eCoal.pl Inteligentny system regulacji procesu spalania paliw

VII Ekoenergetyczna konferencja – Aktywizacja gminy za pomocą innowacyjnej energetyki rozproszonej
dr inż. Jacek Zawistowski
mgr inż. Sławomir Janiszewski
Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu
eCoal.pl
Inteligentny system regulacji procesu spalania paliw stałych
w kotle małej mocy dla ogrzewnictwa indywidualnego
Mechanizmy procesu spalania paliw stałych, który jest podstawowym procesem
realizowanym w kotle, nie są proste. Elektronicy tworzący regulatory kotłów, koncentrując
się najczęściej na precyzji regulacji temperatury wody w kotle, prześlizgują się tylko
powierzchownie nad efektywnością procesu spalania. A przecież dla sprawności (ekonomiki)
kotła podstawowe znaczenie mają właśnie procesy zachodzące w palenisku i komorze
spalania kotła. Bezwładność cieplna ogrzewanych obiektów jest tak duża, że coraz
dokładniejsza regulacja temperatury wody traci w pewnym momencie sens praktyczny.
Regulację procesu spalania – najtrudniejszego procesu realizowanego w kotle –
przerzuca się najczęściej na użytkownika, który przeważnie nie posiada odpowiedniej wiedzy
technologicznej, ani nie dysponuje stosowną aparaturą pomiarową umożliwiającą
optymalizację warunków spalania, czyli ustawienie optymalnych proporcji powietrza
i paliwa. Każda zmiana jakości paliwa, wymagająca zmiany proporcji paliwa i powietrza,
niesie więc dla użytkownika poważne niebezpieczeństwo zachwiania tych proporcji, ze
skutkiem w postaci obniżenia sprawności kotła.
Kocioł węglowy jest bardzo trudny w prowadzeniu, gdyż paliwa węglowe
charakteryzują się dużą zmiennością parametrów istotnych z punktu widzenia procesu
spalania. Ocena węgla tylko przez pryzmat jego wartości opałowej jest dalece
niewystarczająca. Wartość opałowa jest tylko miarą ilości zawartej w węglu energii
chemicznej, możliwej do przekształcenia w ciepło w procesie spalania. Efektywność
przekształcania energii chemicznej w ciepło zależy jednak od szeregu innych własności węgla
– zawartości części lotnych, uziarnienia, zawartości wilgoci i popiołu, oraz spiekalności
(zdolności tworzenia dużych spieków koksowych), toteż węgle o takiej samej wartości
opałowej nie muszą zachowywać się tak samo w procesie spalania, a tym samym i skutek
spalania może być różny. Ogromna złożoność mechanizmów procesu spalania paliw stałych,
przy ciągłej dynamice zmian wzajemnego oddziaływania na siebie poszczególnych
parametrów (wzmacnianie lub tłumienie reakcji), uniemożliwia praktycznie ich ujęcie
w proste formuły matematyczne. [1]
Pod względem ilości zastosowań w kotłach ciągle jeszcze dominują proste sterowniki
pracujące w cyklu dwustanowym (w trybie „praca” i w trybie „podtrzymanie”). Od kilku lat
na rynku występują również kotły ze sterownikami wykorzystującymi algorytm PID, oparty
na znanej w automatyce regule proporcjonalno-całkująco-różniczkującej (ProportionalIntegral-Derivative), której celem jest utrzymanie wartości zadanej na określonym poziomie.
