Cazane industriale de abur alimentate cu carbune - principiul reglarii automate a presiunii pentru asigurarea stabilitatii la reglarea generarii in functie de modificarea cerintelor

Cazane industriale de abur alimentate cu carbune - principiul reglarii automate a presiunii pentru asigurarea stabilitatii la reglarea generarii in functie de modificarea cerintelor

Este prezentat un principiu general care asigura stabilitatea cazanelor industriale cu abur alimentate cu carbune controlate automat la reglarea generarii in functie de modificarea cerintelor ("loaad following"). Pentru a demonstra generalitatea principiului, acesta este aplicat intr-o simulare care implica doua tipuri foarte diferite de dispozitive: unul care contine "fluidised bed combustor"(FBC =tehnologie care foloseste deseuri si combustibili de proasta calitate in combinatie cu carbune ; datorita acestui amestec, carbunele poate arde mai eficient) si altul care contine o masina cu grilaj cu zale ("chain grate stoker") . Graficele rezultate in urma simularilor demonstreaza calitatea controlarii stabilitatii. Ecuatiile detaliate din anexa sunt convenabil exprimate ca incremente finite pentru programarea directa, de exemplu un controler de proces. Mai mult, felul in care aceste ecuatii constituie un controler general sugereaza folosirea lor atat in simulari cat si pentru verificari ale ambelor dispozitive. Acelasi principiu poate fi extins in cazul oricarui dispozitiv cu aleasi gen de aplicabilitate.

1. Lista simbolurilor

a    debitul de aer de alimentare [kg/h]

B    masa rezidenta de carbon [kg]

C    capacitatea de incrementare a tamburului de abur [kg/bar]

"fluidised bed combustor"(FBC =tehnologie care foloseste deseuri si combustibili de proasta calitate in combinatie cu carbune ; datorita acestui amestec, carbunele poate arde mai eficient) si alta care contine "chain grate stoker (masina cu grilaj cu zale)"

Tiparul arderii carbunelui intr-o aplicatie are un rol important asupra stoichiometriei rezervei de aer (cu ajutorul stoichiometriei se pot calcula masele, molii, procentele intr-o ecuatie chimica). Calitatea comerciala a carbunelui permite devolatilizarea destul de rapida, iar volatilii eliberati care constituie 2-3% din totalul gazelor de ardere, trec, fara sa arda, de zona de ardere primara si ard foarte rapid intr-o a doua zona de combustie. O parte a oxigenului din aerul de aprovizionare trebuie intai sa arda impreuna cu carbonul fixat in zona primara de combustie si sa incalzeasca gazul la cel putin 850 K pentru arderea urmatoare a volatililor. Pentru a asigura suficient oxigen (~10%) in gazul pentru arderea volatililor care trec de zona secundara este folosit aproape 20-30% de aer de exces stoichiometric, iar aceasta valoare trebuie mentinuta constanta pe parcurs pentru a pastra calitatea arderii.

Acum, arderea de carbon fixat este un fenomen de suprafata, iar masa existenta in acest proces permite zonei de suprafata preluarea unei parti din oxigenul din aerul de aprovizionare. Se va nota ca partile componente ale constantei k (kg/h pe m de suprafata de carbon), cea de combustie (k) si cea de frecare (k) sunt independente de marimea particulelor. Modificarea cantitatilor de caldura eliberate din arderea carbonului fixat poate fi facuta numai la valoarea s, valoare la care suprafata totala a masei B a carbonului fixat existent (avand o suprafata specifica s) se poate modifica. Aceasta depinde de discrepanta dintre rata sc m la care suprafata de carbon fixat este adaugata de carbunele de alimentare (de cantitate m, proportie de carbon fixat c si marimea suprafetei specifice s) si rata de schimbare k sB a zonei de suprafata a carbonului rezident fixat B datorat arderii. Ecuatia instantanee a suprafetei variabile de carbon este:

s= sc m - k sB (1)

Solutia pentru B, masa rezidenta de carbon fixat, este:

B=[( s/ s)cm/k] [1-exp (-kt)] (2)

Fig.2 Raspunsurile ideale ale cazanului la un salt al cererii de abur

Tabelul 1. Datele folosite pentru estimari

Analiza carbunelui si constante

volatili v=0.28, carbon fixat c=0.45, umiditate w=0.07,

cenusa=0.20, "feed fines" f=0.05, densitatea =2000 kg/m,

valoarea calorifica C=7.8 KW pe kg/h de carbune ars,
ratia de carbune/aer r =12, sp ht de gaz s=2.78x10 KW pe kg/h pe K

