СПОСОБ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОМ ИЗБЫТКА ОКИСЛИТЕЛЯ ПРИ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА
METHOD TO MONITOR AND CONTROL COEFFICIENT OF OXIDANT EXCESS DURING FUEL COMBUSTION

Изобретение относится к способам контроля и управления процессом горения и может быть использовано в системах контроля и управления процессом сжигания топлива в топках котлов и промышленных печей.
Известно, что величина электрического потенциала в пламени углеводородного топлива определяется двумя факторами: наличием химических реакций горения и термоэмиссией электронов с раскаленных частиц сажи [Степанов Е.М., Дъячков Б.Г. Ионизация в пламени и электрическое поле. - М.: Металлургия, 1968. - с. 158].
Известен способ поддержания оптимального коэффициента избытка окислителя в камере сгорания с помощью измерения второй производной от сопротивления оксидного датчика [АС №6930941-79]. Недостатком такого способа регулирования является трудность предотвращения неполного сгорания топлива, величина которого зависит от амплитудно-частотной характеристики системы регулирования, настройки топливосжигающих устройств и выбранного места установки датчика.
Известен способ регулирования коэффициента избытка окислителя оксидным датчиком, периодически вносимым в топку [АС №7984242-81], однако данный способ регулирования режима горения характеризуется недостаточной точностью регулирования вследствие низкой чувствительности оксидного датчика в защитном чехле.
Известен способ автоматического регулирования процесса горения в топке газомазутного парового котла путем изменения коэффициента избытка окислителя и рециркулирующих газов по данным расхода топлива и воздуха и корректирующему сигналу пропорционально содержанию свободного кислорода в дымовых газах [«Способ управления процессом уменьшения токсичности», АС №8509953-81].
2
Известен косвенный способ определения коэффициента избытка окислителя, который включает отбор пробы дымовых газов и последующий анализ содержания кислорода с помощью автоматического магнитного газоанализатора [Копелович А.П. Краткий справочник по автоматическому регулированию в черной металлургии. - М.: Металлургия, 1963. - с. 367-375]. При наличии кислорода в продуктах сгорания снижается расход воздуха, необходимый для сжигания этого топлива. Принцип действия магнитного газоанализатора на О основан на магнитной восприимчивости кислорода. При этом используется явление термомагнитной конвекции кислородсодержащего газа в неоднородном магнитном поле при наличии в газе температурного градиента.
2
Недостатком известного способа является большая тепловая инерция датчика и низкая чувствительность (не больше 8 мВ/% О, а также зависимость его показаний от температуры окружающей среды, расхода газа и его давления. Это не позволяет достичь необходимой точности.
Известен способ определения коэффициента избытка воздуха путем измерения температуры продуктов сгорания и других параметров и дальнейшего расчета коэффициента избытка окислителя по формуле [АС №694736 «Способ автоматического регулирования горения в парогенераторе»]. Для данного способа характерна низкая точность, обусловленная недостаточной точностью измерения входящих в формулу параметров.
Для повышения точности измерений температуры в продуктах сгорания с последующим расчетом коэффициента избытка окислителя дополнительно измеряют поток продуктов сгорания при помощи двух датчиков, имеющих различную степень черноты приемных поверхностей [АС №9817615-82 «Способ определения коэффициента избытка воздуха»].
Известен способ определения полноты сгорания топлива, например, в камере сгорания газотурбинного двигателя на неустановившемся режиме работы, отличающийся тем, что, с целью упрощения измерений параметров процесса, определяют разность статических давлений за компрессором в установившемся режиме и при приемистости, а по ее значению - полноту сгорания [АС №244014 - 2005 «Способ определения полноты сгорания топлива»]. Однако он является непригодным для использования в топках котлов и промышленных печей.
Основным недостатком рассмотренных способов является отсутствие непрерывного контроля за процессом сгорания топлива и значительное временя запаздывания управляющего сигнала, реагирующего на изменение коэффициента избытка окислителя.
Техническим результатом от использования изобретения является обеспечение полного сгорания топлива в топках котлов/промышленных печей или других энергетических установок при минимальной концентрации окислителя за счет постоянного поддержания концентраций горючего и окислителя в стехиометрическом соотношении.
Результат получается за счет того, что:
- опытным путем выявлена стехиометрическая зависимость между соотношением топлива и воздуха,
- выполнены измерения электрических потенциалов в трех областях пламени факела - в зоне подготовки, зоне сгорания и зоне догорания,
- выполняется непрерывное измерение и сравнение величин электрических потенциалов в вышеуказанных областях факела пламени,
- на основании сравнения полученных соотношений изменяется подача окислителя или горючего в топочное пространство.
При этом снижается удельное количество используемого топлива и окислителя на единицу полученного тепла; уменьшаются энергозатраты на подачу и нагревание избыточно поданного в топку окислителя, вследствие этого улучшаются экологические и экономические показатели котлов/промышленных печей и прочих энергетических установок.
Предложенный способ позволяет контролировать и поддерживать коэффициент избытка окислителя в топке на таком уровне, что концентрации горючего и окислителя находятся в стехиометрическом соотношении, обеспечивающем полное сгорание топлива при минимальной концентрации окислителя. Вследствие чего минимизируются концентрации вредных продуктов неполного сгорания топлива, таких как СО, СН и т.п., что повышает экологичность процесса сжигания топлива. А также уменьшается расход электроэнергии на подачу окислителя, и снижаются потери теплоты, полученной от сгорания топлива ввиду отсутствия в необходимости нагрева избыточно подаваемого окислителя в топку, который, не участвуя в процессе горения, выбрасывается в атмосферу.
Для справки: стехиометрическое соотношение - это теоретически верное соотношение топлива и воздуха, при котором в процессе горения кислород воздуха и топливо будут израсходованы полностью без остатка. Стехиометрическое соотношение для каждого вида топлива и окислителя определяется опытным путем.
