МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ "ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА"
На правах рукопису
ВУЙЦІК ВАЛЬДЕМАР ЧЕСЛАВОВИЧ
УДК 536.532
МЕТОДИ КОНТРОЛЮ
ТЕПЛОВИХ ПАРАМЕТРІВ ПРОЦЕСІВ СПАЛЮВАННЯ
05.11.04 Прилади та методи вимірювання теплових величин
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Львів - 2001
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Люблінській політехніці Міністерства Народної Освіти (Польща).
Науковий консультант - доктор технічних наук, професор
Готра Зенон Юрійович,
Національний Університет "Львівська політехніка",
завідувач кафедрою "Електронні прилади"
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Назаренко Леонід Андрійович,
завідувач відділом ДНВО "Метрології", м.Харків
член-кореспондент Російської Академії наук,
доктор технічних наук, професор Федик Іван Іванович,
директор НВО "Луч", м. Москва
доктор технічних наук, професор Лозбін Віктор Іванович,
Національний університет "Львівська політехніка",
професор кафедри теплотехніки та теплових електричних станцій
Провідна установа:
Інститут технічної теплофізики Національної Академії наук України, відділ теплометрії, м. Київ
Захист відбудеться "28" вересня 2001 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .052.08 у Національному Університеті "Львівська політехніка" (79013, м. Львів-13, вул. С.Бандери, 12, ауд. головного корпусу).
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного Університету "Львівська політехніка" (79013, м. Львів-13, вул.Професорська, 1)
Автореферат розісланий " " серпня 2001 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Луцик Я.Т.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. Протягом останнього часу в усьому світі тривають науково-дослідні роботи над теорією полум’я, що була б придатною для вимірювання теплових величин, які характеризують процеси спалювання. Відомі результати досліджень, особливо для рідких і твердих палив, однак, на сьогодні не існує узагальненої теорії для створення математичної моделі, яка дозволила б прогнозувати, контролювати та керувати процесом спалення довільного рідкого чи твердого палива.
Сучасний стан дослідження фізики процесу спалювання, орієнтований на спалювання одиничної краплини палива, дозволяє стверджувати, що при нинішньому рівні знань можна провести тільки якісний аналіз випаровування і подальшого спалювання. Кількісний опис цього явища є недостатнім навіть у найпростішому випадку спалювання сферично-симетричної краплини палива одного складу. Ситуація значно ускладнюється, коли використовується рідке розпилене паливо і має місце "хмара" краплин. У такому випадку слід врахувати процес взаємного зіткнення краплин. В залежності від числа Вебера, тут може спостерігатися об’єднання краплин, їх повторний розклад і квазіпружні зіткнення. Ці явища мають місце до появи полум’я, коли ще немає горіння суміші. Від моменту її займання в аналізі необхідно враховувати існування газової фази.
Складність явищ, що мають місце при спалюванні вугільного пилу, набагато зростає у порівнянні з рідкими паливами, для яких можна прийняти, що спалювання відбувається у 2-х, найбільше у 3-х фазах: випаровування, спалювання газової фази, і, можливо, спалювання коксового залишку. Спалювання вугілля у промислових умовах може відбуватися у решіткових котлах (у шарі на решітці), у котлах з флюїдальним розміщенням чи в котлах, де спалювання відбувається у факелі. В енергетиці найчастіше застосовують спалювання у факелі, з утворенням вугільного пилу ( діаметр зерна менше 100 мкм). У той же час спалювання одиничного вугільного зерна є дуже складним фізико-хімічним процесом. Складність аналізу процесу ще більше зростає у випадку, коли вугільний пил спалюється у факелі. Визначення параметрів спалювання пилової суміші в реальних умовах є дуже складним процесом.
У випадку розповсюдження полум’я з невеликою швидкістю маємо справу з ламінарним спалюванням. Велику роль у швидкості спалювання тут відіграє газова фаза, яка є єдиним параметром, який можна визначити. Збільшення швидкості потоку паливно-повітряної суміші призводить до переходу від ламінарного до турбулентного руху. Миттєве значення швидкості турбулентного потоку змінюється в часі і знаходиться поблизу середніх значень. Пульсації з’являються в результаті зміни хаотичних рухів вихорів різних розмірів. Найбільші вихори мають величину об’єму факелу. За ними слідує неперервне розподілення щоразу менших вихорів, аж до деякої границі, що називається внутрішнім діапазоном, де виникає дисипація енергії в результаті в’язкості. Найбільші вихори з’являються в результаті нестабільності головного потоку. Ці вихори, розпадаючись на менші, передають їм свою енергію до тих пір, поки дисипація у менших вихорах не покладе кінець цьому процесу.
Спалювання у промислових умовах реалізується у турбулентному полум’ї. Його характер, що викликає пульсації, робить можливою якісну оцінку. Тому існує проблема розробки приладів та методів вимірювань теплових величин при спалюванні на основі аналізу спектра теплового випромінювання. Спектр суттєво різниться в залежності від виду палива, його характеризує емісійна характеристика, що визначає вибір сенсора у вимірювальному пристрої для контролю та визначення розподілення пульсації полум’я і розподілення температури, тому теоретичні та експериментальні дослідження в цьому напрямку є актуальною задачею, вирішення якої дозволить забезпечити ефективне спалювання при низькому забрудненні екології та знизити ризик аварійності та вибухопожежної небезпеки.
