Система автоматического регулирования соотношения топливовоздух нагревательного устройства

Система автоматического регулирования соотношения топливовоздух нагревательного устройства

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕ ryjmPQBAHHfl СООТНОШЕНИЯ ТОПЛИВО ВОЗДУХ НАГРЕВАТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА, содержащая датчик расхода воздуха, датчик расхода топлива с блоком извлечения корня и задатчик соотношения топлива - воздух, связанные с регулятором, соединенна с исполнительным механизмом на линии подачи воздуха в .нагревательное устройство датчик и задатчик содержания кислорода в отходящих продуктах горения, соединенные с корректирующим блоком связанным .с регулятором, о т л и ч ю щ а я с я тем, что, с целью повы шения точности регулирования, она содержит датчики температуры, давле ния воздуха, вычислительный блок и вторичный прибор приведенного расхо да воздуха, датчики температуры, да вления, плотности топлива, вычислительный блок и вторичный прибор приведенного расхода топлива пять блоков умножения, три блока деления и задатчик расчетной плотности топлива , причем датчики температуры, давления и расхода воздуха соединены с вычислительным блоком приведенного . расхода воздуха, соединенного через вторичный, прибор приведенного расхода воздуха с первым входом регулято .ра, первые выходы датчиков температуры и давления топлива соединены с вычислительным блоком приведенного расхода топлива, второй выход датчика температуры соединен вместе с выходом датчика плотност топлива с входами первого блока умножения, выход которого совместно с вторым выходом датчика давления топлива со4 единен с входами первого блока деления , первый выход которого вместе с первым выходом задатчика расчетной плотности топлива соединен с входами второго блока деления, выход которого соединен с вычислительным блоком приведенного расхода топлива., выход которого вместе с выходом блока извлечения корня соединен с входами второго блока умножения, соединеннопа со вторичным прибором приведенного расхода топлива, а вторые выходы пер вого блока деления и задатчика расчетной плотности топлива соединены с входами третьего блока деления, выход которого вместе с вьосодом задатчика соотношения топливо - воздух соединен о входом третьего блока умноженйя , выход которого совместно с выходом корректирующего блока соединен с входами четвертого блокёъ умно1кения , выход которого вместе с выхоIOM вторичного прибора приведенного расхода топлива соединен с уходами пятого блока умножения, выход которого соединен с вторым входом регулятора .

69) (11) СОЮЗ GOBETCHHX . ООНЮВВ Ю

РЕСПУБЛИК

3(Д) F 23 М 1/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3391801/24-06 (22) 29.01,82 / (46) 07.12.83. Бюл. 9 45 (72) Э.Н. Кульпа, И.Н. Зинченко, М.С. Бабицкий, А.Н. Ванжа,A.È.Êéñåлев, В.И. Вондаренко и Н.Ф,Коновалов (71) Донецкий научно-исследовательский институт черной металлургии (53) 621.182 261(088.8) (56) 1. Каганов В.Ю. Автоматизация металлургических печей ° М., "Металлургия", 1975 с. 376. (54) (57) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СООТНОШЕНИЯ ТОПЛИВО

ВОЗДУХ НАГРЕВАТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА, содержащая датчик расхода воздуха, датчик расхода топлива с блоком извлечения корня и эадатчик соотношения топлива — воздух, связанные с регулятором, соединейным с исполнительным механизмом на линии подачи воздуха в .нагревательное устройство, датчик и задатчим содержания кислорода в отходящих продуктах горения, соединенные с корректирующим блоком, связанным с регулятором, о т л и ч аю щ а я с я тем, что, с целью повышения точности регулирования, она содержит датчики температуры, давления воздуха, вычислительный блок и вторичный прибор приведенного расхода воздуха, датчики температуры, давления, плотности топлива, вычислительный блок и вторичный прибор приведенного расхода топлива, пять блоков умножения, три блока деления и задатчик расчетной плотности топлива, причем датчики температуры, дав- ления и расхода воздуха соединены с,вычислительным блоком приведенного расхода воздуха, соединенного через вторичный прибор приведенного расхода воздуха с первым входом регулятора, первые выходы датчиков температуры и давления топлива соединены с . вычислительным блоком приведенного расхода топлива, второй выход датчика температуры соединен вместе с выходом датчика плотности топлива с входами первого блока умножения, выход которого совместно с вторым выходом датчика давления топлива соФ единен с входами первого блока деления, первый выход которого вместе с первым выходом задатчика расчетной плотности топлива соединен с входами Я второго блока деления, выход которого соединен с вычислительньм блоком приведенного расхода топлива,, выход которого вместе с выходом блока извлечения корня соединен с входами второго блока умножения, соединенного Ф со вторичным прибором приведенного

С расхода топлива, а вторые выходы пер вого блока деления и задатчика расчетной плотности топлива соединены с входами третьего блока деления, выход которого вместе с выходом задатчика соотношения топливо - воздух соединен о входом третьего блока ум ноженйя, выход которого совместно с выходом корректирующего блока соединен с входами четвертого блока умно.)кения, выход .которого вместе с выходом вторичнОго прибора приведенного расхода топлива соединен с входами пятого блока умножения, выход кото- рого соединен с вторьм входом регу-лятора.

