Способ управления трубчатой печью

 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам

{21) 4867262/06 (22) 17.0990 (46) 30.11.93 Бюл. Иа 43-44 . (71) Тюменский индустриальный институт имЛенинского Комсомола (72) Подборнов Н.В. (73) Подборнов Николай Владимирович (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТРУБЧАТОЙ

ПЕЧЬК) (57) Использование: управление технологическими (в) КЦ (и) 2003928 Cl (51) печами с одной или несколькими камерами сгорания, оталливаемь(ми преимущественно газообразным видом топлива, а также управление процессом горения в котельных установках ТЭЦ. Сущность изобретения: измеряют содержание водорода в продуктах сгорания и в заданных ограничениях минимизируют значение функции Я=ХО +Н лоследог г вательно изменяя расход общего .воздуха и его распределение ло камерам. 1 ил.

2003928

Изобретение относится к нефтеперерабатывающей и нефтехимической отрасли промышленности, Может быть использована для управления технологическими печами с одной или несколькими камерами сгорания, с общей дымовой трубой, ваздухадувкей и ваздухападагревателями, дымасасами, отапливаемыми преимущественна газообразным видом топлива. Оно может быть использована для управления процессам горения в котельных установках ТЭЦ и др

Известен способ управления трубчатой печью (11путем регулирования температуры нагреваемага продукта изменением пОдачи топлива и расхода дымовых газов на выхода печи и с целью увеличения надежнасти при регулираван IIe мнагасекциаинай печью путем искл ачения локальных перегревов апределя ат расходы уходящих и образовавшихся в каждой секции газов; огношение этих расходов и разность между полученным отношением и средним па всем секциям печи значением этого отношения, одновременно апределя1от разрежение в каждой секции, среднее по всем секциям значение разрежения и определяют разность между полученным и заданным знапраnoрциа HG Jiьиblй полученной разности, алгебраически суммиру ат с сигналом, пропорциональным укаэаннай разности, и па результирующему сигналу карректиру ат расход уходящих газов в каждой секции, а также измвриат разрежение в характерных тачках секций. определяют разность между полученными значениями разре>кений и средним по всем секциям значением этих разрежений и по палученнай разности апределя ат и изменяют расход нагреваемага продукта.

Недостаток данного способа — неэкономичность процесса горения топлива. Горение па данному спасабу мажет быть как с большим избытком воздуха, так и с недостатком воздуха. В там и другом случае КОД печи не будет оптимальным.

Известен также спасаб регулирования установкой висбкрекинга (2, обеспечивающий стабилизацию режима работы печи путем регулирования жесткости режима s нагревательной и реакционной секциях, регулиравание и контроль по ограничениям в секциях, регулирование распределения потоков сырья па змеевикам печи и контроль отложений кокса в змеевиках, регулирование и аптимиээцию процесса горения, регулирование переключения потоков сырья.

Однако и этот способ недостаточно экономичен, поскольку оптимизация процесса горения достигается в печах с принудительнай тягой путем подачи воздуха в различные камеры печи. Его основное назначение— обеспечение необходимого количества кислорода ва всех камерах печи при однавре5 мен нам соблюдении необходимых ограничений по тяге, Известны способы оптимизации сжигания топлива (31 путем управления подачей воздуха в.камеру сгорания, в котором для

"0 оптимизации соотношения "топливо-воздух" вырабатывают корректирующее действие по схеме "задание-воздух" на основе результатов дискретного анализа продуктов . сгорания хроматографическим анализато15 ром на водород и избыток азота.

Однако даннь|й способ не позволяет до-. статочно надежно вести процесс на уровне, близком к оптимальному. Возможные флуктуации в работе горелок могут исказить ре20 зультаты работы хроматографическогв анализа на водород. 8 ряде других изобретений, например в (4 предлагается для,управления процессом горения измерять содержание кислорода в дымовых газах l4

25 дополнительно содержание. продуктов недожега, в том числе и водорода.. Однако в данных изобретениях нет ни способа, ни блока для реализации оптимальных эначеЙий содержания кислорода и водорода в

30 дымовых газах.

