Т7 Энергосбережение

				minот
Wэр					mахдг
		Wэ
	–
								–
minэ	bэ				+, –	В			ВФ	minФ
			+
				Dпт		дг			дг
			+		+
Qтр
					+		–
	– Qт									minпг
				+	Dпп	Впг
minт
	bт						–
D			+	Uп		η	т
пр

–Dп

minп	b	п	+, –	mахη

Dб Вп DАК DСв

ЭМп

– знак равенства значений стрелок справа и слева

Рис. 7.8. Диаграмма связи задач повышения эффективности энергетического комплекса

Объем потребляемого природного газа Впг непосредственно

определяется общим объемом выработки котлами ЦЭС перегретого пара Dпп, объемом потребляемого доменного газа Вдг и КПД котлов ηт. Рост

потребления доменного газа снижает потребление природного газа (–):

отсюда следует задача максимального потребления доменного газа (mахдг).

Рост общего объема выработки перегретого пара приводит к росту

453

потребления природного газа (+): отсюда следует задача снижения объема выработки перегретого пара. Однако эта задача не является в рассматриваемой схеме задач конечной и выступает в роли промежуточной цели. Повышение КПД котлов приводит к снижению объема потребления природного газа: отсюда следует задача повышения КПД котлов (mахη). В целом объем потребляемого природного газа Впг

является следствием действия всех указанных выше факторов Вдг, Dпп, ηт. С другой стороны, величина Впг является следствием решения общей

обратной задачи (minпг). Эта двойственность отмечена на диаграмме (рис. 7.8) условным символом равенства.

На объем потребляемого доменного газа Вдг прежде всего влияет выработка перегретого пара Dпп. Однако, в соответствии с диаграммой

(рис. 7.8) эта зависимость имеет в общем случае экстремальный характер и в зависимости от нагрузки котлов может характеризоваться как ростом (+), так и снижением (–) потребления доменного газа. Потери на свече

доменного газа ВдгФ носят отрицательный характер (–) и обуславливают

задачу снижения потерь на свече (minФ). Эта задача тесно связана с задачей максимизации потребления доменного газа (mахдг).

Общий объем выработки перегретого пара Dпп складывается из объема пара, потребляемого турбогенераторами Dпт (+), и объема пара Uп

(+), отбираемого для регулирования общей подачи пара на технологические нужды Dп. Здесь определяется локальная задача –

снижение пара, потребляемого турбогенераторами Dпт (minот). Данная

задача тесно связана с задачами обеспечения расчетных объемов выработки электрической Wэр и тепловой энергии Qтр. На расчетные

объемы выработки электрической Wэр и тепловой энергии Qтр , пара Dпр

оказывают существенное влияние задачи minэ, minт, minп снижения энергоемкостей bэ , bт, bп потребителей электрической и тепловой энергии,

а также пара соответственно.

Общий объем пара на технологию Dп определяется базовым источником пара в объеме Dб . С целью энергосбережения в паровую сеть дополнительно подается пар вторичных источников Вп . Параметры пара

вторичных источников являются нестабильными в широких пределах. Также в широких пределах изменяются параметры потребления пара. Это обусловлено ярко выраженной динамикой технологических процессов металлургического производства. С целью стабилизации параметров паровой сети здесь используются паровые аккумуляторы АК, дающие стабилизирующий поток пара DАК. Для сброса избыточного пара DСв в

454

атмосферу используются свечи. Регулирующий поток пара Uп

обеспечивает ЦЭС. Все указанные задачи тесно связаны между собой и образуют единую систему энергетического менеджмента паровой сети

ЭМп.

В совокупности все рассмотренные задачи обеспечивают интегрированное планирование и управление ресурсами энергетического комплекса (рис. 7.6) с целью повышения его эффективности. Интегрально эффективность выражается в снижении объемов потребления топливных газов, в особенности – природного газа. Структура связей «потоков» сбереженных ресурсов представлена на рис. 7.8. Системный характер связей указанных «потоков» сбереженных ресурсов является необходимым условием достижения интегрального эффекта энергосбережения в рассматриваемом энергетическом комплексе.

__________________________________

20. Снижение потребления топливных газов, в особенности – природного газа, на котлах станции-регулятора является терминальной задачей в общей схеме повышения эффективности энергетического комплекса, рассмотренного выше. Так, основная идея снижения потребления природного газа здесь состоит в следующем.

