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Das Automatisierungssystem für Kessel mit zyklischer Fluidisierungsfeuerung umfasst sieben Kontrollaspekte: Regulierung des Wasserspiegels im Dampfkessel, Regulierung der Temperatur des Hauptdampfs, Regulierung des Unterdrucks im Feuerraum, Regulierung der Temperatur der Fluidisierungs Schicht, Regulierung der Dicke der Materialschicht, Regulierung des Drucks des Hauptdampfs sowie Regulierung der Zufuhr von Luft. In diesem Beitrag werden anhand von SAMA-Diagrammen und konkreten Beispielen die Methoden zur Konstruktion und Implementierung des Automatisierungssystems für Kessel mit zyklischer Fluidisierungsfeuerung erläutert. Strömungsmessgerät: yunrun.com.cn/product/999.html Bei den 75 t/h großen Kreislauf-Schüttbettöfen eines Unternehmens müssen während des Betriebs die folgenden Parameter im kontrollierten Bereich bleiben: ① Wasserspiegel im Dampfkessel – Stabilitätsabweichung: ±5 mm ② Temperatur des Hauptdampfs – Stabilitätsabweichung: ±5 °C ③ Unterdruck im Ofenraum – Stabilitätsabweichung: ±5 Pa ④ Betttemperatur – Stabilitätsabweichung: ±4 °C ⑤ Differenzdruck in der Schüttschicht – Stabilitätsabweichung: ±0,1 kPa ⑥ Druck des Hauptdampfs – Stabilitätsabweichung: ±0,05 MPa ⑦ Sauerstoffgehalt im Abgas – Stabilitätsabweichung: ±3 %. Es gibt viele Faktoren, die die Stabilität dieser Parameter beeinflussen – und diese Faktoren wirken wiederum gegenseitig aufeinander ein. http://yunrun.com.cn/upload/201804/17/201804171742585498.png Aus Sicht der Regelungstechnik handelt es sich beim zyklischen Fluidisierbett um ein Steuerobjekt mit mehreren miteinander verbundenen Variablen, das nichtlinear, zeitabhängig und von verteilten Parametern geprägt ist. Um eine automatische Regulierung dieser Parameter zu ermöglichen, konnte durch Forschungsarbeiten der Changhui Instrument Manufacturing Co., Ltd. die Steuerung in zwei Hauptbereiche unterteilt werden: 1. Dampf-Wasser-System: Das Dampf-Wasser-System von Fluidisierbettkesseln weist viele Ähnlichkeiten mit denen anderer Kesseltypen auf. Daher können die typischen Steuerungsverfahren für Schichtfeuerungen und Schwebekessel angewandt werden. 2. Verbrennungssystem: Das Verbrennungssystem von Fluidbettkesseln weist eigene Eigenschaften und Vorteile auf. Zudem sind die verschiedenen Parameter miteinander verbunden, wodurch große Verzögerungen entstehen. Auf der Grundlage der Theorie der verschwommenen Regelung kann das System identifiziert werden, anschließend kann ein Regelkonzept entwickelt werden. Entwurf für ein System zur automatischen Steuerung von Kesseln mit zyklischem Fluidisierbett, Leistung 75 t/h: yunrun.com.cn/tech/1924.html Bei der automatischen Steuerung solcher Kessel wird das SAMA-Diagramm verwendet. Dadurch wird es möglich, die Steuerungsprinzipien sowie die konkreten Umsetzungsmethoden leichter zu verstehen. Falls Sie mit der SAMA-Legende nicht vertraut sind, lesen Sie den technischen Artikel auf dieser Website mit dem Titel „Anwendung von SAMA-Diagrammen und -Legenden in der Automatisierungsplanung“. 1. Regelungssystem für den Wasserspiegel im Dampfkessel: Der Wasserspiegel im Dampfkessel ist ein wichtiger Parameter, um einen sicheren Betrieb des Kessels zu gewährleisten. Das Regelungssystem nutzt ein einstufiges, dreiphasiges Regelungssystem mit Temperatur- und Druckkompensation. Die Steuerung des SAMA-Systems ist in Abbildung 1 dargestellt: http://yunrun.com.cn/upload/201804/17/201804171355570318.png. In Abbildung 1 ist das System zur Regulierung des Wasserspiegels im Dampfkessel eines Zirkulationsfluidisierungsöfens dargestellt. Bei der Regulierung der Hauptdampftemperatur