Выбросы оксидов азота на ТЭС

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический Университет»

Реферат

Выбросы оксидов азота на ТЭС

Выполнил:

Кочемаскин Е.А.

Томск 2013

Содержание

1. Основные закономерности процесса горения

1.1 Газовое топливо

1.2 Жидкое топливо

1.3 Твёрдое топливо

1.4 Выбросы оксидов азота

1.5 Возможные пути сокращения выбросов

2. Технические решения

2.1 Мониторинг

2.2 «Белые ящики», «Чёрные ящики» и «Серые ящики»

Вывод

Список литературы

Введение

Настало время, когда вопросы охраны окружающей природной среды выдвигаются на первый план среди общечеловеческих ценностей. От успешного решения этих вопросов зависит не только здоровье и благополучие нынешнего и будущего поколений людей, но и развитие цивилизации, и существование самого человечества. Уже сейчас темп и масштабы антропогенного воздействия превышают адаптационные возможности биосферы и поэтому происходят необратимые процессы в природе, приводящие к экологическим катастрофам. Одним из основных источников вредного воздействия на окружающую среду являются энергетические предприятия, а среди них доминирующую роль занимают тепловые электрические станции.

Наиболее распространенными экологически опасными выбросами от ТЭС являются оксиды азота NO_x, которые образуются при сжигании любого вида топлива. Количество образующихся и выбрасываемых в атмосферу NO_x зависит от многих факторов: вида топлива, способов организации топочного процесса и очистки уходящих газов. Существуют режимно-технологические методы снижения выбросов NO_x, направленные на подавление образования оксидов азота в топках котла и включающие в себя ступенчатое сжигание, нестехиометрическое сжигание, рециркуляцию дымовых газов, впрыск влаги и др. Однако это не означает что «вопрос закрыт». Применяемые методы подавления образующихся при горении оксидов азота могут привести к увеличению образования значительно более токсичных веществ - полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и, в частности, бензапирена.

Поэтому необходимо дальнейшее изучение источников и закономерностей вредного воздействия, усовершенствование методов позволяющих минимизировать выбросы вредных веществ без существенных потерь в эффективности и надежности работы котельных установок и с минимальными затратами на реконструкцию на различных видах топлива. В этой работе рассмотрены основные закономерности и уже существующие методы снижения выбросов вредных веществ. Основное внимание уделено оксидам азота, которые образуются при сжигании любого вида топлива и являются наиболее распространенными и экологически опасными выбросами от ТЭС.

Существующие технологические методы сокращения эмиссии NO_x, разработаны на основе анализа закономерностей образования и разложения оксидов азота, опробованы при сжигании большинства видов органического топлива: природного газа, каменных и бурых углей и т.д. Реализация разработанных методов осуществлена на котлах различной мощности: от промышленных котлов среднего давления до современных паровых котлов высокого давления. Помимо технологических методов, не менее важным способом снижения выбросов оксидов азота является оптимизация процесса горения. Эффективность горения определяется в основном соотношением воздуха и топлива, а также надлежащим распространением воздуха внутри котла. Поэтому выбор оптимального баланса между топливом и воздухом является определяющим фактором в отношении минимизации выбросов NO_x и повышении эффективности процесса горения.

1. Основные закономерности процесса горения

1.1 Газовое топливо

При горении топливо и воздух смешиваются и вступают в химическую реакцию с одновременным выделением большого количества тепла. В зависимости от типа смешения осуществляется горение предварительно перемешанной или предварительно не перемешанной смесей. Кроме того, в зависимости от типа потока факелы подразделяются на турбулентный и ламинарный. оксид азот электрический горение

В ламинарных факелах предварительно перемешанной смеси топливо и окислитель смешиваются до начала горения при ламинарном потоке. Предварительно перемешанные смеси топлива и воздуха характеризуются величиной коэффициента избытка воздуха а, в соответствии с которым можно выделить богатые (а < 1), стехиометрические (а = 1) и бедные (а > 1) смеси. Распространение свободного плоского ламинарного пламени в сторону свежей смеси определяется скоростью ламинарного горения. Скорость горения зависит только от состава смеси (значения а), давления и начальной температуры несгоревшей смеси. Если скорость ламинарного горения плоского пламени меньше скорости потока несгоревшей свежей смеси, то пламя сдувается.