Объем потребления природного газа существенно зависит от нагрузки котла, КПД и объема потребляемого вторичного энергетического ресурса, в данном случае – доменного газа. Увеличение объема потребляемого доменного газа ограничивают его низкие топливные характеристики и аэродинамические характеристики котла. Вследствие переменного давления и низкой калорийности доменного газа его сжигание происходит при повышенном объеме подачи воздуха, который носит переменный характер. В этих условиях снижается КПД котла. Если организовать экстремальное регулирование подачи воздуха по критерию максимума КПД, то объем подачи воздуха будет снижен до оптимальной величины. В результате аэродинамический объем котла увеличится, что позволит увеличить объем сжигаемого доменного газа и снизить потребление природного газа. Что касается снижения нагрузки котла, это достигается за счет энергосберегающих мероприятий на стороне потребителей. Как следует из энергетической характеристики котла, представленной ранее на рис. 7.7, снижение нагрузки котла приводит к относительному росту потребления доменного газа и снижению потребления природного газа.

Рассмотрим основные соотношения, которые используются при оперативной оценке КПД котла для решения задачи экстремального управления.

455

Режимы горения в топках котлов характеризуются ярко выраженной экстремальной характеристикой, как по подаче воздуха, так и по его нагрузке. Примерный вид экстремальной характеристики по подаче воздуха приведен на рис. 7.9. Здесь бр - КПД брутто котла, в -

коэффициент избытка воздуха.

бр

в

opt

Рис. 7.9. Зависимость КПД котла от коэффициента избытка воздуха.

	Влияние режимных факторов будем оценивать на основе
соотношения
	бр (t)		бр		Qвх (t )	бр	Pв (t ) ,	(2.1)
			Qвх	(t )		Pв (t )
где	Qвх (t )	– отклонение входного теплового потока от среднего
значения; Pв (t )		– отклонение давления воздуха от среднего значения,
– запаздывание, отражающее динамику процессов в котле.
	Отметим, что соотношение (2.1) определяет текущую оценку
отклонений КПД. При этом запаздывание имеет переменное текущее
значение, которое определяется из условия
				max Mt { Qвых (t) Qвх (t )},
				{ }

где Mt {} – оператор текущего усреднения процесса. Данное

представление учитывает тот факт, что запаздывание в рассматриваемой системе зависит от текущей нагрузки и других факторов.

	Соотношение (2.1) можно записать в общем виде
		y a1x1 a2 x2 ,					(2.2)
где a1	–коэффициент влияния отклонений подачи топлива на КПД
	a1	a1 (t)		бр			,
			Qвх (t		)
a2	–коэффициент влияния отклонений подачи воздуха на КПД
	a2	a2 (t)		бр			,
				Pв (t )
		456

x1, x2 – отклонения входных сигналов по теплу и давлению воздуха

от средних значений

x1 Qвх (t ) , x2 Pв (t ) ,

y - отклонение текущего значения КПД

y бр (t) .

Определение текущих значений коэффициентов влияния в соответствии с соотношением (2.1) находится методом наименьших квадратов на основе решения на каждый момент времени системы линейных алгебраических уравнений

					c a c	a		d	,
					11 1 12		2	1	,	(2.3)
					c21a1 c22a2 d2
где
c11 c11 (t) Mt x12 (t) ,						c12 c21 c12 (t) Mt x1 (t)x2 (t) ,
c22 c22 (t) Mt x22 (t) ,						d1 d1 (t) Mt y(t)x1 (t) ,
d	2	d	2	(t) M	y(t)x (t) ,	– параметр регуляризации.
				t	2

На основе полученного решения далее определяются текущие нормированные значения коэффициентов влияния, которые служат индикаторами оптимальности процесса горения в топке котла:

– текущий нормированный коэффициент влияния отклонения подачи топлива на КПД котла

Rт (t) a1

(t)

Q

(t)

вх

,

(2.4)

т

(t)

– текущий нормированный коэффициент влияния отклонения подачи

воздуха на КПД котла

Rв (t) a2 (t)

Р

(t)

в

,

(2.5)

т

(t)

где Qвх (t) ,

Рв (t) ,

т (t)

– текущие средние квадратические

отклонения, определяемые по соотношениям

Qвх

(t) M

t

Q (t 2

,

Рв

(t) M

t

Р (t 2

,

вх

в

(t)

M

(t)

2 .

t

т

т

Здесь Mt {}– текущее усреднение по времени переменной величины.