Зв’язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі “Електроніка” Любельського політехнічного інституту в рамках державних програм: цільового гранту № Т10С04999С\4486 під назвою “Світловодне устаткування для моніторингу діяльності мазутних пальників котлів ОР-650 і АР-1650”; наукової роботи під назвою “Проектування, виконання і дослідження прототипу світловодного обладнання для моніторингу діяльності мазутних пальників котлів ОР-650 і АР-1650”; Y Загальної Програми Європейської Унії “Bio Flame kontr.ENK5-1999-00004” “Протікання процесів спалювання чистих палив у енергетиці”; науково-дослідної роботи 16\NN\98 під назвою “Розробка вимірювального пристрою для моніторингу пилових пальників ОР-650”; науково-дослідної роботи 17\NN\2000 під назвою “Виконання контрольно-дослідницьких робіт контролю полум’я пилових і мазутних пальників на блоку номер 10 (АР-1650); аналіз і оптимізація елементів і світловодних зінтегрованих телеметричних мереж, 30/GW/93-99; світловодні системи контрольно-вимірювальних і підсистеми світловодних телеметричних мереж 25/5/92-99; науково-дослідна Центральна програма “Світловодні мережі” № 8.12, 14, 15, 16, 17, 1986-87; Центральна програма “Systemy i metody transmisji sygnalov z podziemi kopalni z wykorzystaniem wysokosprawnych iskrobespiecznych systemach transmisji sviatlowodowej” № .8, 1986; Центральна програма “Aparatura i systemy kontrolno-pomiarowe dla oceny i kontroli stanu zagrozenia tapaniami” № .3, 1987.
Мета та основні завдання дослідження. Мета роботи полягає в розробці методів та пристроїв контролю процесів високотемпературного згоряння. Для досягнення вказаної мети ставились та вирішувались такі задачі:
1.
Аналіз фізико-хімічних процесів згоряння, виявлення основних оптичних параметрів, які визначають процес високотемпературного спалювання та розробки нових методів контролю.
2.
Дослідження можливості використання світловодної техніки та розробка на їх основі сенсорних пристроїв для реєстрації та контролю пульсації та інтенсивності свічення полум’я в процесі високотемпературного згоряння.
3.
Аналіз, вибір і розробка конструктивно-технологічних рішень раціонального з’єднання світловоду з детектором та його розміщення в об’ємі полум’я.
4.
Оптимізації світловодного сенсора для можливості його використання у жорстких умовах експлуатації (висока температура, вібрації, запилення, агресивне середовище).
5.
Розробка оптоелектронної частини вимірювального приладу для визначення температурних режимів спалювання на основі обробки оптичних сигналів пульсації та інтенсивності свічення.
6.
Розробка методів обробки оптичних вимірювальних сигналів та алгоритмів візуалізації вимірювань на основі хвилькових перетворень.
7.
Проведення досліджень у різних умовах спалювання для струменевих; вихорових (з можливістю обертання) пальників; розробка практичних рекомендацій по впровадженню розроблених методів та пристроїв контролю високотемпе-ратурних процесів спалювання.
Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:
1.
Вперше теоретично та експериментально розроблено метод контролю теплових процесів спалювання за розподілом інтенсивності свічення полум’я та його пульсацією на основі оптоелектронної техніки.
2.
Розроблено оптимальні конструкції світловодних приладів для довготермінової роботи в особливо складних умовах експлуатації на основі досліджень та вибору з’єднань різного роду джерел із світловодами.
3.
Розроблено математичні моделі раціональних структур оптоелектронних пристроїв для визначення оптимальних конструктивних розмірів їх елементів з точки зору контролю теплових процесів згоряння. Проведено геометричний аналіз світловодів та визначені значення числової апертури для ступінчастих і одномодових світловодів.
4.
Теоретично визначено та експериментально підтверджено значення міжмодової дисперсії. Виявлено, що для ступінчастих світловодів вона становить 0 ,6 мс/км, а для градієнтних - 0 ,58 мс/км.
5.
Досліджена лінійність світловодів в залежності від потужності. та критична потужність. Для ступінчастого світловоду діаметром 200 мкм вона складає 1,6 Вт, що необхідно враховувати при проектуванні вимірювальних пристроїв. При цьому для підвищення надійності слід не перевищувати потужність більш ніж 0,8Pmax.
6.
Виявлені закономірності зміни інформації теплових величин при спалюванні, а також кута свічення джерела тепла від температури, коефіцієнта абсорбції, коефіцієнта емісії і оптичної глибини полум’я.
7.
Проведена оптимізація світловодного сенсора методом скінчених елементів. Раціональна конструкція форми зонда вибрана шляхом моделювання шести форм. Для вимірювання пульсації та інтенсивності свічення полум’я використано два вимірювальні канали - логарифмічний (LOG100) і лінійний (ОР07), що забезпечує вимірювання температури та пульсації з похибкою 0,1%.
Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:
1.
Запропонований метод безпосереднього контролю полум’я дозволяє підвищити якість спалювання, що підтверджено практичною експлуатацією на електростанціях.
2.
На основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень запропонована оптимальна конструкція оптоелектронного пристрою, який забезпечує довготермінову роботу в умовах експлуатації на діючих котлах.
3.
Розроблена методика визначення зони полум’я, параметри якої корелюють з концентрацією токсичних речовин, що дозволяє поліпшити процес спалювання з економічної точки зору.
4.
Показано, що при аналізі процесу горіння найкращі результати по відтворенню реального стану дають застосування методів швидкого перетворення Фур’є, хвилькові перетворення та моделі процесів ARIMA.
5.