Наиболее близким способом. управления.к предлагаемому является способ управления, описанный в Я. Общая структура управления заключается в регулировании

36 температуры на выходе печного змеевика путем изменения подачи топливного газа . и/или жидкого топлива. 8 режиме прямого управления (по возмущению) рассчитыва-. ются и стабилизируются температура на вы40 ходе змеевика, отак сырья в печь, молекулярная масса топливного газа, плотность жидкого топлива и температура посту- . пающего подогретого воздуха.

Производится контроль за ограничениями, "5 который не позволяет увеличивать нагрузку на печь, когда показатели режима приближаются к предельным.

Контролируются следующие ограниче50 ния: температура предельной стенки, температура стенки трубы, содержание кислорода в дымовых газах, поток воздуха, разрежение и др, Па данному способу регулируется разрежение в печи, распределяет-

55 ся из одного воздухападагревателя по камерам печи воздух, предусмотрен контроль за регуляторами отдельных потоков воздуха и поддержание давления воздуха на достаточно высоком уровне для снабжения всех камер печи.

2003928

50

Однако данный способ не позволяет достаточно точно проводить оптимизацию процесса горения па той причине, что она достигается изменением потока воздуха и положением дымовой заслонки, следя за ot.раничениями по содержанию кислорода.

Последний в результате возможных присосов и других факторов возмущения может изменяться независимо от режима горения топлива. Кроме того, при избытках кислорода, превышающих некоторый минимальный предел, начинают интенсивно образовываться окислы азота, которые ухудшают экологическую обстановку окружающей среды.

Данный; как и все вышеописанные способы управления, не дает никаких гарантий, что в процессе управления избыток I:itñëîрода в дымовых газах будет минимальна . необходимым.

Цель изобретения заключается в повышении точности оптимизации режима горения топлива.

Цель достигается тем, что согласно . предлагаемому способу управления трубчатой печью путем регулирования производительности подачей топливного газа в камеры сгорания, регулирования разрежения удалением дымовых газов и оптимизацией процесса сгорания на основе данных измерения содержания кислорода в дымовых газах и управле1 ия потоками воздуха па камерам, дополнительно измеряют содержание водорода либо продуктов недажега в дымовых газах и в заданных ограничениях минимизируют значение функции:

В = Н2+Л02, (1) где Н2, 02 — значения измененных концентраций водорода (продуктов недожога), кислорода в дымовых газах; ), — коэффициент, изменяя сначала общую подачу воздуха, за.. тем распределение по камерам.

Значение.коэффициента il зависит ат того, в каких единицах газаанализатарами измеряется содержание водорода и кислорода. Если указанные параметры измеряют- 4 ся в массовых единицах, например в массовых процентах, та значение ). берется в интервале 0,076...0,106. Данные значения А получены на основе следующих рассуждений. Теплатварность газообразного молекулярного водорода составляет

142324 кДж/кг, теплатварнасть водорода, входящего в состав соединений топлива, равна 125580 кДж/кг. Теплатварнасть водорода в расчете низшей теплатварпай спа- 5 сабнасти топлива, т.е. с учетом тепла, расходуемого на испарение воды, образующейся при сгорании водорода, равна

102828 кДж/кг.

Снижение теплатворности топлива вследствие сгорания при содержании в горючей массе топлива кислорода по подсчетам Д.И, Менделеева приблизительно составляет 10883,6 кДж/кг. Для уравновешивания вкладов водорода и кислорода, содержащегася в продуктах сгорания, показания кислорадомера должны быть уменьшаны в

142324/10883,6...102828/10883,6, т.в. в

13,077...9,462 раза(Л -0,076....3, =0,106).

Если оба гаэоанализатора выдают содержание в обьемных единицах, например объемных процентах, то при одинаковых объемах водорода и кислорода количество кислорода будет превышать по массе в 8 раз, Таким абра":e 1, э 1ачение коэффициента А следует еща уменьшить в 8 раз, и тогда его значение сас та вит 0,0108....0,0132.