В ламинарных факелах предварительно не перемешанной смеси топливо и воздух смешиваются между собой во время процесса горения при ламинарном потоке. Факелы с предварительно не перемешанной смесью имеют более сложные химические реакции, чем факелы с предварительным смешением, так как коэффициент избытка воздуха, а изменяется у них от нуля (чистое топливо) до бесконечности (чистый воздух). Топливо и окислитель диффундируют к фронту пламени благодаря градиентам концентраций, обусловленным химическими реакциями. Фронт пламени не может распространяться в сторону топлива без окислителя или в сторону окислителя без топлива. В результате фронт пламени находится на границе раздела топливо-воздух (в зоне стехиометрической смеси и максимальной температуры). В отличие от факела с предварительно перемешанной смесью, в этом случае фронт пламени не распространяется самопроизвольно в сторону свежей смеси.

В турбулентном факеле предварительно перемешанной смеси фронт пламени может распространяться в турбулентный поток. Даже при небольшой интенсивности турбулентности формируются искривленные фронты ламинарного пламени. В этом случае турбулентное пламя можно рассматривать как ансамбль ламинарных микроочагов пламени. Несмотря на определенные преимущества, сжигание предварительно перемешанных смесей в технике широко не применяется из-за опасности самовоспламенения и взрывов.

Турбулентные факелы с предварительно не перемешанной смесью наиболее распространены в практике горения (в горелках промышленных и энергетических котлов), когда топливо и воздух смешиваются непосредственно в топочных камерах. Эти факелы называют также диффузионными, поскольку диффузия топлива и воздуха в зону горения является более медленным процессом по сравнению со скоростью химических реакций и динамические параметры пламени определяются диффузией. Турбулентные факелы можно в самом общем виде рассматривать как случайную совокупность большого количества ламинарных очагов пламени.

1.2 Жидкое топливо

Жидкие котельные топлива являются продуктами перегонки нефти и состоят из компонентов с разными температурами кипения. При нагревании вначале испаряются легкие жидкие фракции, затем фракции с более высокой температурой кипения. В результате остается твердая часть, содержащая коксовый остаток и золу. Горение жидких топлив связано с изменением фазового состояния и наличием границ раздела сред. Жидкое топливо впрыскивается в газовоздушный поток, в котором происходит горение. Турбулентные колебания тонкой пленки жидкости, создаваемой форсункой, вызывают ее распад и превращение в плотное облако капель, поступающих в зону горения. Подвод тепла к каплям приводит к испарению топлива в газовую среду и началу горения в газовой фазе. Вокруг капель образуется пламя предварительно не перемешанной смеси паров жидкости.

Горение мазутного факела можно рассматривать, как горение множества отдельных капель. Различают три фазы горения капли: прогрев до температуры кипения, испарение топлива в газовую фазу с образованием горючей смеси и собственно горение, когда предварительно не перемешанная смесь воспламеняется и горит вокруг капли (диаметр капли при этом уменьшается во времени пропорционально квадрату диаметра капли).

1.3 Твёрдое топливо

Горение угля (твердого топлива) является еще более сложным процессом. Уголь представляет собой смесь неоднородных химических соединений с весьма сложной структурой. Он содержит летучие и нелетучие горючие соединения, а также негорючие соединения, образующие золу. При горении угля можно выделить три стадии процесса: пиролиз угля, в результате которого из угля выделяются летучие соединения и образуется содержащий значительное количество углерода и золу твердый продукт - полукокс; горение летучих соединений и горение кокса.

