Система оптимального автоматизированного управления работой реактора плазменной термической газификации твердых бытовых отходов
Полезная модель относится к технике термической переработки отходов различного происхождения, а также к энергетике и энергопроизводящим технологическим системам, а именно, - к технологическим установкам плазмотермической газификации и пиролиза твердых бытовых и других органосодержащих (например, сельскохозяйственных) отходов и утилизации их энергетического потенциала как возобновляемых источников энергии.
Целью настоящего предложения полезной модели является определение конфигурации и состава комплекса технологического оборудования, устройств и аппаратуры, предназначенных для достижения максимальной энергетической способности топливного газа, генерируемого при плазмо-термической газификации отходов в процессе их переработки в плазмо-химических реакторах, при минимально возможных энергетических затратах на его получение.
Задачей полезной модели является обеспечение автоматизированной настройки технологических параметров режима работы реактора, при которых достигалась бы максимальная калорийность получаемого топливного газа или максимальный выход ценного вторичного продукта при минимально возможных энергетических затратах на функционирование реактора.
Технический результат достигается тем, что технологической схемой и оборудованием реактора обеспечивается, во-первых, непрерывное мониторирование расхода и калорийности выходящего из реактора-газификатора топливного газа и соотнесение этих параметров с производительностью реактора по отходам; во-вторых, последовательное зондирование зависимостей расхода и калорийности топливного газа от влияющих на них технологических параметров путем внесения малых возмущений в каждый из этих параметров; в-третьих, определение оптимального сочетания значений составляющих технологических параметров, при которых достигается максимальная энергопроизводительность реактора по топливному газу при минимальных собственных энергозатратах на его получение. 1 илл.
Полезная модель относится к технике термической переработки отходов различного происхождения, а также к энергетике и энергопроизводящим технологическим системам, а именно, - к технологическим установкам плазмотермической газификации и пиролиза твердых бытовых и других органосодержащих (например, сельскохозяйственных) отходов и утилизации их энергетического потенциала как возобновляемых источников энергии.
Термическая переработка отходов осуществляется в реакторе под воздействием высокой температуры, в результате чего происходит разрушение химических связей вещества отходов. В результате реакций с участием органических составляющих отходов вырабатывается синтетический (топливный) газ который может быть использован для получения ценных вторичных продуктов, например, таких как электроэнергия, тепло, водород, жидкое топливо, удобрения и пр. Состав газов, генерируемых в результате термических процессов в реакторе, формируется в результате протекания физико-химических процессов в реакционной зоне реактора, что предполагает необходимость поддерживать внутри реактора определенную реакционную среду.
Известны многочисленные описания установок для термической переработки, как путем сжигания, так и для газификации, в том числе и с применением электроплазменного нагрева перерабатываемой массы отходов, с целью последующего использования получаемого горючего газа или продуктов его сгорания для получения электрической и/или тепловой энергии коммерческого предназначения. Некоторые патенты на технологические установки термической переработки отходов содержат описания систем автоматизированного управления технологическим процессом, функционально ограниченных автоматическим регулированием процессов загрузки реактора (Патент РФ на полезную модель 
27679) и индикацией технологических параметров работы основного технологического оборудования для обеспечения ручного управления его работой с пульта управления оператора.
Недостатком известных установок является отсутствие в них систем и устройств, предназначенных для автоматизированного управления режимом газификации и пиролиза отходов с задачей обеспечения получения на выходе из газификатора газообразного энергоносителя с максимально высоким энергосодержанием при минимально возможных собственных энергетических затратах на процесс газификации отходов или максимально высоким содержанием целевого вторичного продукта (например, водорода).
Целью настоящего предложения полезной модели является определение конфигурации и состава комплекса технологического оборудования, устройств и аппаратуры, предназначенных для достижения максимальной энергетической способности топливного газа, генерируемого при плазмо-термической газификации отходов в процессе их переработки в плазмо-химических реакторах, при минимально возможных энергетических затратах на его получение.
Задачей полезной модели является обеспечение автоматизированной настройки технологических параметров режима работы реактора, при которых достигалась бы максимальная калорийность получаемого топливного газа или максимальный выход ценного вторичного продукта при минимально возможных энергетических затратах на функционирование реактора.
