Kontrola regulacije razmernika zraka z uporabo kisikove sonde Glogovac B., Kolenko T., Koroušič B., Rus F. UDK: 621.78.019.2 ASM/SLA: W27n Eden od učinkovitih načinov za racionalno porabo primarne energije je optimizacija regulacije razmernika zraka. Razmernik zraka je odnos med dejansko porabljeno količino zraka in teoretično potrebno količino za popolno zgorevanje goriva. Vsako odstopanje razmernika zraka od optimalne vrednosti pomeni izgubo primarne energije oziroma neopravičeno visoko specifično porabo. Vedno strožje zahteve po racionalni porabi primarne energije je možno doseči samo, če sta dovolj razvita tehnika merjenja in sistem testiranja. 1. MERJENJE PRETOKA PLINA IN ZRAKA Za računalniško kontrolo in vodenje procesa so potrebne informacije o procesu. Te informacije dobimo v obliki merilnih signalov. Pri fizikalnih veličinah, ki jih ne moremo meriti direktno, uporabljamo indirektne metode, ki bazirajo na funkcionalni matematični povezavi med veličino, ki jo želimo meriti, in veličino, ki je meritvi dostopna. V primeru merjenja količine plina in zraka v večini primerov računamo pretok iz merjene vrednosti diferenčnega tlaka Ap na merilnih zaslonkah po enačbi: Vn = 0,39986 ■ a ■ m • D2 • • k, • kp • kf (1) v enačbi (1) je: ' Pn D premer cevi (cm) Ap - diferenčni tlak na merilni zaslonki (Pa) i/i + —i— \ 0,804 + f p„ a — pretočno število m — razmerje presekov zaslonke in cevi T — temperatura (K) n — indeks za normalne pogoje (1,013 105 Pa, 273 K) V„ — pretok v normalnih pogojih (mVh) pn — gostota plina ali zraka (kg/m1) f — vlaga v plinu ali zraku (kg/m3) Znano je, da se parametri, za katere je izračunana merilna zaslonka, spreminjajo in da večina meritev pretoka plina in zraka nima vrednostno izmerjene avtomatske korekcije, glede na spremembe tlaka, temperature, vlažnosti in gostote medija. Zato je potrebna dodatna kontrola razmernika zraka preko analize dimnih plinov. V praksi se pogosto zadovoljimo z merjenjem ene ali dveh komponent (C02, CO ali O,) in iz teh vrednosti ocenjujemo pogoje zgorevanja in delovanja regulacije. Pri analizi dimnih plinov je v zadnjem času z razvojem ZrO: kisikove sonde dosežen velik napredek. Merjenje vpl. % 02 lahko poteka brez odsesavanja vzorca plina z visoko natančnostjo in hitrim odzivom (< 1 sek). 2. IZRAČUN PARAMETROV ZGOREVANJA 2.1 Zgorevanje mazuta Za izračun z matematičnim modelom zgorevanja je uporabljena naslednja sestava mazuta: C = 84,00 %, H = 11,60 %, S = 0,80 %, pepel =1,10% in vlaga = 2,50 %. Kurilnost mazuta, izračunana iz sestave, znaša: Hsp = 42592,32 kJ/kg Kisik, potreben za stehiometrično zgorevanje: On = 2,22 mVkg Zrak, potreben za stehiometrično zgorevanje: Zn= 10,60 mVkg Minimalna količina dimnih plinov (n= 1,0): V„= 11,30 mVkg Odvisnost vol. % O, v dimnih plinih od razmernika zraka je prikazana na si. 1 2.2 Zgorevanje zemeljskega plina Za izračun z matematičnim modelom zgorevanja je uporabljena naslednja sestava zemeljskega plina: CH4 = 93,54 %, C2H6 = 2,82 %, CjHg = 0,76 %, C4HIO = 0,25 %, C5H|2 = 0,07 %, C6H|4 = 0,05 %, N2 = 2,21 %, C02 = 0,30 %. Iz dane sestave izračunana kurilnost plina znaša: Hsp = 36499,62 kJ/m3 (Vn). Kisik, potreben za stehiometrično zgorevanje: On = 