Авторский коллектив многие годы последовательно занимается решением задачи автоматического управления качеством сжигания топлива. Под этим термином понимается одновременная энерго-экологическая оптимизация процесса: как с точки зрения повышения эффективности использования топлива, так и снижения вредного воздействия продуктов сгорания на окружающую среду. Эти два направления оптимизации не только трудны сами по себе, но и часто находятся в противоречии.
Например, снижение избытка воздуха в зоне горения эффективно подавляет образование оксидов азота, но способствует появлению химнедожога. А повышение избытка воздуха с целью обеспечения полноты сгорания неизбежно приводит к росту потерь теплоты с отходящими газами. При этом, в любом случае, остается найти ответ на непростой вопрос: в каком соотношении показатели эффективности и экологичности сжигания топлива вместе свидетельствуют об оптимальном его использовании, каков алгоритм одновременного рассмотрения физических величин, имеющих совершенно разные единицы измерения?
На рис. 1 приведена принципиальная зависимость содержания основных компонентов продуктов сгорания (О2, СО2, СО, NOx) и КПД котлоагрегата (η) от коэффициента избытка воздуха (α). Хорошо видно, что КПД котлоагрегата имеет максимальное значение в очень узкой зоне регулирования по избытку воздуха. В этой же зоне можно обеспечить минимальный выход оксидов азота. А вот химнедожог (выход оксида углерода) в этой зоне начинает заметно расти. Возникает неизбежный вопрос: чем поступиться?
Рис. 1. Принципиальная зависимость показателей эффективности и экологичности сжигания топлива в паровом котле
С этой точки зрения необходимо отметить два важных момента в подходе к определению совокупных оптимальных параметров качества сжигания топлива.
Во-первых, по уровню токсичности всем хорошо известный угарный газ в десятки раз менее опасен для человека, чем оксиды азота: по показателю максимальной разовой допустимой концентрации в атмосферном воздухе – почти в 60 раз (5 мг/м3 для СО и 0,085 мг/м3 – для NO2), а по среднесуточной – в 75 раз (3 мг/м3 и 0,04 мг/м3, соответственно).
Во-вторых, стремление к полному отсутствию продуктов химнедожога в отходящих газах (а этим принципом руководствуются подавляющее большинство наладчиков котлоагрегатов) отнюдь не соответствует максимальной эффективности использования топлива. Некоторое содержание СО в газовой среде увеличивает степень ее черноты, что способствует более эффективной работе экранных поверхностей нагрева, в значительной мере определяющих КПД котла. Авторы в своих многочисленных исследованиях доказали, что содержание СО в уходящих газах на уровне 300–500 ppm (0,3–0,5 % об.) в большинстве случаев соответствует работе котла с максимальным КПД [1–5].
Предложив в качестве абсолютного показателя эффективности сжигания топлива КПД котлоагрегата «брутто», а в качестве такой же характеристики вредного воздействия на атмосферу – показатель токсичности продуктов сгорания, авторы разработали методику интегральной оценки качества сжигания топлива по относительному критерию энергоэкологической эффективности [5]. Оптимальный режим работы котла по избытку воздуха соответствует максимальному значению этого критерия (предельное значение равно 2,0, когда совпадают режимы работы котла с максимальным КПД и минимальным показателем токсичности продуктов сгорания).
Однако на пути реализации такого подхода возникают чисто технические трудности. Во-первых, взаимное расположение кривых на рис. 1 будет иным при каждой нагрузке (производительности котла), а вместе с тем изменится и положение области оптимального режима сжигания топлива. Во-вторых, границы этой области очень подвижны, поскольку даже для конкретного котла и газогорелочного оборудования они зависят от их технического состояния, состава и теплоты сгорания топлива, климатических условий (влажности воздуха и атмосферного давления), температуры топлива и воздуха, работы тягодутьевых устройств и многих других факторов влияния. Удерживать топочный процесс в узкой области соответствия поставленным задачам при непрерывно меняющихся факторах воздействия можно только путем применения автоматики, причем с компьютерным управлением.
Для производства пара и горячей воды в настоящее время широко применяются отечественные котлоагрегаты, разработанные и построенные многие годы назад. Это объясняется их надежностью, широким диапазоном регулирования, ремонтоспособностью, большим сроком эксплуатации и другими очень важными, эксплуатационными показателями. Некоторые типы котлов имеют возможность уникальной форсировки режима (у котлов ДКВР – до 40 %).
