СПОСОБ И СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ГОРЕНИЕМ В ПЕЧИ Российский патент 1999 года по МПК F23N5/00 

Предметом изобретения являются способ и система автоматического управления горением в печи по отношению к измеренному содержанию свободного кислорода и окиси углерода в отработанных (дымовых) газах, с определенной концентрацией свободного кислорода в отработанных газах, которая определяется на основе измеренной и заданной предельно допустимой концентрации окиси углерода с компенсацией возмущений, вызванных изменениями в потоке топлива. Способ и система предназначены для промышленных печей, главным образом на электростанциях, питаемых топливной воздушной смесью, главным образом каменным углем, размолотым в угольной мельнице и подаваемым в печь в потоке воздуха.

Из описания польского патента N 118363 известен способ автоматического управления горением, который включает коррекцию процесса горения на основе измеренного количества свободного кислорода в отработанных газах. В этом способе принимается постоянная концентрация свободного кислорода в отработанных газах, и когда измеренная концентрация свободного кислорода отличается от принятого значения, то изменяется отношение топлива к воздуху в смеси, подаваемой в печь, так, чтобы концентрация свободного кислорода стала равной принятой концентрации. Также известен способ, в котором принятая концентрация свободного кислорода в отработанных газах корректируется автоматически в зависимости от изменения мощности объекта, то есть от изменения объема потока топлива, подаваемого в печь, или изменения низшей теплотворной способности (l.h.v.) топлива. При идеальном течении горения в отработанных газах будет обнаружена только двуокись углерода без примесей окиси углерода, и в них не будет свободного кислорода. Количество воздуха, поданного для горения, было бы в этом случае таким, которое следует из стехиометрического расчета соединения углерода с кислородом. Практически такой результат получить невозможно, и окись углерода, оказывается, присутствует в отработанных газах. Стремясь минимизировать количество окиси углерода в отработанных газах, воздух подают в печь в избытке. Однако увеличение количества воздуха увеличивает потери дымохода, поскольку оно увеличивает количество отработанных газов, таким образом увеличивая количество тепла, переносимого через дымоход в атмосферу. Следовательно, практически должен быть достигнут компромисс между составом и количеством отработанных газов. Это означает, что следует допустить присутствие некоторого количества окиси углерода, и тогда избыток воздуха должен использоваться таким образом, чтобы количество окиси углерода в отработанных газах не было слишком большим, тогда как избыток воздуха был бы как можно меньше. Количество избытка воздуха определяется путем измерения количества свободного кислорода в отработанных газах. В известных способах управления горением принимаются минимально допустимая концентрация свободного кислорода в отработанных газах и максимально допустимая концентрация окиси углерода, подобранные экспериментально для данного объекта. Максимально допустимая концентрация окиси углерода определяется не только относительно потерь, вызванных неполным сгоранием, но также относительно вреда, наносимого окисью углерода окружающей среде. По этой причине, даже если бы количество окиси углерода, выделенное в атмосферу, по экономическим соображениям могло бы быть больше для объекта, оно ограничивается из-за экологического воздействия такого выброса газа. Минимально допустимая концентрация свободного кислорода в отработанных газах определяется относительно потерь, вызванных неполным сгоранием и дымоходными потерями переноса тепловой энергии, а также относительно количества соединений кислорода и азота, присутствующих в отработанных газах. Эти соединения особенно опасны для окружающей среды и, следовательно, количество такого выброса ограничивается. Стремясь к ограничению количества образующейся окиси азота, следует ограничивать количество кислорода, поступающего для горения, таким образом уменьшая количество свободного кислорода в отработанных газах, даже если это осуществляется ценой увеличения концентрации окиси углерода. Известная из польского патента N 156 836 система автоматической оптимизации процесса горения в тепловом объекте содержит датчики концентрации свободного кислорода в отработанных газах, соединенные с входом регулятора, выход которого соединяется с вентилятором вторичного (регенерированного) воздуха, подаваемого в печь.

Цель изобретения и системы, которая оптимизирует процесс горения, заключается в том, что средняя концентрация окиси углерода в отработанных газах, не превышающая заданную предельную концентрацию, минимизирует избыток воздуха, подаваемого в печь, таким образом уменьшая потери дымохода и вызывая уменьшение концентрации окиси азота, выделяемой в атмосферу в отработанных газах.

