СПОСОБ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ СЖИГАНИЕМ ТОПЛИВА И ИОНИЗАЦИОННЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F23N5/12 G08B17/06 

Изобретение относится к системам контроля и управления процессами воспламенения и сгорания топлива, конкретно к системам контроля и управления процессом сжигания углеводородного топлива в топках котлов и промышленных печей.

Известны способы и устройства контроля воспламенения и горения топлива в камерах сгорания, различающиеся по принципу действия датчиков, реагирующих на воспламенение и горение топлива. Например, с термопарным датчиком, реагирующим на повышение температуры в камере сгорания [1] или с газовым датчиком, реагирующим на измерение вязкости газа при увеличении температуры [2]
Основные недостатки указанных выше способов и устройств заключаются в большой инерционности и нестабильности работы датчиков измерения температуры, сложность изготовления и трудность обеспечения работоспособности газового датчика из-за малых размеров капилляра, диаметр 0,12 мм. Эти недостатки не позволяют использовать обсужденные устройства в системах управления процессами воспламенения и сгорания топлива.

Указанные недостатки устранены в способе контроля и управления процессов воспламенения и горения топлива, основанном на измерении ионного тока в пламени и сравнении замеренной величины тока с минимально допустимым значением тока [3, 4]
Появление ионного тока в пламени регистрируется практически мгновенно, а величина ионного тока слабо зависит от изменения атмосферных условий на входе в двигатель.

Для измерения ионного тока в пламени используются ионизационные датчики. Наиболее распространенным является датчик, одним из электродов которого является металлический стержень, изолированный от камеры сгорания, а вторым электродом стабилизатор пламени. Ионизационные датчики такого типа в системах автоматического регулирования процессов воспламенения и горения в тепловых устройствах представлены на рис. 158, 159 и 160 [3] стр. 260.264, [4] стр. 134
Обсуждаемые способы содержат следующие операции: одновременно подается электрическое напряжение на электроды ионизационного датчика и на свечи зажигания запального устройства. Затем подается топливо и воздух в топку. Воспламенение топливно-воздушной смеси (ТВС) приводит к формированию факела пламени. Пламя, омывая электроды ионизационного датчика, замыкает его электрическую цепь, что свидетельствует о нормальном воспламенении и наличии факела пламени в топке. При исчезновении ионного тока в электрической цепи датчика его цепь размыкается и проходит сигнал на прекращение подачи топлива и воздуха в топку.

При этом ионизационный датчик может быть одноэлектродным, для которого вторым электродом является металлический элемент горелки или корпус камеры сгорания, или двухэлектродным, в котором электродами являются изолированный от камеры сгорания электрод-металлический стержень и корпус датчика.

Основным недостатком рассмотренных способов и устройств является то, что они определяют только наличие воспламенения и горения в камерах сгорания и топках и не контролируют протекание процесса сжигания топлива, с точки зрения обеспечения минимальной концентрации токсичных выделении в продуктах сгорания.

В настоящее время разработан ряд способов организации процесса сжигания топлива, при которых обеспечивается минимальная концентрация токсичных выделений (CH, CO, NO_x) в продуктах сгорания топок котлов и промышленных печей. К наиболее эффективным из них относятся рециркуляция дымовых газов и двухстадийное сжигание топлива.

Реализация указанных способов возможна при поддержании заданного протекания процесса сгорания в первичной зоне (зона воспламенения и зона выгорания) и вторичной зоне факела пламени (зона догорания).

Основным недостатком обсужденных способов является отсутствие непрерывного безинерционного сгорания топлива в определяющих зонах факела пламени и управления подачи топлива и воздуха в камеру сгорания.

Целью изобретения является обеспечение минимальной концентрации токсичных выделений в продуктах сгорания топок котлов и промышленных печей.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе контроля и управления сжиганием топлива, включающем измерение ионного тока в трех зонах факела пламени и регулирование подачи топлива измерение и сравнение между собой величин ионного тока производят в зоне воспламенения, зоне выгорания и зоне завершения сгорания топлива, причем, при токе в зоне воспламенения большем тока зоны выгорания, увеличивают расход топлива, при токе выгорания меньшем тока зоны завершения сгорания, уменьшают расход топлива.

