Sterowanie pracą kotłów wodnych małej mocy opalanych biomasą. Sprawność w górę

zobacz artykuł w formie pdf zobacz pdfa  zobacz pdfa  

Coraz większy udział w rozproszonych, domowych instalacjach grzewczych mają kotły wodne opalane paliwem pochodzenia roślinnego. Ich niewątpliwym atutem jest niska szkodliwość dla środowiska, ekonomiczna eksploatacja oraz wysoki komfort użytkowania. Obecnie dostępne są różne rozwiązania konstrukcyjne kotłów zasilanych biomasą. Podziału można dokonać chociażby na podstawie, budowy komory spalania, techniki spalania i sposobu podawania paliwa. W przypadku pellet, najczęściej oferowanymi przez producentów konstrukcjami są kotły wyposażone w palnik i podajnik zrzutowy lub w palenisko retortowe i podajnik ślimakowy.
Dzięki ciągłemu, automatycznie sterowanemu podawaniu paliwa oraz kontrolowanej ilości powietrza wprowadzanego do komory spalania, zalicza się je obecnie do najefektywniejszych kontrukcji kotłów.
Zasilanie niewielkimi porcjami paliwa dozowanymi z częstotliwością od kilku do kilkudziesięciu sekund, sprzyja maksymalnemu wykorzystaniu zalet spalania współprądowego oraz możliwości nowoczesnych układów automatycznej regulacji. Alternatywą dla kotłów pelletowych mogą być kotły, w których spalany jest gaz drzewny powstały w wyniku zgazowania drewna w postaci polan i szczap. Co prawda załadunek paliwa do komory zgazowania odbywa się ręcznie, jednakże kotły te są również wyposażone w układy sterujące procesem spalania.

Spalanie biopaliwa
Proces spalania w małych kotłach wodnych powinien przebiegać w taki sposób, aby spełnić wymagania ekologiczne jak i ekonomiczne. Dopuszczalna zawartość szkodliwych dla środowiska związków w spalinach jest określona w obowiązujących normach. Nawet jeśli biopaliwo określane jest jako przyjazne dla środowiska i wykazuje tzw. zerową emisję dwutlenku węgla, to jednak jego spalanie jest procesem złożonym i wymaga zaawansowanego sterowania aby uzyskać maksymalną sprawność kotła i niską zawartość szkodliwych związków w spalinach. Aby były więc spełnione regulacje prawne dotyczące emisji zanieczyszczeń do atmosfery, takie jak norma PN-EN 303-5:2012, proces spalania musi przebiegać w sposób przewidywalny i kontrolowany.
Należy zwrócić przy tym uwagę na fakt, że kotły małej mocy są często sterowane przez proste regulatory, które swoje dwustanowe działanie („on-off”) opierają jedynie na pomiarze temperatury wody zasilającej. Ponadto ich użytkownicy często nie posiadają dostatecznej wiedzy o procesie spalania, co prowadzi do eksploatacji kotłów z niską sprawnością i wysoką emisją szkodliwych związków. Dlatego też, zadaniem sterownika jest zapewnienie optymalnych warunków procesu spalania, aby kocioł przy zadanej temperaturze oraz wymaganej mocy pracował jak najbardziej efektywnie i emitował jak najmniej zanieczyszczeń.

Wzór (1) przedstawia zależność, która pozwala wyznaczych sprawność energetyczną kotła w oparciu o dane dostępne w drodze pomiarów oraz wartość opałową paliwa

H = (qv * Cw * r * DT)/(Wd * qm) (1)

gdzie:

qv – strumień wody (m3/h), Cw – ciepło właściwe wody (J/kg∙* K)
r – gęstość wody (kg/m3), DT – przyrost temperatury wody (K)
Wd – wartość opałowa paliwa (J/kg), qm – strumień masowy paliwa (kg/h)

Sprawność kotła oraz emisja CO, TOC i NOx są zależne od współczynnika nadmiaru powietrza λ. Współczynnik ten wyliczany jest jako stosunek rzeczywistej ilości powietrza, w której spalane jest paliwo, do ilości potrzebnej do całkowitego spalenia paliwa, czyli tzw. ilości stechiometrycznej:

l = Vpowietrza rzecz./Vpowietrza stechiom. (2)

Istnieje określony przedział wartości współczynnika λ, w którym kocioł wykazuje największą sprawność przy równoczesnej bardzo niskiej emisji tlenku węgla i akceptowalnej zawartości tlenków azotu w spalinach. Zależność tą przedstawiono na wykresie.

