автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Комплексная разработка методов снижения выбросов оксидов азота от ТЭС путем оптимизации процесса горения и способов сжигания топлива

Московский государственный открытый университет

На правах рукописи

БЕЛИКОВ Сергей Евгеньевич

КОМПЛЕКСНАЯ РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА ОТ ТЭС ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ И СПОСОБОВ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА

Специальности: 05.14.14. - Тепловые электрические станции,

их энергетические системы и агрегаты; 03.00.16-Экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2006

Работа выполнена на кафедре «Теплоэнергетические установки» Московского государственного открытого университета и в Академии Промышленной Экологии

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

ИБРАГИМОВ Марат Хаджи-Галиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

АРАКЕЛЯН Эдик Койрунович

доктор технических наук, профессор ГАВРИЛОВ Анатолий Филиппович

доктор технических наук ЕНЯКИН Юрий Павлович

Ведущая организация: ОАО «Мосэнерго»

Защита состоится 14 марта 2006 г. в 15 час. (ауд. 305) на заседании диссертационного совета Д.212.137.01 в Московском государственном открытом университете по адресу: 129805, г. Москва, ул. Павла Корчагина, д. 22.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГОУ.

Отзывы на автореферат в одном экземпляре, заверенные печатью организации, просим присылать по адресу МГОУ в Ученый совет.

Автореферат разослан 10 февраля 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

М. Е. Марченко

ХОобк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Настало время, когда вопросы охраны окружающей природной среды выдвигаются на первый план среди общечеловеческих ценностей. Ог успешного решения этих вопросов зависит не только здоровье и благополучие нынешнего и будущего поколений людей, но и развитие цивилизации и существование самого человечества. Уже сейчас темп и масштабы антропогенного воздействия превышают адаптационные возможности биосферы и поэтому происходят необратимые процессы в природе, приводящие к экологическим катастрофам.

Одним из основных источников вредного воздействия на окружающую среду являются энергетические предприятия, а среди них доминирующую роль занимают тепловые электрические станции. Наиболее распространенными экологически опасными выбросами от ТЭС являются оксиды азота (Ж)х), которые образуются при сжигании любого вида топлива. Количество образующихся и выбрасываемых в атмосферу 1ЧОх зависит от многих факторов: вида топлива, способов организации топочного процесса и очистки уходящих газов.

Разработаны режимно-технологические методы снижения выбросов Ж)х, направленные на подавление образования оксидов азота в топках котла и включающие в себя ступенчатое сжигание, нестехиометрическое сжигание, рециркуляцию дымовых газов, впрыск влаги и др. Однако необходимо дальнейшее усовершенствование этих методов, которые позволяют обеспечить нормативные требования к выбросам Ж)х без существенных потерь в эффективности и надежности работы котельных установок на различных видах топлива.

Другим не менее важным способом снижения выбросов оксидов азота является оптимизация процесса горения. Эффективность горения определяется в основном соотношением воздуха и топлива, а также надлежащим распространением воздуха внутри котла. Поэтому выбор оптимального баланса между топливом и воздухом является определяющим фактором в отношении минимизации выбросов ГЧОх и повышении эффективности процесса горения. В случае котлоагрегатов с использованием пылеугольного топлива, особенно низкого качества, найти и поддерживать такой баланс традиционными способами очень сложно. Поэтому возникает необходимость создания интеллектуальных систем, основанных на технологиях искусственного интеллекта (нейронные сети, генетические алгоритмы и др.), которые позволяют проводить непрерывный мониторинг пламени и управлять процессом горения. Это дает возможность повысить эффективность котельной установки, уменьшить расход топлива и снизить выбросы оксидов азота.

Цель работы. Создание теоретических основ, комплексная разработка и экспериментальное обоснование методов снижения выбросов оксидов азота от ТЭС, отличающихся от аналогичных работ в этой области комплексным подходом, который включает решение двух задач: 1) усовершенствование и повышение эффективности традиционных режимно-технологических способов сжигания топлива; 2) оптимизация самого процесса горения путем применения современных интеллектуальных систем управления таким процессом.

ИОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

Научная новизна работы:

— проведен комплексный анализ закономерностей образования и разложения оксидов азота при построении математических моделей процесса горения топлива в котлах тепловых электростанций, который заключается в объединении механизмов образования термических, «быстрых» и топливных оксидов азота с учетом разложения образовавшегося N0 в микрообъемах с восстановительной средой;

— на базе проведенного анализа разработаны, исследованы и внедрены на действующих энергетических котлах новые методы организации топочного процесса, тормозящие скорость образования как термических, так и топливных оксидов азота, и одновременно интенсифицирующие восстановительные реакции, снижающие концентрацию NOx в дымовых газах;

— в процессе реализации новых методов организации топочного процесса выявлен характер изменения технико-экономических показателей котельных установок;

— проведено обоснование необходимости применения интеллектуальных систем для управления и оптимизации процесса горения низкосортных твердых топлив;

— выполнен анализ возможностей применения технологий искусственного интеллекта (нейронных сетей, генетических алгоритмов, нечеткой логики и др.) для использования в системах мониторинга и управления процессов горения;

— впервые в отечественной практике проведены мониторинг и цифровая обработка изображений пламени в горелках котла;

— разработаны концептуальные основы интеллектуальной системы контроля и управления процессом горения, основанной на комбинации технологии нейронных сетей и методологии цифровой обработки изображения пламени.

Практическая значимость. Технологические методы сокращения эмиссии NOx, разработанные на основе анализа закономерностей образования и разложения оксидов азота, опробованы при сжигании основных видов органического топлива: природного газа, каменных и бурых углей. Реализация разработанных методов осуществлена на котлах различной мощности: от промышленных котлов среднего давления до современных паровых котлов высокого давления для блоков мощностью 150 и 200 МВт.

Во всех работах, проведенных на промышленных котлах действующих ТЭС, получены положительные результаты. Существенное снижение выбросов оксидов азота было достигнуто при минимальных затратах на реконструкцию и практически без снижения экономичности топочного процесса.

Успешная работа реконструированных котлов позволяет приступить к широкому внедрению проверенных технологических методов на всех электростанциях, на которых не обеспечиваются нормы ПДВ при полной нагрузке ТЭС или концентрация NOx в дымовых газах превышает нормативные требования.

Разработанные концептуальные основы применения интеллектуальных систем для управления процессом горения позволяют приступить к созданию и внедрению на отечественных ТЭС таких систем, которые дадут возможность повысить эффективность топочного процесса и снизить выбросы оксидов азота.

Автор защищает:

— результаты комплексного анализа и теоретические представления о процессах образования и разложения оксидов азота в топках котельных установок;

— методы подавления термических и топливных оксидов азота при сжигании природного газа и при факельном сжигании твердого топлива;

— результаты исследования промышленных и энергетических котлов после внедрения на них новых методов организации топочного процесса, обеспечивающего снижение выбросов NOx;

— упрощенную методику расчета мощности выбросов NOx по измеренным концентрациям NOx и О2 в дымовых газах за котельными установками;

— методологию цифровой обработки и анализа изображения пламени в горелках котла;

— интеллектуальную систему мониторинга и управления процессом горения в котельных установках, основанную на комбинации технологий нейронных сетей и цифровой обработки изображения пламени.

Личный вклад автора заключается в разработке теоретических моделей процессов образования и разложения оксидов азота, в постановке научных задач и разработке технологических методов подавления NOx, в разработке концепции применения интеллектуальных систем для мониторинга и управления процессом горения в котельных установках.

В течение нескольких лет, работая в специальном конструкторском бюро Всероссийского Теплотехнического Института (СКБ ВТИ), автор принимал активное участие в разработке проектов реконструкции котлов для снижения выбросов NOx и в анализе результатов проведенных исследований.

После перехода в ООО «Импульс» автор возглавил разработку новых технологий по снижению выбросов оксидов азота и непосредственно руководил работами по внедрению этих технологий на промышленных котлах.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийском совещании «Совершенствование структуры и управления коммунальным энергетическим хозяйством» (г. Липецк, 1992 г.); на семинаре-совещании «Совершенствование работы предприятий коммунальной энергетики. Снижение вредных выбросов в окружающую среду» (г. Москва, 1993 г.); на IV конференции стран СНГ «Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики» (г. Севастополь, 1996 г.); на семинаре кафедры «Теплоэнергетические установки» Московского государственного открытого университета (г. Москва, 2003 г.); на конференции РОО КТЭ «Флогистон» (г. Москва, 2004 г.), на научном заседании Отделения экологии промыш-

ленности, энергетики и транспорта Академии Промышленной Экологии (г. Москва, 2005 г.); на Втором международном форуме «Энергетика и экология» (г. Москва, 2005 г.).

Отдельные результаты работы были защищены автором в кандидатской диссертации «Разработка способов снижения и метода расчета выбросов оксидов азота при сжигании природного газа в промышленных и отопительных котлах» (г. Москва, МГОУ, 1999 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 печатных работ, в том числе 3 монографии.

Структура и объем работы. Диссертация включает введение, семь глав, заключение и список использованных литературных источников из 145 наименований. Общий объем диссертации составляет 282 стр., включая 95 рисунков и 8 таблиц в тексте.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена ее цель и изложены основные положения, состав ляющие научную новизну работы и являющиеся предметом защиты.

В первой главе диссертации проведен комплексный анализ вредного воздействия ТЭС на окружающую среду и рассмотрены основные пути его снижения. Основное внимание обращено на оксиды азота, которые образуются при сжигании любого вида топлива и являются наиболее распространенными и экологически опасными выбросами от ТЭС. Изложены современные методы и технологии снижения оксидов азота в уходящих дымовых газах.

Проведенный анализ позволил выявить следующее:

— экономичность процесса сжигания топлива, а также образование в процессе горения топлива вредных веществ, в частности бензапирена и оксидов азота, в значительной мере определяется режимом горения, в частности, уровнем локальных значений температуры и окислителя;

— применяемые методы подавления образующихся при горении оксидов азота могут привести к увеличению образования значительно более токсичных веществ - полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и, в частности, бензапирена;

— существующие способы мониторинга вредных веществ в продуктах сгорания топлива, основанные на анализе состава дымовых газов после котла, инерционны и не позволяют в полной мере оперативно управлять процессом горения в факеле горелочного устройства;

— необходимо разработать и использовать систему оперативного управления процессом горения топлива в топке, чтобы обеспечить повышение экономичности котельной установки и уменьшение образования токсичных веществ.

Вторая глава посвящена теоретическому анализу основных закономерностей процесса горения газового, жидкого и твердого топлив и образования оксидов азота в продуктах сгорания.

При горении топливо и воздух смешиваются и вступают в химическую реакцию с одновременным выделением большого количества тепла. В зависимости от типа смешения осуществляется горение предварительно перемешанной или предварительно не перемешанной смесей. Кроме того, в зависимости от типа потока факелы подразделяются на турбулентный и ламинарный.

В ламинарных факелах предварительно перемешанной смеси топливо и окислитель смешиваются до начала горения при ламинарном потоке. Предварительно перемешанные смеси топлива и воздуха характеризуются величиной коэффициента избытка воздуха а, в соответствии с которым можно выделить богатые (а < 1), стехиометрические (а = 1) и бедные (а > 1) смеси. Распространение свободного плоского ламинарного пламени в сторону свежей смеси определяется скоростью ламинарного горения. Скорость горения зависит только от состава смеси (значения а), давления и начальной температуры несгоревшей смеси. Если скорость ламинарного горения плоского пламени меньше скорости потока несгоревшей свежей смеси, то пламя сдувается.

В ламинарных факелах предварительно не перемешанной смеси топливо и воздух смешиваются между собой во время процесса горения при ламинарном потоке. Факелы с предварительно не перемешанной смесью имеют более сложные химические реакции, чем факелы с предварительным смешением, так как коэффициент избытка воздуха а изменяется у них от нуля (чистое топливо) до бесконечности (чистый воздух). Топливо и окислитель диффундируют к фронту пламени благодаря градиентам концентраций, обусловленным химическими реакциями. Фронт пламени не может распространяться в сторону топлива без окислителя или в сторону окислителя без топлива. В результате фронт пламени находится на границе раздела топливо-воздух (в зоне стехиометрической смеси и максимальной температуры). В отличие от факела с предварительно перемешанной смесью, в этом случае фронт пламени не распространяется самопроизвольно в сторону свежей смеси.

В турбулентном факеле предварительно перемешанной смеси фронт пламени может распространяться в турбулентный поток. Даже при небольшой интенсивности турбулентности формируются искривленные фронты ламинарного пламени. В этом случае турбулентное пламя можно рассматривать как ансамбль ламинарных микроочагов пламени. Несмотря на определенные преимущества, сжигание предварительно перемешанных смесей в технике широко не применяется из-за опасности самовоспламенения и взрывов.

Турбулентные факелы с предварительно не перемешанной смесью наиболее распространены в практике горения (в горелках промышленных и энергетических котлов), когда топливо и воздух смешиваются непосредственно в топочных камерах. Эти факелы называют также диффузионными, поскольку диффузия топлива и воздуха в зону горения является более медленным процессом по сравнению со скоростью химических реакций и динамические параметры пла-

мени определяются диффузией. Турбулентные факелы можно в самом общем виде рассматривать как случайную совокупность большого количества ламинарных очагов пламени.

Жидкие котельные топлива являются продуктами перегонки нефти и состоят из компонентов с разными температурами кипения. При нагревании вначале испаряются легкие жидкие фракции, затем фракции с более высокой температурой кипения. В результате остается твердая часть, содержащая коксовый остаток и золу. Горение жидких топлив связано с изменением фазового состояния и наличием границ раздела сред. Жидкое топливо впрыскивается в газовоздушный поток, в котором происходит горение. Турбулентные колебания тонкой пленки жидкости, создаваемой форсункой, вызывают ее распад и превращение в плотное облако капель, поступающих в зону горения. Подвод тепла к каплям приводит к испарению топлива в газовую среду и началу горения в газовой фазе. Вокруг капель образуется пламя предварительно не перемешанной смеси паров жидкости.

Горение мазутного факела можно рассматривать, как горение множества отдельных капель. Различают три фазы горения капли: прогрев до температуры кипения, испарение топлива в газовую фазу с образованием горючей смеси и собственно горение, когда предварительно не перемешанная смесь воспламеняется и горит вокруг капли (диаметр капли при этом уменьшается во времени пропорционально квадрату диаметра капли).

Горение угля (твердого топлива) является еще более сложным процессом. Уголь представляет собой смесь неоднородных химических соединений с весьма сложной структурой. Он содержит летучие и нелетучие горючие соединения, а также негорючие соединения, образующие золу. При горении угля можно выделить три стадии процесса: пиролиз угля, в результате которого из угля выделяются летучие соединения и образуется содержащий значительное количество углерода и золу твердый продукт - полукокс; горение летучих соединений и горение кокса.

