Приборы контроля эффективности и качества промышленного сжигания топлива

Авторы: Новиков Олег Николаевич к.т.н., генеральный директор

Окатьев Алексей Николаевич к.т.н., технический директор

Крыжова Надежда Сергеевна аспирант

---

Аннотация: Оценка Эффективности Сжигания Топлива и Методы Контроля

В статье рассмотрены различные виды показателей эффективности сжигания топлива и выделены главные – энергетические. Проанализированы нормативные и упрощенные методы, алгоритмы расчета основных показателей эффективности и качества сжигания различного топлива. Представлена информация по разработанным и используемым на практике приборам контроля эффективности, качества сжигания топлива и оптимизации управления топливосжигающими установками.

---

 

Энергоэкологическая Оптимизация Сжигания Топлива: Терминология и Цели

Специалисты по энергетике, экономике, автоматизации, приборостроению, метрологи, экологии и др., связанные с сжиганием разнообразных видов топлива в различных теплоэнергетических агрегатах (котлах, печах, сушилах и др.) пользуются терминами: «энергетическая эффективность», «энергосбережение», «качество и экономичность горения», «оптимальность использования топлива» и др. Вся эта терминология охватывается общим понятием энергоэкологическая оптимизация сжигания топлива, которая предусматривает инструментальный контроль процессов с их оценкой и внедрение прогрессивных технических решений, для повышения экономической эффективности использования топлива и для снижения вредного воздействия продуктов сгорания на окружающую среду.

Классификация Показателей Эффективности Топливосжигающих Установок

Для оценки экономической эффективности, технического уровня и качества эксплуатации теплоэнергетических агрегатов (на примере котлоагрегатов) служит система энергетических, экономических и режимных показателей.

• Энергетические показатели, связанные с технологией сжигания топлива, характеризуют степень использования тепла топлива или тепла другого источника – тепловую экономичность различных агрегатов.

  Энергетические показатели: коэффициенты полезного действия (КПД) брутто (η_бр) и нетто (η_к) любых устройств, сжигающих топливо; доля расхода тепла на собственные нужды (q_сн); коэффициент теплового потока (η_т.п); удельный расход топлива на отпущенную тепловую энергию (b_котл); коэффициент избытка воздуха, расходуемого на горение (α_у), и др.

• Система экономических показателей, которыми пользуются обычно экономисты при проектировании топливосжигающих установок, включает: суммарные (К) и удельные капитальные вложения (k); ежегодные издержки производства (∑S); себестоимость единицы продукции (тепловой энергии S_т); приведенные затраты (З).

• Режимные показатели, не связанные напрямую с технологией сжигания топлива, характеризуют степень использования оборудования, условия работы топливосжигающих установок. К ним относятся показатели: коэффициенты рабочего времени (k_r), средней нагрузки (k_ср), использования максимума нагрузки (k_m), использования установленной мощности (k_уст); годовое число часов использования установленной мощности (h_год) и максимума тепловой нагрузки (h_о).

Расчет КПД: Методы и Исходные Данные

Большая часть показателей используется при проектировании и режимно-наладочных испытаниях агрегатов для периодических технико-экономических расчетов по известным формулам с помощью электронных калькуляторов или компьютеров. Другая часть показателей, в основном энергетических, которая интересует авторов данной статьи, используется непрерывно автоматическими устройствами для отображения результатов работы теплоэнергетического оборудования и корректирующего регулирования, с целью повышения эффективности. Исходные величины для расчетов показателей эффективности работы в основном поступают от штатных контрольно-измерительных приборов (КИП) агрегатов и дополнительно от специальных, стационарных или переносных теплотехнических (газоаналитических) приборов в процессе эксплуатации или режимно-наладочных испытаний. Для определения энергетической экономичности различных теплоагрегатов (например, котлов) в отечественной и зарубежной практике имеются различные стандарты [4, 5], которые устанавливают нормативные методы расчета (формулы), проведения испытаний, измерений и наилучшие доступные технологии (НДТ) сжигания топлива в технологическом оборудовании в стационарных режимах. Важным показателем, характеризующим экономичность работы котлоагрегата, является коэффициент полезного действия брутто, который определяется прямым или обратным методом из уравнения теплового баланса по формулам:

η_к^бр = (Q₁ / Q_р^бр) * 100; Q₁ = Q_р^бр / B_к

где Q₁ – полезно использованное тепло котлоагрегатом (ккал/кг); Q_р^бр – располагаемое тепло, содержащееся в расходуемом топливе, с учетом физического тепла, внесенного воздухом и топливом при горении (ккал/кг); Q_кор — выработанное тепло (ккал/ч) и B_к — расход топлива котлоагрегатом (кг/ч).