2,03 m3/m3 Zrak, potreben za stehiometrično zgorevanje: Z„ = 9,73 m3/m3 Minimalna količina dimnih plinov pri stehiometri-čnem zgorevanju: Vn= 10,89 m3/m3 Odvisnost vol. % 02 v dimnih plinih od razmernika zraka je prikazana na si. 1 -Hln(E2i) zF Vpoi/ (2) Poj. V enačbi (2) pomenijo: E — elektromotorska napetost (V) F — Faradayeva konstanta (J/mol K) (za R — plinska konstanta (J/mol K) T — absolutna temperatura (K) z — število elektronov (02-F 4e = 2 O2-, z = 4) p0; — parcialni tlak kisika referenčne elektrode zrak pG; = 0,209 bar) Po,1 — parcialni tlak kisika, ki ga merimo (bar) Kot referenčni plin se pri meritvah kisika v dimnih plinih uporablja zrak. Tako dobimo odvisnost med E, T in p0;: E = 0,0496.T.log(^) V Po? / log p0;= -0,679-20,167- (3) (4) Zunanja Pt-elektroda Kisikove praznine A Notranja Pt -elektroda Zračna atmosfera (20.9 %0j) 0i~20=*4e f.............' VodnikTdo DC-votti o 6 6 i 0' » 8 O O O i • • O O Rečna atmosfera (nizki 7.02) 20"»4e-0j stabilizirani ZrOj elektrolit 1,20 1,30 U 0 1,50 -»-n (razmernik zraka ) Slika 1 Odvisnost vol. % O2 v dimnih plinih od razmernika zraka za podane sestave zemeljskega plina in mazuta Fig. I Relationship betvveen the volum. % of oxygen in flue gases and the air ratio for given compositions of natural gas and heavy fuel oil. 3. OPIS METODE MERJENJA KISIKA V DIMNIH PLINIH Pri visokih temperaturah v cirkonovem oksidu, ki je stabiliziran s CaO, zaradi vrzeli v kisikovi podmreži nastopa velika mobilnost ionov. Pod vplivom temperature se pozicije praznih mest lahko spremenijo od ene do druge točke mreže^ kljub temu da statistično ostajajo v istem razmerju. Ce ima trdni elektrolit sorazmerno majhno debelino (reda velikosti nekaj mm) in če je obkrožen z dvema plinskima medijema različnih koncentracij kisika, se zasedba prostega mesta na strani z večjo koncentracijo kisika kompenzira z izstopanjem kisika na nasprotni strani (si. 2). Tako nastopa tok ionov kisika. Če na obeh straneh trdnega elektrolita uporabimo dve elektrodi, dobimo diferenco potenciala. Na si. 2 je prikazana shema kisikove sonde. Cev iz stabiliziranega Zr02 oksida ima dve elektrodi iz porozne platine. Zunanja elektroda je v kontaktu s plinom, ko ga kontroliramo skozi odprtino v zaščitni cevi. Notranja elektroda je v kontaktu z zrakom, ki ima 20,9 % O,. Med elektrodami nastane potencial: Slika 2 Shema kisikove sonde Fig. 2 Scheme of oxygen probe. 4 REZULTATI MERITEV Meritve smo izvajali z visokotemperaturno plinsko kisikovo sondo, firme »Programmelectronic«, ki je prikazana na si. 3. Sonda se vgradi direktno v peč, tako da je merilna celica iz stabiliziranega ZrO: oksida v stalnem kontaktu z atmosfero peči in ni potrebno odsesa-vanje vzorca plina. Tako sonda meri vol. % 02 v vlažnih dimnih plinih pri dejanskih pogojih v peči. Skupaj z merilno celico je v sondo vgrajen termoelement PtRh-Pt, ki v povezavi z mikroprocesorjem omogoča izračun trenutne vrednosti kisika v dimnih plinih po enačbi 4. Slaba stran sonde je občutljivost na termične šoke in zahteve po dobri izolaciji priključne glave na merilnem mestu v steni peči. Zaradi visoke točnosti in hitrega odziva izmerjene vrednosti se je sonda pokazala zelo uporabna za kontrolo delovanja