Пиролиз угля (термический распад и дегазация) происходит при температуре выше 600 К с образованием полукокса, гудрона и летучих компонентов. Пиролиз зависит от многих физико-химических процессов и характеристик угля. Летучие соединения образуются путем выделения функциональных групп, которые затем образуют СН4, Н2, СО, НСЫ и др. Разрыв химических связей в угле приводит к образованию фрагментов, способных к образованию гудронов. Эти процессы сопровождаются диффузией летучих компонентов к поверхности частиц угля, где они испаряются и сгорают. Горение летучих происходит в газовой фазе. Процессы, которые при этом происходят (испарение, диффузия в газовую фазу и горение), аналогичны процессам, происходящим при горении капли.

Детально проанализированы закономерности образования оксидов азота при сжигании различных видов органических топлив, используемые при математическом моделировании процесса. Выбросы оксидов азота состоят в основном из моноксида азота N0, а также в меньших концентрациях содержат диоксид азота N02 и закись азота М20. В ламинарном пламени (на молекулярном уровне это можно отнести и к турбулентному пламени) образование оксидов азота яв-

ляется результатом четырёх отдельных химических процессов с разной кинетикой: термическое, «быстрое» и топливное окисления, а также процесс восстановления. Термическое окисление представляет собой окисление атмосферного азота, присутствующего в воздухе. «Быстрое» окисление - результат высокоскоростных реакций во фронте горения. Топливное окисление связано с атомами азота, входящими в состав топлива. В процессе восстановления общий выход окислов азота понижается за счёт реакции N0 с углеводородами.

Для определения эмиссии оксидов азота следует рассмотреть уравнения переноса для концентрации монооксида азота (N0). Если источником азота является топливо, то вводится дополнительное уравнение переноса для промежуточных продуктов реакции (НСИ или КН3). Уравнения переноса для оксидов азота решаются, основываясь на заданном поле течения и математическом описании процесса горения, т. е. выход оксидов азота определяется, исходя из результатов детального расчета самого процесса горения. Например, при температурах пламени свыше 2200 К, каждое последующее увеличение температуры на 90 К ускоряет термическое окисление азота в два раза. По возможности необходимо также учитывать факторы турбулентности, радиационного теплообмена и химической кинетики. Получаемые результаты будут точны лишь настолько, насколько достоверны исходные данные в сочетании с адекватно подобранной физической моделью процесса горения. Точное прогнозирование количества образующихся оксидов азота в конкретном топочном устройстве позволяет сэкономить на лабораторных тестах и промышленных испытаниях, сократить отдельные этапы проектирования и в то же время разнообразить возможные варианты технических решений при разработке новых устройств, обеспечивающих оптимальные условия горения.

Для описания процесса рассматривается уравнение переноса массы для N0 с учётом конвекции, диффузии, образования и поглощения. Такой подход является общепринятым и опирается на фундаментальный физический закон сохранения массы. Эффект «задержки», имеющий место в соответствии с лагранже-вым представлением о системах отсчёта, учитывается в качестве конвекции, посредством включения соответствующих членов в определяющие уравнения, написанные для эйлеровой системы отсчёта. Термическое и «быстрое» окисления описываются одним уравнением переноса для N0:

У топливного окисления механизм более сложный. Его описание требует учета промежуточных азотсодержащих продуктов химических реакций. В случае топливного окисления, помимо уравнения (1), дополнительно рассматриваются уравнения переноса для НСЫ и 1ЧНз:

о) + V • (/иТКмо) = V • (рРУУмо) + Зж>

О)

+ V • (/иТГнси) = V ■ {рЖцсн) + ^нск + V • {рОУт,) = V • {рЖ*н,) + ЯКНа

дЬ

(2)

где Уцсм, ^нз и Кмо - массовые доли НС1Ч, N113 и N0 в газовой фазе, и - показатели выхода продуктов в химических реакциях.

Термическое окисление определяется последовательностью температурно-обусловленных химических реакций, известных как обобщённый механизм Зельдовича. Две основных реакции, определяющих термическое окисление атмосферного азота, имеют следующий вид:

(> + ^^N + N0 (4)

N + Оа ^ О + N0 (5)

Существует еще одна реакция, относящаяся к процессу термического окисления, которая особенно эффективна в условиях, близких к стехиометрическим, а также в смесях с недостатком воздуха (богатых смесях):

N + ОН ^ Н + N0 (6)

Таким образом, результирующая скорость образования N0 посредством реакций (4-6) записывается в следующем виде:

= ^[Орз] + к2\Щ[0,} + /сз[1Ч][ОН] - * ^ХОПМ] - *„2(ГО]|01 - к Э[Ш][Н] (7)

Константы скоростей реакций при термическом окислении для реакций (4-6) были измерены в многочисленных экспериментальных исследованиях и найдены формулы для расчёта коэффициентов скорости этих реакций.

Скорость окисления азота воздуха имеет значительную величину лишь при высоких температурах (выше 1800 К), так как вступление азота в реакцию требует разрыва прочной тройной связи в молекуле N2 (энергия диссоциации 941кДж/гмоль). Этим эффектом обусловлена высокая энергия активации для реакции (4), что делает её лимитирующей стадией обобщённого механизма Зельдовича. Энергия активации для окисления атомов N. напротив, невелика. При достаточном количестве кислорода скорость поглощения свободного азота равна скорости его образования, что приводит систему в квазистационарное состояние. Следовательно, скорость образования N0 можно выразить как

Я. - 2к, Ю1Ш ~ Д ) т

Из уравнения (8) вытекает, что скорость образования N0 растет с увеличением концентрации кислорода, а термическое окисление, сильно зависящее от температуры, не связано с разновидностью сжигаемого топлива.

Известно, что при горении углеводородного топлива образование оксидов азота может проходить быстрее, чем прямое окисление молекул азота кислородом (т.е. термическое окисление). Альтернативный быстропротекающий процесс, ведущий к образованию оксидов азота, получил свое название: «быстрое»

окисление азота. Имеющиеся данные свидетельствуют о существенном вкладе именно этого механизма в общий выход для некоторых режимов горения — таких как горение при низкой температуре, с недостатком воздуха, с интенсивной конвекцией (коротким временем индукции). Такие условия могут возникать также в устройствах открытого сжигания, при ступенчатом сжигании, в газовых турбинах и др.

«Быстрое» окисление, как составляющая часть общего выхода N0*, наиболее интенсивно проявляет себя в обогащенном топливом пламени. Такой процесс представляет собой сложную серию реакций с образованием многочисленных возможных промежуточных соединений. Основным в этом химическом каскаде принято считать следующий путь:

СН + ^ ^ НСИ + N (9)

N+0;, ^ N0 + 0 (10)

Н<Ж + ОН С^Н20 (11)

СЖ + 02 ^ N0 + 00 (12)

Таким образом, участие в «быстром» окислении приписывается целому ряду соединений, порождаемых при фрагментации углеводородного топлива (например, СН, СН2, С, С2Н), однако основной вклад обеспечивает СН, а также СН2 - через реакцию

СНз + Иа т^НСЖ + Ш (13)

Продукты этих реакций могут вести к образованию аминов и цианистых соединений, которые, в свою очередь, служат предшественниками N0 в реакциях, подобных при окислении азота топлива:

НСЯЧ + 11«*Ла+..........(14)

«Быстрое» окисление пропорционально числу атомов углерода, находящихся в единице объёма, и не зависит от разновидности углеводорода-предшественника. Количество образующегося НСИ возрастает с концентрацией углеводородных радикалов, которая, в свою очередь, увеличивается с уменьшением коэффициента избытка воздуха. По мере уменьшения коэффициента избытка воздуха, выход «быстрого» N0, сначала возрастает, затем проходит пик, и наконец идёт на спад в связи с нехваткой кислорода. При этом реакция (9) является основополагающей в химическом каскаде (9-14).

На ранних стадиях формирования пламени, когда «быстрое» окисление проходит в условиях недостатка воздуха и концентрация атомарного кислорода высока, то радикал N расходуется почти исключительно на образование N0 (а не Ы2). Поэтому итоговая скорость «быстрого» окисления будет приближённо равна скорости суммарной реакции образования N0:

= крг[03}'Щ^Ще-Е^яг (15)

Установлено, что выход «быстрых» Ж)х имеет первый порядок по отношению к концентрациям азота и топлива, в то время как порядок реакции по кислороду зависит от условий процесса горения (ОА а

Известно, что азотсодержащие органические соединения, присутствующие в жидком и твёрдом ископаемом топливе, могут служить дополнительным источником азота, окисляемого в процессе горения. Учитывать вклад азота топлива особенно важно для топочного мазута и угля, содержание азота в которых составляет 0.3-2% массы. Исследования показали, что большая часть азота в тяжёлых нефтяных фракциях (и, по всей вероятности, в угле) входит в состав гетероциклических соединений. Важнейшими из этих соединений являются пиридин, хинолин, гетероциклические амины.

Степень перехода азота топлива в >ГОх (химические пути окисления) зависит от локальных характеристик горения и исходной концентрации азотсодержащих соединений, которые превращаются в газообразную фазу при нагреве капелек или частиц топлива на стадии удаления летучих компонентов. При термическом разложении этих соединений (анилин, пиридин, пирролы и т.д.) в зоне реакции образуются свободные радикалы, такие как НСЫ, ЫН3, N. СМ и N11, которые могут быть преобразованы в 1ЧОх- Свободные радикалы (т.е. вторичные промежуточные соединения азота) вступают в реакции по двум конкурирующим направлениям:

Азотсодержащие промежуточные продукты классифицируются как НСМ либо КНз. Механизмы окисления азота газообразного и жидкого топлива имеют разную физическую основу, но одни и те же химические пути.

При окислении азота, входящего в состав угля, предполагается, что азот содержат как летучие компоненты угля, так и полукокс. Нет оснований считать, что азот распределён между летучими и полукоксом равномерно, поэтому в расчётах его содержание во фракциях угля задаётся разными величинами.

Соотношения между скоростью образования NOx, температурой и концентрациями веществ сильно нелинейны. Следовательно, при прогнозировании средних значений выбросов Ж)х использование в какой-либо модели усреднённых по времени значений температуры и состава топлива приведёт к существенным ошибкам. Поэтому следует учитывать в расчётах флуктуации температуры и состава (концентрации) вещества, используя их вероятностные характеристики.

Результаты проведенных теоретических исследований позволяют оценить возможности снижения образования оксидов азота за счет изменения техноло-

Азот топлива—+ Промежуточные соединения

гических параметров процесса горения и конструктивных характеристик то-почно-горелочных устройств.

Вследствие высокой энергии активации реакций термического образования N0, снижение максимальных температур в зоне горения будет способствовать уменьшению образования монооксида азота. В струйных факелах предварительно не перемешанной смеси излучение от факела, которое снижает максимальную температуру, оказывает сильное воздействие на образование N0. Поэтому возможными путями сокращения выбросов оксидов азота являются: снижение теплонапряжения зоны активного горения за счет увеличения геометрических размеров поперечного сечения топочной камеры и числа ярусов горелок, увеличения расстояния между ярусами, установки двусветных экранов, более свободное размещение горелочных устройств, снижение температуры подогрева воздуха на горение, ввод дымовых газов рециркуляции и др.

Весьма эффективным способом снижения образования ЫОх является использование технологии двухступенчатого сжигания, когда на первой стадии для организации процесса горения создаются условия, типичные для богатой смеси (а *>£ 0.7), чтобы образовывалось минимальное количество соединений типа Ж)х + НСИ + КНз. Затем на второй стадии создаются условия обогащения смеси воздухом для получения стехиометрических или близких к ним условий горения. Если на первой стадии образование оксидов азота затруднено из-за отсутствия свободного кислорода, то на второй - вследствие более низкого уровня температур в факеле и высокого содержания инертных продуктов сгорания. Ступенчатое сжигание снижает образование как термических, так и топливных оксидов азота, что очень важно при сжигании топлив, содержащих в своей горючей массе азот. Впоследствии можно использовать третью стадию горения, осуществив ввод дополнительного топлива, и уменьшить содержание N0 за счет реакций типа: N0 + СН, -* продукты.

Низкий выход Ж)х можно достичь также при сжигании обедненных смесей с высоким коэффициентом избытка воздуха а. При увеличении коэффициента избытка воздуха температура пламени снижается и образование оксидов азота уменьшается. Однако уменьшается и скорость превращения СО в С02. Таким образом, существует верхняя граница для величины коэффициента избытка воздуха, когда концентрация образующегося СО становится выше допустимой.

Другим препятствием к увеличению а является появление значительного шума и вибраций в камерах горения. При увеличении коэффициента избытка воздуха скорость распространения пламени уменьшается. Колебания давления в камере, происходящие в зоне звуковых частот, приводят к нестабильности химических реакций и тепловыделения, усиливая тем самым флуктуации давления.

В третьей главе приведены результаты разработки и исследования технических решений, реализующих полученные в предыдущей главе закономерности образования оксидов азота при сжигании топлива. Вначале было установлено, как влияют на эмиссию М0Х основные режимные параметры при нормальной эксплуатации газомазутных котлов. С этой целью были проведены ис-

пытания нескольких типов серийных энергетических котлов, на которых при сжигании природного газа изменялся один какой-то параметр прй сохранении остальных параметров на прежнем уровне. Во всех опытах анализировался состав продуктов сгорания и рассчитывалась мощность выбросов СО и Ж)х.

Предложена упрощенная методика расчета мощности выброса диоксида азота с использованием измеренных концентраций >Юх и 02 в дымовых газах.

Результаты проведенных исследований позволили установить зависимость концентрации Ж)х в дымовых газах от основных параметров работы котлов. В качестве примера на рис.1 показаны результаты опытов на котле БКЗ-210-140Ф при изменении коэффициента избытка воздуха за пароперегревателем а"ш от 1,01 до 1,21 при сниженной нагрузке. Экспериментальные результаты полностью соответствуют представлениям о механизме образования термических оксидов азота, рассмотренных в предыдущей главе: повышение температуры и содержания 02 в ядре горения приводят к увеличению скорости образования

На последующих этапах исследовалось влияние конструктивного оформления горелочных устройств на эмиссию оксидов азота. С этой целью на одной из электростанций были проведены испытания трех котлов прмерно одинаковой паропроизводительности, с одинаковой форсировкой топочного объема, но с разными конструкциями горелок. Котел ТП-170 имел 6 вихревых двухулиточ-ных горелок, расположенных встречно на боковых экранах. Два других котла БКЗ-160 были оборудованы тангенциальными топками: прямоточные горелки располагались на боковых экранах вблизи углов и были направлены тангенциально к воображаемой окружности в центре топки. Причем на одном из котлов сопло для сбросного воздуха было расположено выше горелки, а на другом -ниже существующих газовых горелок. Опыты, проведенные на всех трех котлах в диапазоне нагрузок от 90 до 170 т/ч подтвердили, что различие в конструкции горелок приводит к разным выбросам ИОх (рис. 2). Из приведенного рисунка видно, что на скорость образования ЫОх влияют не только принципиальная форма факела: прямоточная (1) или вихревая (2), но и место ввода даже

Ж>х.

1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 <4п

Рис. 1. Зависимость выбросов СО и N02 от коэффициента избытка воздуха

небольшой части воздуха: при подаче этого воздуха выше основных горелок образуется как бы двухступенчатое сжигание (3), в результате которого даже при максимальной нагрузке концентрация >ЮХ составляет всего лишь 340 мг/м3.

Рис. 2. Зависимость концентрации ЫОх от нагрузки для котлов с разными горелками.

