Автоматическое управление качеством сжигания топлива
Авторы: О.Н. Новиков, генеральный директор ЗАО НПФ "УРАН-СПБ",
А.Н. Окатьев, технический директор ЗАО НПФ "УРАН-СПБ",
А.Л. Шкаровский, д.т.н, профессор СПБГАСУ
Актуальность вопроса энергоэффективности
В ноябре 2009 года дан старт Федеральному закону № 216-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» возлагает огромные надежды на повышение энергоэффективности всего сектора. В результате проведения энергоаудитов будут созданы энергетические паспорта и предложены энергосберегающие мероприятия, которые станут толчком к повсеместному переходу на энергосберегающие технологии. При составлении этих программ, наряду с потреблением энергии, необходимо учитывать и рекомендованные мероприятия для повышения эффективности использования энергии. Данная статья посвящена принципам и практическим методам применения новых газоаналитических приборов, приводятся примеры практического применения энергосберегающих систем, управлению процессами эффективности сжигания топлива в существующих котельных.
Энергосбережение и Энергоэкологическая Безопасность: Почему это важно?
Энергосбережение и энергоэкологическая безопасность — для нас понятия неделимые и даже взаимосвязанные. За счет сжигания топлива другие виды энергетической продукции (тепловой и электрической энергии) и на сегодняшний день являются основной составляющей энергетической цепочки предприятия, а нередко и угрозой его тепловой безопасности. О чем думаем в первую очередь? Сегодня может являться весь про анализируемый рынок, в связи с тем, что большое количество тепла просто выбрасывается в атмосферу, губя эту картину.
Самым главным способом всегда и везде, будет являться углубление основной деятельности предприятия. Но и в каждом, конкретном направлении нужно стремится к снижению энергоёмкости производства и повышению эффективности использования материалов, энергии и отходов. У нас имеются очень серьезные резервы экономии тепла и газа при сжигании топлива. Задачи повышения экономичности сжигания топлива, уменьшения выбросов вредных веществ в атмосферу и снижения капитальных затрат на их реализацию не только очень сложны, но и часто противоречат друг другу. Однако они вполне разрешимы за счет решения задачи прямого энергоэкологического оптимального использования топлива за счет управления качеством его сжигания.
В классическом понимании экономии сжигания, основным принципом повышения эффективности является уменьшение экономии и уменьшение объема избыточного воздуха подаваемого на горение. Основным источником дополнительной экономии топлива является повышение эффективности теплообмена тепловоспринимающих поверхностей, что не всегда связанно с коэффициентом избытка воздуха и зачастую является чисто технологической проблемой, внедрение современных горелочных устройств и их замена.
Параллельное Управление: Просто, но Недостаточно
Наиболее распространенным для отечественного уровня автоматизации котельной техники является параллельное управление. Такая система воспринимает информацию о давлениях регулируемых потоков и настраивается на оптимальное (на момент наладки) соотношение «топливо-воздух» при номинальной нагрузке с некоторым допуском в сторону большего избытка воздуха. Этот допуск является обязательным, поскольку система не имеет возможности обнаруживать и компенсировать возмущающие воздействия.
Найденное таким образом соотношение поддерживается постоянным при любых нагрузках котла. Результатом является существенное падение КПД котла на малых нагрузках. К упомянутым возмущающим воздействиям относятся колебания теплоты сгорания топлива, нагрузки агрегата, температуры и влажности топлива и воздуха, техническое состояние горелок и всего агрегата, состояние тягодутьевого оборудования, а также износ направляющих аппаратов и исполнительных механизмов.
Система регулирования с перекрестным ограничением получает информацию о расходах топлива и воздуха, что позволяет значительно более точно выдерживать соотношение их потоков, хотя и она не избавлена от недостатка настройки только на номинальный режим. При этом система с датчиками расхода более дорога.
Вывод из этого короткого анализа прост — соотношением «топливо-воздух» необходимо управлять во всем диапазоне нагрузок. Инструментом такого управления является косвенное измерение коэффициента избытка воздуха и последующая его коррекция. Развитие микропроцессорной техники делает вполне предметной полемику о принципах коррекции избытка воздуха, подаваемого на горение. Ведь именно она лежит в основе управления экономичным и экологически чистым сжиганием топлива.