Эта цель достигается тем, что определенное значение концентрации свободного кислорода в отработанных газах автоматически уменьшается до тех пор, пока требуемая концентрация окиси углерода в отработанных газах не станет равной заданной предельно допустимой концентрации этого химического соединения. В момент достижения этого состояния определенное значение концентрации свободного кислорода возрастает скачкообразно на статическое и динамическое значение. По истечении времени T_D , определенная концентрация кислорода уменьшается на динамическое значение, и это значение поддерживается до конца установленного периода T. Установленный период начинается в момент достижения концентрации окиси углерода в отработанных газах, равной заданной предельно допустимой концентрации. Если после установленного периода времени T концентрация окиси углерода в отработанных газах больше, чем заданная допустимая концентрация, то определенное в этот момент значение концентрации свободного кислорода в отработанных газах возрастает на статическое значение и поддерживается во время другого определенного периода времени T. Если после установленного периода времени T концентрация окиси углерода в отработанных газах меньше, чем заданная допустимая концентрация, то определенное значение концентрации свободного кислорода автоматически уменьшается. Уменьшение определенного значения свободной концентрации кислорода происходит линейно.

Система согласно изобретению имеет линию передачи сигнала переменного значения определенной концентрации свободного кислорода, соединенную с линией передачи сигнала определенной концентрации свободного кислорода в отработанных газах, используя для этой цели коммутационную (переключающую) систему. Система линии передачи сигнала переменного значения определенной концентрации свободного кислорода в отработанных газах включает в себя программатор, выход которого соединяется с входом коммутационной системы, один вход которого соединяется с датчиком окиси углерода в отработанных газах, а другой вход соединяется с пультом заданной концентрации окиси углерода. Упомянутый программатор содержит программу для реализации способа автоматического управления горением.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного варианта его воплощения со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг. 1 иллюстрирует пример применения способа,
фиг. 2 изображает пример системы в соответствии с изобретением.

Пример применения способа.

Для выбранного объекта минимальная экспериментально заданная концентрация свободного кислорода в отработанных газах принимается, равной O_2z = 1,8%, а максимальная экспериментально заданная концентрация окиси углерода в отработанных газах принимается, равной CO_z = 24 мг/м³. Было обнаружено, что при заданной концентрации окиси углерода CO_z = 24 мг/м³, содержание окислов азота не превышает допустимый уровень 460 мг/м³ по всей области управления объекта. Определенное время было принято, равным T = 260 с. Кроме того, на основе эксперимента были приняты: динамическое значение определенной концентрации свободного кислорода - ΔO_2zd= 0,2% , и статическое значение определенной концентрации свободного кислорода - ΔO_2zs= 0,23% . Было принято допущение, что линейное уменьшение определенной концентрации свободного кислорода O_2z происходит со скоростью, равной dO_2z/dt = 0,25% O₂/час. В момент времени 0, фиг. 1, концентрация окиси углерода в отработанных газах намного ниже, чем заданная концентрация CO_z. Определенная концентрация свободного кислорода O_2z в отработанных газах уменьшается линейно со скоростью dO_2z/dt = 0.25 % O₂/час, в результате чего концентрация окиси углерода в отработанных газах повышается, и в момент 1 достигает значения, равного заданной концентрации CO_z. В этот момент определенная концентрация свободного кислорода увеличивается со значения, которое было в момент I, на значение концентрации ΔO_2zd+ΔO_2zs= (0,23+0,2)% . Из-за инерции объекта концентрация окиси углерода в отработанных газах все еще повышается. В течение времени выпрямления T_D определенная концентрация свободного кислорода поддерживается постоянной, и по истечении времени T_D это значение уменьшается до значения, которое было в момент I, увеличенного на статическое значение ΔO_2zs= 0,23% , и поддерживается без изменений до момента II, то есть до тех пор, пока не закончится определенный период T. Однако, если в момент II концентрация окиси углерода в отработанных газах все еще остается больше, чем заданная концентрация CO_z, то определенная концентрация свободного кислорода в отработанных газах возрастает на приращение ΔO_2zs= 0,23% . Одновременно измеряется определенный период T. По истечении времени T, в момент III, концентрация окиси углерода меньше, чем заданная концентрация CO_z. Таким образом, начинается линейное уменьшение определенной концентрации свободного кислорода O_2z. Если оказалось, что в момент III концентрация окиси углерода не уменьшилась относительно заданной концентрации CO_z, то в момент III должно наблюдаться увеличение определенной концентрации свободного кислорода O_2z на следующее приращение, равное статическому значению ΔO_2zs= 0,23% . Представленное в этом примере состояние концентрации окиси углерода, будучи ниже заданной концентрации CO_z, вызывает уменьшение определенной концентрации свободного кислорода до момента IV, в котором концентрация окиси углерода снова достигает значения заданной концентрации CO_z. Таким образом, происходит действие, аналогичное тому, что происходит между моментом I и II. Однако по истечении времени T, в момент V, концентрация окиси углерода меньше, чем заданная - CO_z, и все еще проявляет тенденцию к снижению. Таким образом, начинается линейное уменьшение определенной концентрации свободного кислорода в отработанных газах. Течение горения в соответствии со способом вызывает специфическое волнообразное движение концентрации окиси углерода в отработанных газах вокруг заданной концентрации CO_z. Однако принятые параметры для данного объекта выбраны таким образом, что средняя концентрация окиси углерода не превышает заданную концентрацию CO_z в более длительном периоде времени. Но количество воздуха, поданного в печь за это время, меньше, чем в случае, когда определенная концентрация свободного кислорода в отработанных газах поддерживается неизменной, настроенной на заданную концентрацию CO_z. Как уже упоминалось, практически концентрация окислов азота поддерживалась на уровне, не превышающем 460 мг/м³ отработанных газов.

