Spôsob regulácie výkonu splyňovacieho kotla

Stiahnuť PDF súbor.

Zhrnutie / Anotácia

Vynález sa týka spôsobu viacparametrovej regulácie výkonu splyňovacieho kotla určeného najmä na vykurovanie a/alebo ohrev teplej vody na vykurovanie rodinných domov, bytov, penziónov, reštauračných a hotelových prevádzok a priemyselných objektov ? hál. Pri termostatom nastavenej teplote teplej výstupnej vody z kotla a/alebo i pri termostatom nastavenej teplote vo vykurovanej miestnosti PID regulátory v splyňovacom kotle riadia tlak spalín v rozsahu 8 až 38 Pa a absolútnu teplotu spalín v rozsahu 9 až 258 °C pri maximálnom rozptyle ±15 % od nastaveného parametra otáčkami ventilátora prívodu primárneho a sekundárneho vzduchu s drevoplynom do ohnísk v rozsahu 1 100 až 2 900 ot./min., pričom vzájomné funkčné vzťahy medzi sledovanými veličinami sú určené programovacím algoritmom kotla tak, aby boli ich okamžité hodnoty v prevádzkovom stave termodynamicky optimálne. Programovací algoritmus je pritom experimentálne určený z parametrov tlaku a absolútnej teploty spalín pri maximálnom výkone kotla a predpísaných koncentráciách emisií spalín COx a NOx. Tiež aspoň jeden PID regulátor môže byť vybavený vnútorným mikropočítačom s programovacím algoritmom kotla alebo môžu byť PID regulátory prepojené s programovacím algoritmom kotla v počítači.

