Тележко Г.М., к.т.н., зам. директора,
Ягов Г.В., к.ф.-м.н. (ООО "Информаналитика", г. Санкт-Петербург)
Основной объём вредных выбросов в атмосферу техногенного характера составляют продукты сжигания топлива на предприятиях энергетики, ЖКХ, промышленного производства, а также в двигателях внутреннего сгорания транспортных средств. С другой стороны, у теплоснабжающих предприятий затраты на топливо составляют заметную часть бюджета, особенно в зонах с умеренным и холодным климатом. Поэтому неудивительно, что в условиях роста цен на энергоносители и обострения экологических проблем вопросы ресурсоэнергосбережения становятся особенно актуальными.
К задачам, решаемым в сфере энергетики, могут быть отнесены:
• внедрение 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 счёт 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. Решение этой задачи позволяет, помимо экономии топлива, получить дополнительную выгоду за счёт 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;
• автоматическое регулирование процесса горения, основанное на поддержании заданного остаточного содержания кислорода в отходящих газах;
• автоматическое регулирование процесса горения, основанное на поддержании заданного содержания оксида углерода (СО) в отходящих газах.
Регулирование по режимной карте является относительно грубым и недостаточно эффективным способом, не учитывающим влияние изменений 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 1-2 раза, что увеличивает расход электроэнергии на дутьё и, кроме того, приводит к необходимости нагрева избыточно подаваемого воздуха, т.е. к дополнительному расходу топлива.
Автоматизированные системы регулирования процесса сгорания топлива на основе контроля содержания кислорода строятся так, чтобы вблизи точки оптимального режима сгорания топлива содержание кислорода в отходящих газах поддерживалось на некотором минимальном, заранее заданном уровне. В своё время этот метод воспринимался как совершенный - достаточно упомянуть, что на некоторых типах котлов подобные системы регулирования в обязательном порядке предусматриваются проектной документацией. Однако большие надежды, возлагавшиеся на этот метод, не вполне себя оправдали, что обусловлено следующими причинами:
• концентрация кислорода в дымовых газах зависит не только от интенсивности дутья, но и от других условий эксплуатации (неконтролируемый подсос воздуха, изменение характеристик горелок, неидентичность горелок в многогорелочных котлах, изменение теплотворной способности и вида топлива, колебания влажности воздуха), а это снижает эффективность работы системы с регулированием по величине содержания кислорода;
• экстрактивные системы, используемые для отбора и последующего охлаждения пробы с выполнением измерений концентрации по поглощению света в ИК-области спектра либо с выполнением измерений электрохимическим методом, требуют значительных затрат времени, сложны в эксплуатации, требуют постоянного удаления конденсата и пыли;
• попытки использования неравновесных электрохимических методов оказались неудачными вследствие нестабильности характеристик датчиков и влияния параметров анализируемой среды (температуры, влажности, состава газа) на результаты измерений;
• контроллеры, работающие с газоанализаторами и имеющие устойчивые (надежные) алгоритмы, работающие с учётом переходных процессов в топке при изменении её мощности не получили пока широкого распространения.
В итоге газоанализаторы, смонтированные на котлах, обычно используются в мониторинговом режиме, а не задействованы в системе автоматического регулирования.
Изучение процесса горения показывает, что в условиях недостатка кислорода в отходящих газах резко нарастает концентрация СО. Соответственно, система регулирования процесса горения, основанная на измерении концентрации СО, очень чувствительна к изменению характеристик горения. Рассмотренный в [2] вариант регулирования с использованием газоанализаторов, оснащённых оптическими датчиками содержания СО, свободен от ряда недостатков, присущих ранее рассмотренным системам, несовершенство же рассматриваемого алгоритма состоит в том, что он предполагает поддержание определённого уровня химнедожога, обеспечивающего содержание в отходящих газах 5-10 ppm СО. Такой алгоритм предполагает непроизводительные потери топлива, и, кроме того, при некоторых условиях он становится неустойчивым, что создаёт сложности в регулировании и поддержании установленного режима горения.
