На объектах распределенной энергетики все чаще возникает задача одновременно вырабатывать электроэнергию и обеспечивать технологический пар. Если на площадке уже работает газопоршневая установка, значительная часть энергии неизбежно уходит с выхлопными газами. Один из наиболее рациональных способов вернуть это тепло в полезный баланс — использовать паровой комбинированный котел, в котором в одном корпусе объединены газогорелочная часть и встроенная секция утилизации выхлопа ГПУ.
Такой подход позволяет не только снизить расход топлива на парообразование, но и упростить компоновку энергокомплекса по сравнению со схемой, где отдельно устанавливаются паровой котел и отдельный котел-утилизатор. Однако за конструктивной компактностью стоит более сложная инженерная задача: необходимо правильно согласовать тепловые режимы, автоматику, газоходы, надежность работы и требования по безопасности.
Автоматизация и управление
Автоматика в такой системе выполняет не вспомогательную, а ключевую функцию. Именно она делает комбинированный котел предсказуемым и безопасным в эксплуатации.
Гибридные паровые котлы
САУ для комбинировнных котлов
При проектировании и эксплуатации установок для утилизации ГПУ и микротурбин исключительно важным является обеспечение надежного контроля за ходом технологического процесса и его автоматизации.
Котел комплектуется системой автоматической управления, безопасности и сигнализацией.
САУ котла использует контроллеры фирмы Uitronics серии Vision или Unistream, в зависимости от сложности проекта и поставленных задач.
Основные задачи управления:
- поддержание давления пара в заданном диапазоне;
- регулирование мощности горелки в зависимости от вклада утилизационной секции;
- контроль температуры и расхода выхлопных газов;
- защита ГПУ от недопустимого противодавления;
- управление заслонками, байпасами и последовательностью переключений;
- контроль уровня воды и работы питательной системы.
Обычно применяются датчики давления пара, температуры газа на входе и выходе утилизационной секции, разрежения или давления в газоходах, уровня воды, расхода топлива и, при необходимости, параметров питательной воды.
Режимы работы комбинированных паровых котлов
Безопасный запуск и останов должны быть согласованы между двумя системами. Например, при аварийной остановке ГПУ требуется корректно перевести котел на режим работы от горелки или безопасно снизить нагрузку. При запуске ГПУ важно не допустить термического удара по утилизационной секции и резкого изменения режима парообразования.
- Паровой котел с горелкой, без использования тепловой энергии выхлопных газов ГПУ/Микротурбин
- Паровой котел с горелкой с использованием тепловой энергии выхлопных газов ГПУ/Микротурбин
- Паровой котел без горелки с использованием тепловой энергии выхлопных газов ГПУ/Микротурбни.
Выбор режима определяется и устанавливается оперативным персоналом энергоцентра.
РЕЖИМ №1
РЕЖИМ №2
РЕЖИМ №3
ПАРОВОЙ КОТЕЛ — УТИЛИЗАТОР (БЕЗ ГОРЕЛКИ)
ПАРОВОЙ КОТЕЛ — УТИЛИЗАТОР С ГОРЕЛКОЙ
ПАРОВОЙ КОТЕЛ С ГОРЕЛКОЙ
Паровой котел при данном режиме выполняет стандартные функции, присуще паровых котлам-утилизаторам.
Регулирование давление пара выполняется за счет изменения количества выхлопных газов на входе в котел. Контроллер котла управляет клапаном по ПИД закону.
Работа горелки заблокирована.
При выборе данного режима устанавливается приоритет подачи в котел выхлопных газов после ГПУ над работой встроенной горелки, что позволяет максимально использовать энергию выхлопных газов.
Для данного режима используется каскадный принцип управления.
Использование выхлопных газов является приоритетным для выработки пара.
Регулирование расхода выхлопных газов для поддержания заданного давления используется только при отключенной горелке, когда потребность в паре меньше или равна производительности утилизационной части котла. При большей потребности подключается горелка, при этом дымовой клапан открыт.
Включение и отключение горелки происходить автоматически под управлением САУ котла
При выборе данного режима паровой котел ТНS-KOMBI работает как стандартный паровой котел.
