Аннотация:
В данной статье выполнен контроль в области качества и произведен анализ причин возникновения гистерезиса уровня избытка кислорода в продуктах сгорания дутьевых газовых горелок ведущих производителей. Приведен перечень используемых в мировой практике мер по уменьшению величины гистерезиса.
Для блочных газовых горелок EMMA C2 и EMMA C3, производства ООО «НПП «Прома», представлены результаты экспериментальной оценки гистерезиса систем обеспечения работы горелки, а также результирующий эффект от принятых мер по его уменьшению.
Ключевые слова: качество, контроль, импотрозамещение, конкурентоспособность продукции, гистерезис.
Уровень избытка воздуха при горении топлива играет определяющую роль в реализуемом коэффициенте полезного действия (КПД) теплоагрегата. Увеличение избытка воздуха снижает температуру пламени, поскольку добавленный холодный воздух снижает среднеобъемную температуру в топке котла. Вследствие чего, снижается интенсивность лучистого теплообмена, и существенная доля тепловой энергии остается в дымовых газах, что повышает их температуру. Степень влияния уровня избытка воздуха на тепловой КПД котла зависит от нескольких параметров. Например, это влияние намного меньше в жаротрубном котле, поскольку он может рекуперировать существенную часть этого тепла в большом конвекционном проходе. В среднем изменение уровня избытка кислорода в дымовых газах на 1% соответствует изменению КПД на 1%.
С другой стороны, уменьшение уровня избытка кислорода с целью повышения КПД является причиной появления другого негативного фактора процесса горения углеводородного топлива – роста интенсивности образования оксидов азота (NOx), предельные концентрация которых ограничена Государственным стандартом [1]. Именно поэтому улучшение качества процесса [2] и строгое обеспечение постоянного значения уровня избытка кислорода является важным параметром работы котлового оборудования поддержания баланса КПД и выбросов NOx при модуляции его тепловой мощности.
Уровень избытка кислорода в продуктах сгорания горелки зависит от двух составляющих: отношения расходов и скорости химической реакции компонентов горения [3]. При этом скорость химической реакции горения косвенно зависит от скорости смеси. Следовательно, основной вклад в уровень гистерезиса избытка кислорода вносит отношение расходов компонентов горения, которое является результатом работы механических систем горелки (приводов заслонок и регулятора давления) с автономными законами гистерезиса. Практически любая механическая система нового изделия имеет начальный уровень гистерезиса, который увеличивается при дальнейшей эксплуатации изделия. Обычно гистерезис уровня избыточного кислорода в продуктах сгорания новой дутьевой горелки (без системы автоматического позиционирования по составу дымовых газов) при модуляции тепловой мощности по данным отчета [3] составляет от 0.5% до 1% , рисунок 1.
![Рисунок 1 – Гистерезис величины избытка кислорода в дымовых газах котла с новой горелкой при модуляции тепловой мощности [3].](https://avatars.dzeninfra.ru/get-zen_doc/271828/pub_68f0cef8e6eb4f77933ebf31_68f0d0080133b70f8613003f/scale_1200)
При длительной эксплуатации величина гистерезиса регулятора давления постепенно увеличивается (по данным отчета [3] за два года с 0.5% до 2%, рисунок 2), так как происходит износ тяги и регулирующих клапанов, что проявляется в появлении зазоров рычажных механизмов. Появление зазоров приводит к увеличению колебания давления и результирующему росту разницы в расходах рабочей среды при модуляции давления «вверх» и «вниз».
Таким образом, можно сделать вывод, что гистерезис избытка кислорода в продуктах сгорания дутьевой газовой горелки увеличивается при эксплуатации изделия и является суммой гистерезисов нескольких механических систем:
• Механического и/или электромагнитного гистерезиса регулятора давления топлива;
• Механического гистерезиса систем позиционирования топливной и воздушной заслонок;
• Механического гистерезиса приводов газовой и воздушной заслонок;
• Гистерезиса электронной схемы и электронных компонентов заслонок, зависящего от качества комплектующих и их класса точности;
• Влияющих на гистерезис внешних граничных условий системы: изменения температуры, влажности, удельной концентрации кислорода нагнетаемого на горение воздуха, возникающий вследствие модуляции тепловой мощности или расхода теплоносителя градиент температуры металлоконструкции котлоагрегата и температуры в топке.
Рассмотрим известные способы уменьшения гистерезиса избытка воздуха в продуктах сгорания блочных газовых горелок. Примем, что рассматриваемая механическая система работы горелки с гистерезисом избытка уровня кислорода в продуктах сгорания при модуляции тепловой мощности является корректно работающей и отрегулированной, без наличия элементов с браком.