Text

Pozerať všetko

Vynález sa týka spôsobu viacparametrovej regulácie výkonu splyňovacieho kotla určeného najmä na vykurovanie a/alebo ohrev teplej vody rodinných domov, bytov, penziónov, reštauračných a hotelových prevádzok i priemyselných objektov - hál.Splyňovacie kotly sú konštruované výlučne na spaľovanie dreva väčšinou na tepelný výkon od 10 do 100 kW. Ako palivo sa používa akékoľvek suché drevo, najmä polená do maximálnej dĺžky 500 mm, drevný odpad, ako sú piliny, hobliny atď., ale vždy v kombinácii s kusovým drevom. Nie je vylúčené používať aj vlhšíe drevo, čím sa však spotreba paliva zvyšuje. Veľká ich prikladacia komora pritom šetrí čas a fyzickú námahu pri deleni a pílení dreva. Popol pri týchto kotloch predstavuje len cca 1 až 2 z množstva dodaného paliva a ich čistenie býva len cca l- až 2-krát týždenne. Pokiaľ pracujú v správnom prevádzkovom režime, je prevádzka týchto kotlov prínosom pre životné prostredie s nízkou tvorbou škodlivín. Ich spaľovanie využíva princíp generátorového splyňovania drevnej hmoty za teploty (cca 1 100 °C). Takýto systém spaľovania je oproti klasickým kotlom ekonomickejší a dosahuje úsporu paliva až o 40 . Horenie drevoplynu je pritom podporované ventilátorom, ktorý vháňa spaľovaci primárny vzduch do ich homého ohniska a sekundárny cez dýzu do dolného ohniska. Prietokové množstvo tohto vzduchu a ťah v komíne sú závislé na otáčkach ventilátora, ktoré je možné plynule regulovať frekvenčným meničom. Tennodynamická, výkonová a okysličovacia dokonalosť spaľovania sú veľmi závislé najmä na parametroch odtiahnutia splodín komínom. Ťah v komíne sa v skutočnosti veľmi rýchle meni v závislosti na zmenách atmosféríckého tlaku, teploty atmosfériekého vzduchu, na intenzíte a smere vetra. Merania ukazujú, že V čase tieto zmeny prebiehajú s vysokou intenzitou a frekvenciou a že výkonové parametre, resp. amplitúdy výkonu kotla, tieto zmeny priamoúmeme nežiaducim spôsobom kopírujú. Z tohto hľadiska je dostatočne výkonný vyrovnávací ventilátor dôležitým konštrukčným prvkom. V súčasnosti sa však priama funkčná väzba medzi okamžitým výkonom ventilátora a niektorým dôležitým technologickým parametrom, napríklad ťahom komína, okamžitým výkonom kotla, tlakom alebo teplotou spalín v komínovom hrdle, konštrukčne nezabezpečuje. Ani rovnice a vzájomné funkčné vzťahy medzi technologickými a termodynamickými parametrami systému sa doposiaľ dostatočne nezisťovali. Vyrovnávacia, t. j. regulačná funkcia ventilátora preto v súčasnosti nie je konštrukčne dostatočne zaistená a pri nevýhodnom nastavení otáčok môže spôsobiť príliš nízky alebo naopak príliš vysoký ťah, čím môže tak mať dokonca na parametre spaľovania i na termodynamickú rovnováhu systému negatívny dopad.Doposiaľ sa uskutočňuje stanovovanie výkonu a koncentrácie emisných splodín splyňovacích kotlov iba v špecializovaných skúšobniach na požiadanie výrobcov alebo ich používateľov. Vlastné meranie však vyžaduje použitie špeciálnych nákladných pomôcok a meracích prístrojov, je časovo náročné, prácne, nákladné a nevhodné pre používateľov kotla.V súčasnosti sa v prevádzke splyňovacích kotlov u používateľov používa najmä ich dvojpolohová automatická a/alebo ručná regulácia. Kotly majú nainštalované dva termostaty, t. j. vnútomý na sledovanie teploty teplej výstupnej vody z kotla a vonkajší na sledovanie teploty vo vykurovanej miestnosti. Regulácia sa vykonáva vnútorným snímačom teploty kotla pri dosiahnutí hodnoty teploty výstupnej vody 90 °C a/alebo nastavenej teploty v miestnosti bud vypnutím ventilátora prívodu vzduchu do ohniska, alebo prepnutím na vonkajší okruh splyňovacieho kotla. Na prenos teplotných parametrov medzi kotlom a regulátorom sa používajú rôzne druhy digitálnych liniek, napr. regulátor pri prevádzkovaní kotla so vstavanou ekvíterrnnou reguláciou typu on/off alebo modemejší typ OpenTherm, ktorý určuje, za akých okolností a na akú teplotu má kotol kúriť pre aktuálnu vnútomú teplotu. Regulácia typu OpenTherm určuje pritom najmenší nutný výkon kotla potrebný v danom čase, pričom tento regulátor je vždy nadradený nainštalovanej automatike kotla. Bezdrôtové regulátory sa na takýto účel v súčasnosti zatiaľ nepoužívajú. Regulácia typu OpenTherm zabezpečuje teda reguláciu výkonu čerpadla vody iba nepriamo cez automatiku kotla. Regulátor V tomto prípade len určuje potrebnú výstupnú teplom. Vonkajší snímač býva len doporučený a spojený s automatikou kotla, tzv. Opentherm Plus linkou. Údaje o vonkajšej teplote pritom dostáva regulátor nepriamo cez kotol. Ich prevádzka bez vonkajšieho snímača teploty je síce možná, ale ekonomicky značne nevýhodná v porovnaní s použitým vonkajším snímačom. Bežne (a najvýhodnejšie) pritom beží kotol v režime, kde sa podľa požiadavky v budove mení výstupná teplota. Regulátor prepočítava práve najnižšie množstvo potrebného tepla tak, aby kotol išiel podľa možnosti na jeden štart celý deň, čo je však ideálny stav, ktorý sa však nezabezpečuje za každých okolností. Správne nastavená regulácia preto nevypína kotol podľa PID algoritmov, ale preto, že je potreba tepla nižšia ako minimálny výkon kotla. Kotol vtedy nedokáže dosiahnuť požadovanú (už veľmi) nízku teplotu na výstupe - musí sa odstaviť z prevádzky a počkať na vychladenie spiatočky, aby znova naštartoval. To, ako sa bude kotol správať v konkrétnej budove, závisí od mnohých faktorov (strát, veľkosti radiátorov atď.). Na hladkosť chodu je dobré nepredímenzovať kotol. Nízky spodný výkon je pritom dôležitejší ako je 10ho výkonová rezerva smerom nahor. Čím hladší má chod kotla, tým je jeho väčšia úspora paliva.Väčšina splyňovacích kotlov však neakceptuje kombináciu regulácii typu on/off a OpenTherm, čím sa neumožňuje spätné hlásenie teplôt z priestoru, preto je takáto regulácia nedokonalá a neúplná, málo komfortná, málo úspomá a zapríčiňuje nedokonalé spaľovanie, nízku účinnosť, prekračovanie prípustných emisií v spalinách a nezabezpečuje sa trvalá terrnodynamická rovnováha spaľovacieho systému.Známy je i spôsob automatického riadenia spaľovania v peci a systém na vykonávanie tohto spôsobu podľa SK PÚV 413 - 97, ktorý sa týka znižovania defmovanej koncentrácie oxidu uhlíka v odpadových plynoch. Potom sa definovaná koncentrácia voľného kyslíka zvyšuje, pričom sa po znížení koncentrácie oxidu uhlíka opaľ znižuje definovaná koncentrácia voľného kyslíka. Systém zahŕňa programovacie zariadenie s programom zmeny definovanej koncentrácie voľného kyslíka V odpadových plynoch, čo závisí od pomeru koncentrácie oxidu uhlíka. Uvedený spôsob je však pre bežne používané splyňovacie kotly s výkonom do 100 kW veľmi technicky náročný, nákladný a prakticky pre bežných používateľov kotlov nepoužiteľný.Cieľom predloženého technického riešenia je preto eliminovanie alebo aspoň minimalizovanie nevýhod doterajších spôsobov regulácie výkonu splyňovacieho kotla.Uvedené nedostatky v značnej miere odstraňuje spôsob regulácie výkonu splyňovacieho kotla podľa vynálezu. Podstatou vynálezu je, že pri termostatom nastavenej teplote teplej výstupnej vody z kotla a/alebo i pri termostatom nastavenej teplote vo vykurovanej miestnosti, PID regulátory v splyňovacom kotle riadia tlak spalín v rozsahu 8 až 38 Pa a absolútnu teplom spalín V rozsahu 9 až 258 °C pri maximálnom rozptyle i 15 od nastaveného parametra otáčkami ventilátora prívodu primárneho a