Такие котлы, как правило, надежно обеспечивают технологические потребности в теплоносителях, но оборудованы безнадежно устаревшими системами автоматики. Часто щиты автоматики разукомплектованы из-за отсутствия на рынке соответствующих приборов, и котлы, по существу, находятся на ручном управлении. Практически отсутствуют приборы контроля состава дымовых газов. Эксплуатация котлов с такими системами управления становится очень расточительной, а требования по охране окружающей среды вообще не выполняются.
Прежде всего, для реализации изложенных выше принципов эффективного и экологичного сжигания топлива требуется оснастить существующие и вновь проектируемые котлоагрегаты надежными анализаторами дымовых газов. Разработанные авторским коллективом приборы контроля и управления качеством горения топлива предоставляют эксплуатирующим организациям уникальную возможность при ограниченных затратах вывести работу оборудования на уровень современных требований по эффективности использования топлива и охране окружающей среды.
Разработана целая серия интеллектуальных анализаторов качества горения ИАКГ, ИАДГ, КАДГ, КАКГ (рис. 2) и другие, которые могут работать как в автономном режиме (так называемый «советчик оператора»), так и включаться в системы автоматического регулирования горения. На рис. 2 приведена принципиальная схема системы автоматического управления подачей воздуха для типового парового котлоагрегата средней мощности с использованием анализатора КАКГ для оптимизации горения.
Рис. 2. Принципиальная схема АСУ качеством сжигания топлива в котлоагрегате на базе анализатора КАКГ
Такая система имеет два контура регулирования: «ведущий» – топлива и «ведомый» – воздуха, с соответствующими регуляторами, датчиками и исполнительными механизмами, воздействующими на заслонки. Регулятор воздуха (РВ) получает два входных сигнала: задающий – от датчика давления топлива (ДТ) через функциональный преобразователь (ФП), согласующий характеристики заслонок, и сигнал обратной связи – от датчика давления воздуха (ДВ). Этот сигнал проходит через корректор-анализатор КАКГ, осуществляющий коррекцию экономичности и качества сжигания топлива по О2 и СО в дымовых газах. В качестве индекса нагрузки для КАКГ может быть использован также сигнал от датчиков расхода пара, топлива или теплопроизводительности (для водогрейных котлов).
Дальнейшим естественным шагом в этом направлении была разработка комплектных систем управления качеством сжигания топлива, поставляемых заказчику и внедряемых «под ключ». Первым опытом создания таких продуктов была система «Факел» [5]. При наличии работоспособного штатного регулятора соотношения «газ – воздух» на щите автоматики котла этот регулятор сохранялся, а корректирующий сигнал поступал на свободный вход регулятора. Сохранение комплектного штатного щита автоматики, включая регуляторы уровня воды в барабане и разрежения в топке, существенно удешевляло внедрение системы.
Такое решение было привлекательно тем, что штатный регулятор (Р-25, РС-29) очень быстро реагирует на изменение нагрузки котла (давления газа). Компьютерный процессор системы сначала производит корректировку по оптимальному содержанию кислорода в отходящих газах для данной нагрузки, а затем дополнительно в непрерывном режиме корректирует соотношение «газ – воздух» по содержанию оксида углерода в продуктах сгорания. Разумеется, как оптимальная кривая «нагрузка – О2» в памяти процессора, так и границы «воздуха мало» и «воздуха много» по содержанию СО определяются тщательной наладкой котлоагрегата в процессе внедрения системы.
Развитием этого семейства стала система «Факел-2000» с выводом информации о работе котла на компьютер оператора котельной. Поскольку дальнейшее широкое внедрение систем управления качеством сжигания топлива все чаще сталкивалось с ситуацией, когда штатные системы автоматики котлов были разукомплектованы, необходима была разработка комплексной системы автоматики регулирования и безопасности котла. Таким решением стала представляемая в статье система «Факел-2010». Эта система имеет собственный щит автоматики со всеми необходимыми регуляторами (рис. 3). Вся необходимая информация о работе агрегата выводится на жидкокристаллический монитор, установленный на этом щите (рис. 4), или на пульте управления (котельной, цеха и т.п.).
