Inovácia systémov riadenia kotlov na drevnú štiepku stredných výkonov - Technická univerzita v Košiciach

Úvod

Kvalita spaľovania drevnej štiepky úzko súvisí s množstvom spaľovacieho vzduchu privádzaného do spaľovacieho procesu. V prípade privedenia väčšieho množstva spaľovacieho vzduchu dochádza k energetickým stratám (tzv. komínová strata). Pri privedení menšieho množstva vzduchu ako je optimálne, dochádza k nedokonalému spaľovaniu, pričom spalinami odchádza časť horľavých látok. Tieto predstavujú najmä oxid uhoľnatý (CO) a uhľovodíky z prchavých látok dreva. Horľavé látky odchádzajúce v spalinách jednak spôsobujú straty z hľadiska energetického využitia paliva, jednak sú látkami znečisťujúcimi ovzdušie. Neriadené alebo nesprávne riadené spaľovanie drevnej štiepky môže mať na životné prostredie (hlavne na lokálne ovzdušie) negatívny dopad ako napr. v prípade neriadeného spaľovania uhlia.
S cieľom zabezpečiť spaľovanie blížiace sa optimálnemu, t.j. dosiahnutie dokonalého spaľovania s minimálnym prebytkom vzduchu, boli do riadiacich systémov kotlov na drevnú štiepku stredných výkonov implementované nové algoritmy riadenia spaľovacieho procesu.

Algoritmy riadenia spaľovacieho procesu biomasy

Na základe teoretických poznatkov získaných pri riešení projektu zo štrukturálnych fondov EÚ "Výskum a vývoj inteligentných systémov výroby a dodávky tepla na báze biomasy" boli navrhnuté algoritmy riadenia spaľovacieho procesu biomasy, ktorých základom je zabezpečenie optimálneho množstva dodávaného paliva a kyslíka pre dosiahnutie minimálnej hodnoty emisií CO v spalinách. Množstvo dodávaného kyslíka je dané tzv. súčiniteľom prebytku vzduchu, ktorý je ukazovateľom množstva prebytku spaľovacieho vzduchu voči stechiometrickému množstvu. Tento súčiniteľ má veľký vplyv na účinnosť spaľovania i na emisie CO. Optimálny pracovný rozsah uvedený na Obrázek 1 je pri spaľovaní biomasy zvyčajne v intervale 1,4 až 2 hodnôt súčiniteľa prebytku spaľovacieho vzduchu a závisí na vlhkosti a druhu dreva, z ktorého je štiepka vyrobená, konštrukcie spaľovacieho zariadenia a pod. Úlohou navrhnutých algoritmov riadenia spaľovacieho procesu je nájsť aj pri zmene vlastností štiepky takú hodnotu súčiniteľa prebytku spaľovacieho vzduchu l, pri ktorom budú emisie CO minimálne, čím budú naplnené predpoklady pre dosiahnutie najväčšej účinnosti spaľovacieho procesu. To vyžaduje mať presnú informáciu o skutočnej koncentrácii kyslíka v spalinách a trendovú informáciu o vývoji emisií CO v spalinách (t.j. či koncentrácia CO klesá alebo rastie). Obrázek 1 Typický priebeh závislosti CO a účinnosti na súčiniteli prebytku vzduchu l
Z dôvodu možnosti využitia navrhnutých algoritmov v praxi aj v kotloch menších a stredných výkonov kritériom pre výber snímačov na meranie koncentrácie kyslíka a CO v spalinách bolo splnenie požadovaných technických parametrov pri minimálnych obstarávacích a prevádzkových nákladoch

Realizácia inovovaného systému riadenia kotlov

Pre implementáciu nových algoritmov riadenia spaľovania drevnej štiepky bolo nutné okrem programového vybavenia inovovať aj technické vybavenie systému riadenia kotlov. Pre túto inováciu boli stanovené tieto požiadavky na riadiaci systém:
Na základe uvedených požiadaviek bola vypracovaná technická dokumentácia inovovaného systému riadenia kotlov pre realizáciu systému automatického riadenia a vzdialeného monitorovania spaľovacieho procesu pozostávajúceho z týchto základných častí (Obrázek 2):
Na systém procesného riadenia sú okrem snímačov hlavných procesných veličín a merača tepla ďalej pripojené akčné členy pre ovládanie technológie (frekvenčné meniče ventilátorov, servopohony, spínacie prvky motorov dopravy a plnenia paliva) a ďalšie kontrolno-blokovacie a bezpečnostné prvky technologického zariadenia. Obrázek 2 Štruktúra riadenia a monitorovania