wird ein serieller Regelmechanismus verwendet: Die Hauptdampftemperatur dient als Eingangswert für den Hauptregler (einen Einzugsregler). Die Temperatur am Ausgang des Abkühlers wird als Zwischenwert verwendet, um den Sekundärregler zu steuern – dieser wiederum fungiert als Rückkopplungseingang für den Hauptregler. Der Hauptregler wirkt „rückwirkend“, während der Sekundärregler „vorwirkend“ wirkt. Durch Anpassung der Menge des abgekühlten Wassers kann die gewünschte Hauptdampftemperatur erreicht werden. Die Steuerung des SAMA-Diagramms ist in Abbildung 2 zu sehen. http://yunrun.com.cn/upload/201804/17/201804171409313236.png Abbildung 2: Diagramm des Hauptdampftemperaturregelsystems SAMA bei Drehstrom-Fluidisierbettkesseln. Abbildung 3: Regelsystem für den Unterdruck im Kesselraum. Die dynamischen Eigenschaften der zu regelnden Kanäle sind gut. Zur Messung des Drucks im Kesselraum wird ein Transmitter mit einer Genauigkeit von 0,075 % und hoher Stabilität verwendet. Die Steuerung erfolgt über ein Einzugschleifen-Regelsystem. Da jedoch die Aufstiegsgeschwindigkeit des Störkanals recht hoch ist, wird ein kombiniertes Feedforward-Feedback-System mit einem Feedforward-Signal zur Steuerung der Luftmenge verwendet. Um zu verhindern, dass starke Schwankungen des Unterdrucks die Sicherheit gefährden, müssen in der Schleife Begrenzungseinheiten eingebaut werden, um sicherzustellen, dass sich die Lüftungsvorhänge innerhalb eines bestimmten Öffnungsbereichs bewegen. Die Steuerung des SAMA-Diagramms ist in Abbildung 3 zu sehen. http://yunrun.com.cn/upload/201804/17/201804171419068337.png Abbildung 3: Diagramm des Unterdruckregelsystems für den Brennraum von Kessel mit zyklischer Fluidisierbett-Technologie – SAMA. Abbildung 4: Regelsystem für die Betttemperatur. Die Betttemperatur in Kesseln mit zyklischer Fluidisierbett-Technologie ist ein wichtiger Parameter. Eine zu hohe Temperatur kann zum Bilden von Koks führen, während eine zu niedrige Temperatur sowohl die Effizienz der Schwefelentfernung verringert als auch dazu führen kann, dass der Kessel ausfällt. Die wichtigsten Faktoren, die die Betttemperatur beeinflussen, sind: Kohlenqualität, Korngröße der Kohle sowie Dicke der Schicht. Die Dicke der Schicht hängt ebenfalls von der Menge an Kohle, die zugeführt wird, sowie von der Menge an Rückmaterial ab. Doch ihre Auswirkungen auf die Betttemperatur sind entgegengesetzt. Um Fehlfunktionen zu vermeiden, muss der wichtige Parameter des Sauerstoffgehalts im Rauchgas, der diesen Einfluss widerspiegelt, berücksichtigt werden. Die Anforderungen an die Regulierung der Betttemperatur werden durch Anpassung der Menge an zurückgeführtem Material erfüllt – indem man die Drehzahl des Roots-Lüfters oder die Öffnungsgrad der Klappventile für das Zurückführen des Asches einstellt. Die Steuerung des SAMA-Diagramms ist in Abbildung 4 zu sehen. http://yunrun.com.cn/upload/201804/17/201804171442479110.png Abbildung 4: System zur Regulierung der Betttemperatur in Kessel mit zyklischer Fluidisierung, SAMA. Abbildung 5: System zur Regulierung der Schichtdicke. In Kesseln mit zyklischer Fluidisierung gibt es keine eindeutig definierte Schichtdicke – dennoch gibt es eine Dichtezone und eine Dünndichtezone. Die Schichtdicke bezeichnet dabei die Dicke der Schicht im Zustand der Ruhe in der Dichtezone. Die Dicke der Schicht beeinflusst nicht nur die Betriebstemperatur des Ofens, sondern hat auch einen erheblichen Einfluss auf den wirtschaftlichen Betrieb des Kessels. Durch die Messung des Druckunterschieds zwischen dem Primärluftraum und dem dünnflüssigen Bereich sowie der Menge an Primärluft wird die tatsächliche