СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ГОРЕНИЯ В ЛИНИЯХ ПЕРЕГОРОДОК МНОГОКАМЕРНОЙ ПЕЧИ С ВРАЩАЮЩИМСЯ ПЛАМЕНЕМ
METHOD FOR DETERMINING CHARACTERISTICS OF COMBUSTION IN LINES OF BAFFLE PLATES OF MULTICHAMBER FURNACE WITH ROTATING FLAME

Изобретение относится к области многокамерных печей, называемых «печами с вращающимся пламенем», для обжига углеродистых блоков, в частности, анодов и катодов из углерода, предназначенных для электролизного производства алюминия, и, в частности, изобретение относится к способу определения характеристик горения в линиях перегородок такой многокамерной печи.
Печи с вращающимся пламенем для обжига анодов описаны, в частности, в следующих документах: US 4859175, WO 91/19147, US 6339729, US 6436335 и СА 2550880, к которым можно обратиться для получения более подробной информации по этому вопросу. Вместе с тем, можно кратко напомнить их конструкцию и принцип работы со ссылками на прилагаемые фиг.1 и 2, где на фиг.1 представлен вид в плане конструкции печи с вращающимся пламенем и с открытыми камерами, тогда как на фиг.2 показан частичный вид в перспективе в поперечном разрезе с вырезом внутренней конструкции такой печи.
Обжиговая печь (FAC) 1 содержит две параллельные шахты 1а и 1b, проходящие вдоль продольной оси XX по длине печи 1 и содержащие, каждая, последовательный ряд поперечных (перпендикулярных к оси XX) камер 2, отделенных друг от друга поперечными стенами 3. По своей длине, то есть в поперечном направлении печи 1 каждая камера 2 образована чередованием расположенных рядом друг с другом ячеек 4, которые выполнены открытыми в своей верхней части для обеспечения загрузки предназначенных для обжига углеродистых блоков и выгрузки охлажденных обожженных блоков и в которые укладывают штабелем предназначенные для обжига углеродистые блоки 5, погруженные в углеродистую пыль, а также полыми нагревательными перегородками 6 с тонкими стенками, как правило, удерживаемыми на расстоянии друг от друга поперечными распорками 6а. Полые перегородки 6 камеры 2 находятся в продольном продолжении (параллельно наибольшей оси XX печи 1) полых перегородок 6 других камер 2 этой же шахты 1а или 1b, и полые перегородки 6 сообщаются друг с другом через окна 7 в верхней части своих продольных стенок напротив продольных каналов, выполненных на этом уровне в поперечных стенах 3, таким образом, что полые перегородки 6 образуют продольные линии перегородок, расположенные параллельно наибольшей оси XX печи и предназначенные для циркуляции в них газообразных сред (воздух для горения, горючие газы и газообразные продукты горения и дымы), что позволяет обеспечивать предварительный нагрев и обжиг анодов 5 и затем их охлаждение. Кроме того, полые перегородки 6 дополнительно содержат переборки 8 для удлинения и более равномерного распределения пути газообразных продуктов горения и дымов, и эти полые перегородки 6 оборудованы в своей верхней части отверстиями 9, закрываемыми съемными крышками и выполненными в венце печи 1.
Обе шахты 1а и 1b печи сообщаются своими продольными концами через каналы 10 поворота, которые позволяют перемещать газовые потоки от одного конца каждой линии полых перегородок 6 шахты 1а или 1b в конец соответствующей линии полых перегородок 6 другой шахты 1b или 1а, образуя по существу прямоугольные замкнутые контуры линий полых перегородок 6.
Принцип эксплуатации печей с вращающимся пламенем, называемых также «печами с продвижением пламени», основан на перемещении фронта пламени от одной камеры 2 к другой, смежной с ней камере во время цикла, при этом каждая камера последовательно проходит через стадии предварительного нагрева, принудительного нагрева, интенсивного горения, затем охлаждения (сначала естественного, затем принудительного).
Обжиг анодов 5 осуществляют при помощи одного или нескольких факелов или групп факелов (на фиг.1 показаны две группы факелов в положении, в котором одна проходит в этом примере через тринадцать камер 2 шахты 1а, а другая - через тринадцать камер 2 шахты 1b), которые циклично перемещаются от камеры 2 к камере 2. Каждый факел или группа факелов состоит из пяти последовательных зон А-Е, которыми, как показано на фиг.1 для факела шахты 1b, и от выхода к входу относительно направления потока газовых сред в линиях полых перегородок бив направлении, противоположном цикличным перемещениям от камеры к камере, являются:
А) Зона предварительного нагрева, содержащая, если рассматривать факел шахты 1а и учитывать направление поворота пламени, указанное стрелкой на уровне поворотного канала 10 на конце печи вверху на фиг.1:
- всасывающую рампу 11, оборудованную, для каждой полой перегородки 6 камеры 2, над которой находится эта всасывающая рампа, одной системой измерения и регулировки расхода газов и дымов горения на каждую линию полых перегородок 6, причем эта система может содержать, в каждой всасывающей трубе На, неподвижно соединенной с всасывающей рампой 11 и выходящей в эту рампу, с одной стороны, и, с другой стороны, заходящей в отверстие 9 соответственно одной из полых перегородок 6 этой камеры 2, регулируемый затвор, поворачиваемый приводом затвора, для регулировки расхода, а также расходомер 12, находящийся близко от входа в соответствующей трубе На, температурный датчик (термопару) 13 измерения температуры дымовых газов при всасывании, и
