CZ2009650A3 - Zpusob regulace výkonu zplynovacího kotle - Google Patents

Abstract

Zpusob víceparametrové regulace výkonu zplynovacího kotle je urcen zejména pro vytápení nebo ohrev teplé vody pro vytápení rodinných domu, bytu, penzionu, restauracních a hotelových provozu a prumyslových objektu - hal. Pri termostatem nastavené teplote výstupní vody z kotle a/nebo i pri termostatem nastavené teplote ve vytápené místnosti, PID regulátory v zplynovacím kotli rídí tlak spalin v rozsahu 8 až 38 Pa a absolutní teplotu spalin v rozsahu 9 až 258 .degree.C pri maximálním rozptylu .+-. 15 % od nastaveného parametru otáckami ventilátoru prívodu primárního a sekundárního vzduchu do ohništ v rozsahu 1 100 až 2 900 ot/min., pricemž vzájemné funkcní vztahy mezi sledovanými velicinami jsou urceny programovacím algoritmem kotle. Regulace je realizována pri termostatem nastavené teplote teplé výstupní vody z kotle a/nebo i pri termostatem nastavené teplote ve vytápené místnosti. Programovací algoritmus je pritom experimentálne urcený z parametru tlaku a absolutní teploty spalin pri maximálním výkonu kotle a predepsaných koncentracích emisí spalin COx a NOx. Také alespon jeden PID regulátor muže být vybaven vnitrním mikropocítacem s programovacím algoritmem kotle nebo PID regulátory mohou být propojeny s programovacím algoritmem kotle v pocítaci.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu víceparametrové regulace výkonu zplyňovacího kotle určeného zejména pro vytápění nebo ohřev teplé vody rodinných domů, bytů, penzionů, restauračních a hotelových zařízení i průmyslových objektů - hal.

Dosavadní stav techniky

Zplyňovací kotle jsou konstruovány výhradně pro spalováni dřeva většinou na tepelný výkon od 10 do 100 kW. Jako palivo se používá jakékoli suché dřevo, zejména polena do maximální délky 500 mm, dřevný odpad jako jsou piliny, hobliny atd., ale vždy v kombinaci s kusovým dřevem. Není vyloučeno používat i vlhčí dřevo, čímž se však spotřeba paliva zvyšuje. Jejich velká přikládací komora přitom šetří čas a fyzickou námahu při dělení a tvarování dřeva. Popel u těchto kotlů představuje jen cca 1 až 2 % z množství dodaného paliva a jejich čištění bývá jen cca 1 až 2 krát týdně. Pokud pracují v řádném provozním režimu, je provoz těchto kotlů přínosem pro životní prostředí s nízkou tvorbou škodlivin. Jejich spalování využívá princip generátorového zplynování dřevní hmoty za teploty (cca 1 100 °C). Takový systém spalování je vůči klasickým kotlům ekonomičtější a dosahuje úsporu paliva až o 40 %. Hoření dřevoplynu je přitom podporované ventilátorem, který přivádí spalovací primární vzduch do jejich horního ohniště a sekundární přes dýzu do dolního ohniště. Průtokové množství tohoto vzduchu a tah v komíně jsou závislé na otáčkách ventilátoru, které je možné plynule regulovat frekvenčním měničem. Termodynamická, výkonová a okysličovací dokonalost spalování jsou velmi závislé zejména na parametrech odtažení zplodin komínem. Tah v komíně se ve skutečnosti velmi rychle mění v závislosti na změnách atmosférického tlaku, teploty a vlhkosti atmosférického vzduchu, na intenzitě a směru větru. Měření ukazují, že v čase tyto změny probíhají s vysokou intenzitou a četností a že výkonové parametry, resp. amplitudy výkonu kotle, tyto změny přímo úměrně nežádoucím způsobem kopírují. Z tohoto hlediska je dostatečně výkonný vyrovnávací ventilátor důležitým konstrukčním prvkem. V současnosti se však přímá funkční vazba mezi okamžitým výkonem ventilátoru a některým důležitým technologickým parametrem, například tahem komína, okamžitým výkonem kotle, tlakem nebo teplotou spalin v komínovém hrdle, konstrukčně nezabezpečuje. Ani rovnice a vzájemné funkční vztahy mezi technologickými a termodynamickými parametry systému se dosud dostatečně nezjišťovaly. Vyrovnávací, t.j. regulační, funkce

-2ventilátoru proto v současnosti není konstrukčně dostatečně zajištěna a při nevhodném nastavení otáček může způsobovat příliš nízký nebo naopak příliš vysoký tah, čímž může tak mít dokonce na parametry spalování i na parametry termodynamické rovnováhy systému negativní dopad.

