Способ контроля и управления коэффициентом избытка окислителя при сжигания топлива

Авторы патента:

F23N5/12 - с использованием элементов, чувствительных к ионизации, т.е. стержневой регулировки пламени

Владельцы патента RU 2551714:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Вятский государственный университет (ВятГУ) ФГБОУ ВПО "ВятГУ" (RU)

Изобретение относится к энергетике. Способ контроля и управления процессом горения углеводородного топлива в топках котлов и промышленных печей, при котором опытным путем определяют стехиометрическое соотношение горючего и окислителя для данного вида топлива в данной топке; определяют значения абсолютных величин электрических потенциалов в трех зонах пламени факела: зоне подготовки, зоне сгорания и зоне догорания при стехиометрическом соотношении горючего и окислителя и принимают их за эталонные; непрерывно измеряют значения абсолютных величин электрических потенциалов в трех зонах пламени факела и сравнивают их с эталонными, причём по результатам сравнений непрерывно регулируют подачу окислителя в соответствии с полученными показателями. Изобретение позволяет обеспечить полное сгорание углеводородного топлива в топках. 1 ил.

Изобретение относится к способам контроля и управления процессом горения и может быть использовано в системах контроля и управления процессом сжигания топлива в топках котлов и промышленных печей.

Известно, что величина электрического потенциала в пламени углеводородного топлива определяется двумя факторами: наличием химических реакций горения и термоэмиссией электронов с раскаленных частиц сажи [Степанов Е.М., Дъячков Б.Г. Ионизация в пламени и электрическое поле. - М.: Металлургия, 1968. - с. 158].

Известен способ поддержания оптимального коэффициента избытка окислителя в камере сгорания с помощью измерения второй производной от сопротивления оксидного датчика [АС №6930941-79]. Недостатком такого способа регулирования является трудность предотвращения неполного сгорания топлива, величина которого зависит от амплитудно-частотной характеристики системы регулирования, настройки топливосжигающих устройств и выбранного места установки датчика.

Известен способ регулирования коэффициента избытка окислителя оксидным датчиком, периодически вносимым в топку [АС №7984242-81], однако данный способ регулирования режима горения характеризуется недостаточной точностью регулирования вследствие низкой чувствительности оксидного датчика в защитном чехле.

Известен способ автоматического регулирования процесса горения в топке газомазутного парового котла путем изменения коэффициента избытка окислителя и рециркулирующих газов по данным расхода топлива и воздуха и корректирующему сигналу пропорционально содержанию свободного кислорода в дымовых газах [«Способ управления процессом уменьшения токсичности», АС №8509953-81].

Известен косвенный способ определения коэффициента избытка окислителя, который включает отбор пробы дымовых газов и последующий анализ содержания кислорода с помощью автоматического магнитного газоанализатора [Копелович А.П. Краткий справочник по автоматическому регулированию в черной металлургии. - М.: Металлургия, 1963. - с. 367-375]. При наличии кислорода в продуктах сгорания снижается расход воздуха, необходимый для сжигания этого топлива. Принцип действия магнитного газоанализатора на О₂ основан на магнитной восприимчивости кислорода. При этом используется явление термомагнитной конвекции кислородсодержащего газа в неоднородном магнитном поле при наличии в газе температурного градиента.

Недостатком известного способа является большая тепловая инерция датчика и низкая чувствительность (не больше 8 мВ/% О₂, а также зависимость его показаний от температуры окружающей среды, расхода газа и его давления. Это не позволяет достичь необходимой точности.

Известен способ определения коэффициента избытка воздуха путем измерения температуры продуктов сгорания и других параметров и дальнейшего расчета коэффициента избытка окислителя по формуле [АС №694736 «Способ автоматического регулирования горения в парогенераторе»]. Для данного способа характерна низкая точность, обусловленная недостаточной точностью измерения входящих в формулу параметров.

Для повышения точности измерений температуры в продуктах сгорания с последующим расчетом коэффициента избытка окислителя дополнительно измеряют поток продуктов сгорания при помощи двух датчиков, имеющих различную степень черноты приемных поверхностей [АС №9817615-82 «Способ определения коэффициента избытка воздуха»].

Известен способ определения полноты сгорания топлива, например, в камере сгорания газотурбинного двигателя на неустановившемся режиме работы, отличающийся тем, что, с целью упрощения измерений параметров процесса, определяют разность статических давлений за компрессором в установившемся режиме и при приемистости, а по ее значению - полноту сгорания [АС №244014 - 2005 «Способ определения полноты сгорания топлива»]. Однако он является непригодным для использования в топках котлов и промышленных печей.

Основным недостатком рассмотренных способов является отсутствие непрерывного контроля за процессом сгорания топлива и значительное временя запаздывания управляющего сигнала, реагирующего на изменение коэффициента избытка окислителя.

Техническим результатом от использования изобретения является обеспечение полного сгорания топлива в топках котлов/промышленных печей или других энергетических установок при минимальной концентрации окислителя за счет постоянного поддержания концентраций горючего и окислителя в стехиометрическом соотношении.

Результат получается за счет того, что:

- опытным путем выявлена стехиометрическая зависимость между соотношением топлива и воздуха,

- выполнены измерения электрических потенциалов в трех областях пламени факела - в зоне подготовки, зоне сгорания и зоне догорания,

- выполняется непрерывное измерение и сравнение величин электрических потенциалов в вышеуказанных областях факела пламени,

- на основании сравнения полученных соотношений изменяется подача окислителя или горючего в топочное пространство.

При этом снижается удельное количество используемого топлива и окислителя на единицу полученного тепла; уменьшаются энергозатраты на подачу и нагревание избыточно поданного в топку окислителя, вследствие этого улучшаются экологические и экономические показатели котлов/промышленных печей и прочих энергетических установок.

Предложенный способ позволяет контролировать и поддерживать коэффициент избытка окислителя в топке на таком уровне, что концентрации горючего и окислителя находятся в стехиометрическом соотношении, обеспечивающем полное сгорание топлива при минимальной концентрации окислителя. Вследствие чего минимизируются концентрации вредных продуктов неполного сгорания топлива, таких как СО, СН и т.п., что повышает экологичность процесса сжигания топлива. А также уменьшается расход электроэнергии на подачу окислителя, и снижаются потери теплоты, полученной от сгорания топлива ввиду отсутствия в необходимости нагрева избыточно подаваемого окислителя в топку, который, не участвуя в процессе горения, выбрасывается в атмосферу.

Для справки: стехиометрическое соотношение - это теоретически верное соотношение топлива и воздуха, при котором в процессе горения кислород воздуха и топливо будут израсходованы полностью без остатка. Стехиометрическое соотношение для каждого вида топлива и окислителя определяется опытным путем.

Описание заявляемого способа.

Способ контроля и управления коэффициентом избытка окислителя при сжигании углеводородного топлива в топке котла или промышленной печи заключается:

- в выборе опытным путем оптимального режима горения данного вида топлива в данной топке, т.е. определение стехиометрического соотношения горючего и окислителя, например, известен косвенный способ определения коэффициента избытка окислителя, который включает отбор пробы дымовых газов и последующий анализ содержания кислорода с помощью автоматического магнитного газоанализатора [Копелович А.П. Краткий справочник по автоматическому регулированию в черной металлургии. - М.: Металлургия, 1963. - с. 367-375];

- в определении значений модулей значений электрических потенциалов в трех зонах пламени факела: зоне подготовки, зоне сгорания и зоне догорания при стехиометрическом соотношении горючего и окислителя и в принятии их за эталонные. Измерение электрических потенциалов точек пространства в области горения производится с помощью одноэлектродных пассивных (электростатических) зондов. Электростатический метод измерения потенциалов точек пламени основывается на внесении в область пламени пассивного зонда, подключенного к вольтметру [Фиалков Б.С., Щербаков Н.Д., Плицын В.Т. Распределение электрического потенциала в углеводородных пламенах. ФГВ. - 1978. - №3. - с.87-90], или плате сбора данных PCL-818HG, ориентированной на снятие потенциала в промежутке от 0,001 до 10 В. Полученные данные обрабатываются с помощью ЭВМ. Потенциал измеряется относительно «земли».