W stosunku do sterownika dwustanowego, sterownik PID zmniejsza ilość i poziom błędów
w procesie spalania paliwa w kotle, jednak nadal nie rozwiązuje problemu prawidłowości
spalania paliw o różnych parametrach fizyko-chemicznych. [1]
W obu wymienionych powyżej systemach sterowania, sterownik wykorzystuje
wyłącznie sygnał od miernika temperatury wody podgrzanej (wychodzącej z kotła), który
niesie informację o zmianach chwilowej mocy/wydajności układu spalania w stosunku do
11
VII Ekoenergetyczna konferencja – Aktywizacja gminy za pomocą innowacyjnej energetyki rozproszonej
zapotrzebowania/odbioru ciepła przez ogrzewane obiekty (z określonym opóźnieniem,
wynikającym z bezwładności cieplnej układu wodnego). Nie niesie on w sobie informacji
o prawidłowości proporcji ilości paliwa i powietrza w realizowanym aktualnie procesie
spalania. Toteż sterowniki, których działanie oparte jest wyłącznie na sygnale otrzymywanym
z miernika temperatury wody, nie sterują procesem spalania, niezależnie od przyjętej formuły
postępowania.
Znane z energetyki zawodowej oraz z przemysłowych instalacji technologicznych
układy sterowania, w których do ustalenia optymalnych proporcji paliwa i powietrza do
spalania (współczynnika nadmiaru powietrza) wykorzystuje się analizatory zawartości tlenu
w spalinach, nie są stosowane w małych instalacjach ciepłowniczych ze względu na wysoką
cenę, przekraczającą cenę małego kotła. Dla warunków „małej energetyki” niezbędny jest
sterownik z algorytmem wykorzystującym parametry procesu, które można zmierzyć za
pomocą stosunkowo niedrogich mierników.
Takim sterownikiem jest sterownik o nazwie handlowej eCoal.pl (na licencji Instytutu
Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu [2]), wprowadzony do sprzedaży w roku 2009.
Oprócz standardowej informacji o zmianach temperatury wody podgrzanej wychodzącej
z kotła, wykorzystuje on analizę zmian trendu temperatury spalin, co umożliwia poprawne
sterowanie procesem spalania przy zasilaniu palnika paliwami, które różnią się pod względem
energetycznym tak bardzo jak węgiel kamienny, węgiel brunatny i drewno. Na rysunku
poniżej przedstawiamy wyniki 40-godzinnego testu pracy kotła ze sterownikiem eCoal.pl.
Rys. 1 Wizualizacja pracy sterownika eCoal.pl w trakcie testu 40-godzinnego. [1]
W trakcie testu kocioł był zasilany 3 paliwami węglowymi. Paliwem startowym był
miał o uziarnieniu 0-16 mm i wartości opałowej 29,5 GJ/Mg, po około 17 godzinach od
rozpoczęcia testu do zasobnika dosypano miał o uziarnieniu 0-31,5 mm i wartości opałowej
27 GJ/Mg a po kolejnych 10 godzinach groszek o uziarnieniu 8-25 mm i wartości opałowej
24 GJ/Mg. Czas od momentu zasypania paliwa do zasobnika do momentu jego pojawienia się
w palenisku jest zmienny w zależności od stopnia napełnienia zasobnika i trudny do
precyzyjnego określenia. Na przedstawionym wykresie momenty przejścia z jednego paliwa
na kolejne są jednak niezauważalne. Sterownik płynnie zmienia parametry pracy palnika przy
zmianie węgla, bez zauważalnych zaburzeń parametrów pracy kotła.
Na wykresie przedstawiono kształtowanie się temperatury zadanej i uzyskanej wody
podgrzanej [ºC], chwilowej mocy kotła [kW] oraz stężenia w spalinach tlenu i tlenku węgla
12
VII Ekoenergetyczna konferencja – Aktywizacja gminy za pomocą innowacyjnej energetyki rozproszonej
[%]. W trakcie testu kocioł pracował z mocą od 9 kW do 17 kW, co wynikało ze zmiennych
warunków pogodowych (w ciągu dnia temperatura otoczenia wzrastała powyżej 15ºC, w nocy
spadała blisko 0ºC, zaś układ odbioru ciepła był symulowany przez nagrzewnice powietrza).
Zawartość tlenu w spalinach utrzymywała się w zakresie 8-14 %, zawartość tlenku węgla
spełniała kryteria klasy „A” na „znak bezpieczeństwa ekologicznego” według IChPW.
