Aktuální vydání

celé číslo

05

2019

komunikace a software pro snímače a akční členy

tlakoměry

celé číslo

Řízení spalovacího procesu s využitím TDLS200 – analyzátoru plynů s laditelným laserem

Laserový analyzátor plynů TDLS200, využívající techniku laditelného polovodičové­ho laseru, je představitelem nové generace provozních analyzátorů. Vyznačuje se vel­kou selektivitou a dlouhodobou stabilitou a umožňuje spojitě in-situ analyzovat horké či korozivní plyny. Článek podrobně pojednává o možnostech, které tento přístroj nabízí pro optimalizaci spalovacích procesů.
 
Provozovatelé průmyslových spalovacích zařízení používaných k ohřevu produktů a vý­robě páry, tepla nebo elektrické energie mají tři základní cíle:
  • zvyšovat účinnost a kapacitu zdroje a vy­tvářet maximální možný finanční zisk,
  • minimalizovat emise a znečištění a vy­hnout se penalizacím,
  • udržovat spalovací zařízení v bezpečném provozu a zajistit kontinuitu výroby i pra­covní příležitosti.
Protože značná část spalovacích zařízení je provozována dlouhodobě, a to až po desít­ky let, nevede cesta k optimalizaci spalova­cího procesu jen přes použití nových měři­cích přístrojů – analyzátorů složení spalin – a zavedení dokonalejších řídicích algoritmů. Problém vyžaduje celostní přístup, dokona­lou diagnostiku a znalost místních omezení. Pozornost je třeba věnovat zejména těsnos­ti stěn kotle (pece), neboť přisávání falešné­ho vzduchu vede k tepelným ztrátám a ne­správným předpokladům o množství kyslíku vstupujícího do spalovacího procesu. Dal­šími náměty při optimalizaci chodu zaříze­ní jsou kvalita řízení tahů plynů v topeništi a klapek na vstupech vzduchu i na výstupu spalin, kvalita promísení paliva se vzduchem, použití moderních hořáků a jejich rozmístění v topeništi způsobem zajišťujícím rovnoměr­né teplotní pole a minimalizaci tvorby oxidů dusíku a síry (NOx, SOx). K dosažení uvede­ných cílů je nezbytná také pravidelná údrž­ba a obnova částí kotle, které jsou vystaveny opotřebení a korozi.
 
Ke sledování a optimalizaci spalovacího procesu je nutné znát obsah kyslíku (O2) ve spalinách (přebytek po spalování) a také ob­sah CO, který indikuje účinnost i bezpečnost spalování. Při rozhodování o strategii optima­lizace spalovacího procesu by proto neměly chybět úvahy o použití laserového analyzáto­ru koncentrací O2 a CO na výstupu spalovací zóny jako přístroje, který poskytuje okamžité a spolehlivé údaje.
 

Řízení poměru palivo-vzduch

 
Spalovací proces vyža­duje palivo, vzduch (kyslík), promísení (turbulen­ci), prostor pro hoření, teplotu a čas. Nedostatek vzduchu způsobí vznik sazí (nespálený uhlík), kouře a produkci výbuš­ného CO. Naproti tomu nadbytek vzduchu zmen­šuje účinnost zaříze­ní, protože při hoření se v topeništi současně ohří­vá dusík (N2), kterého je ve vzduchu 78 %, k hoření nijak nepřispívá a navíc za vyšší teploty spoluvytváří nežá­doucí oxidy (NOx).
 
Vliv velikosti poměru palivo-vzduch na účinnost spalování je ukázán na obr. 1. Na vodorovné ose je poměr skutečně dodané­ho vzduchu k jeho teoreticky potřebnému množství, modrou čarou je vyznačen průběh tepelných ztrát a červenou průběh účinnos­ti spalování. Poměr palivo-vzduch je v ma­lých zařízeních řízen diskrétními poměrový­mi regulátory, ve větších systémy typu DCS, při použití několikaparametrového predik­tivního řízení.
 