Зонд может быть изготовлен из огнеупорного проводящего материала (нихромовой проволоки) и покрыт изолирующим материалом (кварцевым капилляром. Это позволяет изолировать горловину капилляра от попадания в зазор между зондом и капилляром продуктов горения и надежнее зафиксировать зонд);

- в непрерывном измерении модулей значений электрических потенциалов в трех зонах пламени факела;

- в непрерывном сравнении получаемых значений модулей электрических потенциалов в зоне сгорания и догорания с помощью программы ЭВМ (например, модернизированной программы: «Расчет и построение градиентов концентрации электрических зарядов и тепловых потоков в области горения». Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ №2012661405 РФ /Роспатент. - Заявл. 21.12.2012 - №2013612108; зарег. 14.02.2013 в Реестре программ для ЭВМ);

- коэффициент избытка окислителя будет близок к стехиометрическому, если разность потенциалов между зоной сгорания и зоной догорания близка к нулю и между зоной подготовки и зоной сгорания электрический потенциал отличается приблизительно в десять раз;

- увеличение разности абсолютных величин потенциалов между зоной сгорания и зоной догорания свидетельствует о том, что коэффициент избытка окислителя больше стехиометрического, и расход топлива увеличивают (либо уменьшают расход воздуха);

- уменьшение разности абсолютных величин потенциалов между зоной сгорания и зоной догорания свидетельствует о том, что коэффициент избытка окислителя меньше стехиометрического, и расход топлива уменьшают (либо увеличивают расход воздуха);

- уменьшение отношения абсолютных величин потенциалов зоны подготовки к зоне сгорания более чем в 10 раз свидетельствует о том, что коэффициент избытка окислителя больше стехиометрического, и расход топлива увеличивают (либо уменьшают расход воздуха);

- увеличение отношения абсолютных величин потенциалов зоны подготовки к зоне сгорания более чем в 10 раз свидетельствует о том, что коэффициент избытка окислителя меньше стехиометрического, и расход топлива уменьшают (либо увеличивают расход воздуха);

- изменение соотношения абсолютных величин потенциалов зоны подготовки к зоне сгорания проявляется только при значительном отклонении (более 70%) коэффициента избытка окислителя от стехиометрического значения;

- изменение соотношения абсолютных величин потенциалов между зоной сгорания и зоной догорания при значительном отклонении (более 70%) коэффициента избытка окислителя от стехиометрического значения не позволяет достоверно определить коэффициент избытка окислителя по величине значений электрических потенциалов в этих зонах;

- в непрерывном регулировании подачи окислителя в соответствии с полученными показателями. В качестве двигателя подачи воздуха (горючего) может быть использован асинхронный двухфазный двигатель, который установлен на современных газовых горелках [Токарев Б.Ф. Электрические машины. Учеб. пособие для ВУЗов. - М.: Энергоатомиздат, 1990], оборудованный микропроцессорным устройством управления, получающим управляющие сигналы с ЭВМ.

Так как измерение и сравнение электрических потенциалов в трех областях пламени производится непрерывно во все время работы топки, то в любой момент времени имеется информация о динамике процесса горения по высоте факела пламени. Результаты измерения и сравнения величин электрических потенциалов отражают динамику выгорания практически мгновенно, поэтому время запаздывания в отработке управляющего сигнала на изменение коэффициента избытка окислителя близко к минимальному.

На чертеже показана схема расположения областей пламени, где 1 - зона подготовки, 2 - зона сгорания и 3 - зона догорания.