Система автоматического управления горением (фиг. 2) имеет линию D передачи сигнала для изменения полного количества воздуха, поскольку упомянутая линия передачи D соединяется с системами, управляющими выходами вентиляторов воздуха, не по казанными на фиг. 2. Линия передачи D соединяется с выходом сумматора 14, один вход которого соединяется с сумматором 3 сигналов с датчиков 8 вращения транспортеров ко всем мельницам, также не показанных на чертеже. Второй выход сумматора 14 соединяется с линией D₂ передачи сигнала изменения полного количества воздуха в зависимости от концентрации свободного кислорода и окиси углерода в отработанных газах. Линия передачи D₂ соединяется с выходом старшего элемента управления (регулятора) 12. Один из входов старшего элемента управления 12 соединяется с линией D₂₁ передачи сигнала свободного кислорода в отработанных газах, поскольку упомянутая линия передачи D₂₁ соединяется через коммутационную систему 13 с датчиками 11 свободного кислорода в отработанных газах, расположенными в потоке отработанных газов. Второй вход старшего элемента управления 12 соединяется с линией передачи D₂₂ сигнала определенной концентрации O_2z кислорода в отработанных газах. Линия передачи D₂₂ соединяется с системой 7 минимальной определенной концентрации свободного кислорода в отработанных газах. Вход системы 7 соединяется с выходом коммутационной системы 6, координированной с коммутационным пультом 5. Один из входов коммутационной системы 6 соединяется посредством линии передачи D₂₂₁ с пультом 1, предназначенным для задания постоянной заданной концентрации O_2z свободного кислорода в отработанных газах. Второй вход коммутационной системы 6 соединяется посредством линии передачи D₂₂₂ программатором 4, содержащим программу для изменения определенной концентрации O_2z свободного кислорода в отработанных газах в зависимости от концентрации окиси углерода в отработанных газах относительно значения концентрации заданного для окиси углерода. Один из входов программатора 4 соединяется с датчиком 2 концентрации окиси в отработанных газах, второй - с пультом 9 заданного значения концентрации CO_z.

На пульте 1, предназначенном для задания значения концентрации свободного кислорода в отработанных газах, значение концентрации свободного кислорода было определено, в качестве примера, равным O_2z = 1,8%. Сигнал с пульта 1 через коммутационную систему 6 достигает системы 7 минимальной концентрации свободного кислорода в отработанных газах. Если сигнал с пульта 1 задает значение концентрации свободного кислорода меньшее, чем минимальное значение, то система 7 по линии передачи D₂₂ посылает в старший элемент управления 12 сигнал упомянутого минимального значения. Если определенная концентрация свободного кислорода превышает минимальное значение концентрации свободного кислорода, то этот сигнал будет передаваться в полной мере в старший элемент управления 12. Эти два сигнала с линий передачи D₂₁ и D₂₂ сравниваются в старшем элементе управления 12. Если сигнал, поступающий с датчиков 11, устанавливает, что концентрация свободного кислорода в отработанных газах меньше, чем определенная концентрация O_2z, то старший элемент управления 12 передает его в сумматор 14 и далее передает сигнал к вентилятору, чтобы увеличить полное количество воздуха, подаваемого в печь, до такого значения, при котором сигналы выровняются. Если сигнал, поступающий с датчиков 11, устанавливает, что концентрация свободного кислорода в отработанных газах больше, чем определенная концентрация O_2z, то старший элемент управления 12 пошлет к вентиляторам сигнал, чтобы уменьшить количество подаваемого воздуха до такого количества, при котором сигналы выровняются, что означает, что концентрация свободного кислорода в отработанных газах уменьшается. Сигнал, поступающий из старшего элемента управления 12 в сумматор 14, складывается с сигналом, переданным по линии передачи D₁ из сумматора вращений угольных транспортеров (устройств подачи угла), поскольку сигнал пропорционален потоку топлива, поданного в печь. Когда будет отмечено изменение в размере потока топлива, в вентилятор будет послан сигнал, чтобы изменить полное количество подаваемого воздуха. При использовании пульта 5 система 6 может повторно переключаться, и линия передачи D₂₂ может соединяться с программатором 4 или с пультом для ручного задания O_2z. Программатор 4 изменяет определенную концентрацию свободного кислорода в соответствии с программой, осуществляющей способ автоматического управления в соответствии с изобретением. Сигнал, поступающий из программатора 4 в старший элемент управления 12, сравнивается с сигналом, достигающим элемента управления 12 с датчиков 11. Элемент управления 12 и сумматор 14 работают таким образом, как описано в случае системы, соединенной с пультом 1, что происходит при неизменной заданной концентрации свободного кислорода в отработанных газах.