Первой и обязательной мерой по минимизации гистерезиса является тщательная и отлаженная регулировка механизмов положения заслонок на предприятии изготовителе, в том числе использование механизмов из парных заслонок с электронным приводом с большим угловым диапазоном вращения.
Самым простым и распространѐнным методом снижения величины гистерезиса работы сложной механической системы заслонок и регулятора давления является корректировка результатов работы системы, а именно использование калибровочных коэффициентов в программном обеспечении управления заслонкой или плунжером. В работе [4] показано, что гистерезис регулирующих заслонок можно уменьшить, используя всего несколько строк программного кода, что значительно проще, чем перепроектировать всю регулирующую заслонку. Недостатком данного подхода является необходимость поверки оборудования после периода эксплуатации и программирование новой базы поправочных коэффициентов по причине появления гистерезиса от износа механических узлов. Из достоинств метода можно выделить его простую и быструю реализацию, не требующих дополнительных затрат на доработку конструкции, а также высокий и достижимый результирующий эффект.
Вторым подходом является изменение конструкции, формы и количества заслонок и механизма их привода. Ввиду сложности решения данной инженерной задачи, требующей большой и продолжительной экспериментальной работы, вероятность успешного еѐ решения сильно зависит от научного потенциала штата предприятия. При этом после периода эксплуатации высока вероятность появления гистерезиса от износа механических узлов, который потребует программного подавления гистерезиса за счет использования поправочных коэффициентов. Также здесь не решается проблема гистерезиса положения клапана регулятора давления. Поэтому данный подход обычно используют только на этапе проектирования изделия.
Эффективным решением является замена системы регулирования расхода воздуха с помощью заслонки на систему частотного регулирования оборотами двигателя нагнетательного вентилятора воздуха. Шаг диапазона регулирования частотой оборотов имеет существенной меньший масштаб и, соответственно, меньшую величину гистерезиса.
Также стоит упомянуть технологию параллельного позиционирования, которая является не методом снижения величины гистерезиса существующей системы, а отдельным современным и более технологическим решением управления процессом работы горелки. Система параллельного позиционирования в режиме реального времени использует данные об уровне избытка кислорода в дымовых газах по показаниям лямбда-зонд f для управления электронными приводами положения заслонок топлива и воздуха и частотой оборотов нагнетательного вентилятора воздуха. Данный подход практически не имеет гистерезиса уровня избытка кислорода, так как каждая режимная точка тепловой мощности настраивается без влияния предыдущих значений параметров позиционирования механических элементов. Параллельное позиционирование также способно реагировать на изменение характеристик топлива и воздуха и реализовывать возможность использования рециркуляции дымовых газов.
Для оценки уровня избытка кислорода в продуктах сгорания блочных дутьевых горелок серии EMMA производства ООО «НПП Прома» был выбран серийный образец блочной газовой горелки EMMA-С2-1.8, рисунок 3, в составе котла LAVART-1500ML. Замеры уровня кислорода в дымовых газах котла выполнялись мультигазовым газоанализатором OPTIMA7 SN332608 в котельной испытательного центра ЗАО «Омский завод инновационных технологий» в январе 2024 года.
В штатной конструкции горелки EMMA-С2-1.8 реализованы все известные и применяемые в мировой практике меры по минимизации величины гистерезиса избытка воздуха:
- Управление газовой заслонкой электроприводом DM-04-230, рисунок 4;
- Управление воздушной заслонкой электроприводом DM-04-230, рисунок 5;
- Регулирование расхода воздуха системой из двух заслонок, рисунок 6;
- Двойной электромагнитный двухпозиционный газовый клапан ТЕРМОБРЕСТ ВН2 1/2Н-0.5, рисунок 7.
В таблице 1 и на рисунках 8 и 9 представлены результаты экспериментальных измерений уровня избытка кислорода для серии из двух эквивалентных испытаний. Графики полученного гистерезиса хорошо согласуются с графиком гистерезиса новой горелки [3]. Уровень гистерезиса с учетом неопределѐнности измерений не превышает 1-1.5% и имеет тенденцию к уменьшению в области максимальной тепловой мощности.
Таблица 1 – Результаты экспериментальной оценки уровня избытка кислорода в дымовых газах котла LAVART-1500ML с новой газовой горелкой EMMA-С2-1.8
С целью снижения величины гистерезиса избытка кислорода в продуктах сгорания блочной газовой горелки EMMA-С2-1.8 был использован апробированный метод программного использования поправочного коэффициента позиционирования газовой и воздушной заслонок [4].
