочного процесса на тепловых электростанциях не отвечает в полной мере возросшим требованиям, предъявляемым к надежности, маневренности и экономичности работы котельных агрегатов. В связи с этим все большее развитие получают системы технического диагностирования (СТД) работы энергетического оборудования [1, 2]. Их разработка и внедрение на основе методов и средств детального анализа, непрерывного контроля и диагностики топочных процессов позволяют повысить надежность и качество эксплуатации. При этом наиболее эффективными в плане снижения необходимого числа измеряемых параметров, повышения информативности и экстраполяционных возможностей являются системы технического диагностирования, в которых информация, получаемая за счет текущих измерений на работающей топке, дополняется учетом взаимосвязей режимных параметров с показателями локального и интегрального теплообмена, получаемых путем математического моделирования топочных процессов.
Разработана СТД топки парового котла БКЗ-420-140 ПТ-2 с жидким шлакоудалением (работа выполнена при финансовой поддержке Красноярского краевого фонда науки, грант 9F0032). В этой системе штатная контрольно-измерительная аппаратура, предназначенная для измерения температуры и давления перегретого пара, пара в барабане, продувочной воды, концентрации кислорода в уходящих газах и других параметров, дополняется датчиками плотности падающих радиационных потоков дпад. Выбор числа и мест установки датчиков на экранах топки имеет важное значение для функционирования СТД. Минимальное число датчиков должно обеспечивать необходимую полноту и достоверность получаемой о работе топочной камеры информации. Места установки датчиков, как и их число, выбираются с учетом особенностей работы котла (вида топлива и способа его сжигания, компоновки котлоагрегата и др.). В общем случае для получения необходимой для функционирования СТД информации, обеспечения надежности ее получения достаточно трех-четырех ярусов датчиков - по 12 (три на экран) датчиков в ярусе. Для котла БКЗ-420-140 ПТ-2 выбрана трехъярусная схема расположения 36 датчиков (рис. 1). Необходимость третьего яруса объясняется нелинейностью распределения дпад по высоте топки и сложностью условий эксплуатации датчиков (высокая температура, запыленность среды). Функционирование СТД базируется на измерении дпад с использованием датчиков, разработанных на основе тепловой трубы, что позволяет стационарно устанавливать их на котле и осуществлять непрерывный контроль [3].
Вся информация с котла собирается и обрабатывается системой сбора и обработки первичной информации, которая включает аналого-цифровой преобразователь и блок согласования с ЭВМ. В результате функционирования этой системы в ЭВМ поступают значения режимных параметров, характеризующих работу в данный момент времени, а также значения дпад в местах установки датчиков. Данная информация используется для идентификации теплового режима, которая проводится сопоставлением измеренных на действующем котлоагрегате и расчетных значений дпад в сходных точках на экранах топочной камеры для различных режимов работы котла [4].
Расчетные значения дпад наряду с другими показателями тепловой работы топки для различных режимов сведены в информационный банк данных, который является по существу моделью сопровождения, работающей в реальном масштабе времени. Информационный банк данных включает в себя показатели тепловой работы 1215 режимов и сформирован по результатам численных экспериментов на зональной математической модели [5, 6] при варьировании тепловой нагрузки котла, коэффициентом избытка воздуха, степенью рециркуляции топочных газов, зольностью топлива и числом работающих пылесистем. Учтен возможньшЙ перекос по предтопкам в количестве поступающего топлива при условии равной его подачи через отдельные пылепитатели.
Рис. 1. Схема установки датчиков радиационного потока и показатели тепловой работы топки котла БКЗ-420-140 ПТ-2
В результате идентификации теплового режима топки определяются значения отдельных режимных параметров, точное и непрерывное определение которых в настоящее время трудноосуществимо (например, зольность топлива), а также восстанавливаются поля температур, различного рода тепловых потоков по экранам топки и другие показатели интегрального и локального теплообмена.
На основе полученных в результате идентификации теплового режима данных проводится диагностика шлакования экранов топки и пароперегревателя, контроль непрерывного выхода жидкого шлака и определение положения факела в топочном объеме.
При определении степени зашлакованности топочной камеры различают две характеристики: интегральную для топки в целом и локальную для отдельных зон экранов. Определение степени интегральной зашлакованности проводится по значению температуры газов на выходе из топки 3''т. Уточнение интегральной зашлакованности осуществляется по среднему значению плотности падающего потока дпад датчиков, расположенных по периметру в верхней части топки. В этом случае дпад характеризует степень интегральной зашлакованности экранов ниже сечения установки датчиков. При наличии значительной интегральной зашлакованности важное значение приобретает локализация места шлакования и определение его уровня. Определение места и уровня загрязнения проводится на основе анализа распределений локальных показателей теплообмена.
Рис. 2. Зоны возможного шлакования экранов топки: 
Диагностика шлакования пароперегревателя проводится сравнением значений температуры газов перед опущенными пароперегревательными ширмами и перед фестоном с ее нормативными значениями для используемого состава угля. Место шлакования уточняется по температуре в выходном сечении топки. Непрерывный выход жидкого шлака контролируется по значению перегрева пленки шлака (определяется как разность температуры поверхности пленки жидкого шлака и температуры нормального жидкого шлакоудаления). Идентификация положения факела в топочном объеме проводится сравнением значений qnSlJX в сходных точках противоположных экранов.
