PODEJMUJĄC PROBLEMY OSZCZĘDNOŚCI WĘGLA I OCHRONY ŚRODOWISKA - ZACZNIJMY OD NOWOCZESNEGO UKŁADU REGULACJI SPALANIA

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ

Seria: ENERGETYKA z. 113 Nr kol. 1101

_________ 1990

Jacek BOBEK

Centralne Biuro Konstrukcji Kotłów Tarnowskie Góry

PODEJMUJĄC PROBLEMY OSZCZĘDNOŚCI WĘGLA I OCHRONY ŚRODOWISKA - ZACZNIJMY OD NOWOCZESNEGO UKŁADU REGULACJI SPALANIA

Streszczenie. Przedstawiono układ regulacji spalania zawiera­

jący obwody: regulacji powietrza i podciśnienia w komorze palenis­

kowej, przepływomierza i licznika ciepła, sygnalizacji. Opisano i dobrano aparaturę dla tych obwodów,a w szczególności analizator spalin 0? , mikroprocesorowy regulator Eftronik M, przetwornice częstotliwości i klapy regulacyjne. Centralne Biuro Konstrukcji Kotłów podejmuje się opracowania dokumentacji i uruchomienia

opisanego układu regulacji spalania, który jest szczególnie odpo­

wiedni przy przedsięwzięciach modernizacyjnych.

Urządzenia układu regulacji spalania podzielono na trzy zespoły. Są to: zespół urządzeń pomiarowych, zespół urządzeń części centralnej obejmującej przetwarzanie statyczne i dynamiczne, wskazania i sygnaliza­

cję, oraz zespół urządzeń wykonawczych^czyli organy regulacyjne. Urzą­

dzeniami pomiarowymi stosowanymi w układach regulacji spalania są przet­

worniki ’pomiarowe ciśnień, różnicy ciśnień, czujniki i przetworniki tem­

peratury, analizatory spalin. Krajowe przetworniki ciśnien i temperatur są znane i nie trzeba ich tutaj opisywać.

Istotnym elementem układu regulacji spalania jest niezawodny, szybko działający, prosty w obsłudze analizator zawartości 0 2 w spalinach.

Takim może być analizator typu CGRGMi firmy Hartmann-Braun oraz Ursalyt 040 firmy Junkalcr Desssu. Analizatory te nie wymagają instalacji zasy­

sania spalin. Nie na zatem kłopotów z sondą pomiarowa, filtrem, chłodnicą, pompką spalinową i innymi elementami tej instalacji. Sonda pomiarowa, w której odbywa się proces pomiarowy jest zanurzona bezpośrednio w kanale spalin. Sonds ta jest rurą, w której znajdują się dwa ogniwa o stałych elektrolitach ze stabilizowanego dwutlenku cyrkonu - ZrOj. Przez jedno ogniwo przepływają spaliny, drugie jest ogniwem porównawczym, do którego wdmuchiwane jest powietrze. W sondzie zabudowany jet grzejnik elektryczny oraz termopara utrzymujące regulowaną temperaturę 725 C. W tej tempera­

turze dwutlenek cyrkonu wykazuje dużą przewodność jonową tlenu. Zróżni­

cowane stężenie tlenu w spalinach i w powietrzu daje zgodnie z równaniem

57G 3 . Bobak

Nernsta potencjał elektryczny odbierany na elektrodach platynowych o wartości:

E = - W - ln "ft

E - siła elektromotoryczna wg Nernsta, H - stała gazowa,

F - stała Faradaya, T - temperatura,

n = 4 - wartościowość cząsteczkowa ;

Pj - ciśnienie cząsteczkowe tlenu w powietrzu, p9 - ciśnienie cząsteczkowe tlenu w spalinach.

Wszystkie wartości występujące w tym wzorze z wyjątkiem p^ są wartoś­

ciami stałymi, a zatem siła elektromotoryczna jest zależna tylko od ciśnienia cząsteczkowego tlenu w spalinach, które jest miarą zawartości 0? . Siła elektromotoryczna, odbierana z elektrod platynowych umieszczo­

nych w sondzie, doprowadzona jest na zewnątrz do zespołu wzmacniaczy formujących standardowy sygnał pomiarowy , na przykład 4+20 mA. Sonda firmy Hartmann-Braun jest rurą o średnicy 48 mm i długości 1 m. Dostępne są też sondy dłuższe / I ,8 m/ i krótsze /O,6 m i 0,15 m/. Sondę zabudo­

wuje się w prosty sposób, podobnie jak termoparę, i łączy kablem z układem.wzmacniaczy i regulatorem temperatury.

