Разработка нового семейства интеллектуальных систем управления качеством сжигания топлива

авторы:  Шкаровский А.Л., Новиков О.Н., Полушкин В.И.

Оптимизация Сжигания Топлива – Ключ к Энергоэффективности

Авторский коллектив на протяжении многих лет занимается решением задачи автоматического управления качеством сжигания топлива. Под этим термином понимается одновременная энергоэкологическая оптимизация процесса: как с точки зрения повышения эффективности использования топлива, так и снижения вредного воздействия продуктов сгорания на окружающую среду. Эти два направления оптимизации не только трудны сами по себе, но и часто находятся в противоречии.

Hапример, снижение избытка воздуха в зоне горения эффективно подавляет образование оксидов азота, но способствует появлению химнедожога. А повышение избытка воздуха с целью обеспечения полноты сгорания неизбежно приводит к росту потерь теплоты с отходящими газами. При этом, в любом случае, остается найти ответ на непростой вопрос: в каком соотношении показатели эффективности и экологичности сжигания топлива вместе свидетельствуют об оптимальном его использовании, каков алгоритм одновременного рассмотрения физических величин, имеющих совершенно разные единицы измерения ?

Hа рис. 1 приведена принципиальная зависимость содержания основных компонентов продуктов сгорания (O2, СO2, СO, NOх) и КПД котлоагрегата (η) от коэффициента избытка воздуха (α). Хорошо видно, что КПД котлоагрегата имеет максимальное значение в очень узкой зоне ре-гулирования по избытку воздуха. В этой же зоне можно обеспечить минимальный выход оксидов азота. А вот химнедожог (выход оксида углерода) в этой зоне начинает заметно расти. Возникает неизбежный вопрос: чем поступиться?

Важные Моменты в Оптимизации: Токсичность и Эффективность

С этой точки зрения необходимо отметить два важных момента в подходе к определению совокупных оптимальных параметров качества сжигания топлива.

Во-первых, по уровню токсичности всем хорошо известный угарный газ в десятки раз менее опасен для человека, чем оксиды азота: по показателю максимальной разовой допустимой концентрации в атмосферном воздухе – почти в 60 раз (5 мг/м3 для СO и 0,085 мг/м3 – для NO ), а по среднесуточной – в 75 раз (3 мг/м3 и2 0,04 мг/м3, соответственно).

Во-вторых, стремление к полному отсутствию продуктов химнедожога в отходящих газах (а этим принципом руководствуются подавляющее большинство наладчиков котлоагрегатов) отнюдь не соответствует максимальной эффективности использования топлива. Некоторое содержание СO в газовой среде увеличивает степень ее черноты, что способствует более эффективной работе экранных поверхностей нагрева, в значительной мере определяющих КПД котла. Авторы в своих многочисленных исследованиях доказали, что содержание СO в уходящих газах на уровне 300–500 ppm (0,3–0,5 % об.) в большинстве случаев соответствует работе котла с максимальным КПД .

Методика Интегральной Оценки Качества Горения: Энергоэкологическая Эффективность

Предложив в качестве абсолютного показателя эффективности сжигания топлива КПД котлоагрегата «брутто», а в качестве такой же характеристики вредного воздействия на атмосферу – показатель токсичности продуктов сгорания, авторы разработали методику интегральной оценки качества сжигания топлива по относительному критерию энергоэкологической эффективности. Оптимальный режим работы котла по избытку воздуха соответствует максимальному значению этого критерия (предельное значение равно 2,0, когда совпадают режимы работы котла с максимальным КПД и минимальным показателем токсичности продуктов сгорания).

Однако на пути реализации такого подхода возникают чисто технические трудности. Во-первых, взаимное расположение кривых на рис. 1 будет иным при каждой нагрузке (производительности котла), а вместе с тем изменится и положение области оптимального режима сжигания топлива. Во-вторых, границы этой области очень подвижны, поскольку даже для конкретного котла и газогорелочного оборудования они зависят от их технического состояния, состава и теплоты сгорания топлива, климатических условий (влажности воздуха и атмосферного давления), температуры топлива и воздуха, работы тягодутьевых устройств и многих других факторов влияния. Удерживать топочный процесс в узкой области соответствия поставленным задачам при непрерывно меняющихся факторах воздействия можно только путем применения автоматики, причем с компьютерным управлением.

