автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Принципы построения информационно-измерительной системы для энергоэкологической оптимизации процесса горения в котлоагрегатах

Введение.

1. Анализ ИИС оптимизации процесса горения.

1.1 Обзор направлений энергоэкологической оптимизации и 7 постановка задачи.

1.2 Классификация ИИС оптимизации процесса горения.

В связи со значительным и непрерывным удорожанием топлива и ужесточением требований по защите окружающей среды от загрязнения, особенно актуальным становится вопрос об эффективном и качественном сжигании топлива в котельных агрегатах.

Мероприятия, направленные на повышение эффективности использования топлива и снижение выбросов вредных веществ в атмосферу, особенно актуальны для тоготивосжигающих установок средней и малой мощности, где из-за традиционно невысокого уровня эксплуатации сжигание топлива часто происходит недостаточно полно, а сами установки работают с относительно низким КПД и с повышенным уровнем выброса загрязняющих веществ.

Существует два основных подхода к повышению КПД котлов и печей и снижению уровня загрязнения атмосферного воздуха токсичными компонентами их отходящих газов. Первый способ сводится к конструктивному усовершенствованию оборудования, устройств и технологических узлов, второй - к различного рода режимным и технологическим мероприятиям. В настоящей работе рассматриваются методы и алгоритмы реализации второго направления, ориентированные на построение информационно-измерительной системы (далее ИИС) для оптимизации процесса горения посредством регулирования соотношения "топливо - воздух"

Недостаток воздуха при горении вызывает образование оксида углерода и других токсичных продуктов неполного горения, многие из которых имеют повышенную канцерогенную активность, а чрезмерный избыток воздуха увеличивает потери теплоты с отходящими газами, при определенных условиях приводит к увеличению выхода оксидов азота. При этом в обоих случаях происходит перерасход топлива.

Для организации качественного и эффективного сжигания топлива необходимо точное управление соотношением "топливо - воздух", которое, по моему мнению, возможно только при комплексном контроле содержания кислорода и продуктов химического недожога (оксида углерода, водорода, углеводородов) в дымовых газах с учётом нагрузки. Причем главным параметром, определяющим корректирующее воздействие на величину избытка воздуха, является содержание остаточного кислорода в дымовых газах. Такой подход позволяет помимо минимизации ущерба от вредных выбросов получить значительную экономию топлива и продлить срок службы котельного оборудования.

За рубежом практически все топливосжигающие агрегаты в обязательном порядке оборудуются автоматизированными системами контроля дымовых газов с управлением процессом горения производства таких фирм как Rosemount, Servomex, Bailey Control и других.

В отечественных топливосжигаюндах установках средней и малой мощности, такой контроль отсутствует. Широкое использование зарубежных систем в современных условиях Российской Федерации невозможно по экономическим условиям и необходимостью учета конструктивных особенностей и условий эксплуатации отечественного оборудования. Это настоятельно требует скорейшей разработки и широкого внедрения импортозамещающих ИИС контроля и оптимизации процесса горения. Говоря о создании таких систем необходимо комплексно рассматривать проблемы датчиков, газоанализаторов, ЭВМ, программного обеспечения, интерфейса обмена, методического и метрологического обеспечения.

Актуальность решения поставленных вопросов и обусловила постановку данной работы.

Основная цель работы заключается в исследовании принципов построения ИИС контроля и оптимизации процесса горения на основе комплексного измерения и анализа состава дымовых газов.

Основными задачами, возникающими при этом, являются:

1. Систематизация современных методов энергоэкологической оптимизации сжигания органического топлива с целью выявления перспективного метода для построения ИИС ориентированной на оптимизацию процесса горения;

2. Анализ объекта измерения, выбор информативных параметров и определение метрологических требований для ИИС оптимизации процесса горения;

3. Исследование датчиков и разработка новых технических решений построения газоанализаторов;

4. Разработка усовершенствованной схемы и алгоритма ИИС оптимизации процесса горения;

5. Создание действующего макета ИИС и его исследования на реальном оборудовании.

