Группа проектов Кипинфо
Реклама

Реклама

Современные методы обеспечения ресурсоэнергосбережения в теплоэнергетике и теплоснабжении

К списку статей

Г.М. Тележко, к.т.н., заместитель директора ООО «Информаналитика», СПб

Г.В. Ягов, к.ф.-м.н., ООО «Информаналитика», Спб

Опубликовано в журнале «Энергетика Татарстана», № 1, 2009, с. 27-33

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 не удивительно, 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 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 1,5…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 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 оксида углерода (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

. Газоанализатор «АНГОР-С» и схема динамического отбора пробы

Рис. 1. Газоанализатор «АНГОР-С» и схема динамического отбора пробы

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 О2, 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 таблице 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 %

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 О2 при изменениях давления воздуха на постоянной нагрузке. Исследования проводились на котле ДКВР-20/13 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].

Зависимость концентрации СО и О2 от соотношения газ-воздух.

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, при практически 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. Новый подход к оптимизации режимов горения топлива, Г.М. Тележко, Е.В. Хойна, Г.В. Ягов, - Энергонадзор-Информ, № 1, 2008, с. 26-28.
  2. Устройства отбора проб приборов химического контроля. Проблемы и решения, Х.Ф. Хакимов, - Энергетика Татарстана, № 2, 2008, с.59-64
  3. Газоанализаторы для современных ресурсоэнергосберегающих систем теплоэнергетики и теплоснабжения, Г.М. Тележко, Г.В. Ягов, - Энергонадзор-Информ, № 4, 2008, с. 62-64.
  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 Me?- und Regeltechnik fur Feuerungen GmbH & Co KG, D-69190 Walldorf, Druckschrift Nr. DLT 5014.06

Оценить статью

Средняя оценка: 4.3


1

2

3

4

5

Реклама


Реклама


Реклама

Реклама


Яндекс цитирования Яндекс.Метрика Яндекс.Метрика
© 2006-2013 Kipinfo.ru
При использовании информации ссылка на сайт “Kipinfo” обязательна.
Контактная информация Размещение рекламы
16+