RU2096690C1

RU2096690C1 - Method for monitoring and controlling fuel combustion and ionization sensor for its implementing

Info

Publication number: RU2096690C1
Application number: RU93010307A
Authority: RU
Inventors: А.П. Шайкин; М.М. Русаков; А.Г. Егоров; Л.Н. Горчаков; А.А. Алфеев; В.Н. Репрынцев; Г.А. Смышляев
Original assignee: Тольяттинский политехнический институт
Priority date: 1993-02-26
Filing date: 1993-02-26
Publication date: 1997-11-20

Abstract

FIELD: hydrocarbon fuel consumption in boiler furnaces and industrial furnaces. SUBSTANCE: method involves ion current measurement in fireball and fuel feed control. Ion currents are measured and compared in three fireball zones: ignition zone, burn-out zone, and fuel combustion completion zone; with current in ignition zone higher than that in burn-out zone, fuel flow is increased and with current in burn-out zone lower than in combustion completion zone fuel flow is reduced. Ionization sensor implementing this method has isolated electrodes, sensor case being used as one of them (positive electrode). Case has annular splits receiving annular negative electrodes. Surface areas of negative electrodes are equal and, respectively, positive-electrode-case areas of side surfaces in splits receiving negative electrodes are equal. EFFECT: improved accuracy of fuel combustion process monitoring and control. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к системам контроля и управления процессами воспламенения и сгорания топлива, конкретно к системам контроля и управления процессом сжигания углеводородного топлива в топках котлов и промышленных печей. The invention relates to systems for monitoring and controlling the processes of ignition and combustion of fuel, specifically to systems for monitoring and controlling the process of burning hydrocarbon fuel in the furnaces of boilers and industrial furnaces.

Известны способы и устройства контроля воспламенения и горения топлива в камерах сгорания, различающиеся по принципу действия датчиков, реагирующих на воспламенение и горение топлива. Например, с термопарным датчиком, реагирующим на повышение температуры в камере сгорания [1] или с газовым датчиком, реагирующим на измерение вязкости газа при увеличении температуры [2]
Основные недостатки указанных выше способов и устройств заключаются в большой инерционности и нестабильности работы датчиков измерения температуры, сложность изготовления и трудность обеспечения работоспособности газового датчика из-за малых размеров капилляра, диаметр 0,12 мм. Эти недостатки не позволяют использовать обсужденные устройства в системах управления процессами воспламенения и сгорания топлива.Known methods and devices for controlling ignition and combustion of fuel in combustion chambers, differing in the principle of operation of sensors that respond to ignition and combustion of fuel. For example, with a thermocouple sensor that responds to an increase in temperature in the combustion chamber [1] or with a gas sensor that responds to a measurement of gas viscosity with increasing temperature [2]
The main disadvantages of the above methods and devices are the large inertia and instability of the temperature measurement sensors, the complexity of manufacturing and the difficulty of ensuring the gas sensor is working due to the small size of the capillary, the diameter is 0.12 mm. These disadvantages do not allow the use of the discussed devices in the control systems of the processes of ignition and combustion of fuel.

Указанные недостатки устранены в способе контроля и управления процессов воспламенения и горения топлива, основанном на измерении ионного тока в пламени и сравнении замеренной величины тока с минимально допустимым значением тока [3, 4]
Появление ионного тока в пламени регистрируется практически мгновенно, а величина ионного тока слабо зависит от изменения атмосферных условий на входе в двигатель.These disadvantages are eliminated in the method of monitoring and controlling the processes of ignition and combustion of the fuel, based on measuring the ion current in the flame and comparing the measured current value with the minimum allowable current value [3, 4]
The appearance of an ion current in a flame is recorded almost instantly, and the magnitude of the ion current weakly depends on changes in atmospheric conditions at the engine inlet.

