Г. М. Тележко, заместитель генерального директора
Г. В. Ягов, кандидат физико-математических наук, ООО «ИнформАналитика»
Вопросы ресурсоэнергосбережения становятся особенно актуальными в условиях роста цен на энергоносители и обострения экологических проблем.
К задачам, решаемым в сфере энергетики, могут быть отнесены:
- применение наиболее эффективных методов использования имеющихся ресурсов для производства электрической и тепловой энергии;
- снижение потерь топлива, электрической и тепловой энергии в процессе транспортировки потребителю;
- снижение энергопотребления за счет использования новых технических и технологических решений со стороны потребителей;
- поиск и целесообразное использование альтернативных источников энергии.
В данной статье мы рассмотрим некоторые аспекты, способствующие решению первой задачи - эффективного использования топлива в топливосжигающих установках, что позволяет, помимо экономии ТЭР, получить дополнительную выгоду за счет уменьшения платежей за выброс вредных веществ в атмосферу.
В настоящее время используются три основных способа регулирования процессов сгорания топлива:
- поддержание соотношения давления топлива и воздуха в соответствии с заранее разработанной режимной картой;
- использование систем автоматического регулирования, основанных на измерении в отходящих газах остаточного содержания кислорода;
- использование систем автоматического регулирования, основанных на регистрации момента появления оксида углерода в отходящих газах.
Регулирование по режимной карте является относительно грубым и недостаточно эффективным способом, не позволяет учесть изменение температуры и влажности воздуха, теплотворной способности и температуры газа, направления и скорости ветра, сезон года и пр. В связи с чем, режимные карты составляются с большим «запасом» по расходу воздуха, чтобы ни при каких условиях не допустить возникновения химнедожога. При этом на некоторых режимах возникают условия, когда количество воздуха превышает оптимальное в 1,5-2 раза, что приводит к увеличению как расхода топлива (необходимого для нагрева избыточного воздуха), так и расхода электроэнергии на дутье.
Создание автоматизированных систем регулирования процесса сгорания топлива с использованием газоанализаторов, контролирующих содержание кислорода основанно на том, что вблизи точки оптимального режима горения содержание кислорода в отходящих газах поддерживается на некотором минимальном, изначально заданном уровне. Стоит отметить, что большие надежды, возлагавшиеся на этот метод экономии ТЭР, не вполне себя оправдали, поэтому газоанализаторы, смонтированные на котлах, чаще всего используются в мониторинговом режиме и не задействованы в системе регулирования.
Вследствие технологических причин и высоких дополнительных издержек метод регулирования, основанный на использовании только одного датчика (для определения кислорода), оказался неэффективен. Для этих случаев целесообразно использовать схему автоматического регулирования с элементами самоадаптации и использованием недавно разработанного (2004 г.) керамического сенсора для определения оксида углерода.
В статье [1] представлены результаты, полученные в ходе выполнения испытаний первой отечественной системы, реализующей принципиально новый алгоритм регулирования режимов горения. Система состоит из газоанализатора «АНГОР-С», управляющего контроллера и программного обеспечения, специально разработанного для реализации управления режимом котла по результатам измерения не только остаточного количества кислорода, а сразу по двум параметрам - по содержанию СО (основной канал регулирования) и по содержанию О2 (вспомогательный канал регулирования) (Рис. 1).
Рис. 1. Газоанализатор «АНГОР-С» и схема динамического отбора проб
Рассматриваемая модификация газоанализатора оснащена устройством динамического отбора проб. При этом, за счет набегающего потока отходящих газов, в скошенном оголовке трубы пробоотборного устройства возникает избыточное давление, направляющее часть анализируемого потока к сенсорам. После прохождения вблизи сенсоров эта часть потока возвращается в общий поток отходящих газов.
Использование устройства динамического отбора проб позволяет существенно упростить и снизить стоимость системы, что делает оптимальным ее использование даже для энергетических установок невысокой мощности. Ограничением в использовании метода динамического отбора проб является скорость потока, которая может обеспечить уверенное поступление пробы к сенсорам. Как показал опыт, достаточной является скорость газового потока 3 м/с.
В газоанализаторе использованы твердотельные (керамические) сенсоры, рассчитанные на определение СО и О2 при температурах анализируемого газа до 1000 °C. Сочетание динамического отбора проб и использование высокотемпературных сенсоров позволяет избавиться от проблем, связанных с конденсацией продуктов горения в системе отбора проб и, кроме того, существенно увеличивает быстродействие системы в целом.
