УДК 628.543.49

Оптимізація процесу спалювання природного газу за допомогою сучасних систем автоматичного управління горінням з корекцією за вмістом кисню або продуктів недопалу, які виходять з топкових пристроїв, будуються з урахуванням утворення в процесі горіння токсичних компонентів продуктів згорання [1]. Додатковим регулюючим впливом в таких ситемах крім співвідношення „паливо-повітря” може бути рециркуляція продуктів згорання [2].

Таким чином, задача управління процесом горіння може бути класифікована як багатокритеріальна, а система управління, яка реалізує цю задачу може бути віднесена до оптимальних MIMO – систем.

Згортка критеріїв на основі узагальненого критерію оптимізації, вираженого через склад продуктів згорання має вид:

                                            (1)

де - локальний критерій, що характеризує економічність процесу горіння,

- концентрація водню, оксиду вуглецю та кисню у димових газах;

 - допустимі значення концентрацій відповідних компонентів.

 - локальний критерій, що характеризує токсичність процесу горіння,

де  - поточне значення оксиду вуглецю та оксиду азоту;  - гранично допустимі викиди відповідних компонентів;

,  - значення критеріїв мінімізації при вирішенні приватних задач:

                                                                       (2)

                                                                       (3)

Критерій (1) має сенс мінімальної відстані між крапкою в просторі приватних критеріїв і „ідеальною крапкою” =(, ) [3].

Процедура пошуку оптимального за співвідношенням „паливо - повітря”, яке визначається коефіцієнтом надлишку повітря  з рециркуляцією продуктів згорання режиму горіння при виборі критерію у формі (1) складається з двох етапів.

По-перше, визначити координати „ідеальної” крапки  у просторі приватних критеріїв, тобто вирішення приватних задач (2), (3).

По-друге, вирішити задачу мінімізації узагальненого критерію I (1), з урахуванням зв'язків у виді математичної моделі, яка побудована за допомогою метода розрахунку рівноважних продуктів реакцій, що дозволяє отримати достатньо докладний склад димових газів [4]. Математична модель є системою з трьох груп рівнянь хімічної рівноваги: рівнянь дисоціації, матеріального балансу та рівняння закону Дальтона. Для розрахунку температури горіння ці рівняння необхідно доповнити рівнянням енергетичного балансу топкового пристрою [5].

Усі складові узагальненого критерію оптимізації вимагають знання практично повного складу димових газів. Для дослідження процесу горіння з рециркуляцією продуктів згорання використовувалась модель горіння природного газу Шебелинського родовища [2] в топці котла парогазового блоку потужністю 250 МВт.

Для визначення токсичної складової  векторного критерію  необхідно визначити значення ГПВ токсичних компонентів.

Величина ГПВ визначена з вираження, яке виведено з формули для розрахунку висоти димаря [6]:

                                             (4)

Прийнявши сумарну кількість шкідливої речовини, що викидається в атмосферу М рівним ГПВ, можна за допомогою формули (4) вирішити зворотну задачу: якими повинні бути викиди при відомій висоті димаря, щоб концентрація токсичної речовини в зоні викидів не перевищила ГПК. При цьому одержимо вираз

                                                                                           (5)

де        Н – висота димаря, м;

ГПК_q – гранично припустимі концентрації q-го компонента, що лімітує чистоту повітряного басейну; A – коефіцієнт, який залежить від температурної стратифікації атмосфери для несприятливих метеорологічних умов, що визначає умови вертикального і горизонтального розсіювання шкідливих речовин в атмосферному повітрі;

 –коефіцієнт, який враховує вплив швидкості осадження домішок (для газоподібних шкідливих речовин F=1);

,  – коефіцієнти, що враховують умови виходу газоповітряної суміші з устя джерела викиду;

 – об'ємна витрата газів, що ідуть, що викидаються^, м³/с;

 - число димарів однакової висоти, установлених на електростанції.

