Способ оптимизации процесса горения углеводородного топлива в котле
METHOD OF OPTIMIZING COMBUSTION PROCESS OF HYDROCARBON FUEL IN BOILER

Изобретение относится к способам сжигания углеводородного топлива переменного состава в теплоэнергетике, промышленной теплоэнергетике, отраслях промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве. Предназначено преимущественно для сжигания сетевого газа, смесей углеводородов неопределенного состава, таких как попутный газ, отходы нефтегазопереработки.
Известен способ автоматической оптимизации процесса горения в котле (патент РФ №2647940, МПК F23C 1/02, F23C 1/08, опубликован 21.03.2018), основанный на непрерывном измерении расхода топлива и температуры теплоносителя на выходе теплообменника топливосжигающего устройства, при котором производят однократное снижение расхода топлива, обеспечивающее возможность конкретизации тенденции изменения удельной теплоты сгорания топлива, неизвестной в результате произвольных изменений состава используемого топлива, синхронизируют темп изменения температуры на выходе теплообменника с темпом изменения расхода топлива, далее совершают одновременные и/или неодновременные взаимосвязанные дискретные изменения расхода топлива и подачи воздуха в топливосжигающее устройство согласно одному из алгоритмов оптимизирующих действий, реализуемых компьютером по заданной программе, с обеспечением возможности упрощения способа оптимизации процесса сжигания топлива и повышения точности достижения оптимальных параметров.
Недостатком указанного технического решения является то, что значения температуры теплоносителя на выходе теплообменника топливосжигающего устройства в качестве параметра, определяющего расход топлива, не отражают и не являются показателем необходимого количества (затраченного) топлива, так как показания только температуры теплоносителя без измерения его количества не отражают полноту сгорания топлива и, как следствие, не влияют на минимизацию расхода топлива.
В качестве наиболее близкого аналога выбран способ автоматической оптимизации процесса горения углеводородного топлива в топке барабанного парового котла (патент РФ №2425290, МПК F23N 1/02, опубликован 27.07.2011), включающий непрерывное измерение параметров, характеризующих расход топлива и величину теплового потока в теплоносителе на выходе из котла и вычисление теплового потока, вносимого в топку котла, определение отклонений измеренных параметров от оптимальных вычисленных значений и последующее изменение расхода воздуха.
В указанном способе показателем оптимальности процесса горения является КПД котла, который определяют по измеренным значениям теплового потока, поступающего из топки в циркуляционный контур котла и теплового потока, вносимого топливом в топку. Недостатком указанного технического решения является то, что корреляционное измерение временного сдвига указанных тепловых потоков и синхронизированное отношение указанных тепловых потоков не отражают полноту сгорания топлива и, как следствие, не влияют на минимизацию расхода топлива. Кроме того, недостатком этого способа является необходимость осуществления большого количества взаимосвязанных действий, трудоемкость и инерционность процесса, при этом регулировка возможна только в тех случаях, когда заранее определены и известны как состав, так и удельная теплота сгорания газа.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа оптимизации процесса горения углеводородного топлива.
Технический результат - оптимизация процесса горения углеводородного топлива в котле за счет минимизации расхода топлива на выработку тепловой энергии, сообщаемой (передаваемой) теплоносителю, и, соответственно, обеспечение максимально возможной полноты сгорания топлива.
Технический результат достигается тем, что в способ оптимизации процесса горения углеводородного топлива в котле включает непрерывное измерение расхода топлива в котле и величины теплового потока в теплоносителе на выходе из котла, определение отклонений измеренных значений от первоначально измеренных значений и последующее изменение расхода воздуха в зависимости от увеличения или уменьшения теплового потока, при этом на основании измеренных значений определяют удельный расход топлива на выработку 1 Гкал тепла, вычисляя соотношение количества расхода топлива на величину теплового потока в теплоносителе на выходе из котла, при этом в начале оптимизации процесса горения топлива производят разовое дискретное увеличение расхода воздуха для определения тенденции изменения значения теплового потока в теплоносителе в сторону увеличения или уменьшения, при этом для получения оптимального соотношения топливо-воздух, при увеличении величины теплового потока продолжают увеличивать воздух до момента начала уменьшения теплового потока, при уменьшении величины теплового потока, уменьшают воздух до момента начала уменьшения теплового потока.