Для измерения ионного тока в пламени используются ионизационные датчики. Наиболее распространенным является датчик, одним из электродов которого является металлический стержень, изолированный от камеры сгорания, а вторым электродом стабилизатор пламени. Ионизационные датчики такого типа в системах автоматического регулирования процессов воспламенения и горения в тепловых устройствах представлены на рис. 158, 159 и 160 [3] стр. 260.264, [4] стр. 134
Обсуждаемые способы содержат следующие операции: одновременно подается электрическое напряжение на электроды ионизационного датчика и на свечи зажигания запального устройства. Затем подается топливо и воздух в топку. Воспламенение топливно-воздушной смеси (ТВС) приводит к формированию факела пламени. Пламя, омывая электроды ионизационного датчика, замыкает его электрическую цепь, что свидетельствует о нормальном воспламенении и наличии факела пламени в топке. При исчезновении ионного тока в электрической цепи датчика его цепь размыкается и проходит сигнал на прекращение подачи топлива и воздуха в топку.To measure the ion current in a flame, ionization sensors are used. The most common is the sensor, one of the electrodes of which is a metal rod isolated from the combustion chamber, and the second electrode is a flame stabilizer. Ionization sensors of this type in automatic control systems for ignition and combustion processes in thermal devices are shown in Fig. 158, 159 and 160 [3] p. 260.264, [4] p. 134
The methods discussed include the following operations: at the same time, voltage is supplied to the electrodes of the ionization sensor and to the spark plugs of the ignition device. Then fuel and air are supplied to the furnace. The ignition of the fuel-air mixture (FA) leads to the formation of a flame. The flame, washing the electrodes of the ionization sensor, closes its electrical circuit, which indicates normal ignition and the presence of a flame in the furnace. When the ion current disappears in the electric circuit of the sensor, its circuit opens and a signal passes to stop the flow of fuel and air into the furnace.

При этом ионизационный датчик может быть одноэлектродным, для которого вторым электродом является металлический элемент горелки или корпус камеры сгорания, или двухэлектродным, в котором электродами являются изолированный от камеры сгорания электрод-металлический стержень и корпус датчика. In this case, the ionization sensor may be a single electrode, for which the second electrode is a metal element of the burner or the housing of the combustion chamber, or two-electrode, in which the electrodes are an electrode-metal rod isolated from the combustion chamber and the sensor housing.

Основным недостатком рассмотренных способов и устройств является то, что они определяют только наличие воспламенения и горения в камерах сгорания и топках и не контролируют протекание процесса сжигания топлива, с точки зрения обеспечения минимальной концентрации токсичных выделении в продуктах сгорания. The main disadvantage of the considered methods and devices is that they only determine the presence of ignition and combustion in the combustion chambers and furnaces and do not control the course of the combustion process, from the point of view of ensuring a minimum concentration of toxic emissions in the combustion products.

В настоящее время разработан ряд способов организации процесса сжигания топлива, при которых обеспечивается минимальная концентрация токсичных выделений (CH, CO, NO_x) в продуктах сгорания топок котлов и промышленных печей. К наиболее эффективным из них относятся рециркуляция дымовых газов и двухстадийное сжигание топлива.Currently, a number of methods have been developed for organizing the fuel combustion process, which ensure a minimum concentration of toxic emissions (CH, CO, NO _x ) in the combustion products of boiler furnaces and industrial furnaces. The most efficient of these include flue gas recirculation and two-stage fuel combustion.

Реализация указанных способов возможна при поддержании заданного протекания процесса сгорания в первичной зоне (зона воспламенения и зона выгорания) и вторичной зоне факела пламени (зона догорания). The implementation of these methods is possible while maintaining a given course of the combustion process in the primary zone (ignition zone and burnout zone) and the secondary zone of the flame flame (afterburning zone).

Основным недостатком обсужденных способов является отсутствие непрерывного безинерционного сгорания топлива в определяющих зонах факела пламени и управления подачи топлива и воздуха в камеру сгорания. The main disadvantage of the discussed methods is the lack of continuous inertialess combustion of fuel in the defining areas of the flame and control the supply of fuel and air to the combustion chamber.

Целью изобретения является обеспечение минимальной концентрации токсичных выделений в продуктах сгорания топок котлов и промышленных печей. The aim of the invention is to ensure a minimum concentration of toxic emissions in the combustion products of boiler furnaces and industrial furnaces.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе контроля и управления сжиганием топлива, включающем измерение ионного тока в трех зонах факела пламени и регулирование подачи топлива измерение и сравнение между собой величин ионного тока производят в зоне воспламенения, зоне выгорания и зоне завершения сгорания топлива, причем, при токе в зоне воспламенения большем тока зоны выгорания, увеличивают расход топлива, при токе выгорания меньшем тока зоны завершения сгорания, уменьшают расход топлива. This goal is achieved by the fact that in the known method of monitoring and controlling fuel combustion, including measuring the ion current in three zones of the flame of the flame and controlling the fuel supply, the measurement and comparison of the values of the ion current are carried out in the ignition zone, the burnout zone and the zone of completion of fuel combustion, , at a current in the ignition zone greater than the current in the burnout zone, increase fuel consumption, at a burnout current less than the current in the zone of combustion completion, reduce fuel consumption.