- рампу 15 измерения предварительного нагрева, по существу параллельную всасывающей рампе 11 и находящуюся перед последней, как правило, над одной и той же камерой 2 и оборудованную температурными датчиками (термопарами) и датчиками давления для подготовки статического разрежения и температуры в каждой из полых перегородок 6 этой камеры 2, чтобы можно было снимать показания и регулировать это разрежение и эту температуру зоны предварительного нагрева;
B) Зона нагрева, содержащая:
- несколько идентичных рамп 16 нагрева, две или предпочтительно три, как показано на фиг.1; при этом каждая из них оборудована горелками или форсунками для впрыска топлива (жидкого или газообразного) и температурными датчиками (термопарами), при этом каждая из рамп 16 расположена соответственно над одной из камер из соответствующего числа смежных камер 2 таким образом, чтобы форсунки каждой рампы 16 нагрева заходили в отверстия 9 полых перегородок 6 для впрыска в них топлива;
C) Зона обдува или естественного охлаждения, содержащая:
- так называемую рампу 17 «нулевой точки», проходящую над камерой 2, находящейся сразу перед камерой, расположенной под самой передней рампой 16 нагрева, и оборудованную датчиками давления для измерения давления в каждой из полых перегородок 6 этой камеры 2, чтобы это давление можно было регулировать, как будет описано ниже, и
- рампу 18 обдува, оборудованную электрическими вентиляторами, оснащенными устройством регулирования потока окружающего воздуха, нагнетаемого в каждую из полых перегородок 6 камеры 2 на входе камеры, находящейся под рампой 17 нулевой точки, таким образом, чтобы потоки окружающего воздуха, нагнетаемые в эти полые перегородки 6, можно было регулировать с целью получения необходимого давления (с небольшим избыточным давлением или с небольшим разрежением) на уровне рампы 17 нулевой точки;
D) Зона принудительного охлаждения, которая распространяется на три камеры 2 на входе рампы 18 обдува и которая содержит в этом примере две параллельные рампы 19 охлаждения, каждая из которых оснащена электрическими вентиляторами и трубами обдува, нагнетающими окружающий воздух в полые перегородки 6 соответствующей камеры; и
Е) Рабочая зона, расположенная на входе рамп 19 охлаждения и позволяющая производить загрузку в печь и выгрузку из печи анодов 5 и осуществлять обслуживание камер 2.
Таким образом, нагрев печи 1 обеспечивают рампы 16 нагрева, форсунки горелок которых заходят через отверстия 9 в полые перегородки 6 соответствующих камер 2. На входе рамп 16 нагрева (относительно направления продвижения пламени и направления циркуляции воздуха и дымовых газов в линиях полых перегородок 6) рампа 18 обдува и рампа или рампы 19 охлаждения содержат трубы нагнетания воздуха для горения, подаваемого электрическими вентиляторами, причем эти трубы соединены через отверстия 9 с полыми перегородками 6 соответствующих камер 2. На выходе рамп 16 нагрева расположена всасывающая рампа 11 для удаления газообразных продуктов горения и дымов, в совокупности называемых термином «дымовые газы», которые циркулируют в линиях полых перегородок 6.
Нагрев и обжиг анодов 5 обеспечивают одновременно за счет сжигания топлива (газообразного или жидкого), контролируемым образом подаваемого через рампы 16 нагрева, а также, - в равной степени, - за счет сжигания летучих веществ (таких как полициклические ароматические углеводороды), выделяемых пеком анодов 5 в ячейках 4 камер 2 в зонах предварительного нагрева и нагрева, причем эти летучие вещества, которые в основном являются горючими и находятся в ячейках 4, могут проходить в две смежные полые перегородки 6 через каналы, выполненные в перегородках, благодаря присутствию остаточного воздуха для горения на этом уровне среди дымовых газов в этих полых перегородках 6.
Таким образом, циркуляция воздуха и дымовых газов происходит вдоль линий полых перегородок 6, и разрежение, создаваемое на выходе зоны В нагрева всасывающей рампой 11 на выходном конце зоны А предварительного нагрева, позволяет контролировать расход дымовых газов внутри полых перегородок 6, тогда как воздух, поступающий из зон С и D охлаждения при помощи рамп 19 охлаждения и особенно рампы 18 обдува, предварительно нагревается в полых перегородках 6, охлаждая на своем пути обожженные аноды в смежных ячейках 4, и служит окислителем, доходя до зоны В нагрева.
По мере обжига анодов 5 все рампы 11-19 и контрольно-измерительное оборудование и приборы циклично (например, приблизительно каждые 24 часа) перемещают на одну камеру 2, и, таким образом, каждая камера 2 последовательно обеспечивает на входе зоны А предварительного нагрева функцию загрузки сырых углеродистых блоков 5, затем в зоне А предварительного нагрева - функцию естественного предварительного нагрева дымовыми газами топлива и паров пека, которые покидают ячейки 4, заходя в полые перегородки 6, учитывая разрежение в полых перегородках 6 камер 2 в зоне А предварительного нагрева, затем в зоне В нагрева или обжига - функцию нагрева блоков 5 примерно до 1100°С и, наконец, в зонах С и D охлаждения - функцию охлаждения обожженных блоков 5 окружающим воздухом и, соответственно, нагрева этого воздуха, являющегося окислителем в печи 1, при этом в направлении, противоположном продвижению пламени и циркуляции дымовых газов, за зоной D принудительного охлаждения следует зона Е выгрузки охлажденных углеродистых блоков 5, затем, в случае необходимости, загрузки сырых углеродистых блоков в ячейки 4.
Способ регулирования печи FAC 1 в основном содержит регулирование по температуре и/или по давлению зон предварительного нагрева А, нагрева В и обдува или естественного охлаждения С печи 1 в соответствии с заранее определенными правилами.