Известно, что производительность плазмотермических реакторов по выработке топливного газа в процессе плазменной газификации и пиролиза органосодержащих отходов, а также калорийность получаемого таким образом сингаза зависят сложным образом от совокупности условий протекания физико-химических процессов в реакционной зоне реакторов, а именно: от удельного и интегрального теплосодержания плазмы, генерируемой плазмотронами (зависящего от электрических параметров его работы - тока и напряжения, а также от потока технологических газов - воздуха, пара и кислорода и тепловых потерь на охлаждение плазмотрона); от уровня тепловой напряженности в объеме перерабатываемого материала отходов, зависящего от удельного подвода тепла к реакционному объему и производительности реактора; от удельного расхода водяного пара и кислорода, а также частично от состава и влажности исходного материала отходов. Определение оптимального сочетания всех этих факторов предполагает решение многофакторной задачи на основе парциальных зависимостей энергосодержания топливного газа от изменения каждого из влияющих на него факторов. Поскольку характер этих зависимостей определяется показателями протекания химических процессов, на которые влияют и внешние факторы, в том числе определяемые конструктивными особенностями реактора, их определение в каждом конкретном случае требует реализации тестовых измерений на действующей установке.
Технический результат достигается тем, что технологической схемой и оборудованием реактора обеспечивается, во-первых, непрерывное мониторирование расхода и калорийности выходящего из реактора-газификатора топливного газа и соотнесение этих параметров с производительностью реактора по отходам; во-вторых, последовательное зондирование зависимостей расхода и калорийности топливного газа от влияющих на них технологических параметров путем внесения малых возмущений в каждый из этих параметров; в-третьих, определение оптимального сочетания значений составляющих технологических параметров, при которых достигается максимальная энергопроизводительность реактора по топливному газу при минимальных собственных энергозатратах на его получение.
Реализация оптимального автоматизированного управления работой реактора плазмотермической газификации отходов обеспечивается системой автоматизированного управления работой реактора плазмотермической газификации, включающей следующие блоки технологических компонентов: (1) блок определения текущей массовой производительности реактора; (2) блок определения текущих объемно-энергетических характеристик топливного газа, получаемого от работы реактора; (3) блок определения технологических параметров оптимального режима работы реактора; (4) блок управления исполнительными устройствами системы плазменного нагрева и формирования реакционной среды газификатора; (5) блок отображения основных технологических параметров режима плазменной газификации.
Конфигурация и состав системы оптимального автоматизированного управления работой реактора плазмотермической газификации отходов, соответствующие предлагаемой полезной модели, поясняется схемой, представленной на фиг.1.
Аппаратура блока определения текущей массовой производительности реактора включает следующие устройства и узлы:
1.1. Агрегат подачи отходов в узел загрузки
1.2. Механизмы узла загрузки реактора.
1.3. Загрузочный бункер и дозатор отходов.
1.4. Загрузочная труба шахты реактора.
1.5. Плотномер подаваемого в реактор материала отходов.
1.6. Влагомер подаваемого в реактор материала отходов.
1.7. Шкаф управления работой механизмов узла загрузки реактора.
1.8. Индикатор уровня отходов в шахте реактора.
1.9. Отметчик времени подачи порций отходов в реактор.
1.10. Вычислитель текущей производительности реактора.
Аппаратура блока определения текущих объемно-энергетических и композиционно-химических характеристик топливного газа, получаемого от работы реактора, включает следующие устройства и узлы:
2.1. Газовый калориметр (или датчик содержания целевого газа, например, водорода).
2.2. Расходомер топливного газа (сингаза).
2.3. Вычислитель удельной газопроизводительности реактора.
2.4. Вычислитель удельной калорийности топливного газа (или парциального содержания целевого газа).
2.5. Вычислитель относительной энергопроизводительности реактора (или относительной производительности реактора по целевому газу).
Аппаратура блока определения технологических параметров оптимального режима работы реактора:
3.1. Мастер-процессор с программным обеспечением для определения оптимальных параметров режима работы реактора.
3.2. Датчики температуры в объеме реакционной зоны реактора.
Аппаратура блока управления исполнительными устройствами системы плазменного нагрева и формирования реакционной среды газификатора:
4.1. Плазмотрон(ы) с подводкой электропитания, технологического воздуха, пара, кислорода, воды охлаждения, а также датчики температуры охлаждающей воды на входе и выходе из плазмотрона.
4.2. Шкаф управления параметрами электропитания плазмотрона(ов).
4.3. Управляемый регулятор расхода воздуха.
4.4. Управляемый регулятор расхода пар.
4.5. Управляемый регулятор расхода кислорода.