Визначена міра для практичного використання в керуванні роботою котла. Встановлено, що цією мірою є середнє значення у вимірювальному проміжку, величина якого зумовлена промисловими контрольно-вимірювальними системами на частоті 1 Гц, а також середня частота переходу через нуль змінної складової (пульсації полум’я) у визначених під час досліджень зонах.
6.
Розроблені математичні моделі оптоелектронних пристроїв, геометричний аналіз світловодів, визначені значення числової апертури, міжмодової дисперсії, критичної потужності дозволяють ефективно проектувати структури світловодної техніки.
7.
Результати дисертаційної роботи впроваджені на електростанції “Козеніце” і Гданській теплоелектроцентралі (підтверджені актами впроваджень). Теоретичні розробки дисертації дозволяють зробити наступну модифікацію системи, що в даний час працює на електростанції “Козеніце”.
Особистий внесок здобувача. Особистим внеском автора є:
1.
Розробка нового методу оптичної діагностики полум’я з використанням пульсації та інтенсивності його свічення.
2.
Визначення просторового розподілення зміни пульсації та інтенсивності свічення полум’я у промисловому пальнику.
3.
Застосування хвилькових перетворень для аналізу вимірювальних сигналів.
4.
Розробка конструкції світловодних сенсорів для роботи в особливо складних умовах експлуатації ( висока температура, вібрації, запилення, агресивне середовище).
5.
Розробка концепції використання нейронної мережі для оцінки якості згоряння.
6.
Проектування і реалізація промислових приладів для вимірювань процесу високотемпературного згоряння.
Апробація результатів роботи. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на: IY Науковій Конференції “Технологія і застосування світловодів” Краснобруд, жовтень 1996 р.; Науково-технічній Конференції “Низькоемісійні методи Спалювання’97” Устронь-Заводзє, березень 1997 р.; 11 Європейській Конференції “Solid State Transdusers EUROSENSORS XI Warsaw, September 1997р.; International Scientifics and Technical Conference “Unconventional Electromechanical and Electrical Systems”, Alushta, Crimea, Ukraine, September 1997; III Науково-Технічній Конференції “Мехатроніка’97”, Варшава, листопад 1997р.; Y Конференції “Світловоди і їх застосування”, Бяловєжа, січень 1998 р.; Науково-Технічній Конференції “Діагностика якості спалювання у енергетиці’98” Устронь-Заводзє, березень 1998 р.; YII Науковій Конференції “Технологія і застосування світловодів”, Краснобруд,
жовтень 1999; International Conference “Intermolecular Interactions in Crystalizations Process and Characterization of Physical Effects in Solids”, Kazimierz Dolny, травень 1993; X Krajowe Konferencja Automotyki, Lublin, вересень 1988; X Krajowe Symposium Telekomunikacij ’94, Bydgoszcz, вересень 1994; V Konferencja “Swiatlowody i ich zastosowanie”, Biaіowieїa, ?ічень 1995; First Trabzon International Energy and Environtment Symposium, Trabzon, Turkey, липень 1996; 6th National Scientific Conference with International Participation RADIOELEKTRONIKA ’96, Brno, квітень 1996; IV Konferencja Naukowa “Czujniki optoelektroniczne i elektroniczne” COE ’96, Srczyrk, травень 1996; V Konferencja Naukowa “Czujniki optoelektroniczne i elektroniczne” COE ’98, Jurata, травень 1998; V Konferencja Naukowa “Czujniki optoelektroniczne i elektroniczne” COE , Glivice, червень 2000; I Seminarium Naukowe Polskiego Instytutu Spalania, Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa, червень 1995; II Межгосударственная научно-техническая конференция “Квантовая электроника”, Минск, ноябрь 1998; 2nd International Symposium on “Microelectronics Technologies and Microsystems”, Lviv, June 1998; II Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna “Diagnostyka Procesow Przemusіowych”, Јagow K. ZielonejGуry, вересень 1997; Third International Symposium on “Methods and Models in Automation and Robotics”, Miedzyzdroje, вересень 1996; Photonics-ODS2000-Vinnitsia, Ukraine, october, 2000.
Публікації. За матеріалами дисертації опублікованно 55 наукових праць, серед яких 29 статей у профільних наукових журналах, 22 тези доповідей у збірниках наукових конференцій і 3 патенти.
Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, шести основних розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Робота містить 278 сторінок друкованого тексту, 187 рисунків, 5 таблиць та перелік літературних джерел із 203 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі відображено актуальність проблеми, обгрунтовано мету та основні задачі дослідження. Показано зв’язок роботи із науковими програмами, планами. Сформульовано наукову новизну і положення, що виносяться на захист. Розглядаються практична цінність, реалізація і впровадження результатів роботи. Наводяться дані про особистий внесок здобувача, апробацію роботи і публікації.