regulacije. Primer uporabe sonde v ogrevni coni valjarniške peči z dvižnimi mizami pri storilnosti peči ca. 18 t/h kaže si. 4. Na sliki so prikazane registrirane vrednosti temperature sonde v K in vol. % 02 v vlažnih dimnih plinih. Iz rezultatov meritev je razvidno, da v tem primeru pri spreminjanju toplotne obremenitve cone (Q) regulacija deluje nestabilno. V kratkih časovnih intervalih se pri spremembah porabe plina poruši razmerje zrak/plin, kar ima lahko številne negativne posledice. Z izračuni in rezultati meritev smo ugotovili, da je v tem primeru glede na tlačne razmere potrebno uskladiti pretočne karakteristike loput v zračnem in plinskem vodu. Na si. 5 je prikazan primer delovanja regulacije razmernika zraka v ogrevni coni podobne peči, ko so dimenzije loput in pretočne karakteristike glede na tlačne razmere medijev dobro izbrane. Nestabilnosti v sistemu regulacije ni. V nobenem primeru se ne pojavlja reduktivna atmosfera in dolg plamen, matsko regulacijo zagotoviti v nivoju vložka vsaj minimalni nadtlak v peči 0,05 mbar. Razen drugih številnih prednosti regulacije vleka dimnih plinov je to tudi pogoj za uspešno uporabo kisi-kove sonde pri kontroli delovanja regulacije razmerni-ka zraka. Slika 5 Rezultati meritev vol. % O2 v ogrevni coni in Ap na merilnih zaslonkah (20 % .. .O Pa, 100 % .. .980,67 Pa) Fig. 5 Results of measurements of volum. % of oxygen in the heating zone, and Ap on measuring orifices (20 %.. .O Pa, 100 % .. .980,67 Pa). 5. ZAKLJUČKI Z matematičnim modelom zgorevanja in z rezultati meritev vol. % 0: v vlažnih dimnih plinih z visokotem-peraturno plinsko kisikovo sondo na bazi stabiliziranega cirkonovega oksida je analizirano delovanje regulacije razmernika zraka na valjarniških ogrevnih pečeh. Pokazalo se je, da kontinuirna meritev vsebnosti kisika v dimnih plinih s hitrim odzivom pomeni velik napredek v optimizaciji regulacije razmernika zraka. Pri maksimalni toplotni obremenitvi peči, ko je v peči nadtlak, lahko na podlagi meritev vsebnosti kisika v dimnih plinih in rezultatov izračuna parametrov zgorevanja z matematičnim modelom določimo dejanski razmernik zraka na gorilniku in kontroliramo natančnost meritev pretokov plina in zraka. Rezultati meritev kažejo, da je v tej fazi ogrevanja zgorevanje zemeljskega plina oziroma mešanice zemeljski plin-zrak potekalo z razmernikom zraka, ki je zelo blizu optimalni vrednosti glede na porabo energije. V večini primerov pri starih pečeh nastopajo problemi v regulaciji razmernika zraka pri minimalni toplotni obremenitvi peči. Zaradi podtlaka v peči pride do nasesavanja sekundarnega zraka in sonda registrira skupni kisik, ki je večji od realnega. Za pravilno interpretacijo rezultatov meritev s kisikovo sondo, pri kontroli in korekciji regulacije razmernika zraka je potrebno z avtomatsko regulacijo vleka dimnih plinov zagotoviti vsaj minimalni nadtlak v peči v vseh fazah ogrevanja vložka. Slika 3 Kisikova sonda za meritve v temperaturnem področju 900-1500 "C Fig. 3 Oxygen probe for measurements in the 900 to 1500°C interval. Čas (min) —— Slika 4 Rezultati meritev vol. % O2 v ogrevni coni pri ogrevanju z zemeljskim plinom Fig. 4 Results of measurements of volum. % of oxygen