Анализ механизма образования термических М)х, а также проведенные промышленные исследования показали, что при значительном отклонении от оптимального избытка воздуха концентрация МОх снижается. При уменьшении коэффициента избытка воздуха скорость термического окисления азота снижается из-за уменьшения концентрации кислорода, а при значительном увеличении уменьшается максимальная температура в ядре горения, что также снижает скорость образования термических Ж)х. Применение в отдельности каждого из этих методов на промышленных и энергетических котлах допустимо только в очень узком диапазоне, так как существенное снижение ведет к появлению СО - продукта неполного сгорания, а повышение сверх оптимального значения увеличивает потери с уходящими газами, т. е. снижает КПД котла.

С учетом этого был выбран третий путь - объединение двух первых методов, т.е. работа части горелок с недостатком, а другой части горелок - с избытком воздуха. Этот метод, получивший название «нестехиометрическое сжигание», был впервые внедрен и исследован автором еще в начале 90-х годов на котле КЕ-35-14 ГМ. На рис. 3 приведены основные результаты исследований, проведенных на этом котле при сжигании природного газа из московской городской сети. Как видно из приведенного графика, при равномерной загрузке по топливу верхней и нижней горелок (50/50%) концентрация Ж)х в дымовых газах за котлом составляет 328-337 мг/м3. В опытах на той же нагрузке и таком же избытке воздуха, но при перераспределении топлива между верхней и нижней горелками (44/56%) концентрация оксидов азота снизилась до 200-202 мг/м3. При этом содержание СО осталось на прежнем уровне. Таким образом, 40%-ное уменьшение выбросов Ж)х было получено без ухудшения топочного процесса и, что особенно важно, без затрат на реконструкцию котла.

со, %

0,03

0.02

0,01

150

б

50 49 48 47 46 45 50 51 52 53 54 55 %

Рис. 3. Зависимость концентраций ЛОх и СО от степени нестехиометричности (т. е. от перераспределения газа между верхней и нижней горелками на котле КЕ-35-14ГМ

Из результатов второй главы вытекает, что на скорость термического окисления азота оказывает влияние концентрация 02. Снизить концентрацию кислорода без уменьшения его общего количества можно за счет подачи (принудительной рециркуляции) инертных продуктов (например, С02) в ядро горения. Опробование метода рециркуляции дымовых газов в смеси с воздухом, подаваемым через горелки, было впервые опробовано автором еще в 1991 г. на котле ДЕ-25-14 ГМ. На этом котле была применена упрощенная схема рециркуляции (без использования дымососа, за счет разницы давлений в напорном газоходе за дымососом и на всасе перед дутьевым вентилятором). Результаты внедрения такой схемы приведены на рис. 4.

180

г = 5%

140

Г

100

2,8 ЗД 3,6 4,0 4*4 4,8 5,2 о2,%

Рис. 4. Изменение концентрации >Юх за котлом ДЕ-25-14ГМ без рециркуляции (г = 0) и с рециркуляцией дымовых газов (г = 5%).

Как видно из рисунка, без рециркуляции (г = 0 %) концентрация NOx составляла 220-240 мг/м3, а минимальный избыток воздуха, при котором содержание СО оставалось на допустимом уровне, соответствовал 02=4,0% ^С=1,235). При подаче через горелку газов рециркуляции (г = 5 %) концентрация N0X при той же нагрузке котла снизилась до 136-148 мг/м3. Причем повышение температуры и скорости газовоздушной смеси на выходе из горелки (по сравнению с чистым воздухом) позволило работать с меньшими избытками воздуха: содержание СО оставалось менее 0,01% даже при избытке воздуха, соответствующем Ог=3% {С=1,16). Последнее обстоятельство привело к тому, что 45%-ное снижение выбросов NOx было достигнуто без снижения экономичности работы котла. Незначительное повышение температуры уходящих газов, которое является неизбежным при появлении рециркуляции дымовых газов, было полностью компенсировано снижением избытка воздуха в уходящих газах. Более того, при номинальной нагрузке котла его КПД после внедрения рециркуляции оказался даже выше на 0,45% по сравнению с опытами без рециркуляции.

Успешное внедрение методов нестехиометрического сжигания и рециркуляции дымовых газов на промышленных котлах послужило основанием для внедрения комбинации этих методов на крупном энергетическом котле. При этом были заранее изменены проходные сечения для газа в газораздающих насадках горелок верхнего и нижнего ярусов. Выполненные расчеты позволили рассверлить до нужного размера газовые насадки горелок нижнего яруса и уменьшить число отверстий в грелках верхнего яруса. После выполнения такой малозатратной реконструкции на горелках типа ГМУ-45 были проведены опыты на котле типа ТГМЕ-464. Результаты этих опытов, проведенных при разных нагрузках (250-480 т/ч) и при разной доле рециркуляции дымовых газов (до 12% при номинальной нагрузке и до 43% при минимальной паропроизводи-тельности), показали, что даже без рециркуляции концентрация NOx в дымовых газах за котлом составляет только 240 мг/м3 (вместо 400 мг/м3 при равномерной подаче газов на оба яруса горелок). А при подаче газов рециркуляции (г =12%) концентрация оксидов азота снижается до 80-90 мг/м3, что значительно ниже допустимой величины для новых котлов (125 мг/м3).

В третьей главе приведены также результаты внедрения метода ступенчатого сжигания природного газа на котле БКЭ-320-140 ГМ ТЭЦ ЗиЛ, а также метод упрощенного двухступечатого сжигания, когда часть воздуха, необходимого для полного сгорания топлива, подается через отключенные по топливу горелки верхнего яруса. Такой метод, не требующий реконструкции топочной камеры, был внедрен на двух котлах БКЗ-160-100 с тангенциальным расположением горелок в 2 яруса по высоте. На рис. 5 показана зависимость концентрации NOx в дымовых газах за одним из котлов БКЗ-160-100 от избытка воздуха при включении всех горелок (I), при отключении двух горелок верхнего яруса (II) и при отключении четырех верхних горелок из 8, установленных на котле (III). К сожалению, последний случай, при котором был получен максимальный эффект по снижению эмиссии NOx, нельзя рекомендовать для длительной эксплуата-

ции котла из-за недопустимого повышения температуры труб пароперегревателя, но и отключение двух горелок (кривая II) позволило при номинальной нагрузке и 0^=1,07 снизить концентрацию NOx в дымовых газах с 860 до 550 мг/м3 (т.е. на 36%).

1,02 1,04 1,06 1,08 1,10 1.12 1,14 1,16 1,18 1.20 СГклл Коэффициент иабыгса воздуха

Рис. 5. Зависимость концентрации NOx от режимов работы горелок

Четвертая глава посвящена исследованию закономерностей образования оксидов азота при сжигании твердого топлива, а также разработке методов снижения выбросов NOx на пылеугольных котлах. При факельном сжигании топлива используют прямоточные или вихревые горелки, значительно отличающиеся характером смесеобразования в корне факела. Интенсивность выхода летучих и их количество также должны оказывать существенное влияние на образование топливных NOx в котлах. В свою очередь скорость выхода летучих зависит от тонкости помола угольной пыли, а интенсивность подмешивания вторичного воздуха к горящей струе аэросмеси определяет содержание в ней Ог, т.е. влияет на переход топливного азота в NO. Поэтому возникает необходимость проведения экспериментальных исследований на пылеугольных котлах для того, чтобы установить влияние конструктивных и режимных параметров на выбросы оксидов азота при сжигании твердого топлива.

Влияние нагрузки котла на выбросы NOx исследовалось на ряде котлов с твердым шлакоудалением. Уровень максимальных температур в этих котлах давал основания предполагать, что при горении угля образуются почти исключительно топливные NOx.

На котле БКЗ-160-100 при сжигании бурого угля удалось провести опыты на трех нагрузках с почти постоянным избытком воздуха. Оказалось, что в проверенном диапазоне нагрузок (от 125 до 140 т/ч) концентрация NOx в дымовых газах остается практически постоянной (540±20 мг/м3).

Обычно при снижении нагрузки приходится повышать избыток воздуха в горелках, чтобы сохранить аэродинамическую структуру факела. Исследования, выполненные при сжигании тех же углей на котле ТП-85, подтвердили, что увеличение концентрации кислорода приводит к росту эмиссии Ж)х даже при снижении тепловыделения в топке (рис. 6). В проведенной серии опытов коэффициент избытка воздуха за пароперегревателем о„п при нагрузке 370 т/ч был равен 1,36, а при снижении нагрузки до 320 т/ч а„п пришлось повысить до 1,61, что и определило увеличение эмиссии Ж)х.

310 320 330 340 350 300 370 380

Нагрузка О, т/ч

Рис. 6. Зависимость выхода оксидов азота от нагрузки

Влияние избытка воздуха на образование топливных N0* исследовалось на нескольких котлах БКЗ-160-100, оборудованных топками с твердым шлакоуда-лением. В серии опытов, проведенных при номинальной нагрузке, максимальная температура в ядре горения составляла 1320-1350 °С, что свидетельствовало об отсутствии термических КОх- Изменение избытка воздуха в широком диапазоне (от 0^=1,4 до аШ1=2,6) показало, что концентрация Т*ЮХ значительно увеличивается по мере роста избытка воздуха (рис. 7).

N0* мг/м5

«00

ж

юо

ж

Рис. 7. Зависимость концентрации оксидов азота в дымовых газах за котлами №№8 и 11 от коэффициента избытка воздуха за пароперегревателем а"ш

Общий расход воздуха в пылеугольных горелках складывается, как известно, из первичного (поступающего в топку в смеси с угольной пылью) и вторичного, который подмешивается к аэросмеси уже в объеме топки. Имеются эмпирические формулы для расчета коэффициентов, учитывающих как долю первичного воздуха А. 1, так и соотношение скоростей первичного и вторичного воздуха, от которого зависит интенсивность подмешивания воздуха к горячей струе аэросмеси. При изменении скоростного режима горелок на действующих котлах обычно стараются сохранить размеры выходных сечений каналов аэросмеси и вторичного воздуха. В связи с этим изменение сц (при сохранении общего избытка воздуха в горелке) автоматически ведет к изменению скоростей первичного и вторичного воздуха на выходе из горелки: м>\ и и^. И наоборот, изменение скоростей в выходном сечении неминуемо меняет величину Л], которая в первую очередь определяет содержание кислорода в зоне горения летучих, а значит и интенсивность образования топливных >Юх.

Для установления зависимости эмиссии ЬГОХ от скоростного режима прямоточных горелок было проведено исследование на котле БКЗ-210-140 Ф при сжигании кузнецкого каменного угля марки Г. Котел с тангенциалной топочной камерой имел номинальную паропроизводительность 210 т/ч при параметрах пара 13,8 МПа, 545°С. Котел был оборудован двумя пылесистемами с шаровыми барабанными мельницами типа Ш-12, с сушкой топлива горячим воздухом и с присадкой в пылесистему газов рециркуляции (в целях взрывобезопасности). От восьми пылепитателей угольная пыль транспортировалась к горелкам отработанным сушильным агентом с температурой около 70°С. Тангенциальная топочная камера имела размеры в плане 9536x6650 мм. Часть воздуха поступала в топку через сопла третичного воздуха на отметке 14,08 м, а основные горелки были расположены на отметке 10,99 м. Перед началом опытов были тщательно протарированы короба холодного и горячего воздуха, поступающего к пылеси-стеме и к горелкам в качестве вторичного. Расход топлива на котел подсчиты-вался по обратному балансу, а равномерность расхода угольной пыли на отдельные горелки контролировалась по оборотам пылепитателей. Это позволило во всех опытах определить выходные скорости в горелках и коэффициенты подачи первичного и вторичного воздуха. Концентрация оксидов азота в дымовых газах определялась по пробам, отобранным за конвективным пароперегревателем.

Серия опытов была проведена на номинальной нагрузке при практически неизменных температурах холодного и горячего воздуха и почти постоянном общем избытке воздуха. Изменялись только распределение воздуха между первичным и вторичным составляющими и, как следствие, доля первичного воздуха, а также разность скоростей (и^ - и>1). Обработка результатов опытов показала, что зависимость образования топливных оксидов азота от аэродинамических параметров для прямоточных горелок с фиксированными размерами выходных сечений может быть с достаточной точностью учтена безразмерным коэффициентом 4аэо = Смо2 / (сКо2)о = 1,240^ + 0,06 (и>2 - и^) - 0,14.

При внедрении технологических методов подавления оксидов азота на действующих котлах предпочтительнее в первую очередь использовать методы, не требующие капитальных затрат. Одним из таких методов, как и в случае сжигания природного газа, является нестехиометрическое сжигание. Впервые этот метод был исследован автором на котлах среднего давления JIM3-50 и J1M3-150, установленных на Тверской (тогда - Калининской) ТЭЦ-1. При совместном сжигании торфа и природного газа концентрация оксидов азота в дымовых газах за котлами была снижена с 450 до 230 мг/м3 на первом и с 530 до 255 мг/м3 на втором котлах. Через все щелевые горелки, расположенные в один ярус на фронтовом экране, подавали одинаковое количество вторичного воздуха и аэросмеси из молотковых мельниц. При этом природный газ подавался неравномерно (на втором котле газ подавался только на часть горелок). В резуль-4 тате этого было обеспечено чередование горелок с недостатком и с избытком

воздуха, что и привело к снижению эмиссии NOx.

При сжигании только твердого топлива метод нестехиометрического сжига-• ния был исследован на котле ТП-109 (блок 200 МВт Кураховской ГРЭС). Ре-

зультаты опытов показали, что снижение концентрации оксидов азота удалось обеспечить как за счет перераспределения воздуха по ярусам горелок при сохранении одинаковых расходов воздуха (рис. 8), так и в результате изменения числа оборотов пылепитателей, подающих топливо к верхним и нижним горелкам при равномерном распределении воздуха по ярусам (рис. 9).

ABC N•208 МВт, О» 1,15,

Рис. 8. Влияние перераспределения воздуха по ярусам на концентрацию NOx

низ 750-МО 430-550

Обороты пылмттаптй

Рис. 9. Влияние перераспределения топлива по ярусам горелок на концентрацию Ж)х

В тех случаях, когда нестехиометрическое сжигание применить невозможно или когда этот метод не обеспечивает требуемого снижения выбросов NOx, для решения проблемы оксидов азота можно воспользоваться одним из вариантов ступенчатого сжигания. Возможные варианты ступенчатого ввода воздуха и топлива для пылеугольных котлов показаны на рис. 10.

а б *

Рис. 10. Различные схемы ступенчатого сжигания для снижения выбросов оксидов азота на пылеугольных котлах: а - двухступенчатое сжигание; б- трехступенчатое сжигание; в - концентрическое сжигание

Схема, представленная на рис. 10а, была внедрена и испытана на котле БКЗ-220-100 Ф при сжигании каменного угля с высоким выходом летучих. Результаты опытов, проведенных после реконструкции, показали, что двухступенчатое сжигание в сочетании с подачей пыли высокой концентрации существенно снизили содержание Ж)х во всем диапазоне проверенных нагрузок. При номинальной нагрузке (220 т/ч) и эксплуатационном избытке воздуха (ат=1,2-1,3) концентрация Ж>х снизилась до 300-350 мг/мэ, в то время, как до реконструкции (при подаче всего воздуха в основные горелки) она составляла 700 мг/м .