Dosud probíhá stanovení výkonu a koncentrace emisních zplodin zplyňovacích kotlů pouze ve specializovaných zkušebnách na žádost producentů nebo jejich uživatelů. Vlastní měření však vyžaduje použití speciálních nákladných prostředků a měřicích přístrojů, je časově náročné, pracné, nákladné a nevhodné pro přímého uživatele kotle.

V současnosti je v provozu zplyňovacích kotlů u uživatelů používána zejména jejich dvoupolohová automatická a;/ nebo ruční regulace. Kotle mají nainstalovány dva termostaty, t. j. vnitřní na sledování teploty teplé výstupní vody z kotle a vnější na sledování teploty ve vytápěné místnosti. Regulace se provádí vnitřním snímačem teploty kotle při dosaženi hodnoty teploty výstupní vody 90 ° C a / nebo nastavené teploty v místnosti buď vypnutím ventilátoru přívodu vzduchu do ohnišť, nebo přepnutím na vnější okruh zplyňovacího kotle. Pro přenos teplotních parametrů mezi kotlem a regulátorem se používají různé druhy digitálních linek, například regulátor při provozu kotle s vestavěnou ekvitermní regulací typu on. / off nebo modernější typ OpenTherm, který určuje za jakých okolností a na jakou teplotu má kotel topit pro aktuální vnitrní teplotu. Regulace typu OpenTherm určuje přitom nejmenší nutný výkon kotle potřebný v daném čase, přičemž tento regulátor je vždy nadřazen instalované automatice kotle. Bezdrátové regulátory se pro tento účel v současnosti zatím nepoužívají. Regulace typu OpenTherm zajišťuje tedy regulaci výkonu čerpadla vody pouze nepřímo přes automatiku kotle. Regulátor v tomto případě pouze určuje potřebnou výstupní teplotu. Venkovní čidlo bývá jen doporučené a spojené s automatikou kotle, tzv. Opentherm Plus linkou. Údaje o vnější teplotě přitom dostává regulátor nepřímo přes kotel. Jejich provoz bez vnějšího čidla teploty je sice možný, ale ekonomicky značně nevýhodný v porovnání s použitým vnějším snímačem. Běžně a nejlépe přitom běží kotel v režimu, kde se podle požadavku v budově mění výstupní teplota. Regulátor přepočítává právě nejntžší množství potřebného tepla tak, aby kotel běžel podle možnosti na jeden start celý den, což je však ideální stav, který se však nezajišťuje za každých okolností. Správně nastavená regulace proto nevypíná kotel podle PID algoritmů, ale proto, že je potřeba tepla nižší než minimální výkon kotle. Kotel tehdy nedokáže dosáhnout požadovanou (již velmi) nízkou teplotu na výstupu - musí se odstavit z provozu a počkat na zchlazení zpátečky, aby znovu nastartoval. To jak se bude kotel chovat v konkrétní budově závisí na mnoha faktorech (ztráty, velikosti radiátorů atd.). Pro bezproblémový chod je dobré nepredimenzovat kotel. Nízký spodní výkon je přitom důležitější než jeho výkonová rezerva vzhůru. Čím plynulejší je chod kotle, tím je větší úspora paliva.

-3Většina zplyňovacích kotlů však neakceptuje kombinaci regulací typu on / off' a OpenTherm, což neumožňuje zpětné hlášení teplot z prostoru, proto je tato regulace nedokonalá a neúplná, málo komfortní, málo úsporná a zapříčiňuje nedokonalé spalování, nízkou účinnost, překračování přípustných emisí ve spalinách a nezajišťuje se trvalá termodynamická rovnováha spalovacího systému.

Známý je i způsob automatického řízeni spalování v peci a systém k provádění tohoto způsobu podle patentu SK 284272, který se týká snižování definované koncentrace oxidu uhlíku v odpadních plynech. Poté se definovaná koncentrace volného kyslíku zvyšuje, přičemž se po snížení koncentrace oxidu uhlíku opět snižuje definovaná koncentrace volného kyslíku. Systém zahrnuje programovací zařízení s programem změny definované koncentrace volného kyslíku v odpadních plynech, což závisí na poměru koncentrace oxidu uhlíku. Uvedený způsob je však pro běžně používané zplyňování kotle s výkonem do 100 kW velmi technicky náročný, nákladný a prakticky pro běžné uživatele kotlů nepoužitelný.