in the heating zone at heating with natural gas. tako da pri tej stabilni regulaciji ni nevarnosti za poškodbo sonde. Problemi pri regulaciji razmernika zraka se pojavljajo pri starih pečeh z neurejeno regulacijo tlaka v peči, pri zmanjšani toplotni obremenitvi cone, ko vsebnost kisika v dimnih plinih narašča zaradi podtlaka v peči in nasesavanja sekundarnega zraka. Z ureditvijo funkcionalnosti in pretočnih karakteristik zasunov oziroma loput na strani dimnih plinov je potrebno z avto- Literatura 1. Koroušič B., Glogovac B.: Kontrola plinske atmosfere z direktnim merjenjem parcialnega tlaka kisika s kisikovo sondo, Rudarsko metalurški zbornik, vol. 26, št. 1 (1979), 49-58 2. Kolenko T., Glogovac B., Strah J., Miklavc M.: Analiza ogrevanja Ofag peči, kurjene s plinskim gorivom, Poročilo Met. inštituta v Ljubljani, 1983 3. Woelk G., Uetz G.: Fuhrung von Warmeanlagen mit Prozessrechnern Gas vvarme international 33 (1984) Heft 6/7, 322-326 4. Glogovac B., Koroušič B., Jagodic A., Kolenko T. Rus F., Šranc J., Logar V., Veber Z.: Aplikacija plinske kisikove sonde na kontrolo procesa zgorevanja v pečeh, Poročilo Met. inštituta v Ljubljani, 1983 5. Glogovac B., Hribar K., Kolenko T., Finžgar D., Sekloča P., Tolar R.: Možnosti izboljšanja regulacije zgorevanja na po-dajalni peči, Poročilo Met. inštituta v Ljubljani, 1984 Mit der Einfiihrung der Hochtemperatursauerstoffmess-sonde auf der Basis von Stabilisiertem Zirkonoxid (ZrO:) in das System der Kontrole der warmetechnischen Prozesse ist ein grosser Fortschritt erreicht worden. Die Moglichkeit der Kontinuirlichen Messung des Sauerstoffvolumenanteiles in feuchten Abgasen ohne Absaugung von Gasproben und mit der Erwiderung in realer Zeit macht eine gute Kontrolle der VVirkung der Regelung des Luftverhaltnisses moglich. Die Messungen haben sehr niitzliche Informationen iiber die Wir-kung des Regelungssystemes bei versehiedenen Phasen des Er-\varmungsprozesses ergeben. Bei niedrigen Warmebeauspru-chungen des Ofens hat sich eine Optimierung der VVirkung der automatisehen Ofenraum- Druckregelung als notig ervviesen. Introduction of high-temperature oxygen probe with stabi-lized zirconia into the system of controlling thermal processes represents a great step forvvard. Availability of continuous measurements of volume percentage of oxygen in wet flue gases without sucking the gas samples and vvith in the re-sponse in real tirne enables the quality control of air-ratio re- gulation. The measurements gave useful informations on the operation of the regulation system in various phases of heat-ing. At low thermal loads of the furnace a need appeared to optimize the operation of automatic regulation of pressure in the furnace. 3AKJ1FOMEHME C bbenehhem Bbic0K0Te\inepaTypH0r0 KMCJiopoaHoro 30h-aa Ha 6a3e CTa6Mjin3HpoBaHHoro uHpKOHHeBoro oKHca (ZrCh) b CHCTeM kohtpojiu TenjiOBbix TexHHMecKHx npoueccoB no-CTHrHyT 3HaHHTejibHbiH nporpecc. MMeiouiHe b pacnopa>KeHHH HenpepbiBHbie o6i.eMHbie H3-MepeHHH % o2 b BJta>KHbix itbiMOBbix ra3ax 6e3 OTCacbtBaHHa o6paxua ra3a h npw B03pa>KeHHH b peajibHOM BpeMeHH no3Ba- jihiot BbinOJIHHTb KaHeCTBeHHyiO npOBepKy UeHCTBHH COOTHO-uieHna B03iiyxa. H3MepeHHa aajiH nojie3Hbie nH