Далее изобретение поясняется следующими чертежами.
Фиг. 1 - Принципиальная блок-схема способа оптимизации процесса горения углеводородного топлива в котле.
Фиг. 2 - Схема способа оптимизации процесса горения углеводородного топлива при уменьшении удельного расхода углеводородного топлива на выработку 1 Гкал тепла.
Фиг. 3 - Схема способа оптимизации процесса горения углеводородного топлива при увеличении удельного расхода углеводородного топлива на выработку 1 Гкал тепла.
Фиг. 4 - Принципиальная блок-схема способа оптимизации процесса горения углеводородного топлива в котле, реализованная в промышленности в котельной Кичуй.
На принципиальных блок-схемах, представленных на фиг. 1 и фиг. 4 введены следующие обозначения:
1 - котел;
2 - устройство регулировки подачи топлива;
3 - счетчик расхода топлива;
4 - регулятор расхода воздуха;
5 - датчик температуры теплоносителя на входе в теплообменник;
6 - датчик температуры теплоносителя на выходе из теплообменника;
7 - датчик расхода теплоносителя;
8 - теплосчетчик для определения количества теплоты;
9 - персональный компьютер с установленной специальной программой.
Заявляемый способ осуществляют следующим образом.
В способе оптимизации процесса горения углеводородного топлива в котле в качестве топлива может использоваться попутный нефтяной газ переменного состава, а в качестве окислителя - атмосферный воздух.
Перед началом реализации заявляемого способа оптимизации процесса горения углеводородного топлива, осуществляется вывод котла 1 на мощность заданную потребителем в соответствии с режимной картой котла.
После того как процесс горения начат и выдается требуемое потребителю количество тепла, при постоянной изначально установленной подаче топлива, по команде компьютера 9 регулятор расхода воздуха 4 производит разовое дискретное увеличение расхода воздуха.
Далее по измеренным значениям температуры теплоносителя на входе котла 1 с помощью датчика 5 и на выходе котла 1 с помощью датчика 6, а также по значениям массы проходящего теплоносителя, измеренного датчиком 7, теплосчетчик 8 определяет отклонение величины теплового потока, сообщаемого теплоносителю, от первоначально заданного значения.
Таким образом, первичное разовое дискретное увеличение расхода воздуха позволяет оценить тенденцию изменения значения теплового потока относительно первоначально заданного значения, т.е. позволяет определить точку, с которой начинается процесс регулирования (Точка 1 на Фиг. 2 и Фиг. 3).
Затем в зависимости от изменения (увеличения или уменьшения) величины теплового потока осуществляют действия, обеспечивающие оптимальный режим сгорания топлива с достижением минимального удельного расхода топлива на единицу величины теплового потока.
При этом возможны два варианта изменения процесса горения.
В случае, если после разового дискретного увеличения расхода воздуха, происходит уменьшение удельного расхода углеводородного топлива на выработку 1 Гкал тепла, компьютер 9 выдает команду регулятору расхода воздуха 4 пошагово увеличивать расход воздуха (Точка 2 на Фиг 2), и каждый раз после очередного увеличения расхода воздуха, компьютер 9 вычисляет удельный расход топлива и сравнивает его изменение с предыдущим значением.
Процесс увеличения расхода воздуха происходит до момента, когда компьютер 9 зафиксирует начало увеличения удельного расхода топлива (Точка 3 Фиг. 2).
В этот момент от компьютера 9 на регулятор расхода воздуха 4 поступает команда остановки увеличения количества подаваемого воздуха, и после этого команда уменьшения количества подаваемого воздуха на один шаг (Точка 4 на Фиг. 2). Точка 4 будет являться точкой оптимального соотношения топливо-воздух в данный момент времени, когда достигается максимальная теплопроизводительность котла при данном количестве потребляемого топлива и минимальный удельный расход углеводородного топлива на выработку 1 Гкал тепла.