Cílem předloženého technického řešení je proto odstranění nebo alespoň minimalizace nevýhod dosavadních způsobů regulace výkonu zplyňovacího kotle.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky do značné míry odstraňuje způsob regulace výkonu zplyňovacího kotle podle technického řešení. Podstatou technického řešení je, že při termostatem nastavené teplotě teplé výstupní vody z kotle a / nebo i při termostatem nastavené teplotě ve vytápěné místnosti, PID regulátory v zplyňovacím kotli řídí tlak spalin v rozsahu 8 až 38 Pa a absolutní teplotu spalin v rozsahu 9 až 258 ^QC pří maximálním rozptylu ± 15 % od nastaveného parametru otáčkami ventilátoru přívodu primárního a sekundárního vzduchu do ohnišť v rozsahu 1100 až 2900 ot / min., přičemž vzájemné funkční vztahy mezi sledovanými veličinami jsou určeny programovacím algoritmem kotle.

Je optimální, pokud je regulace realizována při termostatem nastavené teplotě teplé výstupní vody z kotle a / nebo i při při termostatem nastavené teplotě ve vytápěné místností.

Je přitom výhodné, pokud je programovací algoritmus experimentálně určen z parametrů tlaku a absolutní teploty spalin při maximálním výkonu kotle a při předepsaných koncentracích emisí spalin COx a NOx.

-4Rovněž je výhodné, pokud je buď alespoň jeden PID regulátor vybaven vnitřním mikropočítačem s programovacím algoritmem kotle nebo pokud jsou PID regulátory propojeny s programovacím algoritmem kotle v osobním počítači.

Způsob regulace výkonu zplyňovacího kotle podle technického řešení umožňuje jednoduché, levné, expresní a kontinuální dodržování vysokého výkonu při nízkých koncentracích emisních zplodin zplynovacích kotlů u uživatele kotle, jakož i kontinuální kontrolu sledování těchto parametrů při jejich vývoji a výrobě. Uvedené parametry souvisejí s dokonalostí spalování dřevní hmoty, t.j. s jejich zvýšenou účinností, bezpečností, ekologií a ekonomikou provozu. Dále umožňuje jednoduchou operativní kontrolu výkonu a koncentrací emisí spalin, což je velmi důležité pro výrobce zplyňovacího kotle z hlediska dodržení projektovaných parametrů, kvality výroby, dokonalé výstupní kontroly každého jednotlivého výrobku a jeho konkurenceschopnosti. Technické řešení pro uživatele především zvyšuje bezpečnost, ekologii a ekonomiku provozu kotle. Provozní, ekologické a ekonomické výhody a důležitost využití kontroly hlavních technologických parametrů v reálném čase navrhovaným způsobem podle naměřených teplot komplexně ukazuje příklad kontroly správného vztahu těchto parametrů u nově vyvinutého kotle s ozn. Maga-23 (turbo), kde se využitím technického řešení dosahuje překročení projektovaného výkonu na takovém zplyňovacím kotli až o + 31,9 % oproti dosavadnímu stavu techniky, t. j. s použitím protokolárního měření při současném snížení koncentrace emisí COx a NOx v jednotkách hmotnostních [mg/m³] a objemových [ppm] v průměru až o - 19,3 % a dosažení zvýšení faktoru kyslíkové bilance ze záporné úrovně - 0,8 na kladnou úroveň + 2, 2. Realizace technického řešení v zplyňovacím kotli je přitom technicky jednoduchá a málo nákladná. Technické řešeni umožňuje vůči současně projektovému stavu kotle použití až o cca třetinu výkonově menšího zplyňovacího kotle, což podstatně snižuje jeho rozměry, pořizovací náklady a vedle udržování potřebné teploty umožňuje i účinnější regulaci spalování dřeva, a tím i zvýšenou účinnost zplyňovacího kotle. Navrhovaný způsob regulace má svůj význam i v případě potřeby snížit nadměrný výkon kotle, což umožňuje určitý systém samoregulace. Regulační funkce podle návrhu je i zpětná a jejím úkolem je při poklesu okamžitého výkonu adekvátně reagovat snížením otáček ventilátoru, tj. dodávkou menšího průtokového množství a snížením tlaku spalin v komínovém hrdle tak, aby byla zachována algoritmem daná termodynamická rovnováha systému. Takový způsob regulace se v každém okamžiku řídí a chová podle měřených okamžitých hodnot teploty a tlaku spalin v komínovém hrdle, které jsou vždy přímo úměrné okamžitému tepelnému výkonu kotle, který se dá podle potřeby otáčkami ventilátoru zvyšovat nebo naopak snižovat. Termodynamickou rovnováhu systému, t. j. poměry mezi parametry výkonu, teplotou, tlakem spalin, průtokovým množstvím vzduchu a kyslíkovou bilancí, je možné v obou těchto případech vždy v reálném čase otáčkami ventilátoru udržovat na předepsaných hodnotách pro zajištění dokonalého spalování s