Автоматизация Котлов: Решение Проблем Энергоэффективности и Экологии

Для производства пара и горячей воды в настоящее время широко применяются отечественные котлоагрегаты, разработанные и построенные многие годы назад. Это объясняется их надежностью, широким диапазоном регулирования, ремонтоспособностью, большим сроком эксплуатации и другими очень важными, эксплуатационными показателями. Некоторые типы котлов имеют возможность уникальной форсировки режима (у котлов ДКВР – до 40 %).

Такие котлы, как правило, надежно обеспечивают технологические потребности в теплоносителях, но оборудованы безнадежно устаревшими системами автоматики. Часто щиты автоматики разукомплектованы из-за отсутствия на рынке соответствующих приборов, и котлы, по существу, находятся на ручном управлении. Практически отсутствуют приборы контроля состава дымовых газов. Эксплуатация котлов с такими системами управления становится очень расточительной, а требования по охране окружающей среды вообще не выполняются.

Интеллектуальные Анализаторы Качества Горения: Новый Уровень Энергоэффективности

Прежде всего, для реализации изложенных выше принципов эффективного и экологичного сжигания топлива требуется оснастить существующие и вновь проектируемые котлоагрегаты надежными анализаторами дымовых газов. Разработанные авторским коллективом приборы контроля и управления качеством горения топлива предоставляют эксплуатирующим организациям уникальную возможность при ограниченных затратах вывести работу оборудования на уровень современных требований по эффективности использования топлива и охране окружающей среды.

Разработана целая серия интеллектуальных анализаторов качества горения ИАКГ, ИАДГ, КАДГ, КАКГ (рис. 2) и другие, которые могут работать как в автономном режиме (так называемый «советчик оператора»), так и включаться в системы автоматического регулирования горения. Hа рис. 2 приведена принципиальная схема системы автоматического управления подачей воздуха для типового парового котлоагрегата средней мощности с использованием анализатора КАКГ для оптимизации горения.

Система Автоматического Управления Горением: Принцип Работы

Такая система имеет два контура регулирования: «ведущий» – топлива и «ведомый» – воздуха, с соответствующими регуляторами, датчиками и исполнительными механизмами, воздействующими на заслонки. Регулятор воздуха (РВ) получает два входных сигнала: задающий – от датчика давления топлива (ДТ) через функциональный преобразователь (ФП), согласующий характеристики заслонок, и сигнал обратной связи – от датчика давления воздуха (ДВ). Этот сигнал проходит через корректор-анализатор КАКГ, осуществляющий коррекцию экономичности и качества сжигания топлива по O2 и СO в дымовых газах. В качестве индекса нагрузки для КАКГ может быть использован также сигнал от датчиков расхода пара, топлива или теплопроизводительности (для водогрейных котлов).

Система “Факел”: Комплексные Решения для Управления Горением

Дальнейшим естественным шагом в этом направлении была разработка комплектных систем управления качеством сжигания топлива, поставляемых заказчику и внедряемых «под ключ». Первым опытом создания таких продуктов была система «Факел» 5. При наличии работоспособного штатного регулятора соотношения «газ – воздух» на щите автоматики котла этот регулятор сохранялся, а корректирующий сигнал поступал на свободный вход регулятора. Сохранение комплектного штатного щита автоматики, включая регуляторы уровня воды в барабане и разрежения в топке, существенно удешевляло внедрение системы.

Система “Факел”: Принцип Работы и Преимущества

Такое решение было привлекательно тем, что штатный регулятор (Р25, РС29) очень быстро реагирует на изменение нагрузки котла (давления газа). Компьютерный процессор системы сначала производит корректировку по оптимальному содержанию кислорода в отходящих газах для данной нагрузки, а затем дополнительно в непрерывном режиме корректирует соотношение «газ – воздух» по содержанию оксида углерода в продуктах сгорания. Разумеется, как оптимальная кривая «нагрузка – O2» в памяти процессора, так и границы «воздуха мало» и «воздуха много» по содержанию СO определяются тщательной наладкой котлоагрегата в процессе внедрения системы.