На котлах СКД при сжигании высокосернистых углей применение схемы двухступенчатого сжигания может привести к высокотемпературной коррозии экранов нижней радиационной части (НРЧ). При сжигании малореакционных углей типа АШ, Т или СС двухступенчатое сжигание резко увеличивает содержание горючих в уносе, снижая тем самым КПД котла. В таких случаях целесообразно использовать схему трехступенчатого сжигания (рис. 106). Эта схема предполагает сжигание 80-85% топлива с обычным избытком воздуха (а=1,05-1,10) и создание восстановительной зоны выше основной зоны горения за счет ввода оставшихся 15-20% топлива с недостатком окислителя. При этом в верхнюю часть топки подается третичный воздух, необходимый для догорания продуктов неполного сгорания из восстановительной зоны. Эта схема, в разработке которой активное участие принимал автор, была опробована на котле ТП-92

Дорогобужской ГРЭС. Этот котел имел номинальную паропроизводительность 500 т/ч при параметрах пара 13,8 МПа, 545/560°С. Пылесистема котла включает прямое вдувание с шестью среднеходными мельницами типа МВС-140А. Топочная камера разделена на 2 половины двусветным экраном; каждая полутопка имеет 4 блока прямоточных горелок, расположенных вблизи углов топочной камеры. Особенностью топки является высокое тепловое напряжение топочного объема (174,5 кВт/м3) и низкое расположение ширмового пароперегревателя (нижний срез ширм на отметке 24 м).

Каждый блок горелок до реконструкции состоял из трех сопл аэросмеси и чередующихся с ними по высоте четырех сопл вторичного воздуха. Все сопла были наклонены вниз на 15°, а в сопла вторичного воздуха встроены газо-раздающие сопла.

Анализ существующей конструкции топочного устройства показал, что в случае размещения дополнительного яруса горелок выше зоны активного горения и установки сопл третичного воздуха не удается выдержать рекомендуемые времена пребывания топлива в восстановительной зоне (400 мс) и в зоне дожигания до ширм (600 мс). Кроме того, объем реконструкции пылесистемы и топочной камеры оказался слишком большим. Все это предопределило выбор упрощенной схемы трехступенчатого сжигания для снижения выбросов NOx в атмосферу при минимальных затратах на реконструкцию.

Анализ результатов опытов, проведенных на котле ТП-92 после реконструкции, показал, что надежность пароперегревателя и технико-экономические показатели котла не ухудшились. В опытах с открытыми шиберами третичного воздуха (т.е. при реализации схемы упрощенного трехступенчатого сжигания) концентрация NOx в дымовых газах за котлом снижалась на 21-22% по сравнению с опытами, в которых весь воздух подавался в основные горелки. Несколько опытов было проведено при подаче в верхние (реконструированные горелки) природного газа. В этом случае открытие шиберов третичного воздуха снижало концентрацию NOx до 540 мг/м3 (на 38%), т.е. более чем в 1,5 раза.

В опытах на номинальной нагрузке, но при сжигании только природного газа ♦ как в верхних, так и в нижних горелках эффект от внедрения новой схемы сжи-

гания был еще более заметным: при закрытых шиберах третичного воздуха концентрация NOx составляла 300 мг/м3 (в сухой пробе газов, в пересчете на NO2 и " а=1,4), a при полностью открытых шиберах - только 120 мг/м3.

На рис. 10в представлена концентрическая схема сжигания, не требующая установки дополнительного яруса горелок. В этой схеме восстановительная зона формируется в центральной части топки (вдали от топочных экранов), что позволяет избавиться от таких побочных явлений, как шлакование топочных экранов или их высокотемпературная коррозия.

Восстановительная зона в этой схеме обеспечивается изменением конструкции прямоточных горелок, установленных вблизи углов топочной камеры. На рис. 11 показан один из вариантов такой горелки, установленный на котле ТП-85 Иркутской ТЭЦ-9. Верхнее сопло вторичного воздуха в этой горелке может отклоняться от оси горелки на угол р. В результате этого в центре топки образу-

ется зона, обогащенная топливом, а вблизи экранов - среда, обогащенная воздухом. Ступенчатость по горизонтали дает почти такой же эффект, как и ступенчатость по вертикали. На котле ТП-85 ИТЭЦ-9 при сжигании бурого угля концентрация оксидов азота снизилась (при номинальной нагрузке) от 1100 до 650-700 мг/м3.

Б-Б

Рис. 11. Прямоточная пылеугольная горелка конструкции ВТИ-ЦКБ Энергоремонт для организации концентрического сжигания. 1- аэросмесь; 2 - верхнее поворотное сопло вторичного воздуха; 3 - поворотная заслонка дня регулирования расхода нижнего потока вторичного воздуха.

В пятой главе диссгртации рассмотрены концептуальные основы применения интеллектуальных систем для управления и оптимизации технологических процессов в энергетике.

Надежная, безопасная и экономичная работа энергоблоков и энергетических систем требует решения сложных задач планирования, прогнозирования, мониторинга, анализа и управления. Сочетание возрастающего энергопотребления и задержки по различным причинам расширения существующих сетей передачи электроэнергии, а также физический и моральный износ теплоэнергетического оборудования и сетей приводят к тому, что энергосистемы в настоящее время эксплуатируются на пределе своих возможностей. Это требует более тщательного отношения к выбору оптимального режима эксплуатации энергоблоков и эффективного управления энергосистемой, которое возможно только при более детальном, чем обычно, мониторинге системы и более обоснованном выборе управленческих и оперативных решений, особенно в переходных режимах и экстремальных (аварийных) ситуациях.

Поведение энергосистем в рабочих условиях является сильно нелинейным, а мониторинг и контроль энергосистем включают несколько сотен переменных. Это приводит к тому, что энергопотребление и динамические нагрузки не поддаются надежному анализу и моделированию традиционными методами и тех-

(

I

нологиями. Традиционные технологии можно успешно применять только в том случае, если возможно построить строгие математические модели задачи или создать надежную экспертную систему. Однако в большинстве случаев задачи, встречающиеся в энергетике, не удовлетворяют этим двум условиям. Это приводит к необходимости внедрения новых прогрессивных технологий в управлении энергосистемами. Наиболее быстро развивающимися и весьма перспективными являются системы с применением технологий искусственного интеллекта. Такие новые технологии получили достаточно широкое распространение в промышленно развитых странах и показали свою высокую эффективность. Сейчас ни одна серьезная финансовая и промышленная фирма не обходится без использования в своей работе технологий и систем искусственного интеллекта.

Система искусственного интеллекта автоматизирует процедуры формирования образов (моделей, описаний) изменяющихся объектов внешней среды, создает условия для уточнения и окончательного принятия решения человеком-оператором, не предъявляя при этом к нему повышенных требований, а лишь дополняя его частные интеллектуальные функции до функций обобщенной системы в изменившихся условиях данной среды.

Интеллектуальная система (ИС) может состоять из многих компонентов, обладающих элементами искусственного интеллекта. В пределе каждое техническое или программное средство ИС может рассматриваться как интеллектуальное средство, имеющее свои реагирующую и замыкающую части. Назначение последней — обеспечение устойчивого развития не только данного средства в отдельности, но и системы в целом по отношению к изменениям внешней и внутренней среды.

Технологии искусственного интеллекта (ИИ) включают в себя нейронные сети (НС), экспертные системы (ЭС), нечеткую логику (НЛ), генетические алгоритмы (ГА) и др. Лежащие в их основе идеи существенно отличаются от общепринятых методов вычислений, имитируя либо «человеческие» пути решения проблем, либо «природное, генетическое» развитие процессов. Например, нейронные сети обладают способностью к обучению, экспертные системы при* нимают решения на основе наборов правил и опыта экспертов, а системы с нечеткой логикой оперируют такими понятиями, как неопределенность и частичная/приблизительная истина.

Обычно для тепловых электростанций доступная информация для моделирования технологических процессов, включая горение топлива и выбросы оксидов азота, является неполной. Поэтому возникает необходимость применения различных моделей для анализа таких процессов, которые могут быть классифицированы на следующие группы: «белые», «черные» и «серые ящики».

В моделях, использующих вычислительную гидродинамику, подробно рассматривается физический характер протекания процесса (термодинамика, гидродинамика и химические реакции образования N0*). Так как теоретическая основа для таких моделей является прозрачной, основанной на известных физических и химических законах и свойствах, такие методы моделирования могут быть классифицированы как методы «белого ящика». Получающиеся трех-

мерные конечноэлементные модели могут дать точные описания всего процесса горения и соответственно механизма образования оксидов азота. Однако такие модели являются сложными в разработке и предъявляют повышенные требования к вычислительным ресурсам. В то же время модели «белого ящика» не являются подходящими для анализа динамических процессов в реальном масштабе времени.

Модели «черного ящика» основаны на наличии экспериментальных или оперативных эксплуатационных данных и не требуют никакой априорной информации. Они широко используются в промышленности и включают обычно модели статических искусственных нейронных сетей и различные системы идентификации. Модели «черного ящика» достаточно хорошо изучены и просты для работы в реальном масштабе времени. С другой стороны, такие модели должны регулярно обновляться с изменением эксплуатационных параметров и внешних условий.

На начальных стадиях исследований по моделированию выбросов вредных веществ от ТЭС обычно использовались модели «белого ящика» и «черного ящика». Впоследствии стало очевидным, что такие модели не подходят для оперативного контроля за выбросами оксидов азота.

На тепловых электростанциях имеется много входных эксплуатационных параметров, которые должны отображаться в конечном итоге в один единственный выходной параметр — величину выброса ЫОх. Такое отображение описывается многими, обычно сильно нелинейными уравнениями, зависящими от времени. Некоторые, но не все уравнения и связи известны, а кроме этого имеются данные по эксплуатации действующей установки. В то же время модели вычислительной гидродинамики («белые ящики») не используют эксплуатационные данные, а статические нейронные сети («черные ящики») не используют известные основные закономерности, содержащиеся в уравнениях. Таким образом, возникает необходимость разработки новой технологии моделирования, основанной на принципах «серого ящика», которая объединяет преимущества как «белого», так и «черного ящиков».

Модель «серого ящика» в отличие от «белого» или «черного ящика» является сбалансированной системой, которая использует как априорное знание механизма образования оксидов азота (физическое моделирование), так и опытные (апостериорные) данные, полученные из анализа экспериментальных и эксплуатационных данных (идентификация системы). Модели «серого ящика» по своей сущности являются компромиссом между сложностью модели «белого ящика» и возможностями по прогнозированию «черного ящика» и поэтому служат основой для создания интеллектуальных систем.

Шестая глава диссертации посвящена анализу основных характеристик и функциональных свойств технологий искусственного интеллекта с целью обоснованного выбора наиболее приемлемой технологии для контроля и управления процессом горения в котельных установках. Рассмотрены самые перспективные технологии искусственного интеллекта: нейронные сети, генетические алгоритмы, нечеткая логика и гибридные системы. Проведенный анализ этих

технологий показал, что на начальном этапе внедрения интеллектуальных систем управления и оптимизации топочных процессов наиболее предпочтительными являются рекуррентные динамические нейронные сети.

В седьмой главе изложены результаты разработки интеллектуальной системы для оптимизации процесса горения и снижения выбросов оксидов азота, основанной на технологии рекуррентных динамических нейронных сетей и методологии непрерывного мониторинга пламени.

Надежный и непосредственный мониторинг пламени в горелках котла играет важную роль в системе контроля за вредными выбросами и оптимизации процесса горения. Существующие системы мониторинга ограничены главным образом анализом наличия пламени. Однако широкое применение низкокачественного топлива вызвало проблему нестабильности пламени, часто приводящей к неэффективному сгоранию топлива, повышенным выбросам загрязняющих веществ и другим проблемам эксплуатации. Таким образом, для соблюдения жестких стандартов по охране окружающей среды и обеспечения эффективности процесса горения становится весьма важной задачей разработка системы всестороннего и постоянного мониторинга пламени в котельных установках.

Пламя является центральной зоной химических реакций процесса горения, а его геометрические, световые и термодинамические характеристики дают мгновенную информацию о качестве и мощности процесса горения. Таким образом, визуализация и определение параметров пламени являются необходимым условием для достижения всестороннего понимания и последовательной оптимизации процесса горения.

Система с использованием новых оптических датчиков и усовершенствованной технологии обработки цифровых изображений дает возможность определения в режиме реального времени многих физических параметров пламени, включая температуру и область воспламенения, угол распространения, яркость, неоднородность, мерцание, температурное поле. Эти параметры дают полную мгновенную количественную информацию о физических характеристиках пламени, позволяющую регулировать процесс горения.

Параметры пламени изменяются в зависимости от типа котла и эксплуатационных условий. Корневая область пламени является зоной основных реакций горения и для анализа этой области вводятся определенные параметры пламени. Физические характеристики пламени могут быть описаны геометрическими (размер, форма и местоположение), световыми (яркость и неоднородность) и термодинамическими (мерцание и температура) параметрами.

Цифровые видеокамеры относятся к одним из наиболее динамично развивающихся в настоящее время устройств получения и обработки изображения пламени, которые могут быть использованы при разработке систем управления процессом горения в котлах. В основе видеокамер лежит фоточувствительный элемент на основе приборов с зарядовой связью Charge Coupled Device (CCD). Изображение через оптическую систему линз и цветных фильтров фиксируется на CCD-матрице, в которой сила света преобразуется в электронные импульсы, а те в свою очередь — в цифровые данные. Таким образом, приборы с зарядо-

вой связью — это миниатюрные кристаллы, которые действуют как фотометр для измерения поступающего света и с помощью аналого-цифрового преобразователя переводят измеренное аналоговое напряжение в цифровую форму.

Формирование высококачественных исходных видеоданных является одним из необходимых условий для их эффективной обработки с целью получения достоверной информации, которая служит основой для дальнейшей обработки и принятия решений. Учитывая важность задачи формирования исходных данных, для ее решения было использовано программное приложение Image Acquisition Toolbox (IAT), входящее в состав системы инженерных и научных расчетов MATLAB. Приложение IAT позволяет непосредственно подключать, настраивать и управлять оборудованием, просматривать отдельные изображения и потоковое видео непосредственно в MATLAB с возможностью их дальнейшего анализа и обработки. Приложение IAT позволяет работать с компьютерными платами видеозахвата и цифровыми видеокамерами с интерфейсами USB и IEEE 1394 (FireWire) и включает в себя адаптеры, которые поддерживают различные устройства захвата изображений. Адаптер представляет собой программное обеспечение приложения, которое используется для связи с устройствами захвата изображений через их драйверы. Типичное устройство захвата изображений состоит из видеокамеры, соединенной с компьютером через плату и высокоскоростной шины обмена данными USB или IEEE 1394 (FireWire).

Для дальнейшего анализа и обработки полученных изображений было использовано приложение для цифровой обработки изображений Image Processing Toolbox (IPT), также входящее в систему MATLAB. В приложении IPT имеются мощные средства для обработки изображений. Они имеют открытую архитектуру и позволяют организовывать взаимодействие с аппаратурой цифровой обработки сигналов, а также подключать стандартные драйверы.

