Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Zvýšení účinnosti spalování odstraněním vlivu provozních podmínek na měření a regulaci

Článek naznačuje, jak nepřesnost měření vlivem provozních podmínek a změn ve složení paliva významně ovlivňuje přesnost regulace poměru vzduchu k palivu a jak lze jednoduchým odstraněním těchto vlivů zásadně zvýšit účinnost spalovacích procesů.

 
Průmyslové kotle, pece a spalovací turbíny se v současnosti vyskytují v mnoha nejrůznějších provozech všech odvětví průmyslu. Provoz těchto tepelných zařízení je energeticky značně náročný. Na celkové spotřebě primární energie se tato zařízení podílejí více než z poloviny a zároveň jsou také dominantním zdrojem emisí skleníkových plynů.
 
Účinnost tepelných zařízení typicky významně ovlivňuje ekonomiku celého závodu. Zvýšením účinnosti se přitom dosáhne nejen úspory provozních nákladů, větší produktivity a většího zisku, ale také snížení emisí skleníkových plynů.
 
Zvýšení účinnosti tepelných zařízení tudíž bude klíčem k dosažení tzv. cílů 20/20/20 celoevropské strategie Evropa 2020 v oblasti klimatu a energie, která ukládá do roku 2020:
  • snížit emise skleníkových plynů o 20 % oproti úrovni z roku 1990,
  • zvýšit podíl energie pořízené z obnovitelných zdrojů na celkové spotřebě energie v EU na 20 %,
  • zvýšit celkovou energetickou účinnost v zemích EU o 20 %.
 

Účinnost spalovacího procesu

K dosažení maximální účinnosti jakéhokoliv spalovacího procesu je stěžejní zajistit optimální (pokud možno stechiometrický) hmotnostní poměr vzduchu k palivu. Tento poměr je regulován na základě výsledků měření množství (koncentrace) kyslíku ve spalinách (tzv. zbytkový kyslík). Příliš mnoho zbytkového kyslíku znamená i nadbytečné množství dusíku, které zmenšuje tepelnou kapacitu a účinnost spalování a může také způsobit vyšší emise oxidů dusíku. Příliš malé množství zbytkového kyslíku naopak signalizuje nespálené uhlovodíky, které představují větší než nezbytně nutnou spotřebu paliva a potenciální bezpečnostní riziko.
 
Udržovat poměry při spalování poblíž optima tedy znamená dostatečně přesně měřit a regulovat. V průmyslové praxi jsou ovšem téměř pravidlem změny provozních podmínek, které mohou ovlivňovat přesnost měření a regulace. Zejména jde o měření průtoku a stanovení výhřevnosti paliva. Od přesnosti měření průtoku paliva při neustále se měnících provozních podmínkách se přímo odvíjí schopnost nastavit optimální poměr vzduchu k palivu. Změny v chemickém složení paliva ovlivňují jeho výhřevnost, a tedy množství energie dodávané v měrném množství paliva do spalovací jednotky, což následně opět vyžaduje úpravu nastavení poměru vzduchu k palivu.
 
Provozovatel musí mít z bezpečnostních důvodů jistotu, že množství zbytkového kyslíku je neustále udržováno v ideálním pásmu, a to za všech provozních podmínek. Větší nejistotu měření a regulace provozovatelé běžně kompenzují požadavkem na větší koncentraci kyslíku ve spalinách na úkor dosažené účinnosti spalování. Extrémní změny provozních podmínek mohou vést k cyklické nestabilní regulaci, poškození tepelného zařízení a popř. i k explozi.
 

Řízení procesu spalování topného oleje

K dosažení optimálního hmotnostního poměru vzduchu k palivu, a tudíž maximální účinnosti spalování, je tedy v první řadě třeba zajistit konstantní dodávku energie do spalovací jednotky. Dodané množství energie je určeno jako násobek měrné výhřevnosti paliva vztažené k jednotce jeho hmotnosti a dodaného hmotnostního množství, přičemž hmotnost jako taková není ovlivněna teplotní roztažností média. Ideálním přístrojem pro měření průtoku paliva je proto některý z průtokoměrů řady Micro Motion® od společnosti Emerson, založených na Coriolisově principu (obr. 1, obr. 2). Jelikož je měřena přímo hmotnost média, nevznikají zde nepřesnosti měření vlivem změn jeho teploty. Coriolisovy průtokoměry Micro Motion také nevyžadují žádné uklidňovací úseky potrubí a nejsou citlivé na jeho vibrace, takže je lze snadno začlenit do existujícího technologického zařízení. Protože jde o přístroje bez mechanických pohyblivých částí a těsněných spojů, a tedy bez mechanického opotřebení a potřeby pravidelné údržby, je jejich přínosem rovněž snížení nákladů na údržbu a rekalibrace.
 
Druhou z veličin s dominantním vlivem na přesnost regulace dodávky energie do spalovací jednotky je viskozita těžkého topného oleje. Viskozita nejenom že ovlivňuje průtok regulačním ventilem, ale také přímo ovlivňuje rozprašování paliva ve spalovací komoře, a tudíž účinnost vlastního hořáku. Ideálním řešením je regulace předehřevu těžkého topného oleje na konstantní viskozitu. K měření viskozity je tradičně používán přesný viskozimetr Micro Motion FVM (obr. 3), který přímo měří dynamickou i kinematickou viskozitu, hustotu a teplotu topného oleje.
 

Řízení procesu spalování topného plynu

Udržení optimálního hmotnostního poměru vzduchu k palivu je nadmíru důležité i při spalování topného plynu (obr. 4). Množství energie dodané v plynu je, stejně jako u topného oleje, přímo úměrné dodanému hmotnostnímu množství média, které není ovlivněno ani tlakem (stlačením) ani teplotou plynu. Ideálním přístrojem k měření průtoku energetického média je tedy opět Coriolisův průtokoměr Micro Motion. I při měření průtoku plynů jde o přímou hmotnostní metodu s garantovanou přesností měření hmotnostního průtoku plynu až ±0,25 %, a to bez nutnosti instalovat převodníky tlaku a teploty a přepočítávače množství plynu. Zpřesnění měření a úspory provozních nákladů se dosahuje při použití přesné a dostupné kalibrace vodou a kontroly správné činnosti průtokoměru na místě instalace pomocí automatické funkce Smart Meter Verification.
 
Druhou dominantní veličinou ovlivňující dodávku energie do spalovací jednotky je chemické složení topného plynu. Při změně složení, resp. výhřevnosti topného plynu, je médium okamžitě nedokonale spalováno. Tomu lze předejít použitím gravitometru Micro Motion SGM (obr. 5, obr. 6), který přímo měří aktuální molekulární hmotnost topného plynu bez ohledu na jeho aktuální teplotu a tlak. Výhřevnost topného plynu je následně v reálném čase stanovena jednoduchým přepočtem podle normy AGA-5.
 
Coriolisův průtokoměr Micro Motion a gravitometr Micro Motion SGM mohou navíc navzájem komunikovat prostřednictvím digitálního protokolu HART a výstupem pro regulaci v tomto případě může být přímo tok energie.
 

Závěr

Spalovací procesy jsou standardně řízeny na základě výsledků měření průtoku energetického média. V článku je naznačen způsob, jakým nepřesnost měření, resp. vliv provozních podmínek a změn ve složení paliva, významně ovlivňuje přesnost regulace poměru vzduchu k palivu a jak lze jednoduchým odstraněním těchto vlivů zásadně zvýšit účinnost spalování. Účelem článku bylo inspirovat čtenáře při hledání úspor či cesty ke snížení emise skleníkových plynů v rámci jeho působnosti v závodě, nebo dokonce při hledání způsobu, jak poměrně nenáročně splnit požadavky evropské strategie Evropa 2020 na zvýšení energetické účinnosti tepelných zařízení o 20 % do roku 2020.
 
Další informace o přesném měření průtoku, hustoty a viskozity lze nalézt na www.micromotion.com.
(Emerson Process Management, s. r. o.)
 
Obr. 1. Řízení procesu spalování těžkého topného oleje při použití Coriolisových průtokoměrů a viskozimetru z přístrojové řady Micro Motion od společnosti Emerson
Obr. 2. Výběr ze sortimentu Coriolisových průtokoměrů řady Micro Motion od společnosti Emerson
Obr. 3. Viskozimetr Micro Motion FVM
Obr. 4. Řízení procesu spalování topného plynu při použití Coriolisova průtokoměru Micro Motion a gravitometru Micro Motion SGM od společnosti Emerson
Obr. 5. Gravitometr Micro Motion SGM
Obr. 6. Instalace gravitometru Micro Motion SGM v provozní přístrojové skříni