sekundárneho vzduchu s drevoplynom do ohnisk v rozsahu l 100 až 2 900 ot/min., pričom vzájomné funkčné vzťahy medzi sledovanými veličinami sú určené programovacím algoritmom kotla súčasne pri ich všetkých termodynamicky optimálnych okamžitých prevádzkových hodnotách.Je pritom výhodné, ak je programovací algoritmus experimentálne určený z parametrov tlaku a absolútnej teploty spalín pri maximálnom výkone kotla a predpísaných koncentráciách emisií spalín COx a NOx.Tiež je výhodné, akje buď aspoň jeden PID regulátor vybavený vnútomým mikropočítačom s programovacím algoritmom kotla, alebo ak sú PID regulátory prepojené s programovacim algoritmom kotla v osobnom počítači.Spôsob regulácie výkonu splyňovacieho kotla podľa vynálezu umožňuje jednoduché, lacné, expresné a kontinuálne dodržovanie vysokého výkonu pri nízkych koncentráciách emisných splodín splyňovacích kotlov u používateľa kotla, ako i kontinuálnu kontrolu monitorovania týchto parametrov pri ich vývoji a výrobe. Uvedené parametre súvisia s dokonalosťou spaľovania drevnej hmoty, t. j. s ich zvýšenou účinnosťou, bezpečnosťou, ekológiou a ekonomikou prevádzky. Ďalej umožňuje jednoduchú operatívnu kontrolu výkonu a koncentrácii emisných spalín, čo je veľmi dôležité pre výrobcu splyňovacieho kotla z hľadiska dodržania projektovaných parametrov, kvality výroby, dokonalej výstupnej kontroly každého jednotlivého výrobku a jeho konkurencieschopnosť. Vynález pre používateľa predovšetkým zvyšuje bezpečnosť, ekológiu a ekonomiku prevádzky kotla. Prevádzkové, ekologické a ekonomické výhody a dôležitosť využitia kontroly hlavných technologických parametrov v reálnom čase navrhovaným spôsobom podľa nameraných teplôt komplexne znázorňuje príklad kontroly správneho vzťahu týchto parametrov u novovyvinutého kotla s označením MAGA-23 (turbo), kde sa využitím vynálezu dosahuje prekročenie projektovaného výkonu na takomto splyňovacom kotle až o 3 l,9 oproti doterajšiemu stavu techniky, t. j. s použitím protokolárneho merania pri súčasnom znížení koncentrácie emisií COx a NOx V jednotkách hmotnostných mg/m 3 a objemových ppm v priemere až o -19,3 a dosiałmutí faktom kyslíkovej bilancie zo zápomej úrovne -0,8 na kladnú úroveň -2,2. Realizácia vynálezu v splyňovacom kotle je pritom technicky jednoduchá a málo nákladná. Vynález umožňuje oproti súčasne projektovému stavu kotla používanie až o cca tretinu výkonovo menšieho splyňovacieho kotla, čo podstatne znižuje jeho rozmery, obstarávacie náklady a počas udržovania potrebnej teploty vo vykurovacej umožňuje i účinnejšiu reguláciu spaľovania dreva, a tým i zvýšenú účinnosť splyňovacieho kotla. Navrhovaný spôsob regulácie má svoj význam i V prípade potreby znížiť nadmemý výkon kotla, čím umožňuje určitý systém samoregulácie. Regulačná funkcia podľa návrhu je i spätná a jej úlohou je pri poklese okamžitého výkonu adekvátne reagovať znížením otáčok ventilátora, t. j. dodávkou menšieho prietokového množstva a znížením tlaku spalín v komínovom hrdle tak, aby bola zachovaná algoritmom daná okamžitá terrnodynamická rovnováha systému. Takýto spôsob regulácie sa v každom okamihu riadi a správa podľa meraných okamžitých hodnôt teploty a tlaku spalín v komínovom hrdle, ktoré sú vždy priamoúmemé okamžitému tepelnému výkonu kotla, ktorý sa dá podľa potreby zvyšovať alebo naopak znižovať. Okamžitú tennodynamickú rovnováhu systému, t. j. pomery medzi parametrami výkonu, teplotou, tlakom spalín, prietokovým množstvom vzduchu a kyslikovou bilanciou, je možné v oboch týchto prípadoch vždy v reálnom čase udržovať na predpísaných hodnotách na zabezpečenie dokonalého spaľovania s minimálnym vývinom plynných škodlivín, t. j. váhových