На защиту выносятся:

1. Критерий энергоэкологической оптимизации 1(а), определяющийся минимумом суммы тепловых и экологических потерь и учитывающий как экономические, так и экологические факторы;

2. Принцип построения усовершенствованной структуры ИИС оптимизации процесса горения в составе системы автоматики котлоагрегата на основе комплексного анализа концентрации оксида углерода и кислорода в дымовых газах;

3. Комплекс рекомендаций по исполнению датчиков газового анализа для использования в потоке дымовых газов и построению газоанализаторов;

4. Структура и алгоритм ИИС оптимизации процесса горения на основе комплексного газового анализа.

4.5 Основные результаты и выводы.

Разработана усовершенствованная схема построения ИИС и алгоритм её работы, обеспечивающие оптимизацию управления процессом горения на основе измеряемой концентрации кислорода и оксида углерода в дымовых газах.

На основе разработааной схемы, реализована ИИС оптимизации процесса горения для котла ДКВР 20/13 для которой выбраны микропроцессорные регуляторы "Минитерм - 400" и многоканальный самописец "Технограф - 160".

Создан действующий макетный образец системы и написано программное обеспечение, позволяющее оценить работоспособность созданной системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Разработанные в результате проделанной работы газоанализаторы и системы экспонировалась на Международных выставках "Энергетика и электротехника" и "Ресурсоэнергосбережение ХХ1-век" проводимых в 19981999 годах в Санкт-Петербурге. По результатам работы получены два акта о внедрении приборов на котельных Ленинградской области. Основные результаты работы следующие:

1. На основании проведенного анализа методов энергоэкологической оптимизации процесса сжигания топлива установлено, что перспективным методом является оптимизация коэффициента избытка воздуха а.

2. Проведенные систематизация и анализ схем ИИС оптимизации процесса горения показали, что все предлагаемые системы не учитывают экологические факторы и поэтому не могут обеспечить максимальной оптимизации процесса горения.

3. Предложен критерий энергоэкологической оптимизации 1(а), определяющийся минимумом тепловых и экологических потерь и учитывающий экономические и экологические факторы.

4. Показана перспективность использования данных газового анализа для выработки корректирующего управления коэффициентом избытка воздуха а, поскольку при этом учитываются различные влияющие факторы и фактическое состояние топливосжигающего оборудования.

5. На основании проведенного анализа литературных источников, теоретического и экспериментального исследования установлена зависимость концентрации компонентов дымовых газов от коэффициента избытка воздуха а, и доказано, что для выработки оптимального корректирующего воздействия достаточно иметь информацию о концентрации оксида углерода и кислорода и учитывать нагрузку котлоагрегата.

6. Определены метрологические требования к приборам газового анализа и проведенным анализом установлено, что отечественные газоанализаторы не удовлетворяют необходимым требованиям.

7. Проведен анализ методов измерения концентрации оксида углерода и кислорода в дымовых газах и по полученным результатам сделан вывод о перспективности использования термокаталитических датчиков для определения концентрации оксида углерода и электрохимических датчиков на основе оксида циркония для определения концентрации кислорода, экспериментальные исследования которых подтверждают сделанные выводы.

8. Разработаны газоанализаторы для измерения концентрации оксида углерода и кислорода, результаты их испытаний на специально разработанном автором автоматизированном газоаналитическом комплексе, позволяющим создавать условия работы приближенные к реальным, подтверждают возможность их использования в ИИС оптимизации процесса горения.

9. Предложена усовершенствованная архитектура построения системы и алгоритм работы, которые отвечают требованиям совместимости с существующей системой автоматики котлоагрегатов и обеспечивают отказоустойчивое управление процессом горения.

10.Создан действующий макетный образец ИИС оптимизации процесса горения для котла ДКВР 20/13. Написано программное обеспечение, позволяющее контролировать и оптимизировать процесс горения и осуществлять сбор, обработку и хранение данных.

102

1. A.c. № 219065 (СССР) .-Б.И., 1968, № 18.

2. А.с.№ 231701 (СССР) Б.И., 1969, №36.