Сущест(3енl! I! t1 признаком предлагаемого способа следует считать введе11ие функции (!) в способ регулираванил режимам горения и падач11 в камеры воздуха. Именно зтат признак придает способу существенную новизну и рлд навык свойств.

Основные реакции, протекающие при зааер teIILIII процесса сгорания газообразного топлива, аписыва1атсл стехиаметрическими уравнениям,1:

H2 + 0,502 = Н20 {2)

C0+ 0,5 О2 = СО2

В тепловом соотношении абе реакции акисленил примерна рэвназнэчны, Так как горение происходит эа счет кислорода воздуха, то в абе части реакции (2) добавляется азот, вносимый с газдухам

79

К2 = — 02. Длл пслнага зэвершенил pear.21 ции {2) необходим значительный избыток воздуха, на прп этом КПД процесса будет уменьшатьсл, тэк как длл ега нагрева неабхадима будет давал 1ительна тепло. Наоборот, при недостатке воздуха D результате сдвига рэвнавесил peal ции {2) влево кПД уменьшаетсл эа счет пр(1су1ств(1л в г1радуктаri сгарэнил значнтельных количеств водорода и окиси углерода. Следовательно, длл веденил процесса в оптимальном р .жиме с точки зре ил КПД грисутс1вие ri!i:ларадэ, вадарадэ и окиси углерода в ilекатарь х минима.1ьнь1х количествах аблзэтельна. 1!4! I! I .миээцил функци;1 {1) позволяет дабитьсл наивысшего КПД, например, путем апределенил D продуктах с1арэнил "недо.кегэ" и аднаврсмен а(11 ь111ниь1 .aaöLI:I "кислород(э", Б дэнна1л Бэрлэн е водород лвл летел и 1Н дикатара:л адно(эре:.1еннага существования

L1 акис1: углерода.

Реэ3LIaàö!",Ii процесса па предлэгэемаму способу lie дает рэзеиватьсл нежелэтель2003928

20 на подачи воздуха

И

50 ным реакциям образования оксидов азота, поскольку содержание водорода (хотя и в небольшом количестве) как более активного компонента по отношению к кислороду подавляет процессы окисления азота воздуха.

Да>ке при нулевом содержании. водорода система, реализующая способ, будет уменьшать содер>кание кислорода, что также способствует подавлению реакций образования оксидов, Подобного эффекта нельзя достичь с помощью прежних способов регулирования процесса горения, как только; не анализируя отдельно окислы азота и не управлял процессом по их минимизации.

Реализацию способа можно осуществить при ручном управлении, вычисляя по показаниям анализаторов функцию (1) и проводя перестановку регулирующего оргаОднако эффективность способа намного возрастает, если применить специальную систему автоматического управления. Пример такой системы приведен на чертеже.

По своему существу эта система является модификацией и развитием системы прототипа (5), Система может быть реализована на базе управляющей микроЭВ Л. Однако длл уяснения принципа взаимодействия ovчислительных блоков приведена функциональнал блочная схема.

Трубчатая печь П имеет две камеры. в каждой из которых нагревается продукт 8 процессе циркуляции по змеевику. Ь камерах сгорает газообразное топливо. Воздух подаетсл из общего воэдухопровода воздуходувкой В. Каждая из камер снабжена эксгаустером 3, работающим на общую дымовую трубу Т, Необходимая величина разреженил в каждой из камер поддерживается индивидуальной системой автоматического регулирования, состоящей из датчика

1 давления, элемента 2 сравнения измеренного давления с заданным Р,-регулятора 3 и исполнительного механизма 4 с воздействием на систему отвода дымовь1х газов. В принциге, если камеры между собой имеют хорошее сообщение, то можно обойтись и одним регулятором с выбором одной характерной точки отбора давления. Подвод топливного газа в каждую иэ камер осуществляетсл в зависимости от теппопроизводительности, Последняя может быть определена путем измерения расхода продукта по змеевику датчикам 5, температуры продукта на входе в печь датчиком 6 и выходе из печи датчиком 7. Задание в элемент 8 сравнения может поступать, например, в виде требуемой температуры t на выходе сырья из печи. Регулятор 9 через исполнительный механизм 10 устанавливает необходимую величину подачи газа в камеру.