В статье [1] представлены результаты, полученные в ходе выполнения испытаний первой отечественной системы, реализующей принципиально новый алгоритм регулирования режимов горения. Система [3] 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). В этом алгоритме регулирования не требуется заранее устанавливать какие-либо количественные характеристики контролируемой газовой среды, управление режимом горения носит итерационный характер и обладает свойством самонастраиваться на оптимальный режим горения. Рассмотрим техническое оснащение, необходимое для реализации самонастраивающегося алгоритма.
Несколько лет назад на рынке появились приборы, использующие твердотельные датчики, которые способны быстро и воспроизводимо измерять содержание СО в дымовых газах и печной атмосфере. Это, прежде всего, газоанализаторы LT2 в комплекте с зондом KS1 (фирма Lamtec GmbH) и COMTEC 6000 (фирма ENOTEC GmbH). Аналогичное решение положено в основу работы отечественного газоанализатора "АНГОР-С", выпускаемого компанией "Информаналитика", и мы остановимся на описании этого прибора подробнее.
В этом газоанализаторе использованы твёрдотельные (керамические) сенсоры, определяющие содержание СО и О2 при температурах анализируемого газа до 1000°С, что позволяет использовать схему динамического отбора пробы (см. рис. 1): за счёт 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 метода динамического отбора пробы позволяет существенно упростить и снизить стоимость системы, что делает эффективным её использование даже для энергетических установок невысокой мощности. Ограничение в использовании метода динамического отбора пробы - скорость потока, при которой обеспечивается надёжная 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, что позволяет установить управляющее устройство в удобном месте. Блок индикации позволяет считывать текущие значения концентрации СО и O2, кроме этого, он служит для формирования управляющих токовых сигналов 4-20 мА. Расстояние, на которое может быть отнесён блок индикации от места монтажа пробоотборного устройства и первичного преобразователя, достигает 500 метров, а при необходимости и более, хотя такой случай представляется маловероятным.
Диапазоны измерения и погрешности измерения газоанализатора "АНГОР-С" приведены в табл. 1.
Табл. 1 Метрологические характеристики
| Определяемый компонент |
Диапазон измерения |
Предел допускаемой основной погрешности | |
|---|---|---|---|
| абсолютной | относительной | ||
| Оксид углерода (СО) | 0-100 ppm | + 15 ppm | - |
| 100 - 1000 ppm | - | ± 15% | |
| Кислород (O2) | 0 - 2 % | ± 0,3 % | - |
| 2-25 % | - | ±15% | |
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 измерений концентрации СО и O2 при изменениях давления воздуха на постоянной нагрузке. Исследования проводились на котле ДКВР-20/1 3 с использованием серийно выпускаемого газоанализатора "АНГОР-С", являющегося развитием ранее выпускавшегося газоанализатора "ОПТИМА" [4], также предназначенного для определения нескольких компонентов отходящих газов топливосжигающих установок.
Из графика видно, что на грани появления химнедожога малейшее возможное для регулятора данного котла уменьшение 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.
В связи с тем что появление химнедожога характеризуется резким скачком концентрации оксида углерода, к контроллеру и алгоритму регулирования предъявляются особые требования. Чтобы эффективно вести процесс регулирования с различными типами регуляторов и исполнительных механизмов, контроллер должен быть настроен не на поддержание заранее заданной концентрации СО в дымоходе, а на обеспечение режима горения на грани появления химнедожога. В качестве примера реализации такого алгоритма можно привести результаты, полученные в работе [5].
Рис. 2. Зависимость концентрации СО и О2 от соотношения газ-воздух
Предложенный алгоритм регулирования состоит из следующих этапов: после выхода котла на рабочий режим и стабилизации его характеристик в соответствии с режимными картами управляющий контроллер задаёт определённую скорость снижения расхода воздуха (рис. 3); в некоторый момент проявляется недостаток кислорода, возникает химнедожог, при этом резко возрастает сигнал от сенсора СО; при появлении этого сигнала система скачкообразно увеличивает расход воздуха, явление химнедожога исчезает; затем в течение установленного промежутка времени расход воздуха поддерживается постоянным, затем расход воздуха вновь снижается вплоть до появления сигнала от сенсора СО. Обычно весь цикл "снижение-отскок-поддержание" составляет от 2 до 5 минут и определяется пользовательскими настройками в зависимости от типа топливосжигающего агрегата. Такой подход позволяет вести процесс оптимальным образом на всех режимах, практически при любых изменениях условий эксплуатации и с любыми регуляторами и исполнительными механизмами. Это обусловлено тем обстоятельством, что данный процесс является самоадаптивным, то есть система регулирования самостоятельно в процессе работы корректирует режимную карту.