В цифровой обработке используют растровые изображения, которые разделяются на следующие типы: бинарные, полутоновые, палитровые и полноцветные. Человеческий глаз воспринимает окружающий полноцветный мир с помощью трех типов цветочувствительных элементов, называемых колбочками. Эти элементы чувствительны к излучению трех цветов: красного (Red), зеленого (Green) и голубого (Blue). Все цвета, которые может видеть человек, представляются в виде их сочетания. Система координат, основанная на этих цветах, называется системой RGB, которая реализует аддитивный процесс цветос-мешения. В этом процессе конкретный цвет формируется путем смешения различных пропорций координатных цветов, попадающих непосредственно в человеческий глаз без отражений. Такая система цветовых координат используется в электронно-лучевых трубках, применяемых в цветных телевизорах и компьютерных мониторах. Когда интенсивность всех составляющих координатных цветов минимальна, получается черный цвет, когда максимальна — белый. Если все составляющие имеют одинаковые значения, то получаем различные оттенки серого цвета. Таким образом, полноцветные изображения могут храниться в трехмерном массиве, фактически содержащем три матрицы. Каждая из них

содержит индексированные переменные со значением (от 0 до 255), соответствующим относительной яркости соответственно красного, зеленого и голубого цветов каждого пиксела. Полноцветное изображение не использует цветовую карту. В данном случае, цвет каждого пиксела будет представлен триплетом RGB.

Эксперименты по цифровому анализу пламени были проведены на котельной установке ЭТЭЦ ВТИ. Котел ПК-35-350-ГМ рассчитан на паропроизводи-тельность 35 т/ч и параметры острого пара: давление 350 кгс/см2 и температура 600 "С. Температура питательной воды на входе в котел - 104 "С, температура горячего воздуха 213 °С, температура уходящих газов - 122 °С. В нижней части топки на боковых стенах камеры вблизи углов установлены четыре газомазутные горелки. Горелки имеют тангенциальную компоновку с диаметром условной окружности в центре 500 мм.

С помощью цифровой видеокамеры производилась непрерывная (в течение 3—5 мин) съемка пламени горелки котла при различных режимах работы котельной установки (9 опытов). Для каждого режима проводились измерения концентрации оксидов азота и углерода в уходящих дымовых газах.

В соответствии с вышеизложенной методологией проведены идентификация и цифровой анализ пламени для каждого опыта. Такой анализ показал, что для каждого режима работы котла наблюдаются свои характерные цветовые параметры пламени, которые были подвергнуты компьютерной обработке и анализу с помощью приложения Image Processing Toolbox. Каждая элементарная область изображения пламени (пиксел) была описана тремя цифрами (красной, зеленой и голубой компонентами) с интенсивностью от 0 до 255.

Автором предложена интеллектуальная система наблюдения за пламенем горелки и управления процессом горения, основанная на комбинации технологии нейронных сетей и методологии цифровой обработки изображений пламени.

Принципиальная схема такой интеллектуальной системы показана на рис. 12. Геометрические и световые параметры пламени рассчитываются для определенной цветовой области изображения в динамическом режиме. Нейронная сеть, использующая эти параметры, дает возможность идентификации пламени по всему диапазону расходов воздуха и топлива. В применяемых алгоритмах управления используются выходные сигналы нейронной сети, эффективно осуществляющие замкнутый контроль (с обратной связью) состояния пламени и регулирование воздушных или топливных клапанов.

Такой контролируемый процесс горения путем интеллектуального мониторинга пламени позволяет надежно эксплуатировать котлы с пониженным уровнем избыточного воздуха, что приводит к повышению эффективности энергетической установки, уменьшению расхода топлива и снижению выбросов оксидов азота.

В результате анализа различных технологий искусственного интеллекта для управления процессом горения была выбрана наиболее перспективная архитектура рекуррентной динамической нейронной сети, основанная на многоагент-ной системе.

Компьютер

Рис. 12. Схема мониторинга пламени и системы управления процессом горения

Модуль принятия решений, способный посредством взаимодействия с внешней средой и анализа оценочной функции корректировать стратегию принятия решений, принято называть агентом. Таким образом, агент - это самостоятельная программная система, имеющая возможность принимать воздействие из внешней среды, определять свою реакцию на это воздействие и осуществлять эту реакцию. Под интеллектуальным агентом будем понимать агента, который обладает рядом знаний о себе и окружающем мире и его поведение определяется этими знаниями. Следует заметить, что в качестве источника информации агент может использовать информацию, полученную от другого агента. Системы, в которых предусмотрено взаимодействие нескольких агентов, называют многоагентными.

Таким образом, задачей агента является нахождение оптимальной или допустимой (удовлетворительной) стратегии принятия решений. Интеллектуальный агент при этом должен поддерживать как минимум несколько путей обучения (приобретения опыта) и уметь адаптировать накопленный опыт к изменениям в окружающей среде.

В большинстве случаев неполнота и недостоверность информации о текущем состоянии окружающей среды вызвана в основном отсутствием или ошибочной работой датчиков (сенсоров). Поэтому для обучения агента будем использовать технологию так называемого подкрепленного (усиленного) обучения RL (Reinforcement Learning), активно используемую для обучения систем принятия решений посредством выявления имеющихся закономерностей на основе анализа предыстории процесса. Одно из основных достоинств RL-алгоритма - ориентация на режим реального времени и эффективность в случае недетерминированных проблемных областей.

Доступной при эксплуатации ТЭС является только общая информация о процессе горения, например общее количество приточного воздуха и топлива, величины выбросов N0*, и в то же время отсутствует более детальная информация, например, о соотношении воздуха и топлива для каждой горелки. Поэтому для получения большей информации о распределении топлива и воздуха по отдельным горелкам и состоянии пламени следует установить специальные системы видеокамер, ведущих наблюдение за каждым пламенем горелок. Получаемые данные должны использоваться для управления процессом горения. На рис. 13 показана схема получения визуальных характеристик, описывающих процесс горения для шести горелок котла, расположенных на 3-х уровнях 10,20 и 30. Вначале происходит фильтрация видеопотоков от каждой камеры по отрезкам времени, а затем вычисляются необходимые величины, представляющие интенсивность, форму и положение пламени. Для уменьшения большого количества данных, описывающих характеристики пламени, проводится корреляционный анализ визуальных характеристик и нескольких важных параметров процесса горения, например величины выхода ТЧОх и 02 и температура выходящих газов.

ГП I I ! I I I I I I I IГР

В«ктар арактармстшс

Рис. 13. Получение визуальных характеристик, описывающих процесс горения.

Следует иметь в виду, что 12 параметров управления влияют только на полное количество воздуха и его распределение между 6 горелками, но не изменяют ни количество, ни распределение поступающего топлива. Для уменьшения огромного числа возможных действий были использованы относительные величины вместо абсолютных значений управляющих параметров. Это означает, что определяются только три действия для каждого процесса управления: увеличение на 1 %, сохранение без изменения и уменьшение на 1 % (использование абсолютных значений параметров управления только с 10 дискретными шагами для каждого параметра дало бы полное пространство, включающее 1012

различных возможных действий!). Несмотря на использование относительных величин параметров управления, система все равно имеет дело с огромным пространством действий, достигающим сотни тысяч вариантов. Из-за такого огромного объема пространства действий (12 независимых переменных управления) в сочетании с очень большим пространством состояний процесса, полный анализ всех пар «действий-состояний»занимал бы очень много времени и поэтому неприменим для решения поставленной задачи управления. В связи с этим рассмотрена система из нескольких агентов, каждый из которых ведет наблюдение только в соответствующем подмножестве пространства состояний и использует только подмножество доступных средств управления. На рис. 14 показана декомпозиция системы на 4 агента со своими входами (средние интенсивности изображений пламени) и соответствующими средствами управления.

Вектор характеристик

Рис. 14. Декомпозиция задачи управления на 4 агента со своими входами и соответствующими средствами управления.

Агенты LIO, L20 и L30 наблюдают только отношения интенсивности левого и правого пламени на всех уровнях и управляют распределением воздуха на соответствующем уровне горелки (3 переменные управления для каждого). Агент 02 наблюдает интенсивности пламени всех горелок и суммарного отношения приточного воздуха и угля (X). Этот агент контролирует также общее количество потребляемого воздуха для каждого уровня (3 переменные управления).

Принципиальная схема архитектуры нейронной сети для отдельного агента показана на рис. 15. На вход нейронной сети (НС) подаются визуальные характеристики пламени горелок и значение параметра X. В самой нейронной сети производится анализ полученных данных и на основе самообучения системы

вырабатываются соответствующие управляющие решения и действия для приведения процесса горения в оптимальный режим (см. рис. 16).

дискретное управление

А визуальные характеристики

пламени горелок

Рис. 15. Нейронная архитеетура управления процессом горения для отдельного агента с М.-алгоритмом

Рис. 16. Схема процедуры оптимизации процесса горения

Основной целью интеллектуальной системы является минимизация выбросов ЫОх при одновременном поддержании эффективности работы котла. Подобная оптимизация может производиться путем нзменвния-соотношения возрос НАЦИОНАЛЫ! ,>. , бибяяоткАа | СЛетарбург ■

о» но ш '

дух/топливо на горелках всех уровней котла для обеспечения соответствия нормативным экологическим требованиям с поддержкой при этом максимально возможной эффективности котла.

С использованием интеллектуальной системы достигается оптимальный режим горения (оптимальное соотношение воздух-топливо) из любого исходного стартового состояния. На диаграмме (см. рис. 16) показана процедура оптимизации процесса горения, основанная на изменении соотношения между подаваемым воздухом и количеством топлива. При этом концентрация Ж>х в дымовых газах всегда минимизируется, концентрация СО не переходит установленный допустимый предел, а общее количество подаваемого воздуха также минимизируется. В оптимальном режиме горения при минимизации уровня выбросов Г"ГОх и СО будет обеспечена максимизация эффективности (КПД) горения. Поддержание в котельных установках оптимального соотношения воздух/топливо имеет принципиальное значение при использовании низкосортного угля с изменяющимся во время эксплуатации качеством (составом).

Анализ результатов опытно-промышленных испытаний на зарубежных ТЭС интеллектуальных систем даже с достаточно простой архитектурой нейронных сетей показал, что только за счет оптимизации процесса горения происходит повышение эффективности (КПД) котла на 1-2%, снижение выбросов оксидов азота на 20-30% и уменьшение потребления топлива до 5%. Возможно дальнейшее усовершенствование интеллектуальных систем управления процессом горения на основе более мощных нейронных аппроксимирующих схем и совместного применения других технологий искусственного интеллекта (генетических алгоритмов и нечеткой логики) для более эффективного поддержания оптимальных режимов горения.

Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что крайне необходимо применение интеллектуальных систем для управления процессом горения на отечественных ТЭС, так как это может привести к повышению эффективности работы котельных установок и снижению вредных выбросов.

ВЫВОДЫ

1. Проведен комплексный анализ вредного воздействия ТЭС на окружающую природную среду, выявлены основные направления и способы его снижения, обоснована необходимость разработки и применения систем оперативного управления процессом горения с целью повышения экономичности котельных установок и уменьшения образования токсичных веществ.

2. Выполнен теоретический анализ закономерностей процесса горения газового, жидкого и твердого топлив и механизма образования оксидов азота в продуктах сгорания. На основе такого анализа закономерностей образования и разложения оксидов азота при горении топлива сформулированы способы организации топочного процесса в котлах для снижения выбросов оксидов азота путем изменения режимно-технологических параметров процесса горения и кон-

структивных характеристик топочно-горелочных устройств: увеличение геометрических размеров поперечного сечения топочной камеры и числа ярусов горелок, увеличения расстояния между ярусами, установки двухсветных экранов, снижение температуры подогрева воздуха на горение и др.

3. Разработана упрощенная методика расчета мощности выбросов диоксида азота (МЬОь г/с) по результатам измеренных концентраций NOx и 02 в дымовых газах. На основе расчетов составлена номограмма для практического использования методики операторами и наладчиками котельных установок.

4. При проведении промышленных исследований на действующих котельных установках выявлены основные условия и параметры топочного процесса, определяющие интенсивность образования как воздушных, так и топливных оксидов азота. Определяющими факторами при этом являются повышение температуры и увеличение содержания кислорода в ядре горения. Выявлено существенное влияние на выбросы оксидов азота как конструкции горелок (прямоточная или вихревая формы факела), так и места ввода даже небольшой части воздуха. При подаче этого воздуха выше основных горелок заметно снижается концентрация NOx-

5. Разработаны и внедрены на крупных котлах технологические методы подавления оксидов азота, позволяющие без существенных затрат снизить выбросы оксидов азота в атмосферу. Упрощенная схема рециркуляции (без использования дымососа) за счет разницы давлений в напорном газоходе за дымососом и на всасе перед дутьевым вентилятором, а также нестехиометрическое сжигание на угольных котлах, осуществляемое как за счет перераспределения воздуха по ярусам горелок, так и путем изменения числа оборотов пылепитателей, подающих топливо к разным ярусам горелок, были впервые внедрены на промышленных котельных установках.

6. Полномасштабные исследования параметров газомазутных и пылеуголь-ных котлов до и после внедрения технологических методов подавления оксидов азота позволили оценить влияние разработанных методов на технико-экономические показатели котельных установок.

7. Разработана и апробирована в реальных условиях на котельной установке методология цифровой обработки изображения пламени горелок. Для цифровой обработки изображений пламени в полноцветном формате RGB, полученных с помощью цифровой видеокамеры, было использовано приложение Image Processing Toolbox, входящее в систему инженерных и научных расчетов MATLAB.

8. Проведен всесторонний анализ технологий искусственного интеллекта (нейронные сети, генетические алгоритмы, нечеткая логика, гибридные системы) с целью выявления наиболее приемлемой технологии для использования в интеллектуальной системе контроля и управления процессом горения. В результате такого анализа была выбрана архитектура рекуррентной динамической нейронной сети.

9. Разработаны концептуальные основы интеллектуальной системы контроля и управления процессом горения в горелках котла, основанной на комбина-

ции нейронных сетей и цифровой обработки изображения пламени. Ввиду огромного числа визуальных характеристик пламени всех горелок котла была выбрана многоагентная система на основе нейронных сетей и с использованием технологии усиленного обучения (алгоритма 11Ь).

10. Исследованы способы управления процессом горения путем непрерывного поддержания с помощью интеллектуальной системы оптимального соотношения между поступающим в горелку котла воздухом и топливом при различных эксплуатационных режимах и изменяющимся качественном составе топлива. Анализ результатов опытно-промышленных испытаний на зарубежных ТЭС интеллектуальных систем даже с простой архитектурой нейронных сетей показал, что только за счет оптимизации процесса горения происходит повышение эффективности (КПД) котла на 1-2%, снижение выбросов оксидов азота на 20-30% и уменьшение потребления топлива до 5%. Это указывает на необходимость скорейшего внедрения интеллектуальных систем для управления процессом горения на отечественных ТЭС.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Снижение выбросов оксидов азота при сжигании газа в котле ДЕ-25-14ГМ / Котлер В. Р., Беликов С. Е., Кругляк Е. Д. и др. // Промышленная энергетика. -

1993.-№1,-С. 29-32.