Прямой и Обратный Методы Расчета КПД

 

Прямой метод определения КПД брутто является сложным и трудоемким, так как сопряжен с использованием большого количества параметров, измеренных с высокой точностью, и применяется для камеральных расчетов при проектировании теплоэнергетических установок и их испытаниях. Результаты расчетов этим методом можно использовать как «эталонные».

Обратный метод определения КПД брутто котлоагрегатов является предпочтительным, пригоден для оперативного использования при эксплуатации существующего оборудования и заключается в определении величин всех потерь теплового баланса по формуле:

η_к^бр = 100 – Σ_j=2ⁿ q_j

где q₁ – удельное полезно использованное тепло в %; q_j - удельные потери тепла в котлоагрегате в %.

При этом сумма потерь зависит от вида сжигаемого топлива:

• для твердого топлива, равна (q₂ + q₃ + q₄+ q₅ + q₆);
• для жидкого и газообразного топлива, равна (q₂ + q₃ + q₅).

В свою очередь, каждый вид потерь определяется уравнениями.

• Потери тепла с уходящими дымовыми газами q₂ (в %)

• По «классической» формуле: q₂ = (I_ух – I_вх) * (100 – q₄) / Q_р^бр = V_ух / V_в * (21 / (21 – O₂)) где I_ух – удельная энтальпия уходящих газов при коэффициенте α_ух, температуре T_ух и полном сгорании топлива; I_вх – удельная энтальпия теоретически необходимого количества холодного воздуха на входе в котел; α_ух – коэффициент избытка воздуха; V_ух – фактический объем воздуха, расходуемый на горение; V_в – теоретически необходимый объем воздуха для стехиометрического горения; O₂ – измеренная концентрация кислорода в уходящих газах в об.%.

• По упрощенной формуле М.Б. Равича: q₂ = 0,01 Z(T_ух – T_вх); Z = [C^t+(h-1)B^t K] * 100 / t_max где T_ух – температура уходящих дымовых газов; T_вх — температура воздуха, поступающего в топку; t_max — жаропроизводительность топлива из таблиц; B’ – коэффициент разбавления дымовых газов воздухом; C’, K – поправочные коэффициенты, зависящие от температуры дымовых газов из таблиц.

• По упрощенной формуле Siegert (Зигерта) в стандарте DIN: q₂ = (T_дг – T_вг) * [A₁/(CO₂0.01) + B]/Q_р^бр * 100; α = 21 * CO₂^max / (CO₂(21-O₂)) где T_дг, T_вг – измеренная температура дымовых газов и воздуха, подаваемого на горение (в °С); CO₂ – измеренная или рассчитанная концентрация диоксида углерода в дымовых газах (в об.%); O₂ – измеренная концентрация кислорода в сухих дымовых газах (в об.%); CO₂max – наибольшая концентрация диоксида углерода в дымовых газах при полном сжигании топлива из табл. 1 (в об.%); α – коэффициент избытка воздуха; B и A₁ – эмпирические коэффициенты, зависящие от вида сжигаемого топлива из табл. 1.

Расчет Потерь Тепла от Химической Неполноты Сгорания (q3)

• Потери тепла от химической неполноты сгорания топлива q₃ (в %): q₃ = (Q₃ / Q_р^бр) * 100; Q₃ = V_с.г (30,18CO + 85,55CH₄ + 25,79H₂ + 141,1C_nH_m) где V_с.г – объем сухих дымовых газов при 0°C и 0,1 МПа в месте отбора на анализ; CO, CH₄, H₂, C_nH_m – содержание продуктов неполного сгорания топлива в дымовых газах.

• По упрощенной формуле М.Б. Равича: q₃ = (Q₃ * 100) / (B_т * Q_р^бр) = (30,2CO + 25,8H₂ + 85,5CH₄) * h / P где P – максимальное теплосодержание сухих продуктов сгорания данного вида топлива (практически постоянная обобщенная константа) из таблиц.

• По упрощенной формуле Зигерта: q₃ = 5 * CO₂max * (1 – O₂ / 21) / (CO₂ + CO) где CO – измеренная концентрация оксида углерода в дымовых газах (в об.%); CO₂ – измеренная или рассчитанная концентрация диоксида углерода в дымовых газах (в об.%); A₂ – эмпирический коэффициент, зависящий от вида сжигаемого топлива из табл. 1.

Расчет Потерь Тепла от Механической Неполноты Сгорания (q4)

Потери тепла от механической неполноты сгорания топлива q₄ определяются наличием недогоревшего топлива в шлаке или золе (Q₄), выпадающей в газоходе и бункере (в %):

q₄ = Q₄ / Q_р^бр * 100.