3. A.c. № 258510 (СССР) .-Б.И., 1970, № 1.

4. A.c. № 273360 (СССР) .-Б.И., 1970, № 20.

5. A.c. № 274297 (СССР) .-Б.И., 1970, № 21.

6. A.c. № 311099 (СССР) .-Б.И., 1974, № 15.

7. A.c. № 344226 (СССР) .-Б.И., 1972, № 21.

8. A.c. № 352090 (СССР) .-Б.И., 1972, № 28.

9. A.c. № 353111 (СССР) .-Б.И., 1972, № 29.

10. A.c. № 383968 (СССР) .-Б.И., 1973, № 24.

11. A.c. № 411275 (СССР) .-Б.И., 1974, № 2.

12. А.С. № 415454 (СССР) .-Б.И., 1974, № 8.

13. А.С. № 422919 (СССР) .-Б.И., 1974, № 13.

14. А.С. № 514157 (СССР) .-Б.И., 1976, № 13.

15. Аманназаров A.A., Шарнопольский А.И. Методы и приборы для определения кислорода (газовый анализ). Справочник. М.: Химия, 1988.

16. Анализатор термохимический АТХ-1. Методические указания на методы и средства поверки, 1991.

17. Анализатор АГЭ-2. Программа и методика приемочных испытаний и метрологической аттестации, 1991.

18. Аппаратура автоматического регулирования. Каталог, Московский завод тепловой автоматики, 1999-2000.

19. Ахмедов Д.Б. Митрюхин А.Г. Динамика паропроизводящих установок. Учебное пособие. СПб., 1991.

20. Беликов С.Е., Котлер В.Р. Малые котлы и защита атмосферы: снижение вредных выбросов при эксплуатации промышленных и отопительных котельных. М.: Энергоатомиздат, 1996.

21. Бобрыкин A.B., Липовецкий Г.П., Литвинский Г.В. Однокристальные микроЭВМ. М.: МИКАП, 1994.

22. Брандт 3. Статистические методы анализа наблюдений. М.: Мир, 1975.

23. Ваня Я. Анализаторы газов и жидкостей. М.: Энергия, 1970.

24. Всероссийская конференция с международным участием Сенсор 2000, Сенсоры и микросистемы. Тезисы докладов. 21-23 июня 2000., Санкт-Петербург.

25. Второй всесоюзный симпозиум "Твердые электролиты и их аналитическое применение", Тезисы докладов, 17-19 сентября 1985.

26. Гардинер У Химия горения. М.: Мир, 1988.

27. ГОСТ 8.009-84. ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений.

28. Гохберг Ж.Л., Захаров М.С. Методы и приборы автоматического контроля выбросов ТЭС. М.: Энергоатомиздат, 1986.

29. Гохберг Ж.Л., Тигиев C.B. Микропроцессорная система оптимизации сжигания газа в энергетических котлах. // Теплоэнергетика №7,1986.

30. Гутников B.C. Фильтрация измерительных сигналов. Л.: Энергоатомиздат, 1990.

31. Друскин Л.И. Эффективное использование природного газа в промышленных установках. Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1992.

32. Иванов Ю.В., Малов А.Н. Основы автоматики и автоматизация производственных процессов М.: Машиностроение, 1974.

33. Инструктивно-Методические указания по взиманию платы за загрязнение окружающей природной среды. Зарегистрировано в Минюсте России 24 марта 1993г., per. №190 с изменениями на 16 марта 2000г. per. №2152.

34. Инструкция по эксплуатации Ю-106-440. Анализатор модели OCX 4400 процентного содержания кислорода и несгоревших углеводородов. Rosemount Analytical, 1999.

35. Инструкция по эксплуатации IB-106-300NF. Анализатор кислорода World Class 3000 с интеллектуальным полевым датчиком IFT 3000. Rosemount Analytical, 1996.

36. Каплунов И.Б., Миронов В.Д. Магнитный газоанализатор на кислород системы ВТИ типа МК-59 M.-JL, Госэнергоиздат, 1961.

37. Клюев A.C., Товарнов А.Г. Наладка систем автоматического регулирования котлоагрегатов. М.: Энергия 1970.

38. Кнорринг В.Г., Окатьев А.Н., Рабинович В.Б., Сальников В.Ю Оптимизация ступенчатых измерений. // Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям, Том 2, СПб, 1999, С.-25-27.