-5minimálním vývojem plynných škodlivin, t j, váhových a objemových emisí COx a NOx.

Přehled obrázků na výkresech

Konkrétní příklad způsobu regulace výkonu zplyňovacího kotle podle vynálezu a vztahu regulovaných parametrů u zplyňovacího kotle Maga - 23 (turbo) je graficky zobrazen na přiloženém výkrese.

Příklady provedeni vynálezu

Přiklad způsobu regulace výkonu zplyňovacího kotle podle vynálezu je blíže graficky zobrazen na přiloženém výkrese pro zplyňovací kotel Maga-23 (turbo) s předpokládaným výkonem Nk = 23 kW. Ve zkušebně nebo u výrobce se před zkouškou nejdříve osadí snímače teploty a tlaku spalin PID regulátorů, např. do silnostěnné části komínového hrdla zplyňovacího kotle, které jsou vodivě propojeny s programovacím členem algoritmu kotle. Poté se zplyňovací kotel běžným způsobem uvede do provozního stavu, např. až na termodynamicky optimální výkon Nk = 25,2 kW za dobu cca 60 min. Následně se snímači PID regulátorů průběžně měří a zaznamenává v programovém členu algoritmus tlaku spalin v rozsahu p = 15 až 27 Pa a absolutní teplota spalin T3 v rozsahu 9 až 258 °C ve formě kalibračních křivek při dosahování termodynamicky optimálního výkonu Nk = 25,2 kW otáčkami ventilátoru přívodu primárního a sekundárního vzduchu do jeho ohnišť vyregulování na hodnotu n = 1 543 ot / min za dosažení tlaku spalin p = 23 Pa, teploty spalin T3 = 151 °C, teploty výstupní vody T2 = 93 °C, teploty rukojeti spodních dvířek T1 = 48 °C, objemové koncentrace emisí CO = 565 ppm, NO =18 ppm i Nox = 21 ppm a hmotnostní koncentrace emisí CO = 706 mg/m³ i Nox = 64 mg/m³. Tyto hodnoty přitom oproti termodynamicky nevyváženému stavu kotle při protokolárního výkonu Pprot = 19 kW představují v technologických parametrech výkonový nárůst + 30 % a v emisních parametrech produkční pokles až o - 19,3 %, přičemž kyslíková bilance, jako nejdůležitější faktor úplnosti a kvality spalování vzrostla ze záporné hodnoty F = - 0,8 na požadovanou optimální kladnou hodnotu F = + 2,2.

Na přiloženém výkrese jsou přitom v kalibračních křivkách svislými řezy zdůrazněny tři provozní stavy kotle a jim odpovídající jeho výkonové a emisní parametry. Provozní stav s označením Pprot se týká protokolárního měření při kterém nebyly dosaženy projektované parametry podle řezu s označením Pproj a optimalizovaný provozní stav s označením Popt při nastavení technologických parametrů kotle podle technického řešení otáčkami ventilátoru přívodu

-6primárního a sekundárního vzduchu do ohnišť, přičemž tento stav kotle se dále známým způsobem v zaznamenaném algoritmu předvolí na nejvýhodnější provozní stav zplyňovacího kotle. Nakonec se zkouška kotle ukončí a kotel se známým způsobem nainstaluje u uživatele se shodně osazenými snímači teploty a tlaku spalin PID regulátorů, např. do silnostěnné části jeho komínového hrdla, které jsou vodivě propojeny s programovacím algoritmem kotle s naprogramovanými kalibračními křivkami.