В першому розділі дисертаційної роботи показано, що при дослідженні структури полум’я необхідно провести визначення поля швидкості і температур при аналізі хімічних зв’язків у полум’ї. Показано, що для забезпечення цілковитого і повного спалювання слід проводити процес, коли коефіцієнт надлишку повітря (t) є більшим від одиниці. Спалювання однорідних сумішей (кінетичне спалювання) можна реалізувати в ламінарному чи турбулентному потоці, що зумовлено швидкістю витоку суміші. Для аналізу ламінарного полум’я достатньо знати його товщину, температуру чи швидкість спалювання. При аналізі турбулентного полум’я застосовується середньоквадратична пульсація швидкості та шкала турбулентності. В залежності від величини вихорів у полум’ї має застосування: повна шкала L - великі вихори, шкала Тейлора - середні вихори, шкала Холмогорова - малі вихори на межі зникнення. Шкала турбулентності може бути застосована для визначення чисел турбулентності Рейнольдса. Показано, що дифузійне спалювання, в якому окислювач і паливо, подане на пальник окремими каналами, має місце у багатьох технічних приладах. В процесі спалювання утворення суміші може відбуватися у ламінарному, турбулентному чи змінному потоці. Швидкість її утворення є значно меншою ніж швидкість хімічних реакцій, що мають місце під час спалювання. Виявлено, що дослідження дифузійного полум’я є більш складним ніж кінетичного. Показано, що ламінарне дифузійне полум’я характеризується малою інтенсивністю спалювання. При цьому перехід від ламінарного до турбулентного полум’я визначає критичну величину числа Рейнольдса, яке значною мірою залежить від виду палива. Спалювання рідких палив при розпилюванні викликає появу хмари крапель. Показано, що процес спалювання краплин рідких палив, який складається з випаровування палива і спалювання шляхом дифузії пари палива і кисню значною мірою залежить від виду палива, наприклад, легкі і тяжкі палива можна описати константою швидкості їх спалювання. Аналіз показує, що при спалюванні струменя крапель присутні небажані процеси зіткнення крапель, динамічні зміни їх вигляду, процеси внутрішнього нагрівання, дифузія маси багатокомпонентних крапель, реакції у рідкій фазі, процеси займання у газовій фазі, фіксоване спалювання, гасіння, мікровибухи а також досягнення критичних і надкритичних станів.
Нинішній стан результатів досліджень знань дозволяє якісно описати базові механізми випаровування і спалювання хмари крапель, в той же час кількісний опис явищ є недостатнім.
Процес спалювання зерна має місце під час обміну тепла зерна з оточуючим газовим середовищем і нагрітими стінками камери спалювання, у результаті чого відбувається зростання його температури, випаровування вологи, що міститься у ньому і виділення летких компонентів, які, зустрічаючись з оточуючим киснем, спалюються. Одночасно з цими явищами чи після закінчення деяких із них відбувається спалювання коксованого зерна в результаті дифузії кисню, його хімічної реакції з зерном вугілля, вторинної реакції продуктів спалювання на їх нагрітій поверхні та поблизу неї. Одночасний аналіз явищ, що мають місце у процесі спалювання зерна вугілля, виключає ті незначні явища, що не мають істотного впливу на його перебіг і кінцевий результат. Показано, що для вирішення практичних проблем спалювання зерна слiд використати експериментальні дослідження і значною мірою спрощені теоретичні залежності, наприклад залежність Ареніуса.
На основі аналізу показано, що спалювання вугільного пилу в факелі відбувається за допомогою рециркуляційних вихорів, що переносять частину гарячих продуктів згоряння з області спалювання до області займання. Визначення величин параметрів спалювання пилової суміші в реальних умовах є дуже складною проблемою, не розв’язаною до цього часу. Для вимірів деяких параметрів процесу спалювання обов’язковим є використання емітованого під час спалювання теплового випромінювання. Показано, що для достовірного конструювання приладів для вимірювань параметрів процесів спалювання потрібно знати розподілення спектрів емісії полум’я застосованого палива. При цьому емісійні спектри рідкого
масла і вугільного пилу значно відрізняються в ультрафіолетовій області, де рідке масло має більшу емісію.
У другому розділі показано, що при дослідженні процесів спалювання необхідно здійснювати контроль температури полум’я та його пульсації. Для проведення вимірів температури полум’я та його пульсації в просторі вперше розроблено новий багатоканальний світловодний пристрій, який забезпечує реєстрацію змін теплових параметрів згоряння в діапазоні 0 … кГц. Для збільшення роздільної здатності вимірювань розроблена раціональна конструкція з’єднання світловід-детектор, кількість каналів якої визначається розмірами полум’я. При цьому важливими конструктивними параметрами вимірювального приладу є кут розміщення світловоду в робочому стані та кут входження світлового сигналу в світловід. При турбулентному полум’ї, що найчастіше має місце у реальних промислових умовах, фіксовані значення параметрів поля потоку змінюються з часом і використовуються нами як змінні величини у вимірювальному приладі. Для раціонального процесу спалювання та обмеження викиду токсичних речовин, що з’являються під час спалювання, в атмосферу, необхідно проводити виміри параметрів полум’я в реальному часі, що дає можливість оперативного проведення змін технології спалювання з мінімальною емісією. Пульсації полум’я використовуються в якості змінних вимірювання.
Розроблено світловодний односмуговий пірометр (рис. ), в якому променева енергія переноситься від досліджуваного тіла до фотодетектора за допомогою світловоду. Запропоновано в якості детектора використовувати модифікований кремнієвий фотодетектор зі зміщенням спектральної характеристики в область коротких хвиль, що дозволяє провести краще детектування полум’я рідкого палива. Кремнієвий фотодетектор тут зінтегрований з прецизійним логарифмічним підсилювачем.
Рис. . Світловодний односмуговий пірометр.
Струм детектора у приладі “світловід-фотодетектор” можна визначити з залежності:
де: () - спектральна характеристика загасання світловоду, P() - спектральна густина потужності джерела для z=0, 1 - мінімальна довжина хвилі випромінювання полум’я, 2 - гранична довжина хвилі, прийнятої детектором, sef() спектральна характеристика детектора, Ks0 - коефіцієнт з’єднання світловоду з фотодетектором, L - довжина.