Inovovaný systém riadenia bol inštalovaný na riadenie dvoch rôznych typov (o rôznych výkonoch a od rôznych výrobcov) kotlov stredného výkonu spaľujúcich drevnú štiepku v reálnej prevádzke v praxi na výrobu tepla na vykurovanie a prípravu teplej vody pre občiansku a komunálnu sféru. Do riadiacich systémov boli implementované nové algoritmy riadenia spaľovacieho procesu, ktorých cieľom je zabezpečiť spaľovanie drevnej štiepky blížiace sa optimálnemu.
Pre meranie koncentrácie kyslíka je použitá širokopásmová planárna dvojčlánková lambda sonda s integrovaným vyhrievaním využívajúca princíp medzného prúdu na vyhodnocovanie obsahu kyslíka v spalinách. V rozsahu l = 0,7 až teoreticky l = ∞ (vzduch s obsahom 21% O2) poskytuje táto sonda na svojom výstupe jednoznačný spojitý elektrický signál. Súčasťou dodávky tejto sondy je aj návarok pre jej montáž do dymovodu (potrubia pre odvod spalín). Sonda bola použitá v kombinácii s prevodníkom, ktorý komunikuje s riadiacim systémom cez rozhranie RS232.
Pre meranie koncentrácie kysličníka uhoľnatého v spalinách je použitý senzor s premenlivým odporom v závislosti na koncentrácii CO. Pre jeho vyhodnocovanie bol navrhnutý prevod na napäťový signál. Takto zrealizovaný snímač slúži na orientačné meranie koncentrácie CO v spalinách vzhľadom na to, že pre algoritmus riadenia spaľovacieho procesu drevnej štiepky je dôležitá informácia o trende produkovaného kysličníka uhoľnatého (t.j. či množstvo emisií CO rastie alebo klesá) a nie úplne presný údaj o jeho koncentrácii v ppm resp. mg/m3. Na upevnenie tohto snímača do dymovodu (potrubia pre odvod spalín) bol navrhnutý a vyrobený špeciálny držiak chránený ako úžitkový vzor, ktorý umožňuje polohovanie snímača tak, aby bol zabezpečený čo najlepší prístup spalín k senzoru snímača za splnenia podmienky jeho ochrany pred poškodením v dôsledku vysokých teplôt v spalinových cestách. Tento špeciálny držiak zároveň umožňuje jednoduché prevádzkové čistenie snímača od vznikajúcich usadenín v spalinovej ceste a jeho prípadnú jednoduchú servisnú výmenu.
Pre meranie teploty v spaľovacej komore je použitý termočlánok typu K. U niektorých kotlov ich konštrukcia však neumožňovala umiestniť meraciu časť termočlánku tak, aby bola snímaná priamo teplota plameňa. Z tohto dôvodu meraná teplota je niekedy nižšia ako skutočná, ale pre algoritmus riadenia spaľovacieho procesu drevnej štiepky to nie je až tak podstatné. Dôležitá je informácia o trende teploty v spaľovacej komore (t.j. či teplota spaľovania rastie alebo klesá) a nie úplne presný údaj o tejto teplote.
Prevádzka inštalovaných systémov riadenia je on-line monitorovaná so záznamom priebehov jednotlivých procesných veličín a s možnosťou zmeny parametrov riadenia aj implementovaných algoritmov prístupom prostredníctvom internetu. Vytvorená aplikácia v SCADA systéme umožňuje priebežne vyhodnocovať aj účinnosť výroby tepla, zobrazovať časové priebehy a vzájomné závislosti meraných veličín dôležitých pre vyhodnocovania kvality spaľovacieho procesu. Pre vizualizáciu boli vytvorené grafické schémy so zobrazením základných informácii o stave technologického zariadenia. Obrázek 3 a 4 ukazuje príklad grafických schém pre monitorovanie dvoch zdrojov tepla s inštalovanými dvoma rôznymi typmi kotlov na drevnú štiepku, a to kotolne spoločnosti Dalkia Východné Slovensko, spol. s r.o. (Obrázek 3) a kotolne spoločnosti Bytenerg, spol. s r.o., Medzilaborce (Obrázek 4). Obrázek 3 Monitorovanie kotolne spoločnosti Dalkia Východné Slovensko, spol. s r.o., prevádzka Medzev

Obrázek 4 Monitorovanie kotolne spoločnosti Bytenerg, spol. s r.o., Medzilaborce

Záver

Doposiaľ dosiahnuté výsledky odpovedajú teoretickým predpokladom a stanovenému cieľu inovácie zabezpečiť spaľovanie drevnej štiepky blížiace sa optimálnemu (dokonalé spaľovanie s minimálnym prebytkom vzduchu). Aj z výsledkov overenia navrhnutých algoritmov vyplýva, že pre dosiahnutie tohto cieľa je potrebné priebežne optimalizovať množstvá dodávaného paliva a vzduchu do spaľovacieho procesu na základe skutočnej hodnoty kyslíka a orientačnej hodnoty CO v spalinách. Ďalšie výskumno-vývojové práce sú v súčasnosti zamerané na implementáciu algoritmov prediktívneho riadenia využitím techník výpočtovej inteligencie pre zvyšovanie efektívnosti spaľovania tak, aby spaľovací proces väčšinou prebiehal najmä pri nižších hodnotách dodávaného množstva kyslíka z optimálneho intervalu s cieľom dosiahnutia maximálnej účinnosti spaľovania pri splnení dovolených limitov emisií CO.

Poďakovanie

Článok vznikol s finančnou podporou projektov VEGA 1/0881/13 "Výskum algoritmov a metód prediktívneho riadenia spaľovacích procesov biomasy" a ITMS 26220220030 "Výskum a vývoj inteligentných systémov riadenia výroby a dodávky tepla na báze biomasy".

Autori:

doc. Ing. Ján Piteľ, PhD.
Technická univerzita v Košiciach
Fakulta výrobných technológií so sídlom v Prešove
Katedra matematiky, informatiky a kybernetiky
jan.pitel@tuke.sk

doc. Ing. Jaroslav Šeminský, PhD.
Technická univerzita v Košiciach
Strojnícka fakulta
Katedra automatizácie, riadenia a komunikačných rozhraní
jaroslav.seminsky@tuke.sk