The questions of management of burning of natural gas in heating are examined on the basis of mathematical model for optimization of burning process with the use of the frequency-controlled asynchronous drives of ventilators.
Для получения пара в паровом котле, работающем на природном газе, к топке отдельно подаются природный газ и воздух. Смесь газа с теоретически необходимым для полного сгорания воздухом называют стехнометрической смесью. Однако если в топку подавать только теоретически необходимое количество воздуха, то добиться полного сгорания топлива невозможно. Размер избытка или недостатка воздуха определяется коэффициентом расхода воздуха 
, который показывает отношение действительного количества воздуха, расходуемого на горение, к теоретически необходимому. Необходимость сжигать топливо полностью при близкому к 1,0 вызывается стремлением обеспечить наиболее экономичную и эффективную работу агрегата. Чем меньше , тем меньше теплоты унесут отходящие газы. Кроме того, увеличение снижает температуру в топке, отчего газ горит менее активно и сгорание может стать неполным. Добиваясь сжигания газа с наименьшим , нельзя сокращать его настолько, чтобы сгорание стало неполным, так как даже небольшая неполнота сгорания приводит к очень значительным потерям теплоты [1].
В настоящее время разрабатываются и успешно внедряются, особенно на крупных паровых котлах, такие методы сжигания газа, которое позволяют, не снижая эффективности, резко уменьшить содержание вредных веществ в продуктах горения. Наиболее эффектным способом является, организация плавного регулирования скорости тягодутьевого вентилятора, который обеспечивает оптимизацию процесса горения природного газа в топке.
При работе котла на природном газе в крупных паровых котлах для оптимизации процесса горения природного газа, можно применять следующую схему системы регулирования «топливо — воздух», представленную на рис. 1.
Рис. 1. Блочно-структурная схема регулирования воздуха «топливо — воздух» по расходам газа и воздуха: QГ и QB — соответственно расходы газа и воздуха; Р — регулятор; ИМ — исполнительный механизм; РО — регулировочный орган; ЗУ — задающее устройство
В блочно-структурной схеме управление процессом горения газа в топке осуществляется сигналами, полученными из ЗУ. Для оптимизации процесса горения в топке составим математическую модель, позволяющую поддержать газ и воздух в количестве, необходимом для полного сгорания газа. Если учесть что в паровых котлах используется природный газ — метан, то расход воздуха, необходимого для сжигания 1 м 3 метана составляет 9,52 м 3 [1].
Упрощенная математическая модель для блочно-структурной схемы регулирования «топливо — воздух» по расходам природного газа и воздуха имеет следующий вид:
. (1)
Начальные условия: первоначально считаем, что расход газа — неизменный параметр:
, а расход воздуха 
является регулируемым параметром 
.
По выражению мощности приводного двигателя определим расход воздуха вентилятора
, (2)
где РС — механическая мощность на валу, 
угловая скорость приводного двигателя, соответствующие статическому моменту вентилятора МС; 
общий КПД вентилятора.
Выражения (2) подставим в (1) и запишем 
в измененном виде:
. (3)
Для дутьевого вентилятора начальный статический момент при вращающем механизме может быть принят 
[4], следовательно, значение статического момента будет изменяться по закону
(4)
где 
номинальное значение статического момента вентилятора; 
относительное значение частоты; f1 и f1H — соответственно действующее и номинальное значения частоты; s — скольжение.
На основе уравнений (3) и (4) составляем систему уравнений математической модели оптимального управления процессом горения в топке
(5)
В представленной математической модели (5) оптимального управления процесса горения в топке регулируемым параметром является частота напряжения статорной обмотки, питающей асинхронный двигатель вентилятора. В процессе горения несоблюдение условия пропорциональности расходов газа
и воздуха 
устраняется регулированием скорости приводного асинхронного двигателя вентилятора, и тем самым обеспечивается пропорциональность расходов обоих компонентов. Поэтому, единственное правильное решение оптимизации процесса горения — это использование частотно-регулируемого асинхронного электропривода для вентилятора в топке [2,3].
Учитывая, что угловая скорость приводного двигателя 
, преобразуем систему уравнений (5):
. (6)
Если ввести следующие обозначения:
, 
, 
, 
, то в результате получим:
, (7)
где 
- оптимальный регулируемый параметр — частота напряжения статорной обмотки, питающей асинхронный двигатель вентилятора.
Когда в (7) порядок алгебраического уравнения высок (
), нахождение аналитического решения затруднительно, что придется прибегать к использованию численных методов решения.
Эту задачу можно решить численно следующим образом:
Для вычисления регулируемого параметра 
из алгебраического уравнения используем один из численных методов [5]: итерации, половинного деления или Ньютона.
Обозначим левую часть (7) через 
.
, (8)
где 
— вектор коэффициентов алгебраического уравнения.
Как отмечено в [5], метод Ньютона эффективен для решения тех уравнений, для которых значение модуля производной 
близ корня достаточно велико, т. е. график функции 
в окрестности данного корня имеет большую крутизну. По приведенным выше соображениям для решения алгебраического уравнения целесообразно применить метод Ньютона.
Применение частотно-регулируемого асинхронного электропривода с преобразователем частоты для управления вентиляторами обеспечивает:
– полное устранение токовых перегрузок двигателя;
– снижение потребляемой электроэнергии на 10 %...50 % благодаря отказу от регулирования шиберами;
– автоматическое поддержание температуры в воздуховодах при изменениях режимов работы оборудования;
– возможность точной дозировки и повышение КПД процессов горения.
В результате расход топлива снижается на 3 %...10 % при той же производительности котла.
Сочетание сжигания топлива при малых значениях и количестве воздуха равному его теоретическому значению с рециркуляцией продуктов горения позволяет снизить количество образующихся окислов азота на 70–90 % при сжигании газа.
Литература:
- Чепель В. М., Шур И. А. Сжигание газов в топках котлов и печей и обслуживание газового хозяйства предприятий. — 8-е изд., перераб. и доп. — C.-П.: Недра, 1990. — 591 с.
- Имомназаров А. Т., Аъзамова Г. А. Асинхрон моторларнинг энергия тежамкор иш режимлари. Монография. — Тошкент: ТошДТУ, 2014. — 140 б.
- Hoshimov O. O., Imomnazarov A. T. Ekektr mexanik tizimlarda energiya tejamkorlik. 2- nashr. Дarslik. — Тoshkent: Fan va texnologiya, 2015.– 155 b.
- Сыромятников И. А. Режимы работы асинхронных и синхронных электродвигателей. Госэнергоиздат: — М. 1984. — 527с.
- Светозарова Г. И., Сигитов Е. В., Козловский А. В. Практикум по программированию на алгоритмических языках. М.: Наука, 1980, -320 с.