1059354

Изобретение относится к области регулирования процесса горения газо- образного топлива, сжигаемого в нагревательных устройствах, и может

/ быть использовано в черной и цветной металлургии, а также в других отраслях промышленности.

Известна система автоматического регулирования соотношения топливо воздух нагревательного устройства, содержащая датчик Расхода воздуха, датчик расхода топлива с блоком извлечения корня и датчик соотношения топливо — воздух, связанные с регуля тором, соединенным с исполнительным механиэмом на линии подачи воздуха 15 в нагревательное устройство, датчик и эадатчик содержания кислорода вотнодящих продуктах горения, соединенные с корректирующим блоком, свяэанньж с регулятором j1). 20

Недостатком системы является то, что при колебаниях теплоты сгорания топлива, влияющих на стехиометрическое отношение топливо — воздух, она не обеспечивает высокую точность регулирования процесса горения.

Кроме того, коррекция соотношения осуществляется только по отклонению выходного параметра процесса, причем параметра. инерционного: содержания кислорода. Из теории управления известно, что в этом случае запаздывание результата измерения приводит к дополнительной динамической погрешности, понижающей качество регулирования и затрудняющей его практическую реалиэацию, Погрешность может быть уменьшена только за счет допол" нительного ввода в систему опережающей информации о входных возмущениях

1 в данном случае по отклонению сос- 40 тана или тЕплоты сгорания топлива), влияющих на соотношении топливо воздух, с последующей их компенсаци ей,. При этом, обязательным условием является то, что входные паРаметРы- 45 носители информации должны быть менее инерционны, чем выходной параметр.

Цель изобретения — повышение точности регулирования. 50

Указанная цель- достигается тем, что система автоматического регулирования соотношения топливо - воздух нагревательного устройства, соцержащая датчик расхода воздуха, датчик расхода топлива с блоком извлечения корня и эадатчик соотношения топливо — воздух, сняэанные с регулятором, соединенным с исполнительным механизмом на линии подачи воздуха в нагревательное устройство, датчик 60 и задатчик содержания кислорбда в отходящих продуктах горения, соединенные с корректирующим блоком, связанным с регулятором, содержит датчики температуры, давления воздуха, вы-65 числительный блок и вторичный прибор приведенного расхода воздуха, датчики температуры, давления, плОтности топлива, вычислительный блок и вто-. ! ричный прибор приведенного расхода ,топлива, пять блоков умножения, три блока деления и задатчик расчетной плотности топлива, причем датчики температуры, давления и расхода воздуха соединены с вычислительным блоком приведенного расхода воздуха, соединЕнного через вторичный прибор принеденного расхода воздуха с первым входом ре гулятора,первые выходы датчика тепературы и давления топлива соединены с вычислительным блоком приведенного расхода топлива, второй выход датчика температуры соединен вместе с выходом датчика (плотности; топлина с входами первого блока умножения, выход которого совместно с вторым выходом датчика давления топлива соединен с входами первого блока деле,ния, первый выход которого вместе с первым выходом задатчика расчетной плотности топлива соединен с вычислительным блоком приведенного расхода топлива, выход которого вместе с выходом блока извлечения корня соединен с входами второго блока умножения, соединенного с вторичным прибором приведенного расхода топлива, а вторые выходы первого блока деления и задатчика расчетной плотности топлива соединены с входами третьего блока деления, выход которого вместе с выходом задатчика соотношения топливо - воздух соединен с входом третьего блока умножения, выход кототорого совместно с выходом корректирующего блока соединен с входами четвертого блока умножения, выход которого вместе с выходом вторичного прибора приведенного расхода топлива соединен с входами пятого блока умно-. жения, выход которого соединен с вторым входом регулятора.

На чертеже изображена функциональная схема системы автоматического регулирования соотношения топливовоздух нагревательного устройства.

Нагревательное устройство 1 оснащено горелкой 2 и газопроводом Э.

