mgr in. Maciej Szumski
Wydzia Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechnika Warszawska
REGULATOR KOTA STAOPALNEGO
Praca zawiera krótki opis procesów spalania w kotle retortowym spalajcym wgiel kamienny, wykonane badania kotów oraz realizacj regulatora procesu spalania. Celem pracy jest opracowanie algorytmów ekologicznego i ekonomicznego spalania wgla w kotach retortowych. Przedstawiono realizacj algorytmu Fuzzy Logic opartego na charakterystyce statycznej kota.
REGULATOR FOR COAL BOILERS WITH SPIRAL FEEDERS The paper includes a brief description of processes occurring during burning of coal in a coal boiler, measured characteristics of such boilers and an implementation of a burn process controller. The goal is to create control algorithms ensuring ecological and economical process of burning coal in boilers with spiral feeders. Presented is an implementation of Fuzzy Logic algorithm based on static characteristics of a boiler.
1. OPIS OBIEKTU STEROWANIA
1.1. Kocio staopalny z retortowym podawaniem paliwa
Celem pracy jest opracowanie algorytmu sterowania kota staopalnego z retortowym podawaniem wgla. Algorytm powinien zapewnia ekonomiczne spalanie wgla z jedno- czesn moliwie ma emisj spalin do atmosfery.
Budowa i zasada dziaania kota retortowego opalanego wglem kamiennym pokazane s na rysunku powyej. Paliwo (wgiel) jest zasypywane do podajnika (1) i podawane za pomoc retorty (2) do paleniska (3), retorta jest napdzana silnikiem (4). Do prawidowego spalenia okrelonej dawki paliwa potrzebna jest waciwa ilo powietrza, jest to regulowane za
pomoc wentylatora (5). Obiektem sterowania jest sam kocio (regulator paleniska) wraz z instalacj centralnego ogrzewania i ciepej wody uytkowej (regulator ukadu cieplnego). 1.2. Wgiel kamienny - paliwo
Wgiel naturalny [Jar96] stanowi mieszanin chemicznych zwizków organicznych zawierajcych pierwiastki C, H, O oraz pewn ilo N i S. W nieorganicznej czci wgla wystpuj róne iloci mineraów i wilgoci. Wgiel naturalny powsta w wyniku rozkadu materiau rolinnego bez dostpu powietrza. Najstarszym geologicznie wglem, o najwikszej zawartoci pierwiastka C jest antracyt, porednie miejsca zajmuj wgiel kamienny i mniej uwglony wgiel brunatny, a najmodszy jest torf. Substancja mineralna wystpujca w wglu nie jest zwizana chemicznie z substancj organiczn. Na ogó ponad 50 % substancji mineralnej przypada na zwizki glinu (Al2O3) i krzemu (SiO2), a inne zwizki wystpuj w mniejszych, rónicych si midzy sob ilociach.
Wgiel [Ko64] skada si z trzech podstawowych skadników:
x z substancji organicznej (palnej), czyli tych skadników które w procesie spalania ulegaj utlenieniu,
x substancji nieorganicznej (mineralnej), czyli popiou – niepalnej,
x wody powodujcej wilgotno wgla, skada si z wilgotnoci przemijajcej (mona usun przez suszenie) i higroskopijnej, zwizanej ze struktur wgla.
Do cech majcych zasadnicze znaczenie dla przebiegu procesów paleniskowych nale:
x zawarto czci lotnych, czyli ilo substancji, która wydziela si z wgla przy jego podgrzewaniu (suchej destylacji), w procesie odgazowania. Proces ten rozpoczyna si od temperatury powyej 100 °C, osiga swoje najwysze nasilenie w granicach temperatur 400 – 500 °C i koczy w temperaturze 1100-1250 °C. Prdko spalania zalena jest w decydujcej mierze od zawartoci czci lotnych w paliwie: w odrónieniu od koksu (pozostao po odgazowaniu), produkty odgazowania cechuje intensywny przebieg procesu spalania. Ze wzrostem zawartoci czci lotnych maleje ilo pozostaej do spalenia substancji staej, w rezultacie czego czas ogólny, potrzebny do spalenia caego paliwa jest mniejszy. Dugi pomie powoduje wzrost natenia wymiany ciepa drog promieniowania.
x spiekalno: cecha ta ma due znaczenie w paleniskach z rusztem mechanicznym (np. koty retortowe), szczególnie gdy spiekane s drobne sortymenty (groszek). Spiekalno jest wówczas cech korzystn, gdy powoduje zespalanie si drobnych frakcji w wiksze bryy, wskutek czego maleje zarówno strata wskutek przesypu, jak strata koksiku lotnego. Ze wzrostem zawartoci popiou maleje spiekalno.
x wilgo: z punktu widzenia bilansu energetycznego zawarto wilgoci w paliwie jest niekorzystna, gdy wpywa na wzrost straty kominowej i obnienie wartoci opaowej paliwa.
x zawarto popiou oraz jego wasnoci: dua zawarto popiou zmniejsza warto opaow wgla, wana jest przy tym nie tylko ilo popiou lecz równie jego wasnoci takie jak temperatura miknienia i temperatura topnienia. Wysoko tych temperatur zalena jest od skadu chemicznego popiou. Skadnikami wpywajcymi na wzrost temperatury topnienia s: krzemionka SiO2 oraz korund Al2O3. Rol topnika obniajcego temperatur topnienia spenia tlenek elaza Fe2O3, ponadto w popiele wystpuj tlenki wapnia CaO i magnezu MgO oraz siarczany np. CaSO4. Ogólnie mona stwierdzi, e ule niskotopliwe powoduj w paleniskach rusztowych zalewanie szczelin
nadmuchowych (powietrza pierwotnego). Poza tym uel taki zalewa czstki paliwa, zamykajc dostp powietrza, w rezultacie rosn straty popielnikowe. Jeeli kocio zostanie zasilony paliwem o popiele atwo topliwym, wówczas popió – unoszony ze spalinami z komory paleniskowej do kanaów wypenionych powierzchniami konwekcyjnymi – znajduje si w stanie plastycznym: w rezultacie popió taki zaczyna przykleja si do tych powierzchni. Nie tylko utrudnia to wymian ciepa, lecz równie zmniejsza przekrój kanaów – oba te zjawiska s przyczyn spadku wydatku i sprawnoci kota.
x zawarto siarki: polskie wgle energetyczne wykazuj na ogó nisk zawarto siarki wolnej (palnej), mimo to moe ona sta si ródem pewnych kopotów. W wyniku utleniania siarki w warunkach paleniska otrzymuje si bezwodnik kwasu siarkowego SO2. Obecno tego gazu nie jest grona dopóki nie wejdzie on w zwizek z wod, tworzc kwas siarkawy. Kwas ten ma silne wasnoci korozyjne w stosunku do stali. W przypadku, gdy spaliny mog osign punkt rosy (w spalinach znajduje si dua ilo pary wodnej pochodzca z odparowania wilgoci i utlenienia wodoru czci lotnych) w kotle wystpuj silne zjawiska korozyjne.
x ziarnisto wgla ma duy wpyw na prac palenisk rusztowych. Warunki pracy takich palenisk pogarsza przede wszystkim ilo podziarna. Podziarnem nazywa si ziarno o rednicy mniejszej od dolnej granicy, nadziarnem – ziarno o rednicy wikszej od górnej granicy charakteryzujcej dany sortyment paliwa. Ziarnisto powoduje wzrost straty przesypu, a jednoczenie przyczynia si do zatykania drogi powietrza midzy ziarnami spalanej warstwy paliwa. Jeli paliwo cechuje si ponadto nisk spiekalnoci, wówczas drobne frakcje mog by unoszone do kanaów spalinowych, powodujc straty koksiku lotnego, jak równie zanieczyszczenia powierzchni ogrzewanych kota. Wszystkie te zjawiska wpywaj niekorzystnie na sprawno kota.
1.3. Emisja zanieczyszcze [Jd77], [DDJO07], [Jar96]
W procesach energetycznego spalania wgla gównymi zanieczyszczeniami emitowanymi do atmosfery s pyy, tlenki siarki, tlenki wgla i tlenki azotu. Emisja pyów zaley od zawartoci popiou w paliwie oraz unosu pyu z paleniska, który zaleny jest od konstrukcji kota. Emisj dwutlenku siarki atwo jest obliczy na podstawie znajomoci zawartoci siarki w paliwie. Siarka wystpuje w wglu w postaci siarki organicznej palnej oraz siarki pirytowej. W maych kotach z rusztami staymi lub mechanicznymi mona przyjmowa do oblicze emisji SO2 tylko zawarto siarki palnej.
Okrelenie emisji tlenków azotu powstajcych w procesie spalania wgla jest trudniejsze. Tlenki azotu powstaj w wysokich temperaturach panujcych w komorze paleniskowej na skutek wizania si atmosferycznego tlenu i azotu. Powstajcy tlenek azotu NO nie jest zwizkiem trwaym i moe po zmianie warunków ulega rozpadowi z powrotem na tlen i azot. Jak wykazay badania, zawarto azotu i siarki w paliwie nie wpywa na tworzenie si tlenków azotu. Zasadniczym parametrem wpywajcym na reakcj wizania tlenu z azotem jest temperatura. Im wiksza zawarto wglowodorów w paliwie tym wysza temperatura pomienia. Tak wic najwiksze iloci tlenków azotu powstaj przy spalaniu olejów opaowych, nisze przy spalaniu wgla i najnisze przy spalaniu gazu.
Tlenek wgla jest gazem bezbarwnym i bez zapachu. Dla istot ywych jest trujcy dlatego, e w zetkniciu z krwi wie si z barwnikiem krwi – hemoglobin, z któr ma 200-240 razy wiksze powinowactwo ni tlen. Jest to do trwae, koordynacyjne poczenie tlenku wgla z atomami elaza hemoglobiny, które w konsekwencji uniemoliwia naturaln reakcj
hemoglobiny z tlenem. Blokowanie hemoglobiny trwa przez kilka godzin od momentu wystawienia organizmu na dziaanie tlenku wgla, co powoduje, e gaz ten jest szczególnie niebezpieczny. Wikszo miertelnych wypadków, majcych zwizek z efektami spalania, zdarzyo si w wyniku zatru tlenkiem wgla w budynkach wyposaonych w piece o nieszczelnych paleniskach i kanaach kominowych, w pomieszczeniach sabo wentylowanych. Stenie 100 ppm (125 mg/m3) CO w powietrzu i oddziaywanie na czowieka w czasie jednej godziny powoduje wizanie 40% hemoglobiny i wywouje zaburzenia kardiologiczne. Warto 250 mg/m3 tlenku wgla w powietrzu moe by przyczyn mierci.
Mechanizmy powstawania tlenku wgla. Wgiel C, jako pierwiastek zawarty w paliwie, spalajc si przechodzi przez stadium tlenku wgla CO. Tak wic dziaania majce na celu zmniejszenie zawartoci tlenku wgla w spalinach polegaj na przyspieszeniu jego utleniania do nietoksycznego dwutlenku wgla CO2. Tlenek wgla CO powstaje w duych ilociach w miejscach silnego niedoboru tlenu, który jest niezbdny do dokoczenia reakcji utleniania wgla na CO2. Tlenek wgla moe pojawi si równie w zwikszonych ilociach w miejscach obszaru spalania, w których lokalny skad mieszanki jest bliski stechiometrycznemu, a odpowiadajca mu temperatura spalania bliska maksymalnej. W miejscach tych CO powstaje wskutek dysocjacji CO2. Tlenek wgla utlenia si stosunkowo wolno i w wielu urzdzeniach technicznych wanie prdko utleniania CO wyznacza czas przebywania niezbdny do tego, aby spalanie dobiego koca.
2. REGULATOR PALENISKA
2.1 Identyfikacja obiektu sterowania
Stosunek rzeczywistego zapotrzebowania na powietrze do zapotrzebowania teoretycznego jest okrelony jako wspóczynnik lambda: = Lrz / Lt . Ilo podawanego powietrza jest parametrem krytycznym: waciwa powoduje najlepsze spalanie, czyli pozwala z zadanej dawki paliwa uzyska najwicej energii przy jednoczesnej najmniejszej emisji szkodliwych substancji do atmosfery. Mniejsza ilo powietrza powoduje niespalenie czci paliwa i niedopalenie paliwa spalanego co powoduje negatywne skutki ekonomiczne. Zbyt dua ilo powietrza powoduje, z kolei ochodzenie przestrzeni spalajcej paleniska i gwatowny wzrost emisji tlenku wgla. Wgle kamienne zawieraj znaczn zawarto czci lotnych (okoo 40 %). Przy spalaniu wgla ograniczenie dopywu powietrza nie spowoduje zatrzymania procesu, lecz nastpuje odgazowanie czci lotnych, które nie spalone w postaci tlenku wgla i sadzy bd uchodziy do komina. Nadmiar powietrza powoduje ochodzenie paleniska i kota, czyli mniejsza cz uzyskanej ze spalenia energii jest przekazywana do instalacji ciepowniczej – pogarsza si wymiana ciepa pomidzy paleniskiem a obiegiem czynnika grzewczego (wody) w kotle. Ilo podawanego powietrza jest sum strumienia nawiewanego przez wentylator oraz naturalnego cigu kominowego.
