ABC ogrzewania. Kocioł sterowany

Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf

Paliwa węglowe charakteryzują się dużą zmiennością parametrów istotnych z punktu widzenia procesu spalania, co stwarza konieczność zmian podstawowych parametrów technologicznych palnika (wielkości jednorazowej porcji paliwa, czasu przerwy pomiędzy podaniem kolejnych porcji paliwa i wydajności wentylatora podającego powietrze do spalania) dla każdej nowo zakupionej partii paliwa. Dodatkowe elementy zmienności wprowadza stosowany w palnikach automatycznych objętościowy system dozowania paliwa (podawana porcja paliwa ma stałą objętość). Wartość energetyczna poszczególnych porcji węgla (pochodzących z tej samej partii) jest w takim przypadku zmienna z powodu zmiennej wilgotności i gęstości nasypowej, wywołanej zmianą uziarnienia poszczególnych porcji w wyniku naturalnej segregacji ziarnowej.

Zmienna wartość energetyczna poszczególnych porcji paliwa, przy stałej wydajności wentylatora podającego powietrze do spalania, powoduje, że spalanie przebiega ze zmiennym, nieoptymalnym współczynnikiem nadmiaru powietrza, co jest przyczyną obniżenia sprawności kotła. Zbyt duży współczynnik nadmiaru powietrza do spalania powoduje zwiększenie tzw. straty kominowej (nadmierna ilość wytwarzanych gorących spalin). Zbyt mały współczynnik nadmiaru powietrza do spalania powoduje zwiększenie tzw. straty niezupełnego spalania (nadmierna zawartość gazowych składników palnych w spalinach) oraz straty niecałkowitego spalania (nadmierna zawartość stałych substancji palnych w popiele). Nieoptymalny współczynnik nadmiaru powietrza do spalania może spowodować również przekroczenie dopuszczalnych wskaźników emisji zanieczyszczeń do atmosfery.

W stosowanym powszechnie prostym układzie sterowania kocioł z palnikiem automatycznym pracuje w układzie dwupołożeniowym: w stanie mocy nominalnej (cykl grzania) oraz w stanie tzw. podtrzymania żaru (cykl chłodzenia). W cyklu grzania kocioł pracuje z pełną mocą do momentu osiągnięcia zadanej temperatury wody podgrzanej (wychodzącej z kotła), po czym wstrzymuje się podawanie paliwa do palnika, natomiast z określoną częstotliwością podaje się niewielkie ilości powietrza w celu utrzymania żaru w palniku. Po obniżeniu się temperatury wody w kotle do określonego poziomu powtarza się cykl grzania. Czasy powtarzanych naprzemiennie cyklów grzania i chłodzenia są zmienne w zależności od aktualnego zapotrzebowania ciepła. Przy niskim zapotrzebowaniu ciepła czas cyklu chłodzenia może być wielokrotnie dłuższy od cyklu grzania.

Z takim systemem sterowania korespondują stosowane aktualnie normy i procedury określające sposób badania efektywności energetyczno-emisyjnej kotłów. Badania te przeprowadza się w warunkach stabilnej pracy kotła z mocą nominalną, toteż efektywność energetyczno-emisyjna kotłów w czasie cyklu grzania jest zbliżona do uzyskanej w trakcie badań (pod warunkiem poprawnego ustawienia parametrów sterownika).

Temat efektywności energetyczno-emisyjnej kotłów w czasie cyklu chłodzenia (podtrzymania żaru) jest pomijany w badaniach. Nikt nie zgłasza zapotrzebowania na takie badania, choć dwupołożeniowy układ sterowania powszechnie uznaje się za wadliwy. Uważa się, że w cyklu chłodzenia kocioł pracuje z silnie obniżoną sprawnością i bardzo wysoką emisją zanieczyszczeń, nie dokumentuje się jednak tych stwierdzeń stosownymi wynikami badań.

Naszym zdaniem największą wadą tradycyjnego dwupołożeniowego układu sterowania jest brak możliwości sterowania procesem spalania, tzn. brak dostosowania chwilowych proporcji powietrza i paliwa podawanego do palnika pod kątem uzyskania optymalnego składu spalin (optymalnego współczynnika nadmiaru powietrza). Jak już wspomniano, proporcje podawanego do palnika paliwa i powietrza muszą być ustalane eksperymentalnie dla każdego stosowanego paliwa, zaś prawidłowy dobór proporcji paliwa i powietrza do spalania jest niemożliwy bez pomocy analizatora składu chemicznego spalin. Praktycznie niemożliwe jest, aby użytkownik ustalił te parametry samodzielnie, ze względu na brak fachowej wiedzy technologicznej oraz stosownej aparatury pomiarowej.

Nowoczesny sterownik powinien, przede wszystkim, eliminować konieczność ingerencji użytkownika w proces regulacji pracy kotła. Sterownik musi dostosowywać chwilowe proporcje paliwa i powietrza (możliwie bliskie optymalnemu współczynnikowi nadmiaru powietrza) do chwilowego zapotrzebowania ciepła oraz zabezpieczać układ przed przerwaniem spalania z powodu długotrwałego nadmiaru lub niedomiaru paliwa w stosunku do potrzeb, bez względu na rodzaj i ewentualne zmiany własności energetycznych podawanego paliwa. Wszelkie udoskonalenia układu sterowania, które nie eliminują konieczności „ręcznego” ustawiania parametrów pracy palnika, są zdecydowanie mniej przydatne z punktu widzenia użytkownika kotła, zaś efektywność energetyczno-emisyjna takich udoskonaleń jest niemożliwa do określenia bez wykonania stosownych długotrwałych badań kotła w trakcie eksploatacji w warunkach rzeczywistych lub symulacji warunków rzeczywistych.

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, która przekracza cenę małego kotła. Dla warunków „małej energetyki” niezbędny jest sterownik z algorytmem wykorzystującym parametry procesu, które można zmierzyć za pomocą stosunkowo niedrogich mierników.

dr inż. Jacek Zawistowski

Sławomir Janiszewski

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij