СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА В ОТХОДЯЩЕМ ГАЗЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2014 года по МПК G01N27/403 

Изобретение относится к области энергетики, точнее, к способу измерения и контроля концентрации кислорода в отходящем газе тепловой энергетической установки, и может быть применено на любой котельной или энергетической станции при разном виде используемого топлива, в том числе мазута и бурого угля.

Известен газоанализатор и способ его работы (патент RU №2350941 C1, 2009 г., G01N 27/64), предназначенный для контроля примесей, в том числе кислорода в газовой смеси с использованием фотоионизационного детектора, адсорбер-поглотителя и побудителя расхода (электроаспиратора). При этом анализируемый газ предварительно поступает в адсорбер, а затем после его очистки в побудитель расхода и далее на фотоионизационный детектор. В данном способе дозированный объем анализируемого газа пропускают через измерительную камеру детектора с помощью побудителя расхода сначала в одном направлении при одновременном поглощении выходящих из камеры измеряемых компонентов и влаги в адсорбер-поглотитель, а затем с помощью побудителя расхода анализируемый газ, освобожденный от измеряемых компонентов и влаги, пропускают через измерительную камеру детектора в обратном направлении.

Однако данный способ имеет ряд недостатков, которые не позволяют его эффективно использовать для измерения и контроля концентрации кислорода в тепловой энергетической установке с автоматической системой управления. А именно, двойная прокачка анализируемого газа через измерительную камеру и одновременный анализ большого количества компонентов существенно увеличивают время экспозиции и не исключают появления сбоя в системе управления. К тому же очистка внутренних поверхностей ионизационной камеры и окна УФ-датчика за счет обратного движения потока газа малоэффективна и не дает гарантий к искажению получаемых результатов измерения ввиду осаждения на вышеуказанных поверхностях твердых частиц и жидкого конденсата.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому решению по совокупности признаков является способ регулирования процесса сжигания топлива в топке энергетической установки (патент RU №2287741 С2, 2006 г., F23N 5/00), предназначенный для контроля состава отходящего газа и его корректировки в случае рассогласования с параметрами, полученными при запуске энергетической установки в эксплуатацию, с использованием оптического абсорбционного газоанализатора и компьютера.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного решения, принятого за прототип, относится то, что при всей информативности и точности измеряемых параметров отходящего газа он весьма дорог и трудоемок как при реализации, так и в процессе его эксплуатации. Для использования данного способа в промышленности требуются спектроскописты очень высокой квалификации. А так как таких специалистов для данной отрасли российские учебные заведения пока не готовят, то они автоматически не включаются в штатное расписание действующих предприятий. В то время как подготовка таких специалистов непосредственно на рабочих местах по экономическим соображениям практически исключена.

Однако с появлением в промышленности нового поколения сенсоров для анализа газов данная проблема ушла в другую плоскость и вновь возрос интерес к потенциометрическому способу измерения и контроля концентрации кислорода в отходящем газе. Задачей настоящего изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков, присущих известным решениям (большая инерционность, сложность в эксплуатации и др.), путем реализации нового способа измерения и контроля концентрации кислорода в отходящем газе тепловой энергетической установки.

Указанная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в получении простого, надежного и недорогого в процессе реализации способа измерения концентрации кислорода в отходящем газе с большей эффективностью, включая экономическую целесообразность.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения по объекту-способу достигается известным способом измерения и контроля концентрации кислорода в отходящем газе тепловой энергетической установки, предусматривающий: отбор газовой пробы, определение концентрации кислорода в сравнительном и исследуемом газах и обработку полученной информации с целью ее использования в системе управления, которые осуществляют с помощью непрерывно работающего автоматического комплекса, в состав которого включают пробоотборник с чувствительным к кислороду сенсором, выносной измерительный блок с жидкокристаллическим дисплеем и клавиатурой, измерительные и регистрирующие приборы, компьютер и управляющие устройства. Особенностью данного способа является то, что отбор газовой пробы осуществляется путем непрерывной прокачки отходящего газа через коаксиальные каналы пробоотборника и сопряженную с ними торцевую вихревую камеру, в которую помещают чувствительный к кислороду сенсор, а определение концентрации кислорода в отходящем газе осуществляют путем измерения ЭДС чувствительного к кислороду сенсора, возникающей вследствие различия парциальных давлений кислорода в сравнительной и анализируемой газовых смесях, и непрерывной компьютерной обработки с использованием данных, основанных на численном решении уравнения Нернста $$\left(E~\frac{RT}{4F}\ln \frac{P{O}_2ср.г.}{P{O}_2ан.г.}\right).$$

Указанный технический результат при осуществлении изобретения по объекту-способу достигается также тем, что непрерывную прокачку отходящего газа через коаксиальные каналы пробоотборника и сопряженную с ними торцевую вихревую камеру осуществляют за счет возникающей разности динамического и статического давлений внутри коаксиальных каналов, из которых внешний коаксиальный канал герметично соединяют с корпусом торцевой вихревой камеры, а внутренний коаксиальный канал выполняют в виде трубки Пито и фиксируют относительно внешнего коаксиального канала при помощи плоской спиральной ленты и таким образом исключают попадание твердых частиц пыли и жидкого конденсата на чувствительный к кислороду сенсор, при этом последний закрепляют с возможностью его быстрого демонтажа на глухом торце вихревой камеры вдоль ее продольной оси и выполняют преимущественно в виде потенциометрической твердоэлектролитной ячейки на основе циркониевой керамики.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения по объекту-способу достигается также тем, что контроль за состоянием концентрации кислорода в отходящем газе осуществляют путем формирования сигналов для управляющих устройств за счет непрерывного мониторинга текущей концентрации и сравнения с концентрацией полученной и записанной в память компьютера во время пусконаладочных работ, осуществляемых при запуске тепловой энергетической установки в эксплуатацию, при этом, если во время мониторинга текущая концентрация кислорода отличается более чем на 5%, автоматически подключают управляющие устройства, в качестве которых используют преимущественно резервные горелки и воздуходувки.

При исследовании отличительных признаков описываемого способа измерения и контроля концентрации кислорода в отходящем газе топливной энергетической установки не выявлено каких-либо аналогичных решений, касающихся отбора газовой пробы, осуществляемой путем непрерывной прокачки отходящего газа через торцевую вихревую камеру с чувствительным к кислороду сенсором и определения концентрации путем измерения ЭДС чувствительного к кислороду сенсора, возникающей вследствие различия парциальных давлений кислорода в сравнительной и анализируемой газовых смесях, и непрерывной компьютерной обработки с использованием данных, основанных на численном решении уравнения Нернста. Не выявлены также аналоги, касающиеся непрерывной прокачки отходящего газа за счет возникающей разности динамического и статического давлений внутри коаксиальных каналов пробоотборника и исключения попадания твердых частиц пыли и жидкого конденсата на чувствительный к кислороду сенсор. А также аналогов, касающихся контроля за состоянием концентрации кислорода с помощью формирующих сигналов для управляющих устройств и включения последних в случае рассогласования текущей концентрации с ранее записанной в память компьютера во время пусконаладочных испытаний.

Проверенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил констатировать, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (адекватными) всем существенным признакам заявленного изобретения. Следовательно, изобретение соответствует условию «новизна» по действующему законодательству.

Для проверки соответствия изобретения требованиям изобретательского уровня заявитель провел дополнительный анализ известных решений, который показал, что изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники и не вытекает из него логически, а требует дополнительных интеллектуальных затрат и изобретательности и поэтому соответствует требованию «изобретательский уровень» по действующему законодательству.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, состоят в следующем.