Sygnay sterujce (wejcia):
Wn – wentylator, sygna o zakresie 0% do 100% mocy wysterowania.
Ret – retorta, sygna wysterowania silnika retorty. Silniki s tak dobierane, e konieczne jest wysterowanie równe 100%. Ilo podawanego paliwa reguluje si wypenieniem sygnau Ret: na przykad przy staym czasie podawania wgla 15 sekund, reguluje si czas przerwy.
Sygnay wyjciowe (mierzone):
Tz – Temperatura zasilania instalacji grzewczej (kaloryfery). Zakres to 40 – 80 ºC. Tp – Temperatura powrotu z instalacji grzewczej (kaloryfery). Rónica temperatur Tz-Tp
(przy staym przepywie czynnika grzewczego – wody) jest wprost proporcjonalna do mocy cieplnej oddawanej do instalacji grzewczej (zaleno ta nie jest liniowa). Ts – Temperatura spalin.
Tk – Temperatura w komorze spalania.
A – Analizator spalin. Pozwala na szybkie zidentyfikowanie waciwych warunków spalania i jest uywany na etapie wyznaczania charakterystyk kota.
Zakócenia: rodzaj i wilgotno paliwa, warto cigu kominowego (zaley od wysokoci komina i rónicy gstoci spalin u dou i u góry komina, a gsto zmienia si z temperatur spalin, czyli cig zaley take od temperatury zewntrznej). Osady na cianach komory spalania pogarszaj wymian ciepa pomidzy paleniskiem a czynnikiem grzejnym co prowadzi do wzrostu temperatury spalin i pogarsza sprawno kota. Zakóceniem jest take wielko odbioru ciepa przez instalacj grzewcz – zbyt maa w stosunku do iloci
dostarczanego paliwa powoduje podwyszenie temperatur Tz i Tp (zasilania i powrotu) i pogarsza wymian ciepa z paleniskiem, czyli obnia sprawno kota.
Obecnie koty s sterowane za pomoc sterowników w których rcznie ustawia si czas przerwy pracy retorty (w sekundach – w ten sposób okrela si wielko strumienia paliwa jako wypenienie: 15 s pracy i np. 45 s przerwy) oraz procent mocy wentylatora. Dokonuje si tego „na oko” obserwujc palenisko: ilo paliwa i wysoko oraz kolor pomienia. Na zdjciach poniej: z lewej strony pomie jest zbyt niski – nadmuch powietrza jest zbyt may, z prawej strony jest zbyt duy.
Niestety w do szerokim zakresie mocy wentylatora (+/- 5%) pomie jest okrelany jako prawidowy. W celu ustalenia waciwej temperatury spalin naley uy analizatora spalin. Pomiary z wykorzystaniem analizatora spalin zostay wykonane w nastpujcych warunkach: rcznie ustawiono stay strumie paliwa: 15 s pracy retorty i 50 s przerwy, nastpnie rcznie bya ustawiana staa moc wentylatora kolejno od 23 % do 36 %, z krokiem 1 %. Po ustabilizowaniu si warunków w komorze spalania, nastpowaa rejestracja danych (przez ½ godziny) uzyskiwanych z analizatora spalin, przede wszystkim zawarto tlenku wgla i tlenu w spalinach. Dane zarejestrowane byy poddawane analizie. Stenie tlenku wgla przedstawione w dziedzinie czasu jest bardzo dynamiczne, co wynika z silnej „turbulentnoci” procesu. Do oceny uzyskanych wyników zostay uyte metody identyfikacji opisane w [LL06].
Wykres powyej przedstawia stenie tlenku wgla w funkcji mocy wentylatora, czyli iloci podawanego powietrza, przy staym strumieniu paliwa. Linia czerwona ciga to rednie stenie CO odniesione do zawartoci tlenu w spalinach, linia czarna ciga to odchylenie standardowe. Najlepsza ilo powietrza odpowiada 27 % mocy wentylatora, stenie tlenku wgla oraz odchylenie standardowe s najmniejsze. Wskazuje to na istnienie zalenoci: im lepsze warunki spalania, tym mniejsza emisja tlenku wgla i bardziej stabilny przebieg procesu spalania.