W części centralnej układu regulacji spalania przewidziano zastoso­

wanie mikroprocesorowego regulatora cyfrowego produkowanego przez FNEFAL Falenica. Eftronik M jest uniwersalnym regulatorem cyfrowym, przeznaczo­

nym do układów sterowania i regulacji wolnozmiennych procesów technolo­

gicznych. Zawiera dwa zestawy mikroprocesorowe umożliwiające:

- statyczne i dynamiczne, liniowe i nieliniowe przetwarzanie analogowych sygnałów wejściowych i wytwarzanie sygnałów sterujących,

- zbieranie i przetwarzanie sygnałów dyskretnych,

- alarmowanie o nieprawidłowym przebiegu sterowanego procesu bądź też awsrii samego urządzenia oraz realizację samoczynnego przełączenia r o ­ dzaju sterowania na rezerwowe sterowanie ręczne i uruchomienie blokad - dostarczanie operatorowi informacji o procesie i rodzaju sterowania oraz wybór rodzaju sterowania i realizację sterowania ręcznego,

- swobodne układanie struktury funkcjonalnej i parametrów urządzenia, również bezpośrednio na instalacji technologicznej,

- współpracę z innymi systemami sterowania, a w szczególności z syste­

mami sterowania dyskretnego.

Oprogramowanie Eftronika fcj symuluje działania klasycznych analogowych przyrządów elektronicznych części centralnej systemu automatyki.

Eftronik M podzielony jest na cztery warstwy pokazane na rys.!. V. wars­

twie pierwszej są: sumatory, elementy pierwiastkujące i inne. V warstwie drugiej: układy mnożące, ilorazowe, wybieraki sygnału max lub min, przełączniki sygnsłów sygnałem cyfrowym i inne. * warstwie trzeciej są funktory realizujące układy dynamiczne PID o dwudziestu sześciu różnych

Podaj cii jęc problemy.. 579

funkcjach: FID zwykłe, PID-RATIO, PID CASCADE, PID - Adaptacyjny i inne.

W czwartej warstwie następuje wzmocnienie i ewentualnie odwrócenie syg­

nału wyjściowego. Programowanie roboczych konfiguracji struktury funkc­

jonalnej odbywa się poprzez wprowsdzenie do pamięci RAM CMOS zestawu głównego ciągu słów sterujących określających:

- rodzaje i parametry algorytmów realizowanych przez funktory w poszcze­

gólnych warstwach(

- wzajemne powiązania pomiędzy funktorami.

Wprowadzenie słów sterujących odbywa się za pośrednictwem pulpitu tech­

nicznego regulatora. Regulator Eftronik M posiada:

- osiem wejść analogowych 4*20 mA z ąuasiseparacją galwaniczną, - osiem wejść dyskretnych - napięciowych lub rezystancyjnych,

- optoizolację umożliwiającą pracę przy napięciu zakłócającym 220 V, 50 Hz,

- cztery wyjścia obiektowe 4*20 mA z ąuasiseparacją galwaniczną umożli­

wiającą prawidłową pracę przy napięciu zakłócającym 220 V, 50 Hz.

- osiem wyjść dyskretnych napięciowych.

Regulator Eftronik M doskonale nadaje się do automatyzacji wszystkich procesów kotłowych. Szczególnie dobrze nadaje się do zbudowania złożo­

nych struktur regulacyjnych, w których występuje kilka stopni przetwa­

rzania dynamicznego i statycznego. Na rys.l pokazano strukturę układu regulacji spalania kotła parowego lub wodnego. Funktory oznaczone na tym rysunku prostokątami mają następujące funkcje przejścia:

FI 2 FI 4 F23 F24 F29 F2A F2B F2C F38

km = kl"/XI - SP»/

jest to element dynamiczny PID z modyfikacją współczynnika wzmocnienia w funkcji odchyłki regulacji

F3A: PID ze strefą nieczułości F 4 1 : Y = X

Na jednym przyrządzie Eftronik M zaprogramowanym według rys.1 zrealizo­

wano:

- układ regulacji powietrza, - układ regulacji podciśnienia,

- układ przepływomierza ciepła wyprodukowanego przez kocioł,

- obwody sygnalizacyjne do wykorzystania na zewnątrz,« układzie blokad i centralnej sygnalizacji,

Y = kl • X + k2 Y = kl • X + k2 Y =

kl

* = * * ♦ 50 * Y =

kl xJ x dt

Y =

kl

kl

* - * . [ / ! ♦ T T F k I / X1 + i i i /X ' " S P V J

WEJŚCIAANALOGOWE

WEJŚCIA Analizator spalin i

Ilość paliwa

Pr ze płyt) powietrza.