Для осуществления предлагаемого способа контроля и управления сжиганием топлива в известном ионизационном датчике, содержащем изолированные друг от друга электроды, одним из которых является корпус датчика, положительный электрод корпус является общим для отрицательных электродов, в нем выполнены кольцевые разъемы, в которых установлены три кольцевых отрицательных электрода. To implement the proposed method of monitoring and controlling fuel combustion in a known ionization sensor containing isolated electrodes from one another, one of which is the sensor body, the positive electrode is common to negative electrodes, it has ring connectors, in which three ring negative electrodes are installed .

Известно, что при прочих равных условиях величина ионного тока в цепи ионизационного датчика определяется площадью поверхности электродов, омываемых пламенем. It is known that, ceteris paribus, the ion current in the circuit of the ionization sensor is determined by the surface area of the electrodes washed by the flame.

Для того, чтобы исключить влияние площади поверхности электродов датчика на величину ионного тока в измеряемых зонах, площади поверхности отрицательных электродов могут быть выполнены равными между собой, соответственно, площади боковых поверхностей положительного электрода корпуса также равны между собой. In order to exclude the influence of the surface area of the sensor electrodes on the ion current in the measured zones, the surface areas of the negative electrodes can be made equal to each other, respectively, the side surfaces of the positive electrode of the housing are also equal to each other.

Так как измерение ионного тока пламени и сравнение замеряемых величин тока производится непрерывно во все время работы топки, то в любой момент времени имеется информация о динамике выгорания топливно-воздушной смеси по длине факела пламени. В настоящее время считается общеизвестным, что концентрация токсичных веществ в продуктах сгорания топок и промышленных печей, главным образом, определяется динамикой выгорания ТВС по длине факела пламени. Since the measurement of the ion current of the flame and the comparison of the measured values of the current is carried out continuously during the entire operation of the furnace, at any time there is information about the dynamics of burnout of the fuel-air mixture along the length of the flame. At present, it is considered generally known that the concentration of toxic substances in the combustion products of furnaces and industrial furnaces is mainly determined by the dynamics of fuel assembly burnup along the length of the flame.

Так как скорость передачи информации оператору о динамике выгорания определяются скоростью перемещения электронов в пламени, то результаты измерения и сравнения величин тока отражают динамику выгорания практически мгновенно. Since the rate of information transfer to the operator about the dynamics of burnout is determined by the speed of movement of electrons in the flame, the results of measurement and comparison of current values reflect the dynamics of burnout almost instantly.

Следовательно, способ контроля сжигания топлива и ионизационный датчик для его осуществления соответствует критерию изобретения "новизна". Therefore, the method of monitoring fuel combustion and the ionization sensor for its implementation meets the criteria of the invention of "novelty."

Сравнение решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень". Comparison of the solution not only with the prototype, but also with other technical solutions in this technical field did not allow us to identify the features that distinguish the claimed solution from the prototype, which allows us to conclude that the criterion of "inventive step".

На фиг. 1 показана схема системы для реализации предлагаемого способа контроля сжигания топлива, на фиг. 2 конструкция ионизационного датчика для осуществления предлагаемого способа. In FIG. 1 shows a diagram of a system for implementing the proposed method for controlling fuel combustion, FIG. 2 design of an ionization sensor for implementing the proposed method.