4.6. Модуль оборотного водоснабжения охлаждения плазмотрона(ов).
4.7. Вычислитель тепловых потерь на охлаждение плазмотрона(ов).
4.8. Аппаратура электропитания плазмотронов (выпрямители, регуляторы тока).
4.9. Компрессор технологического воздуха.
4.10. Генератор технологического пара.
4.11. Газгольдер (источник) технологического кислорода.
Аппаратура блока отображения основных технологических параметров режима плазменной газификации включает дисплеи отображения технологических параметров и устройства регистрации и хранения информации 5.1.
Система работает следующим образом.
1. После пуска реактора с пульта 5.1 управления оператора задается некий начальный произвольный режим работы системы плазменного нагрева по напряжению и току плазмотронов (4.8, 4.2) а также расходу воздуха (4.9, 4.3), пара (4.9, 4.4) и кислорода (4.10, 4.5) через плазмотроны, при которых обеспечивается некоторая начальная производительность реактора по переработке отходов, т /ч.
На основании регистрации посредством отметчика 1.8 частоты подачи в шахту реактора фиксированных по объему порций отходов, формируемых в бункере-дозаторе благодаря специальной конструкции узла загрузки согласно полезной модели 93134, а также с учетом показаний плотномера 1.4 вычислитель 1.9 определяет суммарную массу материала отходов, загружаемых в реактор в течение одного часа и вычисляет производительность реактора в количестве тонн перерабатываемых отходов в час., Срабатывание агрегатов 1.1 подачи отходов в узел загрузки реактора в бункер 1.2 и последующая загрузка каждой очередной порции отходов в шахту через проем, перекрываемый управляемым шибером, и загрузочную трубу 1.3 управляется по командам от шкафа 1.6 управления работой механизмов узла загрузки реактора, который реагирует на сигнал от индикатора 1.7 уровня отходов в шахте реактора по мере выработки находящихся в шахте отходов.
(2) С помощью сенсора 2.2 расхода топливного газа и газового калориметра 2.1 вычислитель 2.3 определяет удельную газопроизводительность реактора (м 3 топливного газа на тонну ТБО в час), а вычислитель 2.4 определяет удельную калорийность топливного газа, кДж/м3 (или парциального содержания целевого газа, м3 целевого газа на м3 сингаза, если вместо калориметра 2.1 используется датчик содержания целевого газа, например, водорода). Затем вычислитель 2.5 определяет относительную энергопроизводительность реактора, кДж/т ТБО или производительности реактора по целевому газу, в кг целевого газа на тонну ТБО.
3. Производится запуск блока автоматизированного определения технологических параметров оптимального режима работы реактора. Мастер-процессор 3.1, действуя по заложенной в него программе, реализует "метод малых возмущений" для поиска оптимального решения многопараметрического функционала, каким является зависимость энергопроизводительности реактора (или производительности по выходу целевого газа) от определяющих его параметров. В соответствие с этим мастер-процессор 3.1 вырабатывает команду на заранее установленное незначительное изменение одного из параметров режима работы системы плазменного нагрева, например, параметров работы аппаратуры 4.8, 4.2 электропитания плазмотронов, тем самым обеспечивая незначительное изменение энтальпии подаваемой в реакционную зону плазмы. В соответствие с процедурой по п.2 определяется новое значение энергопроизводительности (газопроизводительности) реактора и вычисляется ее изменение относительно начального значения (т.е. частная производная энергопроизводительности или газопроизводительности реактора по данному параметру режима работы системы плазменного нагрева).
Аналогичным образом последовательно определяются частные производные энергопроизводительности (газопроизводительности) реактора по каждому из других параметров режима работы системы плазменного нагрева, т.е. по расходу технологического воздуха посредством управляемого регулятора расхода воздуха 4.3, по расходу пара посредством управляемого регулятора расхода пара 4.4 и по расходу кислорода посредством управляемого регулятора расхода кислорода 4.5.
В процессе оптимизации энергозатрат на поддержание процесса газификации используются также показания вычислителя 4.7 тепловых потерь на охлаждение плазмотронов и вводятся соответствующие коррективы в установку управляющего регулятора расхода охлаждающей воды.