Подача воздуха в камеры осуществляется иэ общего воздуховода в зависимости от измеренных расходов газа с помощью датчика 11 и:воздуха с помощью датчика 12.

Сигналы с последних поступают в элементы

13 сравнения и через регуляторы 14 воздействуют на исполнительные механизмы 15 подачи воздуха по камерам. Давление воздуха в общей магистрали поддерживается на требуемом уровне системой, состоящей из датчика 16 давления, элемента 17 сравнения, регулятора 18 и исполнительного механизма 19 с воздействием, как правило, на . направляющий аппарат воздуходувок. Система коррекции подачи воздуха по способу включает датчик 20 содержания кислорода в дымовых газах, датчик 2.1 содержания водорода {продуктов недожега) в дымовых газах. Сигналы с последних подаются на вход логического блока 22, на него и подается установочное значение коэффициента А .

Выходы логического блока 22 соединены с входами звеньев 17 и 13 и через них периодически управляют работой регуляторов подачи воздуха, как общей так и по камерам.

Система реализует способ следующим образом. На основе измеренных значений датчиком 20 и 21 кислорода и водорода (продуктов недожега) в логическом блоке формируетсв по уравнению (1) функция цели R. 8 памяти блока хранится некоторое начальное значение функции цели R . Подключаясь периодически к элементам 13 и 17,. логический блок может варьировать в некоторых пределах расходом воздуха по камерам и общим расходом, В этом режиме варьирования происходит сравнение текущего значения функции R с записанным в памяти f4. Если в последующем значение функции R стало меньше, формируется шаг изменения (шаг коррекции) подачи воздуха и текущее значение функции и записывается в памяти вместо R». После достижения минимума с помощью воздействия, например, на элементы 13 сравнения система подключается к другому элементу 13 управляющей подачей воздуха в другую камеру.

Если после воздействия на вторую камеру достигнут еще более глубокий минимум, логический блок подключается к элементу 17 и так периодически управляет подачей воздуха как по камерам, так и общей. Минимизация функции может быть зафиксирована последовательным реверсированием воздействий на элементы 13 и 17.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа по сравнению с прототипом обеспечивается не только поддер10

2003928

Формула изобретения 15 ограничениях минимизируют значение . СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТРУБЧАТОЙ функции R ЛО2+ Н2„где Oz, Н2 - значеПЕЧЬЯ путем регулирования поограниче- ния измеренных концентраций кислорода виям производительности, разрежения, и водорода е продуктах сгорания, А - козф.содержания кислорода в продуктах сгора-20 фициент; равный 0,076 - 0,106, если значения, распределения воздуха по камерам и ния О, Н2 измерены в мас.$, и равный расхода общего воздуха, отличающМся, 0;0108 - 0,0132, если значения Оъ Н2 изметем, что, с целью повышенияточности.до-:рены в об.g, последовательно изменяя, полнительно измеряют содержание водо- расход общего воздуха и его распределерода в продуктах сгорания и в эаданных25 ниепо камерам.

Составитель Н, Подборнов

Редактор Т, Лошкарева Техред M.Moðãeíòàë Корректор М, Самборская

Заказ 3321

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 жанием параметров процесса в заданных ограничениях, но и поиском оптимального режима минимизации непрореагировав. ших продуктов. В результате экономятся топливно-энергетические ресурсы за счет минимизации кислородной составляющей. Присутствие водородной составляющей подавляет процесс окисления азота, и, таким образом, достигается экологиче.ская целесообразность внедрения способа и его преимуществ по сравнению с прототипом. (56) Авторское свидетельство СССР

М 1038726, кл. F 23 N 3/00, 1983.

"Нефть, газ и нефтехимия за рубех ом, М 3. Переводное издание журналов США, 5 1987, с..124.

Авторское свидетельство СССР

М 1312326, кл. F 23 N 3/00, 1981.

Авторское свидетельство СССР

hh 939870, кл, F 23 N 3/00, 1982.

10 . "Нефть, гази нефтехимия за рубежом" °

М 3. Переводное издание журналов США, :1987. с. 103-104.