Пиролиз угля (термический распад и дегазация) происходит при температуре выше 600 К с образованием полукокса, гудрона и летучих компонентов. Пиролиз зависит от многих физико-химических процессов и характеристик угля. Летучие соединения образуются путем выделения функциональных групп, которые затем образуют СН₄, Н₂, СО, НСN и др. Разрыв химических связей в угле приводит к образованию фрагментов, способных к образованию гудронов. Эти процессы сопровождаются диффузией летучих компонентов к поверхности частиц угля, где они испаряются и сгорают. Горение летучих происходит в газовой фазе. Процессы, которые при этом происходят (испарение, диффузия в газовую фазу и горение), аналогичны процессам, происходящим при горении капли.

1.4 Выбросы оксидов азота

Детально проанализированы закономерности образования оксидов азота при сжигании различных видов органических топлив, используемые при математическом моделировании процесса. Выбросы оксидов азота состоят в основном из монооксида азота NO, а также в меньших концентрациях содержат диоксид азота NO₂ и закись азота N₂O. В ламинарном пламени (на молекулярном уровне это можно отнести и к турбулентному пламени) образование оксидов азота является результатом четырёх отдельных химических процессов с разной кинетикой: термическое, «быстрое» и топливное окисления, а также процесс восстановления.

Термическое окисление представляет собой окисление атмосферного азота, присутствующего в воздухе.

«Быстрое» окисление - результат высокоскоростных реакций во фронте горения.

Топливное окисление связано с атомами азота, входящими в состав топлива. В процессе восстановления общий выход окислов азота понижается за счёт реакции NO с углеводородами.

Для определения эмиссии оксидов азота следует рассмотреть уравнения переноса для концентрации монооксида азота (NO). Если источником азота является топливо, то вводится дополнительное уравнение переноса для промежуточных продуктов реакции (НСN или NН₃). Уравнения переноса для оксидов азота решаются, основываясь на заданном поле течения и математическом описании процесса горения, т. е. выход оксидов азота определяется, исходя из результатов детального расчета самого процесса горения. Например, при температурах пламени свыше 2200 К, каждое последующее увеличение температуры на 90 К ускоряет термическое окисление азота в два раза. По возможности необходимо также учитывать факторы турбулентности, радиационного теплообмена и химической кинетики. Получаемые результаты будут точны лишь настолько, насколько достоверны исходные данные в сочетании с адекватно подобранной физической моделью процесса горения. Точное прогнозирование количества образующихся оксидов азота в конкретном топочном устройстве позволяет сэкономить на лабораторных тестах и промышленных испытаниях, сократить отдельные этапы проектирования и в то же время разнообразить возможные варианты технических решений при разработке новых устройств, обеспечивающих оптимальные условия горения.

Для описания процесса рассматривается уравнение переноса массы для NO с учётом конвекции, диффузии, образования и поглощения. Такой подход является общепринятым и опирается на фундаментальный физический закон сохранения массы. Термическое и «быстрое» окисления описываются одним уравнением переноса для NO:

У топливного окисления механизм более сложный. Его описание требует учета промежуточных азотсодержащих продуктов химических реакций (уравнения переноса для НСN и NН₃):

где Y - массовые доли НСN, NH₃ и N0 в газовой фазе, S - показатели выхода продуктов в химических реакциях.

Термическое окисление определяется последовательностью температурно- обусловленных химических реакций, известных как обобщённый механизм Зельдовича. Две основных реакции, определяющих термическое окисление атмосферного азота, имеют следующий вид:

O + N₂ N + NO

N + О₂ О + NO

Существует еще одна реакция, относящаяся к процессу термического окисления, которая особенно эффективна в условиях, близких к стехиометрическим, а также в смесях с недостатком воздуха (богатых смесях):

N + ОН Н + NO

Таким образом, результирующая скорость образования NO посредством реакций (4-6) записывается в следующем виде:

Константы скоростей реакций при термическом окислении для реакций (4-6) были измерены в многочисленных экспериментальных исследованиях и найдены формулы для расчёта коэффициентов скорости этих реакций.

Скорость окисления азота имеет значительную величину лишь при высоких температурах (выше 1800 К), так как вступление азота в реакцию требует разрыва прочной тройной связи в молекуле N₂ (энергия диссоциации 941 кДж/гмоль). Этим эффектом обусловлена высокая энергия активации для реакции (4), что делает её лимитирующей стадией обобщённого механизма Зельдовича. Энергия активации для окисления атомов N напротив невелика. При достаточном количестве кислорода скорость поглощения свободного азота равна скорости его образования, что приводит систему в квазистационарное состояние. Следовательно, скорость образования NO можно выразить как

Из уравнения вытекает, что скорость образования NO растет с увеличением концентрации кислорода, а термическое окисление, сильно зависящее от температуры, не связано с разновидностью сжигаемого топлива.

Известно, что при горении углеводородного топлива образование оксидов азота может проходить быстрее, чем прямое окисление молекул азота кислородом (т.е. термическое окисление). Альтернативный быстропротекающий процесс, ведущий к образованию оксидов азота, получил свое название: «быстрое» окисление азота. Имеющиеся данные свидетельствуют о существенном вкладе именно этого механизма в общий выход для некоторых режимов горения -- таких как горение при низкой температуре, с недостатком воздуха, с интенсивной конвекцией (коротким временем индукции). Такие условия могут возникать также в устройствах открытого сжигания, при ступенчатом сжигании, в газовых турбинах и др.

«Быстрое» окисление, как составляющая часть общего выхода NO_x, наиболее интенсивно проявляет себя в обогащенном топливом пламени. Такой процесс представляет собой сложную серию реакций с образованием многочисленных возможных промежуточных соединений. Основным в этом химическом каскаде принято считать следующий путь:

СН + N₂ HCN + N

N + O₂ NO + O

НCN + ОН CN + H₂O

СN + O₂ NO + CO

Таким образом, участие в «быстром» окислении приписывается целому ряду соединений, порождаемых при фрагментации углеводородного топлива (например, СН, СН₂, С, С₂Н), однако основной вклад обеспечивает СН, а также СН₂ - через реакцию

СН₂ + N₂ HCN + NH

«Быстрое» окисление пропорционально числу атомов углерода, находящихся в единице объёма, и не зависит от разновидности углеводорода предшественника. Количество образующегося НСN возрастает с концентрацией углеводородных радикалов, которая, в свою очередь, увеличивается с уменьшением коэффициента избытка воздуха. По мере уменьшения коэффициента избытка воздуха, выход «быстрого» NO_x сначала возрастает, затем проходит пик, и наконец, идёт на спад в связи с нехваткой кислорода. При этом реакция (9) является основополагающей в химическом каскаде (9-14).

На ранних стадиях формирования пламени, когда «быстрое» окисление проходит в условиях недостатка воздуха и концентрация атомарного кислорода высока, то радикал N расходуется почти исключительно на образование NO (а не N₂). Поэтому итоговая скорость «быстрого» окисления будет приближённо равна скорости суммарной реакции образования NO:

Установлено, что выход «быстрых» NO_x имеет первый порядок по отношению к концентрациям азота и топлива, в то время как порядок реакции по кислороду зависит от условий процесса горения (0<=a<=1).

Известно, что азотсодержащие органические соединения, присутствующие в жидком и твёрдом ископаемом топливе, могут служить дополнительным источником азота, окисляемого в процессе горения. Учитывать вклад азота топлива особенно важно для топочного мазута и угля, содержание азота в которых составляет 0.3-2% массы. Исследования показали, что большая часть азота в тяжёлых нефтяных фракциях (и, по всей вероятности, в угле) входит в состав гетероциклических соединений. Важнейшими из этих соединений являются пиридин, хинолин, гетероциклические амины.