Компонентами продуктов сгорания, информация о содержании которых может использоваться для измерения коэффициента избытка воздуха и его последующей коррекции, могут быть: диоксид углерода СО2, кислород О2, и продукты химического недожога (это: СО, Н2, СН4 или их сумма, которую часто обозначают как «СОэкв» из-за малости двух последних компонентов). На рис. 1 приведен пример зависимости основных показателей эффективности и экологичности сжигания топлива от коэффициента избытка воздуха а.
Анализ Различных Методов Управления Качеством Сжигания Топлива
Исторически первой возникла технология измерения СО2 (благодаря относительной простоте анализатора) и применялась в котельной технике уже в начале 40-х годов прошлого века. Для данного вида топлива (в основном для угля) с постоянным соотношением содержания «углерод/водород» (С/Н) в его составе коэффициент избытка воздуха жестко связан математически с концентрацией СО2 в продуктах сгорания. Однако различное соотношение С/Н характерно не только для разных видов топлив (газообразного и жидкого). Колебания этого соотношения обычны даже для одного и того же топлива в зависимости от его происхождения, условий транспортировки, хранения и поставки. Это значительно усложняет получение точной косвенной информации об α. Кроме того, концентрация СО2 может объективно свидетельствовать о значении α только при отсутствии химнедожога. Каждый процент концентрации СО2 снижает на столько же содержание СО2 в продуктах сгорания при одном и том же значении α. Таким образом, именно при низких избытках воздуха, то есть в зоне риска по появлению химнедожога, регулирование по СО2 оказывается неприемлемым.
Поэтому в отмеченной выше полемике сейчас традиционно состязаются следующие методы управления:
- по концентрации остаточного кислорода (О2) в продуктах сгорания;
- по концентрации продуктов химнедожога (СО);
- с использованием совместной информации о концентрации О2 и продуктов неполного горения (СО).
В настоящее время, особенно в зарубежной технике, распространены анализаторы концентрации кислорода в отходящих газах. Однако наличие СО в продуктах сгорания также искажает результат измерения. Имеет место и зависимость значения α от соотношения С/Н в топливе. Но эта зависимость гораздо слабее, чем для СО2, а в диапазоне α=1,0…1,15, соответствующем максимальной эффективности сжигания топлива, влиянием вида топлива можно пренебречь. Но при снижении нагрузки котла поддержание постоянной концентрации кислорода за котлом неизбежно приводит к химнедожогу.
«Кислородный» метод характеризуется еще одним существенным недостатком. По прошествии некоторого времени после наладки выявленное оптимальное соотношение «топливо-воздух» постепенно перестает однозначно определяться концентрацией кислорода. Естественный износ элементов горелки и амбразуры меняет турбулентность потоков и условия смесеобразования в пламени. Постепенно снижается и газоплотность котла. Поэтому коррекция избытка воздуха по содержанию кислорода в зоне предельно жестких по недожогу режимов горения становится недостаточно объективной.
Анализаторы содержания СО были поначалу сигнализаторами аварийного химнедожога, с порогом чувствительности около 35000 ppm (3,5% об.). Но современные датчики уверенно работают в диапазоне 0+2000 ррт. Однако концентрация СО объективно позволяет судить только о завершенности процесса горения, но никак не о коэффициенте избытка воздуха. При зафиксированном соотношении «топливо-воздух» и, следовательно, при a=const, концентрация СО в продуктах сгорания может отличаться на порядок в зависимости от турбулентности потоков и других факторов влияния.
Выводы по Эффективному Использованию Информации о Составе Продуктов Сгорания
Результаты выполненного анализа возможности эффективного использования информации о составе продуктов сгорания сводятся к следующим тезисам :
- Измерение концентрации диоксида углерода ни само по себе, ни в совокупности с другими измерениями не может эффективно служить задаче управления качеством сжигания топлива. Именно в требуемом диапазоне регулирования α= 1,05…1,10 оно дает максимальные ошибки, как в силу сильной зависимости от соотношения С/Н в топливе, так и в связи с искажающим влиянием химнедожога.