Система для реализации способа контроля сжигания топлива, как показано на фиг. 1, содержит топку котла 1, закручивающее устройство 2 для подачи воздуха в первичную зону I, форсунку 3 для подачи топлива. Устройство 4 служит для подачи воздуха во вторичную зону II. Для подвода электрического питания к электродам ионизационного датчика 5 и вывода замеряемых величин ионного тока на регистрирующие приборы служит блок питания и измерения 6. У ионизационного датчика 5 элементы измерения величины ионного тока 7, 8 и 9 расположены соответственно, в зоне воспламенения начало первичной зоны I, зоне выгорания конец первичной зоны I и зоне догорания вторичной зоны II. A system for implementing a method of controlling fuel combustion, as shown in FIG. 1, comprises a boiler furnace 1, a twisting device 2 for supplying air to the primary zone I, an injector 3 for supplying fuel. The device 4 serves to supply air to the secondary zone II. For supplying electric power to the electrodes of the ionization sensor 5 and outputting the measured values of the ion current to the recording devices, the power supply and measurements are used 6. For the ionization sensor 5, the elements of measuring the ion current 7, 8 and 9 are located respectively, in the ignition zone the beginning of the primary zone I, the burnout zone is the end of the primary zone I and the burnout zone of the secondary zone II.

Ионизационный датчик, см. фиг. 2, содержит три отрицательных электрода 10, которые от боковых поверхностей положительного электрода 11, изолированы прокладками 12. Боковые поверхности положительного электрода 11 принадлежат элементам, которые вместе с трубой 13 образуют корпус датчика, являющегося общим положительным электродом для всех отрицательных электродов датчика. Для подключения отрицательных электродов к блоку питания и измерения (поз 6, фиг. 1) проводами служат три контакта 14. Положительный электрод подключается к блоку питания и измерения через контакт 15. Ionization sensor, see FIG. 2, contains three negative electrodes 10, which are insulated by spacers 12 from the side surfaces of the positive electrode 11. The side surfaces of the positive electrode 11 belong to the elements, which together with the pipe 13 form the sensor body, which is a common positive electrode for all negative sensor electrodes. To connect the negative electrodes to the power supply and measurement unit (pos. 6, Fig. 1), the wires are three contacts 14. The positive electrode is connected to the power supply and measurement unit through contact 15.

Для исключения влияния площади поверхности отрицательных электродов выполнены равными между собой и, соответственно; площади боковых поверхностей положительного электрода 11 также равны между собой. To exclude the influence of the surface area of the negative electrodes are made equal to each other and, respectively; the area of the side surfaces of the positive electrode 11 are also equal to each other.

Отрицательные электроды 10 и изолирующие прокладки 12 могут быть присоединены с помощью болтовых присоединений, как это условно изображено на фиг. 2, к элементам положительного электрода 11 корпуса датчика
Пример работы: при запуске топки в зоне элемента измерения 7 между отрицательными электродом 10 и боковыми поверхностями положительного электрода 11 корпуса является пламя, замыкающее электрическую цепь системы контроля сжигания топлива в зоне воспламенения начало первичной зоны I. Регистрация появления ионного тока в этой зоне свидетельствует о возникновении факела пламени в топке. Через некоторое время, определяемое турбулентной скоростью распространения фронта пламени, пламя появляется в зонах элементов измерения 8 и 9, соответственно, в зоне выгорания и догорания.Negative electrodes 10 and insulating spacers 12 can be connected using bolted connections, as is conventionally shown in FIG. 2, to the elements of the positive electrode 11 of the sensor housing
Operation example: when the furnace is started in the zone of measurement element 7 between the negative electrode 10 and the side surfaces of the positive electrode 11 of the housing, a flame closes the electric circuit of the fuel combustion control system in the ignition zone, the beginning of the primary zone I. The appearance of the ion current in this zone indicates the occurrence torch flame in the firebox. After some time, determined by the turbulent propagation velocity of the flame front, the flame appears in the zones of measuring elements 8 and 9, respectively, in the burnout and afterburning zone.

По приборам блока питания и измерения оператору предоставляются данные о величине ионного тока в зонах воспламенения, выгорания и догорания. On the devices of the power supply and measurement, the operator is provided with data on the magnitude of the ion current in the zones of ignition, burnout and afterburning.

При соотношении величин тока, когда ионный ток зоны выгорания больше тока зоны воспламенения и больше тока зоны догорания, процесс сжигания топлива протекает при условиях, обеспечивающих минимальную концентрацию токсичных выделении в продуктах сгорания топки. With a ratio of current values when the ion current of the burnout zone is greater than the current of the ignition zone and more than the current of the burnout zone, the fuel combustion process proceeds under conditions that ensure a minimum concentration of toxic emissions in the combustion products of the furnace.