Коэффициенты, рассчитанные по формулам (2.4), (2.5) определяют наличие связи между изменением входного параметра (отклонения от

457

среднего значения входного теплового потока котла, вносимого топливными газами, или давления воздуха) и изменением выходного параметра (отклонения КПД от среднего значения). Нормированные коэффициенты влияния могут принимать значения:

положительные – что свидетельствует о наличии прямой связи между изменением входного параметра и изменением выходного параметра, т.е. изменение входного параметра (например, входного теплового потока) в сторону увеличения приводит к увеличению выходного параметра (КПД котла);

отрицательные – наличие обратной связи между изменением входного параметра и изменением выходного параметра, т.е. изменение входного параметра (например, входного теплового потока) в сторону увеличения приводит к уменьшению выходного параметра (КПД котла).

Градация по величине от «-1» до «1» показывает, насколько сильной является связь между изменением входного параметра и изменением выходного параметра. Так, если коэффициент равен «0», то связь отсутствует, если равен «1» – полная прямая связь, «-1» – полная обратная связь.

Так как процессы являются случайными, то связь может принимать дробные значения. Например, связь 0,3 означает, что примерно в 30 % случаев наблюдалась положительная связь, в остальных случаях связи не наблюдалось.

Сказанное выше иллюстрируется следующими графиками,

приведенными на рис. 7.10, 7.11. Здесь η – КПД котла; Qвх – тепло, вносимое в топку котла с топливными газами; RТ – коэффициент влияния отклонения подачи топлива на КПД котла; РВ – давление воздуха; RВ – коэффициент влияния отклонения подачи воздуха на КПД котла; – направление движения к оптимальному режиму.

Величины коэффициентов, показывающих влияние отклонений подачи топлива и воздуха на КПД котла, служат критериями

оптимальности процессов горения в топке котла. Например, если RТ > 0,1, то нагрузка котла является недостаточной. В этом случае оператор котла

должен добавить расход топливных газов на котел. Если RТ < -0,1, то нагрузка котла является повышенной. В этом случае оператор котла

должен убавить расход топливных газов на котел. Если -0,1 < RТ < 0,1, то нагрузка котла является близкой к оптимальной. В этом случае оператор не должен изменять расход топливных газов.

458

RT 0	RT 0	RT 0
Недостаточная		Повышенная
нагрузка котла		нагрузка котла
	Оптимальный режим
		Qвх

Рис. 7.10. Экстремальная характеристика котла по нагрузке

R B 0	R B 0	R B 0
Недостаточно		Избыток
воздуха		воздуха
	Оптимальный режим

РВ

Рис. 7.11. Экстремальная характеристика котла по воздуху

Если RВ > 0,075, то в топке наблюдается недостаток подачи воздуха для данной нагрузки. В этом случае оператор котла должен добавить расход воздуха на котел. Если RВ < -0,075, то в топке наблюдается избыток подачи воздуха для данной нагрузки. В этом случае оператор котла должен убавить расход воздуха на котел. Если -0,075 < RВ < 0,075, то уровень подачи воздуха для данной нагрузки близок к оптимальному. В этом случае оператор не должен изменять расход воздуха.

__________________________________________

459

Рассмотрим вопрос снижения объема потребления покупных энергетических ресурсов (в данном случае природного газа) за счет использования вторичных энергетических ресурсов. Для определенности будем полагать, что в качестве вторичного энергетического ресурса используется доменный газ, калорийность которого примерно в 10 раз ниже калорийности природного газа. В этом случае ограничивающим условием для увеличения подачи доменного газа в котельную установку является разрежение в топке Sт , которое не должно выходить за рамки

технологических допусков Sтmin , Sтmax .

Структурная схема автоматической системы экстремального регулирования разрежения в топке приведена на рис. 7.12.

хmaxДС

u ДС

хДС

RДС

ВДC

Sтmin,р

еДГ

ЭК

Sт

u ДГ

хДГ

RДГ

ШДГ

Рис. 7.12. Автоматическая система экстремального регулирования разряжения в топке котла.

Приведенная система состоит из двух каналов управления: ручного управления производительностью дымососа ВДC и контура регулирования подачи доменного газа с использованием шибера доменного газа ШДГ.