Sterowniki kotłów na pelet
Sterowniki dostępne na rynku, sprawują zazwyczaj kontrolę nie tylko nad pracą kotła, ale również nad działaniem całego układu centralnego ogrzewania. Współpracują one z czujnikami i regulatorami pokojowymi, pogodowymi, czasowymi a także z zaworami mieszającymi, odcinającymi, pompami, buforami energii cieplnej itd. W niniejszym artykule pominięto sterowanie wymienionymi urządzeniami peryferyjnymi.

Jak już wiadomo, urządzenia automatycznej regulacji stosowane w kotłach na biopaliwa powinny tak sterować procesem spalania, aby zapewnić wymaganą aktualnie moc, przy zadanej temperaturze, ale jednocześnie kontrolować relację ilości powietrza do paliwa, by spalanie odbywało się w warunkach optymalnych pod względem sprawności i emisji spalin.
Najprostsze i szeroko stosowane sterowniki nie spełniają wszystkich wymienionych wyżej założeń z jednej, bardzo prostej przyczyny, jaką jest brak danych niosących informacje o warunkach panujących w komorze spalania. Nie jest możliwy bowiem prawidłowy nadzór nad procesem spalania w oparciu tylko i wyłącznie o temperaturę wody na wyjściu w kotła, a tylko ten parametr jest mierzony przez układ mikroprocesorowy. Częstotliwość podawania i strumień masowy paliwa jest ustawiany przez operatora, natomiast tryb pracy wentylatora jest zależny jedynie od temperatury wody. Nieznacznie bardziej zaawansowane układy automatyki stosowane w kotłach są wyposażone dodatkowo w czujnik temperatury spalin umieszczony w czopuchu kominowym, co pozwala już w pewnej mierze sterować procesem spalania.
Dlatego sterownik dobrej klasy, powinien mieć zaimplementowany układ regulacji kaskadowej, w którym jeden regulator utrzymuje zadaną temperaturę i moc wyjściową a drugi czuwa nad prawidłowym przebiegiem procesu spalania, głównie poprzez sterowanie wartością współczynnika nadmiaru powietrza λ.


