Способ оптимизации процесса факельного сжигания топлива
METHOD FOR OPTIMIZING PROCESS OF FLARING FUEL COMBUSTION

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к оптимизации процесса горения топлива.
9
Известен способ автоматического управления и контроля котлоагрегата, включающий измерения расходов топлива и воздуха, содержания окиси углерода и кислорода, давления топлива и воздуха, разрежения в газовом тракте и формирование сигнала для управления вентилятором и дымососом, с помощью которых поддерживают постоянное содержание окиси углерода в продуктах сгорания в количестве 0,1-0,2% (см. патент РФ №2300705, МПК F23N1/00, опубл. 10.06.2007).
Недостатком способа является наличие дополнительных операций, а именно отбора газа, его охлаждения и анализа на содержание окиси углерода. Анализ осуществляют с помощью прибора - газоанализатора, что существенно усложняет и удорожает способ. Кроме того, все эти операции увеличивают продолжительности, анализа и снижают точность измерения, гак как любая топка работает под разрежением и поэтому в ней обязательно присутствует подсос воздуха, в связи с чем концентрация окиси углерода в продуктах сгорания будет измерена с существенной ошибкой.
9
Известен способ контроля и управления горением топлива, включающий подачу топлива и воздуха в горелочное устройство, измерение, контроль и регулирование температурных параметров в горящем факеле (см. патент РФ №2357153, МПКF23N5/18, опубл. 27.05.2009).
Недостатками способа являются, во-первых, то, что измерение температуры факела осуществляют косвенным путем, т.е. температуру замеряют вокруг факела, что приводит к значительной погрешности измерения. Во-вторых, сравнение отклонения температуры от нормы осуществляют с помощью эталона, а при отклонении от эталона корректируют условия сжигания. Понятно, что при изменении состава, условий сжигания или расхода топлива эталон должен изменяться, следовательно, необходимо его каждый раз корректировать, это существенно усложняет работу системы и в связи с этим поддерживать оптимальные условия сжигания затруднительно.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является  способ оптимизации процесса горения топлива, включающий подачу топлива и воздуха в горелочное устройство, бесконтактное измерение, контроль и регулирование температурных параметров в горящем факеле (см. патент РФ № 2493488, МПК F23N3/04, опубл. 20.09.2012 г.)
Недостатком данного способа является то, что при изменении расхода топлива и воздуха, подаваемого в факел, а также теплотворной способности топлива изменяется длина факела и положение точки максимальной температуры по длине факела. В связи с этим найденная максимальная температура в выбранной первоначально точке факела и соответствующее ей соотношение расходов топливо - воздух оказывается не отвечающей достижению максимально возможной температуре сжигания топлива и соответственно максимально эффективному использованию топлива.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение эффективности использования топлива за счет обеспечения непрерывного во времени его полного сгорания при изменяющихся условиях факельного сжигания, связанных с изменением расходов газа и воздуха, а также теплотворной способности топлива, упрощение регулирования процесса горения топлива и снижение погрешности измерения величины расхода воздуха.
Данный технический результат достигается тем, что в способе оптимизации процесса факельного сжигания топлива, включающем подачу топлива и воздуха в горелочное устройство, бесконтактное измерение температуры в факеле, определение точки с максимальной температурой вдоль его продольной оси, контроль и регулирование температурных параметров в горящем факеле, согласно изобретению, после определения точки с максимальной температурой вдоль продольной оси факела, запоминают это значение температуры, затем изменяют расход воздуха на заранее выбранный дискретный шаг, вновь находят точку вдоль продольной оси факела с максимальной температурой и сравнивают это значение с ранее найденным, а направление изменения расхода воздуха на следующем шаге связывают со знаком приращения температуры в двух последних измерениях, и такой цикл повторяют до тех пор, пока температура при следующем измерении будет выше предыдущей, а найденное соотношение расходов топливо - воздух поддерживают постоянным до изменения расхода топлива или его теплотворной способности.
Данный способ позволит повысить эффективность использования топлива, упростить регулирование процесса горения топлива и снизить погрешность измерения величины расхода воздуха, которое обеспечивает полное сжигание топлива при максимально возможной температуре в найденной точке факела.
