Pilotní ověřování nákladově efektivního řízení provozu malých kotlů na biomasu

Úvod

Využití biomasy jako zdroje tepelné energie v posledních letech výrazně vzrůstá. Tento trend lze přisuzovat poklesu relativní ceny biomasy ve formě dřevních a bylinných pelet a briket, štěpky nebo celého dřeva. Dostupnost a nízká cena těchto tuhých alternativních paliv pronikla i do vytápění domácností nebo malých firem [1]. Přestože je současná právní úprava v ČR k výši emisních limitů malých zdrojů tepla poměrně benevolentní, nelze se s ohledem na celosvětový tlak na snižování emisí, spoléhat na to, že současný stav dlouhodobě vydrží. Aby bylo efektivně využito potenciálu biomasy jako paliva alternativního k fosilním zdrojům, je nutné, aby spalování probíhalo při optimálních spalovacích podmínkách s ohledem na účinnost využití energie paliva a emise škodlivých plynů [1]. Avšak právě u zmiňovaných zdrojů tepla malých výkonů je udržení optimálních spalovacích podmínek obtížné.

Problémová specifika malých zdrojů představují především:

• rychlé změny spalovacích podmínek v reakci na změnu podmínek a zásahů z vnějšku;
• málo nebo zcela nekvalifikovaná obsluha;
• není zaručená údržba tepelných výměníků a pravidelné ověřování senzorů;
• tlak na nízkou prodejní cenu těchto zařízení neumožňuje komplexní a drahé přístrojové vybavení, jako je tomu u kotlů vyšších výkonů.

Cíle a prostředky výzkumu řízení spalování

V rámci rozsáhlého spektra úkolů výzkumného záměru Rozvoj ekologicky šetrné decentralizované energetiky se autoři příspěvku zatím soustřeďují na výzkum efektivnějších možností řízení spalovacího procesu ve spojitosti s malým kotlem značky Verner. Tento standardní 25kW kotel spalující biopalivo v podobě dřevních pelet určených k topení v rodinných domech byl upraven a pro účely experimentů rozšířen o další senzoriku a možnosti realizace akčních zásahů. Cílem úprav je zlepšit sledování a řízení spalovacího procesu. Z hlediska uvažovaných záměrů je nejvýznamnější náhrada původní řídicí elektroniky vlastní měřicí a řídicí stanicí používající programovatelný automat. Tento automat lze programovat v prostředí Windows s využitím programů nabízejících přívětivé uživatelské prostředí a velkou flexibilitu v tvorbě řídicích algoritmů. Po fázi v podstatě ukončené přestavby přístrojového vybavení se výzkum zaměřuje souběžně na několik úkolů. Jejich společným základem je identifikace chování a vlastností kotle, která je nezbytná pro plánovanou tvorbu generických modelů.

V současnosti je jedním ze zajímavých zjištění vyplývajících ze získaných provozních záznamů skutečnost, že dochází k výrazným krátkodobým nárůstům emisí během periodického přikládání a roštování. Míra těchto emisních špiček závisí na výkonové hladině, v níž je kotel provozován. Od zásahů do časování a délky roštování, případně přikládání, které lze nyní prostřednictvím připojené řídicí stanice snadno realizovat, se očekává, že povede ke „zklidnění“ spalovacího procesu, po kterém bude možné kvalitněji vyhodnocovat jeho účinnost.. Mezi uvažovanými hlavními řídicími strategiemi je extremalizace účinnosti s využitím spojitosti mezi dosažení minima škodlivých emisí s maximem účinnosti. Vývoj řídicích algoritmů nelze opírat pouze o experimenty na speciálně vybaveném pilotním kotli.

Významnou úlohu má předchozí simulační příprava reálných experimentů, kterou se šetří čas a provozní náklady. Modelování chování kotle má však aktivní roli při realizaci regulačních a informačních algoritmů, které vyžadují informace o veličinách, které jsou sice na experimentálním kotli k dispozici, ale se kterými ve standardním vybavení kotle z důvodu vysoké ceny nelze počítat. Jedná se především o informace poskytované finančně a provozně náročnými analyzátory spalin, které nahrazuje kyslíková sonda pouze zčásti nebo zjištěných jiných neměřených veličin nepřímo pomocí modelu tzv. virtuálními senzory. Je zřejmé, že tyto analyzátory nebude z finančních důvodů možné ve standardní kotlích použít. Činnost autorů se tedy také soustřeďuje na hledání veličin, které by mohly být využity k odhadu hodnot zmiňovaných emisí i bez použití drahého měřicího zařízení. Zajímavou, provozně a ekonomicky významnou součástí úprav původní konfigurace kotle je jeho napojení na uzavřený oběh vody s kontaktním chladičem. Tento okruh vznikl v souvislosti s potřebou odvést mnohem větší výkon u dalšího experimentálního kotle. Napájení z vodovodní sítě a odpouštění ohřáté vody do kanalizace používané doposud i u kotle Verner u velkého kotle pochopitelně již provozně nevyhovovalo. Připojení na uzavřený oběh vody, který díky navrženému osazení regulační technikou má stabilizované podmínky cirkulace, pomohlo i u malého pilotního kotle k jednoznačné definici jeho provozních podmínek.