Система технической диагностики топки котла БКЗ-420-140 ПТ-2 реализована на базе IBM-совместимых компьютеров [при участии Э. И. Горба и В. В. Межевича (Усть-Илимская ТЭЦ)]. Функционирование системы рассмотрим на примере одной из возможных ситуаций работы котла. На протяжении некоторого промежутка времени в топку котла БКЗ-420-140 ПТ-2 поступал ирша-бородинский уголь проектного состава, нагрузка котла выдерживалась в пределах 420 т/ч, машинист котла вел процесс согласно режимной карте. При этом отмечалась надежная работа топочной камеры: отсутствие шлакования поверхностей нагрева, непрерывный выход жидкого шлака, соответствие всех параметров нормативным. Системой технической диагностики данный режим идентифицировался однозначно и его параметры отвечали реальному состоянию топки.
В определенный момент времени с угольного склада в топку стал поступать ирша-бородинский уголь худшего качества со следующими характеристиками: Аа = 17%, Q£ = 14,8 МДж/кг. По результатам измерений режимных параметров и дпад путем идентификации теплового режима определен один из режимов информационного банка данных. По показателям данного режима проводится оценка технического состояния топочной камеры.
На имеющуюся у оператора схему (см. рис. 1) выдается информация о параметрах топочного процесса, в частности, значения температуры газов на выходе из топки, разверки температур по сечению выходного окна, максимальной плотности падающего радиационного потока q™ в камере охлаждения и теплового сопротивления золовых отложений в данном месте, минимального перегрева пленки жидкого шлака, а также текущие значения режимных параметров.
Превышение температуры газов на выходе из топки над предельно допустимым значением (&тдоп = 1000°С) [7] на 126°С приводит к заносу конвективного газохода, при этом температура в пристенных областях также превышает допустимую (разверка температур по сечению выходного окна Д&''т = 60°С), что свидетельствует о загрязнении поверхностей нагрева по всему сечению газохода. Превышение q™x над его предельно допустимым значением
= 400 кВт/м2) на 90 кВт/м2 говорит о шлаковании экранов топки. Минимальный перегрев пленки жидкого шлака имеет отрицательное значение Дt0ёп = -2°С, что соответствует застыванию шлака в предтопке. При получении отрицательного значения Дt™ в соответствии с алгоритмом обеспечения непрерывного выхода жидкого шлака определяется расход мазута, необходимый для совместного его сжигания с ирша-бородинским углем данного качества по условию обеспечения нормального жидкого шлакоудаления [8]. Для рассматриваемого режима Вм = 1,8 т/ч.
Рис. 3. Положение факела в топочном объеме
На схеме рис. 2 оператору представляются изорады дпад по экранам топочной камеры с обозначением зон вероятного шлакования. Анализ распределения дпад по экранам показывает, что имеется вероятность загрязнения нижней части камеры охлаждения. С целью оказания помощи оператору в выборе управляющего решения на данной схеме показано также включение пылепроводов и приведена схема размещения аппаратов очистки.
Идентификация положения факела в топочном объеме проводится сопоставлением измеренных значений дпад на противоположных экранах топки. Затемненная область на рис. 3 - степень заполнения топки высокотемпературным ядром. Как видно, для рассматриваемого режима положение ядра топочного факела - в центре топки. Здесь же приведены численные значения дпад в местах расположения датчиков и графическая информация о распределении дпад для центра наиболее теплонапряженного экрана (в данном случае - правого бокового) по высоте топки. Установленная зависимость и нормативное значение дпад позволяют оценить вероятность шлакования бокового экрана.
Таким образом, в результате функционирования разработанной СТД топки выдается полная информация о состоянии топочной камеры, основных параметрах ее работы, производится прогнозирование аварийных ситуаций. Такая система диагностики в определенной мере позволяет решить задачу оптимальной организации топочного процесса, а ее дальнейшее совершенствование совместно с системой управления позволит исключить аварийные ситуации еще на стадии их зарождения путем анализа полной картины теплообмена и внесения локальных управляющих воздействий.
Следует отметить, что на данном этапе разработки принятие управляющих решений оставлено за машинистом котла, в распоряжении которого имеется возможность “проиграть” принимаемые решения на математической модели топки с целью оценки их эффективности. Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение может быть также эффективно использовано в качестве тренажеров и “деловых игр” для совершенствования квалификации обслуживающего персонала
ТЭС и в вузах для обучения студентов теплотехнических специальностей.
Список литературы
- Силяров В. Ф., Гуляев В. А. Диагностическое обеспечение энергетического производства. Киев: Техника, 1985.
- Задачи и методы технической диагностики поверхностей нагрева паровых котлов / Михлевский А. А., Дашкиев Ю. Г., Зозуля Г. В., Никитин Е. Е. - Теплоэнергетика, 1989, № 8.
- Диагностика и управление топочными процессами на основе данных о распределении потоков падающего излучения / Блох А. Г., Геращенко О. А., Журавлев Ю. А. и др. - Промышленная теплотехника, 1987, т. 9, № 1.
- Блок идентификации теплового режима системы технического диагностирования топки / Журавлев Ю. А.,
- Блох А. Г., Горб Э. И., Ковалев Ю. В. - В кн.: Теплообмен в парогенераторах. Новосибирск, 1990.
- Журавлев Ю. А. Радиационный теплообмен в огнетехнических установках. Красноярск: Изд-во Красноярского университета, 1983.
- Блох А. Г., Журавлев Ю. А., Рыжков Л. Н. Теплообмен излучением. М.: Энергоатомиздат, 1991.
- Едемский О. Н., Пронин М. С., Матвиенко В. С. Результаты исследований сжигания бородинских углей в широком диапазоне изменения их зольности в топках котлов БКЗ-420 с жидким шлакоудалением. - Электрические станции, 1988, № 1.
- Прогнозирование маневренности работы котла БКЗ-420-140 ПТ-2 при сжигании ирша-бородинских углей / Журавлев Ю. А., Блох А. Г., Горб Э. И. и др. - Теплоэнергетика, 1992, № 1.