39. Кнорринг В.Г., Окатьев А.Н., Рабинович В.Б. Оценка влагозащиты объектов в полимерной упаковке. // Тезисы докладов научно-технической конференции "Диагностика, информатика, метрология, экология, безопасность 1997",. СПб 1997. стр. 161.

40. Котлер В.Р. Оксиды азота в дымовых газах котлов. // М.: Энергоатомиздат, 1987.

41. Левин Б.К. Регулирование парокотельных установок пищевых предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1987.

42. Лившиц H.A., Пугачев В.Н. Вероятностный анализ систем автоматического управления. М.: "Советское радио", 1963.

43. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. Том 1. Основные принципы и классические методы. М.: Мир, 1983.

44. Методики определения годового экономического эффекта от создания и внедрения новой техники, изобретений и рацпредложений в химической промышленности. М., 1978

45. Методы обработки результатов наблюдений при измерениях. // Труды метрологических институтов СССР. Выпуск 134. Под.Ред. Широкова К.П., M.-JL: Изд-во стандартов, 1972.

46. Миронов В.Д. Автоматизация процесса горения с прямым контролем его качества: Автореф. дис. доктора техн. наук. М., 1959.

47. Миронов В.Д. Схемы регулирования процесса горения в топках паровых котлов. М., 1958.

48. Энергоэкологическая оптимизация сжигания топлива в котлах и печах регулированием соотношения топливо-воздух. / О.Н. Новиков, Д.Г. Артамонов, A.JI. Шкаровский, М.А. Кочергин, А.Н. Окатьев // Промышленная энергетика, 2000., №5, с. 57-60.

49. Новиков О.Н., Окатьев А.Н. Кочергин М.А. Датчики для систем управления процессом горения. // Датчики и системы. 2000, №3, с. 56-57.

50. Новоселов О.Н., Фомин А.Ф. Основы теории и расчета информационно-измеительных систем. М.: "Машиностроение", 1991.

51. Новые версии программного обеспечения для АСУ ТП. Фирма ProSoft (CD), 1999.

52. Новые зарубежные средства контроля и регулирования технологических процессов. // Приборы, средства автоматизации и системы управления. М., 1986.

53. Отчет по теме сравнительные испытания твердоэлектролитных анализаторов кислорода. // ОНТИ, Москва, 1995.

54. Панюшева З.Ф. Столпнер Е.Б. Технический контроль работы газифицированных котельных. СПб.: ТОО-ПАКО, 1994.

55. Пивень В. Д. Автоматическое регулирование и управление энергетических установок. Л.,1971.

56. Плетнёв Г.П. Автоматизированное управление объектами тепловых электростанций. М.: Энергоатомиздат, 1981.

57. Подлепецкий Б.И. Состояние разработок датчиков в Европе. // Измерительная техника. 1991, № 5.

58. Полупроводниковые датчики состава газа. / А.И. Бутурлин, А.Я.Дикевич, В.А. Заикин, Г.Б. Чахунашвилли. // Электронная промышленность, 1998, №10, стр. 40-41.

59. Померанцев В.В. Основы практической теории горения. Л.: Энергоатомиздат, 1986.

60. Приборы показывающие и регистрирующие "Технограф 160" Руководство по эксплуатации (10.160.100.00 РЭ). Челябинск: ОАО "Теплоприбор", 1998.

61. Регулятор микропроцессорный "Минитерм 400.00". Техническое описание и инструкция по эксплуатации (ТЕ 3.222.098.ТО). М.: МЗТА, 1997.

62. Реклама. Система DeltaV, Fisher-Rosemount System, 1999.

63. Руководство по эксплуатации. Щитовой регулятор Protronic 500/550, Hartmann&Braun 62-6.15 RU, 1997.

64. Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. // М.: Недра 1998.

65. Солодимова Г.А., Окатъев А.Н. Система экологического монитоинга параметров окружающей атмосферы для мобильной лаборатории. // Экология и жизнь, Серия "Научные конференции", Выпуск 2, Экологическая безопасность регионов России, Пенза 1997, с. 90-91.

66. Солопченко Г.Н. Метрологические свойства измерительных информационных систем. Учебное пособие, Л.: 1985.