Ideální (nejnižší možná) hodnota přebytku O2 není konstantní, ale závisí na větším počtu proměnných faktorů, jako jsou např. typ a vý­hřevnost paliva, typ použitých hořáků, vlh­kost dodávaného vzduchu, vlhkost v palivu, zatížení (režim) kotle, zanesení hořáků systé­mu nebo mechanické opotřebení akčních čle­nů řídících dodávku paliva. Proto je vhodné měřit vedle koncentrace O2 také koncentra­ci CO a mít možnost pružně reagovat na pří­tomnost nespálených složek ve spalinách podle změn již uvedených proměnných faktorů.
 

Omezení současných analyzátorů O2 a CO

 
Koncentrace O2 se povětšinou měří analy­zátory se zirkoniovým napěťovým článkem. Společnost Yokogawa má zirkoniové analy­zátory ve své nabídce od sedmdesátých let minulého století a poslední spolehlivé a pra­xí prověřené modely řady EXAxt ZR pro mě­ření na jednom (ZR402G+ZR22G), popř. ně­kolika místech (AV550G+ZR22G) jistě před­stavují špičku na trhu.
 
Obecně však má použití analyzátorů se zirkoniovým článkem určitá úskalí:
  • jde o bodové měření, přičemž rozložení koncentrací plynů ve spalinovodu se může místně lišit (i o 1,5 %) a poloha míst s re­prezentativní (průměrnou) koncentrací se mění s průtočným profilem podle zatížení kotle,
  • s měřením v oblasti s teplotou spalin menší než 700 °C (za přehříváky páry, předehřívá­ky vody či vzduchu) je v podtlakovém režimu spojeno riziko pronikání vzduchu ne­těsnostmi v konstrukci kotle a zkreslování naměřených údajů; při jen odhadovaných netěsnostech je spalování řízeno s většími přebytky vzduchu (O2), než je nutné,
  • délka vysokoteplotních sond pro měření poblíž zóny hoření (do 1 400 °C) je jen 1,5 m a sondy lze umístit pouze svisle, takže jsou použitelné jen v určitých situ­acích,
  • při i jen částečném zanesení filtru na kon­ci sondy se naměřené údaje zpožďují za skutečností a dosažitelná přesnost regula­ce klesá,
  • měřicí řetězec pro správnou činnost vy­žaduje řádnou údržbu a periodickou kali­braci; při nezjištěných netěsnostech mezi referenční a měřicí stranou zirkoniového článku je přístroj zdrojem nevalidních, až nebezpečných údajů.
Koncentrace CO se měří při použití odbě­rových sond, tedy opět bodově.
 
Analyzátory typu NDIR (Nondispersive Infrared) se vyznačují vedle zpoždění vli­vem filtru a odběrné cesty ještě prodlevou způsobenou chladičem odstraňujícím nežá­doucí vlhkost (s absorpcí v těchže vlnových pásmech). Infračervené analyzátory zabudo­vané do potrubí (in-line) mají omezenou cit­livost v důsledku přítomnosti silnějších ab­sorbentů (CO2 a H2O), omezený rozsah pro­vozní teploty a obtížně se kalibrují. Měří-li se koncentrace CO v rámci systému měření emisí na patě komína, jde o měření provádě­né již za možnou zónou oxidace CO na CO2, které má v důsledku dopravního zpoždění jen informativní charakter s malým užitkem k ří­zení v reálném čase.
 
Katalytické analyzátory CO typu close ex­tractive (±75 ppm) zpravidla pracují do tep­loty nejvýše 400 °C, a tedy jen na místech velmi vzdálených od místa vlastního hoření. Z funkčního principu nejsou imunní proti ji­ným složkám spalin (saze, SOx atd.) a jejich výstupem je tzv. CO-ekvivalent (COe), tedy nikoliv selektivně koncentace CO. Oxidy síry mohou zkracovat dobu provozního života je­jich článků a způsobovat posun výsledku až o 200 ppm oproti skutečnosti. Pro svou funk­ci potřebují O2 (alespoň 1,5 %). Při nedostat­ku O2 a náhlém výronu CO se může stát, že katalytický senzor nebude ukazovat správnou hodnotu nebo průnik nezachytí vůbec. Stejně jako všechny ostatní elektrochemické senzory trpí driftem a vyžadují údržbu a rekalibrace.
 