Рис. 3. Типичный цикл регулирования процесса горения по содержанию СО [5]
Дополнительно необходимо отметить, что достижение тонкой регулировки режимов подачи воздуха невозможно без предъявления жёстких требований к точности исполнительных механизмов - это следует, например, из сопоставления графиков на рис. 2 (грубая регулировка подачи воздуха) и рис. 3 (плавная регулировка подачи воздуха).
Отечественные производители осваивают выпуск контроллеров со встроенным алгоритмом регулирования по содержанию оксида углерода. В частности, в контроллере СПЕКОН СК2 ("НПФ Теплоком", Санкт-Петербург) реализован алгоритм использования газоанализатора для коррекции соотношения "топливо-воздух" с учётом содержания в отходящих газах не только СО, но и О2 , также предусмотрен учёт влияния переходных процессов в топке при изменении мощности. Дополнительно контроллер определяет соотношение давления воздуха перед горелкой и давления топлива, величина этого соотношения должна находиться в заданных границах. При выходе давления воздуха за пределы установленных границ корректирующий сигнал от газоанализатора не должен учитываться при регулировании. Таким образом осуществляется защита всей системы в целом в случае аварийных сбоев в регулирующей системе. Аналогичными характеристиками обладает контроллер КОНТАР, выпускаемый Московским заводом тепловой автоматики (МЗТА, Москва). В настоящее время проводятся эксплуатационные испытания этих типов контроллеров в комплекте с газоанализатором "АНГОР-С" на предмет использования в качестве базового элемента автоматики котла ДКВР-20/13.
В заключение необходимо упомянуть, что описанный метод регулирования пригоден для использования 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.
Выводы
1. Метод регулирования режимов горения топлива с использование двух каналов контроля (по СО и О2) оказывается более эффективным, чем метод регулирования, основанный на измерении и поддержании в отходящих газах количественных характеристик только одного из этих компонентов.
2. Использование информации, поступающей от двух датчиков, позволяет разработать такой алгоритм регулирования режима горения, который самостоятельно устанавливает и поддерживает оптимальный режим горения топлива при любых изменениях внешних условий (самоадаптивный алгоритм).
3. К настоящему времени разработаны как техническое обеспечение, так и алгоритмы управления для использования в автоматических системах регулирования сразу двух каналов контроля - по СО (основной канал регулирования) и по О2 (контрольный канал соответствия режимной карте). Освоено производство сертифицированных отечественных газоаналитических систем и управляющих контроллеров, реализующих самоадаптивный алгоритм регулирования режима горения.
Литература:
1. Тележко Г.М., Хойна Е.В., Ягов Г.В. Новый подход к оптимизации режимов горения топлива // Энергонадзор-Информ. - 2008. - № 1. - С. 26-28.
2. Хакимов Х.Ф. Устройства отбора проб приборов химического контроля. Проблемы и решения // Энергетика Татарстана. - 2008. -№ 2. - С. 59-64.
3. Тележко Г.М., Ягов Г.В. Газоанализаторы для современных ресурсоэнергосберегающих систем теплоэнергетики и теплоснабжения // Энергонадзор-Информ. - 2008. - № 4. - С. 54-56.
4. Газоанализаторы многокомпонентные "ОПТИМА". Руководство по эксплуатации, ЛШЮГ.413411.014 РЭ, Санкт-Петербург, 2004 г.
5. Sensorgesteuerte CO-Regelung zur Optimierung des Verbrennungsprozesses fur Feuerungsanlagen kleiner und mittlerer Leistung. - Dr.-Ing. Frank Hammer, Ing. (FH) Harald Weber, LAMTEC MeP- und Regeltechnik fur Feuerungen GmbH & Co KG, D-69190 Walldorf, Druckschrift Nr. DLT 5014.06