Podciśnienie w komorze e paleniskowe Tołożerue

kierownic » went.spalin Temperatura wody

wlotowej Temperatura

wody *-

wylotowej Przepływ wody do kotła

WARSTWA 1 w

Ę J r* » -

r-l—

■? j j 2 2 X 1

r~^— -

« ł | r Ę j 4 - 3 2 £ 2 _

^ 4 U 2 Z -a l_

WARSTWA 2 j ł y-ćł

WARSTWA ^

Rys.l. Układ regulacji spalania z regulatorem Eftronik U Fig.2. Combustion control on one Eftronik M instrument

WARSTWA a

JsUAN.l - C u

I t u

- 0 ^ 4 ^ WUUu

U Y 0 3

■ * g *

WYJŚCIA Do r e j e ­ s t r a t o r a

Do nastawia­

n i a prze­

pływu poW.

Do nastaw, kierownic

^entylat.

Spalin

Do rejestr, przepływu,

«ciepła.

[ant.syalin- C <,Nm Liczn.ciepła

U<

43zL 0ws3 ~

Tt tL -sjjm lllL

IńlL _

1 A -L _

t/td oiMsIlly 6 . t e m p . iiant, spalin*

jysgk.Oj liskie O y

<ały p.p.

lały p.w.

P o d e j m u j ą c p r o b l e m y . . S81

- układ sygnalizacji wewnętrznej z brzęczkiem, z migotaniem wskazanego numeru przekroczonego parametru, z przyciskiem kasującym.

Układ regulacji powietrza przedstawiony na rys.1 umożliwia operato­

rowi wybór jednej z następujących struktur:

ciepło/powietrze ,

ciepło/powietrze z korektą od Og >

regulacja Og - jednoparametrowa,

Wybór struktury odbywa się w prosty sposób, bez zmiany oprogramowania i może byó dokonany przez operatora kotłowego. Jest to cenna zaleta umożliwiająca pracę automatyczną nawet w przypadkach awaryjnych. Jeśli na przykład nieczynny jest analizator spalin Og, operator wybiera strukturę ciepło/powietrze. Jeżeli nieczynne są przepływomierze, to operator może wybrać jednoparametrową strukturę regulacji Og.

Układ regulacji podciśnienia zawiera dodatkowy sygnał od zmiany prze­

pływu powietrza do kotła. Jest to impuls wyprzedzający zmianę ciśnienia w komorze paleniskowej, tutaj chętnie .zastosowany, bo nie wiąże się to z jakimikolwiek dodatkowymi kosztami. Na przykładzie regulacji podciś­

nienia pokazano również sposób, na wykorzystanie Eftronika M do zbudo­

wania struktury regulatora trójstawnego, z wyjściami impulsowymi-dyskret­

nymi do współpracy z siłownikiem elektrycznym - stałoprędkościowym.

Układ przepływomierza ciepła został zrealizowany według rys.1. Na wyjściach tego układu uzyskuje się sygnał analogowy 4*20 m&, który można wykorzyateć do rejestratora i wskaźnika przepływu ciepła, a ponadto sygnał dyskretny w postaci impulsów napięciowych, które doprowadza się bezpośrednio do licznika elektromagnetycznego, sumującego ilość ciepła wyprodukowanego przez kocioł.

Inicjatory sygnalizacyjne do wykorzystania na zewnątrz, do układu blokad i centralnej sygnalizacji, są w istocie sygnałami dyskretnymi, b ezstykowymi, nadającymi się do bezpośredniego podłączenia na przykład przekaźnika R15 na 24 V prądu stałego. Na rys.1 do układu blokad i centralnej sygnalizacji przewidziano następujące parametry:

- wysokie Og w spalinach, - niskie Og w spalinach,

- mały przepływ powietrza do kotła , - mały przepływ wody do kotła,

- wysoka temperatura wylotowa wody lub pary.