67. Состояние и тенденции развития сенсоров для измерительных информационных систем и автоматизированных систем управления. Обзорная информация. М., 1991.

68. Спейшер В. А. Горбатенко А. Д. Повышение эффективности использования газа и мазута в энергетических установках. М.: Энергия, 1974.

69. SC ADA системы: проблема выбора. // Современные средства автоматизации, 1999., №4, стр. 6-24.

70. Тарасевич В.Н. Металлические терморезисторные преобразователи горючих газов. Киев: Наукова думка, 1988.

71. Твердоэлектролитные сенсоры для определения СО, СО2, Н20 в воздушной среде. / H.H. Вершинин, А.Н. Алейников, С.А. Шерстнов, Ю.И.Малов // Метрология, 1991 №7.

72. Тверской Ю.С. Автоматизация котлов с пылесистемами прямого вдувания. М.: Энергоатомиздат, 1996.

73. Технический отчет по внедрению системы контроля и управления экономичным сжиганием топлива на котле ДКВР-20/13 №2 2-ой Красносельской котельной ГП "ТЭК Санкт-Петербург" при работе на газовом топливе. Санкт-Петербург, 1995.

74. Трембовля В.И. Фингер Е.Д. Авдеева А.А. Теплотехнические испытания котельных установок. М.: Энергоатомиздат, 1991.

75. Удовиченко Е.Т. Метрологическое обеспечение измерительных информационных систем (теория, методология, организация). М.: Издательство стандартов, 1991.

76. Франк Энго. Как программировать на Delphi 3. Пер. с англ. К.: Издательство "ДиаСофт", 1997.

77. Шатиль А.А. Топочные процессы и устройства (исследования и расчет). СПб. 1997.

78. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы. Структуры и алгоритмы, системотехническое проектирование. М.: Энергоатомиздат, 1985.

79. Цветков Э.И. Методические погрешности статистических измерений. JL: Энергоатомиздат, 1984.

80. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: в 3-х томах. Пер. с англ. М.: Мри, 1993.

81. Электронные регуляторы щитового монтажа, JUMO. PR97013, 1998.

82. Advertisement The xendos 2700 measures oxygen and combustibles in flue gases to allow improved combustion efficiency and reduced emissions. Servomex © Leaders in gas analysis, 1998.

83. Advertisement. Logoline 500. Pen recorder with text printing. / JUMO PR95318.

84. Application Data Sheet ADS 106-51 OA.AO 1 Mounting the Model 5100A CO Analyzer on Steel Ducts or Steel Stacks April, Rosemount Analytical Inc. 1999.

85. Bela G. Liptak Save energy by optimizing your boilers, chillers, and pumps. InTech,1991.92.CENELEC

86. John Reason When it pays to monitor flue-gas CO. // Energy management Instrumentation&control, August 1981, Vol.125, №8.

87. National instruments. Measurement and Automation. Bridge VIEW. Catalogue and CD 1999.

88. Norton H.N. Sensor and analyzer handbook. Englewood cliffs Prentice Hall, 1982.

89. Paui Longrigg Use crosscorrelation for reliable detection of pulverized coal combustior. InTech, 1991.97 .Product Data Sheet PDS 106-410 Model 1500 Combustion ControllerA Rosemount Analytical Inc. July, 1998.

90. Product Data Sheet 00813-0100-4275 D102212X012 HART® Communicator Rosemount Analytical Inc September 1998.

91. Product Data Specification E61-1. Industrial Combustion Control System (ICCS) Elsag Bailey Process Automation N.V. 1996.

92. Richard J. Reed, Russel Lang NOx Reduction in Industrial heat processing. // Industrial Heating, May-1990, p.39-43.

93. Richard L. Every, Joseph J. Schuck Fuel oil combustion efficiency. // Industrial Heating, November-1982, p.39-43.

94. Smith E.P. Considerations in determining O2 and CO control for combustion efficiency and quality. // Industrial Heating, October 1987/

95. Technical Note TNI Oxygen sensors-theory and application. Hitech Instruments Ltd, England, 1998.

96. Technical Note TN2 Using zirconia oxygen analysers to measure the dew point of furnace atmospheres. Hitech Instruments Ltd, England, 1998.