Введение к работе
Актуальность работы
Основой электроэнергетики Казахстана является теплоэнергетический комплекс общей мощностью 16733 МВт (88,2 % от установленной электрической мощности электростанций). Все 38 действующие ТЭЦ и крупные котельные с годовым производством около 32 млрд. кВт/ч электроэнергии и более 50 млн. Гкал тепла работают на местных (экибазстузских, борлипских, куучекинских и др.) углях с зольностью до 50 %. Теплотворная способность этих углей колеблется в пределах 3500-4200 ккал/кг, зольность, отнесенная к 1000 ккал может превышать 10 (для западноевропейских ТЭЦ этот показатель не превышает 2), содержание серы составляет 0,5-0,7 %, азота - от 0,5 до 1,5 %, исходная запыленность дымовых газов может составлять 70-100 г/нм".
В настоящее время на долю теплоэнергетики приходится 42 % общих выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников. В соответствии с постановлением правительства РК № 1232 от 14 декабря 2007 г. все вновь вводимые и существующие котлы ТЭС с 01.01.2013 г. должны иметь пониженные эмиссии выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Так, например, для котлов производительностью до 420 т/ч нормативы выбросов составляют: по окислам азота 350 мг/нм"; оксидам серы 700-1400 мг/нм3; твердым частицам 150-500 мг/нм3.
Достаточно близкие лимитирующие показатели по выбросам ТЭС в атмосферу установлены в Германии: по летучей золе 150 мг/нм3, по окислам азота 240- 420 мг/нм3 (для крупных и небольших котлов соответственно) и по диоксиду серы- 400 мг/нм3.
По расчетам КазНИИЭнергетикн затраты па реализацию германских нормативов с применением существующих технологий для действующей пылеуголыюй энергетики Казахстана должны составить (в ценах ФРГ 1990 г.) примерно 4,5 млрд. марок ФРГ на сероочистку и около 2,5 млрд. марок ФРГ на азотоочпетку, что практически нереально. Поэтому, безусловно, актуален и экономически обоснован поиск альтернативных, доступных для реализации технологических решений.
Отметим, что в мировой практике кроме летучей золы, окислов серы и азота, лимитируются также выбросы окиси углерода, характеризующие появление химического недожога в дымовых газах и экономичность ТЭЦ.
Традиционная технология пылевидного (камерного) сжигания углей является преобладающей в энергетике Республики Казахстан, и крайне важно повысить эффективность и «экологичность» этой технологии. Для этого необходимо оптимизировать средствами автоматизации подачу кислорода (воздуха) непосредственно в топку котла. Но, конечно, основной упор должен быть сделан на пылегазоочистку уходящих газов уже за пределами котлов.
Сегодня совершенно необходимо оснащать котлы автоматизированной системой подачи воздуха, которая бы не только фиксировала режим работы котлоагрегата, но и оперативно выдавала персоналу котельной информацию,
необходимую для ведения оптимального режима котла. Потери с химической, механической неполнотой сгорания и выбросы в окружающую среду в этом случае будут сведены к минимуму.
Одним из возможных путей улучшения работы пылегазоуловителей является использование для пылегазоочнстки инфразвуковых приборов различной мощности, оборудованных средствами автоматизации, что позволяет снизить выбросы окислов серы примерно на 75 %, окислов азота - примерно на 70 %. Одновременное применение на действующих котлах автоматизированной системы подачи воздуха, очистки и удаления дымовых тазов, давая большой эффект, не требует больших затрат на реконструкцию котлов. Именно это обстоятельство способствует внедрению на действующих ТЭЦ и котельных наших рекомендаций, как самых малозатратных мероприятий, направленных на повышение эффективности и «экологической чистоты» ТЭЦ.
Основная идея работы - разработать и обосновать способ уменьшения загрязнения атмосферы и повышения эффективности сжигания топлива на действующих котлах средствами автоматизации.
Цель работы - оптимизировать на основе автоматизации технологическую систему подачи воздуха в котел, обеспечив полное сгорание топлива, очистку и удаление дымовых газов.
Объект исследования - процесс пылегазоочнстки на котельных установках с традиционной технологией пылевидного (камерного) сжигания углей.
Предметом исследования является автоматизация управления технологическими узлами подачи воздуха в котел, инфразвуковой очистки и удаления дымовых газов.
Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись основные положения и методы теории автоматического управления, математического моделирования, прикладной экологии, теории эксперимента.
Основные задачи работы:
разработать технологию очистки загрязненных газовоздушных смесей с использованием инфразвука и средств автоматизации;
получить математическую модель инфразвуковой очистки дымовых газов на действующих котлах;
разработать устройство, обеспечивающее очистку загрязненных газовоздушных смесей на основе автоматизации процесса;
разработать автоматизированную систему управления технологическим процессом подачи воздуха в котел, обеспечивающую оптимальное сгорание пылеугольной смеси и очистку дымовых газов.
Научная новизна:
на основании проведенных экспериментов разработана математическая модель инфразвукового иылегазоулавливания, выявившая основные определяющие факторы и степень их влияния на конечные результаты пылегазоочнстки дымовых газов, тем самым обоснована необходимость автоматизации управления процессом;
разработаны оптимальные по основным технико- экономическим критериям эффективности алгоритмы программного управления процессом сгорания топлива и процессом пылегазоочистки на действующих котлах;
- предложены новый способ инфразвукового пылегазоулавливания
(патент РК № 42586, 2003 г.) и устройство, реализующее его средствами
автоматизации (заявка№2009/0403.1 от 25.03.09 г.);
оптимизированы путем автоматизации процессы горения топлива и инфразвуковой пылегазоочистки уходящих дымовых газов, что позволило повысить эффективность и экологичность действующей технологии. На защиту выносятся:
комплекс мер по оптимизации режима работы котельных установок с инфразвуковой очисткой уходящих дымовых газов по эколого -экономическим критериям эффективности;
математическая модель инфразвуковой очистки дымовых газов, полученная па основе обработки экснеримент&чьных данных;
алгоритмы оптимизации управления процессами подачи воздуха, очистки и удаления дымовых газов действующих котельных установок;
автоматизированная система управления технологическим процессом пылегазоочистки дымовых газов котельных установок, включающая автоматизированные узлы подачи воздуха в топку котла и инфразвуковой очистки дымовых газов, обеспечивающая контроль полноты сгорания топлива, контроль выбросов загрязняющих веществ, оценку общего количества выбросов вредных веществ в атмосферу, функционирующая на базе специализированного электронного контроллера с прикладным программным обеспечением.
Обоснованность и достоверность научных положенні'!, выводов и рекомендаций основывается на корректном использовании теории автоматического управления, теории оптимального управления, методов математического моделирования, теории эксперимента, а также на внедрении разработанных рекомендаций.
Практическая ценность работы заключается в повышении качества и эффективности технологических процессов, технического уровня природоохранного оборудования на основе улучшения экономических (полное сгорание топлива) и экологических (% пылегазоулавливания) показателей посредством автоматического управления этими показателями. Большое практическое значение имеет защищенный патент РК № 42586, 2003 г. - Способ инфразвуковой очистки пылегазовых потоков дымовых газов, и устройство, реализующее этот способ на практике путем автоматизации процесса.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедр «Математическое и компьютерное моделирование» и «Приборостроение и автоматизация технологических процессов» ВКГТУ им. Д.Серикбаева, па международных и научно-практических конференциях «Проблемы трансграничного загрязнения территорий», Усть- Каменогорск, 2004 г., «Энергетика, Экология,
Энергосбережение», Усть- Каменогорск, 2005 г., «Качество- стратегия XXI века», Томск, 2006 г., «Информационно- коммуникационные технологии как основной фактор развития инновационного общества», Усть-Каменогорск, 2007 г., «Социально- экономические проблемы регионального развития в условиях глобализации», Нижневартовск, 2007 г., «Наш общий дом- Алтай. Международное партнерство: наука, экономика, образование, культура, туризм», Усть- Каменогорск, 2008 г., «Роль университетов в создании инновационной экономики», Усть- Каменогорск, 2008 г., «Проблемы ресурсоэнергосбережения и использования альтернативных экологически чистых способов получения энергии», Усть- Каменогорск, 2008 г.
Личный вклад автора. Постановка проблемы, формулирование всех рассмотренных задач, поиск путей их решения, а также приведенные в диссертации научные и практические результаты, их анализ, формирование итоговых выводов и внедрение осуществлены лично автором диссертации.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных трудов, из них 1 патент РК, 3 статьи в изданиях, рекомендованных Комитетом по контролю в сфере образования и науки МОП РК для публикации основных результатов кандидатских и докторских диссертаций.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 90 наименований и приложений, общим объемом 125 страниц.