Степень перехода азота топлива в NO_x (химические пути окисления) зависит от локальных характеристик горения и исходной концентрации азотсодержащих соединений, которые превращаются в газообразную фазу при нагреве капелек или частиц топлива на стадии удаления летучих компонентов. При термическом разложении этих соединений (анилин, пиридин, пирролы и т.д.) в зоне реакции образуются свободные радикалы, такие как НСN, NН₃, N, СN и NH, которые могут быть преобразованы в NO_x. Свободные радикалы (т.е. вторичные промежуточные соединения азота) вступают в реакции по двум конкурирующим направлениям:

Азот топлива промежуточные соединения

Азотсодержащие промежуточные продукты классифицируются как НСN либо NH₃. Механизмы окисления азота газообразного и жидкого топлива имеют разную физическую основу, но одни и те же химические пути.

При окислении азота, входящего в состав угля, предполагается, что азот содержат как летучие компоненты угля, так и полукокс. Нет оснований считать, что азот распределён между летучими и полукоксом равномерно, поэтому в расчётах его содержание во фракциях угля задаётся разными величинами.

Соотношения между скоростью образования NO_x, температурой и концентрациями веществ сильно нелинейны. Следовательно, при прогнозировании средних значений выбросов NO_x использование в какой-либо модели усреднённых по времени значений температуры и состава топлива приведёт к существенным ошибкам. Поэтому следует учитывать в расчётах флуктуации температуры и состава (концентрации) вещества, используя их вероятностные характеристики.

Результаты проведенных теоретических исследований позволяют оценить возможности снижения образования оксидов азота за счет изменения технологических параметров процесса горения и конструктивных характеристик топочно-горелочных устройств.

1.5 Возможные пути сокращения выбросов

Вследствие высокой энергии активации реакций термического образования NO, снижение максимальных температур в зоне горения будет способствовать уменьшению образования монооксида азота. В струйных факелах предварительно не перемешанной смеси излучение от факела, которое снижает максимальную температуру, оказывает сильное воздействие на образование NO. Поэтому возможными путями сокращения выбросов оксидов азота являются: снижение теплонапряжения зоны активного горения за счет увеличения геометрических размеров поперечного сечения топочной камеры и числа ярусов горелок, увеличения расстояния между ярусами, установки двусветных экранов, более свободное размещение горелочных устройств, снижение температуры подогрева воздуха на горение, ввод дымовых газов рециркуляции и др.

Весьма эффективным способом снижения образования NO_x является использование технологии двухступенчатого сжигания, когда на первой стадии для организации процесса горения создаются условия, типичные для богатой смеси (а0.7), чтобы образовывалось минимальное количество соединений типа NO_x + НСN + NН₃. Затем на второй стадии создаются условия обогащения смеси воздухом для получения стехиометрических или близких к ним условий горения. Если на первой стадии образование оксидов азота затруднено из-за отсутствия свободного кислорода, то на второй - вследствие более низкого уровня температур в факеле и высокого содержания инертных продуктов сгорания. Ступенчатое сжигание снижает образование как термических, так и топливных оксидов азота, что очень важно при сжигании топлив, содержащих в своей горючей массе азот. Впоследствии можно использовать третью стадию горения, осуществив ввод дополнительного топлива, и уменьшить содержание NO за счет реакций типа: NO + СН = продукты.

Низкий выход NO_x можно достичь также при сжигании обедненных смесей с высоким коэффициентом избытка воздуха а. При увеличении коэффициента избытка воздуха температура пламени снижается и образование оксидов азота уменьшается. Однако уменьшается и скорость превращения СО в СO₂. Таким образом, существует верхняя граница для величины коэффициента избытка воздуха.

Другим препятствием к увеличению, а является появление значительного шума и вибраций в камерах горения. При увеличении коэффициента избытка воздуха скорость распространения пламени уменьшается. Колебания давления в камере, происходящие в зоне звуковых частот, приводят к нестабильности химических реакций и тепловыделения, усиливая тем самым флуктуации давления.