Vlastnosti laserového analyzátoru TDLS200

 
Analyzátor TDLS200 na obr. 2, měřící koncentraci O2 nebo CO přímo za spalovací zónou (do 1 500 °C) v reálném čase (během 2 až 5 s) a umožňující rychle zasahovat do ří­zení spalování, je skutečností. V časopise Au­toma byl před čtyřmi lety (vydání 8-9/2007) představen princip True Peak a na něm za­ložený laditelný laserový analyzátor od fir­my ASI (Analytical Specialities Inc.)/Yoko­gawa. Od té doby společnost Yokogawa zce­la převzala firmu ASI (v květnu 2008) a více než 400 nových referencí dlouhodobě potvr­zuje dobré užitné vlastnosti tohoto přístroje.
 
Na rozdíl od starších laserových analyzá­torů dostupných na trhu a používaných v sys­témech ke sledování emisí (měření koncent­rací NH3, HCl, HF atd.), které detekují ampli­tudu absorpční čáry po druhé derivaci, přístroj True Peak integruje plochu vymezenou touto čarou a poskytuje správný údaj i při proměn­ném složení pozadí, a to s lineární závislos­tí na tlaku. Proto může být s úspěchem a bez ztráty přesnosti použit i při současné a náhlé změně tlaku a teploty. Je určen pro náročné měření složení korozivních plynů s obsahem pevných částic při teplotě média až 1 500 °C a tlaku až 2 MPa. Konkrétní mezní hodnoty tlaku a teploty jsou závislé na typu a koncent­raci měřeného plynu. Citlivost je dána délkou světelné dráhy v plynu, jeho teplotou, tlakem, dobou integrace a množstvím pevných částic. Při měření koncentrace O2 se běžně dosahuje citlivosti 0,01 %, u CO od 2 do 5 ppm. Analy­zátor TDLS200 má výborně vyřešený způsob adjustace optické souososti vysílače a přijíma­če, který eliminuje mechanické korekce jinak nutné po jeho sejmutí a nové montáži (obr. 3).
 
Vysílací, řídicí a vyhodnocovací jednotka analyzátoru umožňuje během měření autonomně spouštět validační cykly, při nichž je do validační komory vpuštěn plyn o zná­mé koncentraci, jehož absorpce se skokově přičte k právě měřené hodnotě. Analyzátor může tuto změnu na svých proudových vý­stupech „zamaskovat“ a do řídicího systému poslat jen stavovou informaci o úspěšnosti va­lidace. Analyzátor je současně vybaven ob­sáhlou diagnostikou s uchováváním výsled­ků a stavových údajů a také prostorem pro ukládání absorpčních spekter s nejméně čtr­náctidenní kapacitou, takže podmínky měře­ní lze bezezbytku rekonstruovat i bez použití PC. Protože podíl bezpečně odhalených po­ruch přístroje (SFF – Safe Failure Fraction) je větší než 85 %, analyzátor splňuje klasifikaci SIL 1 podle normy IEC 61508. Proto se s výhodou uplatní v bezpečnostních fléro­vých úlohách měření mezní koncentrace O2, kde lze využít provedení pro zónu 1 nebo 2prostředí s nebezpečím výbuchu.
 
Hlavní předností analyzátoru TDLS200 je rychlost měření v náročných provozních pod­mínkách i při značně dlouhé optické dráze (u spalování plynu úspěšně i 32 m) bez nutnos­ti časté periodické kalibrace. Ta je doporučová­na s nejkratším intervalem po roce nebo také až při výměně laseru (očekávaná doba života del­ší než patnáct let). Analyzátor TDLS200 díky svým vlastnostem velmi rychle našel své uplat­nění v petrochemickém, chemickém a hutním průmyslu a v tepelných elektrárnách, kde všude umožňuje zdokonalit spalovací procesy a zvýšit bezpečnost provozu. Analyzátor k měření kon­centrace O2 ve spalinách využívá vlnovou dél­ku 760 nm a analyzátor CO délku 2 300 nm.
 