Заявленный способ измерения и контроля концентрации кислорода в отходящем газе тепловой энергетической установки в большей степени предназначен для уже действующих установок, в которых система контроля либо устарела, либо просто отсутствует. Данный способ позволяет при минимальном вложении финансовых средств повысить их эффективность за счет исключения непроизводительных затрат, связанных в первую очередь как с недожогом, так и пережогом топлива, и внедрения более простой и надежной системы поддержания режимов ее работы. Анализ работы таких установок показывает, что достаточно иметь лишь информацию о содержании кислорода в отходящем газе, с помощью которой можно принимать любые правильные решения, связанные с их эксплуатацией. Содержание кислорода в отходящем газе является той базой, на основе которой можно строить и оптимизировать весь процесс эксплуатации тепловой энергетической установки, работающей на традиционных видах топлива, включая мазут и бурый уголь. При этом внедрение данного способа на этих установках не нарушает их существующую инфраструктуру, а только дополняет и упрощает ее в целом. Попытки внедрения на таких установках более информативных средств контроля с использованием многоканальных газоанализаторов приводят, как правило, к усложнению их инфраструктуры и существенному удорожанию ее. Для эксплуатации устаревших тепловых энергетических установок требуются комплексы с достаточно простой и сравнительно недорогой системой контроля и управления, и предлагаемый способ отвечает всем этим требованиям. Для его внедрения на таких установках не требуются ни высококвалифицированные специалисты, ни дорогостоящие приборы и устройства. Процесс регулирования в данном случае сводится практически к простому наблюдению лишь только за концентрацией кислорода в отходящем газе тепловой энергетической установки и правильной ее обработки. Этой информации вполне достаточно для того, чтобы обеспечить любой режим работы тепловой энергетической установки и корректировать его в случае рассогласования с ранее апробированным и введенным в память компьютера процессом сжигания топлива. При этом в качестве регулирующих устройств в данном случае можно применять достаточно простые в эксплуатации и недорогие по стоимости горелки и воздуходувки. Содержание кислорода в отходящем газе при сжигании традиционных видов топлива является как необходимым, так и достаточным условием для процесса эксплуатации, в том числе и для корректировки в случае изменения условий окружающей среды или поступления некондиционных видов топлива. Данный способ предусматривает предварительный анализ всех видов используемого топлива и ввод всей информации по его использованию, полученный при запуске данной установки в эксплуатацию или полученный при ее испытании после модернизации. Во время проектирования на каждую тепловую энергетическую установку для ее успешной эксплуатации составляется технологическая режимная карта, однако учесть все многочисленные и непредсказуемые факторы, влияющие на ее работу, не всегда удается. Лучшим вариантом в данном случае для поддержания оптимального режима ее работы является включение в состав ее системы управления быстродействующего и надежного газоанализатора, электрически связанного через компьютер со всеми измерительными приборами и управляющими устройствами. При этом измерение и контроль за содержанием концентрации только одного кислорода в данном газоанализаторе уже может решить эту задачу. В предлагаемом способе чувствительный к кислороду сенсор устанавливают непосредственно на пробоотборнике, а измерительный потенциометрический блок располагают не далее двух метров от него, которые уже связывают с компьютером и всеми системами тепловой энергетической установки. При этом для обеспечения быстродействия отбор газовой пробы в данном способе осуществляют за счет непрерывной прокачки анализируемого отходящего газа через пробоотборник. Для чего его выполняют в виде жесткой конструкции, состоящей из двух коаксиальных каналов, герметично соединенных с торцевой вихревой камерой с размещенным внутри чувствительным к кислороду сенсором. При этом внутренний коаксиальный канал выполняют в виде трубки Пито и фиксируют относительно внешнего коаксиального канала с помощью плоской спиральной ленты. Такое использование пробоотборника не только способствует беспрепятственному подходу анализируемого газового потока к чувствительному к кислороду сенсору за счет возникающей разности динамического и статического давлений внутри коаксиальных каналов, но и достаточно организованно и надежно блокирует попадание твердых частиц пыли и жидкого конденсата на чувствительный к кислороду сенсор. Закрученный вихревой газовый поток анализируемого отходящего газа автоматически освобождается от твердых частиц пыли и жидкого конденсата.