2. Снижение выбросов оксидов азота с помощью режимных мероприятий / Котлер В. Р., Беликов С. Е., Ильин А. В. и др. // Промышленная энергетика. -

1994.-№7.-С. 63-67.

3. Упрощенная схема рециркуляции дымовых газов как средство сокращения выбросов оксидов азота / Котлер В. Р., Кругляк Е. Д., Беликов С. Е. и др. // Энергетик,- 1995.-№1,-С. 16-18.

4. Котлер В. Р., Беликов С. Е. Малые котлы и защита атмосферы от оксидов азота // Мировая электроэнергетика. - 1995. - №4. - С. 21-23.

5. Беликов С. Е., Котлер В. Р. Малые котлы и защита атмосферы. - М.: Энергоатомиздат, 1996. - 128 с.

6. Беликов С. Е., Котлер В. Р. Газомазутная горелка 11-11ВМ™ для промышленных и отопительных котлов - эффективное средство подавления выбросов оксидов азота // Промышленная энергетика. - 1998. - №4. - С. 37-40.

7. Котлер В. Р., Беликов С. Е. Экологические характеристики отопительных и промышленных котлов малой мощности // Теплоэнергетика. - 1998. - №6. -С. 38-42.

8. Беликов С. Е., Котлер В. Р. Оценка мощности выбросов оксидов азота на промышленных и отопительных котлах // Известия Академии Промышленной Экологии. - 1998. - №4. - С. 43-47.

9. Беликов С. Е., Котлер В. Р. Расчет выбросов оксидов азота при сжигании природного газа в промышленных и отопительных котлах // Промышленная энергетика. - 1999. - №2. - С. 42-48.

10. Котлер В. Р., Беликов С. Е. Экологические проблемы промышленно-отопительиых котлов, работающих на природном газе // Теплоэнергетика. -1999.-№8.-С. 37-42.

11. Беликов С. Е., Котлер В. Р. Сравнительные экологические характеристики промышленно-отопительных котлов с инжекционными и напорными горелками // Промышленная энергетика. - 1999. - №5. - С. 44 - 47.

12. Kotler V. R., Belikov S. Е. The environmental characteristics of small-scale heating and industrial boilers // Thermal Engineering. - 1998. - Vol. 45. - N. 6. -P. 481 -486.

13. Kotler V. R., Belikov S. E. Environmental problems of industrial-heating boilers operating on natural gas // Thermal Engineering. - 1999. - Vol. 46. - N. 8. -P. 656-661.

14. Котлер В. Р., Беликов С. Е. Промышленно-отопительные котельные: сжигание топлив и защита атмосферы. - СПб: Энерготех, 2001. - 272 с.

15. Беликов С. Е. Системы искусственного интеллекта в электроэнергетике // Энергосбережение и водоподготовка. - 2003. -№4. - С. 5-7.

16. Горелки для отопительных и промышленных котельных установок / Под ред. С. Е. Беликова . - М.: Издательский дом «Аква-Терм», 2003. - 552 с.

17. Беликов С. Е., Григорьев Д. Р. Экологические характеристики котла БКЗ-210-140 Ф после перевода его на сжигание газа // Известия Академии Промышленной Экологии. - 2003. - №4. - С. 52-55.

18. Беликов С. Е., Котлер В. Р. Снижение вредных выбросов в атмосферу от пылеугольных котлов промышленной ТЭЦ // Теплоэнергетика. - 2004. - №5.

19. Беликов С. Е. Повышение эффективности работы котлов при замене ин-жекционных горелок напорными // Промышленная энергетика. - 2004. - №3. -С. 4-6.

20. Беликов С. Е., Котлер В. Р. Нулевые выбросы в атмосферу // Теплоэнергетика. - 2004. - №1. - С. 69-72.

21. Беликов С. Е., Кормилицын В. И., Прохоров М. Б. Математическая модель процессов образования и трансформации оксидов азота и других вредных веществ в продуктах сгорания топлива // Известия Академии Промышленной Экологии. - 2004. - №2. - С. 45^7.

22. Котлер В. Р., Беликов С. Е., Верещетин В. А. Использование газа на тепловых электростанциях США и проблемы экологии // Электрические станции. -2004,-№4.-С. 66-68.

23. Беликов С. Е., Ибрагимов И. М. Применение нейронных сетей для повышения экологической безопасности тепловых электростанций // Известия Академии Промышленной Экологии. - 2004. - №1. - С. 50-56.

24. Беликов С. Е., Григорьев Д. Р. Режимно-наладочные испытания парового котла при сжигании природного газа // Промышленная энергетика. - 2004. -№6. - С. 20-22.

25. Беликов С. Е., Беляев А. Ф., Курочкин А. В. Влияние конструкции горелки на образование оксидов азота при сжигании природного газа // Промышленная энергетика. - 2004. - №10. - С. 56-60.

26. Курочкин А. В., Беляев А. Ф., Беликов С. Е. Уменьшение выбросов оксидов азота за счет режимных мероприятий при сжигании природного газа // Промышленная энергетика. - 2004. - №12. - С. 49-52.

27. Беликов С. Е., Котлер В. Р. Различные схемы ступенчатого сжигания как средство снижения выбросов оксидов азота // Известия Академии Промышленной Экологии. - 2005. - №1. - С. 57-59.

28. Беликов С. Е., Ибрагимов И. М. Методология интеллектуального мониторинга пламени в горелках котельных установок // Энергосбережение и водо-подготовка. - 2005. - №4. - С. 59-61.

29. Беликов С. Е., Штегман А. В. Снижение выбросов оксидов азота при сжигании каменного угля в энергетическом котле // Известия Академии Промышленной Экологии. - 2005. - №2. - С. 27-29.

30. Беликов С. Е., Котлер В. Р., Штегман А. В. Упрощенное трехступенчатое сжигание как средство снижения выбросов оксидов азота на угольных ТЭС // Энергосбережение и водоподготовка. - 2005. - №2. - С. 44-46.

31. Беликов С. Е., Котлер В. Р. Оценка эффективности ступенчатого сжигания природного газа // Энергосбережение и водоподготовка. - 2005. - №3. - С 62-64.

32. Беликов С. Е. Анализ закономерностей образования оксидов азота при построении математических моделей процесса горения топлива // Энергосбережение и водоподготовка. - 2005. - №5. - С. 48-51.

33. Беликов С. Е. Совершенствование способов управления процессом горения топлива // Энергосбережение и водоподготовка. - 2005. - №6. - С. 43-45.

34. Беликов С. Е. Снижение вредного воздействия ТЭС на окружающую среду путем оптимизации режимов эксплуатации и способов сжигания топлива // Сборник тезисов II Международного форума «Энергетика и экология» (Москва, 8-10 ноября 2005г.). - М.: 2005. - С. 18-19.

35. Беликов С. Е., Ибрагимов И. М. Цифровой анализ изображения пламени в горелках котла // Энергосбережение и водоподготовка. - 2006. - №1.

;¿Qogfl SGtô

36 U

Введение

Глава 1. Комплексный анализ вредного воздействия ТЭС на окружающую среду и пути его снижения

1.1. Анализ вредного влияния продуктов сгорания топлива на окружающую среду

1.2. Современные технологии сжигания оксидов азота в уходящих газах энергетических установок

1.3. Современные способы очистки дымовых газов от оксидов азота

Глава 2. Теоретический анализ процессов сжигания топлива и образования оксидов азота в продуктах сгорания

2.1. Анализ существующих представлений о механизме горения газового, жидкого и твердого топлив

2.2. Закономерности образования оксидов азота при сжигании органических топлив

2.3. Общие направления снижения образования оксидов азота

Глава 3. Разработка методов снижения выбросов оксидов азота при сжигании газомазутного топлива

3.1. Расчет мощности выбросов оксидов азота для котлов, работающих на газе

3.2. Исследование влияния технических решений и режимных параметров на снижение выбросов оксидов азота

3.3. Разработка технологических методов подавления оксидов азота

Глава 4. Закономерности образования и методы снижения выбросов оксидов азота при сжигании твердого топлива

4.1. Физико-химические процессы при образовании топливных оксидов азота в котлах тепловых электростанций

4.2. Исследование возможностей подавления оксидов азота за счет организации топочного процесса

4.3. Исследование технологических методов снижения выбросов оксидов азота при факельном сжигании различных углей

Глава 5. Концептуальные основы применения интеллектуальных систем для управления и оптимизации технологических процессов в энергетике

5.1. Принципы функционирования интеллектуальных систем

5.2. Использование технологий искусственного интеллекта в энергетике

Глава 6. Анализ основных характеристик и функциональных свойств технологий искусственного интеллекта

6.1. Нейронные сети

6.2. Генетические алгоритмы

6.3. Нечеткая логика

6.4. Гибридные системы

Глава 7. Разработка методов применения интеллектуальных систем для оптимизации процесса горения и снижения выбросов оксидов азота

7.1. Методология непрерывного цифрового анализа пламени

7.2. Результаты экспериментов по цифровому анализу пламени в горелках котла

7.3. Нейросетевая модель регулирования процесса горения и снижения выбросов оксидов азота

В настоящее время вопросы охраны окружающей природной среды выдвигаются на первый план среди общечеловеческих ценностей. От успешного решения этих вопросов зависит не только здоровье и благополучие нынешнего и будущего поколений людей, но и развитие цивилизации и существование самого человечества. Уже сейчас темп и масштабы антропогенного воздействия превышают адаптационные возможности биосферы и поэтому происходят необратимые процессы в природе, приводящие к экологическим катастрофам.

Актуальность решения изложенных в диссертации задач определяется тем, что одним из основных источников вредного воздействия на окружающую среду являются энергетические предприятия, а среди них доминирующую роль занимают тепловые электрические станции. Наиболее распространенными экологически опасными выбросами от ТЭС являются оксиды азота (>Юх), которые образуются при сжигании любого вида топлива. Количество образующихся и выбрасываемых в атмосферу ЫОх зависит от многих факторов: вида топлива, способов организации топочного процесса и очистки уходящих газов.

Определяющую роль в снижении выбросов оксидов азота играют режимно-технологические методы, направленные на подавление образования ЫОх в топках котла и включающие в себя ступенчатое сжигание, нестехиометрическое сжигание, рециркуляцию дымовых газов, впрыск влаги и др. Однако необходимо дальнейшее усовершенствование этих методов, которые позволяют обеспечить нормативные требования к выбросам ЫОх без существенных потерь в эффективности и надежности работы котельных установок на различных видах топлива.

Другим не менее важным способом снижения выбросов оксидов азота является оптимизация процесса горения. Эффективность горения определяется в основном соотношением воздуха и топлива, а также надлежащим распространением воздуха внутри котла. Поэтому выбор оптимального баланса между топливом и воздухом является определяющим фактором в отношении минимизации выбросов >Юх и повышении эффективности процесса горения. В случае котлоагрегатов с использованием пылеугольного топлива, особенно низкого качества, найти и поддерживать такой баланс традиционными способами очень сложно. Поэтому возникает необходимость создания интеллектуальных систем, основанных на технологиях искусственного интеллекта (нейронные сети, генетические алгоритмы и др.), которые позволяют проводить непрерывный мониторинг пламени и управлять процессом горения. Это дает возможность повысить эффективность котельной установки, уменьшить расход топлива и снизить выбросы оксидов азота.

Целью диссертационной работы является создание теоретических основ, комплексная разработка и экспериментальное обоснование методов снижения выбросов оксидов азота от ТЭС, отличающихся от аналогичных работ в этой области комплексным подходом, который включает решение двух задач: 1) усовершенствование и повышение эффективности традиционных режимно-технологических способов сжигания топлива; 2) оптимизация самого процесса горения путем применения современных интеллектуальных систем управления таким процессом.

Диссертационная работа состоит из семи глав.

В первой главе диссертации проведен комплексный анализ вредного воздействия ТЭС на окружающую среду и рассмотрены основные пути его снижения. Основное внимание обращено на оксиды азота, которые образуются при сжигании любого вида топлива и являются наиболее распространенными и экологически опасными выбросами от ТЭС. Изложены современные методы и технологии снижения оксидов азота в уходящих дымовых газах.

Вторая глава посвящена теоретическому анализу основных закономерностей процесса горения газового, жидкого и твердого топлив и образования оксидов азота в продуктах сгорания. Детально проанализированы закономерности образования оксидов азота при сжигании различных видов органических топлив, используемые при математическом моделировании процесса. Выбросы оксидов азота состоят в основном из моноксида азота N0, а также в меньших концентрациях содержат диоксид азота N02 и закись азота N20. В ламинарном пламени (на молекулярном уровне это можно отнести и к турбулентному пламени) образование оксидов азота является результатом четырёх отдельных химических процессов с разной кинетикой: термическое, «быстрое» и топливное окисления, а также процесс восстановления. Термическое окисление представляет собой окисление атмосферного азота, присутствующего в воздухе. «Быстрое» окисление - результат высокоскоростных реакций во фронте горения. Топливное окисление связано с атомами азота, входящими в состав топлива. В процессе восстановления общий выход окислов азота понижается за счёт реакции N0 с углеводородами. Для определения эмиссии оксидов азота рассмотрены уравнения переноса для концентрации монооксида азота (N0). Если источником азота является топливо, то вводится дополнительное уравнение переноса для промежуточных продуктов реакции (НСИ или >Щ3). Уравнения переноса для оксидов азота решаются, основываясь на заданном поле течения и математическом описании процесса горения, т. е. выход оксидов азота определяется, исходя из результатов детального расчета самого процесса горения.

В третьей главе приведены результаты разработки и исследования технических решений, реализующих полученные в предыдущей главе закономерности образования оксидов азота при сжигании топлива. Вначале было установлено, как влияют на эмиссию 1Ч0Х основные режимные параметры при нормальной эксплуатации газомазутных котлов. На последующих этапах исследовалось влияние конструктивного оформления горелочных устройств на эмиссию оксидов азота. С этой целью на одной из электростанций были проведены испытания трех котлов прмерно одинаковой паропроизводительности, с одинаковой форсировкой топочного объема, но с разными конструкциями горелок.

Четвертая глава посвящена исследованию закономерностей образования оксидов азота при сжигании твердого топлива, а также разработке методов снижения выбросов Ж>х на пылеугольных котлах. При факельном сжигании топлива использованы прямоточные или вихревые горелки, значительно отличающиеся характером смесеобразования в корне факела.