Dicke der Schicht berechnet, die anschließend mit der vorgegebenen Schichtdicke verglichen wird. Durch PI-Regelung wird die Drehzahl des wassergekühlten Schneckenentladeersatzes gesteuert, um die Dicke der Materialschicht aufrechtzuerhalten. Die Steuerung des SAMA-Diagramms ist in Abbildung 5 zu sehen. http://yunrun.com.cn/upload/201804/17/201804171650307524.png Abbildung 5: System zur Regulierung der Schichtdicke im Zirkulationsfluidisierungsofen SAMA. Abbildung 6: System zur Regulierung des Dampfdrucks. Der Dampfdruck ist eine der notwendigen Voraussetzungen für einen sicheren und wirtschaftlichen Betrieb des Ofens. Aufgrund der großen Verzögerungen in den Regelkreisen muss ein Zweikreissystem mit Zwischenpunktparametern verwendet werden, um die Geschwindigkeit bei der Beseitigung von Störungen zu erhöhen. Der Parameter für den Mittelpunkt wird anhand des Wärmesignals berechnet, das aus der Menge an Dampf sowie dem Druck im Dampfkessel resultiert. Dadurch kann die benötigte Druckregulierung erreicht werden, indem die Menge an Brennstoff – also die Drehzahl des Kohlezuführers – angepasst wird. Die Steuerung des SAMA-Diagramms ist in Abbildung 6 zu sehen. http://yunrun.com.cn/upload/201804/17/201804171632083039.png Abbildung 6: Diagramm des Hauptdampfdruckregelsystems SAMA bei Schichtfeuerungskesseln. Abbildung 7: Lüftungsregelsystem. Das Lüftungsregelsystem ermöglicht es, die Menge an zugeführter Luft anzupassen, sodass sie zur Menge an Brennstoff passt. Dadurch wird ein bestimmter Überschuss an Sauerstoff gewährleistet, was wiederum eine optimale Verbrennungsleistung ermöglicht. Der Sauerstoffgehalt der Rauchgase wird als Regelgröße verwendet, wobei durch Anpassung der Menge an Primär- und Sekundärluft die erforderlichen Anpassungen vorgenommen werden. Um die Regelleistung weiter zu verbessern, wird ein Lastsignal als Vorsteuerungssignal eingeführt, damit das Lüftungssystem bei Laststörungen gleichzeitig mit dem Dampfdrucksystem reagiert. Die Steuerung des SAMA-Diagramms ist in Abbildung 7 zu sehen. http://yunrun.com.cn/upload/201804/17/201804171812177730.png Abbildung 7: Diagramm des Lüftungsregelsystems SAMA in Kesseln mit zyklischer Fluidisierung. In dem Projekt zur automatischen Steuerung der Kessel mit zyklischer Fluidisierung bei der Wu County Jiangyuan Thermal Power Co., Ltd. werden Kessel von Beijing Boiler Factory verwendet – es handelt sich dabei um Kessel mit mittlerer Temperatur und mittlem Druck, deren Leistung 75 t/h beträgt. Obwohl sowohl die Wärmesignale als auch die Temperatursignale des Schlammbetts zum Regelsystem des Hauptdampfdrucks in Kesseln mit zyklischem Schlammbett verwendet werden können, um die Verzögerungen bei Änderungen der Kohlemenge, die zu Schwankungen des Hauptdampfdrucks führen, auszugleichen – wobei die Reaktionsgeschwindigkeit bei Verwendung der Temperatursignale etwas schneller ist – führt die gemeinsame Wirkung beider Regelsysteme zu großen Schwankungen der Schlammbetttemperatur. Schon geringste Nachlässigkeiten können dazu führen, dass es zu Koksbildung kommt. Durch die alleinige Verwendung des Wärmesignals kann sowohl die Zeitverzögerung überwunden als auch die Kopplung zwischen den beiden Regelsystemen beseitigt werden. Dadurch werden die Einstellungen der beiden Regelsysteme voneinander unabhängig. Dies sind die Steueranforderungen, die von Changhui Instrument Manufacturing Co., Ltd. festgelegt wurden. In der Praxis hat sich gezeigt, dass das automatische Steuersystem für Kessel mit zyklischer Fluidisierung stabil und zuverlässig ist – es erfüllt somit die Anforderungen an eine langfristige Automatisierung durch die Nutzerunternehmen.