Sterownik eCoal.pl jest częścią „inteligentnego systemu regulacji procesu spalania
paliw stałych w kotle małej mocy dla ogrzewnictwa indywidualnego”, który zdobył złoty
medal na Światowych Targach Wynalazczości, Badań Naukowych i Nowych Technologii
BRUSSELS INNOVA 2009 w Brukseli. W skład systemu eCoal.pl wchodzi również
innowacyjny palnik automatyczny nowej generacji dla paliw stałych (także na licencji
Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu [3 i 4]), w którym można efektywnie spalać
paliwa o szerokim zakresie jakości i uziarnienia (w zakresie do 35mm). Dedykowany serwer
WWW dynamicznie generuje strony internetowe - dzięki wyposażeniu sterownika
w technologię ETHERNET, wystarczy podłączyć go do posiadanej sieci LAN, aby móc
zdalnie sterować parametrami pracy układu grzewczego. System archiwizuje wszystkie
parametry pracy (temperatury oraz statusy urządzeń) na karcie pamięci oraz umożliwia
odczytanie i ustawianie parametrów pracy układu centralnego ogrzewania za pomocą
komputera, z możliwością zdalnej obsługi za pomocą przeglądarki internetowej.
Rys. 2 Stanowisko diagnostyczne „VERO System”
Do gromadzenia i wizualizacji danych pomiarowych wykorzystuje się stanowisko
diagnostyczne “VERO System” (z autorskim oprogramowaniem, stworzonym specjalnie dla
tego systemu). Stanowisko diagnostyczne umożliwia równoczesną obserwację na dwóch
monitorach zmian mierzonych parametrów w układzie statystycznym narastającym oraz
w układzie trendów chwilowych, co pozwala na wnikliwe diagnozowanie przebiegu
zachodzących procesów. Możliwość błyskawicznej generacji wykresów – praktycznie
13
VII Ekoenergetyczna konferencja – Aktywizacja gminy za pomocą innowacyjnej energetyki rozproszonej
w dowolnym pożądanym układzie czasowym i parametrycznym – stwarza komfortowe
warunki pracy analitycznej oraz wszechstronnej archiwizacji wyników prac badawczych.
Rys.3 Przykład wizualizacji parametrów w układzie „VERO System”
Stanowisko diagnostyczne “VERO System” – w profesjonalnym wykonaniu jako
mobilne stanowisko dla warunków przemysłowych – może być wykorzystane w dowolnym
miejscu prowadzenia badań. Może ono stanowić również „serce” Centrum Monitoringu
i Doradztwa - służące do monitoringu pracy lokalnych kotłowni, bądź wykorzystywane przez
producentów do monitoringu prac instalatora/serwisanta w działaniach instalacyjnych lub
reklamacyjnych.
Pełne zautomatyzowanie procesu spalania (w wyniku zastosowania inteligentnego
systemu regulacji eCoal.pl) skutkuje:
− obniżeniem zużycia paliwa (w wyniku zwiększenia sprawności spalania),
− zmniejszeniem emisji zanieczyszczeń do atmosfery (w wyniku zmniejszenia zużycia
paliwa i poprawy jakości spalania),
− zmniejszeniem pracochłonności obsługi kotła przez użytkownika (w wyniku
eliminacji ręcznej regulacji proporcji paliwa i powietrza do spalania).
Centra Monitoringu i Doradztwa, oparte na inteligentnym systemie regulacji eCoal.pl, mogą
stanowić podstawę Lokalnych Systemów Monitoringu, nadzorujących pracę kotłowni
w rozproszonych systemach energetyki.
Literatura
[1]. Zawistowski J., Janiszewski S., Podręcznik internetowy „kotły co - poradnik
użytkownika” (http://zawijan.wordpress.com/)
[2]. P 386392 „Sposób sterowania procesem spalania w kotle centralnego ogrzewania
z palnikiem automatycznym”
[3]. PL 64094 „Szczelinowy palnik retortowy z sekcyjnym podajnikiem ślimakowym”
[4]. P 383934 „Palnik retortowy zasilany paliwem stałym”
14