З’єднання світловоду з детектором може бути джерелом додаткових втрат оптичної потужності, впливаючи на пониження вихідної потужності фотодетектора. Основною причиною цих втрат є розбіжність світлового пучка, що падає на детектор.
При узгодженні розбіжного випромінювання, що виходить із світловоду з фотодетектором, слід врахувати залежність його чутливості від кута падіння випромінювання. Відбиття на поверхні фотодетектора зростає з ростом кута розбіжності світлового пучка. З іншої сторони, для такого випромінювання шлях абсорбції у кристалі фотодетектора є довшим, викликаючи кращу абсорбційну точність (чіткість, віддачу). Наприклад, для кремнієвого детектора чутливість залишається постійною у межах 0,3% для кутів падіння в діапазоні 0-15о і спадає до 1% при 20о.
Бажана числова апертура фотодетектора залежить від кутової характеристики світловоду. На рис. показана потрібна сумарна чутливість фотодетектора, коли джерелом випромінювання є градієнтний світловід 50/25 з числовою апертурою NA ,2.
Рис. . Вплив числової апертури детектора і віддаленості світловоду для прийняття потужності у детекторі з діаметром (Pdet - потужність, прийнята детектором, Pfiber _ потужність, що падає на детектор).
Враховуючи крім цього те, що часто використовують залежність вихідного сигналу
де: np <5,12> - коефіцієнт, A – постійна, залежна від конструкції пірометра, Tr _ температура.
Oстаточна температура
,
де Ku - коефіцієнт підсилення.
Оскільки описаний прилад працює разом з комп’ютером, визначення температури не викликає труднощів.
, (1)
де , - інтенсивність монохроматичного випромінювання, с2 - коефіцієнт. Оскільки 1 i 2 можна вважати постійними, (1) змінює вигляд:
(2)
де:
; .
Як видно з залежності (2) відношення інтенсивності монохроматичного випромінювання є однозначною функцією температури тіла Тr і може бути виміряне. Вихідну напругу можна записати так
.
Відповідно до (2) та при значенні K1logD та K2Blogтемпература визначається як
.
Для отримання правильного перебігу процесу спалювання в умовах утворення теплової енергії важливу роль відіграють системи збору даних і комп’ютерного опрацювання, що працюють в реальному часі. Вони мають на меті забезпечення безпечної роботи котла, високої ефективності процесу і низького викиду забруднень. Ці завдання, особливо в галузі екології, змушують енергетику інтенсифікувати та модернізувати роботи в цьому напрямку. Шляхи обмеження викиду забруднень, що з’являються у процесі спалювання вугілля в пилових котлах, можна поділити на дві групи:
-
первинні методи, що виключають шкідливі субстанції ще в межах паливної камери, не допускаючи їх появи, чи зв’язуючи їх перед залишенням камери,
-
вторинні методи, що займаються зменшенням утворюваних шкідливих речовин шляхом спалювання їх поза камерою, звичайно в окремому обладнанні.
З економічної точки зору цікавими є первинні методи, хоча легше не допустити появи забруднень, ніж їх потім усунути. Такий підхід вимагає окрім справних пальників і керуючих приладів ще відповідної системи моніторингу, оскільки знання про протікання процесу у відповідних зонах спалювання має дуже велике значення для оптимального його проведення.
Для усунення цих загроз пальник повинен бути обладнаний приладом для моніторингу процесу спалювання, який повинен забезпечити:
-
можливість аналізу окремих областей полум’я для вибору найчутливішої до змін зовнішніх параметрів (наприклад, кількість вторинного повітря, допалювання мазутом, кількість первинного повітря),
-
можливість просторового сканування полум’я,
-
можливість аналізу пульсацій, залежних від виду палива, області полум’я або зовнішніх умов - кількості первинного і вторинного повітря.
Ці вимоги були враховані при проектуванні приладу для моніторингу процесу спалювання у котлі з настінними пальниками. Крім цього, зроблено припущення, що зонд повинен знаходитися всередині камери спалювання при температурі, більшій за 400 oС. Для цих умов використано новий підхід, а саме, застосування світловодної техніки, на основі якої розроблені вимірювальні системи (рис.3).
Рис. . Багатофункційна система контролю полум’я для роботи у промисловому енергетичному котлі з настінними пальниками.
При їх розробці використані результати дослідження просторових розподілень пульсацій та інтенсивності свічення, вплив вхідних сигналів на ці параметри і вплив на них конструктивно-технологічних параметрів котла.
Для вибору відповідного світловоду були проведені виміри на пальнику “пропан-бутан”. В результаті теоретичного аналізу визначено, що найвідповіднішим є світловід PCS 200\380 мкм (HCS), хоча можна також використати градієнтний
світловід 50/125 мкм. Оскільки світловід містить домішки, при тривалій роботі деструктивна дія ультрафіолету може привести до механічного пошкодження світловоду.
а) б)
Рис. . Сигнал, зареєстрований для газового полум’я (пропан-бутан) з викори-станням багатомодового градієнтного світловоду (а) та світловоду PCS (б) за 1 сек.
Разом з тим, характерною рисою оптичної вимірювальної доріжки є здатність до одночасного передавання великої кількості даних паралельно. Цілковите використання цієї переваги вимагає застосування у частині устаткування для прийому даних достатньо швидких приладів їх аналізу, які б якнайкраще паралельно обробляли і перетворювали інформацію. Одним з можливих варіантів цього є нейронна мережа.