Aburul

caldura latenta de vaporizare H=0.57 KW pe kg/h de abur,

caractersitica de saturatie a aburului =5.5 K pe bar ,

entalpia e=1 KW pe kg/h abur

FBC (pe m de strat)

alimentarea cu carbune min m=90 kg/h , medie m=141 kg/h, max m=220 kg/h ,

masa rezidenta min B=8.2 kg, medie B=12.8 kg, max B=20 kg ,

temperatura ambianta T=290 K , a gazului T =600 K , a stratului T =1100 K ,

ratia stratului de alimentare a suprafetei specifice a cantitatii minime de carbune s/s=2 ,

caracteristica cazanului =6.2 kg/h abur pe kg/h carbune alimentare ,

rezistenta de incrementare a valorii medii a incarcarii R=0.002 bar pe kg/h abur ,

capacitatea de incrementare a tamburului de abur C=17.1 kg/bar ,

apa din tambur W=1500 kg , volumul de abur din tambur V =0.4 m,

constanta medie de timp de modificare a procesului T=2.05 min ,

timpul de incrementare =0.5 min

Angrenajul (~ 7 MW)

alimentarea cu carbune min m=270 kg/h , medie m=661 kg/h , max m=1620 kg/h ,

viteza grilajului min u=60 mm/min , medie u =104 mm/min , max u=180 mm/min ,

adancimea carbunelui min h=75 mm , medie h=106 mm , max h=150 mm ,

grosimea grilajului z=1000 mm, lungimea grilajului L=3000 mm ,

rata specifica de almentare m=0.06 kg/h , rata de modificare a procesului de la u la h =1.226,

caracteristica cazanului =4.54 kg/h abur pe kg/h carbune alimentare,

rezistenta de incrementare a valorii medii a incarcarii R=0.0005 bar pe kg/h abur,

capacitatea de incrementare a tamburului de abur C=113 kg/bar ,

apa din tambur W=10 000 kg , volumul de abur din tambur V=1 m,

constanta medie de timp de modificare a procesului T=3.4 min ,

timpul de incrementare =1 min

4.Estimari

Stabilitatea rezulta din aprovizionarea pe o perioada limitata de timp a unei presiuni de compensare proportionala cu diferenta dintre aburul rezultat in urma arderii instantanee si potentialul de abur estimat in urma alimentarii automate si controlate cu carbune a aplicatiilor. De altfel, acest artificiu compenseaza efectul arderii lente a componentei de carbon fixat a carbunelui, nu exista nici un dezavantaj in alegerea carbunelui.

Efectul cresterii valorii rezistentei de incrementare R a incarcarii de    abur la capatul de jos al raportului dintre minimul si maximul conditiilor de curgere este urmata de cresterea valorii constantei de timp T a circuitului de abur, astfel crescand si timpul necesar combaterii erorii de presiune, dupa cum arata si graficele 3a si 4a. Inversul acestui rationament este adevarat la capatul de sus al raportului dintre minimul si maximul conditiilor de curgere.

Simularile au decurs bine in ciuda folosirii de valori ridicate ale timpului de incrementare relativ la T, constanta de timp a circuitului de abur pentru raportul mediu dintre minimul si maximul conditiilor de curgere. Aceast lucru confera un timp suficient de mare pentru a include in programul controlerului de proces diferite functii pentru reglari statutare pentru cazanele industriale.

=0.5 min T/ =4.1

=1 min T/ =3.4

Estimarile indica faptul ca sistemul de reglare al unui cazan cu strat fluidizat industrial este posibil sa aiba o banda de trecere de aproximativ 1.5 cicluri/h si ca va avea o rata de schimbare a cererii de abur de, sa zicem, 40 kg/h pe min pe m a stratului pe intreaga zona admisibila a raportului dintre minimul si maximul conditiilor de curgere cu o eroare de presiune constanta sub 120 de milibari.

Estimarile pentru sistemul de reglare al angrenajului considerat indica o posibila banda de trecere de 1 ciclu in 2 h, cu capacitatea de a avea o rata de schimbare a cererii de abur de, sa zicem, 40 kg/h pe min asupra intregii zone admisibile a raportului dintre minimul si maximul conditiilor de curgere cu o eroare de presiune constanta care nu depaseste aproximativ 220 de milibari.

Fig 3. Raspunsurile la simularea controlului reglarii generarii in functie de modificarea cererii

pentru un FBC

Fig 4. Raspunsurile la simularea controlului reglarii generarii in functie de modificarea cererii

pentru o masina cu grilaj cu zale

Anexa

1. Variabilele de sistem ale curgerii aburului, presiunii si alimentarii cu carbune

( S / S (1.1)

= 60RC / (1.2)

/T (1.5)

Folosirea eficienta a energiei, Butterworths, 1982

2. BAKER P C si LOVERIDGE D J. Raspunsul dinamic al unei masini alimentate cu carbune

3. KOSLOV G I. Oxidarea metanului la temperaturi ridicate , Butterworths, 1959, pp 142-149

4. HARRIOTT P. Controlul proceselor. McGraw Hill, 1964