Г.М. Тележко, заместитель директора, Е.В.Хойна, ведущий специалист, ООО «Информаналитика», г. Санкт-Петербург
В большинстве применяемых в настоящее время устройств сжигания газового топлива оптимизация режима горения обеспечивается путем поддержания соотношения расходов газа и воздуха (давления перед горелочным устройством) в соответствии с режимной картой. Такой способ является недостаточно эффективным, он не позволяет вести учет изменения температуры и влажности воздуха, теплотворной способности и температуры газа и ряда других внешних факторов. В связи с этим, при составлении режимных карт допускают наличие значительного избытка воздуха, чтобы ни при каких условиях не допустить возникновения химнедожога. В результате в некоторых режимах количество воздуха превышает оптимальное в 1,5-2 раза, что увеличивает расход электроэнергии на дутье и приводит к необходимости нагрева избыточно подаваемого воздуха, т.е. к дополнительному расходу топлива.
Разработанные автоматические системы оптимизации соотношения «топливо-воздух», построенные с использованием стационарных газоанализаторов, ведут процесс регулирования по величине содержания кислорода в отходящих газах. На некоторых типах котлов эти системы регулирования предусмотрены проектной документацией в обязательном порядке. Однако эти системы, как правило, не работают в режиме регулирования, а газоанализатор используется в мониторинговом режиме, что обусловлено рядом причин:
- концентрация кислорода в дымовых газах зависит не только от интенсивности дутья, но и от других условий эксплуатации (неконтролируемый подсос воздуха, изменение характеристик горелок в процессе эксплуатации, неидентичность горелок в многогорелочных котлах, изменение теплотворной способности топлива, колебания влажности воздуха), что, в свою очередь, снижает эффективность работы системы с регулированием по величине содержания кислорода;
- ограниченное распространение контроллеров, имеющих устойчивые (надежные) алгоритмы работы с газоанализаторами (многие из разработанных алгоритмов регулирования не учитывают переходные процессы в топке при изменении мощности).
Изучение процесса горения газообразного и жидкого топлива показывает, что при недостатке кислорода проявляется резкое повышение концентрации оксида углерода (СО). Соответственно, система регулирования процесса горения, основанная на измерении концентрации СО, будет обладать более высокой чувствительностью к отклонению режима горения от оптимального. Регулирование в этом случае сводится к поддержанию режима на грани химнедожога, что позволяет учитывать изменение большинства других факторов, влияющих на качество сжигания топлива.
Применение вышеуказанного метода, до недавнего времени, сдерживалось отсутствием достаточно надежного, простого и быстрого способа измерения концентрации СО. Системы с отбором и последующим охлаждением пробы, измеряющие концентрации по поглощению в инфракрасной области спектра, либо с помощью электрохимических сенсоров, имели низкое быстродействие, были сложны в эксплуатации, требовали постоянного контроля системы удаления конденсата и пыли. Попытки использовать для измерения неравновесные электрохимические методы оказались неудачными вследствие нестабильности характеристик датчиков и невозможности исключить влияние параметров анализируемой среды (температуры, влажности, состава газа).
В последнее время были разработаны приборы с использованием твердотельных датчиков, которые способны быстро и воспроизводимо измерять содержание СО в дымовых газах и печной атмосфере. Особенностью одного из таких газоанализаторов, разработанного при участии специалистов компании «Информаналитика», является использование керамических сенсоров, определяющих содержание СО и О2 при температурах анализируемого газа до 1000°С, что позволяет использовать схему динамического отбора пробы (см. рис. 1): 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.
Рис. 1. Схема динамического отбора пробы.