Измерительная диафрагма 4 соединена с датчиком 5 расхода топлина блоком б извлечения корня, блоком 7 умножения (второй блок умножения ) и вторичным прибором 8 приведенного расхода топлива.

Датчик .9 давления топлива через вторичный прибор 10 и датчик 11 температуры через вторичный прибор 12 соединены с вычислительным блоком 13 приведенного расхода топлива, Датчик 14 плотности топлива через вторичный прибор 15 соединен с первым блоком 16 умножения, к второму входу которого подсоединен второй вы1059354 ход датчика температуры. Выход блока

16 умножения вместе с вторым выходом датчика давления соединен с входами первого блока деления 17. Первый выход /блока 17 деления вместе с первым выходом задатчика 18 расчет- 5 ной плотности топлива соединен с входами второго блока 19 деления,. .выход которого соединен с вычислительным блоком приведенного расхода топлива. Вторые выходы блока 17 деления и задатчика 18 расчетной плотности топлива соединены с входами третьего блока 20 деления. Выход третьего блока деления с выходом эадатчика 21 соотношения топливо— воздух соединен с входами третьего блока 22 умножения.

Выход третьего блока умножения подсоединен к первому входу четвертого блока 23 умножения, выход которого вместе с выходом вторичного прибора 8 приведенного расхода топлива соединен с входами пятого блока

24 умножения.. ца воздухопроводе 25,подходящем к горелке 2 установлены исполнительный механизм 26 с регулирующей заслонкой

27, датчик 28 температуры воздуха, соединенный с вторичным прибором 29, измерительная диафрагма 30, связанная с датчиком 31 расхода воздуха датчик30

32 давления воздуха с вторичным прибором 33.

Выходы вторичных приборов 29 и 33 и датчика 31 воздуха соединены с входами вычислительного блока 34 приве- З5 денного расхода воздуха, выход которого соединен через вторичный прибор

35 с входами регулятора 36.

Второй вход регулятора 36 соединен с выходом блока 24 умножения. На выходе нагревательного устройства 1 установлен датчик 37 содержания кислорода в отходящих продуктах горения, соединенный со вторичным прибором 38, подключенным к корректирующему блоку

39 кислорода. Другой вход блока 39 45 соединен с задатчиком 40 содержания кислорода, а выход корректирующего блока соединен с вторым входом блока

23 умножения. теоретически необходимое соотно- 5р щенке (при коэффициенте избытка воздуха Ы равном единице ) приведенных расходов воздуха ч н и топлива н<

Ч" равно стехиометрическому отношенйю, зависящему от теплоты сгорания 55 топлива, т.е.

Чно — =К (1)

Ь

Нн

I где К - коэффициент стехиометричес1 кого отношения, определяемый по теплоте сгорания топлива при d,-=1.

Действительный расход воздуха V приведенный к нормальному состоянию; 65 с учетом заданного коэффициента из--бытка воздуха с * равен

Ч нд задЧ "о (а)

Ь Ь

Тогда действительное соотношение топливо — воздух выражается через их приведенные расходы

Чнд =.с *к . (ь) нп 1.

VT ,При регулировании соотношения возможны два случая.

Действительная низшая теплота сгорания топлива, понведенная к нормальному состоянию, постоянна Q„canst ккал/нм3 (частный случай ). Тогда со» отношение расхода в уравнении (1 )

gsaA=const и в уравнении (3) не изменяется и регулирование осуществляется по иэмеряемым приведенным расходам топлива и воздуха.

Действительная теплота сгорания нД топлива измеряется Й „ = var (общий случай ). При этом соотношение приведенных расходов в уравнениях (1 ) и (3 ) необходимо корректировать в зависимости от колебаний теплоты сгорания, так как K„=E(Qн ) = var н при условии, что в уравнении (3)

d,3а с,„st). В виде проиэведе" ния двух величин коэффициент. < к Р,. K

С учетом укаэанных условий уравнение (3 ) примет вид

Vs н скар За* K P кор чнп

1 T где V н ко р

8 скорректированный расход воздуха, приведенный к нормальному состоянию, нм З/ч;

К вЂ” расчетный схехиометрический коэффициент (определяется по расчетной теплоте сгорания топлива при ot.= 1 и является для данных условий величиной

ПОстОяннОЙ )ó

Кко = коэффициент коррекции расчетного стехиометрического отношения в зависимости от колебаний действительной теплоты сгорания топлива, Величина Кк может быть представлена отношением нд

К кор н ан) н где И вЂ” расчетная теплота сгорания, нР х топлива (определяется по расчетному составу топлива, приведенная к нормальному состоянию, ккал/нмЗ.

