АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ КОТЛОМ, ОСНАЩЕНЫМ СИСТЕМОЙ КОНТРОЛЯ СОДЕРЖАНИЯ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ, НА ОСНОВЕ ОПТИЧЕСКО–АБСОРБЦИОННОГО ИНФРАКРАСНОГО МЕТОДА

Основная часть

В существующих системах автоматического управления установкой котла регулирование соотношения топливо –воздух осуществляется по следующим параметрам: давление (расход) топлива и давление воздуха на горелки без коррекции по содержанию дымовых газов. Количество воздуха определяется величиной расхода топлива в печи. Регулирование таких параметров осуществляется с помощью обтюраторов, то есть путем увеличения сопротивления воздуха газовоздушного тракта при функционировании вентиляторных двигателей и дымоудаления вместимость топливных баков. Это приводит к избыточным расходам электроэнергии.

Применение частотных регуляторов (FR) позволяет решить задачу согласования режимных параметров и энергопотребления котельных установок (BI) с переменным характером нагрузки котлов. Актуальность проблемы энергосбережения заключается в том, что (FR) играет важную роль в энергетическом балансе и динамике тарифов (FR) и электрической энергии, расширяя экономическую границу их применения. Использование (FR) для установки котла (BI) позволяет поддерживать требуемое соотношение топливо –воздухс высокой точностью и автоматизировать сжигание печи, сокращая время до минимального необходимого при этом потребления газа и сокращая выбросы углекислого газа. Для поддержания оптимального соотношения топливо –воздух, с одной стороны, необходимо, в зависимости от количества поставляемого топлива, добавить необходимое количество воздуха в топку котла, а с другой – исключить из котла горящие продукты с заданной интенсивностью. Данная регулировка с высокой точностью выполняется с помощью системы автоматического управления (BI) (с контролем содержания кислорода в выхлопных газах). Функциональная схема переменной скоростью приводов системы регулирования показана на рис. 1.

Контроль продуктов сгорания котельных установок, которые мы предлагаем выполнять с помощью газоаналитической системы на основе оптико–абсорбционного инфракрасного (ОАИ) метода.

Физический принцип работы такой системы заключается в следующем: измеряется поглощение оптического излучения газа, исследуется газ в разрезе спектра, где он имеет интенсивную полосу поглощения, что не случайно приводит к диапазонам поглощения других газов, которые могли бы быть проанализированы газовыми смесями. Физическое представление поглощения заключается в следующем: когда оптическое излучение проходит через газ лоток, молекулы газа, поглощая кванты излучения, соответствующие различным частотам, возбуждаются, т. е. они увеличивают количество своей энергии. Если ультрафиолетовое и видимое излучение или излучение коротковолновой части инфракрасного спектра поглощаются, то количество энергии электронов увеличивается, то есть энергии, соответствующей колебаниям ядер атомов и энергии вращения молекулы вокруг центра тяжести. Если кванта, соответствующая длинной волновой области спектра оптического излучения (от нескольких микрометров до сотен микрометров), то колебательно–вращательная и соответственно чисто вращательная степень свободы возбуждается.

В результате этого процесс поглощения молекул состоят из ряда полос сложной структуры. В зависимости от характера дымовых газов инфракрасные спектры поглощения молекул газовой смеси носят индивидуальный характер, что в дальнейшем позволяет идентифицировать газ. Рис. 2 показывает инфракрасный (IR) спектр поглощения дымовых газов котельной установки (хорошо видны полосы колебательно –вращательного спектра поглощения дымовых газов)[2].

Как видно из рис.2, что в ИК–диапазоне спектра имеются специфические особенности регистрации поглощения газа, газ анализируется в связи с наличием колебательных вращающихся полос поглощения. Значение потока излучения, прошедшего через измерительный лоток, содержащих газ, анализируются и могут быть определены, применяя закон Ламберт–Бар:

Где I_out – выходной ток (ток), a, b – константы, – массовая концентрация компонента.

Форме зависимости, представляющие функции (1) для постоянной длины оптического ( l = const), показана на рис. 3

Инфракрасное излучение поглощается все газы О₂, Н₂, Н₂0, Cl₂ и одноатомных газов. Спектр поглощения монотомных газов или пара металлов отличается от инфракрасного спектра поглощения молекул своей простотой и состоит не из полос, а из отдельных линий, во многих случаях расположенных только в культивированной области спектра. Перед применением метода OAIR мы предлагаем стабилизировать газ по таким параметрам: температура, влажность, давление, пыль (очистка пробы газа от атмосферной пыли).

Если метод OAIR применяется без стабилизации этих параметров, то идентификация и определение концентрации компонентов газовой смеси не будут точными. В состав дымовых газов входят такие основные компоненты: кислород, углекислый газ, окись углерода, углекислый газ, вода (пар) и атмосферная пыль (после стабилизации пробы газа можно пренебречь содержанием воды и атмосферной пыли). Суммарное содержание этих газов и компонентов составляет 99,9%. Другие компоненты дымовых газов находятся на уровне микроконцентраций и практически не влияют на определение тепловых потерь. То есть, мы можем использовать выражение (до стабилизации газа образец):

Где µ_x – массовая концентрация газовой смеси, выраженная в процентах. Предложена оптимизация процесса горения по компоненту – О₂.Это позволяет корректировать соотношение топлива–воздуха на входе объекта.Но физически кислород не поглощает ИК.(как показано на рис.2, где отсутствует линия поглощения кислорода), поэтому предложил определить СО, СО₂, NO₂ практически, и О₂ – аналитически (после стабилизации образца):

Структура содержания дымовых газов из котельных агрегатов [3] показана на рис. 4. в виде зависимости коэффициента избыточного воздуха (АЭС) на концентрацию дымовых газов из котлоагрегатов.