Известно, что величина ионного тока в пламени углеводородного топлива определяется двумя факторами: наличием химических реакций горения и термоэмиссией электронов с раскаленных частиц сажи [3]
Отклонение величин ионного тока от указанного соотношения будет свидетельствовать о протекании процесса сжигания топлива с увеличенным выходом какого-либо токсичного вещества (CH, CO, NO_x) или всех вместе.It is known that the ion current in a flame of hydrocarbon fuel is determined by two factors: the presence of chemical combustion reactions and thermal emission of electrons from incandescent soot particles [3]
The deviation of the ion current from the indicated ratio will indicate the course of the combustion process with an increased yield of any toxic substance (CH, CO, NO _x ) or all together.

Так при величине ионного тока в зоне воспламенения большей, чем в зоне выгорания, создаются условия для увеличения выхода окислов азота, т.к. в начале первичной зоны создается объем с высоким уровнем температуря, что и определяет образование NO_x. Для обеспечения необходимого соотношения величин ионного тока по зонам факела пламени производят увеличение расхода топлива.So, when the ion current in the ignition zone is greater than in the burnout zone, conditions are created for increasing the yield of nitrogen oxides, since a volume with a high temperature level is created at the beginning of the primary zone, which determines the formation of NO _x . To ensure the necessary ratio of the ion current in the zones of the flame, produce an increase in fuel consumption.

При величине ионного тока наибольшей в зоне догорания создаются условия для увеличения концентрации несгоревших углеводородов CH, и окиси углерода CO, в продуктах сгорания, т.к. топливо не успевает полностью сгореть в объеме топки. Для обеспечения необходимого соотношения величин ионного тока производят уменьшение расхода топлива. When the ion current is greatest in the afterburning zone, conditions are created for increasing the concentration of unburned hydrocarbons CH, and carbon monoxide CO, in the combustion products, because the fuel does not have time to completely burn out in the volume of the furnace. To ensure the necessary ratio of the ion current values, fuel consumption is reduced.

В ионизационном датчике, имеющим три элемента измерения, для исключения влияния геометрических параметров на сравниваемые величины ионных токов, площади поверхности отрицательных электродов выполнены равными между собой, соответственно, площади боковых поверхностей положительного электрода-корпуса также равны между собой. In an ionization sensor having three measurement elements, in order to exclude the influence of geometric parameters on the compared values of ion currents, the surface areas of the negative electrodes are made equal to each other, respectively, the areas of the side surfaces of the positive electrode-casing are also equal to each other.

Проведенные экспериментальные исследования на моделях топки подтвердили, что применение предлагаемого способа контроля и управления сжиганием топлива и ионизационного датчика для его осуществления позволяют обеспечить сжигание углеводородного топлива при минимальной концентрации токсичных выделений в продуктах сгорания. The conducted experimental studies on the models of the furnace confirmed that the application of the proposed method for monitoring and controlling the combustion of fuel and the ionization sensor for its implementation allows for the burning of hydrocarbon fuel with a minimum concentration of toxic emissions in the combustion products.

Разработана схема системы контроля и управления сжиганием топлива и выпущены рабочие Чертежи для изготовления ионизационного датчика для реализации предлагаемого способа на полноразмеренном котле ТП-87 Тольяттинской ТЭЦ. A scheme of a control and management system for fuel combustion has been developed and working drawings have been issued for the manufacture of an ionization sensor for implementing the proposed method on a full-size boiler TP-87 of the Tolyatti TPP.

Claims

1. A method of monitoring and controlling fuel combustion by measuring the ion current in three zones of the flame and regulating the fuel supply, characterized in that, in order to ensure a minimum concentration of toxic emissions in the combustion products of boiler furnaces and industrial furnaces, ion currents are measured in the ignition zone , the burnout zone and the zone of completion of fuel combustion, and when the current in the ignition zone is greater than the current of the burnout zone, the fuel consumption is increased, with the burnout current less than the current of completion of combustion, shayut fuel consumption.

2. An ionization sensor containing electrodes isolated from each other, one of which is a sensor housing, characterized in that, in order to measure and compare the ion current along the flame in a positive electrode-housing, which is common to negative electrodes, ring connectors are made in which ring negative electrodes are installed.

3. The sensor according to claim 2, characterized in that the surface areas of the negative electrodes are made equal to each other, respectively, the areas of the side surfaces of the positive electrode-casing in the connectors for installing negative electrodes are also equal to each other.