1059354

* )*

1 н4 9т

Гт -„p*

Ъ т где K> - коэффициент пропорциональности)

7* - действительная температура т топлива в рабочих условиях, К)

Р* — действительное давление т топлива в рабочих условиях, кгс/м

Анализ действия механизма компен» сации по измеряемым "помехам --давлению ц температуре.

Например,при ееличении давления действительная плотность топлива увеличивается, а так как они находятся соответственно в знаменателе и числителе уравнения (9 ), то взаимно компенсируются, чем исключают погреш« ность. При увеличении температуры плотность уменьшается, а их произведение не изменяется.

Таким образом, правая часть уравнения (9) позволяет непрерывно контролировать теплоту сгорания топлива по величине р4 с автоматической компенсацией влияния давления и температуры иа плотность, а значит и на результат измерения.

Подставляя значение р из уравнение н4 (9) в уравнение (8), получим выражение алгоритма автоматической коррекции соотношения топливо - воздух по колебаниям теплоты сгорания топлива, 9т т

Ч

° В <3©*КР в т и "" 9"

Т Т я =К р .4., (6) Подставим значение К"C,> в урав-; нение (4 ) н скор

* HP т н 3

Известные системы регулирования не позволяют осуществлять автоматическую коррекцию непосредственно по этому показателю, а ручная коррекция невозможна из-за.стохастического характера возмущений.

Поэтому перспективной является система автоматического регулирова- ния, основанная на косвенном контроле О "„", определяемой по непрерывно,15 измеряемым параметрам топлива: давле- нию, температуре и плотности, сравниваемой с заданной (расчетной )плотностью.

На основании свойств природного 20 газа наиболее широко применяемого газообразного.топлива, зависимость между плотностью и тейлотой сгорания. можно представить в виде где р * - действительная плотность нд т топлива, приведенная к нормальному состоянию, кг/ нм 3 °

Kg — постоянный коэффициент)

Та же зависимость для заданной (расчетной )плотности топлива, при« веденной к нормальному состоянию

НА

Величина Я H з уравнении (5) от" Щ клоняется от заданного (расчетного) значения в основном в результате ко лебаннй состава топлива. При этом соответственно изменяется связанная с ней линейной з ависимостью действительная плотность тн* измеряя которую и сравнивая по соотношению с заданной (расчетной )плотностью можно непрерывно и практически беэынерционно контролировать отклонения теплоты сгорания топлива, а значит и вводить автоматическую коррекцию в заданное соотношение топливо — воздух.

На основании изложенного, а также с учетом уравнения (5 ) и зависимостей (6 ) и (7 ) выражение для скор- 55 ректированного .соотношения топливовоздух примет вид н скадар — *ы ""к <у

Т 9т

В рабочих условиях с помощью дат». .чика плотности измеряют не g 4,а действительное значение плотностй толли-а5 ва р ., Однако простая замена в уравнении (8 ) первой на втору)с приводит к дополнительной методической погрешности результата измерения, так как в отличие от зависимости (6 ) действительная плотность (c учетом уравнения состояния газа) зависит от гавления,температуры и теплоты сгорания, т,е. является функцией трех параметров у* =е (P* т*, а"*).:.

Г

В информационном смысле для сфор-. мулированной выше задачи контроля теплоты сгорания, первые два из нихпомехи, а третий -полезная информация.

Для формирования сигнала измерения в виде однопараметрической зависимости р =f>(Я „ 4)идентичной уравнению (6 ), необходима автоматическая компенсация методической погрешности, вызванной влиянием этих помех на плотность, что реализуется выражением

1059354

ИЛи

CL - (13)

* 1

1-К, О*

45 где

Система корректирует соотношение топливо — воздух и по выходному параметру - содержанию кислорода в отходящих продуктах горения.

В сочетании с коррекцией по входным возмущеййям этот показатель расширяет 5 возможностй алгоритма (10), который тогда принимает вид

Р* * т

«)нс» Kç P*

3 т но - " РнР

r заданное содержание киси ЗС5* лорода в отходящих про- 15

* дуктах горения,Ъ»

Й вЂ” действительное содержа2 ние кислорода в отходя- щих продуктах горения,Ъ;

Примение показателя О в виде ;»0 величин (а не разности, как в известных технических решениях) обосновано следующим образом.

При полном сгорании топлива коэффициент избытка связан с содержанием

02 в продуктах горения известным уравнением д (12)

21 02 зо где К4 — постоянный коэффициент. 35

Эксйериментально установлено, что коэффициент избытка воздуха в рабочем пространстве агрегатов при любом способе сжигания топлива изменяется . в пределах сР4 = 1,05: -1,5.