Оптимальной зоной является такая концентрация компонентов, при которой обеспечивается сжигание топлива с низким АЭК. В [9], оптимальная АЭС, что равняется 1,25 (±0.01) для котла ДЕ–25–14 ГМ. Увеличение оптимального АЭК приводит к увеличению концентрации оксидов азота. При условии снижения оптимальной концентрации оксидов углерода увеличивается, а, следовательно, и потери, вызванные неполным увеличением химического горения.

Главным параметром, определяющим корректирующее удар по величине избытка воздуха, является содержание остаточного кислорода в дымовых газах. Недостаточное количество воздуха вызывает неполное сжигание продуктов в печи котла и, как следствие, приводит к чрезмерному сжиганию топлива. Избыток воздуха также приводит к чрезмерному сгоранию топлива на нагрев лишнего воздуха в составе отходящих газов [4].

Разработка функциональной схемы системы Газоаналитическая (ГА). Система будет строиться на принципе направленности – это система, в которой все преобразования имеют одно направление: от входного до выходного. Система будет построена в соответствии со структурной схемой, имеющей такие функциональные блоки: блок стабилизации входных параметров, измерительный преобразователь, блок обработки информации, блок представления информации.

Устройство для стабилизации входных параметров (ОСМП). Образец, взятый для анализа газовой смеси непосредственно из дымохода, имеет различные параметры, а именно температуру, влажность, давление пыли. Если топливный газ с нестабилизированными параметрами подается непосредственно на измерительный преобразователь, это приведет к получению на выходе информации о содержании топливного газа с большой погрешностью. Именно поэтому, мы предлагаем включить ОСМП в структуре ГС.

Устройство для стабилизации входных параметров (ОСМП) должны соответствовать следующим требованиям: высокая скорость обслуживания, эффективная и надежная очистка от механических примесей, снижения стоимости требования к влажности смеси, стабилизация температуры и давления.

На следующем этапе образец – газ проходит через первичные и вторичные измерительные преобразователи (ПМК и ПМК). Принцип работы ЧВК и СМЦ заключается в следующем. ИК-излучение от источника поступает в два, расположены вплотную и параллельно друг с другом, лотки - операционные и комплиментарные. Газ перекачивается через рабочий лоток, анализируется, и сравнительный лоток содержит воздух, свободный от этого газа.

Таким образом формируется сравнительный канал. Далее лучи оптического излучения подвергаются модуляции в антифазе с помощью обтуратора, который вращается диском с прорезями. Затем оптическое излучение проходит через интерференционный световой фильтр, который имеет полосу пропускания, где анализируется линия поглощения газа, падает.

Далее оба модулированных пучка с помощью концентратора направляются на пироэлектрический фотодетектор. Преобразования потока излучения в электрический сигнал, пропорциональный его величине происходит и происходит амплификация.

После этого сигнал усиливается до единой величины основного усилителя и блок обработки информации. В результате разработки промышленных контроллеров вполне логично обрабатывать измерительную информацию с помощью этих устройств, обеспечивая интерфейс начального сигнала с входным контроллером. Для реализации системы мы используем программируемый логический контроллер, изготовленный компанией VIPA серии компании Sytem 200V. С помощью Sytem 200V новой высокопроизводительной системы управления, отвечающей современным требованиям, могут быть созданы.

Измерения проводятся в постоянном режиме. Функциональная схема системы, предназначенной для контроля содержания дымовых газов котельных установок показана на рис. 5 (диаграмма показана в виде одноканальной структуры, но практически многоканальная для многокомпонентного анализа газовой смеси).

Реализация программы. Для реализации этой задачи мы используем программный пакет WINPLC7 для конфигурирования, программирования, отладки программы и диагностики контроллеров VIPA всех серий [7]. Программа будет написана на языке программирования Ladder Diagram (LAD) – языке релейно–контактных цепей [8]. Алгоритм работы программы представлен на рис. 6.

Алгоритм программы следующий: альтернативный электрический информационный сигнал о содержании дымовых газов поступает от газоанализатора. Этот сигнал принимается функциональным блоком масштабирования аналогового значения и преобразуется в переменную, соответствующую значению унифицированного электрического сигнала (тока) в диапазоне 4 – 20 мА.

Выполнено преобразование электрического сигнала соответствующей концентрации определенных дымовых газов. Преобразование осуществляется в соответствии с функциональной зависимостью, приведенной в Формуле (1). После получения данных относительно количества определенного газа сравнивается с настройками. Если концентрация находится в допустимых пределах, то воздух подается в печь с такой же интенсивностью. Если концентрация выходит из настройки, то в печь подается меньше или больше воздуха (в зависимости от сигнала).

Процесс подачи воздуха в топку осуществляется с помощью частотного регулятора. Процесс управления и мониторинга постоянно осуществляется в режиме реального времени. Рис. 7 и 8 показывают изменения концентрации кислорода в дымовых котельных установок (рис. 7 – без коррекции содержания кислорода в отработанных газах, Рис. 8 – с коррекцией).Рис. 7.

Используя формулу оксида по оптимальной стоимости (на примере ДЕ–25–14 ГМ котел), мы рассчитаем оптимальную концентрацию кислорода в дымовых газах. Таким образом, соответственно. Отсюда можно сделать вывод, что котельная установка (BI), работающая с контролем содержания дымовых газов, имеет высокую энергоэффективность. В течение всего периода эксплуатации, концентрации кислорода в оптимальных пределах (Рис. 8).