Takto osazený zplyňovaci kotel se pak může známým způsobem připojit u uživatele na regulační termostat ve vytápěné místnosti a podle potřeby se nastaví na termostatu nutná teplota vytápěné místnosti. Následně se zplyňovaci kotel známým způsobem uvede do provozního stavu, např. na výkon Nk = 23 kW za dobu cca 60 min. a pak se nastaví buď na výchozí optimalizovaný provozní stav s označením Popí nebo na některý menší výkon v rozsahu mezi předpokládaným výkonem s označením Pproj a optimalizovaným provozním stavem s označením Popt. Při vytápění kotle se průběžně snímači tlaku a teploty spalin PID regulátory regulují otáčky ventilátoru přívodu primárního a sekundárního vzduchu s dřevoplynem do ohnisek v rozsahu 1 100 až 2 900 ot / min tak, aby rozdíl skutečné teploty a tlaku spalin kotle byl menší než ± 15 % od jejich parametrů uvedených v kalibrační křivce. Takto optimalizovaný provozní stav Popt podle vynálezu pak představuje u uživatele překročení projektovaného výkonu kotle na hodnotu 25,2 kW, t. j. navýšení o + 31,9 % při současném snížení koncentrace emisí COx a NOx v jednotkách [mg/m³] i [ppm] v průměru o - 19,3 % a dosažení faktoru kyslíkové bilance na úrovni F = + 2,2. Po dosažení teploty vytápěné místnosti nastavené na termostatu nebo při překročení nastavené teploty teplé výstupní vody z kotle, např. při poruše kotle a pod., se termostatem automaticky vypne jeho ventilátor po nutnou dobu a tím i přívod primárního a sekundárního vzduchu do ohnišť a / nebo se zplyňovaci kotel známým způsobem přepne na svůj vnější okruh. Stejný stav nastane i v případě poruchy kotle při překročení nastavené teploty teplé výstupní vody 2 kotle.

Popsané a vyobrazené uskutečnění není přitom jediným možným řešením podle vynálezu, protože zplyňovaci kotel nemusí obsahovat regulační termostat ve vytápěné místnosti. Alespoň jeden PID regulátor může být vybaven vnitrním mikropočítačem s programovacím algoritmem kotle nebo PID regulátory mohou být propojeny s programovacím algoritmem kotle v osobním počítači. Rovněž snímače teploty a tlaku spalin PID regulátorů, mohou být umístěny mimo hrubostěnnou část komínového hrdla kotle a mohou být alternativně bezdrátově propojeny s programovacím algoritmem kotle nebo s řídícím počítačem.

- 7 Průmyslová využitelnost

Způsob víceparametrové regulace výkonu zplyňovacího kotle je vhodný pro vytápění nebo ohřev teplé vody lokálních objektů bytové zástavby, ubytovacích, restauračních a hotelových provozů, zemědělských objektů a objektů potravinářského, chemického, textilního, farmaceutického průmyslu a pod.

Claims (5)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob regulace výkonu zplyňovacího kotle, vyznačující se tím, že při termostatem nastavené teplotě teplé výstupní vody z kotle PID regulátory v zplyňovacím kotli řídí tlak spalin v rozsahu 8 až 38 Pa a absolutní teplotu spalin v rozsahu 9 až 258 °C při maximálním rozptylu + 15 % od nastaveného parametru otáčkami ventilátoru přívodu primárního a sekundárního vzduchu do ohnišť v rozsahu 1 100 až 2 900 ot/min., přičemž vzájemné funkční vztahy mezi sledovanými veličinami jsou určeny programovacím algoritmem kotle.
2. 2. Způsob regulace výkonu zplyňovacího kotle podle bodu 1, vyznačující se tím, že regulace je realizována při termostatem nastavené teplotě teplé výstupní vody z kotle a / nebo i při termostatem nastavené teplotě ve vytápěné místnosti.
3. 3. Způsob regulace výkonu zplyňovacíeho kotle podle bodu 1 nebo 2, vyznačující se tím, že programovací algoritmus je experimentálně určený z parametrů tlaku a absolutní teploty spalin při maximálním výkonu kotle a při předepsaných koncentracích emisí spalin COx a NOx.
4. 4. Způsob regulace výkonu zplyňovacího kotle podle bodu 3, vyznačující se tím, že alespoň jeden PID regulátor je vybaven interním mikropočítačem s programovacím algoritmem kotle.
5. 5. Způsob regulace výkonu zplyňovacího kotle podle bodu 3, vyznačující se tím, že PID regulátory jsou propojeny s programovacím algoritmem kotle v počítači.