Układ sygnalizacji wewnętrznej jest uruchamiany przez wszystkie syg­

nały układu sygnalizacji zewnętrznej wyżej wymienione, a ponadto przez przekroczenie następujących parametrów:

- mała ilość paliwa do kotła ,

- wysokie i niskie ciśnienie w komorze paleniskowej, - skrajne położenia kierownic wentylatora spalin, - wysoka i niska temperatura wody do kotła , - n i s k a t e m p e r a t u r a wody l u b p a r y w y lo to w e j,

582 ^{B obek} - duży przepływ wody do kotła ,

- duży i mały przepływ ciepła.

Każdy z wymienionych alarmów technologicznych ma przypisany kod składB- jąey się z dwóch cyfr. W przypadku przekroczenia parametru cyfry te migocąc ukazują się w okienku "alarm". Równocześnie uruchamiany jest wewnętrzny brzęczek. Alarm trzeba pokwitować naciskając odpowiedni klawisz. Ustaje wtedy sygnał akustyczny i ustaje migotanie kodu w okien­

ku "alarm".

Zespołami wykonawczymi zwanymi też organami regulacyjnymi są zawory, klapy, kierownice wentylatorów, urządzenia zmiany obrotów. Ciągle warto jeszcze zwracać uwagę projektantom na konieczność wyznaczenia średnicy przelotu zaworów i klap regulacyjnych. Wielkości tych organów}czyli średnica gniazda zaworu i średnicy klapy nie mogą być na ogół takie same jak średnice rurociągów czy kanałów. Spadek ciśnienia - na otwartych zaworach o charakterystyce stałoprocentowej oraz na klapach regulacyj­

nych otwartych do 60° - winien wynosić 10 do 30 % dyspozycyjnego spadku ciśnienia. Dla tak określonych spadków ciśnień należy według znanych wzorów obliczyć wielkość zaworu lub klapy. Zazwyczaj, udaje się dobrać zawór z przyłączami odpowiadającymi średnicy rurociągu. Jednak średnica gniazda jest na ogół mniejsza od średnicy przyłączy i rurociągu. Nato­

miast. projektując kanały z klapami regulacyjnymi,trzeba, po obliczeniu średnicy klapy przeważnie mniejszej od średnicy kanału, zaprojektować przewężenie pokazane na rys.2. Dopiero tak dobrane klapa lub zswór zapew­

nią zbliżoną do liniowej charakterystykę, wyznaczającą przepływ jako /

funkcję położenia organu regulacyjnego. Zle dobrana, klapa lub zawór często uniemożliwiają pracę obwodu regulacyjnego.

Rys.2. Zabudowa klapy regulacyjnej Fig.2. Mounting of butterfly valve

Zmiana obrotów jest korzystnym sposobem regulacji ilości węgla przy podajnikach oraz przepływu przy wentylatorach powietrza i spalin.

Zmianę obrotów silników elektrycznych, asynchronicznych uzyskuje się przez zastosowanie przetwornic częstotliwości, zasilających te silniki napięciem o regulowanej częstotliwości. Do największych wytwórców kra­

jowych produkujących seryjnie przetwornice częstotliwości należą: EL~- KIROMONTAŻ Poznań oferujący przetwornice TPC dla silników od 0,1 do

2 2 k H, oraz APATOR Toruń produkujący przetwornice AMF i ASF dla silni­

ków od 1,1 kW do 100 kW. Za granicą, firma Danfoss Dania produkuje nową

P o d e j n u j ę c p r o b l e i y .

583

generację przetwornic, w których zastosowano mikroprocesorowe sterowanie impulsami przełączającymi, kształtującymi przebieg sinusoidalny napię­

cia. Są to przetwornice VLT serii 3000 produkowane dis silników od 0,75 kii do 110 k w . Nowy system mikroprocesorowy nazwany VVC - Voltage Vector Control /regulacja napięciowo-wektorowa/ w odróżnieniu od sta­

rego systemu PWM - Puls Width Systems /regulacja szerokości impulsów/

ma szereg zalet. Zalety są następujące:

- nie zmniejszona znamionowa moc silnika na w s i e , - możliwa pełna wartość napięcia zasilającego silnik ,

- bardziej zbliżony do sinusoidalnego, przebieg napięć mięazyfazowych, - mniejsza ilość impulsów przełączających, a w czasie od 60° do 120°

okresu sinusoidalnego wcale nie ma przełączeń,

- lepsze własności dynamiczne silnika,a w szczególności większy moment rozruchowy,

- większa sprawność przetwarzania,

WNIOSKI.