a objemových emisií COx a NOx.Prehľad obrázkov na výkresochKonkrétny príklad spôsobu regulácie výkonu splyňovacieho kotla podľa vynálezu a vzťahu regulovaných parametrov splyňovacieho kotla MAGA-23 (turbo) je grañcky zobrazený na pripojenom výkrese.Príklad spôsobu regulácie výkonu splyňovacieho kotla podľa vynálezu je bližšie graficky zobrazený na pripojenom výkrese pre splyňovací kotol MAGA-23 (turbo) s projektovaným výkonom Nk 23 kW. V skúšobni alebo u výrobcu sa pred skúškou najskôr osadia snímače teploty a tlaku spalín PID regulátorov, napr. do hrubostennej časti komínového hrdla splyňovacieho kotla, ktoré sú vodivo prepojené s programovacím členom algoritmu kotla. Potom sa splyňovací kotol bežným spôsobom uvedie do prevádzkového stavu, napr. až na terrnodynamicky optimálny výkon Nk 25,2 kW počas cca 60 min. Následne sa snímačmi PID regulátorov priebežne meria a zaznamenáva v programovacom člene algoritmus tlaku spalín v rozsahu p 15 až 27 Pa a absolútna teplota spalín v rozsahu T 1 v rozsahu 9 až 258 °C vo forme kalibračných kriviek pri dosahovaní termodyríamicky optimálneho výkonu Nk 25,2 kW otáčkami ventilátora prívodu primámeho a sekundámeho vzduchu s drevoplynom do jeho ohnísk vyregulovanými na hodnotu n 1 543 ot/min za dosiahnutia tlaku spalín p 23 Pa, teploty spalín T 3 151 °C, teploty výstupnej vody T 2 93 °C, teploty rukoväte spodných dvierok T. 48 °C, objemovej koncentrácie emisií CO 565 ppm, NO 18 ppm i Nox 1 ppm a hmotnostnej koncentrácie emisií CO 706 mg/m 3 i Nox 64 mg/m 3. Tieto hodnoty pritom oproti tennodynamicky nevyváženému stavu kotla pri protokolárnom výkone Pprot 19 kW predstavujú v technologických parametroch nárast 30 a v emisných parametroch pokles až o -19,3 , pričom kyslíková bilancia ako najdôležitejší faktor úplnosti a kvality spaľovania vzrástla zo zápomej hodnoty F -0,8 na žiadanú optimálnu kladnú hodnotu F 2,2.Na pripojenom výkrese sú pritom v kalibračných krivkách zvýraznené tri prevádzkové stavy kotla zvislými rezmi a im zodpovedajúce jeho výkonové a emisné parametre. Prevádzkový stav s označením Pprot sa týka protokolárneho merania, pri ktorom neboli dosiahnuté proj ektované parametre podľa rezu s označením Pproj a optimalizovaný prevádzkový stav s označením Popt pri nastavení technologických parametrov kotla podľa vynálezu otáčkami ventilátora prívodu primámeho a sekundámeho vzduchu s drevoplynom do ohnísk,pričom tento stav kotla sa ďalej známym spôsobom V zaznamenanom algoritme predvoli za najvýhodnejší prevádzkový stav splyňovacieho kotla. Nakoniec sa skúška kotla ukončí a kotol sa známym spôsobom nainštaluje u používateľa so zhodne osadenými snímačmi teploty a tlaku spalín PID regulátorov, napr. do hrubostennej časti jeho komínového hrdla, ktoré sú vodivo prepojené s programovacím algoritmom kotla s naprogramovanými kalibračnými krívkami.Takto osadený splyňovací kotol sa potom môže známym spôsobom pripojiť u používateľa na regulačný termostat vo vykurovanej miestnosti a podľa potreby sa nastaví na termostate potrebná teplota vykurovanej miestnosti. Následne sa splyňovací kotol známym spôsobom rozkúri do prevádzkového stavu, napr. na výkon Nk 23 kW počas cca 60 min, a potom sa nastaví bud na predvolený optimalizovaný prevádzkový stav s označením Popt, alebo na niektorý nižší výkon v rozsahu medzi projektovaným výkonom s označením Pproj a optimalizovaným prevádzkovým stavom s označením Popt. Pri vykurovaní kotla sa priebežne snímačmi tlaku a teploty spalín PID regulátormi regulujú otáčky ventilátora prívodu primárneho a sekundámeho vzduchu s drevoplynom do ohnísk v rozsahu 1 100 až 2 900 ot/min tak, aby rozdiel skutočnej teploty a tlaku spalín