Последние под воздействием центробежного поля отжимаются к внешней стенке торцевой вихревой камеры, из которой они уже также автоматически через внешний коаксиальный канал вновь выносятся внутрь тепловой энергетической установки уже миную зону отбора исследуемого газа, при этом сам чувствительный к кислороду сенсор устанавливают строго по оси вихревой камеры на его глухой стенке с возможностью его быстрого демонтажа и замены. При этом определении концентрации кислорода в отходящем газе тепловой энергетической установки осуществляют путем измерения ЭДС чувствительного к кислороду сенсора, возникающей вследствие различия парциальных давлений кислорода в сравнительной и анализируемой газовых смесях и непрерывной компьютерной обработки с использованием данных, основанных на численном решении уравнения Нернста. В качестве сенсора можно использовать любой датчик, показывающий концентрацию кислорода, но более приемлемым в данном случае является потенциометрическая твердоэлектролитная ячейка на основе циркониевой керамики. При эксплуатации такого сенсора не возникает дополнительных проблем, связанных с его температурным режимом работы, деградацией или отказом в случае превышения допустимых норм концентрации, а определение численного значения концентрации в отходящем газе сводится к весьма простым вычислениям по известным зависимостям, в которых ЭДС пропорционально отношению парциального давления кислорода в сравнительном газе к парциальному давлению кислорода в анализируемом газе $$\left(ЭДС~\frac{RT}{4F}\ln \frac{P{O}_2ср.г.}{P{O}_2ан.г.}\right).$$

Дальнейшая обработка полученной информации также не вызывает каких-либо трудностей, если в память компьютера предварительно вводят данные самого экономичного режима работы на данной тепловой энергетической установке, полученные при ее испытании и запуске в эксплуатацию. При этом сигналы для управляющих устройств формируют путем непрерывного мониторинга как текущей ситуации на тепловой энергетической установке, так и за счет мониторинга информации, ранее введенной в память компьютера. При этом в качестве управляющих устройств при использовании данного способа можно использовать как включенные уже в цикл работы горелки и воздуходувки, так и резервные. В данном случае они могут быть уже изготовлены без учета тех жестких требований, которые предъявляются к стационарно действующим горелкам и воздуходувкам, а соответственно быть гораздо дешевле. Регламентные работы и их аварийный ремонт уже никоим образом не повлияют на рабочую ситуацию на самой тепловой энергетической установке, к тому же они могут быть изготовлены уже по любой современной технологии и с учетом требования по снижению их стоимости.

Технический эффект от использования предложенного изобретения состоит в следующем.

Предложенный способ измерения и контроля концентрации кислорода в отходящем газе тепловой энергетической установки существенно повышает ее эксплуатационные параметры, т.е. обеспечивает существенное снижение затрат, связанных с недожогом и пережогом используемого топлива. Он также упрощает всю инфраструктуру тепловой энергетической установки, делая ее более мобильной и более надежной при любом режиме ее работы, в том числе и при форсированном режиме ее работы при экстремальных условиях окружающей среды. Для ее модернизации с целью повышения ее эффективности не требуются ни квалифицированные специалисты, ни большие вложения, а текущие затраты при этом могут быть существенно уменьшены.