В пятой главе диссертации рассмотрены концептуальные основы применения интеллектуальных систем для управления и оптимизации технологических процессов в энергетике. Надежная, безопасная и экономичная работа энергоблоков и энергетических систем требует решения сложных задач планирования, прогнозирования, мониторинга, анализа и управления. Сочетание возрастающего энергопотребления и задержки по различным причинам расширения существующих сетей передачи электроэнергии, а также физический и моральный износ теплоэнергетического оборудования и сетей приводят к тому, что энергосистемы в настоящее время эксплуатируются на пределе своих возможностей. Это требует более тщательного отношения к выбору оптимального режима эксплуатации энергоблоков и эффективного управления энергосистемой, которое возможно только при более детальном, чем обычно, мониторинге системы и более обоснованном выборе управленческих и оперативных решений, особенно в переходных режимах и экстремальных (аварийных) ситуациях. Поведение энергосистем в рабочих условиях является сильно нелинейным, а мониторинг и контроль энергосистем включают несколько сотен переменных. Это приводит к тому, что энергопотребление и динамические нагрузки не поддаются надежному анализу и моделированию традиционными методами и технологиями. Традиционные технологии можно успешно применять только в том случае, если возможно построить строгие математические модели задачи или создать надежную экспертную систему. Однако в большинстве случаев задачи, встречающиеся в энергетике, не удовлетворяют этим двум условиям. Это приводит к необходимости внедрения новых прогрессивных технологий в управлении энергосистемами. Наиболее быстро развивающимися и весьма перспективными являются системы с применением технологий искусственного интеллекта. Такие новые технологии получили достаточно широкое распространение в промышленно развитых странах и показали свою высокую эффективность.

Шестая глава диссертации посвящена анализу основных характеристик и функциональных свойств технологий искусственного интеллекта с целью обоснованного выбора наиболее приемлемой технологии для контроля и управления процессом горения в котельных установках. Рассмотрены самые перспективные технологии искусственного интеллекта: нейронные сети, генетические алгоритмы, нечеткая логика и гибридные системы.

В седьмой главе изложены результаты разработки интеллектуальной системы для оптимизации процесса горения и снижения выбросов оксидов азота, основанной на технологии рекуррентных динамических нейронных сетей и методологии непрерывного мониторинга пламени.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем: проведен комплексный анализ закономерностей образования и разложения оксидов азота при построении математических моделей процесса горения топлива в котлах тепловых электростанций, который заключается в объединении механизмов образования термических, «быстрых» и топливных оксидов азота с учетом разложения образовавшегося N0 в микрообъемах с восстановительной средой; на базе проведенного анализа разработаны, исследованы и внедрены на действующих энергетических котлах новые методы организации топочного процесса, тормозящие скорость образования как термических, так и топливных оксидов азота, и одновременно интенсифицирующие восстановительные реакции, снижающие концентрацию Ж)х в дымовых газах; в процессе реализации новых методов организации топочного процесса выявлен характер изменения технико-экономических показателей котельных установок; проведено обоснование необходимости применения интеллектуальных систем для управления и оптимизации процесса горения низкосортных твердых топлив; выполнен анализ возможностей применения технологий искусственного интеллекта (нейронных сетей, генетических алгоритмов, нечеткой логики и др.) для использования в системах мониторинга и управления процессов горения; впервые в отечественной практике проведены мониторинг и цифровая обработка изображений пламени в горелках котла; разработаны концептуальные основы интеллектуальной системы контроля и управления процессом горения, основанной на комбинации технологии нейронных сетей и методологии цифровой обработки изображения пламени.

Во всех работах, проведенных на промышленных котлах действующих ТЭС, получены положительные результаты. Существенное снижеиие выбросов оксидов азота было достигнуто при минимальных затратах на реконструкцию и практически без снижения экономичности топочного процесса.

Успешная работа реконструированных котлов позволяет приступить к широкому внедрению проверенных технологических методов на всех электростанциях, на которых не обеспечиваются нормы ПДВ при полной нагрузке ТЭС или концентрация МОх в дымовых газах превышает нормативные требования.

Разработанные концептуальные основы применения интеллектуальных систем для управления процессом горения дают возможность начать создание и внедрение на отечественных ТЭС таких систем, которые дадут возможность повысить эффективность топочного процесса, снизить потребление топлива и выбросы оксидов азота в окружающую среду.

Диссертационная работа выполнена под общим научным руководством доктора технических наук, профессора Ибрагимова М. Х.-Г. Автор благодарит его за оказанную помощь и поддержку.

Ряд теоретических и экспериментальных исследований выполнен в соавторстве и при участии Котлера В. Р., Кругляка Е. Д., Ильина А. В., Григорьева Д. Р., Кормили-цына В. И., Прохорова М. Б., Ибрагимова И. М., Верещетина В. А., Курочкина А. В., Беляева А. Ф. и Штегмана А. В., которым автор выражает свою признательность.

Автор благодарит коллектив кафедры «Теплоэнергетические установки» МГОУ и членов Академии Промышленной Экологии за доброжелательное отношение и помощь при подготовке диссертационной работы к защите.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изложенные в диссертационной работе аналитические, методологические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы.

1. Проведен комплексный анализ вредного воздействия ТЭС на окружающую природную среду, выявлены основные направления и способы его снижения, обоснована необходимость разработки и применения систем оперативного управления процессом горения с целью повышения экономичности котельных установок и уменьшения образования токсичных веществ.

2. Выполнен теоретический анализ закономерностей процесса горения газового, жидкого и твердого топлив и механизма образования оксидов азота в продуктах сгорания. На основе такого анализа закономерностей образования и разложения оксидов азота при горении топлива сформулированы способы организации топочного процесса в котлах для снижения выбросов оксидов азота путем изменения режимно-технологических параметров процесса горения и конструктивных характеристик топочно-горелочных устройств: увеличение геометрических размеров поперечного сечения топочной камеры и числа ярусов горелок, увеличения расстояния между ярусами, установки двухсветных экранов, снижение температуры подогрева воздуха на горение и др.

3. Разработана упрощенная методика расчета мощности выбросов диоксида азота (Мм02, г/с) по результатам измеренных концентраций >Юх и 02 в дымовых газах. На основе расчетов составлена номограмма для практического использования методики операторами и наладчиками котельных установок.

4. При проведении промышленных исследований на действующих котельных установках выявлены основные условия и параметры топочного процесса, определяющие интенсивность образования как воздушных, так и топливных оксидов азота. Определяющими факторами при этом являются повышение температуры и увеличение содержания кислорода в ядре горения. Выявлено существенное влияние на выбросы оксидов азота как конструкции горелок (прямоточная или вихревая формы факела), так и места ввода даже небольшой части воздуха. При подаче этого воздуха выше основных горелок заметно снижается концентрация NOx.

5. Разработаны и внедрены на крупных котлах технологические методы подавления оксидов азота, позволяющие без существенных затрат снизить выбросы оксидов азота в атмосферу. Упрощенная схема рециркуляции (без использования дымососа) за счет разницы давлений в напорном газоходе за дымососом и на всасе перед дутьевым вентилятором, а также нестехиометрическое сжигание на угольных котлах, осуществляемое как за счет перераспределения воздуха по ярусам горелок, так и путем изменения числа оборотов пылепитателей, подающих топливо к разным ярусам горелок, были впервые внедрены на промышленных котельных установках.

6. Полномасштабные исследования параметров газомазутных и пылеугольных котлов до и после внедрения технологических методов подавления оксидов азота позволили оценить влияние разработанных методов на технико-экономические показатели котельных установок.

7. Разработана и апробирована в реальных условиях на котельной установке методология цифровой обработки изображения пламени горелок. Для цифровой обработки изображений пламени в полноцветном формате RGB, полученных с помощью цифровой видеокамеры, было использовано приложение Image Processing Toolbox, входящее в систему инженерных и научных расчетов MATLAB.

8. Проведен всесторонний анализ технологий искусственного интеллекта (нейронные сети, генетические алгоритмы, нечеткая логика, гибридные системы) с целью выявления наиболее приемлемой технологии для использования в интеллектуальной системе контроля и управления процессом горения. В результате такого анализа была выбрана архитектура рекуррентной динамической нейронной сети.

9. Разработаны концептуальные основы интеллектуальной системы контроля и управления процессом горения в горелках котла, основанной на комбинации нейронных сетей и цифровой обработки изображения пламени. Ввиду огромного числа визуальных характеристик пламени всех горелок котла была выбрана много-агентная система на основе нейронных сетей и с использованием технологии усиленного обучения (алгоритма ИД

10. Исследованы способы управления процессом горения путем непрерывного поддержания (с помощью интеллектуальной системы) оптимального соотношения между поступающими в котел воздухом и топливом при различных эксплуатационных режимах и качественном составе топлива. Анализ результатов опытно-промышленных испытаний на зарубежных ТЭС интеллектуальных систем даже с простой архитектурой нейронных сетей показал, что только за счет оптимизации процесса горения происходит повышение эффективности (КПД) котла на 1-2%, снижение выбросов оксидов азота на 20-30% и уменьшение потребления топлива до 5%. Это указывает на необходимость скорейшего внедрения интеллектуальных систем для управления процессом горения на отечественных ТЭС.

1. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и её окружение. -М.: Наука, 1965. -374 с.

2. Экологические аспекты устойчивого развития теплоэнергетики России (под общей редакцией Р. И. Вяхирева). М.: Издательский дом «Ноосфера», 2000.

3. Повышение экологической безопасности тепловых электростанций: Учебное пособие для ВУЗов. / А. И. Абрамов, Д. П. Елизаров, А. Н. Ремезов и др. Под ред. Н. С. Седлова. М.: Издательство МЭИ, 1998. - 336 с.

4. Кормилицын В.И. Экологические аспекты сжигания топлива в паровых котлах. М.: Издательство МЭИ, 1998. - 336 с.

5. Энерготехнологическое сжигание топлив / А. А. Дранченко, О. М. Коваленко, Е. М. Марченко, Б. Г. Тувальбаев. М.: Издательство МГОУ, 1993.

6. Энергетика и окружающая среда / Ф. В. Скалкин, А. А. Канаев, И. 3. Копп. -Л.: Энергоиздат, 1981. -280 с.

7. Израэль Ю. А. Экология и контроль состояния среды. М.: Гидрометиоиз-дат, 1984. - 560 с.

8. Ходаков Ю. С. Оксиды азота и теплоэнергетика. Проблемы и решения. -М.: ООО «Эст-М», 2001. -416 с.

9. Протасов В. Ф. Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России: Учебное и справочное пособие. М.: Финансы и статистика, 1999.

10. Беджер Г. М. Химические основы канцерогенной активности. М.: Медицина, 1966.-124 с.

11. Ахмедов Р. Б., Цирульников Л. М. Технология сжигания горючих газов и жидких топлив. Л.: Недра, 1984. - 238 с.

12. В. Р. Котлер. Оксиды азота в дымовых газах котлов. М.: Энергоатомиз-дат, 1987.

13. Еланский Н. Ф. Примеси в атмосфере континентальной России // Ежемесячный естественно-научный журнал РАН «Природа». 2002. - №2.

14. Носков А. С. и др. Воздействие ТЭС на окружающую среду и способы снижения наносимого ущерба / Ред. Матрос Ю. Ш. Новосибирск, 1990. - 177 с.

15. Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ / Пер. с англ. Г. JI. Агафонова. Под ред. П. А. Власова. М.: Физматлит, 2003. - 352 с.

16. Труды Второй международной научно-практической конференции «Экология в энергетике 2005». - М.: Издательство МЭИ, 2005». - 272 с.

17. Померанцев В. В. и др. Опытно-промышленный котел БКЗ-420-140-9 с низкотемпературной топкой ЛПИ // Энергомашиностроение. 1985. -№8.

18. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТУ. М.: Мир, 1986. - 566 с.

19. Канило П. М., Подгорный А. И., Христич В. А. Энергетические и экологические характеристики ГТУ при сжигании углеводородного топлива и водорода. -Киев: Научная мысль, 1987. 224 с.

20. Иванов В. М. Топливные эмульсии. М.: Изд-во Академии наук СССР, 1962.

21. Голубь Н. В. Эффективность сжигания водомазутной эмульсии на промышленных ТЭЦ / Дисс. . канд. техн. наук. Саратов, 1985.

22. Акчурин Р. Ю., Балахничев Н. А. Подготовка мазута к сжиганию в кавита-ционном реакторе // Энергетик. 1986. - №9. - С. 8-9.

23. Уменьшение вредных выбросов при сжигании водомазутной эмульсии / Попов А. И., Голубь Н. В. Ерофеева В. И„ Харитонов А. К., Щупарский А. И. // Энергетик, 1983.-№2.-С. 11-14.

24. Кормилицын В. И, Лысков М. Г., Третьяков Ю. М. Экономичность работы парового котла при управлении процессом сжигания топлива вводом влаги в зону горения // Теплоэнергетика. 1988. -№ 8. - С. 13-15.

25. Кормилицын В. И. Оптимизация технологических методов подавления оксида азота при сжигании топлива в паровых котлах // Теплоэнергетика. 1989. -№3. - С. 15-18.

26. Кормилицын В. И., Лысков М. Г., Румынский А. А. Влияние добавки влаги в топку на интенсивность лучистого теплообмена // Теплоэнергетика. 1992. -№1.-С. 41-44.

27. Худокормов Н. Н., Кривоногов Б. М., Широких В. Н. Пути комплексного подхода для решения вопросов энергосбережения и повышения экологической безопасности котельных.

28. Мурко В. И., Дурнин М. К. Водоугольное топливо одно из перспективных направлений по утилизации шламов обогатительных фабрик // «Эко-бюллетень ИнЭкА». - 2001. - № 9 (68).

29. Алавердов П. И., Зюзин В. А., Цветков Ф. И., Трубилов В. М. Перспективы освоения котлоагрегата БК3420-140КС со сжиганием топлива в кипящем слое. «Энергосбережение и водоподготовка». 2004. - № 4.

30. Кубин М. А. Сжигание твердого топлива в кипящем слое. М.: Энерго-атомиздат, 1987. - 107 с.

31. Belin F., Maryamchik М., Walker D. J., Wietzke D. L. Babcock & Wilcox CFB Boilers Design and Experience. Presented to: 16th International Conference on FBC May 13-16, 2001, Reno, Nevada, U.S.A.

32. E.I. Mintoussov, S.V. Pancheshnyi, A.Yu. Starikovskii Propane-Air Flame Control by Non-Equilibrium Low-Temperature Pulsed Nanosecond Barrier Discharge //42nd ALAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2004, AIAA paper 2004-1013.

33. Thomas E. de Haan, Coen Company, Inc. Cost, Safety and Performance Issues Associated with Ultra Low NOx Burner (Presented at the ABMA Technical Conference, West Palm Beach, FL November 6-7, 1996)

34. Control of Nitrogen Oxide Emissions: Selective Catalytic Reduction (SCR). A report on a project conducted jointly under a cooperative agreement between: The U.S. Department of Energy and Southern Company Services, Inc. USA, Birmingham. The

35. Report is available on the Internet at U.S. DOE, Office of Fossil Energy's home page: www.fe.doe.gov

36. Кулиш О. H., Кужеватов С. А., Бородина Е. В. Сокращение выбросов оксидов азота с продуктами сгорания топлива // Безопасность жизнедеятельности. -2005.-№1.

37. Третьяков В. Ф., Бурдейная Т. Н., Чернышев К. А., Матышак В. А. Обезвреживание оксидов азота селективным каталитическим восстановлением углеводородами // Безопасность жизнедеятельности 2005. - №1.

38. Белосельский Б. С. Пути и перспективы защиты атмосферы от вредных выбросов тепловых электростанций. Энерго-Пресс. - 1998. - №7 (131).