Рис. 3. Общий вид фронта котла ДКВР-10-13 с горелками ГМГ-4М, оборудованного системой «Факел-2010» (справа – щит управления системы с монитором)
Рис. 4. Функциональная схема котлоагрегата с текущими параметрами работы на экране монитора и ее связь с основными элементами системы «Факел-2010»
Система «Факел-2010» предназначена для непрерывного контроля и регистрации основных параметров технологического процесса сжигания топлива, оптимального автоматического регулирования работы котельных агрегатов и печей с целью экономии топлива и снижения выбросов в атмосферу вредных веществ. Система может быть использована как при реконструкции существующих, так и проектировании новых котлов и промышленных печей средней и большой мощности.
К областям ее применения относятся теплоэнергетика, металлургия, нефтехимия, производство строительных материалов, коммунально-бытовой сектор и другие отрасли, где используются топливосжигающие агрегаты, работающие на различных видах топлива.
Реализуя энергосберегающие и природоохранные принципы использования топлива, система обеспечивает:
– экономию топлива от 6 до 12 % в среднегодовом исчислении;
– снижение выбросов оксидов азота в атмосферу на 30–40 %;
– снижение потребления электроэнергии дутьевыми вентиляторами и дымососами на 25–50 %;
– общее повышение надежности работы теплотехнического и механического оборудования за счет непрерывной диагностики и контроля работы обмуровки котла, газовоздушных трактов, датчиков, исполнительных механизмов и др.;
– возможность диспетчеризации и передачи информации в любые информационные сети предприятия, включая полное интегрирование в системы BMS (building management system);
– протоколирование работы котлоагрегата, дружественный интерфейс оператора, возможность просмотра и печати текущего отчета, отчета за смену и т.п.
По данным уже осуществленных внедрений системы обеспечивается полная окупаемость затрат на реконструкцию за 6–18 месяцев. Система обеспечивает: автоматический пуск и останов котла, непрерывный контроль технологических параметров, защиту от аварийных режимов и регулирование подачи топлива, воздуха, разрежения в топке и (для паровых котлов) уровня воды в барабане. Все это осуществляет микропроцессорный контроллер АГАВА-6432.20, установленный в шкафу управления.
Контроль дымовых газов осуществляется двумя комбинированными анализаторами. Анализатор КАКГ устанавливается в дымоход за котлом, а ИАКГ – за экономайзером (рис. 5).
Рис. 5. Интеллектуальные анализаторы качества горения в составе системы «Факел-2010»: КАКГ в газоходе за котлом (слева) и ИАКГ в газоходе за экономайзером (справа)
Оба анализатора измеряют: содержание кислорода, оксида углерода, температуру и давление. Причем анализатор КАКГ формирует корректирующий сигнал, обеспечивающий оптимальное соотношение «топливо-воздух», который заводится в контроллер и воздействует на регулятор воздуха. Анализатор ИАКГ рассчитывает параметры, характеризующие экономичность и качество сжигания топлива, а также эффективность работы всего котлоагрегата.
Частотные преобразователи регулируют скорость вращения вентилятора и дымососа, обеспечивая их плавный пуск и точную установку необходимого расхода воздуха, давления и разрежения в газовоздушных трактах. Этот способ регулирования производительности тягодутьевого оборудования экономичен, по сравнению с регулированием регистрами (заслонками), особенно при значительной недогрузке электродвигателей.
Данные о работе котла передаются по интерфейсу RS-485 на компьютер АСУ ТП верхнего уровня, где осуществляется:
– сбор и регистрация первичной информации о ходе технологического процесса;
– предоставление информации в виде мнемосхем технологического процесса;
– ведение истории технологического процесса;
– просмотр и анализ хода технологического процесса;
– сигнализация и регистрация событий и нарушений в ходе технологического процесса;
– регистрация всех действий операторов;
– настройка прав пользователей и уровней доступа.
Основу предлагаемого комплекта системы составляют:
– шкаф управления котлоагрегата КС-6432-4 с современными приборами;
– корректор-анализатор качества горения КАКГ;
– интеллектуальный анализатор качества горения ИАКГ;
– частотные преобразователи ERMAN;
– персональный компьютер с программным обеспечением и принтер.