В том случае если после разового дискретного увеличения расхода воздуха, происходит увеличение удельного расхода углеводородного топлива на выработку 1 Гкал тепла (Точка 2 Фиг. 3), от компьютера 9 на регулятор расхода воздуха 4 поступает команда остановить увеличение подачи воздуха и далее команда пошагово уменьшать количество подаваемого воздуха. При этом компьютер 9 каждый раз вычисляет удельный расход топлива и сравнивает его изменение с предыдущим значением.
Этот процесс будет продолжаться до тех пор, когда удельный расход топлива начнет увеличиваться. В этот момент компьютер выдает регулятору расхода воздуха 4 (точка 3 Фиг. 3) команду остановить уменьшение количества воздуха и увеличить воздух на один шаг, то есть вернуться в точку оптимального соотношения топливо-воздух (точка 4 Фиг. 3).
Дальнейшую эксплуатацию топливосжигающего устройства осуществляют с учетом определенного в результате указанных выше действий оптимального соотношения расхода топлива и воздуха (оптимизации процесса горения), а при любых изменениях величины теплового потока, сообщаемого теплоносителю, и, соответственно, изменения удельного расхода топлива на выработку 1 Гкал тепла процесс оптимизации сжигания топлива повторяют.
Оптимизацию процесса сжигания углеводородного топлива по заявляемому способу возможно осуществлять как в автоматическом, так и в ручном режиме с помощью оператора.
После осуществления способа оптимизации процесса горения углеводородного топлива в котле, может потребоваться регулировка значения теплового потока теплоносителя для достижения требуемого потребителем значения.
Так, при увеличении величины теплового потока выше значения, требуемого потребителем, по команде компьютера 9 устройство регулировки подачи топлива 2 сначала уменьшает расход топлива до требуемого потребителем значения теплового потока в теплоносителе, после чего регулятор расхода воздуха 4 уменьшает расход воздуха до момента начала снижения величины теплового потока.
Соответственно, при уменьшении требуемого потребителем значения теплового потока, по команде компьютера 9 устройство регулировки подачи топлива 2 сначала увеличивает расход топлива на выработку требуемой потребителем величины теплового потока в теплоносителе, после чего регулятор расхода воздуха 4 увеличивает расход воздуха до прекращения роста величины теплового потока. При этом регулировка подачи воздуха производится без измерения его количества, т.е. без замера абсолютной величины расхода воздуха.
После достижения оптимального режима горения топлива, котел 1 продолжает работать при установленном количестве подаваемого топлива и воздуха до момента, когда произойдет очередное изменение удельного расхода топлива, показывающее, что произошли изменения внешних условий.
Пример осуществления способа.
Способ оптимизации процесса горения углеводородного топлива реализован на котле 1 (Фиг. 4) ДЕ 10-14 (предприятие ОАО «Татнефть», г. Кичуй).
Сначала котел 1 (Фиг. 4) разжигают и выводят на необходимый режим по режимной карте котла, в которой прописывается соотношение топлива и воздуха в различных режимах работы котла.
После вывода котла 1 на необходимую мощность начинают осуществлять способ оптимизации горения углеводородного топлива. Для этого по команде компьютера 9 регулятор расхода воздуха 4 производит разовое дискретное увеличение расхода воздуха в диапазоне от 0,01% до 2% от общего объема подаваемого воздуха (при этом подача топлива остается постоянной).
Далее теплосчетчик 8 (КрохнеVHV 310) с помощью датчиков 5, 6 и 7, установленных для измерения значений температуры теплоносителя на входе котла 1, на выходе котла 1 и определения массы проходящего теплоносителя, соответственно, определяет текущее значение величины теплового потока, сообщаемого теплоносителю. Эта величина теплового потока передается в компьютер 9.