Для осуществления предлагаемого способа контроля и управления сжиганием топлива в известном ионизационном датчике, содержащем изолированные друг от друга электроды, одним из которых является корпус датчика, положительный электрод корпус является общим для отрицательных электродов, в нем выполнены кольцевые разъемы, в которых установлены три кольцевых отрицательных электрода.

Известно, что при прочих равных условиях величина ионного тока в цепи ионизационного датчика определяется площадью поверхности электродов, омываемых пламенем.

Для того, чтобы исключить влияние площади поверхности электродов датчика на величину ионного тока в измеряемых зонах, площади поверхности отрицательных электродов могут быть выполнены равными между собой, соответственно, площади боковых поверхностей положительного электрода корпуса также равны между собой.

Так как измерение ионного тока пламени и сравнение замеряемых величин тока производится непрерывно во все время работы топки, то в любой момент времени имеется информация о динамике выгорания топливно-воздушной смеси по длине факела пламени. В настоящее время считается общеизвестным, что концентрация токсичных веществ в продуктах сгорания топок и промышленных печей, главным образом, определяется динамикой выгорания ТВС по длине факела пламени.

Так как скорость передачи информации оператору о динамике выгорания определяются скоростью перемещения электронов в пламени, то результаты измерения и сравнения величин тока отражают динамику выгорания практически мгновенно.

Следовательно, способ контроля сжигания топлива и ионизационный датчик для его осуществления соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 показана схема системы для реализации предлагаемого способа контроля сжигания топлива, на фиг. 2 конструкция ионизационного датчика для осуществления предлагаемого способа.

Система для реализации способа контроля сжигания топлива, как показано на фиг. 1, содержит топку котла 1, закручивающее устройство 2 для подачи воздуха в первичную зону I, форсунку 3 для подачи топлива. Устройство 4 служит для подачи воздуха во вторичную зону II. Для подвода электрического питания к электродам ионизационного датчика 5 и вывода замеряемых величин ионного тока на регистрирующие приборы служит блок питания и измерения 6. У ионизационного датчика 5 элементы измерения величины ионного тока 7, 8 и 9 расположены соответственно, в зоне воспламенения начало первичной зоны I, зоне выгорания конец первичной зоны I и зоне догорания вторичной зоны II.

Ионизационный датчик, см. фиг. 2, содержит три отрицательных электрода 10, которые от боковых поверхностей положительного электрода 11, изолированы прокладками 12. Боковые поверхности положительного электрода 11 принадлежат элементам, которые вместе с трубой 13 образуют корпус датчика, являющегося общим положительным электродом для всех отрицательных электродов датчика. Для подключения отрицательных электродов к блоку питания и измерения (поз 6, фиг. 1) проводами служат три контакта 14. Положительный электрод подключается к блоку питания и измерения через контакт 15.

Для исключения влияния площади поверхности отрицательных электродов выполнены равными между собой и, соответственно; площади боковых поверхностей положительного электрода 11 также равны между собой.

Отрицательные электроды 10 и изолирующие прокладки 12 могут быть присоединены с помощью болтовых присоединений, как это условно изображено на фиг. 2, к элементам положительного электрода 11 корпуса датчика
Пример работы: при запуске топки в зоне элемента измерения 7 между отрицательными электродом 10 и боковыми поверхностями положительного электрода 11 корпуса является пламя, замыкающее электрическую цепь системы контроля сжигания топлива в зоне воспламенения начало первичной зоны I. Регистрация появления ионного тока в этой зоне свидетельствует о возникновении факела пламени в топке. Через некоторое время, определяемое турбулентной скоростью распространения фронта пламени, пламя появляется в зонах элементов измерения 8 и 9, соответственно, в зоне выгорания и догорания.

По приборам блока питания и измерения оператору предоставляются данные о величине ионного тока в зонах воспламенения, выгорания и догорания.