Передача данных от первичного преобразователя к блоку индикации осуществляется при помощи интерфейса RS-485, что позволяет установить управляющее устройство в удобном месте. Расстояние, на которое может быть отнесен блок индикации от места монтажа пробоотборного устройства и первичного преобразователя достигает 500 метров, а при необходимости и более (хотя такой случай представляется маловероятным).
Блок индикации позволяет считывать текущие значения концентрации СО и О2, кроме этого, он служит для формирования управляющих токовых сигналов 4 - 20 мА. Диапазон измерений и погрешность измерения газоанализатора приведены в табл. 1.
Метрологические характеристики
Таблица 1
| Определяемый компонент | Диапазон измерения | Предел допускаемой основной погрешности | |
|---|---|---|---|
| абсолютной | относительной | ||
| Оксид углерода (CO) | 0 - 100 ppm | ±15 ppm | - |
| 100 — 1000 ppm | - | ± 15 % | |
| Кислород (O2) | 0 - 2 % | ± 0,3 % | - |
| 2 - 25 % | - | ± 15 % | |
Алгоритм регулирования в соответствии с [1] состоит в том, что после выхода котла на рабочий режим и стабилизации рабочих характеристик в соответствии с режимными картами управляющий контроллер задает определенную скорость снижения расхода воздуха. В определенной стадии проявляется недостаток кислорода и возникает так называемый «химнедожог», при этом резко возрастает сигнал от сенсора СО. При появлении этого сигнала система скачкообразно увеличивает расход воздуха, явление химнедожога исчезает. В течение некоторого заранее установленного промежутка времени расход воздуха поддерживается постоянным, затем вновь снижается расход воздуха вплоть до появления сигнала от сенсора СО. Обычно, весь цикл «снижение-отскок-поддержание» длится от 2 до 5 минут и определяется пользовательскими настройками в зависимости от типа топливосжигающего агрегата. Такой подход позволяет управлять процессом самым оптимальным образом на всех режимах при практически любых изменениях условий эксплуатации и с любыми регуляторами и исполнительными механизмами. Это обусловлено тем обстоятельством, что процесс является самоадаптивным (система регулирования в процессе работы фактически самостоятельно корректирует режимную карту).
Отечественные производители уже начали выпускать контроллеры с встроенным алгоритмом регулирования по двум параметрам: оксиду углерода и кислороду. В частности, в контроллере «СПЕКОН СК2» (производства ЗАО «НПФ Теплоком», Санкт-Петербург) реализован алгоритм использования газоанализатора для коррекции соотношения «топливо-воздух» с учетом содержания СО и О2 в отходящих газах, и влияния переходных процессов в топке при изменении мощности. Контроллер при этом отслеживает соответствие давления воздуха перед горелкой в зависимости от давления топлива в заданных границах. При выходе давления воздуха за пределы этих границ корректирующий сигнал от газоанализатора не учитывается при регулировании . Таким образом осуществляется предохранение котла от выхода за предельные параметры в случае возникновения сбоев в работе автоматики. Аналогичными характеристиками обладает контроллер «КОНТАР», выпускаемый Московским заводом тепловой автоматики.
Выводы:
1. Метод регулирования режимов горения топлива с использованием двух каналов контроля (по СО и О2), представляется более эффективным, чем метод регулирования, основанный на измерении в отходящих газах только остаточных количеств кислорода;
2. Использование информации, поступающей от двух датчиков, позволяет разработать такой алгоритм регулирования режима горения, который будет самонастраиваться на поддержание оптимального режима горения топлива при изменении внешних условий (самоадаптивный алгоритм);
3. К настоящему времени освоено производство отечественных газоаналитических систем и управляющих контроллеров, реализующих самоадаптивный алгоритм регулирования режима горения.
В заключение необходимо упомянуть, что описанный в статье [1] метод регулирования пригоден д ля исполь зования на различных типах котлов (как водогрейных, так и энергетических), а также применим для регулирования режимов работы парогазовых и газотурбинных установок. Разумеется, в каждом отдельном случае необходимо выполнение наладочных работ с целью выбора режимов регулирования, обеспечивающих максимальный экономический эффект.
Литература
1. Г. М. Тележко, Е. В. Хойна, Г. В. Ягов Новый подход к оптимизации режимов горения топлива, «Энергонадзор-информ», № 1,2008, с. 26-28.