Расчет Потерь Тепла на Излучение и Конвекцию (q5) и в Шлаке (q6)

• Потери тепла на излучение и конвекцию в окружающую среду q₅ (в %) включают теплоту, отдаваемую обмуровкой и другими частями котла окружающему воздуху. Они вычисляются нормативным методом по измеренным температуре поверхности котла и окружающего воздуха с использованием принятых коэффициентов теплоотдачи. Либо упрощенно, согласно нормативным табличным данным для номинальной нагрузки (q_5ном) и с учетом фактической нагрузки котла (B_ф), отличающейся от номинальной (B_ном), по формуле (в %):

  q₅ = q_5ном * (B_ф / B_ном)

• Потери тепла в шлаке или золе при слоевом и камерном сжигания твердого топлива q₆ определяются температурой шлака, удельной теплоемкостью и рассчитываются по формуле (в %):

  q₆ = Q_шл / Q_р^бр * 100.

Анализ Методов Расчета КПД и Выбор Оптимальных Подходов

Анализ приведенных формул для расчета КПД брутто любого топливосжигающего агрегата по методу прямого баланса позволяет сделать выводы:

1. Нормативный (классический) метод расчета не применим для цели оперативного контроля и регулирования процессов сжигания топлива, так как требует громоздких вычислений удельных объемов, энтальпий продуктов сгорания и др., а также измерений калорийности топлива, химического состава дымовых газов и их расходов. Его можно использовать как проверочный для оценки точности других методов.

2. Для оперативного контроля и регулирования процессов сжигания топлива рационально использовать упрощенные, но достаточно точные (невязка составляет 0,2-1,5%), методы расчета: М.Б. Равича, Зигерта и др. При этом для вычислений требуется меньшее количество исходных данных и их легко добыть: из таблиц; от штатных КИП агрегатов; от специальных стационарных или переносных газоаналитических приборов. Кроме этого, данные формулы проще «поместить» в микропроцессоры измерительных приборов и вычисления по ним не потребуют большого быстродействия и объема памяти.

Другим важным параметром, существенно влияющим на показатели экономичности и качества работы котлоагрегата, это количество воздуха, поступающего в топку для горения, вернее, соотношением «топливо-воздух», которое определяется коэффициентом избытка воздуха (α).

В топливосжигающих агрегатах должно быть точно сбалансировано соотношение «топливо-воздух». Недостаток воздуха вызывает неполное сгорание топлива, появление «недожога» (преимущественно СО), уменьшение температуры дымовых газов и снижение КПД. Избыток воздуха приводит к появлению лишнего кислорода (O₂) в дымовых газах, повышению их температуры и так же снижению КПД. В обоих случаях сжигание топлива сопровождается повышенным выбросом в атмосферу высокотоксичных газов CO и NOx, т.е. ухудшается экологическая обстановка.

 

 

Оптимизация Режима Сжигания и Снижение Выбросов NOx

Из приведенных кривых видно, что с уменьшением коэффициента избытка воздуха снижаются содержание кислорода (O₂), температура дымовых газов и потребление электроэнергии вентилятором и дымососом и, как следствие, повышается КПД котла.

Котельные агрегаты, из-за отсутствия газового контроля отходящих дымовых газов и наличия значительных присосов в топке и газоходах, а также в результате действий наладчиков для безопасности котлов с режимными картами (К), работают при необоснованно больших избытках воздуха (α). Поэтому уменьшение коэффициента избытка воздуха является эффективным методом снижения потерь теплоты с уходящими газами q₂ и подавления оксидов азота (NOx). Это достигается только регулированием, при этом не удорожается технологическое оборудование и не меняется конструкция горелочных устройств.

Появление СО определяет границу допустимого воздействия на уменьшение воздуха. Эта граница является гибкой и зависит: от характеристик горелочных устройств; от нагрузки котла; состава топлива (теплоты его сгорания); климатических условий; температуры топлива и воздуха; технического состояния оборудования и др. Область экономически выгодного (оптимального) режима сжигания топлива (зона А), соответствующая малым значениям кислорода (0,5-1,5 %) и содержанию оксида углерода на уровне 100-300 ppm, выделена на рис.1 штриховкой. Она может быть обеспечена только автоматической коррекцией работы горелочных устройств.

Современные Газоаналитические Приборы и Системы Управления

Для реализации этих принципов, существующие и вновь проектируемые котельные агрегаты, требуют оснащения: надежными, стационарными анализаторами дымовых газов; быстродействующими микропроцессорными регуляторами; интеллектуальными вычислительно-регистрирующими приборами, а для создания АСУ-ТП и обмена информацией, соединить их интерфейсом с управляющим контроллером котла 8. Разнообразные переносные газоанализаторы, способные рассчитывать параметры горения, с которыми работают наладчики во время режимных испытаний агрегатов (повторяются через 3 года), не решают существующей проблемы. Потому, что эти приборы, содержащие датчики газов с жидкими электролитами, которые быстро расходуются, по надежности рассчитаны на кратковременную работу и не могут быть адаптированы в системы автоматического регулирования.