Система “Факел2000” и “Факел2010”: Эволюция и Новые Возможности

Развитием этого семейства стала система «Факел2000» с выводом информации о работе котла на компьютер оператора котельной. Поскольку дальнейшее широкое внедрение систем управления качеством сжигания топлива все чаще сталкивалось с ситуацией, когда штатные системы автоматики котлов были разукомплектованы, необходима была разработка комплексной системы автоматики регулирования и безопасности котла. Таким решением стала представляемая в статье система «Факел2010». Эта система имеет собственный щит автоматики со всеми необходимыми регуляторами (рис. 3). Вся необходимая информация о работе агрегата выводится на жидкокристаллический монитор, установленный на этом щите (рис. 4), или на пульте управления (котельной, цеха и т.п.).

Система «Факел2010» предназначена для непрерывного контроля и регистрации основных параметров технологического процесса сжигания топлива, оптимального автоматического регулирования работы котельных агрегатов и печей с целью экономии топлива и снижения выбросов в атмосферу вредных веществ. Система может быть использована как при реконструкции существующих, так и проектировании новых котлов и промышленных печей средней и большой мощности.

К областям ее применения относятся теплоэнергетика, металлургия, нефтехимия, производство строительных материалов, коммунально-бытовой сектор и другие отрасли, где используются топливосжигающие агрегаты, работающие на различных видах топлива.

Реализуя энергосберегающие и природоохранные принципы использования топлива, система обеспечивает:

• экономию топлива от 6 до 12 % в среднегодовом исчислении;
• снижение выбросов оксидов азота в атмосферу на 30–40 %;
• снижение потребления электроэнергии дутьевыми вентиляторами и дымососами на 25–50 %;
• общее повышение надежности работы теплотехнического и механического оборудования за счет непрерывной диагностики и контроля работы обмуровки котла, газовоздушных трактов, датчиков, исполнительных механизмов и др.;
• возможность диспетчеризации и передачи информации в любые информационные сети предприятия, включая полное интегрирование в системы BMS (building mаnаgеmеnt sуstеm);
• протоколирование работы котлоагрегата, дружественный интерфейс оператора, возможность просмотра и печати текущего отчета, отчета за смену и т.п.

По данным уже осуществленных внедрений системы обеспечивается полная окупаемость затрат на реконструкцию за 6–18 месяцев. Система обеспечивает: автоматический пуск и останов котла, непрерывный контроль технологических параметров, защиту от аварийных режимов и регулирование подачи топлива, воздуха, разрежения в топке и (для паровых котлов) уровня воды в барабане. Все это осуществляет микропроцессорный контроллер АГАВА6432.20, установленный в шкафу управления.

Анализаторы Дымовых Газов и Регулирование

Контроль дымовых газов осуществляется двумя комбинированными анализаторами. Анализатор КАКГ устанавливается в дымоход за котлом, а ИАКГ – за экономайзером (рис. 5). Oба анализатора измеряют: содержание кислорода, оксида углерода, температуру и давление. Причем анализатор КАКГ формирует корректирующий сигнал, обеспечивающий оптимальное соотношение «топливо-воздух», который заводится в контроллер и воздействует на регулятор воздуха. Анализатор ИАКГ рассчитывает параметры, характеризующие экономичность и качество сжигания топлива, а также эффективность работы всего котлоагрегата. Частотные преобразователи регулируют скорость вращения вентилятора и дымососа, обеспечивая их плавный пуск и точную установку необходимого расхода воздуха, давления и разрежения в газовоздушных трактах. Этот способ регулирования производительности тягодутьевого оборудования экономичен, по сравнению с регулированием регистрами (заслонками), особенно при значительной недогрузке электродвигателей. Данные о работе котла передаются по интерфейсу RS485 на компьютер АСУ ТП верхнего уровня, где осуществляется:

• сбор и регистрация первичной информации о ходе технологического процесса;
• предоставление информации в виде мнемосхем технологического процесса;
• ведение истории технологического процесса;
• просмотр и анализ хода технологического процесса;
• сигнализация и регистрация событий и нарушений в ходе технологического процесса;
• регистрация всех действий операторов;
• настройка прав пользователей и уровней доступа.