Контур регулирования подачи доменного газа осуществляет стабилизацию подачи газа на максимально возможном уровне. При этом разрежение в топке котла падает вследствие низкой калорийности доменного газа. Поэтому задающим воздействием для данного контура

является минимальный расчетный уровень Sтmin,р , обеспечивающий

выполнение ограничения снизу Sтmin на допустимые значения колебаний разрежения Sт .

Производительность дымососа непосредственно влияет на разрежение в топке. С целью увеличения подачи доменного газа вентилятор дымососа должен развивать максимальную производительность, допустимую по технологическому ограничению

разрежения в топке Sтmax .

______________________________________

460

Целевое назначение энергетического котла - снабжать потребителей тепловой энергией, заключенной в теплоносителе определенных параметров. В рассматриваемом случае для конкретности будем полагать, что целевым назначением котла является снабжение потребителей паром

определенной температуры tПо ,0 и давления РМ ,0 . В этом случае система

автоматического регулирования указанных параметров будет иметь структуру, представленную на рис. 7.13.

РМ ,0

е

Р

uПГ

х

ПГ

DП

RПГ

VПГ

е

uВП

хВП

ЭК

tПо

о

о

tП ,0

t

RВП

УВП

	РМ
		потребителям
Магистраль
		к

Рис. 7.13. Система автоматического регулирования выходных параметров котла.

Здесь поток пара DП температуры tПо поступает в паровую

магистраль, из которой уже потоки пара отбираются потребителями. Давление в магистрали РМ является одним из базовых режимных

параметров магистрали, обеспечивающих снабжение паром потребителей. Для поддержания заданного уровня давления в магистрали РМ ,0

используется специальный контур регулирования подачи природного газа в топку котла. Увеличение подачи природного газа ведет к повышению выработки пара DП и, соответственно, к повышению давления в

магистрали. В качестве исполнительного механизма здесь используется регулируемый вентиль природного газа VПГ. Второй контур регулирования

осуществляет стабилизацию температуры пара на выходе котла tПо на заданном уровне tПо ,0 . В качестве исполнительного механизма здесь

используется устройство впрыска конденсата воды пониженной температуры УВП .

В целом, подводя итог рассмотрению задачи снижения потребления первичных энергетических ресурсов на основе использования вторичных ресурсов, отметим, что для этой цели в котельных установках, как минимум, необходимо использовать следующие контуры автоматического

461

регулирования - по подаче исходных топливных ресурсов, воздуху, разрежению в топке и выходным режимным параметрам. При этом для оптимизации режимов необходимо использовать системы экстремального регулирования по подаче воздуха и разрежению в топке.

_________________________________________

30. Рассмотрим задачу оптимизации режимов теплоэнергетических станций, в которых с целью повышения эффективности использования топлива утилизируются вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) металлургического производства. В качестве ВЭР могут выступать доменный газ, коксовый газ и другие виды ресурсов.

На рис. 7.14 приведена типовая структура теплоэнергетической станции, состоящей из блока параллельно работающих энергетических котлов, вырабатывающих пар на общий паровой коллектор, к которому подключены потребители пара - турбогенераторы.

Здесь ЭКi - энергетические котлы, ТГi - турбогенераторы, ПК - паровой коллектор. На энергетические котлы ЭКi подается природный

ВПГ ,i и доменный

ВДГ ,i газы. На выходе котлов вырабатывается

перегретый пар DПП ,i

, который собирается в паровом

коллекторе ПК .

Турбогенераторы ТГ

i

потребляют из коллектора перегретый пар

DТГ

и

ПП ,i

вырабатывают электрическую WTГ ,i

и тепловую QTГ ,i энергию.

ПК

В

ДГ ,1

D

DППТГ ,1

W

ЭК1

ПП ,1

ТГ1

TГ ,1

ВПГ ,1

QTГ ,1

D

DППТГ ,2

В

ДГ ,2

W

ЭК2

ПП ,2

ТГ2

TГ ,2

ВПГ ,2

QTГ ,2

. . . . . .

. . . . . .

В

ДГ ,n

D

DППТГ ,m

W

ЭКn

ПП ,n

ТГm

TГ ,m

ВПГ ,n

QTГ ,m

Рис. 7.14. Схема теплоэнергетической станции

Структура (рис. 7.14) представляет собой теплоэнергетическую станцию (ТЭС) с поперечными связями по пару.

Общая задача повышения энергетической эффективности рассматриваемой ТЭС может быть выполнена на основе решения следующих частных задач:

462