Розроблена блок-схема вимірювального кола представлена на рис. . Вона
Рис. . Блок-схема оптичного приладу для газового аналізу промислових забруднень: 1 - нейронна мережа; 2 - модуль ASP; 3 - спектрометр; 4 _ оптоелектронний аналізатор даних; 5 - світловодне коло; 6 - вимірювальна головка; 7 - димохід (пічна труба); 8 - джерело світла.
складається з оптичної вимірювальної головки, світловодного волокна, приладу електронного аналізу даних і графічного інтерфейсу користувача. Фізична основа вимірювань описується законом Ламберта- Бера:
, (3)
де I0() - сила світла на початку доріжки; I(L,) - сила світла після переходу через абсорбційне середовище довжиною L; с - концентрація абсорбційного зв’язку; - коефіцієнт абсорбції середовища для даної довжини світлової хвилі; L - довжина оптичної доріжки.
У якості джерела застосована широкосмугова лампа, що одночасно дозволяє визначити велику кількість газових складників. Спектральний діапазон вимірювань становить 250-600 мкм, що виникає зі специфічних абсорбційних властивостей контрольованих зв’язків. Світловодне волокно з’єднує вимірювальну головку зі спектрометром. Спектрометр містить детектор світлового випромінювання у вигляді діодної лінійки. Кожний елемент детектора є одночасно входом нейронного приладу для аналізу вимірювальних даних (елемент вхідного шару). Цифровий прилад, що містить модуль DSP (англ. Digital Signal Processing), підтримує дію мережі шляхом нормалізації вхідних сигналів.
Мережа типу СР (алгоритм нейронної мережі посилання жетонів), представлена на рис. , складається з трьох шарів: вхідного шару, прихованого шару
Рис. . Нейронна мережа посилання жетонів: 1-вихідний шар; 2-прихований шар; 3_вхідний шар; 4-кожні і-та одиниця з’єднання з j-тою одиницею (деякі з’єднання не показані).
типу "переможець забирає все", що підлягає вивченню без спостереження, вихідного шару типу мережі Гросберга, що підлягає вивченню зі спостереженням.
Після представлення у вхідному шарі, нейрони в прихованому шарі сумують вхідні сигнали згідно з виразом:
, (4)
де: і - кількість входів (кількість нейронів) у вхідному шарі; j - кількість одиниць (кількість нейронів) у прихованому шарі; netj - вхід j-тої одиниці в прихованому
шарі; wij - значимість сигналу між і-тим і j-тим нейроном; oi - вихід j-тої одиниці у вхідному шарі (і-тий елемент вхідного зразка).
Далі наступні нейрони прихованого шару змагаються між собою. Критерієм, що визначає переможця, є найменша віддаленість між вхідним сигналом і опорним вектором у вигляді вектора значимості. Переможному нейрону приписується значення вихідного сигналу, рівне 1, іншим - значення 0 (принцип "переможець забирає все"). Нейрони вихідного шару, подібно як у прихованому шарі, виконують операції сумування вхідних сигналів. Однак цього разу функція активації нейрона має вигляд сигмоїдальної функції. Цей процес описує вираз:
(5)
де: k - кількість виходів (кількість нейронів у вихідному шарі); ak - функція активації k-того виходу (нейрона).
З метою покращення мережі під час аналізу спектральних даних, запропоновано заміну прихованого шару на мережу Кохонена. Це призводить до деяких змін по відношенню до стандартної мережі СР, а саме:
·
під час процесу навчання не тільки перемагаючий нейрон, але й сусідні нейрони мають можливість зміни свого вектора значимості;
·
принцип "переможець забирає все" пом'якшується при можливості одночасної активності більшої кількості нейронів. Це дозволяє збільшити число класів, розпізнаваних на виході.
Дані, використані у процесі вивчення і перевірки роботи системи, були отримані за допомогою бази спектральних даних HITRAN. Для потреб моделювання утворено два ряди: ряд вивчення, який складався з 250 спектральних характеристик абсорбції як для NO2, так і для SO2, а також контрольний ряд, що включає в себе 500 характеристик абсорбції суміші NO2 і SO2 в різних пропорціях. Представлені результати були отримані за допомогою мережі СР з 128 входами, прихованого шару розміром 16х16 одиниць і 2 нейронів у шарі Гроссберга. Процес вивчення полягає на представленні вибраних жеребкуванням вхідних векторів. Після закінчення процесу вивчення кожний нейрон представляв даний газ і визначав величину його концентрації. Цей прилад розпізнає даний газ (область категоризації для NO2 і SO2 розділена). Під час проведеного моделювання мережа вірно відповідала у 91,82випадків при допустимій величині похибки у 5Одночасно проведені дослідження показали, що застосування нейронної мережі типу СР і кількості нейронів у вихідному шарі, більшій за 256, не проводить до значного покращення її параметрів, хоча зменшення цього числа нижче від 144 нейронів (шар 12х12 нейронів) спричиняє значне падіння якості розпізнавання газових складників. У цьому випадку число правильних відповідей спадає до 71при похибці 5
У третьому розділі дисертації представлені результати досліджень оптимізації волоконних елементів для сенсорних пристроїв контролю високотемпературних процесів спалювання. Виявлена критична потужність розсіяння у напрямі, відповідному до напряму доведеної хвилі. Зміни потужності хвилі Рамана, введеної в торець світловоду (напрям Z+0) з частотою Стокса, описує диференційне рівняння:
,
де: Ps(z) - потужність хвилі з частотою Стокса (раманівське розсіяння), s - коефіцієнт загасання світловоду, r - коефіцієнт підсилення раманівського розсіяння, Sp(z) - ефективна густина вихідної потужності в точці z.