Предложенный способ позволяет контролировать и поддерживать коэффициент избытка окислителя в топке на таком уровне, что концентрации горючего и окислителя находятся в стехиометрическом соотношении, обеспечивающем полное сгорание топлива при минимальной концентрации окислителя. Вследствие этого минимизируются концентрации вредных продуктов неполного сгорания топлива (таких как СО и СН), что повышает экологичность процесса сжигания топлива, а также уменьшается расход электроэнергии на подачу окислителя и снижаются потери теплоты, полученной от сгорания топлива ввиду отсутствия в необходимости нагрева избыточно подаваемого окислителя (не участвует в процессе горения и выбрасывается в атмосферу) в топку.

Способ контроля и управления коэффициентом избытка окислителя при сжигании топлива, включающем измерение величин электрических потенциалов в факеле и регулирование подачи топлива и окислителя, отличающийся тем, что опытным путем определяют стехиометрическое соотношение горючего и окислителя для данного вида топлива в данной топке; определяют значения абсолютных величин электрических потенциалов в трех зонах пламени факела: зоне подготовки, зоне сгорания и зоне догорания при стехиометрическом соотношении горючего и окислителя и принимают их за эталонные; непрерывно измеряют значения абсолютных величин электрических потенциалов в трех зонах пламени факела и сравнивают их с эталонными; по результатам сравнений непрерывно регулируют подачу окислителя или топлива в соответствии с полученными показателями.

Изобретение относится к области энергетики. Способ зажигания и эксплуатации горелок при газификации углеродосодержащих типов топлива с использованием по меньшей мере двух газификационных горелок заключается в том, что одна из газификационных горелок выполнена в виде пусковой горелки, для зажигания которой служит по меньшей мере одна пилотная горелка, которую зажигают посредством электрического запального элемента, при этом посредством пилотной горелки в пусковой горелке воспламеняют смесь из горючего газа и кислородосодержащего газа, при этом после зажигания пусковой горелки от нее зажигают по меньшей мере одну другую газификационную горелку и пусковую горелку за счет смены среды эксплуатируют далее в качестве одной из газификационных горелок углеродосодержащего топлива.

Устройство для измерения интенсивности пламени // 2440536

Изобретение относится к устройствам для измерения интенсивности пламени. .

Способ контроля и управления сжиганием топлива в поршневом двигателе и устройство для его осуществления // 2438070

Изобретение относится к системам контроля и управления процесса сгорания углеводородного топлива в камерах сгорания ДВС. .

Способ эффективного сжигания топлива и устройство для его осуществления // 2432527

Изобретение относится к теплоэнергетике, огневым технологиям и может найти широкое применение в теплоэнергетических установках (котельные, домны и т.д.). .

Способ контроля режима тепловой энергетической установки и датчик для его осуществления // 2374559

Изобретение относится к средствам диагностики процесса горения в тепловых энергетических установках. .

Способ контроля и управления сгорания топлива в двс и ионизационный датчик для его осуществления // 2309334

Изобретение относится к системам контроля и управления процессами воспламенения и сгорания топлива, конкретно к системам контроля и управления процесса сгорания углеводородного топлива в камерах сгорания ДВС.

Система для генерирования энергии (варианты) // 2240435

Изобретение относится к системе для генерирования энергии, в которой электроэнергия генерируется за счет энергии искусственно созданного непрерывного вихревого восходящего потока.

Способ сжигания топлива и устройство для его осуществления // 2160414

Изобретение относится к теплоэнергетике, огневым технологиям и может найти широкое применение в теплоэнергетических установках (котельные, домны и т.д.), а также в реактивных и газотурбинных двигателях, использующих также топливные горелки для преобразования тепловой энергии горения топлива в реактивную кинетическую энергию струи пламени и отходящих газов.

Способ контроля пламени керамической горелки портативной газовой плиты и устройство для его осуществления // 2126935

Изобретение относится к бытовым газовым плитам, духовые шкафы которых, в частности, оборудованы предохранительными устройствами, перекрывающими подачу газа в случае прекращения горения.