Podjęcie problemu oszczędności węgla i ochrony środowiska wymaga zastosowania niezawodnego układu regulscji spalania, właściwe urządze­

n i a ^ w szczególności analizator 0^ typu CGHGM1 oraz mikroprocesorowy regulator Eftronik M zapewniają dokładny i niezawodny układ regulacji spalania. Na tym samym regulatorze rozwiązuje się również obwody licz­

nika ciepła i sygnalizacji. Niezawodność podnosi też opisana struktura regulacji. Opracowania dokumentacji oraz uruchomienia układu podejmuje się CBKK.

Recenzent: prof, dr hab. inż. Tadeusz CHMIELNIAK

nPKnTTPWHHMAfl nPOBBEMH SKOHCMiiZ yrjIH H 3AIĘHTH CPEflH

- HAHHHA3 OT C03PEMEHH0, HOBESIEH CHCTEMU PEryjIHjHił CHKTAHHH

P e s o u e

IlpeflCTaBJieHO CHCTeMy p e r y jiH iy m craraH H H b oco<5eHHOCTn c x e a a peryjiHĘHH B 0 3 a y x a u pa3penceHKH b T o n o ^ H o a K a u e p e .

CipyKTypa qeHTpaJiBHOH n a c m npeaycMaTpHBaeT u 3 m e pn te JiBHHii npnCop Tenaa a T arae cncTeMH CHrHaaH3aató.

B cxeMy peaan3auHii bxosht :

- aemeBHa aHaaH3aT0p coaepataHHH b Tonomnoc r a 3 a x HeTpeCyiomHii no CTOHHHoro oCcjiyraBaHHH.

584 3 . Sobek

- M a K p o n p o u e s o p o B K ê p e r y a a T o p E jjïp o H H K I t ,

- îlp e o S p a 3 o s a T e J iJ > v a c ï o t s j s o x a x s a e K S p o ^ B a r a s e - a a M a p e ry jia u E O H H K M x x a n a H a a , O m sca H O o n o c o C a T a x s e B ü d o p 9 t o & a n a p a t y p a ,

H3toicBHiejiïHya ,

80

Î I p e i o i a B a s H K a e p e m e s a s p e r y x f iU H H c x a r a a a a , o e o d e H H O c o o r B e T c T s y m i M o a e p r a - 3 jjp o B a H B H M o d e x i a M , C u a c a H H U â iC B x p o n p o a e c o p o B u g p e r y a s i o p E $ î p o H H x " î i " u o - x e ï S a r a n p a c n o c o d j ie H b c x e u e a s iouaisq e o s o a p e r y a a i i a f i k o bcsm K o i a a u , o c o - 5 e H H o k p a r /J iS H H K y p o B a a a o f i u s d a p a ô a u e , E $ r p o H H X K o x e i d a r t o s o d o ^ H O n p E - u s H S H 8 c x a s a x H S M e p x T e a B H o - p e r y a a u a o K H u a : c o E 3iie H a B E ? a s« H ca o T p y x iy p a M B p a ~ d o i a , n e p e M s a a o r p y x i y p a « n e h t p & x b k o M t a c i a a s i p e d y e i rie p e l ie h s a e x i p a v e c - k h x c o e x a n e H E â a t s m c a M a a h b o b k x n o c T a s o x . I l p e a n p z H a a a ji o p o d a e u a bkcho- mh3 y r a a a s a m m a c p e a a - H a v H H a x o r c o B p e it e s H O , H c s e t t a e f t o a c i e a a p e r y a a - U ii f l c x a r a B s a .

ATTEMPTING COAL ECONOMY AND CONSERVATION OF NATURE PROBLEMS - WE'D TO BEGIN WITH COMBUSTION PROCESS MODERN CONTROL

S u ■ ■ a r y

Ths combustion process control instrumentation system in particular the combustion sir control and combustion pressure control circuits were described. The functional structure of central control part, enclose also the warm flow meter and signalling system. That instrumentation system consists: in-line technique flue gases analyser, cheap microprocessor controller, frequency converters for motor speed control and butterfly valves. This article describes that instrumentation as well as themanmer of selection. Boiler Design Centre in Tarnowskie Gdry tender services for complete documentation and Set in motion of the control system. Combustion process control instrumentation here described i* specially recoaended for reconstruction purpose. Eftronik M mikroprocessor controller is adequate for all boiler control circuits, in particular for boiler drum level control. Eftronik M controller made it easy the configuration and reconstruction of control and measuring structure. The changes of structure in central part of control circuit does not weed any changes in electrical connections nor in supply range. Attempting coal economy and conservation of nature problems it is necessary to begin with reliable combustion process control.