Taki sposób sterowania przedstawiono na schemacie, gdzie regulator nadrzędny zapewnia utrzymanie zadanej przez użytkownika temperatury wody na wyjściu z kotła, poprzez zmiany strumienia paliwa dostarczanego do palnika. Regulator podrzędny natomiast ma za zadanie osiągnięcie optymalnej wartości λ w komorze spalania, poprzez odpowiednią dystrybucję powietrza pierwotnego i wtórnego. Pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego obejmuje elektrochemiczny czujnik zawartości tlenu w spalinach, zwany popularnie sondą lambda. Każdy układ automatycznej regulacji składa się z regulatora z zaimplementowanym algorytmem regulacji, czujników dostarczających informacji o procesie oraz elementów wykonawczych, za pomocą których sterowany jest obiekt. W zależności od rodzaju kotła, jego budowy, stopnia zaawansowania układu automatyki i strategii sterowania, instalowany jest różnoraki osprzęt pomiarowo-wykonawczy. W układzie automatycznego podawania paliwa stosowany jest najczęściej silnik jednofazowy prądu przemiennego z motoreduktorem, który napędza podajnik tłokowy lub ślimakowy.
Zapłon peletu inicjowany jest przez elektryczną grzałkę w obudowie ceramicznej umieszczoną w palniku. Półprzewodnikowy czujnik optyczny informuje sterownik o pojawieniu się lub też zaniku płomienia. Powietrze do komory spalania dostarczane jest za pośrednictwem wentylatora nadmuchowego lub wyciągowego o zmiennej wydajności. Modulacja strumienia powietrza osiągana jest poprzez zmianę wartości skutecznej napięcia, a więc również i mocy na zaciskach silnika jednofazowego. Takie rozwiązanie jest powszechnie stosowane ze względu na prostotę sprzętową i niewielkie koszty, jednak nie zapewnia ono stabilnej i powtarzalnej regulacji ilości powietrza dostarczanego do kotła. Wspomnianą wadę próbuje się wyeliminować wyposażając wentylator w hallotronowy czujnik obrotów, co daje możliwość utrzymania zadanej mocy silnika. a tym samym stałego strumienia powietrza. Wentylator nadmuchowy montowany jest w pobliżu palnika i zapewnia dostarczanie powietrza pierwotnego i wtórnego w odpowiednie obszary komory spalania.
Coraz częściej stosuje się jednak wentylatory wyciągowe spalin zainstalowane w czopuchach, które wytwarzają podciśnienie w kotle, a powietrze zasysane jest do komory przez przesłony i odpowiednio ukształtowane kanały dolotowe. Podział na powietrze pierwotne i wtórne jest zwykle realizowany przez regulowanie przesłon siłownikami elektrycznymi lub też ręczne. Bardzo rzadko wyposaża się kotły w dwa oddzielne wentylatory, jak to przedstawiono na rys. 2. Regulator może mieć zaimplementowany bardzo prosty algorytm sterowania dwustanowego, w którym czasy podawania paliwa oraz przerwy, jak również intensywność pracy wentylatora ustawia użytkownik. W bardziej zaawansowanych układach sterowania pracują regulatory typu PI a nawet, jak podają producenci, fuzzy logic. Sterowniki kotłów pracują zasadniczo w trzech trybach, tj. w trybie rozpalania, osiągania nastawionej temperatury i utrzymywania ustalonej temperatury wody. Użytkownik posiada możliwość zmian wielu nastaw w celu dostosowania pracy kotła do posiadanego paliwa, obiegu i zapotrzebowania na energię cieplną. Kolejne prace nad udoskonalaniem układów sterowania ukierunkowane są na zapobieganie żużlowania popiołu w palniku oraz przede wszystkim na automatyczną adaptację parametrów regulatora do zmieniających się warunków otoczenia i właściwości fizykochemicznych paliwa


Podsumowanie
Mając na uwadze liczbę kotłów małej mocy ogrzewających domy nie tylko w Polsce, ale i w całej Europie, coraz bardziej restrykcyjne normy dotyczące emisji zanieczyszczeń, rosnące ceny paliw oraz oczekiwania użytkowników, można stwierdzić, że obszar dotyczący sterowania jest zagadnieniem rozwojowym i interesującym. Ustawiczne modernizacje wprowadzane przez producentów kotłów oraz sterowników, a także ich współpraca z jednostkami naukowymi sprawiają, że opisane urządzenia grzewcze stają się coraz bardziej ekologiczne i ekonomiczne [4].

Marek Nitsche

Literatura:
[1]. Hrdlička J., Šulc B., Advanced Features of a Small-Scale Biomass Boiler Control for Emission Reduction, „International Journal of Energy”, 2011 wyd. 3 nr 5, s.62-69.

[2]. Hartmann H. i in., Handbuch Bioenergie-Kleinanlagen, Fachagentur Nachwachsende Rohrstoffe e.V., Gülzow 2007.

[3]. Hrdlička J., Šulc B. Plaček V., Vrana S., Impact of Control Solutions on Ecology and Economy of Small-scale Biomass Boilers, „International Journal of Circuit, Systems and Signal Processing”, 2011 wyd. 3 nr 5, s.247-254.

[4] Referat został przedstawiony podczas konferencji „Bezpieczne Ciepło 2013″

Wykres. Sprawność, CO, TOC i NOx w zależności od współczynnika nadmiaru powietrza – typowy trend dla kotłów na paliwa stałe; [1] s. 64.
Schemat blokowy układu kaskadowego sterowania mocą i procesem spalania w kotle w paleniskiem retortowym; [2] s. 103.

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