Дымовые газы, выделяемые из факелов через всасывающие рампы 11, поступают в дымоотвод 20, например, цилиндрический дымоотвод, частично показанный на фиг.2, с дымоходом 21, который может иметь в плане U-образную форму (см. пунктирную линию на фиг.1) или может проходить вокруг печи, при этом его выход 22 направляет всасываемые и собираемые дымовые газы в центр обработки дымов (CTF), который не показан на фигурах, так как не относится к изобретению.
Чтобы придать анодам (углеродистым блокам) оптимальные характеристики и, следовательно, чтобы добиться конечной температуры обжига, в настоящее время при управлении печами этого типа предпочтение отдают питанию топливом (жидким или газообразным) рамп 16 нагрева независимо от разности давлений и аэравлических условий в перегородках 6, что может привести к неполному сгоранию в довольно значительном и даже большом числе линий перегородок 6. Это, в свою очередь, приводит к повышению стоимости работы печи не только по причине перерасхода топлива, но также по причине загрязнения всасывающих труб и каналов, в которых осаждается недожог в виде остатков несгоревшего топлива, что создает потенциальный риск воспламенения и нарушения процесса обжига.
Задача изобретения состоит в оптимизации работы таких печей в непрерывном режиме работы, чтобы снизить стоимость их работы и предотвратить риски пожара и нарушения процесса обжига.
Поставленная задача решена в способе определения характеристик горения в линиях перегородок многокамерной печи, называемой «печью с вращающимся пламенем», предназначенных для обжига углеродистых блоков, посредством анализа значения, по меньшей мере, одного параметра, отображающего общее содержание недожога в дымовых газах и остаточного воздуха, поступающих из линий перегородок и собираемых во всасывающей рампе печи, при этом печь содержит последовательный ряд камер предварительного нагрева, нагрева, естественного охлаждения и принудительного охлаждения, последовательно расположенных вдоль продольной оси печи, при этом каждая камера состоит из расположенных рядом друг с другом поперечно к указанной продольной оси и чередующихся ячеек, в которые помещают предназначенные для обжига углеродистые блоки, и из полых нагревательных перегородок, сообщающихся и находящихся на одной линии с перегородками других камер параллельно продольной оси печи, при этом в линиях перегородок циркулируют воздух охлаждения и горения и дымовые газы, при этом указанная всасывающая рампа соединена при предварительном нагреве с каждой из перегородок первой камеры соответственно одной из всасывающих труб, при этом необходимый воздух для горения частично нагнетается рампой обдува зоны естественного охлаждения, соединенной, по меньшей мере, с одним вентилятором, и частично проходит за счет разрежения через линии перегородок, при этом топливо, необходимое для обжига углеродистых блоков, частично впрыскивается через, по меньшей мере, две рампы нагрева, каждая из которых проходит соответственно, по меньшей мере, перед одной из двух смежных камер зоны нагрева и каждая из которых выполнена с возможностью впрыска топлива в каждую из перегородок соответствующей камеры зоны нагрева, при этом регулирование горения печи в основном содержит регулирование по температуре и/или по давлению зон предварительного нагрева, нагрева и естественного охлаждения по каждой линии перегородок в соответствии с заранее определенными законами заданных величин температуры и/или давления, при этом указанный способ определения характеристик горения, согласно изобретению, содержит, по меньшей мере, один этап последовательных тестов полной остановки впрыска топлива, которые производят последовательно в каждой линии перегородок, продолжительностью, достаточной, чтобы измерение указанного параметра, характеризующего общее содержание недожога в дымовых газах, стабилизировалось, не применяя при этом других действий на линиях перегородок, кроме действия, связанного с тестом полной остановки впрыска в течение продолжительности этого теста, при этом определение характеристик горения основано на вычислении изменения между измерениями указанного характеристического параметра, осуществляемыми до и после полной остановки впрыска в каждой из тестируемых линий перегородок, чтобы выявить одну или несколько линий перегородок в ситуации неполного сгорания, если указанное изменение превышает х % значения указанного характеристического параметра в начале указанного теста полной остановки впрыска, при этом х % предпочтительно составляют примерно от 5% до 10%, при этом значение х зависит, в частности, от числа перегородок в одной камере, от пороговых значений обнаружения и от точности измерения, по меньшей мере, одного датчика указанного характеристического параметра.
Таким образом, посредством теста полной остановки впрыска топлива в линии перегородок только в течение промежутка времени, достаточного для стабилизации измерения характеристического параметра, и ничего не меняя на других линиях перегородок, благодаря способу в соответствии с настоящим изобретением, можно выявить линию перегородок, работающую в ситуации неполного сгорания, на которой в дальнейшем можно будет производить измерения оптимизации горения.
Чтобы ограничить число тестов остановки впрыска и позволить системе быстрее выявить перегородку или перегородки в ситуации неполного сгорания, способ в соответствии с настоящим изобретением дополнительно содержит, по меньшей мере, один предшествующий этап, называемый этапом предварительного выбора линий перегородок, которые могут быть в ситуации неполного сгорания, позволяющий ограничить число тестов остановки впрыска на указанном этапе последовательных тестов полной остановки впрыска только заранее выбранными линиями перегородок и состоящий в том, что для каждой линии перегородок ряда n вычисляют показатель сгорания, равный отношению присутствующего количества воздуха для горения к количеству топлива, впрыскиваемого в указанную линию перегородок ряда n, эмпирически определяют так называемое стехиометрическое предельное соотношение на основании измерений указанного параметра, характеризующего содержание недожога в дымовых газах, собираемых на выходе эталонной линии перегородок, отражающей наилучшее состояние линий перегородок печи, таким образом, чтобы стехиометрическое соотношение соответствовало измеренному порогу указанного характеристического параметра, ниже которого сгорание считается неполным, показатель горения всех линий перегородок сравнивают со стехиометрическим соотношением и считают неполным сгорание в любой линии перегородок ряда n, при котором соответствующий показатель сгорания ниже стехиометрического соотношения.
Таким образом, выявлению линии перегородок в ситуации неполного сгорания при помощи теста полной остановки впрыска предпочтительно предшествует предварительный выбор линий перегородок, которые могут быть в этой ситуации неполного сгорания, благодаря вычислениям, с одной стороны, показателя сгорания для каждой из всех линий перегородок печи и, с другой стороны, указанного стехиометрического соотношения, определенного эмпирически на основании измерения характеристического параметра в эталонной линии перегородок, выбранной в качестве отражающей наилучшее состояние линий перегородок, и, наконец, посредством сравнения каждого показателя сгорания со стехиометрическим соотношением для того, чтобы установить, какую линию перегородок или какие линии перегородок можно считать линией или линиями, в которой сгорание является неполным.
В предпочтительном варианте осуществления заявленного способа определения характеристик горения на указанном этапе предварительного выбора линий перегородок с неполным сгоранием можно вычислить показатель сгорания (RCcln) в линии перегородок ряда n, как пропорциональный квадратному корню статического отрицательного давления всасывания, измеренного в зоне предварительного нагрева для рассматриваемой линии перегородок, и обратно пропорциональный сумме значений мощности впрыска топлива из форсунок рамп нагрева, работающих на одной и той же линии перегородок ряда n.
В частности, во время этого этапа предварительного выбора показатель сгорания линии перегородок ряда n можно легко вычислить, применив следующую формулу:
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mtext> </mtext><mi>R</mi><msub><mi>C</mi><mrow><mi>c</mi><mi>ln</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>10</mn><mo>×</mo><msqrt><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>P</mi><mn>7</mn></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></msqrt><mo>×</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>N</mi><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><mi>I</mi><mi>n</mi><mi>j</mi><mi>H</mi><mi>R</mi><mi>i</mi></mrow></mstyle></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
1
7
где P и Р являются значениями давления, измеренными в перегородках ряда n камер, сообщающихся соответственно с всасывающей рампой и с так называемой рампой «нулевой точки» в зоне естественного охлаждения, N является числом рамп нагрева, как правило, равным 2 или 3, и InjHRi является общей мощностью впрыска в перегородке ряда n форсунок рампы нагрева ряда i, где i меняется от 1 до N.
cln
Кроме того, предпочтительно в рамках заявленного способа определения характеристик этап предварительного выбора линий перегородок с неполным сгоранием может также содержать этап, на котором линии перегородок с неполным сгоранием классифицируют в порядке, начиная от линии, где сгорание является самым неполным, и до линии, где сгорание является наименее неполным, применяя систему обозначения линий перегородок, согласно которой любой линии перегородок ряда n присваивают классификационный знак NC, получаемый при помощи следующей формулы:
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo><mtext> </mtext><mi>N</mi><msub><mi>C</mi><mrow><mi>c</mi><mi>ln</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>20</mn><mo>−</mo><mn>10</mn><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><mi>R</mi><msub><mi>C</mi><mrow><mi>c</mi><mi>ln</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>R</mi><mi>S</mi></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
cln
cln
cln
Кроме того, чтобы быстро получить информацию предварительного выбора, которую можно легко использовать, можно осуществить этап классификации линий перегородок, предпочтительно считая, что для линии перегородок ряда n в хорошем состоянии сгорание является полным, если NC<10, сгорание является неполным, если 10<NC<12, и сгорание является очень неполным и, следовательно, критическим, если NC>12.
Для обеспечения применения этого способа определения характеристик, который представляет особый интерес с точки зрения простоты средств обнаружения и обработки сигналов, выдаваемых этими средствами, в качестве параметра, характеризующего общее содержание недожога в дымовых газах, выбирают содержание моноксида углерода (СО), которое измеряют для определения указанного стехиометрического соотношения, во всасывающей трубе указанной всасывающей рампы, которая соединена с перегородкой эталонной линии перегородок в первой камере предварительного нагрева, при этом указанный порог этого характеристического параметра, которому соответствует стехиометрическое соотношение, составляет примерно 500 частей на миллион СО при измерении в указанной всасывающей трубе, что в стандартных условиях работы печи этого типа соответствует уровню в 1000 частей на миллион СО в точке воспламенения.
Таким образом, поскольку в таких известных печах датчик моноксида углерода уже может присутствовать в коллекторах всасывающей рампы, способ в соответствии с настоящим изобретением можно применять без установки специальных приборов обнаружения и/или измерения, а только используя уже имеющиеся данные измерения, которые получают от датчиков контрольно-измерительных приборов, уже установленных на таких печах, при этом способ в соответствии с настоящим изобретением применяют только при помощи программного модуля, который можно просто и легко установить в современные программы управления такими печами.
Кроме того, заявленный в настоящей заявке способ можно дополнить тем, что после этапов определения характеристик, позволяющих выявить и выбрать линии перегородок с неполным сгоранием, можно применить, по меньшей мере, один последующий этап, называемый этапом оптимизации горения.
Предпочтительно такая оптимизация горения состоит в автоматическом изменении параметров регулирования в зонах предварительного нагрева, нагрева и/или естественного охлаждения печи, чтобы сбалансировать стехиометрическое соотношение RS воздух для горения/топливо с целью достижения ситуации полного сгорания, которую можно определить простым переходом значения указанного характеристического параметра ниже параметрируемого порога.