- Концентрация избыточного кислорода, даже измеренная с помощью циркониевого датчика, определяет избыток воздуха в точке измерения, но не дает объективной информации о полноте сгорания. Тем не менее надежная и чувствительная система управления с О2-корректирующим контуром в сочетании с предварительно определенной оптимальной кривой «нагрузка-О2» позволяет экономить 2+4% топлива в годовом исчислении.
- Информация о концентрации оксида углерода, являясь показателем полноты сгорания, не дает возможности судить о коэффициенте избытка воздуха. Такие системы могут найти ограниченное применение на крупных энергетических агрегатах при условии постоянства характеристик топлива и слабопеременных режимах работы агрегатов.
- Наиболее объективный результат измерения коэффициента избытка воздуха в продуктах сгорания может быть получен на основе совместной обработки информации о концентрации кислорода и продуктов химнедожога в отходящих газах. Эта информация является необходимой для оценки не только полноты, но и экологических характеристик сжигания топлива.
Современные Анализаторы Дымовых Газов и Системы Автоматического Управления от ЗАО НПФ «УРАН-СПб»
Для контроля экономичности, качества сжигания топлива и для управления этим процессом ЗАО НПФ «УРАН-СПб» разработано целое семейство стационарных анализаторов дымовых газов. В список входят следующие приборы:
- простой анализатор кислорода в дымовых газах — О2-МАДГ-2;
- простой анализатор оксида углерода в дымовых газах — СО-МАДГ-1;
- комбинированный анализатор дымовых газов — КАДГ-2, в корпусе которого размещены датчики кислорода и оксида углерода;
- интеллектуальный анализатор качества горения топлива — ИАКГ-2, который содержит: датчики кислорода, температуры дымовых газов и воздуха; микропроцессорное вычислительное устройство, рассчитывающее основные параметры качества горения топлива;
- корректор-анализатор качества горения топлива — КАКГ-1, в корпусе которого размещены: датчики кислорода; температуры и давления дымовых газов; вычислительное устройство качества горения топлива и регулятор, корректирующий подачу воздуха на горение.
Все приборы изготавливаются в двух модификациях (Б, М) и рассчитаны на применение в больших и малых котлоагрегатах.
Разработаны также переносные анализаторы дымовых газов, которые используются для теплоэнергетических обследований и режимной наладки котлоагрегатов.
Авторские рассуждения о принципах оптимального управления качеством сжигания топлива будут оставаться чистой теоретизацией без следующего важного примечания.
Особенности Автоматизации Котельных в Санкт-Петербурге и Ленинградской Области
На сегодняшний день большинство отопительных котельных Санкт-Петербурга и Ленинградской области работают по режимным картам, согласно которым расход подаваемого воздуха на горение не зависит от изменения характеристик топлива и состояния оборудования. Системы не оборудованы приборами контроля состава отходящих газов, а котлы нередко работают с ручным регулированием подачи топлива и воздуха на горение. При составлении режимной карты сознательно увеличивается расход воздуха, подаваемого на горение, для исключения химического недожога, вызванного изменением теплотворной способности топлива, температуры воздуха или иными причинами. В процессе эксплуатации оператор визуально определяет качество горения, в результате чего расход воздуха увеличивается еще больше. Все это ведет к значительному перерасходу топлива и повышенному выбросу загрязняющих веществ в атмосферу.
Котельная установка
Практическое Применение Анализаторов Дымовых Газов для Экономии Топлива
В то же время приблизить работу котла к показателям режимно-наладочной карты можно простым способом, имея непрерывную информацию о содержании свободного кислорода в уходящих газах. Для этой цели необходимо использовать только один анализатора кислорода в дымовых газах типа О2-МАДГ-2 или интеллектуальный анализатор качества горения ИАКГ-2.
Данные анализаторы позволят оператору поддерживать экономичный режим в соответствии с наладочной картой (смотрите на рис. 1 линию «К» и сравните ее с линией фактического режима работы «Ф» без газоанализатора). Кроме этого, можно своевременно обнаруживать серьезные неисправности в газовоздушном тракте технологического оборудования по расхождению параметров, заданных в режимной карте и рассчитанных анализатором. Возможность оперативного контроля технического состояния котла вносит существенный вклад в эффективность, надежность и экономичность работы теплогенерирующей установки.