Припустивши, що
де Sp(0) - ефективна густина вхідної потужності у точці z ,
а також, враховуючи тільки лінійне наближення розкладеної в ряд Маклорена підінтегральної функції exp(–pt), а саме
Одержуємо залежність для потужності Ps(z) у вигляді:
(6)
У випадку, при якому не вводяться хвилі з частотою Стокса, а значить, Ps(0) , а також приймаючи для хвиль z(виходу світловоду) та коли pL 1 і Sp(0)L 1, для потужності Стокса отримаємо залежність:
.
Після ряду перетворень отримаємо
,
де: Pcrit - критична потужність [Вт], A' - поверхня осердя [см2], p - коефіцієнт загасання [см-1], 0 коефіцієнт підсилення для процесу вимушеного розсіяння [см/Вт].
Наприклад, для p10-5 см-1 (10dB/км), A' 10-4 см2 (d мкм) 0 10-9 см/Вт критична потужність досягає значення 1,6 Вт. Для світловоду з меншим загасанням здатність трансмісії потужності буде відповідно зменшена.
Показано, що потужність, яка може бути введена у світловід без істотного впливу нелінійних ефектів розсіяння, є звичайно на 1 дБ меншою від критичної потужності
.
Розроблені математичні моделі світловодів можуть бути застосовані для світловодів з низькими втратами при малих густинах потужності загасання.
До світловоду з поперечним перерізом А, довжиною L і коефіцієнтом загасання вводиться і z випромінювання з потужністю Pp(0), частотою p і ефективною густиною потужності Sp(0) p(0)/A, що розходиться у напрямку zдо передньої частини світловоду).
У лінійному діапазоні зміни потужності вздовж світловоду можна описати залежністю
[Вт],
де: Pp(0) – потужність, введена в z = 0 [Вт], (z) – коефіцієнт загасання [1\км], L - довжина світловоду [км].
На практиці найчастіше використовується середнє значення коефіцієнта гасіння:
, (7)
яка модифікує залежність (7) до вигляду:
. (8)
Коефіцієнт загасання визначає повні втрати потужності у світловодах. Для кварцових світловодів цей коефіцієнт має вигляд:
(9)
де: R, uv, IR, F – коефіцієнти загасання зумовлені розсіянням типу Релея, втратами в УФ-області, втратами в IЧ-області, зовнішніми факторами (радіаційні, мікрозгини і т.д.) відповідно.
Враховуючи теоретичні залежності цих коефіцієнтів від довжини хвилі, маємо :
, , , ,
де A1, B1, B2, C1, C2 – постійні. Залежність (9) набуває вигляду:
(10)
Модель світловоду, описаного залежністю (9) і (10), визначає спектральне розподілення потужності у світловоді для лінійного діапазону.
Враховуючи можливість виміру спектральної характеристики світловоду і застосування кремнієвого фотодетектора, аналіз світловодного кола було проведено в діапазоні довжин хвиль 600-1000 нм. Беручи до уваги спектральну залежність складових загасання у світловоді, не враховувалися абсорбційні втрати у ІЧ-області, що має значення для хвиль, довших від 1,5 мкм. Згідно з цим, залежність (8), яка описує повні втрати у світловоді, набуває вигляду:
.
Спектральна модель світловодного кола для лінійного діапазону його роботи набуває вигляду:
.
З метою ідентифікації вищеописаної математичної моделі необхідно знати спектральну характеристику світловоду.
Для визначення спектральних характеристик світловодів було вибрано кварцові волокна, виготовлені у Люблінському Центрі Телекомунікаційної Техніки.
Виміри спектральних характеристик зразків були виконані в лабораторії Факультету Виробництва Світловодів Гути Скла у Слівені (Болгарія) за допомогою спектрофотометра японської фірми “Анрітсу”. Виміри проводились при вхідній потужності, рівній 26 дБ/м (2,5 мкВт); нм у діапазоні 0,6 ,05 мкм.
Спектральна характеристика волокна - залежність одиничного загасання від довжини хвилі представлена на рис. .
Рис. . Спектральна характеристика досліджуваних світловодів.
Різке зростання величини похибки для довжини хвилі в діапазоні 0,9 мкм викликане наявністю вищої гармоніки коливань резонансного іона ОН для довжини хвилі 0,95 мкм. Беручи до уваги суттєвий спад чутливості кремнієвого фотодетектора для хвиль, більших від 0,54 мкм, на практиці ці похибки не мають істотного значення.
На основі проведених досліджень розроблено реальні моделі світловодів для визначення їх оптимальних конструктивних розмірів з точки зору контролю теплових процесів згоряння; проведено геометричний аналіз світловодів та визначена числова апертура для ступінчастих світловодів - 0,26, для градієнтних світловодів - 0,20, для одномодових світловодів - 0,15; теоретично визначено та експериментально підтверджено значення міжмодової дисперсії, яка для ступінчастих світловодів складає 0 ,6 мс/км а для градієнтних світловодів - 0 ,58 мс/км, що дозволило визначити довжину світловодного трансмісійного кола, яка складає порядок 10 м; для прецизійного визначення умов трансмісії був проведений аналіз, базований на рівняннях Максвелла. Він дозволяє визначити постійну поширення і нормалізовану частоту . Визначена критична потужність для ступінчастого світловоду діаметром 200 мкм, що складає 1,6 Вт, при якій світловід забезпечує цілісність сигналу, що необхідно враховувати при проектуванні вимірювальних пристроїв. При цьому для підвищення надійності слід не перевищувати потужність більш ніж 0,8Pmax; визначені параметри моделі для лінійного світловоду, які необхідно враховувати при проектуванні вимірювальних пристроїв.