Таким образом, изложенные выше сведения показывают, что при использовании заявленного изобретения выполнена следующая совокупность условий:

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно для определения концентрации кислорода в отходящем газе тепловой энергетической установки с целью использования ее в системе регулирования всем процессом;

- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Преимущества заявленного изобретения состоят в том, что предложенный способ измерения и контроля концентрации кислорода в отходящем газе тепловой энергетической установки более прост, надежен и недорог как в процессе внедрения, так и в процессе его эксплуатации. Предложенный в нем способ забора анализируемой пробы не нуждается ни в побудителе расхода, ни в электрореспираторе и обладает большей представительностью (соответствием контролируемой среде) анализируемой пробы, что позволяет его использовать в любой системе контроля и регулирования тепловой энергетической установки, включая действующие установки с устаревшими системами регулирования.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Использование: для измерения и контроля концентрации кислорода в отходящем газе тепловой энергетической установки. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют отбор газовой пробы и определение концентрации кислорода в отходящем газе посредством обработки получаемой информации с помощью компьютера. Отбор газовой пробы осуществляют с помощью пробоотборника, выполненного из коаксиальных каналов, сопряженных с торцевой вихревой камерой, в которой располагают чувствительный к кислороду сенсор, а определение концентрации кислорода осуществляют путем измерения ЭДС чувствительного к кислороду сенсора и непрерывной компьютерной обработки с использованием данных, основанных на численном решении уравнения Нернста. Технический результат: упрощение и повышение надежности измерения концентрации кислорода в отходящем газе тепловой энергетической установки. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ измерения и контроля концентрации кислорода в отходящем газе тепловой энергетической установки, предусматривающий: отбор газовой пробы, определение концентрации кислорода в отходящем газе и обработку полученной информации с целью использования ее в системе контроля, которые осуществляют с помощью непрерывно работающего автоматического комплекса, в состав которого включают пробоотборник с чувствительным к кислороду сенсором, выносной измерительный блок с жидкокристаллическим дисплеем с клавиатурой, измерительные и регистрирующие приборы, компьютер и управляющие устройства, отличающийся тем, что отбор газовой пробы осуществляют путем непрерывной прокачки отходящего газа через коаксиальные каналы пробоотборника и сопряженную с ними торцевую вихревую камеру, в которую помещают чувствительный к кислороду сенсор, а определение концентрации кислорода в отходящем газе осуществляют путем измерения ЭДС чувствительного к кислороду сенсора, возникающей вследствие различия парциальных давлений кислорода в сравнительной и анализируемой газовых смесях, и непрерывной компьютерной обработки с использованием данных, основанных на численном решении уравнения Нернста $$\left(E~\frac{RT}{nF}\ln \frac{P{O}_2ср.г.}{P{O}_2ан.г.}\right).$$

2. Способ измерения и контроля по п.1, отличающийся тем, что непрерывную прокачку отходящего газа через коаксиальные каналы пробоотборника и сопряженную с ними торцевую вихревую камеру осуществляют за счет возникающей разности статического и динамического давлений внутри коаксиальных каналов, из которых внешний коаксиальный канал герметично соединяют с корпусом торцевой вихревой камеры, а внутренний коаксиальный канал выполняют в виде трубки Пито и фиксируют относительно внешнего коаксиального канала при помощи плоской спиральной ленты и таким образом исключают попадание твердых частиц пыли и жидкого конденсата на чувствительный к кислороду сенсор, при этом последний закрепляют с возможностью его быстрого демонтажа на глухом торце вихревой камеры вдоль ее продольной оси и выполняют преимущественно в виде потенциометрической твердоэлектролитной ячейки на основе циркониевой керамики.

3. Способ измерения и контроля по п.1, отличающийся тем, что контроль за состоянием концентрации кислорода в отходящем газе осуществляют путем формирования сигналов для управляющих устройств за счет непрерывного мониторинга текущей концентрации и сравнения с концентрацией, полученной и записанной в память компьютера во время пусконаладочных работ, осуществляемых при запуске тепловой энергетической установки в эксплуатацию, при этом, если во время мониторинга текущая концентрация кислорода отличается более чем на 5%, автоматически подключают управляющие устройства, в качестве которых используют преимущественно резервные горелки и воздуходувки.