Газоанализаторы оптимизации режимов горения

Основной объем вредных выбросов в атмосферу техногенного характера составляют продукты сжигания топлива на предприятиях энергетики, ЖКХ, промышленного производства, а также автотранспортом (двигатели внутреннего сгорания). С другой стороны, затраты на топливо составляют заметную часть бюджета теплоснабжающих предприятий, особенно в зонах с умеренным и холодным климатом. Поэтому не удивительно, что в условиях роста цен на энергоносители и обострения экологических проблем все более высокие требования предъявляются к системам оптимизации использования энергии органического топлива.

Целью анализа дымовых газов является мониторинг дымовых газов, степени их влияния на окружающую среду и оптимизация работы горелок.

КПД (η) процесса сгорания рассчитывается вычитанием потерь тепла с дымовыми газами из максимального КПД, т.е. из 100%. КПД показывает насколько эффективно горелка сжигает специфическое топлива, η = 100% - qA

Потери тепла с дымовыми газами (qA) являются расчетным параметром. Расчет может проводиться по двум различным формулам в зависимости от топлива. Разница между температурой дымовых газов (FT) и температурой окружающей среды (AT) играет решающую роль в обоих расчетах. Температура дымовых газов измеряется в "горячей точке" - точке, где температура максимальна. Температура окружающей среды измеряется при заборе воздуха, идущего на горение, или на подающей трубе системы, независимой от окружающей среды.

Расчет теплопотерь для твердого топлива: , используется, если специфические факторы для топлива А2 и В равны 0.

Расчет теплопотерь:

FT - температура дымовых газов,
AT - температура окружающей среды,
А2, В - спец. факторы для топлива (см. табл. выше),
21 - содержание кислорода в окружающей среде,
О2 - О2конц., измеренная в дымовых газах,
СО2 - углекислый газ, рассчитанный из значения СО2макс. и конц. О2.

Избыток воздуха (λ). Для достижения полного сгорания, необходимо подавать на горелку больше теоретически необходимого воздуха. Соотношение между этим подаваемым воздухом и теоретически необходимым для сгорания воздухом называется избытком воздуха.

Измерение NOx. NOx - смесь двух газов NO и NO2. Процентное соотношение NO2 в смеси NOx сильно отличается в зависимости от типа процесса сгорания. Например содержание NO2 во многих горелочных системах только 3-5%, а в турбинных системах 40% и выше.

Анализ дымовых газов в промышленности преследует следующие цели:

• мониторинг выбросов - соответствие заданным предельным значениям. Важные параметры: NOx (NO+NO2), SO2, CO, H2S, O2 и в некоторых случаях - CO2;
• настройка и оптимизация системы. Соответствует предельным значениям выбросов. В случае несоответствия, цель - уменьшить эксплуатационные расходы благодаря экономии энергии. Важные параметры: O2, CO, CO2, избыток воздуха и КПД;
• мониторинг производственного процесса. Мониторинг процессов сгорания для обеспечения их качества, уменьшение производства некачественной продукции, снижения затрат через экономию энергии и уменьшения периодов простоя. Важные параметры: O2, CO, CO2, SO2.

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.

Разработанные автоматические системы оптимизации соотношения «топливо-воздух» построенные с использованием стационарных газоанализаторов, ведут процесс регулирования по величине содержания кислорода (О2) 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 от других условий эксплуатации (неконтролируемый подсос воздуха, изменение характеристик горелок, неидентичность горелок в многогорелочных котлах, изменение теплотворной способности и вида 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 показывает, что при недостатке кислорода проявляется резкое повышение концентрации оксида углерода. Соответственно, система регулирования процесса горения, основанная на измерении концентрации оксида углерода (СО), будет обладать более высокой чувствительностью к изменению характеристик горения. Регулирование сводится в этом случае к поддержанию режима на грани химнедожога, не допуская при этом сколько-нибудь значительного перерасхода топлива. Данный вариант регулирования, с использованием датчиков содержания оксида углерода, свободен от ряда недостатков, присущих ранее рассмотренным системам, несовершенство же рассматриваемого метода состоит в том, что он предполагает поддержание определенного уровня химнедожога, обеспечивающего содержание в отходящих газах 5-10 ppm оксида углерода (СО). Такой алгоритм предполагает непроизводительные потери тепла, и, кроме того, при некоторых условиях он становится неустойчивым, что создает сложности в регулировании и поддержании установленного режима горения.

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 сенсора СО - для определения содержания оксида углерода (основной канал) и сенсора О2 - для определения содержания кислорода (дополнительный канал регулирования). В этом методе 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.

Выводы:

1. Метод регулирования режимов горения с использованием 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;
3. К настоящему времени разработаны, как техническое обеспечение, так и алгоритмы управления для использования в автоматических системах регулирования сразу двух каналов контроля - по оксиду углерода и кислороду.