Следующим логичным этапом энергоэкологической оптимизации сжигания топлива является внедрение технологических решений, направленных на организацию горения с низким или предельно низким коэффициентом избытка воздуха.
Положительного эффекта можно достичь даже на существующем газогорелочном оборудовании, только при использовании систем непрерывного автоматического контроля и регулирования соотношения «топливо-воздух». Это наиболее малозатратный и эффективный способ экономии топлива с одновременным уменьшением образования вредных веществ в топке. При этом необходимо поддерживать подачу воздуха так, чтобы значение коэффициента находилось в довольно узкой области (зона А на рис. 1), нижнюю границу которой определяет появление следов оксида углерода (на уровне 100-300 ppm), а верхнюю — рост потерь теплоты с уходящими газами и повышение интенсивности образования оксидов азота, сопутствующее росту концентрации свободного кислорода.
Проблемы и Решения в Достижении Оптимального Соотношения «Топливо-Воздух»
К проблемам применения данного способа стоит отнести сложность получения высококачественной топливо-воздушной смеси для исключения химического недожога. Особенно это важно при небольших нагрузках котла, когда в целях регулирования расхода давление воздуха снижают до критического значения, при котором горелочное устройство не может обеспечить аэродинамические условия интенсивного смесеобразования в корне факела. Это может вызывать увеличение потерь теплоты от химического недожога топлива и снижение экологичности работы котлоагрегата вследствие выбросов высокотоксичного оксида углерода (СО). Для исключения подобных ситуаций при наладке идут на увеличение расхода воздуха, что в свою очередь ведет к возрастанию потерь теплоты с уходящими газами.
Основной причиной, ограничивающей сжигание топлива с предельно низким коэффициентом избытка воздуха, является сложность поддержания оптимального соотношения «топливо-воздух» на границе возникновения химического недожога. Обеспечить это можно только на базе микропроцессорных систем регулирования, для которых в свою очередь необходима оперативная информация о составе уходящих газов.
Таким образом, требуется применение надежных, легких в управлении и быстро окупающихся систем регулирования подачи воздуха в топку котла. Известные системы такого типа можно классифицировать в соответствии с применяемыми корректирующими сигналами. В системах, получивших наибольшее распространение на мощных котлах энергетического назначения, в качестве корректирующего используется сигнал по содержанию свободного кислорода в дымовых газах.
Однако результаты работы данных систем позволяют сделать вывод о недостаточной представительности такого корректирующего сигнала для условий отопительных и производственно-отопительных котлов, работающих в условиях часто и резко меняющихся нагрузок. Анализ других известных схем автоматического регулирования на соответствие их отмеченным выше требованиям также показывает, что ни одна из них не отвечает принципам энергоэкологической оптимизации сжигания топлива.
Системы Автоматического Регулирования Семейства «Факел» от АО НПФ "УРАН-СПБ"
Принципиально новый подход к решению рассматриваемой проблемы заложен в концепции систем автоматического регулирования семейства «Факел», разработанных фирмой «УРАН-СПб». Этот подход базируется на утверждении, что для получения оптимального регулирующего воздействия необходимо иметь информацию о содержании как свободного кислорода, так и продуктов химического недожога. Диапазон измерения по О2 составляет 0…10%, по СО 0…2000 ppm.
Только имея комплексную информацию о содержании О2 и СО в продуктах сгорания, можно добиться экологически чистого и экономичного сжигания топлива с учетом технологического изменения нагрузки, состава топлива, температуры топлива и воздуха, климатических параметров и других условий, определяющих процесс горения.
Для автоматизации процесса коррекции НПФ «УРАН-СПб» предлагает оснащать существующую работоспособную автоматику котлов анализаторами О2 и СО в дымовых газах, а также корректирующим регулятором, воздействующим на штатный регулятор воздуха. Такие запрограммированные по заданию этой фирмы микропроцессорные корректирующие регуляторы типа «МИНИТЕРМ-400.07» выпускает ОАО «МЗТА». Комплект данных приборов входит в энергосберегающую систему «Факел-2», которая может быть легко адаптирована к любой, но работоспособной системе автоматики котла.
Блок-схема системы «Факел-2», с подключенным к ней штатным технологическим оборудованием, изображена на рис. 2 и наглядно иллюстрирует принципы ее работы.