Способ контроля и управления сжиганием топлива и ионизационный датчик для его осуществления // 2096690

Система обнаружения и зажигания пламени запальника // 2566616

Изобретение относится к области энергетики. Способ для обнаружения и зажигания пламени характеризуется тем, что обеспечивают стержень пламени, причем один конец стержня пламени размещают в месте нахождения пламени горелки; закрывают участок стержня пламени изолятором на заданном расстоянии от указанного конца стержня пламени; определяют наличие пламени на горелке путем обнаружения напряжения на стержне пламени, которое обусловлено областью ионизированного газа пламени; и зажигают горелку искрой на стержне пламени, чтобы инициировать пламя на горелке; при этом изолятор устраняет влияние влажности для предотвращения электрической неисправности стержня пламени, которая делает стержень пламени неспособным обнаруживать напряжение на стержне пламени, вызываемое областью ионизированного газа пламени, или зажигать горелку с помощью искры. Изобретение позволяет противодействовать атмосферным осадкам запальникам, которые обеспечивают обнаружение и зажигание пламени. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

Способ исследования процесса сгорания в двигателе внутреннего сгорания и система для его осуществления // 2584085

Изобретение относится к системам исследования, контроля и управления процессами воспламенения и сгорания топлива, конкретно к системам исследования процессов воспламенения и сгорания топлива в камерах сгорания двигателей внутреннего сгорания. Для осуществления данного способа разработана следующая методика: вдоль определенного направления движения пламени вычисляют скорость распространения переднего и заднего фронта пламени в основной и заключительной фазах, ширину зоны горения определяют с помощью известных расстояний между изолированными электродами и промежутков времени между появлением и исчезновением ионного тока на этих электродах, интенсивность протекания скоростей химических реакций горения определяют амплитудой ионного тока и временем его существования в сравнении с амплитудой и временем существования ионного тока в цепи соответствующих электродов датчика при сжигании топливно-воздушной смеси (ТВС) стехиометрического состава Техническим результатом является определение основных характеристик сгорания ТВС при проектировании и доводке двигателей нового поколения, обеспечивающих высокую эффективность сгорания ТВС и минимальную концентрацию несгоревших углеводородов в отработавших газах. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

Устройство измерения, контроля и диагностики процесса сгорания в камере двигателя внутреннего сгорания // 2620477

Изобретение относится к системам исследования, контроля и диагностики процесса воспламенения и сгорания топлива, конкретно к системам исследования процесса сгорания топлива в камерах сгорания поршневых двигателей внутреннего сгорания. Устройство измерения, контроля и диагностики процесса сгорания в камере двигателя внутреннего сгорания содержит ионизационный датчик, включающий изолированные друг от друга электроды. Один из электродов, отрицательный, - корпус головки цилиндра. Второй, положительный, - изолированный от головки цилиндра металлический стержень. Второй электрод установлен в отверстии, выполненном в головке цилиндра. Металлический стержень второго электрода покрыт электроизоляционным слоем лака и имеет сферическое утолщение на одном конце. Отверстие в корпусе головки цилиндра снабжено фаской и имеет диаметр, равный диаметру стержня. Устройство содержит прибор фиксации показаний датчика. Технический результат заключается в повышении надежности и долговечности работы системы измерения ионных токов в камере сгорания. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Устройство нагрева воды и способ для измерения силы тока пламени в пламени в устройстве нагрева воды // 2620916

Изобретение относится к устройству нагрева воды. Устройство содержит горелку и устройство измерения силы тока пламени. Устройство измерения содержит два электрода и источник напряжения, где каждый из полюсов источника напряжения соединен с одним из электродов. Устройство нагрева воды дополнительно содержит теплообменник, который электрически изолирован относительно горелки. Горелка и теплообменник здесь образуют электроды устройства измерения силы тока пламени. Теплообменник, действующий как электрод, может быть заземлен. Измеренная сила тока пламени может быть использована для определения коэффициента избытка воздуха при горении. Устройство нагрева воды может дополнительно содержать регулятор воздух/топливо для регулирования соотношения воздух/топливо, при этом регулятор воздух/топливо использует определенный коэффициент избытка воздуха для регулирования соотношения воздух/топливо. Изобретение также относится к способу измерения силы тока пламени в пламени. Изобретение позволяет повысить надежность обнаружения пламени, обеспечить устойчивость процесса горения. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.