Wykres wskazuje wyranie, e jest bardzo wski zakres regulacji, w którym kocio pracuje poprawnie. Obecnie produkowane i uywane sterowniki kotów (to nie s regulatory) nie reguluj kota tylko nim steruj z rcznie ustawianymi nastawami: ilo podawanego wgla i moc wentylatora – jest to proste przeniesienie nastaw rcznych. Zarówno producenci kotów, jak i instalatorzy oraz uytkownicy ustawiaj kocio obserwujc pomie oraz popió. Powoduje to takie ustawienie pracy kota, e pracuje on ze zbyt du iloci powietrza, czyli w obszarze duej emisji do atmosfery szkodliwych substancji: gównie tlenku wgla oraz pyu – odpowiada to punktom 32 % i 34 % na wykresie. Unios pyów oczywicie wzrasta ze wzrostem mocy wentylatora, czyli wzrostem strumienia powietrza. Taki sposób nastawiania rcznego wynika z faktu, e straty kominowej oraz emisji szkodliwego tlenku wgla „nie wida”, wida natomiast popió, który oczywicie nie zawiera niedopalonych kawaków wgla gdy strumie powietrza jest zbyt duy.
Nastawy sterownika 15/40 32 % oraz 15/50 30 % zostay dobrane metod prób (bez analizy spalin) zgodnie z wytycznymi producenta kotów. Przyjem strumienie paliwa 15/40 oraz 15/50 jako bazowe i z prostej proporcji (liniowo wypenienia) wyliczyem czasy przerw strumieni wikszych i mniejszych otrzymaem: 128 s, 87 s, 64 s, 50, 40 s, 32 s, 27 s, 23 s, 19 s, 16 s, 14 s (przy staym czasie podawania paliwa 15 s).
Pomiary zostay powtórzone dla pozostaych, wyznaczonych strumieni paliwa. Przykadowe wyniki na rysunkach poniej. Ostatecznie zosta utworzony model statyczny pracy kota: zawarto tlenku wgla odniesiona do zawartoci tlenu w spalinach w funkcji strumienia paliwa i strumienia powietrza:
2.2 Regulator paleniska
Opracowany algorytm regulacji zosta zaimplementowany w regulatorze ecoMAX 500 produkcji firmy Plum:
Dziaanie algorytmu jest nastpujce: na podstawie rónicy temperatur zasilania i powrotu oraz rónicy pomidzy temperatur zasilania zadan i zmierzon, ustalany jest strumie paliwa w postaci: stay czas pracy retorty 15 s i odpowiednio wyliczany czas przerwy.
Wykres czasu przerwy pokazano na rysunku poniej. Dla tak ustalonego strumienia paliwa wyliczany jest waciwy strumie powietrza w postaci „procent mocy wentylatora” na podstawie modelu statycznego kota. Zosta utworzony model Mamdaniego z trójktnymi funkcjami przynalenoci i wyjciem liczonym metod singletonów.
Pomiary stenia tlenku wgla w spalinach kota regulowanego opisanym algorytmem wykazay, e osignito zaoone cele. Prowadzone s dalsze prace nad stworzeniem zaawansowanych algorytmów opartych o pomiary temperatur w wyznaczonych miejscach kota, które bd dziaay nie tylko w oparciu o statyczny model kota.
3. LITERATURA
[AW95] Karl Johan Astrom, Bjorn Wittenmark Adaptive Control. 1995
[ChKZ80] Witold Chmielnicki, Krzysztof Kasperkiewicz, Bernard Zawada Laboratorium Automatyzacji Urzdze Sanitarnych, Wydawnictwa PW 1980
[DDJO07] Micha Domaski, Ladislav Dzurenda, Marek Jaboski, Jan Osipiuk Drewno jako materia energetyczny, Wydawnictwo SGGW Warszawa 2007
[Jar96] Józef Jarociski Techniki czystego spalania. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne Warszawa 1996
[Jd77] Jacek Jdrzejowski Podstawowe procesy przemysowe. Przemys energetyczny. Wydawnictwa PW 1977
[Ko64] Leon Koodziejczyk Urzdzenia kotowe ciepownicze i technologiczne Arkady 1964 [LL06] Lennart Ljung System Identification: Theory for the User. Prentice Hall 2006
[MizR94] Krystyna Mizieliska, Marian Rubik róda ciepa. Ciepownictwo. Poradnik. [Ross07] Timothy J. Ross Fuzzy Logic with engineering applications. Wiley 2007
[Tat02] Piotr Tatjewski Sterowanie zaawansowane obiektów przemysowych. Struktury i algorytmy. EXIT 2002