Однако, при проведении этого этапа оптимизации, как было уточнено в предыдущем абзаце, или любым другим путем описанный в настоящей заявке способ предпочтительно можно осуществлять таким образом, чтобы после указанного этапа оптимизации активировать, по меньшей мере, один дополнительный этап определения характеристик горения, как он был определен выше, в линиях перегородок, не выбранных описанным выше способом среди линий перегородок, предположительно находящихся в состоянии неполного сгорания, если вышеупомянутый, по меньшей мере, один этап оптимизации горения не позволил достичь ситуации полного сгорания.
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 (уже описана) схематично показана конструкция печи с двумя вращающимися факелами и открытыми камерами, вид в плане;
на фиг.2 (уже описана) показана печь, изображенная на фиг.1, частичный вид в перспективе и в поперечном разрезе с вырывом;
на фиг.3 изображен двойной график, показывающий изменение, с одной стороны, измеряемого СО (в частях на миллион) и, с другой стороны, процентного содержания остаточного кислорода в дымах, собираемых во всасывающей трубе одной линии перегородок, в зависимости от общей мощности впрыска в линии перегородок, выраженной в процентах от установившейся максимальной мощности, по трем разным значениям статического отрицательного давления всасывания, измеряемым на уровне рампы измерения предварительного нагрева, связанной с первой камерой предварительного нагрева печи;
Ccln
на фиг.4 показана кривая определения характеристик горения в линии перегородок ряда n, показывающая измеряемое содержание СО (в частях на миллион) в одной линии перегородок в зависимости от соотношения горения R;
cln
на фиг.5 изображена диаграмма, показывающая по оси абсцисс значение сгорания NC в линии перегородок ряда n, полученное в результате применения системы классификации сгорания согласно заявленному способу, и на оси ординат - измеряемое содержание СО (в частях на миллион) в каждой линии перегородок в соответствующей всасывающей трубе;
на фиг.6 показана диаграмма, соответствующая примеру теста полной остановки впрыска топлива последовательно в трех линиях перегородок α, β и γ и показывающая на оси ординат значение общего содержания СО (в частях на миллион), измеряемого во всасывающей рампе, в зависимости от времени (выражено в минутах), и позволяющая выявить для первой проверенной линии перегородок α снижение общего измеряемого содержания СО, связанное с тестом, превышающее порог, указывающий на состояние неполного сгорания в этой линии перегородок α.
Способ в соответствии с настоящим изобретением касается цикла определения характеристик горения в линии перегородок 6 печи 1 посредством анализа общего содержания моноксида углерода (СО) или любого другого параметра, характеризующего содержание недожога в дымах, собираемых во всасывающей рампе 11 топки печи 1, где это общее содержание СО измеряют при помощи датчика-анализатора СО 14 в коллекторе всасывающей рампы 11 (см. фиг.2), и способ определения характеристик горения в линиях перегородок 6 содержит первый этап оценки качества горения в каждой из линий перегородок 6 и предварительного выбора линий перегородок, определенных в результате оценки как линии в состоянии неполного сгорания, затем классификации линий перегородок с использованием системы обозначения, позволяющей выбрать линии перегородок предположительно с неполным сгоранием и определяемой в зависимости от соотношения воздуха для горения и топлива, присутствующих в каждой линии перегородок 6, и от стехиометрического соотношения RS, определяемого эмпирически посредством измерения в эталонной линии перегородок 6, отражающей наилучшее состояние линий перегородок печи.
Этот первый этап способа определения характеристик горения позволяет предварительно выбрать линии перегородок 6, которые считаются в состоянии неполного сгорания, если их так называемое соотношение горения RC, которое является отношением воздуха для горения к топливу, присутствующих в каждой рассматриваемой линии перегородок 6, меньше вышеуказанного стехиометрического соотношения RS.
После этого этапа предварительного выбора линий перегородок, которые оценочно считаются в состоянии неполного сгорания, сразу следует этап выбора линий перегородок 6, рассматриваемых как линии в состоянии неполного сгорания, посредством классификации в соответствии с системой обозначения качества горения в линиях перегородок, которая основана, как было указано выше, на принципе стехиометрического соотношения расхода воздуха для горения и расхода топлива, присутствующих в каждой линии перегородок.
Действительно, максимальное количество топлива, которое можно впрыснуть в данный момент в линию перегородок 6, зависит от расхода воздуха в этой линии перегородок или от уровня статического разрежения, измеренного в этой линии перегородок в этот же момент. Ниже стехиометрического соотношения сгорание является неполным, и часть топлива, присутствующего в линии перегородок, сгорает не полностью, в результате чего образуется моноксид углерода (СО).
Это пороговое явление более наглядно видно из фиг.3, где тремя сплошными кривыми показано содержание СО, выраженное в частях на миллион, измеряемое анализатором 14 СО во всасывающей трубе На (см. фиг.2) рассматриваемой линии перегородок, в зависимости от количества впрыскиваемого топлива, выраженного в общей мощности впрыска в указанную рассматриваемую линию перегородок и оцениваемого в процентах от установленной максимальной мощности, при этом каждую из трех сплошных кривых измерения СО строят соответственно для трех разных значений статического отрицательного давления всасывания в рассматриваемой линии перегородок, соответствующих трем пунктирным линиям, показывающим количество остаточного кислорода в процентах в дымовых газах, собираемых во всасывающей трубе На рассматриваемой всасывающей рампы 11, причем эти три разных значения статического разрежения измеряют при помощи рампы 15 предварительного нагрева на уровне первой камеры 2 предварительного нагрева.