40 В этом диапазоне;зависимость

- <+ (g ) линейна и уравйение (13 » можно аппроксимировать уравнением прямой

g*= <+Ê 0, (14) с

К вЂ” постоянный коэффициент»

1 — значение коэффициента из5 бытка с - (при стехиометрическом соотношеи» и».

Из уравнения (14) следует,что если ,о - о(— 1, то 02 О -О, Но это теоретический предел, кото рый по условиям смешения недостижим.

Обычно при сжигании топлива (кроме специальных случаев ) значение с 4 7о(Ъ1 (для газообразного топлива) сЕ ©*= 1,05 : 1,1, а содержание 60

0 2 * ъ 0с 22т т> О. Этим и определен нижними предел указанного диапазона измене-.. ния а .

В этом диапазоне значение d.* при известных d * и 02 *. можноапре; 65 делить по измеренному значению 0" из

7 пропорции о

*, з * за

02 а значит и более точно.контролировать отклонение от заданного значения.

Алгоритм коррекции (11), реализованный в системе регулирования соотношения топливо — воздух, позволяет поддерживать коэффициент избытка воздуха на заданном оптимальном уровне путем коррекции соотношения по колебаниям теплоты сгорания топлива и по отклонению содержания кислорода в продуктах горения.

Система регулирования соотношения топливо — воздух работает следующим образом.

Нагревательное устройство 1 оснащено горелкой 2,к которой по газопроводу 3 и воздухопроводу 25 поступает топливо и воздух в соотношении, установленном задатчиком 21 с учетом необходимого коэффициента избытка, воздуха, а также задатчиком 18, учитывающим расчетную теплоту сгорания топлива.

При отклонении теплоты сгорания от заданного (расчетного) -значения соответственно изменяется действительная плотность .топлива, что приводит к разбалансу. сигналов датчика 14 и задатчика 18. Однако действительная плотность зависит также от давления и температуры топлива, что вносит погрешность, которая устраняется за счет учета значения этих параметров и вычисления приведенной действительной плотности. При этом сигналы давления температуры и действительной плотности с выхода приборов 19, 12, 14, .поступают на блоки

16 и 17. Вычисленное значение приведенной действительной плотности де лится в блоке 19 на сигнал задатчика18 и поступает в вычислительный блок

13 и приведенного расхода топлива с сигнала задатчика 21 соотношения.

Такой же результат, полученный в блоке 20, 1»еремножается. Их произведение поступает на один из входов блока 23 умножения. íà другой вход .которого подается с выхода корректи рующего блока 39 результат сравнения действительного содержания кислорода в продуктах горения, измеряемого прибором 38 с заданным задатчиком 40 °

Сигнал блока 23 перемножается в блоке 24 с приведенным расходом топлива Ч и в результате вычисляется приведенный скорректированный по отклонению теплоты сгорания и содер» жания кислорода в продуктах горения расход воздуха. Сигнал скорректированного расхода воздуха в виде зада- ния на входе регулятора Зб сравнива1059354

Составитель И. Аксенов

Редактор Н. Джуган Техред М.Кузьма Корректор, p,Вилак

Заказ 9804/42 Тираж 583 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ется с сигналом приведенного расхода воздуха. В зависимости от знака и ве- личины разбаланса регулятор через исполнительный механизм 26 воздействует на регулирующую заслонку 27 воздуха, изменяя. расход воздуха в соответствии 5 с скорректированным заданием.

Измерение расходов топливаи воздуха проиэвоцится измерительными диафрагмами, рассчитанными на определенные параметры (давление, температу- 1О ру, плотность). Однако в рабочих условиях эти параметры меняются в широких пределах,, что вызывает-погрешность в показании дифманометра.до 30%, при наибольших отклонениях параметров.

Устранение ошибки, измерения достигается в предлагаемой системе путем коррекции выходного сигнала дифманометра по действительным значениям параметров. По топливу коррекция расхода осуществляется в вычислительном блоке 13 по измеренным параметрам с последующим перемножением в блоке 7 результата вычислительной обработки и выходного сигнала дифманометра 5 и блока 6. Приведенный расход топлива регистрируется прибором 8.

По воздуху коррекция осуществляется в вычислительном блоке 34 по измеренным параметрам, вводимым с приборов 29 и 33 и показаниям датчика рас.хода с отображением приведенного расхода воздуха на вторичном приборе 35.

Осуществление автоматической коррекции с помощью системы регулирования соотношения топливо — воздух позволяет значительно улучшить тепловую работу технологинескнх агрегатов и снизить удельный расход условного топлива.