При соотношении величин тока, когда ионный ток зоны выгорания больше тока зоны воспламенения и больше тока зоны догорания, процесс сжигания топлива протекает при условиях, обеспечивающих минимальную концентрацию токсичных выделении в продуктах сгорания топки.

Известно, что величина ионного тока в пламени углеводородного топлива определяется двумя факторами: наличием химических реакций горения и термоэмиссией электронов с раскаленных частиц сажи [3]
Отклонение величин ионного тока от указанного соотношения будет свидетельствовать о протекании процесса сжигания топлива с увеличенным выходом какого-либо токсичного вещества (CH, CO, NO_x) или всех вместе.

Так при величине ионного тока в зоне воспламенения большей, чем в зоне выгорания, создаются условия для увеличения выхода окислов азота, т.к. в начале первичной зоны создается объем с высоким уровнем температуря, что и определяет образование NO_x. Для обеспечения необходимого соотношения величин ионного тока по зонам факела пламени производят увеличение расхода топлива.

При величине ионного тока наибольшей в зоне догорания создаются условия для увеличения концентрации несгоревших углеводородов CH, и окиси углерода CO, в продуктах сгорания, т.к. топливо не успевает полностью сгореть в объеме топки. Для обеспечения необходимого соотношения величин ионного тока производят уменьшение расхода топлива.

В ионизационном датчике, имеющим три элемента измерения, для исключения влияния геометрических параметров на сравниваемые величины ионных токов, площади поверхности отрицательных электродов выполнены равными между собой, соответственно, площади боковых поверхностей положительного электрода-корпуса также равны между собой.

Проведенные экспериментальные исследования на моделях топки подтвердили, что применение предлагаемого способа контроля и управления сжиганием топлива и ионизационного датчика для его осуществления позволяют обеспечить сжигание углеводородного топлива при минимальной концентрации токсичных выделений в продуктах сгорания.

Разработана схема системы контроля и управления сжиганием топлива и выпущены рабочие Чертежи для изготовления ионизационного датчика для реализации предлагаемого способа на полноразмеренном котле ТП-87 Тольяттинской ТЭЦ.

Использование: системы контроля и управления процессом сжигания углеводородного топлива в топках котлов и промышленных печей. Сущность изобретения - способ включает измерение ионного тока в факеле и регулирование подачи топлива. Причем измерение и сравнение между собой величин ионного тока производят в трех зонах факела пламени: зоне воспламенения, зоне выгорания и зоне завершения сгорания топлива, причем при токе в зоне воспламенения большем тока зоны выгорания увеличивают расход топлива, при токе в зоне выгорания меньшем тока завершения сгорания производят уменьшение расхода топлива. Ионизационный датчик для осуществления способа содержит изолированные друг от друга электроды, одним из которых положительным является корпус датчика. В корпусе выполнены кольцевые разъемы, в которых установлены кольцевые отрицательные электроды. Площади поверхностей отрицательных электродов выполнены равными между собой, соответственно площади боковых поверхностей положительного электрода - корпуса в разъемах для установки отрицательных электродов также равны между собой. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ контроля и управления сжиганием топлива путем измерения ионного тока в трех зонах факела пламени и регулирования подачи топлива, отличающийся тем, что, с целью обеспечения минимальной концентрации токсичных выделений в продуктах сгорания топок котлов и промышленных печей, измерение ионных токов производят в зоне воспламенения, зоне выгорания и зоне завершения сгорания топлива, причем при токе в зоне воспламенения, большем тока зоны выгорания, увеличивают расход топлива, при токе выгорания, меньшем тока завершения сгорания, уменьшают расход топлива. 2. Ионизационный датчик, содержащий изолированные друг от друга электроды, одним из которых является корпус датчика, отличающийся тем, что, с целью измерения и сравнения величин ионного тока вдоль факела пламени в положительном электроде-корпусе, являющемся общим для отрицательных электродов, выполнены кольцевые разъемы, в которых установлены кольцевые отрицательные электроды. 3. Датчик по п.2, отличающийся тем, что площади поверхностей отрицательных электродов выполнены равными между собой, соответственно площади боковых поверхностей положительного электрода-корпуса в разъемах для установки отрицательных электродов также равны между собой.