Таким образом, кривые 23, 24 и 25 содержания СО (в частях на миллион), измеряемого в указанной всасывающей трубе На, при изменении общей мощности впрыска примерно от 10% до 30% от установленной максимальной мощности со статическим отрицательным давлением всасывания соответственно -140 Па, -120 Па и -70 Па соответствуют пунктирным кривым 26, 27 и 28, показывающим соответствующее изменение (непрерывное снижение) процентного содержания остаточного кислорода, как показано на оси ординат справа на фиг.3, соответственно при одинаковых значениях отрицательного давления всасывания.
Следует отметить, что при общей мощности впрыска в линию перегородок 6, составляющей от 10% до 15% от установленной максимальной мощности, кривые 23, 24 и 25 измерения СО во всасывающей трубе На указанной линии перегородок 6 мало отличаются друг от друга и показывают низкое содержание СО (по существу ниже 500 частей на миллион), соответствующее сгоранию, которое считают полным, тогда как при значениях общей мощности впрыска, превышающих 15% установленной максимальной мощности, три кривые 23, 24 и 25 измерения СО расходятся сначала с постепенно увеличивающейся, затем по существу с постоянной крутизной, которая тем больше, чем меньше отрицательное давление всасывания по абсолютной величине. Кроме того, при общей мощности впрыска в одной линии перегородок, превышающей примерно 25% от установленной максимальной мощности, три кривые 23, 24 и 25 измерения СО дают результаты, превышающие 1000 частей на миллион, что соответствует сгоранию, которое является тем более неполным, чем ниже отрицательное давление всасывания по абсолютной величине. Одновременно кривые 26, 27 и 28, показывающие изменение процентного содержания остаточного кислорода, убывают по существу с постоянной отрицательной крутизной, мало отличающейся от одной кривой к другой.
cln
На основании этого вывода для каждой линии перегородок 6 ряда n определяют показатель сгорания RC, который выражает отношение количества топлива, впрыскиваемого в указанную линию перегородок ряда n, к количеству воздуха для горения, присутствующего в этой же линии перегородок ряда n. Количество воздуха для горения, присутствующего в линии перегородок ряда n, соответствует расходу воздуха в этой линии перегородок ряда n, который можно определить посредством вычисления квадратного корня статического отрицательного давления всасывания в этой линии перегородок ряда n, измеренного в зоне предварительного нагрева А при помощи рампы 15 предварительного нагрева (см. фиг.1).
Количество топлива, впрыскиваемого в линию перегородок ряда n, можно определить непосредственно путем сложения мощностей форсунок, которые работают на этой же линии перегородок.
Таким образом, формула (1), выражающая отношение или показатель сгорания в этой линии перегородок ряда n, то есть RCcln, может иметь следующий вид:
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mtext> </mtext><mi>R</mi><msub><mi>C</mi><mrow><mi>c</mi><mi>ln</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>10</mn><mo>×</mo><msqrt><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>P</mi><mn>7</mn></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></msqrt><mo>×</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>N</mi><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><mi>I</mi><mi>n</mi><mi>j</mi><mi>H</mi><mi>R</mi><mi>i</mi></mrow></mstyle></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
1
7
cln
где P и Р являются значениями давления, измеренными в перегородках ряда n на уровне камер 2, сообщающихся соответственно с всасывающей рампой 11 для Р1 в зоне предварительного нагрева А и с рампой «точки 0» в зоне естественного охлаждения С, и где N является числом рамп 16 нагрева, как правило, равным 2 или 3, и InjHRi является суммой значений мощности впрыска форсунок рампы 16 нагрева ряда i, где i меняется от 1 до N (2 или 3), в линии перегородок ряда n. Кроме того, необходимо отметить, что, как правило, каждая рампа 16 нагрева содержит по две форсунки на перегородку 6 одной соответствующей камеры 2 таким образом, что, если N=3, как в примере, показанном на фиг.1 (с тремя рампами 16 нагрева), то питание топливом линии перегородок ряда n обеспечивают шесть форсунок. Таким образом, соотношение сгорания RC в линии перегородок ряда n пропорционально квадратному корню статического отрицательного давления всасывания, измеряемого в зоне предварительного нагрева А для этой рассматриваемой линии перегородок 6, и обратно пропорционально сумме значений мощности впрыска топлива форсунок рамп 16 нагрева, работающих на этой же линии перегородок 6 ряда n.
Для этой линии перегородок 6 ряда n на фиг.4 показана заштрихованная и изогнутая зона 29, которая соответствует огибающей различных точек измерения СО, измеренного в частях на миллион в соответствующей всасывающей трубе 11а, в зависимости от изменения соответствующего соотношения сгорания RCcln. Пороговое значение RC, ниже которого сгорание считается неполным, то есть значение указанного стехиометрического соотношения RS определяют эмпирически посредством наблюдения значения СО в линии перегородок, отражающей наилучшее состояние перегородок печи.
Сверх значения в 1000 частей на миллион не разбавленного СО, которое приблизительно соответствует значению 500 частей на миллион, измеренному на датчике СО 14 во всасывающей трубе На (фиг.2) с учетом разбавления в печи 1, сгорание считают неполным.
Таким образом, на фиг.4 порог неполного сгорания показан в значении 500 частей на миллион измеренного СО, что соответствует значению стехиометрического соотношения RS, примерно равному 6, на пересечении заштрихованной зоны 29 огибающей точек измерения СО и порога неполного сгорания в 500 частей на миллион.