Měření koncentrace O2 a CO ve spalinách analyzátorem TDLS200

 
Na obr. 4 je uveden příklad použití ana­lyzátoru TDLS200 k měření koncentrací O2 a CO při spalování plynu v peci. Graf ukazu­je průběh koncentrací O2 a CO ve spalinách při záměrném zmenšování dodávky vzduchu do hořáků a poté při návratu k výchozímu sta­vu, v ručním režimu. Patrný je počátek tvorby CO při 2% koncentraci O2 a strmý nárůst kon­centrace CO při poklesu koncentrace kyslíku O2 k hodnotě 1,5 %, znamenající nedokona­lé spalování. Následující opětný růst dodávky vzduchu sledovaný růstem koncentrace O2 ve spalinách měl za následek rychlý pokles kon­centrace CO a návrat do stavu dokonalého spa­lování. Pohledem na časovou osu lze zjistit, že koncentrace CO vzrostla ze 100 na 4 000 ppm během několika desítek sekund.
 

Řízení poměru palivo-vzduch pomocí měření koncentrací O2 a CO

 
Podle Lymana F. Gilberta by v optimální spalovací zóně (s největší tepelnou účinností na jednotku paliva) měla být hodnota koncen­trace CO asi 200 ppm, bez ohledu na druh pa­liva a zařízení. Jakmile se začne tvořit CO, je nárůst jeho koncentrace velmi rychlý (obr. 4). Pro udržení stability spalovacího procesu musí být proto buď zajištěna dostatečná do­dávka vzduchu, nebo řídicí systém musí sle­dovat koncentraci CO v reálném čase a trvale ji udržovat na malých hodnotách.
 
Množství vzduchu dodávaného do hořáků lze řídit jedním ze dvou způsobů:
  • použitím nucené dodávky vzduchu pomocí ventilátoru na vstupu, tj. přetlakem, se škr­ticí klapkou umístěnou na výstupu z pece (FDF – forced draft fan, viz obr. 5),
  • pomocí ventilátoru umístěného na výstu­pu z pece, tj. vysávajícího spaliny z pece pod tlakem s úpravou průtoku opět klap­kou (IDF – induced draft fan).
Koncentrace O2 a CO se v obou případech měří na začátku spalinovodu, přednostně ješ­tě v radiační zóně pece. Naměřené hodnoty koncentrace CO lze využít k řízení spalová­ní dvěma způsoby:
  • buď řídit přebytek O2, jestliže koncentrace O2 překročí jí stanovenou mez, a přepnout na řízení koncentrace CO, jestliže koncen­trace O2 poklesne pod stanovenou mez,
  • nebo podle hodnoty koncentrace CO jen posouvat (bias) hlavní regulaci koncent­race O2.

Odhad ekonomického přínosu dokonalejšího řízení poměru palivo-vzduch

 
Změnou žádané hodnoty koncentrace O2 ve spalinách lze k vývinu téhož množství energie spotřebovat méně paliva – tedy ušetřit palivo. Možná úspora je ilustrována na jedno­duchém příkladu uvedeném v tab. 1 tab. 2.
 
Jako spalovací zařízení je v příkladu uva­žována pec na destilační jednotce přepraco­vávající 100 000 barelů ropy denně. Palivem je topný olej při roční spotřebě 60 000 m3 0,5 procentního bodu, uspoří se ročně 240 m3 paliva, což při současné dané úrovni cen představuje úsporu 156 000 eur. Navíc se spolu se snížením spotřeby paliva dosáhne také snížení emisí CO2. Spálením jednoho krychlového metru topného oleje vzniknou až tři tuny CO2, takže uvedený po­kles spotřeby paliva má za následek snížení emisí o 720 tun za rok.. Jestliže se dosáhne snížení přebytku kyslíku ve spalinách o
 

Zvýšení bezpečnosti při použití TDLS200

 
Systém pro řízení hořáků (BMS – Burner Management System) bezpečně řídí hořáky spalovacího zařízení a zajišťuje vzájemné vaz­by nezbytné k bezpečnému havarijnímu od­stavení hořáků z provozu v případě nebezpe­čí výbuchu. Systémy typu BMS musí odpo­vídat bezpečnostním standardům na základě posouzení rizik podle mezinárodních norem (ISO 12100) a v Evopě také podle EN 746. Protože analyzátor TDLS200 sleduje kon­centraci CO téměř v reálném čase a detekuje vznik toxických plynů vlivem nedokonalého spalování, může jeho výstupní signál zařa­zený do BMS přispět ke zvýšení bezpečnos­ti podle daných bezpečnostních pravidel. Na obr. 6 je ukázána typická konfigurace systému řízení hořáků, v němž je k současnému BMS s jeho havarijními vypínacími funkcemi při­dána funkce měření koncentrace CO. Společ­nost Yokogawa nabízí pro bezpečné odstavení technologického zařízení systém ProSafe-RS bezpečnostní kategorie SIL 3, který je možné využít jako BMS.
 

Použití TDLS200 při řízení spalovacích procesů v ČR

 
ČEZ EVI – Elektrárna Vítkovice na­hradil analyzátor TDLS200 dosavadní odbě­rový analyzátor koncentrace CO v obtokovém potrubí DN100 mezi přehříváky a elek­trostatickým odlučovačem popílku uhelného kotle K10. V důsledku velké prašnosti, a tím jeho ucpávání, dosavadní analyzátor neplnil ochranné funkce včasného odpojení odlučo­vače od napájení a prevence výbuchu. Signál koncentrace CO s dobou odezvy do pěti se­kund je využíván nejen ke spolehlivé ochraně odlučovače, ale také k optimalizaci spalova­cího poměru – přebytku O2. Přístroj je v pro­vozu od května 2009.
 
Firma Energetika Třinec, a. s., vyrábí páru pro potřeby výrobních provozů Třineckých železáren spalováním odpadních plynů z růz­ných provozních úseků. Protože režim vý­roben je mnohdy šaržovitý, je diskontinuál­ní i dostupnost jednotlivých plynných zdro­jů. Hořáky kotlů K1 až K4 (dva pro každý kotel) musí umět plynule reagovat na změ­ny složení plynného paliva (generátorový, vysokopecní, konvertorový a popř. zemní plyn), jehož výhřevnost se v čase velmi liší, poměr palivo-vzduch se mění od 1 : 1 po 1 : 10 a vlhkost spalin kolísá mezi 1 a 30 %. V přechodových stavech může dojít ke špič­kovému výronu CO nebo i zhasnutí plame­ne. Analyzátor TDLS200 se v této úloze (in­stalována na třech kotlích) velmi osvědčil, protože svou rychlou odezvou předstihuje již existující analyzátory CO o téměř tři mi­nuty a díky měření přes prostor kotle v dél­ce 7 až 8 m (na rozdíl od bodového odběru) spolehlivě odhalí výron CO. Spalování je při použití nového spolehlivého údaje o množ­ství CO řízeno na hodnotu koncentrace CO asi 40 ppm. První přístroj zde byl uveden do provozu v srpnu 2009.
 
V podniku Dalkia, a. s. – Elektrárna Třebovice měří analyzátor TDLS200 kon­centraci O2 na kotli K12. Měření koncentra­ce CO na uhelném práškovém kotli bylo již ve světě ověřeno, a to i na velkých zdrojích, kde se několikanásobným měřením stano­vovala síť hodnot v průřezu kotle. Měření koncentrace O2 má ale jistá úskalí, proto­že dostupný stabilní laser nemá nadbytek výkonu a útlum signálu na optické dráze délky 9 m je vlivem velké prašnosti i pro­měnlivé opacity (uhelné brýdy) značný. Ve spolupráci s aplikační laboratoří Yokogawa Laser Analysis Division se podařilo dosáh­nout uspokojivého přenosu mezi laserovým vysílačem a detektorem a zajistit stabilitu měření ve všech provozních stavech. Dal­ším úskalím byla nedostupnost dusíku pro ofukování skel optické části. Díky umístění přístroje měření v místě, kde teplota spalin může dosahovat až 950 °C, je možné pro ofukování skel použít filtrovaný přístrojový vzduch, protože měřená absorbce O2 využí­vá „vysokoteplotní“ spektrální čáru, a tím je vliv O2 v ofukujícím chladnějším vzduchu zanedbatelný. Neméně důležitým úkolem bylo zajistit uchycení vysílače a detektoru tak, aby v celém rozsahu teplot okolí i mě­řeného média byla zachována koincidence jejich optických os. Protože vnější stěna kotle je pružná, vytvořená oplechováním z ocelových desek, vyžadovalo mechanické ukotvení částí analyzátoru zákaznicky ori­entovaný profesionální návrh. V ČR se jis­tě ojedinělou úlohu příkladnou spoluprací konečného uživatele s dodavatelem podaři­lo úspěšně realizovat.
 

