Радчук О.С., Штіфзон О.Й.

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут»

Регулювання процесу горіння з використанням додаткових інформаційних сигналів

Підвищення ефективності спалювання газового та рідкого палива, зменшення викидів шкідливих речовин, забезпечення жорстких вимог до безпеки та екологічності – це найбільш актуальні проблеми в системах споживання палива. Вирішення задач підвищення економічності спалювання палива, зменшення шкідливих викидів в атмосферу та зниження капітальних витрат на їх реалізацію називають енергоекологічною оптимізацією використання палива.

Реалізація таких задач, в першу чергу, потребує технологічного удосконалення уже встановлених котлових агрегатів, спрямоване на причини неекономічного спалювання палива.[1]

ККД котлового агрегату значним чином залежить від наступних видів втрат теплоти: втрат з димовими газами та втрат через неповноту спалювання палива. Вказані види втрат залежать від коефіцієнту надлишку повітря α. Від нього також залежить кількість шкідливих речовин, що викидається в атмосферу. Вплив коефіцієнта надлишку повітря на концентрацію основних компонентів димових газів (О₂, СО₂, СО, NO_х) і ККД при певному тепловому навантаженні котла наведені на рис.1.

Коефіцієнт надлишку повітря є важливою характеристикою ефективного ведення процесу спалювання палива. За оптимальний коефіцієнт надлишку повітря приймається такий, при якому сума втрат теплоти з димовими газами, від хімічної та механічної неповноти згоряння, а також витрати на тягу і дуття мінімальні. Оптимальне значення коефіцієнту надлишку повітря встановлюють на основі аналізу графіків залежностей втрат від коефіцієнту надлишку повітря. По мінімальному значенні сумарних теплових втрат визначають оптимальне значення коефіцієнту надлишку повітря при даному навантаженні.

Рис.1. Залежність концентрації компонентів димових газів та ККД котлового агрегату від коефіцієнту надлишку повітря

Область економічно вигідного режиму спалювання палива знаходиться в межах значень коефіцієнту надлишку повітря α=1,05…1,15. Традиційно використовуються методи регулювання якості спалювання палива на основі інформації по концентрації кисню О₂ або продукту неповного спалювання палива - чадного газу СО, що поодинці не дають повної інформації про надлишок повітря. Вивчення процесу горіння показало, що для ефективного регулювання процесу горіння палива необхідно якомога більше використовувати інформацію про склад продуктів горіння. Можливості використання даної інформації зводяться до наступних тез:

1. Вимірювання концентрації діоксиду вуглецю (СО₂) ні саме по собі, ні в сукупності з іншими вимірюваннями не може ефективно допомогти задачі керування якістю спалювання палива. Саме в необхідному діапазоні регулювання α=1,05…1,1 воно дає максимальні помилки, як в силу сильної залежності від співвідношення С/Н в паливі, так і в зв’язку з негативним впливом хімічного недопалу.

2. Концентрація надлишкового кисню визначає надлишок повітря в точці вимірювання, але не дає об’єктивної інформації про повноту згоряння. Тим не менше, надійна і чутлива система регулювання з О₂-коректуючим контуром в поєднанні з визначеною оптимальною кривою «навантаження-О₂» дозволяє економити 2-4% палива в річному розрахунку.

3. Інформація про концентрацію оксиду вуглецю СО, будучи показником повноти згоряння, не дає можливості судити про коефіцієнт надлишку повітря. Такі системи можуть знайти обмежене застосування на потужних енергетичних агрегатах при умові постійності характеристик палива і слабо змінних режимах роботи.

4. Найбільш ефективний результат вимірювання надлишку повітря в продуктах згоряння може бути отриманий на основі спільної обробки інформації про концентрацію складових продуктів згоряння в димових газах. Ця інформація є необхідною для оцінки не тільки повноти, але й екологічних характеристик спалювання палива.[2]

Для автоматичного регулювання процесу горіння і забезпечення найбільшої ефективності процесу горіння необхідне більш точне вимірювання коефіцієнту надлишку повітря, при чому просте вимірювання співвідношення об’єму повітря до об’єму палива не дає точної оцінки коефіцієнта надлишку повітря. Більш точна оцінка реального коефіцієнту надлишку повітря здійснюється на основі газового аналізу продуктів горіння. Використовуючи дані про відсотковий склад продуктів горіння, коефіцієнт надлишку повітря при неповному згорянні можна визначити за наступною формулою [3]:

де О₂ – вміст кисню в димових газах, %;

СО – вміст оксиду вуглецю, %;

N₂ – вміст азоту в димових газах, %.