Таким образом, осуществляют предварительный выбор линий перегородок 6, которые могут находиться в ситуации неполного сгорания, при этом уточняется также, что содержание СО, выбранное в этом примере выполнения в качестве параметра, характеризующего общее содержание недожога в домовых газах, измеряют для определения стехиометрического соотношения RS в той из всасывающих труб На всасывающей рампы 11, которая соединена с той из перегородок 6, которая находится на пересечении эталонной линии перегородок и первой камеры 2 предварительного нагрева, при этом порог содержания СО, которому соответствует стехиометрическое соотношение RS, примерно составляет 500 частей на миллион СО, измеренного в этой всасывающей трубе На, что в стандартных условиях работы печи 1 этого типа соответствует уровню в 1000 частей на миллион СО в точке воспламенения.
На основании вычисления показателя сгорания RCcln выводят также, по меньшей мере, для линий перегородок 6, которые отнесены к линиям в состоянии неполного сгорания при сравнении их показателя сгорания RCcln со стехиометрическим соотношением RS, и предпочтительно для всех линий перегородок 6 печи 1, знак, позволяющий классифицировать линии перегородок в убывающем порядке, начиная от линии с наиболее неполным сгоранием до линии с наименее неполным сгоранием и даже с наиболее полным сгоранием, если все линии перегородок обозначены, например, при помощи системы обозначения от 0 до 20, определенной таким образом, чтобы сверх значения 10 стехиометрический предел был превышен и сгорание считается неполным в соответствующей линии перегородок.
Например, при классификации линий перегородок, предварительно выбранных как линии с неполным сгоранием, как было указано выше, эти линии перегородок классифицируют в порядке, начиная от линии, в которой сгорание является наиболее неполным, до линии, в которой сгорание является наименее неполным, применяя систему обозначения линий перегородок, согласно которой любой линии перегородок 6 ряда n присваивают знак классификации NCcln, получаемый при помощи следующей формулы (2):
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo><mtext> </mtext><mi>N</mi><msub><mi>C</mi><mrow><mi>c</mi><mi>ln</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>20</mn><mo>−</mo><mn>10</mn><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><mi>R</mi><msub><mi>C</mi><mrow><mi>c</mi><mi>ln</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>R</mi><mi>S</mi></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где RCcln и RS являются определенными выше соотношениями, то есть показателем сгорания в перегородке ряда n и стехиометрическим соотношением.
Поскольку линии перегородок обозначены от 0 до 20 в зависимости от их соответствующего соотношения RCcln/RS, то считают, что, если знак сгорания NCcln меньше 10, сгорание является полным, тогда как, если этот знак сгорания NCcln составляет от 10 до 12, сгорание является неполным, при этом сгорание является очень неполным и, следовательно, критическим, если знак NCcln превышает 12.
Результат такого обозначения представлен в качестве примера на фиг.5, на которой знаки NCcln показаны в виде круглых точек на сплошной кривой, которая пересекает три заштрихованные прямоугольные зоны, из которых одна зона 30 находится между знаками 0 и 10 по оси абсцисс и между 0 и порогом неполного сгорания в 500 частей на миллион измеренного СО для линий перегородок с полным сгоранием, вторая зона 31 находится по оси абсцисс между знаками 10 и 12 и по оси ординат между значениями 500 и 1000 частей на миллион измеренного СО для линии или линий перегородок с неполным сгоранием, и, наконец, третья зона 32 находится при знаках выше 12 по оси абсцисс и при измеренном СО более 1000 частей на миллион по оси ординат для любой линии перегородок с очень неполным, то есть критическом сгоранием.
Таким образом, при помощи такого обозначения выбирают линии перегородок, которые считаются в состоянии неполного сгорания со знаками выше 10 и каждую из которых затем подвергают этапу идентификации линий перегородок с неполным сгоранием при помощи теста полной остановки впрыска топлива в течение определенного времени и последовательно на выбранных линиях перегородок, начиная с линии, имеющей наивысший знак, и осуществляя тест последовательно на линиях перегородок, знаки сгорания которых расположены в убывающем порядке.
На фиг.6 схематично показан ход теста полной остановки впрыска топлива последовательно на трех линиях перегородок ряда α, β и γ, значения сгорания NC которых постепенно убывают. На фиг.6 на оси ординат показано общее содержание СО, измеренное в частях на миллион в коллекторе всасывающей рампы 11 при помощи датчика СО 14 (см. фиг.2), и на оси абсцисс показано время в минутах. Кривая 33 показывает изменение во времени общего содержания СО, измеренного в коллекторе всасывающей рампы 11. В момент t1 на линии перегородок 6 ряда а производят полную остановку подачи топлива через форсунки рамп 16 нагрева, работающих на этой линии перегородок а, путем практически мгновенного отключения, начиная от первоначального значения (при тесте полной остановки) расхода впрыска топлива до нулевого расхода, что соответствует левой стороне с опускающейся стрелкой прямоугольника «α», символически отображающей команду питания топливных форсунок этой линии перегородок а во время этого теста полной остановки впрыска. Впрыск прекращают во время интервала времени t1 t2, достаточного, чтобы измерение содержания СО стабилизировалось до момента t2 конца полного отключения впрыска. Кривая 33 содержания СО показывает падение до стабилизированного значения, например, 500 частей на миллион во время интервала t1 t2 таким образом, что можно измерить значение ΔСО, соответствующее разности между первоначальным значением в момент t1 и конечным значением в момент t2 содержания СО в результате этого прекращения питания. Затем в момент t2 подачу топлива в эту линию перегородок возобновляют при первоначальном значении, что показано на правой стороне прямоугольника «α» на фиг.6 поднимающейся стрелкой. Затем проходит интервал времени t2 t3 продолжительностью, слегка превышающей или по существу равной интервалу t1 t2, который составляет примерно 2 минуты, чтобы в момент t3 начать такой же тест полной остановки впрыска топлива на линии перегородок ряда β, зная при этом, что во время реализации теста полной остановки на конкретной линии перегородок не вносят никаких изменений в ход процесса обжига во всех других линиях перегородок. Продолжительность второго теста на линии перегородок β, соответствующая интервалу t3 t4, является такой же, что и продолжительность t1 t2, и кривая содержания СО, которая после завершения теста на линии перегородок а вернулась на нормальный уровень, показывает в результате теста на линии перегородок β лишь ограниченное снижение содержания СО, измеренного после полной остановки впрыска топлива в линии перегородок β во время интервала t3 t4. Так же проходит и третий тест полной остановки впрыска, проводимый на линии перегородок γ во время интервала t5 t6 такой же продолжительности примерно в 2 минуты, что и продолжительность других тестов t1 t2 и t3 t4, поэтому каждый раз измерение содержания СО во время каждого теста может стабилизироваться после этого отключения впрыска топлива, и оно может опять стабилизироваться по завершении отключения подачи топлива в течение интервала времени, разделяющего два последовательных теста.