kotla bol menší ako 115 od ich parametrov uvedených v kalibračnej krivke. Takto optimalizovaný prevádzkový stav Popt podľa vynálezu potom predstavuje u používateľa prekročenie projektovaného výkonu kotla na hodnotu 25,2 kW, t. j. navýšenie o 31,9 pri súčasnom znížení koncentrácie emisií COx a NOx v jednotkách mg/m 3 aj ppm V priemere o -l 9,3 a dosiahnutí faktora kyslíkovej bilancie na úrovni F 2,2. Po dosiahnutí teploty vykurovanej miestnosti nastavenej na termostate alebo pri prekročení nastavenej teploty teplej výstupnej vody z kotla, napr. pri poruche kotla a pod., sa termostatom automaticky vypne jeho ventilátor počas nutnej doby, a tým i prívod primárneho a sekundámeho vzduchu s drevoplynom do ohnísk a/alebo sa splyňovací kotol známym spôsobom prepne na svoj vonkajší okruh. Rovnaký stav nastane i v prípade poruchy kotla pri prekročení nastavenej teploty teplej výstupnej vody z kotla.Opísané a vyobrazené uskutočnenie nie je pritom jediným možným riešením podľa vynálezu, nakoľko splyňovací kotol nemusí obsahovať regulačný termostat vo vykurovanej miestnosti. Aspoň jeden PID regulátor môže byť vybavený vnútomým mikropočítačom s programovacím algoritmom kotla alebo PID regulatory môžu byť prepojené s programovacím algoritmom kotla V osobnom počítači. Tiež snímače teploty a tlaku spalín PID regulátorov môžu byť umiestnené mimo hrubostennej časti komínového hrdla kotla a môžu byť alternatívne bezdrôtovo prepojené s programovacím algoritmom kotla alebo s riadiacim počítačom.Spôsob viacparametrovej regulácie výkonu splyňovacieho kotla je vhodný na vykurovanie a/alebo ohrev teplej vody lokálnych objektov bytovej zástavby, ubytovacích reštauračných a hotelových prevádzok, poľnohospodárskych objektov a objektov potravinárskeho, chemického, textilného, farmaceutického priemyslu a pod.l. Spôsob regulácie výkonu splyňovacieho kotla, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že pri termostatom nastavenej teplote teplej výstupnej vody z kotla PID regulátory V splyňovacom kotle riadia tlak spalín V rozsahu 8 až 38 Pa a absolútnu teplotu spalín V rozsahu 9 až 258 °C pri maximálnom rozptyle E 15 od nastaveného parametra otáčkami ventilátora prívodu primárneho a sekundámeho vzduchu a drevoplynu do ohnísk v rozsahu l 100 až 2 900 ot/min., pričom vzájomné funkčné vzťahy medzi sledovanými veličínami sú určené programovacím algoritmom kotla súčasne pri ich všetkých termodynamicky optimálnych okamžitých prevádzkových hodnotách.2. Spôsob regulácie výkonu splyňovacieho kotla podľa nároku 1, v y z n a č u j ú c i regulácia je pri termostatom nastavenej teplote vo vykurovanej miestnosti.3. Spôsob regulácie výkonu splyňovacieho kotla podľa nároku 1 alebo 2, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že programovací algoritmus je experimentálne určený z parametrov tlaku a absolútnej teploty spalín pri maximálnom výkone kotla a predpísaných koncentráciách emisií spalín COx a NOx.4. Spôsob regulácie výkonu splyňovacieho kotla podľa nároku 3, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že aspoň jeden PID regulátorje vybavený vnútorným mikropočítačom s programovacím algoritmom kotla.5. Spôsob regulácie výkonu splyňovacieho kotla podľa nároku 3, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že PID regulátory sú prepojené s programovacím algoritmom kotla V počítači.

MPK / Značky

MPK: F23N 3/00, F23N 5/02

Značky: regulácie, výkonu, spôsob, kotla, splynovacieho

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/6-288260-sposob-regulacie-vykonu-splynovacieho-kotla.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Spôsob regulácie výkonu splyňovacieho kotla</a>

Podobne patenty