СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В ТОПКЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Изобретение относится к области энергетики, точнее к системам управления, а именно к способу регулирования процесса сжигания топлива в топке энергетической установки, и может быть применено в других областях промышленности, в частности, в установках по глубокой переработке одних видов топлива в другие.

Известен способ регулирования процесса сжигания угля (патент РФ № 2230981 С2, 2004 г., F 23 В 7/00, F 23 К 1/00), включающий диспергирование и впрыск в камеру сгорания, в котором, с целью улучшения процесса сгорания, регулируют распределение частиц угля перед впрыском его в топку и обеспечивают оптимальное значение составляющих скорости вихревого потока путем его турбулизации и подкрутки.

Однако данный способ имеет ряд недостатков, одним из которых является отсутствие операции по анализу состава вдуваемого газа и топлива, а также информации о текущих параметрах процесса сжигания топлива как в самой топке, так и на выходе из нее, т.е. не предусмотрены какие-либо меры по снижению токсичности отходящих газов.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому решению по совокупности признаков является способ оптимизации процесса горения топлива для котлов ПТВМ-60, 100, 120 на основе стационарного газоанализатора КГА-8С (журнал «Новости теплоснабжения», 2002 г., №1), в котором предусмотрена система из двух регуляторов - грубого и точного.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе отсутствуют технологические приемы и режимные условия, обеспечивающие более эффективное сжигание топлива при минимальных выбросах вредных веществ в окружающую среду. К тому же использование данного способа совершенно не приемлемо для устройств, использующих в качестве топлива уголь. Кроме того, двухступенчатая система регулирования при отключении точной ступени в случае превышения в уходящих газах СО свыше 100 ppm и снижения давления более чем на 10% не повышает экономичность, как это утверждают авторы, а по всей видимости, понижает ее и существенно ухудшает технико-эксплуатационные и экологические показатели данного способа. Образование и выброс токсичных газов в окружающую среду при таком регулировании процесса сжигания топлива не уменьшится, а напротив повысится.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков путем реализации нового способа регулирования процесса сжигания топлива в топке энергетической установки.

Указанная задача решается за счет достижения технического результата при осуществлении заявленного изобретения, заключающегося в получении нового способа регулирования процесса сжигания топлива в топке энергетической установки с улучшенными технологическими и экономическими параметрами, включая экономичность и минимальный выброс в атмосферу вредных для человека веществ.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения по объекту-способу достигается известным способом регулирования процесса сжигания топлива в топке энергетической установки, включающим оптимизацию процесса на основе стационарного газоанализатора, обеспечивающего контроль концентрации горючих газов в топке, и компьютера, в электронную память которого предварительно вносят основные параметры самого эффективного процесса сжигания топлива в топке энергетической установки, полученные при ее испытании, производящего в процессе регулирования непрерывное сравнение текущих параметров процесса сжигания топлива с ранее внесенными в память компьютера и корректируют в случае их рассогласования путем подачи соответствующих сигналов на исполнительные механизмы энергетической установки. Особенность предлагаемого способа заключается в том, что в качестве стационарного газоанализатора используют оптический абсорбционный газоанализатор, с помощью которого определяют отношение концентрации «углерод-кислород» и приводят его к оптимальному значению с помощью компьютера, входящего в стационарный пост контроля, путем изменения тангенциальной и аксиальной составляющих скорости вихревого потока, производящего впрыск топлива в топку энергетической установки, измеряют токсичность отходящих газов и следят за концентрацией оксидов преимущественно NO_x, SO_x, CO_x, и понижают ее в случае превышения допустимых норм с помощью компьютера путем изменения температуры и давления внутри топки энергетической установки.

При исследовании отличительных признаков описываемого способа регулирования процесса сжигания топлива в топке энергетической установки не выявлено каких-либо аналогичных решений, касающихся применения автоматизированного стационарного поста контроля, преимущественно оптического абсорбционного газоанализатора для определения и сравнения всех параметров текущего процесса с ранее отработанным процессом сжигания, полученных во время испытания головного образца энергетической установки, и выработки на основе сравнения соответствующих корректирующих сигналов для исполнительных механизмов энергетической установки. Не выявлены также аналоги, касающиеся определения соотношения концентрации «углерод-кислород» в процессе компьютерного экспресс-анализа вихревого потока, осуществляющего впрыск топлива в топку энергетической установки, а также определения эффективности сжигания топлива и токсичности газов, образующихся в процессе сжигания топлива в топке энергетической установки, и ее понижения за счет изменения основных параметров процесса сжигания.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволили констатировать, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (адекватными) всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня аналога-прототипа наиболее близкого по совокупности признака позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков для заявляемого объекта-способа, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, изобретение соответствует условию «новизна» по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявляемого изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный анализ известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными признаками прототипа изобретения, результаты которого показывают, что изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники и не вытекает из него логически, а требует дополнительных интеллектуальных затрат и изобретательности, и поэтому соответствует требованию «изобретательский уровень» по действующему законодательству.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, состоят в следующем.