Для обчислення концентрації N₂ використовують вираз:

N₂ = 100 – (RO₂ + CO + O₂ + H₂ + CH₄), (2)

де RO₂ – вміст трьохатомних газів в продуктах горіння, %;

Н₂ – вміст водню в продуктах горіння, %;

СН₄ – вміст метану в продуктах горіння, %.

Так як вміст H₂ та CH₄ дуже незначний, то:

N₂ = 100 – (RO₂ + CO + O₂). (3)

Підставивши (3) в (1) отримаємо формулу для визначення коефіцієнту надлишку повітря:

Враховуючи усі вищенаведені співвідношення, була змодельована робота системи автоматичного регулювання процесу горіння, за наступною структурною схемою:

Рис.2. Структурна схема системи автоматичного регулювання процесу горіння.

Дана схема відповідає каскадній структурній схемі системи регулювання. В традиційних системах регулювання процесу горіння використовують регулятор вмісту кисню в димових газах, який корегує завдання регулятору повітря для підтримання заданої концентрації кисню в димових газах. Проте, такий метод не дозволяє ефективно регулювати процес горіння, так як дані лише про вміст кисню в димових газах не дозволяють повною мірою оцінювати повноту згоряння палива.

Особливістю реалізації даної системи регулювання процесу горіння є те, що в системі наявний регулятор коефіцієнту надлишку повітря, який корегує завдання регулятора витрати повітря.

Регулятор повітря здійснює стабілізацію витрати повітря на певному заданому рівні для підтримання потрібного коефіцієнта надлишку повітря. Для поточної витрати повітря та витрати палива отримуємо відповідні значення концентрацій компонентів димових газів, що утворюються в процесі горіння палива. Вказані значення концентрацій надходять до блока розрахунку коефіцієнта надлишку повітря, який здійснює розрахунки відповідно до співвідношення (4). Обчислене значення коефіцієнта надлишку повітря за даними газового аналізу надходить на вхід системи, де порівнюється із заданим значенням коефіцієнта надлишку повітря α_зад, яке необхідно підтримувати. При наявності розбіжності в значеннях фактичного і заданого коефіцієнтів надлишку повітря здійснюється зміна поточної витрати повітря для досягнення необхідного значення технологічного параметру, що регулюється.

Далі наведені графіки перехідних процесів в системі регулювання горіння з використанням сигналів по концентрації складових димових газів. Зовнішнім збуренням для системи є зміна витрати палива. Так як зміна витрати палива відбувається при зміні завдання в системі регулювання насиченої пари, тому зобразимо перехідний процес в системі регулювання горіння при зміні завдання тиску насиченої пари на 2МПа (рис.3):

Рис.3. Перехідний процес в системі регулювання процесу горіння при зміні завдання в системі регулювання тиску насиченої пари на 2МПа.

Перехідний процес в системі регулювання процесу горіння при зміні уставки коефіцієнта надлишку повітря на 0,1 зображений на рис.4:

Рис.4. Перехідний процес в системі регулювання процесу горіння при зміні уставки коефіцієнта надлишку повітря на 0,1.

Висновки

Таким чином, для оптимального регулювання процесу горіння і ефективного використання палива необхідно більш точно підтримувати коефіцієнт надлишку повітря у відповідних межах. Традиційні системи регулювання з корекцією по вмісту кисню в димових газах, хоча і дозволяють підвищити економічність, але не здатні достатньо ефективно регулювати процес горіння. Для задоволення умов ефективності необхідно здійснювати повний газовий аналіз продуктів горіння.

Література:

1. Воликов А.Н., Новиков О.Н., Окатьев А.Н. Энергоэклогическая эффективность сжигания газового и жидкого топлива в котлах малой и средней мощности // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 4;

2. Новиков О.Н., Окатьев А.Н., Шкаровский А.Л. Автоматическое управление качеством сжигания топлива – ключ к энергосбережению и энергоэкологической безопасности предприятия, Автоматизация без границ, 2010, с. 20-26.

3. И.И. Павлов, М.Н. Федоров Котельные установки и тепловые сети. Учебник для техникумов. М., Стройиздат, 1977, 301с.