Popis úprav kotle pro experimenty

Obr. 1 schématicky zobrazuje konfiguraci upraveného kotle Verner používaného při experimentech s připojením ke chladicímu okruhu a vyznačením měřicích míst. Kotel byl osazen dodatečnými senzory k měření následujících veličin:

• c_CO koncentrace CO [obj. ppm] ve spalinách;
• c_O2 koncentrace O₂ [obj. %] ve spalinách, T_f teplota spalin [°C], T_e teplota spalin po průchodu prvním tepelným výměníkem [°C], T_h teplota výstupní vody [°C], T_ch teplota ve spalovací komoře [°C], T_c teplota vstupní vody [°C], T_a teplota dmýchaného vzduchu [°C].

Během experimentu je možné řídit:

• délku a periodu přikládání;
• délku a periodu roštování;
• otáčky dmychadla primárního a sekundárního vzduchu;
• roztápění zapalovací tyčí.

Původní řídicí elektronika dodávaná výrobcem společně s kotlem neumožňovala prakticky žádné zásahy do řídicího algoritmu. Bylo proto nutné vybudovat od základů nový řídicí celek, který by umožňil celkově nahradit původní řídicí elektroniku a navíc dovoloval flexibilní zásahy do řídicího algoritmu. Protože kotel kromě výzkumných účelů slouží i jako praktická pomůcka při výuce studentů, musela být funkce původní elektroniky beze změny zachována. Kotel je kdykoliv možné jednoduchým způsobem přepínat na řízení původní elektronikou a novým řídicím celkem. Ke kotli byl navržen, zkonstruován a realizován rozvaděč, obsahující technické prostředky pro řízení osazení kotle. Elektronika rozvaděče zajišťuje napájení senzorů, ochranu proti zakázaným kombinacím akčních zásahů, ochranu proti přetížení a zkratu, zajištění funkce nouzového stop. Zároveň rozvaděč zajišťuje technické požadavky měřicí a řídicí stanice RexWinLab-8000.

Měřicí a řídicí stanice RexWinLab-8000 je speciálně upravená verze řídicího automatu Wincon řady 8000. Firmware řídicího automatu je nahrazen softwarem REX Control vyvinutým na katedře kybernetiky Západočeské university v Plzni. Výhodou tohoto řídicího softwaru je možnost navrhnout řídicí algoritmus v přehledném grafickém prostředí Microsoft Windows na běžném osobní počítačí. Protože je REX Control dále vyvíjen na akademické půdě, obsahuje jeho vývojové prostředí celou řadu již hotových a odladěných pokročilých algoritmů, které pro svou složitost nebývají s běžně vyráběnými automaty dodávány. Hotový algoritmus vyvinutý v prostředí REX Control je na osobním počítači zkompilován do jazyka řídicího automatu a nahrán do jeho paměti. Automat pak vykonává řídicí algoritmus nezávisle na osobním počítači použitém k vývoji algoritmu. Pokud se stane, že ani vývojové prostředí REX Control neposkytuje dostatečné zázemí pro řídicí algoritmus připravovaného experimentu, je možné zajistit komunikaci řídicího automatu s prostředím Matlab/Simulink společnosti Mathworks. Komunikace probíhá v reálném čase pomocí sítě Ethernet. Díky prostředkům poskytovaným měřicí a řídicí stanicí RexWinLab8000 jsme schopni nasadit při experimentech prakticky jakýkoliv řídicí algoritmus a v reálném čase sledovat průběh všech veličin, které se během řízení uplatňují, v nám dobře známém prostředí Simulink.

Emisní špičky při standardním řízení spalovacího procesu

Měřením bylo zjištěno, že kotel při provozování na nominálním výkonu s původní dodávanou řídicí elektronikou a seřízením podle pokynů výrobce udržuje spalovací proces na hodnotách, které vyhovují české i evropské legislativě pro hodnocení zdrojů škodlivin i tepelné účinnosti.

Situace se však zhorší, jestliže kotel je provozován při nižším výkonu. Pak po roštování, které probíhá jednou za několik minut, dochází na krátkou dobu k rozkolísání hodnot emisí CO a NO_x (viz. obr. 2). Algoritmickými zásahy do způsobu roštování není zřejmě problém velikost těchto špiček zmenšit. Problémem je, jak tyto korekční zásahy vázat na provozní podmínky kotle. Přirozená cesta - měření koncentrace emisí ve spalinách, je neproveditelná, protože vyžaduje provozní analýzu nákladným analyzátorem plynů, což by neúnosně zvýšilo cenu celého kotle. Naše pozornost se proto soustřeďuje na nalezení zástupných veličin, ze které by bylo možné dostatečně přesně odvodit hodnoty emisí ve spalinách bez použití nákladného analyzátoru.