Коефіцієнт m визначається в залежності від параметра

                                                                                         (6)

Де :

                                                                                                               (7)

де  - різниця між температурою газів, що виходять з топкових пристроїв, і середньою температурою повітря , під якою розуміють середню температуру самого жаркого місяця опівдні, ;

 – діаметр устя димаря, м;

 – швидкість виходу газів з устя димаря, м/с.

Коефіцієнт  визначається в залежності від параметра

                                                                                                          (8)

при , ,

при     , ,

при , .

Аналіз залежностей (4) – (8) показує, що основними факторами, які впливають на величину ГПВ токсичних компонентів, є навантаження котла, коефіцієнт надлишку повітря , ступень рециркуляції та кількість котлів, що викидають продукти згорання в один димар.

Схема алгоритму розрахунку ГПВ токсичних компонентів за рівняннями (4) – (8) представлена на рисунку 1.

Рис. 1 Алгоритм розрахунку ГПВ токсичних компонентів димових газів

Приклад залежності ГПВ від коефіцієнту надлишку повітря при горінні у повітрі та з рециркуляцією продуктів згорання, приведені на рисунку 2.

Рис. 2 Залежність гранично припустимих викидів (ГПВ) токсичних компонентів продуктів згорання від коефіцієнта надлишку повітря при горінні у повітрі та з рециркуляцією продуктів згорання

Як видно з рисунку 2, ГПВ токсичних компонентів димових газів лінійно залежать від коефіцієнта надлишку повітря  при горінні у повітрі та з рециркуляцією продуктів згорання, крім того, вплив  на зміну ГПВ незначний, що дозволяє прийняти значення ГПВ постійними для всієї області змін . У зв'язку з тим, що оптимальне значення  лежить в області, близької до =1, значення ГПВ варто вибирати відповідно цієї області.

Вибір вектора допустимих значень концентрацій для нормалізації  здійснюється з рішення задачі мінімізації паливних утрат q = q₂+q₃

                                                                                                                       (9)

за умови, що  .

Тут q₂ і q₃ – відносні втрати тепла відповідно з газами, що викидаються, і хімічним недопалом,  - припустиме значення втрат тепла з хімічним недопалом,  - коефіцієнт надлишку повітря.

Втрати тепла з газами, що викидаються, q₂, або фізичне тепло продуктів горіння, що залишають агрегат, залежать в основному від температури газів і їхньго об’єму. Чим нижче температура газів, що виходять з топкового пристрою, тим менше тепла буде втрачуватися з ними, тому варто прагнути до зниження в розумних межах цієї температури.

Втрати тепла з газами, що викидаються, при спалюванні палива з надлишком повітря (h >1) визначаються за формулою

 %,                                     (10)

де  — тепло на 1 кг палива;

 — ентальпія газів, що виходять з топкових пристроїв при відповідном коефіцієнті надлишку повітря  та температури газі, що виходять ;

 - ентальпія холодного повітря, що поступає у котел.

                                                                                     (11)

де         та - об’єми сухих газів та водяної пари в газах, що виходять з топкових пристроїв;

 та  - теплоємність сухих газів та водяної пари.

                                   (12)

де        ,  - теплоємність та температура холодного повітря;

             - влаговміст сухого повітря;

             - ентальпія водяної пари;

             - теоретично необхідна кількість повітря для спалювання 1 кг палива.

Значення відповідних втрат від хімічної неповноти згорання визначаються по вмісту продуктів недопалу () у димових газах [3]

%                         (13)

Усі значення величин, що входять до рівнянь (10)…(13) можуть бути визначені з математичної моделі процесу горіння [2]. Виключення складає температура димових газів , яка визначається вимірюванням безпосередньо на об'єкті.