Таблица 1. Диапазоны измерения и погрешности измерения газоанализатора.
| Определяемый компонент | Диапазон измерения | Предел допускаемой основной погрешности | |
|---|---|---|---|
| абсолютный | относительный | ||
| Оксид углерода (СО) | 0-100 ppm | ±15 ppm | - |
| 100-1000 ppm | - | ±15% | |
| Кислород (02) | 0-2% | ±0,3% | - |
| 2-25% | - | ±15% | |
Использование метода динамического отбора пробы позволяет существенно упростить и снизить стоимость системы, что делает эффективным ее использование даже для энергетических установок невысокой мощности. Ограничение в использовании метода динамического отбора пробы - скорость потока, при которой обеспечивается надежная подача пробы к сенсорам. Как показал опыт, достаточной является скорость газового потока 3 м/с. Сочетание динамического отбора пробы и использование высокотемпературных сенсоров позволяет избавиться от проблем, связанных с конденсацией продуктов горения в системе отбора пробы, и, кроме того, существенно увеличивает быстродействие системы в целом.
Передача данных от первичного преобразователя к блоку индикации осуществляется при помощи интерфейса RS-485. Блок индикации позволяет считывать текущие значения концентрации СО и О2, кроме этого, он служит для формирования управляющих токовых сигналов 4-20 мА. Расстояние, на которое может быть отнесен блок индикации от места монтажа пробоотборного устройства и первичного преобразователя, достигает 500 м, а при необходимости и более, хотя такой случай представляется маловероятным. Диапазоны измерения и погрешности измерения газоанализатора приведены в табл. 1.
Измерение оксида углерода быстродействующим твердотельным датчиком является наиболее удобным методом определения химнедожога (высокое быстродействие, отсутствие необходимости обслуживания и т.п.). На графике (рис. 2) приведены результаты измерения концентрации О2 и СО при изменениях расхода (давления) воздуха на постоянной нагрузке. Исследования проводились на котле ДКВР-20/13 с использованием рассматриваемого многокомпонентного газоанализатора. Из графика видно, что на грани химнедожога малейшее (возможное для регулятора данного котла) изменение расхода воздуха приводит к резкому скачку концентрации оксида углерода. При этом содержание кислорода в отходящих газах меняется незначительно. Колебания значений концентрации СО на грани химнедожога имеют очень ярко выраженный характер и связаны как с динамикой процесса горения, так и с невозможностью тонкой регулировки подачи воздуха и нестабильностью его потока.
Появление химнедожога характеризуется резким скачком концентрации СО, что предъявляет особые требования к контроллеру и алгоритму регулирования. Для того чтобы эффективно вести процесс регулирования с различными типами регуляторов и исполнительных механизмов контроллер должен быть настроен не на поддержание определенной концентрации СО в дымоходе, а на обеспечение режима горения на грани появления химнедожога, циклически снижая расход воздуха до появления всплеска концентрации СО с последующим минимальным увеличением расхода воздуха, дабы избежать химнедожога.
В качестве примера реализации такого алгоритма можно привести работу контроллера отечественного производства в комплекте с представленным выше газоанализатором на котле ДКВР-20/13 (рис. 3). Как видно на графике, контроллер позволяет задавать скорость снижения расхода воздуха (Т2 и Т4), величину «отскока» расхода воздуха при появлении химнедожога (Т5), а также время нечувствительности (Т6), в течение которого контроллер поддерживает расход воздуха постоянным, после чего опять начинает его снижение. Обычно, весь цикл «снижение-отскок-поддержание» составляет от 2 до 5 мин и определяется пользовательскими настройками в зависимости от типа топливосжигающего агрегата.
Рис. 2. Зависимость концентрации О2 и СО от соотношения газ-воздух.
Рис. 3. Диаграмма изменения параметров работы котла ДКВР-20/13 при включении системы автоматического регулирования на базе контроллера «Спекон» в комплекте с газоанализатором «Ангор-С».
Рис. 4. Диаграмма изменения параметров работы котла ДКВР-20/13 при использовании системы автоматического регулирования на постоянной нагрузке.
Из рис. 3 следует, что после включения газоанализатора в процесс регулирования контроллер постепенно снизил давление воздуха, подаваемого на горение приблизительно со 120 до 80 кПа (до появления всплеска концентрации СО), и стал приводить соотношение топливо-воздух к оптимальному значению для данных условий горения.
Пример работы системы регулирования при постоянной нагрузке в стационарных условиях приведен на рис. 4. При изменении нагрузки котла система сама «ищет» новое оптимальное соотношение топливовоздух (рис. 5).