2. Технические решения

Очевидно существует зависимость концентрации NO_x в дымовых газах от основных параметров работы котлов. В качестве примера на рис. 1 показаны результаты опытов на котле БКЗ-210-140Ф при изменении коэффициента избытка воздуха за пароперегревателем а_пп от 1,01 до 1,21 при сниженной нагрузке. Экспериментальные результаты полностью соответствуют представлениям о механизме образования термических оксидов азота, рассмотренных в предыдущей главе: повышение температуры и содержания О₂ в ядре горения приводят к увеличению скорости образования NO_x.

Рис. 1. Зависимость выбросов СО и NO₂ от коэффициента избытка воздуха

Анализ механизма образования термических NO_x, а также проведенные промышленные исследования показали, что при значительном отклонении от оптимального избытка воздуха концентрация NО_х снижается. При уменьшении коэффициента избытка воздуха скорость термического окисления азота снижается из-за уменьшения концентрации кислорода, а при значительном увеличении уменьшается максимальная температура в ядре горения, что также снижает скорость образования термических NO_x. Применение в отдельности каждого из этих методов на промышленных и энергетических котлах допустимо только в очень узком диапазоне, так как существенное снижение ведет к появлению СО - продукта неполного сгорания, а повышение сверх оптимального значения увеличивает потери с уходящими газами, т. е. снижает КПД котла.

Но существует ещё путь (который уже упоминался выше) - объединение двух первых методов, т.е. работа части горелок с недостатком, а другой части горелок - с избытком воздуха. Этот метод, получил название «нестехиометрическое сжигание».

Так же можно снизить концентрацию кислорода без уменьшения его общего количества. Это возможно за счет подачи (принудительной рециркуляции) инертных продуктов (например, СO₂) в ядро горения. Результаты внедрения такой схемы (на котле ДЕ-25-14 ГМ) приведены на (рис. 2)

Рисунок 2

Как видно из рисунка, без рециркуляции (r = 0 %) концентрация NO_x составляла 220-240 мг/м³, а минимальный избыток воздуха, при котором содержание СО оставалось на допустимом уровне, соответствовал O₂=4,0% a=1,235. При подаче через горелку газов рециркуляции (г = 5 %) концентрация NO_x при той же нагрузке котла снизилась до 136-148 мг/м³. Причем повышение температуры и скорости газовоздушной смеси на выходе из горелки (по сравнению с чистым воздухом) позволило работать с меньшими избытками воздуха: содержание СО оставалось менее 0,01% даже при избытке воздуха, соответствующем О₂=3% a=1,16. Последнее обстоятельство привело к тому, что 45%-ное снижение выбросов NO_x было достигнуто без снижения экономичности работы котла. Незначительное повышение температуры уходящих газов, которое является неизбежным при появлении рециркуляции дымовых газов, было полностью компенсировано снижением избытка воздуха в уходящих газах. Более того, при номинальной нагрузке котла его КПД после внедрения рециркуляции оказался даже выше на 0,45% по сравнению с опытами без рециркуляции.

Успешное внедрение методов нестехиометрического сжигания и рециркуляции дымовых газов на промышленных котлах послужило основанием для внедрения комбинации этих методов. Результаты, полученные при разных нагрузках (250-480 т/ч) и при разной доле рециркуляции дымовых газов (до 12% при номинальной нагрузке и до 43% при минимальной паропроизводительности), показали, что даже без рециркуляции концентрация NO_x в дымовых газах за котлом составляет только 240 мг/м³ (вместо 400 мг/м³ при равномерной подаче газов на оба яруса горелок). А при подаче газов рециркуляции (r =12%) концентрация оксидов азота снижается до 80-90 мг/м³, что значительно ниже допустимой величины для новых котлов (125 мг/м³).

При внедрении технологических методов подавления оксидов азота на действующих котлах предпочтительнее в первую очередь использовать методы, не требующие капитальных затрат. Одним из таких методов, как и в случае сжигания природного газа, является нестехиометрическое сжигание.