Сумматор 14 позволяет управлять отношением полного объема воздуха к потоку топлива, поданного в печь, при переключении элемента управления 12 на ручное управление, когда, например, датчики 11 для измерения O₂ выходят из строя.

Изобретение предназначено для использования в промышленных печах, главным образом на электростанциях. Способ автоматического управления горением в печи заключает в себя уменьшение определенной концентрации свободного кислорода до тех пор, пока не будет превышена заданная концентрация окиси углерода в отработанных газах. После этого определенная концентрация свободного кислорода возрастает, что после уменьшения концентрации окиси углерода снова приводит к уменьшению определенной концентрации свободного кислорода. Система содержит программатор, содержащий программу для изменения определенной концентрации свободного кислорода в отработанных газах, в зависимости от отношения концентрации окиси углерода и заданной концентрации окиси углерода. Из обретение позволяет оптимизировать процесс горения. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ автоматического управления горением в печи по отношению к измеренному содержанию свободного кислорода и окиси углерода в отработанных газах с определенной концентрацией свободного кислорода в отработанных газах, которая определяется на основе измеренной и заданной предельно допустимой концентрации окиси углерода, отличающийся тем, что определенное значение концентрации свободного кислорода (O_2Z) в отработанных газах автоматически уменьшают до достижения концентрации окиси углерода в отработанных газах, равной заданной предельно допустимой концентрации окиси углерода (CO_Z), и в этот момент определенное значение концентрации свободного кислорода в отработанных газах (O_2Z) изменяют скачком на динамическое и статическое значение (ΔO_2zd + ΔO_2zs), которое, в свою очередь, по истечении определенного периода (T) уменьшают до статического значения (ΔO_2zs) концентрации свободного кислорода, и это статическое значение (ΔO_2zs) концентрации свободного кислорода поддерживают до конца определенного периода (T), начиная с момента достижения концентрацией окиси углерода в отработанных газах значения, равного заданной предельно допустимой концентрации окиси углерода (CO_Z), и если по истечении определенного времени (T) концентрация окиси углерода в отработанных газах ниже, чем заданная допустимая концентрация (CO_Z), то определенное значение концентрации свободного кислорода (O_2Z) в отработанных газах автоматически уменьшают до тех пор, пока не будет достигнута заданная допустимая концентрация окиси углерода (CO_Z), и если по истечении определенного времени (T) концентрация окиси углерода в отработанных газах больше, чем заданная допустимая концентрация (CO_Z), тогда определенное значение концентрации свободного кислорода (O_2Z) в отработанных газах увеличивают на статическое значение концентрации кислорода (O_2ZS) и поддерживают эту концентрацию свободного кислорода в течение следующего определенного периода (T) и после его окончания автоматически снижают определенное значение концентрации свободного кислорода (O_2Z). 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что автоматическое уменьшение определенного значения концентрации свободного кислорода (O_2Z) в отработанных газах осуществляют линейно. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что автоматическое уменьшение определенного значения концентрации свободного кислорода (O_2Z) в отработанных газах осуществляют экспоненциально. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что определенное значение свободного кислорода (O_2Z), измененное скачкообразно на статическое (ΔO_2zs) и динамическое (ΔO_2zd) значения, поддерживают в течение выбранного времени T_D и по истечении этого времени его уменьшают на динамическое значение (ΔO_2zd) свободного кислорода. 5. Система автоматического управления горением в печи по отношению к измеренному значению свободного кислорода и окиси углеродов в отработанных газах с определенной концентрацией свободного кислорода, содержащая сумматор сигналов вращений угольного транспортера, датчики концентрации свободного кислорода в отработанных газах и датчик концентрации окиси углерода в отработанных газах, отличающаяся тем, что к линии (D₂₂) передачи сигнала определенной концентрации свободного кислорода (O_2Z) в отработанных газах присоединена линия (D₂₂₂) передачи сигнала переменного значения определенной концентрации свободного кислорода (O_2Z), используя коммутационную систему (6), причем линия (D₂₂₂) передачи сигнала переменного значения определенной концентрации свободного кислорода (O_2Z) включает в себя программатор (4), выход которого соединен с входом коммутационной системы (6), один вход соединен с датчиком (2) окиси углерода в отработанных газах, другой вход соединен с пультом (9) заданной концентрации окиси углерода (CO_Z).