В большинстве применяемых в настоящее время устройств сжигания газового топлива оптимизация режима горения обеспечивается путем поддержания соотношения расходов газа и воздуха (давления перед горелочным устройством) в соответствии с режимной картой. Такой способ является недостаточно эффективным, он не позволяет вести учет изменения 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 дутье и приводит к необходимости нагрева избыточно подаваемого воздуха, т.е. к дополнительному расходу топлива.
Разработанные автоматические системы оптимизации соотношения «топливо-воздух», построенные с использованием стационарных газоанализаторов, ведут процесс регулирования по величине содержания кислорода 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:
Изучение процесса горения газообразного и жидкого топлива показывает, что при недостатке кислорода проявляется резкое повышение концентрации оксида углерода (СО). Соответственно, система регулирования процесса горения, основанная на измерении концентрации СО, будет обладать более высокой чувствительностью к отклонению режима горения от оптимального. Регулирование в этом случае сводится к поддержанию режима на грани химнедожога, что позволяет учитывать изменение большинства других факторов, влияющих на качество сжигания топлива.
Применение вышеуказанного метода, до недавнего времени, сдерживалось отсутствием достаточно надежного, простого и быстрого способа измерения концентрации СО. Системы с отбором и последующим охлаждением пробы, измеряющие концентрации по поглощению в инфракрасной области спектра, либо с помощью электрохимических сенсоров, имели низкое быстродействие, были сложны в эксплуатации, требовали постоянного контроля системы удаления конденсата и пыли. Попытки использовать для измерения неравновесные электрохимические методы оказались неудачными вследствие нестабильности характеристик датчиков и невозможности исключить влияние параметров анализируемой среды (температуры, влажности, состава газа).
В последнее время были разработаны приборы с использованием твердотельных датчиков, которые способны быстро и воспроизводимо измерять содержание СО в дымовых газах и печной атмосфере. Особенностью одного из таких газоанализаторов, разработанного при участии специалистов компании «Информаналитика», является использование керамических сенсоров, определяющих содержание СО и О2 при температурах анализируемого газа до 1000 ОС, что позволяет использовать схему динамического отбора пробы (см. рис. 1): за счет 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 ее использование даже для энергетических установок невысокой мощности. Ограничение в использовании метода динамического отбора пробы - скорость потока, при которой обеспечивается надежная 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.
Передача данных от первичного преобразователя к блоку индикации осуществляется при помощи интерфейса RS-485. 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 отнесен блок индикации от места монтажа пробоотборного устройства и первичного преобразователя, достигает 500 м, а при необходимости и более, хотя такой случай представляется маловероятным. Диапазоны измерения и погрешности измерения газоанализатора приведены в табл. 1.
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 измерения концентрации О2 и СО при изменениях расхода (давления) воздуха на постоянной нагрузке.
Исследования проводились на котле ДКВР-20/13 с использованием рассматриваемого многокомпонентного газоанализатора. Из графика видно, что на грани химнедожога малейшее (возможное для регулятора данного котла) изменение 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.
Появление химнедожога характеризуется резким скачком концентрации СО, что предъявляет особые требования к контроллеру и алгоритму регулирования. Для того чтобы эффективно вести процесс регулирования с различными типами регуляторов и исполнительных механизмов контроллер должен быть настроен не на поддержание определенной концентрации СО в дымоходе, а на обеспечение режима горения на грани появления химнедожога, циклически снижая расход воздуха до появления всплеска концентрации СО с последующим минимальным увеличением расхода воздуха, дабы избежать химнедожога.
В качестве примера реализации такого алгоритма можно привести работу контроллера отечественного производства в комплекте с представленным выше газоанализатором на котле ДКВР-20/13 (рис. 3). Как видно на графике, контроллер позволяет задавать скорость снижения расхода воздуха (Т2 и Т4), величину «отскока» расхода воздуха при появлении химнедожога (Т5), а также время нечувствительности (Т6), в течение которого контроллер поддерживает расход воздуха постоянным, после чего опять начинает его снижение. Обычно, весь цикл «снижение-отскок-поддержание» составляет от 2 до 5 мин и определяется пользовательскими настройками в зависимости от типа топливосжигающего агрегата.
Из рис. 3 следует, что после включения газоанализатора в процесс регулирования контроллер постепенно снизил давление воздуха, подаваемого на горение приблизительно со 120 до 80 кПа (до появления всплеска концентрации СО), и стал приводить соотношение топливо-воздух к оптимальному значению для данных условий горения.
Пример работы системы регулирования при постоянной нагрузке в стационарных условиях приведен на рис. 4. При изменении нагрузки котла система сама «ищет» новое оптимальное соотношение топливо- воздух (рис. 5).
Такой подход позволяет вести процесс сжигания топлива наиболее оптимальным образом на всех режимах, при практически любых изменениях условий эксплуатации и с любыми регуляторами и исполнительными механизмами. Он особенно эффективен при применении в котлах малой мощности, поскольку является самоадаптивным, т.е. фактически самостоятельно в процессе работы корректирует режимную карту. В табл. 2 представлены параметры работы котла ДКВР-20/13 и результаты экономии топлива при различной тепловой нагрузке. Из таблицы видно, что экономия топлива может составлять от 2,5 до 6%. Опыт эксплуатации таких систем регулирования на мощных энергетических котлах показывает несколько меньшую экономию в процентном выражении, но учитывая объемы потребления газа, экономия оказывается значительной. Например, испытания на Казанской ТЭЦ, проводимые в марте 2011 г, показали, что при нагрузке 234 т пара в час применение регулирования «на грани появления химнедожо- га» позволило вырабатывать на 1,5% больше пара при том же расходе газа, что составило экономию топлива - 260 м3/ч.
В заключение необходимо упомянуть, что описанный в статье метод регулирования пригоден для использования на различных типах котлов (как водогрейных, так и энергетических), работающих на газообразном и жидком топливе. Для угольных котлов, ввиду того, что горение угля является гораздо более сложным процессом, зависимость концентрации СО от соотношения топливо-воздух имеет индивидуальный характер и определяется:
Рассмотрение особенностей оптимизации топливосжигания в угольных котельных выходит за рамки данной статьи и будет проведено в отдельной работе.