Результаты опытов показали, что снижение концентрации оксидов азота удалось обеспечить как за счет перераспределения воздуха по ярусам горелок при сохранении одинаковых расходов воздуха (рис. 3), так и в результате изменения числа оборотов пылепитателей, подающих топливо к верхним и нижним горелкам при равномерном распределении воздуха по ярусам (рис. 3).

Рис. 3. Влияние перераспределения воздуха по ярусам на концентрацию NO_x

Рис. 4. Влияние перераспределения топлива по ярусам горелок на концентрацию NO_x

Анализ результатов опытов, проведенных на котле ТП-92 после реконструкции, показал, что надежность пароперегревателя и технико-экономические показатели котла не ухудшились. В опытах с открытыми шиберами третичного воздуха (т.е. при реализации схемы упрощенного трехступенчатого сжигания) концентрация NO_x в дымовых газах за котлом снижалась на 21-22% по сравнению с опытами, в которых весь воздух подавался в основные горелки. Несколько опытов было проведено при подаче в верхние (реконструированные горелки) природного газа. В этом случае открытие шиберов третичного воздуха снижало концентрацию NOx до 540 мг/м³ (на 38%), т.е. более чем в 1,5 раза.

2.1 Мониторинг

Сочетание возрастающего энергопотребления и задержки по различным причинам расширения существующих сетей передачи электроэнергии, а также физический и моральный износ теплоэнергетического оборудования и сетей приводят к тому, что энергосистемы в настоящее время эксплуатируются на пределе своих возможностей. Это требует более тщательного отношения к выбору оптимального режима эксплуатации энергоблоков и эффективного управления энергосистемой, которое возможно только при более детальном, чем обычно, мониторинге системы и более обоснованном выборе управленческих и оперативных решений, особенно в переходных режимах и экстремальных (аварийных) ситуациях.

Поведение энергосистем в рабочих условиях является сильно нелинейным, а мониторинг и контроль энергосистем включают несколько сотен переменных. Это приводит к тому, что энергопотребление и динамические нагрузки не поддаются надежному анализу и моделированию традиционными методами и технологиями. Традиционные технологии можно успешно применять только в том случае, если возможно построить строгие математические модели задачи или создать надежную экспертную систему. Однако в большинстве случаев задачи, встречающиеся в энергетике, не удовлетворяют этим двум условиям. Это приводит к необходимости внедрения новых прогрессивных технологий в управлении энергосистемами. Наиболее быстро развивающимися и весьма перспективными являются системы с применением технологий искусственного интеллекта. Такие новые технологии получили достаточно широкое распространение в промышленно развитых странах и показали свою высокую эффективность. Сейчас ни одна серьезная финансовая и промышленная фирма не обходится без использования в своей работе технологий и систем искусственного интеллекта.

Система искусственного интеллекта автоматизирует процедуры формирования образов (моделей, описаний) изменяющихся объектов внешней среды, создает условия для уточнения и окончательного принятия решения человеком-оператором, не предъявляя при этом к нему повышенных требований, а лишь дополняя его частные интеллектуальные функции до функций обобщенной системы в изменившихся условиях данной среды.

Интеллектуальная система (ИС) может состоять из многих компонентов, обладающих элементами искусственного интеллекта. В пределе каждое техническое или программное средство ИС может рассматриваться как интеллектуальное средство, имеющее свои реагирующую и замыкающую части. Назначение последней -- обеспечение устойчивого развития не только данного средства в отдельности, но и системы в целом по отношению к изменениям внешней и внутренней среды.

Технологии искусственного интеллекта (ИИ) включают в себя нейронные сети (НС), экспертные системы (ЭС), нечеткую логику (НЛ), генетические алгоритмы (ГА) и др. Лежащие в их основе идеи существенно отличаются от общепринятых методов вычислений, имитируя либо «человеческие» пути решения проблем, либо «природное, генетическое» развитие процессов. Например, нейронные сети обладают способностью к обучению, экспертные системы принимают решения на основе наборов правил и опыта экспертов, а системы с нечеткой логикой оперируют такими понятиями, как неопределенность и частичная/приблизительная истина.