Заявленный способ регулирования процесса сжигания топлива в топке энергетической установки осуществим только при условии ее полной автоматизации и оснащении дистанционными приборами контроля процесса сжигания, в том числе и газоанализатором. Независимо от вида топлива (уголь, мазут или газ) процесс его сжигания в топке энергетической установки можно условно разделить на три этапа. На первом этапе вначале топливо подготавливают и смешивают с воздухом, а затем впрыскивают в топку энергетической установки. На втором этапе тем или иным способом обеспечивают эффективность процесса сжигания внутри топки энергетической установки, т.е. поддерживают определенную температуру и давление. На третьем этапе осуществляют съем тепла и производят очистку отработанных газов перед выбросом в атмосферу. Все эти процессы в значительной степени зависят друг от друга и от того, как они будут осуществляться, зависит эффективность процесса сжигания в целом. Основным показателем эффективности процесса сжигания в энергетической установке является его безопасность для окружающей среды и человека, а энергетические параметры отходят на второй план. Следовательно, контроль за выбросом отработанных газов в атмосферу является приоритетным перед двумя другими этапами процесса сжигания. Однако известно, что токсичность выходящих из топки энергетической установки газов, в свою очередь, определяется как степенью подготовки топлива к сжиганию, так и самим процессом сжигания. Поэтому целесообразно контролировать и регулировать все этапы процесса в строгом соответствии с их взаимным влиянием друг на друга. Предлагаемый способ позволяет осуществлять такой контроль и оперативное вмешательство на всех стадиях одновременно. При помощи стационарного поста контроля в данном способе осуществляется компьютерный экспресс-анализ вихревого потока, отвечающего за впрыск топлива в топку энергетической установки, и определяется оптимальное значение соотношения «углерод-кислород» во впрыскиваемой смеси. Одновременно с помощью стационарного поста контроля определяется концентрация основных горючих газов в самых горячих зонах топки. В результате анализа и сравнения этих данных осуществляется выработка соответствующих команд для исполнительных механизмов энергетической установки, причем основной контроль за выбором и посылкой той или иной команды осуществляется с учетом состава и токсичности отходящих газов. В случае превышения допустимой нормы по любой компоненте отходящего газа немедленно происходит автоматическая корректировка основных параметров процесса сжигания топлива. При этом топливо и вдуваемые в топку энергетической установки газы проходят предварительную аттестацию, а затем их характеристики вводятся в память компьютера стационарного поста контроля.

Аттестация топлива производится с учетом зависимости его теплотворной способности от его дисперсности и влажности и от степени его смешивания с воздухом или другим заменяющим его газом. Также учитываются данные по токсичности топлива и его склонности к их образованию, например присутствие галогенов, серы и других вредных веществ. Наряду с этим в память компьютера стационарного поста контроля вводят основные параметры процесса сжигания топлива, полученные во время испытания головного образца энергетической установки. К основным параметрам относят температуру сжигания и давление. Первый параметр зависит в первую очередь от отношения концентрации углерода к кислороду, которое необходимо контролировать в процессе сжигания топлива. Контроль за концентрацией этих газов осуществляют при помощи оптического абсорбционного газоанализатора. Оптимальное значение этого отношения достигают за счет изменения тангенциальной и аксиальной составляющих скорости вихревого потока, осуществляющего впрыск топлива в топку энергетической установки. При сжигании топлива в силу тех или иных причин часто происходит недожог или пережог топлива, поэтому необходимо постоянно контролировать концентрацию основных горючих газов непосредственно в топке, т.к. они прежде всего отвечают за ход процесса горения. К таким газам, например, при сжигании угля относятся СО и О₂, в то время как при сжигании мазута или природного газа нужно следить за концентрацией метана и других водородосодержащих газов. Концентрацию горючих газов целесообразно определять в самых горячих точках топки энергетической установки, т.к. дальнейшая рекомбинация разложившихся в процессе сжигания газов определяется максимальным значением температуры и давления. Однако не следует забывать и о других компонентах топлива, особенно о тех, которые способствуют образованию токсичных газов. Среди основных компонентов традиционных видов топлива чаще всего следует обращать внимание на концентрацию оксидов, нитридов и селицидов. По содержанию этих компонентов в отходящих газах судят об эффективности процесса сжигания топлива. Концентрацию токсичных газов в большинстве случаев можно понизить путем изменения давления и температуры на всем пути их следования. Однако полное уничтожение токсичности газовых потоков возможно только путем дополнительного вдува водородосодержащего многоатомного газа в совокупности с традиционными мокрыми методами нейтрализации (см., например, патент РФ № 2236890 C1, 2004 г., В 01 D 47/00). Основным критерием для проведения нейтрализации газов может служить наличие полной картины процесса сжигания топлива в топке энергетической установки, т.е. определение концентрации основных компонентов газа на всем пути его следования. При таком комплексном подходе исключается как недожог, так и пережог топлива, и тем самым обеспечивается более экономичное и эффективное сжигание без загрязнения окружающей среды. Весь процесс регулирования осуществляется автоматически от компьютера стационарного поста контроля в соответствии с заданной программой, а оператор только наблюдает за показанием приборов и срабатыванием исполнительных механизмов энергетической установки. При отказе какого-либо клапана или горелки автоматически вводится команда на их блокировку и включение резерва.

Технический эффект от использования предложенного изобретения состоит в следующем.

Предложенный способ регулирования процесса сжигания топлива в топке энергетической установки существенно повышает эффективность сжигания топлива, т.е. делает его более экономичным и экологически чистым. Недожог и пережог топлива, как и выброс токсичных газов, при такой регулировке процесса сжигания сведены к минимуму.

Таким образом, изложенные выше сведения показывают, что при использовании заявленного изобретения выполнена следующая совокупность условий:

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в системах регулирования процесса сжигания топлива в топках энергетических установок;

- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Преимущество заявленного изобретения состоит в том, что предложенный способ регулирования процесса сжигания топлива в топке энергетической установки позволяет существенно снизить все виды затрат, включая эксплуатационные, обеспечивая при этом высокую эффективность и высокую надежность.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость» по действующему законодательству.