Корректирующая Энергосберегающая Система «Факел-3»
Для относительно маломощных котлоагрегатов, оснащенных блочными газовыми горелками с жесткой (чаще всего лекальной) связью между заслонками топлива и воздуха, фирмой «УРАН-СПб» предлагается устанавливать корректирующую энергосберегающую систему «Факел-3». Блок-схема системы «Факел-3», с подключенным к ней штатным технологическим оборудованием, изображена на рис. 3 и наглядно иллюстрирует принципы ее работы.
Автоматизированная Система Управления «Факел-2000»
Завершающим шагом авторской концепции является создание автоматизированной системы «Факел-2000» управления всем топливосжигающим агрегатом, внедренной на котлоагрегатах типа ДКВР без изменения конструкции горелочных и топочных устройств, т.е. без удорожания технологического оборудования.
Дополнительная Экономия Электроэнергии с Использованием Преобразователей Частоты (ЧРП)
Еще одна составляющая, влияющая на экономичность работы котлоагрегата, это величина потерь электроэнергии двигателями вентиляторов и дымососов. Обычно при проектировании номинальная производительность турбомашин и, соответственно, мощность электродвигателей выбираются из расчета максимально возможной тепловой мощности котла. Фактически потребляемая мощность котла, в соответствии с изменяющимися условиями, значительно меньше, чем расчетная величина. Регулирование осуществляется в сторону уменьшения т.е. дросселированием с помощью заслонки. Этот способ регулирования очень неэкономичен, так как значительная часть энергии расходуется на преодоление сопротивления заслонки. Альтернативным, экономичным является способ регулирования производительности при полностью открытой заслонке путем изменением скорости вращения электродвигателя, питающегося от преобразователя частоты (ЧРП). Появление относительно недорогих и надежных ЧРП позволило, с целью повышения эффективности работы котлоагрегатов, устанавливать к электродвигателям вентиляторов, дымососов, а иногда и питательных насосов регулируемые преобразователи частоты, которые обеспечивают дополнительную экономию электроэнергии и плавное и точное регулирование производительности этих машин. В связи с этим НПФ «УРАН-СПб» совместно с КБ «АГАВА» в настоящее время закончена разработка следующего поколения системы автоматики для котлоагрегатов с функцией энергосбережения — «Факел-2010». Система построена на приборах, выпускаемых этими фирмами: контроллерах типа КС-6432; многопредельных измерителях давления АДН/АДР; измерителях-регуляторах уровня АДУ; датчиках-реле контроля пламени АДП; преобразователях частоты типа ERMAN; анализаторах дымовых газов и других приборах. Данную полностью автоматическую систему выгодно отличают от предыдущих систем и от оборудования предлагаемого конкурентами показатель «цена-качество» и быстрая окупаемость затрат на ее внедрение.
Преимущества Предлагаемых Систем от ЗАО НПФ «УРАН-СПб»
Предлагаемые ЗАО НПФ «УРАН-СПб» газоаналитические приборы, системы коррекции соотношения «топливо-воздух» и комплексные системы автоматизации котлоагрегатов с функцией энергосбережения позволяют:
- реализовать общую концепцию энергосберегающей работы котлоагрегатов в непрерывном режиме;
- экономить до 6-10% топлива в течение года;
- сократить на 30-40% выбросы оксидов азота в атмосферу;
- уменьшить на 20-55% потребление электроэнергии вентиляторами и дымососами;
- повысить надежность работы теплотехнического и механического оборудования за счет диагностики и контроля работы газо-воздушных трактов, датчиков, исполнительных механизмов и др.
Экономическая Эффективность Внедрения Систем «Факел»
Анализ полученных результатов показывает, что полная окупаемость затрат на внедрение систем «Факел-2», «Факел-3» и «Факел-2000», которая зависит от мощности котлоагрегатов и от исходного технического состояния, составляет от 4 до 24 месяцев. Все варианты систем автоматического контроля и управления экономичным сжиганием топлива семейства «Факел» выполнены на современном техническом уровне с использованием отечественной элементной базы. Эта продукция экспонировалась на международных выставках «Энергетика и электротехника», «Котлы и горелки» в 1997-2010 годах в Санкт-Петербурге и вызвала большой интерес у специалистов.