Продукция НПФ «УРАН-СПб» для Оптимизации Сжигания Топлива

Для этой цели подходит газоаналитические приборы и автоматические системы энергосбережения, разработанные, изготавливаемые и внедряемые в течение 25 лет НПФ «УРАН-СПб», которая занимается решением проблем экономного сжигания топлива в теплоэнергетике .

Для контроля экономичности, качества сжигания топлива и для управления этим процессом специально разработано в 2011 году и серийно выпускается с 2016 года семейство стационарных, комбинированных, автоматических анализаторов дымовых газов непрерывного действия, внесенное в государственный реестр средств измерений № 62989-16.

Семейство Комбинированных Анализаторов Дымовых Газов (КАДГ, ИАКГ, КАКГ)

В список входят следующие модели приборов, представлены на рис.1:

• Многокомпонентный анализатор дымовых газов КАДГ.
• Интеллектуальный анализатор качества горения топлива ИАКГ.
• Корректор-анализатор качества горения топлива КАКГ.

Комбинированные анализаторы дымовых газов предназначены для:

• измерения концентрации кислорода и оксида углерода в отходящих топливосжигающих установках;
• измерения температуры дымовых газов и воздуха на горение;
• измерение избыточного давления/разрежения дымовых газов или (в моделях КАКГ) давление воздуха на горение,

а также определение расчетным методом (в моделях ИАКГ, КАКГ) содержание диоксида углерода (CO₂) и эффективности горения топлива (КПД), определение расчетным методом по ПИД-закону (в модели КАКГ) величины скорректированного давления воздуха или коэффициента коррекции с целью оптимизации процессов горения.

Рис. 2 Семейство комбинированных анализаторов дымовых газов моделей КАДГ, ИАКГ, КАКГ

Функциональные Возможности Анализаторов Дымовых Газов

Анализаторы имеют встроенное программное обеспечение (ПО), разработанное специально для решения задач измерения содержания определяемых компонентов, температуры и давления анализируемой среды, а также вычисления параметров, характеризующих эффективность топливосжигающих установок. Функциональная схема вычислительного устройства для моделей ИАКГ, КАКГ приведена на рис. 3.

Все приборы унифицированы и выполнены на единой конструктивной платформе, изготавливаются в четырех модификациях (Н), (П), (Т), (Ex) с разной длиной погружной части и применяются в различных условиях окружающей (таб. 2) и анализируемой (табл. 3) сред, соответственно, нормальной, запыленной, высокотемпературной и взрывоопасной. Способ отбора пробы газа диффузионный или принудительный с использованием встроенного воздушного эжектора или компрессора.

 

 

Анализаторы выполнены в виде нескольких блоков, которые монтируются непосредственно на стенке дымохода у точки отбора пробы. В анализаторах использованы надежные и долговечные датчики по измерительным каналам:

• концентрации кислорода и оксида углерода – электрохимические на твердых электролитах;
• температуры – термоэлектрические и терморезистивные;
• избыточного давления/разрежения – пьезорезистивные.

В функциональной схеме (рис.3) содержатся элементы, обозначенные:

• ТСВ, ДР – внешние датчики: термометр сопротивления; расходомер топлива или пара (индекс нагрузки);

• БУМ – звено установки масштаба измеряемого параметра;

• Т – электронный (виртуальный) переключатель сигналов; • 1/0 – кнопка электронного переключателя сигналов.

• УД – устройство установки диапазона измерения параметра;

• ПТ – преобразователь «напряжение-ток» измерительного канала;

• ИП – индикация параметра на ЖК-дисплее;

• РЭ – компаратор, сравнивающий текущее значение параметра с пороговым значением и формирующий логический сигнал;

• УКД – устройство контроля состояния датчика;

• ФНЧ – фильтр низкой частоты для входного или выходного сигналов;

• ТХА, ДИД – датчики температуры; избыточного давления/разрежения в блоке БИД анализатора;

• + , - , +=, Х , : , еxp – математические операции;

• ХХХ ◘–постоянный коэффициент, программируемый пользователем;

• ХХХ ○ – константа, запрограммированная во FLASH-память на заводеизготовителе;

• ЭПВА, ЭПВД–электронные переключатели (коммутаторы) аналоговых и релейных выходов.

Предлагаемые 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.

Заинтересованные читатели могут найти подробную информацию по научно-техническим достижениям фирмы на ее сайте: www.uranspb.ru