Такой подход позволяет вести процесс сжигания топлива наиболее оптимальным образом на всех режимах, при практически любых изменениях условий эксплуатации и с любыми регуляторами и исполнительными механизмами. Он особенно эффективен при применении в котлах малой мощности, поскольку является самоадаптивным, т.е. фактически самостоятельно в процессе работы корректирует режимную карту. В табл. 2 представлены параметры работы котла ДКВР-20/13 и результаты экономии топлива при различной тепловой нагрузке. Из таблицы видно, что экономия топлива может составлять от 2,5 до 6%. Опыт эксплуатации таких систем регулирования на мощных энергетических котлах показывает несколько меньшую экономию в процентном выражении, но учитывая объемы потребления газа, экономия оказывается значительной. Например, испытания на Казанской ТЭЦ, проводимые в марте 2011 г, показали, что при нагрузке 234 т пара в час применение регулирования «на грани появления химнедожога» позволило вырабатывать на 1,5% больше пара при том же расходе газа, что составило экономию топлива - 260 м3/ч.
Таблица 2. Экономическая эффективность оптимизации режимов горения на примере котла ДКВР-20, работающего в котельной 2-я Красносельская ЮЗФ ТЭК СПб (котел № 4).
| Теплопроизводительность, Гкал/ч (%) |
7,2 (59%) |
9,1 (74%) |
10,2 (83%) |
11,1 (91%) |
12,5 (102%) |
| Измеренный коэффициент избытка воздуха, a | 1,9 | 1,83 | 1,68 | 1,47 | 1,42 |
| Расход газа, м3/ч | 947 | 1197 | 1342 | 1460 | 1644 |
| Необходимый объем воздуха для сгорания газа, м3/ч | 9015 | 11395 | 12776 | 13899 | 15651 |
| Реально расходуемый объем воздуха, м3/ч | 17129 | 20854 | 21463 | 20432 | 22224 |
| Расходуемый объем воздуха при оптимизации объемов горения (ос=1,05) | 9466 | 11965 | 13415 | 14594 | 16433 |
| Объем избыточного воздуха, м3/ч | 7663 | 8888 | 8049 | 5838 | 5791 |
| Количество теплоты, идущее на нагрев избыточного воздуха, ккал/ч | 451824 | 524070 | 474562 | 344193 | 341432 |
| Перерасход газа, м3/ч | 59 | 69 | 62 | 45 | 45 |
| Возможная экономия за 330 дней работы, тыс. руб. | 1645 | 1911 | 1729 | 1250 | 1250 |
Рис. 5. Диаграмма изменения параметров работы котла ДКВР-20/13 при использовании системы автоматического регулирования во время ступенчатого изменения нагрузки.
В заключение необходимо упомянуть, что описанный в статье метод регулирования пригоден для использования на различных типах котлов (как водогрейных, так и энергетических), работающих на газообразном и жидком топливе. Для угольных котлов, ввиду того, что горение угля является гораздо более сложным процессом, зависимость концентрации СО от соотношения топливо-воздух имеет индивидуальный характер и определяется:
■ особенностями конструкции котлоагрегата;
■ процедурой подготовки топлива;
■ характеристиками используемых углей.
Рассмотрение особенностей оптимизации топливосжигания в угольных котельных выходит за рамки данной статьи и будет проведено в отдельной работе.
Выводы
1. Современная инструментальная база позволяет реализовать эффективные механизмы регулирования процесса горения в топках котлов при использовании для регулирования непрерывного контроля эмиссии оксида углерода.
2. Для обеспечения тонкой регулировки режимов подачи воздуха необходимо использование соответствующих исполнительных механизмов (предъявляются жесткие требования к точности исполнительных механизмов).
3. Наиболее эффективным методом регулирования режима горения является использование сразу двух каналов регулирования - по СО (основной канал регулирования) и по О2 (контрольный канал соответствия режимной карте), для чего разработаны соответствующее техническое обеспечение и алгоритмы управления.