Описание заявляемого способа.
Способ контроля и управления коэффициентом избытка окислителя при сжигании углеводородного топлива в топке котла или промышленной печи заключается:
- в выборе опытным путем оптимального режима горения данного вида топлива в данной топке, т.е. определение стехиометрического соотношения горючего и окислителя, например, известен косвенный способ определения коэффициента избытка окислителя, который включает отбор пробы дымовых газов и последующий анализ содержания кислорода с помощью автоматического магнитного газоанализатора [Копелович А.П. Краткий справочник по автоматическому регулированию в черной металлургии. - М.: Металлургия, 1963. - с. 367-375];
- в определении значений модулей значений электрических потенциалов в трех зонах пламени факела: зоне подготовки, зоне сгорания и зоне догорания при стехиометрическом соотношении горючего и окислителя и в принятии их за эталонные. Измерение электрических потенциалов точек пространства в области горения производится с помощью одноэлектродных пассивных (электростатических) зондов. Электростатический метод измерения потенциалов точек пламени основывается на внесении в область пламени пассивного зонда, подключенного к вольтметру [Фиалков Б.С., Щербаков Н.Д., Плицын В.Т. Распределение электрического потенциала в углеводородных пламенах. ФГВ. - 1978. - №3. - с.87-90], или плате сбора данных PCL-818HG, ориентированной на снятие потенциала в промежутке от 0,001 до 10 В. Полученные данные обрабатываются с помощью ЭВМ. Потенциал измеряется относительно «земли».
Зонд может быть изготовлен из огнеупорного проводящего материала (нихромовой проволоки) и покрыт изолирующим материалом (кварцевым капилляром. Это позволяет изолировать горловину капилляра от попадания в зазор между зондом и капилляром продуктов горения и надежнее зафиксировать зонд);
- в непрерывном измерении модулей значений электрических потенциалов в трех зонах пламени факела;
- в непрерывном сравнении получаемых значений модулей электрических потенциалов в зоне сгорания и догорания с помощью программы ЭВМ (например, модернизированной программы: «Расчет и построение градиентов концентрации электрических зарядов и тепловых потоков в области горения». Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ №2012661405 РФ /Роспатент. - Заявл. 21.12.2012 - №2013612108; зарег. 14.02.2013 в Реестре программ для ЭВМ);
- коэффициент избытка окислителя будет близок к стехиометрическому, если разность потенциалов между зоной сгорания и зоной догорания близка к нулю и между зоной подготовки и зоной сгорания электрический потенциал отличается приблизительно в десять раз;
- увеличение разности абсолютных величин потенциалов между зоной сгорания и зоной догорания свидетельствует о том, что коэффициент избытка окислителя больше стехиометрического, и расход топлива увеличивают (либо уменьшают расход воздуха);
- уменьшение разности абсолютных величин потенциалов между зоной сгорания и зоной догорания свидетельствует о том, что коэффициент избытка окислителя меньше стехиометрического, и расход топлива уменьшают (либо увеличивают расход воздуха);
- уменьшение отношения абсолютных величин потенциалов зоны подготовки к зоне сгорания более чем в 10 раз свидетельствует о том, что коэффициент избытка окислителя больше стехиометрического, и расход топлива увеличивают (либо уменьшают расход воздуха);
- увеличение отношения абсолютных величин потенциалов зоны подготовки к зоне сгорания более чем в 10 раз свидетельствует о том, что коэффициент избытка окислителя меньше стехиометрического, и расход топлива уменьшают (либо увеличивают расход воздуха);
- изменение соотношения абсолютных величин потенциалов зоны подготовки к зоне сгорания проявляется только при значительном отклонении (более 70%) коэффициента избытка окислителя от стехиометрического значения;
- изменение соотношения абсолютных величин потенциалов между зоной сгорания и зоной догорания при значительном отклонении (более 70%) коэффициента избытка окислителя от стехиометрического значения не позволяет достоверно определить коэффициент избытка окислителя по величине значений электрических потенциалов в этих зонах;
- в непрерывном регулировании подачи окислителя в соответствии с полученными показателями. В качестве двигателя подачи воздуха (горючего) может быть использован асинхронный двухфазный двигатель, который установлен на современных газовых горелках [Токарев Б.Ф. Электрические машины. Учеб. пособие для ВУЗов. - М.: Энергоатомиздат, 1990], оборудованный микропроцессорным устройством управления, получающим управляющие сигналы с ЭВМ.
Так как измерение и сравнение электрических потенциалов в трех областях пламени производится непрерывно во все время работы топки, то в любой момент времени имеется информация о динамике процесса горения по высоте факела пламени. Результаты измерения и сравнения величин электрических потенциалов отражают динамику выгорания практически мгновенно, поэтому время запаздывания в отработке управляющего сигнала на изменение коэффициента избытка окислителя близко к минимальному.
На чертеже показана схема расположения областей пламени, где 1 - зона подготовки, 2 - зона сгорания и 3 - зона догорания.
Предложенный способ позволяет контролировать и поддерживать коэффициент избытка окислителя в топке на таком уровне, что концентрации горючего и окислителя находятся в стехиометрическом соотношении, обеспечивающем полное сгорание топлива при минимальной концентрации окислителя. Вследствие этого минимизируются концентрации вредных продуктов неполного сгорания топлива (таких как СО и СН), что повышает экологичность процесса сжигания топлива, а также уменьшается расход электроэнергии на подачу окислителя и снижаются потери теплоты, полученной от сгорания топлива ввиду отсутствия в необходимости нагрева избыточно подаваемого окислителя (не участвует в процессе горения и выбрасывается в атмосферу) в топку.