При каждом тесте вытекающее из него снижение содержания СО, то есть ΔСО сравнивают с первоначальным значением Х в процентах содержания СО в начале этого теста, и, как в случае линии перегородок α, если ΔСО превышает Х% COi, линию перегородок α идентифицируют как линию в состоянии неполного сгорания, чего нельзя сказать о линиях перегородок β и γ, если рассматривать кривую 33 на фиг.6.
Таким образом, тест полной остановки впрыска топлива осуществляют, линия за линией, на линиях перегородок, предварительно выбранных по своему обозначению сгорания NC. Важно, чтобы на линиях перегородок 6 не проводилось никаких других действий, кроме теста полной остановки впрыска, в течение всей продолжительности этого теста, чтобы не нарушать характеризацию горения. Действительно, это определение характеристик зависит от вычисления изменения содержания СО, измеренного между начальным моментом теста и конечным моментом, при этом следует отметить, что измерения содержания СО всегда остаются общими. Резкое изменение направления кривой 33 вниз и затем ее подъем на фиг.6 отражают влияние полной остановки впрыска топлива в линии перегородок а на содержание СО в коллекторе всасывающей рампы 11, где учитываются дымовые газы, удаляемые из всех линий перегородок печи.
Что касается порога Х % значения содержания COi в начале каждого теста полной остановки впрыска, это значение Х зависит, в частности, от числа перегородок 7 на каждую камеру 2 печи, а также от точности измерения и от пороговых значений обнаружения датчиком СО 14. Как правило, Х % выбирают в диапазоне от 5% до 10%. Обычно для печи 1 с 9-ю перегородками 6 на одну камеру 2 система определения характеристик с применением заявленного способа должна позволять обнаруживать, по меньшей мере, одну перегородку ряда n из 9-ти перегородок 6, в которой сгорание стремится стать неполным. Если считать, что потоки, циркулирующие в каждой линии перегородок, то есть в каждой перегородке являются эквивалентными, снижение содержания СО в результате остановки впрыска топлива в перегородке ряда n будет, по меньшей мере, равно ΔCon=500 частей на миллион/9=56 частей на миллион с учетом разбавления, то есть примерно Х=10% содержания СО, измеренного в коллекторе всасывающей рампы 11, где это содержание равно не менее 500 частей на миллион.
Выбрав, таким образом, линии перегородок, которые считаются в состоянии неполного сгорания, при помощи стехиометрического соотношения RS, показателей сгорания RC линий перегородок, сравнения показателей сгорания со стехиометрическим соотношением и присвоения знаков NC линиям перегородок, затем после идентификации линий перегородок с неполным сгоранием при помощи теста полной остановки впрыска топлива можно применить последующий этап, называемый этапом оптимизации горения.
Такой этап может состоять в изменении, предпочтительно в автоматическом изменении параметров регулирования, по меньшей мере, в одной из зон естественного охлаждения С, нагрева В и предварительного нагрева А, чтобы по мере возможности сбалансировать показатели сгорания по стехиометрическому соотношению воздух для горения/топливо с целью возврата к ситуации полного сгорания в максимально возможном числе линий перегородок, причем этот переход к ситуации полного сгорания может быть определен переходом измеренного значения содержания СО или переходом значения, по меньшей мере, одного другого параметра, характеризующего общее содержание недожога в дымовых газах, к значению ниже параметрируемого порога.
Однако, если этап или этапы оптимизации горения, представленные в общих чертах выше, не позволили вернуться к ситуации полного сгорания для всех линий перегородок печи 1, тогда заявленный способ предусматривает, по меньшей мере, один дополнительный этап определения характеристик горения, который осуществляют при помощи теста полной остановки впрыска на тех из линий перегородок, предварительно не выбранных согласно заявленному способу, среди линий перегородок, предположительно находящихся в состоянии неполного сгорания, единственно по той причине, что их показатель сгорания RC был вычислен в значении ниже стехиометрического соотношения RS. Кроме того, этот дополнительный этап определения характеристик позволяет выявить перегородки с удовлетворительными стехиометрическими условиями, имеющими обозначение сгорания NC ниже 10 в описанном выше примере системы обозначения, но физические условия которых создают проблемы сгорания, так как перегородки были деформированы, зажаты или более или менее полностью закупорены.