У четвертому розділі дисертації проведена оптимізація світловодних сенсорів з точки зору з’єднань із діодами LED, лазерами, широкосмуговими ламповими джерелами при поверхневому чи об’ємному джерелі полум’я.
Використовуючи теорему Ліувілля та рівняння Гамільтона, можна довести, що, якщо об’єм у фазовому просторі (приймач) для визначеної групи є постійним під час його руху у просторі, границі якого підлягають деформації, не існує жодного оптичного приладу, який міг би зменшити об’єм фазового простору без виключення пустих фазових просторів. Ця ідея полягає у тому, що коли об’єм фазового простору, що визначає приймач, є меншим від аналогічного простору джерела випромінювання, не існує такого оптичного приладу, який міг би узгодити всі фазові точки джерела з об’ємом приймача.
При під’єднанні діодів LED слід врахувати, що випромінююча поверхня є більшою від осердя світловоду, отже існують втрати на з’єднання.
З повної потужності випромінювання, що підводиться до торця світловоду з термічного джерела, використовується тільки та її частина, що міститься у променях, що падають під кутом, не більшим кута відбиття. Узгодження світловоду з термічним джерелом за допомогою лінзи є менш ефективним від безпосереднього. Узгодження перемикача зі світловодом і перемикання між двома вхідними пучками було реалізовано з ефективністю узгодження 60%, що є достатньо добрим результатом.
Розроблений оптичний перемикач на основі експериментальних результатів і даних обчислень. Встановлено, що він забезпечує малі втрати передавання (менше
за 4 дБ), котрі можуть бути зменшені до менш ніж 1 дБ для світловодних сенсорів з довжиною хвилі 830 нм; при цьому всі елементи системи мають хорошу стабільність, забезпечуючи однакові параметри для кожного з 9 вихідних пучків: виміряні швидкості перемикання складають 1,76 мс чи 33 мс (в залежності від того, на яке запізнення виставлений рідкокристалічний запізнювач). Ці величини є конкурентними порівняно з часом перемикання механічних перемикачів, причому міжканальна діафонія утримується нижчою за –20 дБ.
У п’ятому розділі дисертації проаналізовані хвилькові перетворення що забезпечують ефективне опрацювання оптичних сигналів.
Вимірювання повинні виконуватися за допомогою спроектованого і виготовленого багатоканального приладу для моніторингу процесу спалювання у промислових котлах ОР650. Це зробило можливим виконання зонних і просторових вимірювань у вигляді часових рядів, які надалі піддаються обробці на комп’ютері класу РС.
Оскільки значне місце в аналізі вимірювальних даних займає хвилькове перетворення і перетворення Фур’є, то вони описані більш детально. Хвильки розглянено з кількох сторін: як новий спосіб представлення функцій, як метод часово-частотного аналізу, або як нову технічну тему.
Дослідження процесу згоряння, проведені на електростанції “Козеніце” на блоку з потужністю 200 МВт, дозволили провести аналіз з метою опрацювання моделі зміни пульсації полум’я у вигляді інтегральних моделей, моделей авторегресії та середньої ковзання ARIMA (p,d,q).
Інтегральні моделі використовуються для нестаціонарних процесів. Виявилось, що всі проаналізовані вимірювання дозволили провести опис таких моделей, які відносно простим методом зробили можливим багатокрокові прогнози. Ці прогнози можна використовувати в якості вхідних змінних у приладах керування процесом. З точки зору змінності структури моделі потрібно було опрацювати адаптаційний алгоритм.
З точки зору обчислень алгоритм не міг працювати у реальному часі, тому моделі виду ARIMAбули використані тільки на етапі досліджень. Незважаючи на це, отримані результати підтвердили короткочасову нестаціонарність аналізованого процесу згоряння. Для ефективної обробки результатів вимірювань з метою практичного аналізу було проаналізоване і застосоване хвилькове перетворення.
Хвильковий аналіз на відміну від аналізу Фур’є застосовує апроксимуючі функції, локалізовані як за часом, так і за частотою. З цієї причини хвильки є дуже вигідними для апроксимування функції (обробки сигналів) з крутими піками і неперервностями.
Хвильки є систематичними функціями, які ділять вхідні дані на складові різної частоти, а потім аналізують кожний елемент з точністю, що відповідає шкалі обробки. З їх допомогою значно легше провести повний аналіз сигналів з крутими неперервностями, ніж традиційним методом Фур’є, хоча одночасно проводиться аналіз як за часом, так і за частотою. Це дає значно кращі можливості для розпізнання природи сигналу. Хвильки зайшли своє застосування у таких галузях: математика, квантова фізика, інженерна електрофізика, сейсмічна геологія. З допомогою хвилькового аналізу була описана компресія аудіо/відео, турбулентність, виявлення землетрусів, симуляція людського зору і багато інших явищ.
Хвильковий аналіз на противагу аналізу Фур’є не виражає досліджуваних функцій через багаточлени, а через деякі спеціальні функції - хвильки, які утворюються зі спеціальної функції, що називається материнською хвилькою, підданою багатократним трансляціям. Отримані таким чином хвильки утворюють ряд шкал. Їх