Затем, в том случае, если после разового дискретного увеличения расхода воздуха, величина теплового потока увеличилась от первоначального заданного значения, осуществляется дискретное увеличение расхода воздуха, с помощью регулятора подачи воздуха 4 (Хаундай Н300Р110НФ) по команде компьютера 9, до момента уменьшения величины теплового потока. И наоборот, если величина теплового потока уменьшилась от первоначально заданного значения, то осуществляется дискретное уменьшение расхода воздуха, с помощью регулятора подачи воздуха 4 по команде компьютера 9, до момента увеличения величины теплового потока.
Компьютер 9 посылает соответствующую команду на регулятор расхода воздуха 4 на основе вычисления удельного расхода углеводородного топлива на выработку единицы тепла (1 Гкал), сообщаемого теплоносителю, и сравнения этого значения с предыдущим вычислением (каждые 3 секунды). Таким образом, определяют оптимальное соотношение топливо-воздух.
После осуществления способа оптимизации процесса горения углеводородного топлива в котле, может потребоваться регулировка значения теплового потока теплоносителя для достижения требуемого потребителем значения.
В этом случае, при увеличении величины теплового потока выше значения, требуемого потребителем, по команде компьютера 9 устройство регулировки подачи топлива 2 сначала уменьшает расход топлива до требуемого потребителем значения теплового потока в теплоносителе, после чего регулятор расхода воздуха 4 уменьшает расход воздуха до момента начала снижения величины теплового потока.
Соответственно, при уменьшении требуемого потребителем значения теплового потока, по команде компьютера 9 устройство регулировки подачи топлива 2 сначала увеличивает расход топлива на выработку требуемой потребителем величины теплового потока в теплоносителе, после чего регулятор расхода воздуха 4 увеличивает расход воздуха до прекращения роста величины теплового потока. При этом регулировка подачи воздуха производится без измерения его количества, т.е. без замера абсолютной величины расхода воздуха.
Величина расхода топлива измеряется счетчиком расхода топлива 3 (счетчик газа СГ-800) и вносится в память компьютера 9.
Проведенные испытания показали, что применение в промышленности заявленного технического решения обеспечило:
- сокращение расхода углеводородного топлива на 7% при сжигании сетевого газа, и 30% при сжигании попутного нефтяного газа с отходами нефтепереработки в зависимости от подачи того или иного состава топлива;
- повышение полноты сгорания топлива (отсутствие сажеобразования и недожога топлива в котлах),
- снижение трудоемкости процесса оптимизации сжигания топлива за счет сокращения количества измерений и, соответственно, сокращения количества используемых контрольно-измерительных приборов и вспомогательного оборудования.
Существенное уменьшение количества операций снижает трудоемкость оптимизации, упрощает процесс оптимизации, повышает эффективность использования топлива (минимизирует расход топлива), расширяет область применения топливо сжигающих устройств для тепловой утилизации производственных отходов.
Процесс оптимизации горения топлива осуществляется непрерывно в течение всего времени эксплуатации котла. Заявляемый способ обеспечивает эксплуатацию котла в оптимальном режиме с минимальным экологическим ущербом, так как происходит полное сгорание топлива.
Заявленное техническое решение осуществимо при эксплуатации топливосжигающих устройств с применением газообразных, жидких и твердых топлив. Способ осуществим с применением общедоступных средств измерения и автоматизации, персональных компьютеров.
Существенным отличием заявляемого технического решения от известных является то, что показателями оптимизации процесса горения является не КПД котла и не температура теплоносителя на выходе из котла, а соотношение количества расхода топлива на величину теплового потока в теплоносителе на выходе из котла, то есть удельный расход топлива на выработку 1 Гкал тепла.
Предлагаемый к патентованию способ прост и надежен в использовании, адаптируется в любые существующие системы, базируется на простых и надежных приборах отечественного производства, не подвержен влиянию состояния котлов, состояния воздуховодов, состояния дымоходов и горелочных устройств, позволяет производить регулирование горения каждого горелочного устройства в многогорелочных котлах. Причем в автоматическом режиме обеспечивает значения теплового потока теплоносителя (пара или горячей воды) заданного потребителем.