Далее аналогичным образом производится второй шаг итерационного процесса, затем третий и последующие (i+1)-e шаги, на каждом из которых достигается увеличение энергопроизводительности (или газопроизводительности) реактора относительно каждого предшествующего i-го шага итерации. Поскольку температура газификации в реакционном объеме реактора зависит от его энергонасыщения, на каждом шаге итерации отслеживается температура внутри реакционной зоны посредством датчиков 4.13 температуры внутри реакционной зоны. Процесс прекращается, когда температура в реакционной зоне достигает уровня, предельно допустимого по жаростойкости конструкционных материалов реактора.
Дальнейшая работа реактора поддерживается на параметрах, обеспечивающих его максимальную эффективность процесса. Текущие удельные показатели процесса газификации отходов - энергопроизводительности (МВт электричества на тонну ТБО в час); теплопроизводительности (Гкал тепла на тонну ТБО в час); газопроизводительности (кг водорода на тонну ТБО в час), а также к.п.д. энергогенерации, определяемый как отношение энергопроизводительности процесса к электрической мощности плазмотронов, отображаются на устройстве 5.1 отображения текущих удельных показателей процесса газификации отходов.
1. Система оптимального автоматизированного управления работой реактора плазмотермической газификации твердых бытовых отходов, содержащая блок аппаратуры определения текущей массовой производительности реактора, блок аппаратуры определения текущих объемно-энергетических и композиционно-химических характеристик сингаза газа, получаемого от работы реактора, и блок аппаратуры определения технологических параметров оптимального режима работы реактора и настройки исполнительных устройств на реализацию таких параметров.
2. Система оптимального автоматизированного управления работой реактора плазмотермической газификации твердых бытовых отходов по п.1, отличающаяся тем, что в составе блока определения текущей массовой производительности реактора имеются агрегат подачи отходов в узел загрузки реактора, загрузочный бункер и дозатор отходов, плотномер подаваемого в реактор материала отходов, влагомер подаваемого в реактор материала отходов, шкаф управления работой механизмов узла загрузки реактора, индикатор уровня отходов в шахте реактора, отметчик времени подачи порций отходов в реактор и вычислитель текущей производительности реактора по отходам.
3. Система оптимального автоматизированного управления работой реактора плазмотермической газификации твердых бытовых отходов по п.1, отличающаяся тем, что в составе блока определения текущих объемно-энергетических и композиционно-химических характеристик сингаза газа имеются газовый калориметр (или датчик содержания целевого газа, например водорода), расходомер топливного газа (сингаза), вычислитель удельной газопроизводительности реактора, вычислитель удельной калорийности топливного газа (или парциального содержания целевого газа), вычислитель относительной энергопроизводительности реактора (или относительной производительности реактора по целевому газу).
4. Система оптимального автоматизированного управления работой реактора плазмотермической газификации твердых бытовых отходов по п.1, отличающаяся тем, что в составе блока определения технологических параметров оптимального режима работы реактора и настройки исполнительных устройств на реализацию таких параметров имеются плазмотрон с подводкой электропитания, технологического воздуха, пара, кислорода, воды охлаждения, а также датчики температуры охлаждающей воды на входе и выходе из плазмотрона, шкаф управления параметрами электропитания плазмотрона, управляемый регулятор расхода воздуха, управляемый регулятор расхода пара, управляемый регулятор расхода кислорода, модуль оборотного водоснабжения охлаждения плазмотрона, вычислитель тепловых потерь на охлаждение плазмотрона, аппаратура электропитания плазмотронов (выпрямитель, регулятор тока, компрессор технологического воздуха, генератор технологического пара, газгольдер (источник) технологического кислорода, процессор-оптимизатор настройки режима работы плазмотрона (выработки команд на управление работой исполнительных устройств работы плазмотронов), датчики температуры в объеме реакционной зоны.
5. Система оптимального автоматизированного управления работой реактора плазмотермической газификации твердых бытовых отходов по п.1, отличающаяся тем, что процессор-оптимизатор настройки режима газификации отходов действует по заложенной в него программе, реализующей "метод малых возмущений" в итерационном процессе для поиска оптимального соотношения параметров работы плазмотрона как решения задачи оптимизации многопараметрического функционала, каким является зависимость энергопроизводительности реактора (или производительности по выходу целевого газа) от определяющих его параметров.
6. Система оптимального автоматизированного управления работой реактора плазмотермической газификации твердых бытовых отходов по п.1, отличающаяся тем, что изменение технологических параметров работы плазмотрона в процессе повышения энергонасыщения реакционного объема реактора прекращается, когда температура в реакционной зоне достигает уровня, предельно допустимого по жаростойкости конструкционных материалов реактора.