Сущность способа поясняется графиками, где на фиг.1 приведена зависимость теоретической температуры горения природного газа от коэффициента избытка воздуха, на фиг.2 - зависимость температуры в ядре факела от расхода воздуха, на фиг.3 - зависимость температуры факела от состава природного газа при изменении расхода воздуха, на фиг. 4 -зависимость максимальной температуры факела от теплотворной способности топлива, на фиг.5 - графики распределения температуры по длине факела предлагаемого способа и прототипа.
Пример осуществления способа
4
2
6
3
8
4
10
5
12
2
2
1
В горелочное устройство подают 0,5 кг/c топлива следующего состава: СН=60%, СН=4%, CH=10%, CH=0,5%, CH=0,05%, НО=10,45%, N=15%, теплоемкость продуктов сгорания с= 1.4707 кДж/(кг*град), теплотворная способность топлива qt1=34927,81 кДж/кг, количество воздуха для полного окисления 1 кг топлива = 12,49 кг с температурой 20°С.
Осуществляют измерение температуры бесконтактным методом вдоль продольной оси факела, например, оптическим радиационным пирометром, находят точку с наибольшей температурой и запоминают ее значение. Затем изменяют количество подаваемого на сжигание воздуха на заранее заданную величину (шаг) и, перемещают фокус пирометра вдоль продольной оси факела до нахождения температуры, превышающей ранее найденную.  Если такое значение найдено, вновь изменяют подачу воздуха на туже величину, в противном случае уменьшают величину шага изменения расхода воздуха и меняют направление изменения расхода воздуха на противоположное. Из графика (см. фиг.1) видно, что увеличение расхода воздуха на 10% выше теоретически необходимого понижает температуру горения на 100°С. Это приводит к большому перерасходу топлива. Из графиков (см. фиг .2) следует, что с ростом расхода топлива повышается максимальная температура горения топлива, а максимум температуры соответствует постоянному расходу воздуха 12,49 кг/ч. При более высоком расходе топлива длина факела также возрастает. Из графиков (см. фиг. 3) видно, что при изменении состава топлива максимальная температура достигается при различном расходе воздуха, что также изменит длину факела и положение точки максимальной температуры по его длине.
Такой цикл повторяют до тех пор, пока температура при следующем измерении будет выше предыдущей. Положение оптимума будет смещаться при изменении расхода топлива, его состава или условий сжигания. Поэтому такой цикл повторяют непрерывно в изменяющихся условиях горения, связанных с изменением расхода газа, воздуха или теплотворной способности топлива (см. фиг. 4). Из этого графика следует, что при изменении теплотворной способности топлива температура горения существенно (на 350°С) изменяется, что приводит к изменению длины факела.
1
2
На фиг.5 приведены графики распределения температуры по длине факела предлагаемого способа и прототипа, где Т - распределение температуры по длине факела, найденное по предлагаемому способу, Т – то же по прототипу, Т - распределение температуры до начала поиска (рабочий режим), L - длина факела.
При выше указанных условиях до начала поиска определяли максимум температуры, равный 1380 °С, вдоль оси факела. Он находился на шестом метре (см. фиг. 5). Проведя поиск максимума температуры в соответствии с прототипом, на пятом метре длины факела можно достичь температуры 1430 °С. Проведя поиск с перемещением точки визирования пирометра по заявляемому способу, находим значение температуры, равное 1500°С, которое находится на 4 метре вдоль оси факела. Отсюда следует, что погрешность измерения в сравнении с прототипом составляет 70°С. Это приводит к повышенному расходу топлива на проведение технологического процесса. Следует заметить, что исходные условия проведения поиска для прототипа и предлагаемого способа были идентичны, они начинались при коэффициенте избытка дутья, равного 1,1. Оптимальные условия, найденные по заявляемому способу, выполнены при коэффициенте избытка дутья, равном 1,01, а по прототипу - при коэффициенте избытка дутья, равном 1,045 (см. фиг. 5)
Следует также заметить, что в заявленном способе сжигание производится постоянно при оптимальном расходе воздуха, обеспечивающее полное сжигание топлива. При этом концентрация СО стремится к нулю, именно, при этом расходе воздуха. Реализация заявленного способа приводит к снижению токсичности продуктов сгорания и улучшению экологической обстановки в зоне выбросов, а также снижению расхода топлива в результате его полного сгорания.
Использование предлагаемого способа оптимизации процесса факельного сжигания топлива позволит по сравнению с прототипом существенно повысить эффективность использования топлива, упростить регулирование процесса горения топлива и снизить погрешность измерения величины расхода воздуха, которое обеспечивает полное сжигание топлива при максимально возможной температуре.