Вход в котел выхлопных газов после ГПУ/Микротурбин закрыт, байпасная линия помимо котла открыта. Горелка работает в автоматическом режиме, поддерживая необходимое давление пара на выходе.
Основные функции САУ комбинированного парового котла
РЕГУЛИРОВАНИЕ ДАВЛЕНИЯ ПАРА НА ВЫХОДЕ КОТЛА ДЫМОВЫМ КЛАПАНОМ
Регулирование давления пара происходит за счет плавного изменения подачи выхлопных газов и/или топлива горелочным устройством.
УПРАВЛЕНИЕ ГОРЕЛКОЙ
Модулируемое управление горелкой обеспечивается встроенным ПИД-регулятором контроллера. В качестве переменной используется давление пара котла.
РЕГУЛИРОВАНИЕ УРОВНЯ ВОДЫ В КОТЛЕ
В зависимости от комплектации парового котла управление уровнем воды может осуществляться двумя способами: двухпозиционное управление или модулируемое.
УПРАВЛЕНИЕ ПИТАТЕЛЬНЫМИ НАСОСАМИ
В стандартную поставку входят два питательных насоса, рабочий и резервный. При аварийном отключении одного из насосов, автоматически вводиться в работу резервный.
АЛГОРИТМ ПУСКА ИЗ ХОЛОДНОГО СОСТОЯНИЯ
Для исключения повышенных механических нагрузок при запуске из холодного состояния, что проявляется в значительном возрастании нагрузок на соединительные и фиксирующие элементы между жаровой трубой, обшивкой котла и дымогарных труб, САУ котла обеспечивает режим прогрева котла и скорость увеличения параметров по заданному алгоритму.
УПРАВЛЕНИЕ ГЛ. ПАРОВЫМ ВЕНТИЛЕМ
Для работы в автоматическом режиме котел оснащается главным паровым вентилем, Открытие ГПЗ осуществляется по алгоритму, обеспечивающий плавный прогрев паропровода.
КОНТРОЛЬ ПРОВОДИМОСТИ ВОДЫ В КОТЛЕ
САУ парового котла постоянно измеряет и контролирует проводимость котловой воды, и при критическом уровне передают управляющий сигнал на открытие клапана верхней продувки.
УПРАВЛЕНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ПРОДУВКОЙ
Для удаления из нижней части котла шлама, запорный клапан нижней продувки отрывается через регулируемый период открытия и регулируемое время паузы.
УЧЕТ НАРАБОТКИ ОБОРУДОВАНИЯ
САУ парового котла ведет учет времени работы основного оборудования (горелка, питательные насосы) в часах и минутах с момента включения питания до момента его выключения.
ЖУРНАЛ ТЕКУЩИХ АВАРИЙ
Система управления котлом имеет журнал аварий, который состоит из двух разделов: журнал текущих аварий и журнала историй аварий, с возможностью записи журнала аварий на SD-карту
ТРЕНДЫ и ОТЧЕТЫ
Пользователю предоставляется возможность графического отображения значений измеряемых и вычисляемых параметров парового котла.
УДАЛЕННАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ
В поставку САУ входит софт, позволяющий на удаленном рабочем месте отображать текущий экран контроллера, а также удаленно управлять настройками.
Выводы
Автоматизация комбинированного котла — это центральный элемент всей технологии, а не второстепенная надстройка. Именно она позволяет превратить два разных источника тепла — регулируемую газовую горелку и переменный по режиму выхлоп ГПУ — в единую устойчивую систему пароснабжения.
Грамотно построенная автоматика должна:
- стабильно держать давление пара;
- безопасно управлять горелкой;
- учитывать вклад утилизационной секции;
- защищать ГПУ от недопустимого противодавления;
- обеспечивать корректные пуски, остановы и переходные режимы;
- давать оператору понятную картину состояния системы.
Если коротко, то в комбинированном котле автоматика решает три главные задачи: устойчивость, безопасность и экономичность. И чем сильнее переменные режимы ГПУ и паропотребления, тем выше требования к качеству алгоритмов управления.