Гистерезисом положения заслонки при заданном угле поворота α является величина возможного максимального разброса значений Δα реализуемого приводом угла положения при модуляции тепловой мощности и возврате в заданное положение угла α. Суть метода заключается в точном измерении зависимости Δα от α в диапазоне вращения заслонки. Далее для каждого значения α определяется величина поправочного коэффициента позиционирования заслонки, использование которого уменьшит верхний предел Δα до выбранного значения. Также возможен упрощенный вариант с использованием постоянной величины поправочного коэффициента для всего диапазона α.
Эксперименты по измерению гистерезиса и результирующего эффекта от принятых мер снижения гистерезиса положения газовой и воздушной заслонки в блочных газовых горелках EMMA-C2 и EMMA-C3 были проведены в испытательном центре ООО «НПП Прома», таблица 2.
Для измерения погрешности механической части привода газовой заслонки ЗГП-40-100-6А использовался потенциометр прецизионный ПТП5, с сопротивлением 40 кОм и точностью ±0.2%, который крепился на вал привода через переходную пластину. При испытаниях с помощью амперметра также измерялась сила тока, идущего по обратной связи от двигателя. Измерение параметров работы приводов положения заслонок проводились с шагом 5% и 0.1% от диапазона поворота проводились при комнатной температуры и после термостатирования при температуре 60 ˚С.
Таблица 2 – Объекты исследования
По результатам исследования выполнен анализ контроля качества системы [5], возможных причин появления и методов устранения гистерезиса избытка кислорода в продуктах сгорания блочной дутьевой газовой горелки при модуляции тепловой мощности.
На основе проведенного анализа показано, что в штатных серийных конструкциях блочных газовых горелок серии EMMA производства ООО «НПП Прома» уже использованы рекомендованные в литературе базовые конструкционные решения по снижению величины гистерезиса избытка кислорода в продуктах сгорания (электроприводы заслонок, двухлопастная воздушная заслонка, электромагнитный клапан). Благодаря этому уровень гистерезиса избытка воздуха в новых блочных газовых горелках EMMA соответствует по величине образцам новых газовых горелок ведущих мировых производителей.
С целью снижения величины гистерезиса избытка кислорода в продуктах сгорания был выбран хорошо известный и распространенный метод программного использования поправочного коэффициента позиционирования газовой и воздушной заслонок.
Согласно полученным результатам проведенного экспериментального исследования использование поправочного коэффициента уменьшило величину максимального отклонения положения газовой заслонки (гистерезиса) от заданного угла почти в 3 раза от значения 1.4% до 0.5%, а величину среднего отклонения (гистерезиса) уменьшило в 4.6 раза для горелки EMMA-C2 и в 8 раз для горелки EMMA-C3. Использование поправочного коэффициента уменьшило величину максимального отклонения положения воздушной заслонки (гистерезиса) от заданного угла в 2 раза от значения 2.0% до 1.0%, а величину среднего отклонения (гистерезиса) уменьшило в 5.6 раза. Величина гистерезиса позиционирования газовой и воздушной заслонок показывает хорошую повторяемость и не зависит от влияния температурного поля.
Ожидаемый результат от принятых мер по результатам данного исследования оценивается в снижении максимально возможной величины гистерезиса избытка кислорода в дымовых газах до величины менее 1%, а среднего значения гистерезиса до 0.2%. С целью проверки данного вывода требуется проведение экспериментов по работе горелки EMMA с выполненной модифицикацией программного обеспечения в составе котла.
Для дальнейшего снижения уровня гистерезиса возможна также модификация действующей конструкции газовой горелки EMMA за счет замены системы управления расходом воздуха вращающимися заслонками на систему частотного управления оборотами двигателя нагнетательного вентилятора и использования системы параллельного позиционирования регулировки положения заслонок по измеряемому
Список используемой литературы
1. ГОСТ Р 50591 Агрегаты тепловые газопотребляющие. Горелки газовые промышленные. Предельные нормы концентраций NOx в продуктах сгорания.
2. Хуснутдинова Э.М. Минабутдинова Д.В. Возможности повышения качества метрологической экспертизы средствами современной автоматизации / Эффективные системы менеджмента: Качество. Циркулярная экономика. Технологический суверенитет: сборник научных статей XI Международного научно-практического форума, 22–24 ноября 2023 г. / под ред. И. И. Антоновой. – Казань: Изд-во «Познание» Казанского инновационного университета, 2024. – С. 120-124
3. Официальный веб сайт Webster Combustion https://www.webstercombustion.com/retrofit-burner-efficiency-savings-payback
4. Krakow K. I. Reduction of hysteresis in PI-controlled systems //ASHRAE Transactions. – 1998. – Т. 104. – С. 524.
5. Государственная система по техническому регулированию и метрологии (https://edu.kpfu.ru/course/view.php?id=4357), дата обращения 30.10.2023.