Další použití

 
Uvnitř laditelného pásma laserového analyzátoru koncentrace CO lze zaznamenat také diskrétní útlumové čáry vlhkosti (H2O) a methanu (CH4). Druhý analyzátor, měří­cí koncentraci O2 při vysoké teplotě (nad 800 °C), může vyhodnocením poměrů mezi amplitudami dvou sousedních spektrálních útlumových čar velmi spolehlivě stanovit průměrnou teplotu podél optické dráhy la­serového paprsku. U průmyslových pecí, které generují páru nebo ohřívají různé pe­trochemické produkty, lze z uvedených pěti veličin nejen určit optimální spalovací po­měr, ale také detekovat zhasnutí plamene některého z hořáků (okamžitý pokles tep­loty) nebo poškození přehříváku páry (ná­růst koncentrace H2O) či produktu (nárůst koncentrace CH4).
 
Požadavky na snižování emisí oxidů dusí­ku (NOx) vedou provozovatele zdrojů k tomu, že zvažují efektivnost použití denitrifikač­ní (DeNOx) techniky SCR – selektivní ka­talytické redukce pomocí injektáže čpavku – redukující NOxna N2 a H2O. Předávkování čpavku ovšem způsobuje nadměrnou tvorbu pevných částic, zalepování filtrů, korozi, opo­třebení katalyzátoru a také nežádoucí průnik aromatického čpavku do okolí. Z provozního hlediska není zanedbatelná také cena čpav­ku. K zajištění přesného dávkování čpavku je třeba rychle měřit za denitrifikačním zaříze­ním při teplotě okolo 300 °C, velké prašnos­ti i vlhkosti. Analyzátor TDLS200 je pro tyto případy použitelný a vyzkoušený při dosaži­telné mezní citlivostí 0,2 ppm čpavku v mě­řeném médiu.
 

Závěr

 
Analyzátor TDLS200 je přístroj, který i při současných trendech omezování výdajů je zcela bezpečnou investicí významně pomá­hající provozovatelům spalovacích zařízení dosahovat úvodem zmíněných cílů v oblas­ti zisku, vlivu na životní prostředí a bezpeč­nosti. Svým přínosem pro optimalizaci spa­lování spoří palivo a zvyšuje kapacitu techno­logického zařízení. Menší spotřeba paliva se promítá i do oblasti ekologie snížením emisí CO2 a omezením tvorby CO i oxidů dusíku. Krátká doba odezvy přístroje umožňuje zvý­šit bezpečnost při spalování.
Tomáš Zetek, Yokogawa GesmbH
 
(zpracováno s použitím firemních materiálů společnosti Yokogawa)
 
Obr. 1. Vztah mezi poměrem palivo-vzduch a účinností spalování
Obr. 2. Laserový analyzátor plynů TDLS200
Obr. 3. Schéma uspořádání analyzátoru TDLS200 a jeho instalace v místě měření
Obr. 4. Změny koncentrací O2a CO ve spalinách u pece v režimu spalování při nedostatku vzduchu
Obr. 5. Řízení spalování v peci s měřením koncentrací CO a O2 (FC – řízení průtoku)
Obr. 6. Bezpečné řízení v systému správy hořáků (BMS – Burner Management System, FC – řízení průtoku)
 
Tab. 1. Výchozí údaje použité pro výpočet úspory paliva uvedený v tab. 2 (uvažován je topný olej)
Tab. 2. Výpočet úspory paliva při snížení koncentrace O2ve spalinách ze 2,5 na 2 % (podle výchozích údajů v tab. 1)