Обычно для тепловых электростанций доступная информация для моделирования технологических процессов, включая горение топлива и выбросы оксидов азота, является неполной. Поэтому возникает необходимость применения различных моделей для анализа таких процессов, которые могут быть классифицированы на следующие группы: «белые», «черные» и «серые ящики».

2.2 «Белые ящики», «Чёрные ящики» и «Серые ящики»

В моделях, использующих вычислительную гидродинамику, подробно рассматривается физический характер протекания процесса (термодинамика, гидродинамика и химические реакции образования NO_x). Так как теоретическая основа для таких моделей является прозрачной, основанной на известных физических и химических законах и свойствах, такие методы моделирования могут быть классифицированы как методы «белого ящика». Получающиеся трехмерные конечно-элементные модели могут дать точные описания всего процесса горения и соответственно механизма образования оксидов азота. Однако такие модели являются сложными в разработке и предъявляют повышенные требования к вычислительным ресурсам. В то же время модели «белого ящика» не являются подходящими для анализа динамических процессов в реальном масштабе времени.

Модели «черного ящика» основаны на наличии экспериментальных или оперативных эксплуатационных данных и не требуют никакой априорной информации. Они широко используются в промышленности и включают обычно модели статических искусственных нейронных сетей и различные системы идентификации. Модели «черного ящика» достаточно хорошо изучены и просты для работы в реальном масштабе времени. С другой стороны, такие модели должны регулярно обновляться с изменением эксплуатационных параметров и внешних условий.

На начальных стадиях исследований по моделированию выбросов вредных веществ от ТЭС обычно использовались модели «белого ящика» и «черного ящика». Впоследствии стало очевидным, что такие модели не подходят для оперативного контроля за выбросами оксидов азота.

На тепловых электростанциях имеется много входных эксплуатационных параметров, которые должны отображаться в конечном итоге в один единственный выходной параметр -- величину выброса NO_x. Такое отображение описывается многими, обычно сильно нелинейными уравнениями, зависящими от времени. Некоторые, но не все уравнения и связи известны, а кроме этого имеются данные по эксплуатации действующей установки. В то же время модели вычислительной гидродинамики («белые ящики») не используют эксплуатационные данные, а статические нейронные сети («черные ящики») не используют известные основные закономерности, содержащиеся в уравнениях. Таким образом, возникает необходимость разработки новой технологии моделирования, основанной на принципах «серого ящика», которая объединяет преимущества как «белого», так и «черного ящиков».

Модель «серого ящика» в отличие от «белого» или «черного ящика» является сбалансированной системой, которая использует как априорное знание механизма образования оксидов азота (физическое моделирование), так и опытные (апостериорные) данные, полученные из анализа экспериментальных и эксплуатационных данных (идентификация системы). Модели «серого ящика» по своей сущности являются компромиссом между сложностью модели «белого ящика» и возможностями по прогнозированию «черного ящика» и поэтому служат основой для создания интеллектуальных систем.

Вывод

На сегодняшний день уже предпринято многое для снижения вредного влияния ТЭС на окружающую среду. На природоохранные цели выделяться большие средства. И это правильно, это верное направление развития энергетической промышленности. Мы должны думать о будущем и не останавливаться на достигнутом. Возможно, будущие энергетики смогут выполнять свою работу в гармонии с природой. С помощью технологических методов ли, или с помощью альтернативных видов топлива. И чтобы это стало правдой мы должны продолжать исследования и разработки новых способов сделать энергетическую промышленность более экологически чистой.

Список литературы

1. Беликов С.Е. «Снижение вредных выбросов в атмосферу от пылеугольных котлов промышленной ТЭЦ» / С.Е. Беликов, В.Р. Котлер // Теплоэнергетика. 2004. № 9. С. 49-52.

2. http://ru.Wikipedia.org

3. http://03-ts.ru/

Размещено на Allbest.ru