Аналіз залежності втрат теплоти від коефіцієнта надлишку повітря при горінні у повітрі та з рециркуляцією продуктів згорання показує, що значення , оптимальне з погляду мінімуму суми втрат q₂+q₃, не залежить від , тому що залежність  лінійна за , а  не залежить від . Отже, рівність нулю похідної  досягається при тому самому значенні . Ця обставина дозволяє визначити припустимі значення концентрацій  і , що характеризують втрати окислювача, у такий спосіб:

На підставі математичного моделювання процесу горіння, вибору ГПВ токсичних компонентів, припустимих значень концентрацій компонентів продуктів згорання, що характеризують економічність процесу горіння проведені розрахункові дослідження залежності приватних критеріїв I_Е, I_Т та рециркуляції продуктів згорання від коефіцієнта надлишку повітря .

Розрахунок приватних складових критерію оптимальності статичної оптимізації процесу горіння за алгоритмом, який розглянуто вище, є наведеним на рисунку 3.

Аналіз залежностей (рисунок 3) показує, що процеси горіння оптимальні з погляду економічності і зменшення викидів лежать в області значень  Причому, для зниження токсичності димових газів необхідно зменшети  стосовно значення, що характеризує економічність процесу. Це дозволяє зробити попередній висновок про те, що керування горінням з урахуванням зменшення токсичності димових газів вимагає більшої точності ніж загальновідоме керування, яке здійснюється лише з урахуванням економічності процесу.

Після рішення задач (2) і (3), можна перейти до рішення задачі мінімізації узагальненого критерію I, що з урахуванням обмеження на припустимі втрати з хімічним недопалом записується в такий спосіб

                                                                              (14)

Приклад рішення задач (2) – (3) і розрахованого на їх підставі узагальненого критерію (14) є наданим на рисунку 4.

Рис. 3 Залежність приватних критеріїв від коефіцієнта надлишку повітря при горінні у повітрі та з рециркуляцією продуктів згорання

Рис 4 Залежність узагальненого критерію оптимізації від коефіцієнта надлишку повітря при горінні у повітрі та з рециркуляцією продуктів згорання

Аналіз залежності квадратичного узагальненого критерію від , розрахованих для горіння в повітрі та з рециркуляцією продуктів згорання, показує, що область припустимих значень  істотно звужується порівняно з загальновідомим керуванням лише з урахуванням економічності процесу. Цей критерій найбільш чутливий до зміни , і дає компромісне рішення, найбільш близьке до „ідеальної” крапки . Оптимальне значення коефіцієнту надлишку повітря  для розглянутих умов не змінюється. Узагальнений критерій для розглянутих умов є унімодальним, що дозволяє при вирішенні задачі оптимізації використовувати стандартні алгоритми.

1.                  Бакшанская Т.Д., Рижиков Ю.Г., Тодорцев Ю.К. Регулирование экономичности процесса горения в топках паровых котлов. –Научно-технический сборник «Энергосберегающие технологии в теплоэнергетике - 2007». – Одесса.: 2007. – С.3-8.

2.                  Бакшанська Т.Д., Рижиков Ю.Г., Тодорцев Ю.К. Розрахункові дослідження процесу горіння природного газу з рециркуляцією продуктів згорання для цілей управління. - Автоматика, автоматизация, електротехнические комплексы и системы. – Херсон.: 2007. - №2 (20). - С. 44-52 .

3.                  Гаврилов В.М. Методы многокритериальной оптимизации.– М.:МАДИ, 1982.- 76с.

4.                  Киреев В.А. Методы практических расчетов в термодинамике химических реакций. – М. Химия, 1975.

5.                  Рыжиков Ю.Г., Тодорцев Ю.К. Минимизация токсичности выбросов при управлении сжиганием мазута в топках паровых котлов. Сб. научных трудов №109. – М. Моск. энерг. ин-т, 1986. С. 44-50.

6.                  Рихтер Л.А., Волков З.П., Покровский В.Н. Охрана водного и воздушного бассейнов от выбросов ТЭС. – М.: Энергоиздат, 1981. - 296 с