39. Сайт компании «Котлотурбопром» www.must-ipra.com/company/ktp/

40. Сайт компании «НТВ-энерго» www.ntv-energo.spb.ru/ntv.html

41. Сайт компании Ansaldo www.ansaldoboiler.it

42. Электронный журнал «Power technology», публикация о технологиях компании Ансальдо: www.power-technology.com/contractors/boilers/ansaldo 1/

43. Сайт компании «Соеп» www.coen.com/ihtml/whitestminjfgr.htm

44. Сайт индийской компании National Research Development Corporation www.nrdcindia.com

45. Сайт компании «Babcock & Wilcox» www.babcock.com/pgg/tt/tech-fluidbed.html

46. Сайт «База данных технологий» http://www.sciteclibrary.ru/

47. Мировой банк http://www.worldbankorg/html^d/e^

48. J.Wamatz, U.Maas, R.W.Dibble. Combustion Physical and Chemical Fundamentals, Modeling and Simulations, Experiments, Pollutant Formation. Springer.2001.

49. Беликов С. Е., Кормилицын В. И., Прохоров М. Б. Математическая модель процессов образования и трансформации оксидов азота и других вредных веществ в продуктах сгорания топлива // Известия Академии промышленной экологии. -2004. № 2. - С.45-47.

50. W. L. Flower, R. К. Hanson, and С. Н. Krugcr. In 15th Symp. (Int'l.) on Combustion, p. 823. The Combustion Institute. 1975.

51. J. P. Monat, R. K. Hanson, and С. H. Krugcr. In 17th Symp. (Int'l.) on Combustion, p. 543. The Combustion Institute. 1979.

52. D. L'. Baulch, D. D. Drysdall, D. G. Home, and A. C. Lloyd. Evaluated Kinetic Data for High. Temperature Reactions, volume 1.2.3. Butterworth. 1973.

53. R. K. Hanson and S. Salimian. Survey of Rate Constants in H/N/O Systems. In W. C. Gardiner, editor. Combustion Chemistry, page 361, 1984.

54. M. Missaghi, M. Pourkashanian, A. Williams, and L. Yap. In Proceedings of American Flame Days Conference. USA. 1990.

55. M. C. Drake, R. W. Pitz, M. Lapp, C. P. Fenimore, R. P. Lucht, D. W. Sweeney, and N. M. Laurendeau. In 20th Symp. (Int'l.) on Combustion, page 327. The Combustion Institute. 1984.

56. N. Peters and S. Donnerhack. In 18th Symp. (Int'l.) on Combustion, page 33. The Combustion Institute. 1981.

57. R. W. Bilger and R. E. Beck. In 15th Symp. (Int'l.) on Combustion, page 541. The Combustion Institute, 1975.

58. J. A. Miller, M. C. Branch, W. J. McLean, D. W. Chandler, M. D. Smooke and R. J. Kee. In 20th Symp. (Int'l.) on Combustion, page G73. The Combustion Institute. 1985.

59. J. Blauvens, B. Smets, and J. Peters. In 16th Symp. (Int'l.) on Combustion. The Combustion Institute. 1977.

60. M. C. Drake, S. M. Correa, R. W. Pitz, W. Shyy, and C. P. Fenimore. Superequi-librium and Thermal Nitric Oxide Formation in Turbulent Diffusion Flames. Combustion and Flame, 69:347-365, 1987.

61. A. A. Westenberg. Comb. Sci. Tech., 4:59. 1971.

62. J. Warnatz. NOx Formation in High Temperature Processes. University of Stuttgart, Germany.

63. D. L. Baulch et al. Evaluated Kinetic Data for Combustion Modelling. J. Physical and Chemical Reference Data. 21(3). 1992.

64. C. Wcstbrook and F. Dryer. Chemical Kinetic Modelling of Hydrocarbon Combustion. Prog. Energy Comb. Sci., page 1, 1984.

65. C. P. Fenimore. Formation of Nitric Oxide in Premixed Hydrocarbon Flames. In 13th Symp. (Int'l.) on Combustion, page 373. The Combustion Institute. 1971.

66. G. G. De Soete. Overall Reaction Rates of NO and N2 Formation from Fuel Nitrogen. In 15th Symp. (Int'l.) on Combustion, page 1093. The Combustion Institute. 1975.

67. R. W. Schefer, M. Namazian. and J. Kelly. In Combustion Resean:h Facility News, volume 3. number 4. Sandia, 1991.

68. F. Backmier, K. H. Eberius, and T. Just. Comb. Sci. Tech., 7:77, 1973.

69. V. Dupont, M. Porkashanian, A. Williams, and R. Woolley. Reduction of NOx formation in natural gas burner flames. Fuel, 72(4) :497 503. April 1993.

70. T. Just and S. Kelm. Die Industry, 38:76, 1986.

71. F. J. Barnes, J. H. Bromly, T. J. Edwards, and R. Madngezewsky. NOx Emissions from Radiant Gas Burners. Journal of the Institute of Energy, 155:184-188, 1988.

72. J. A. Miller and G. A. Fisk. Chemical and Engineering News, 31, 1987.

73. T. J. Houser, M. Hull, R. Alway, and T. Biftu. Int. Journal of Chem. Kinet., 12:579, 1980.

74. L. D. Smoot and P. J. Smith. NOx Pollutant Formation in a Turbulent Coal System. In Coal Combustion and Gasification, page 373. Plenum, NY. 1985.

75. F. С. Lockwood and С. A. Romo-Millanes. Mathematical Modelling of Fuel -NO Emissions From PF Burners. J. Int. Energy, 65:144-152, September 1992.

76. J. M. Levy, L. K. Chen, A. F. Sarofim, and J. M. Beer. NO/Char Reactions at Pulverized Coal Flame Conditions. In 18th Symp. (Int'l.) on Combustion. The Combustion Institute. 1981.

77. S. Brunauer. The Absorption of Gases and Vapors. Princeton University Press. Princeton, NJ, 1943.

78. С. T. Bowman. Chemistry of Gaseous Pollutant Formation and Destruction. In W. Bartok and A. F. Sarofim, editors. Fossil Fuel Combustion. J. Wiley and Sons. Canada, 1991.

79. F. A. Williams. Turbulent Mixing in Nonreactive and Reactive Flows. Plenum Press, New York, 1975.

80. J. Janicka and W. Kollmann. A Two-Variable Formulation for the Treatment of Chemical Reactions in Turbulent H2-Air Diffusion Flames. In 17th Symp. (Int'l.) on Combustion. The Combustion Institute. 1978.

81. J. Janicka and W. Kollinaim. A Numerical Study of Oscillating Flow Around a Circular Cylinder. Combustion and Flame. 44:319-336, 1982.

82. G. Hand, M. Missaghi, M. Pourkashanian, and A. Williams. Experimental Studies and Computer Modelling of Nitrogen Oxides in a Cylindrical Furnace. In Proceedings of the Ninth Members Conference, volume 2. IFRF Doc No K21/g/30, 1989.

83. M. Missaghi. Mathematical Modelling of Chemical Sources in Turbulent Combustion. PhD thesis. The University of Leeds, England. 1987.

84. Энергетическое топливо СССР (справочник) М.: Энергоатомиздат, 1991. -С. 184.

85. Беликов С. Е., Григорьев Д. Р. Режимно-наладочные испытания парового котла при сжигании природного газа // Промышленная энергетика. 2004. - №6. -С. 20-21.

86. Котлер В. Р. Оксиды азота в дымовых газах котлов. М.: Энергоатомиздат, 1987.-С. 144.

87. Беликов С. Е. Повышение эффективности работы котлов при замене ин-жекционных горелок напорными // Промышленная энергетика. 2004. - №3. -С. 4-6.

88. Айзен Б. Г., Ромашко И. Е., Сотников И. А. Горелочные устройства котлов ЗиО. М.: Энергоатомиздат, 1984. - С. 144.

89. Беликов С. Е, Беляев А. Ф., Курочкин А. В. Влияние конструкции горелки на образование оксидов азота при сжигании природного газа // Промышленная энергетика. 2004. - №10. - С.56-60.

90. Котлер В. Р., Беликов С. Е., Ильин А. В. и др. Снижение выбросов оксидов азота с помощью режимных мероприятий // Промышленная энергетика. 1994. -№7. - С.45-48.

91. Енякин Ю. П., Котлер В. Р. Технологические методы сокращения выбросов оксидов азота // Энергетика. 1990. - №7. - С. 17-20.

92. Сигал И. Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. JL: «Недра», 1988.-С.312.

93. Курочкин А. В., Беляев А. Ф., Беликов С. Е. Уменьшение выбросов оксидов азота за счет режимных мероприятий при сжигании природного газа. // Промышленная энергетика. 2004. - №12. - С.49-52.

94. ЮО.Крутиев В. А., Горбаненко А. Д. Изучение влияния азотсодержащих присадок к топливу на образование окислов азота // Теплоэнергетика. 1976. - № 10. -С. 72-75.

95. Warel L.F., Moore R.T., Bail I.S. // Analytical Chem. 1953. - Vol. 7. -P. 1070.

96. Wendt I.O.L. Fundamental coal combustion mechanisms and pollutant formation in fiirnace // Progress of Energy Combustion Science. 1980. - Vol. 6. - P.201-222.

97. Rees D.P., Smott L.D., Hedman P.O. Nitrogen oxide formation inside a laboratory pulverized coal combustor / 18-th Symposium (Intern.) on Combustion, 1981. -P. 1305-1311.

98. Fate on coal nitrogen during combustion / S.L. Chen, et al. // Fuel. 1982. -Vol. 61.-P. 1218-1223.

99. Титов С. П., Бабий В. И., Барбараш В. М. Исследование образования NOx из азота топлива при горении пыли каменных углей // Теплоэнергетика. 1980. -№3.

100. Бабий В. И., Котлер В. Р., Титов С. П. Исследование механизма образования топливных окислов азота и некоторых методов снижения их образования на пылеугольных котлах / Сборник трудов ЭНИНа. М.: ЭНИН, 1980.

101. Бабий В. И., Котлер В. Р., Вербовецкий Э. X. Сжигание угольной пыли в энергетических котлах / Сборник докладов на юбилейной конференции ВТИ. -М.: 1986.

102. Котлер В. Р., Лобов Г. В., Верзаков В.Н. Исследование образования окислов азота в процессе выгорания твердого топлива // Теплоэнергетика. 1978. -№11.-С. 12-15.

103. Modelling NOx emission during staged combustion / Xu Minghou, et al. // International Journal of Energy Research. 1999. - Vol. 3. - P. 683-693.

104. Ю.Беликов С. E., Котлер В. P. Снижение вредных выбросов в атмосферу от пылеугольных котлов промышленной ТЭЦ // Теплоэнергетика. 2004. - № 9. -С. 49-52.

105. Методические указания по расчету выбросов оксидов азота с дымовыми газами котлов тепловых электростанций. СО 153-34.02.304-2003. М.: ОАО «ВТИ», 2005.-С. 40.

106. Беликов С. Е., Котлер В. Р. Малые котлы и защита атмосферы. М.: Энер-гоатомиздат, 1996.-С. 128.

107. Беликов С. Е., Штегман А. В. Снижение выбросов оксидов азота при сжигании каменного угля в энергетическом котле // Известия Академии промышленной экологии. 2005. - № 4. - С. 27-29.

108. Беликов С. Е., Котлер В. Р., Штегман А. В. Упрощенное трехступенчатое сжигание как средство снижения выбросов оксидов азота на угольных ТЭС // Энергосбережение и водоподготовка. 2005. - № 2. - С. 44-45.

109. Беликов С. Е., Котлер В. Р. Различные схемы ступенчатого сжигания как средство снижения выбросов оксидов азота // Известия Академии промышленной экологии.-2005.-№ 1.-С. 57-59.

110. Зозуля Ю. И. Интеллектуальные нейросистемы. М.: Радиотехника, 2003. - 144 с.

111. Терехов В. А., Ефимов Д. В., Тюкин И. Ю. Нейросетевые системы управления. М.: ИПРЖР, 2002. - 480 с.118.0мату С., Марзуки X., Рубия Ю. Нейроуправление и его приложения. -М.: ИПРЖР, 2000.-272 с.

112. Назаров А. В., Лоскутов А. И. Нейросетевые алгоритмы прогнозирования и оптимизации систем. СПб.: Наука и техника, 2003. - 384 с.

113. Li К., Thompson S., Wieringa P. A., Peng J., Duan G. R. Neural networks and genetic algorithms can cupport human supervisory control to reduce fossil fuel power plant emissions // Cogn. Tech. Work. 2003. - Vol. 5. - P. 107 - 126.

114. Neural networks for plant optimization. Материалы компании DB Riley Inc., 1998.

115. Praxis OptiMation Technologies. Материалы компании Praxis Engineers Inc., 1998.

116. Cass R., Radl B. A neural network modeling and optimization system for online heat rate Improvement and NOx reduction of coal fired furnaces // Proc. World Congress on Neural Networks, 2. Washington, DC, July 1993. P. 656-659.

117. Jankowska A. Neural models of air pollutants emission in power units combustion processes // Symp. On Methods of Artificial Intelligence, Gliwice, Poland, Nov. 5-7 2003. -P. 141-144.

118. Williams J. Optimisation software for NOx reductions // World Coal. 2002. - N. 1.

119. Monitoring and Control of Stoker-fired Boiler Plant using Neural Networks / UK Department of Trade and Industry, DTI PS-156, July 1999.

120. Рутковская Д., Пилиньский M., Рутковский JI. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы: Пер. с польск. И. Д. Рудинского. М.: Горячая линия - Телеком, 2004. - 452 с.

121. Комашинский В. И., Смирнов Д. А. Нейронные сети и их применение в системах управления и связи. М.: Горячая линия - Телеком, 2002. - 94 с.

122. Круглов В. В., Борисов В. В. Искусственные нейронные сети. Теория и практика. М.: Горячая линия - Телеком, 2001. - 382 с.

123. Bartos F. J. Artificial Intelligence // Control Engineering. 1997. - No. 7.

124. Леоненков А. В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH. . СПб.: БХВ-Петербург, 2003. - 736 с.

125. Ярушкина Н. Г. Основы теории нечетких и гибридных систем. М.: Финансы и статистика, 2004. - 320 с.

126. Allen М, G., Butler С. Т., Johnson S. A., Lo Е. Y., Russo F. An imaging neural network combustion control system for utility boiler applications // Combustion and Flames. 1993. - Vol. 94. - P. 205.

127. Tao W., Burkhardt H. Vision-guided flame control using fuzzy logic and neural networks // Part. Syst. Charact. 1995. - Vol. 12. - P. 87.

128. Дьяконов В., Круглов В. Математические пакеты расширения MATLAB. -СПб.: Питер, 2001.-480 с.

129. Дьяконов В., Абраменкова И. MATLAB. Обработка сигналов и изображений. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002. - 608 с.

130. Абламейко С. В., Лагуновский Д. М. Обработка изображений: технология, методы, применение. Минск: Амалфея, 2000. - 304 с.

131. Тарасов В. Б. От многоагентных систем к интеллектуальным организациям: философия, психология, информатика. М.: Эдиториал УРСС, 2002. - 352 с.

132. Кузьмин В. Использование нейронных сетей в алгоритме Q-Leaming // Transport and Telecommunication. 2003. - Vol. 4. - N. 1. - P. 74 - 86.