Modelování spalovacího procesu

Pro získání modelů spalovacích procesů probíhajících v tomto pilotním kotli a testování řídicích zásahů byly s výhodou použity neuronové sítě. Pro sestavení neuronového modelu lze použít různé typy architektur. Sestavení neuronového modelu spalovacího procesu probíhá na základě učení neuronové sítě pomocí experimentálně získaných dat z testovacího provozu kotle. Z hlediska potřeb našich výzkumných aktivit bylo třeba se zaměřit na modelování emisí CO, CO₂ a NO_x. Jako vstupy do neuronového modelu pro modelování těchto emisí byly použity teplota spalin a přiváděného vzduchu, koncentrace O₂ ve spalinách, výkon kotle a perioda přikládání paliva do kotle.

Takto získané modely emisí vznikajících při spalování biomasy byly následně testovány na reálných datech, kde prokázaly poměrně dobrou shodu s reálnými měřeními a mohou tak být použity pro simulaci vlivu navrhovaných řídících algoritmů pro optimalizaci provozu kotle [5]. Ukázka jednoho z výsledků je na obr. 3.

Instrumentace chladicího okruhu

Jak již bylo zmíněno, současně s představovanými činnostmi vázanými na upravený kotel Verner, rozšířil ústav mechaniky tekutin a energetiky experimentální zázemí laboratoře o chladicí okruh. Tento okruh byl konstruován podle originálního návrhu s použitím principu kontaktního chlazení, které si vyžádalo zařazení odplynovače. Toto originální zařízení je chráněno užitným vzorem [2].

Současně s návrhem chladicího okruhu vyvstalo několik problémů, které bylo velmi těžké posoudit z pohledu klasické návrhové analýzy pracující s procesy v ustálených stavech. Na základě předběžného návrhu chladicího okruhu byl vyvinut simulační model v prostředí Matlab/Simulink, který sloužil ke zkoumání přechodových dějů, ke kterým během provozu chladicího okruhu dochází. Na základě simulací náběhu, provozu, odstavení a poruchových stavů byl upřesněn návrh některých automatických regulačních armatur. Dále simulace ukázaly, že chladicí okruh bude nutné osadit senzory pro sledování veličin nutných pro regulaci a akčními členy pro zásahy v případě stavů, které by mohly ohrozit bezpečnost některých částí zařízení chladicího okruhu.

Závěr

Rozšířením standardního kotle o měřicí a řídicí stanici RexWinLab-8000 byla získána základna pro bezpečný a centralizovaný sběr dat a pro pohodlný a rychlý návrh a ladění řídicího algoritmu. Průběh řízení experimentu tak může být předem připraven na běžném osobním počítači a do automatu nahrán až těsně před experimentem. Zásadní akční veličinou, ovlivňující spalovací proces je množství vzduchu přiváděného do spalovací komory. Svůj významný vliv však má také poměr primárního a sekundárního vzduchu na jeho celkově přiváděném množství. Připravujeme tedy rozšíření kotle o možnost plynulého nastavování těchto poměrů a experimentální analýzu vlivu této veličiny na sledovaná kritéria spalování. Jedním z kroků, které bude nutné provést je náhrada drahého kyslíkového analyzátoru měřením některé zástupné veličiny, která by umožnila velikost škodlivých emisí odhadnout. Jednou z takových veličin by mohl být přebytek vzduchu . měřený poměrně levnou lambda sondou. K dostatečnému pochopení a popsání procesů probíhajících ve spalovací komoře bude třeba lépe zmapovat rozložení teplot v tomto prostoru. Připravujeme rozšíření kotle o možnost měření teploty ve spalovací komoře současně v několika místech a podrobnější zmapování teplotního pole ve spalovací komoře v různých provozních režimech.

Použitá literatura

• [1] Malaťák, J., Vaculík, P.: Biomasa pro výrobu energie. Česká zemědělská univerzita v Praze: 2008. ISBN: 9788021318106
• [2] ČVUT v Praze. Zařízení pro odvádění tepla z chlazeného média v energetických zařízeních. Původce vynálezu: J. Maščuch, J. Hrdlička. MPT F 28 C 1/00. Česká republika. Užitný vzor 20194. 3.11.2009.
• [3] Hrdlička J.– Hrdlička F., Verner R.: Possible Use of Energetic Plants in Small Scale Combustion. Nordic Bioenergy Conference 2005 [CD-ROM], Trondheim, Norway, 2005.
• [4] Wiinikka, H., Gebart, R.: Critical parameters for particle emissions in small-scale fixedbed combustion of wood pellets. In: Energy & Fuels, Vol 18/4 (2004), pp. 897 - 907.
• [5] Lepold, M., Plaček, V., Vrána, S., Šulc, B.: Neural Model of Biomass Fired Boiler Emission Changes Caused by Grate Motion. In: sborník konference ARTEP 2009. Košice, 2009. p. 83/1-83/8. ISBN 978-80-553-0146-4.

Článek byl zveřejněn ve sborníku konference Energetika a biomasa 2010.

Tweet

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu

Biometan se vyplatí a má budoucnost