CONTROL AND OPTIMIZATION OF NOx EMISSION AND EFFICIENCY IN BOILERS

Abstract

الغلاية هي عبارة عن جهاز لتوليد البخار و يستخدم بكثرة في توليد الكهرباء و كذلك في إمداد الطاقة الحرارية المطلوبة لعمليات الصناعة و المباني. يتم توليد البخار بإستغلال الطاقة الحرارية الناتجة من عملية الإحتراق. بيد أن التحدي الهام في هذه العملية يكمن في إنبعاث غاز أكسيد النتريك (NOx) بالإضافة إلى مفقودات الطاقة من جملة الطاقة الكلية التي يحويها الوقود. الأمر الذي يتطلب منا بصورة حتمية تقليل هذه المفقودات من أجل تحسين كفاءة الغلاية إلا أنه عندما تضبط المتغيرات المطلوبة لزيادة كفاءة الغلاية فإن ذلك يؤثر سلباً على تكوين غاز أكسيد النتريك أي يزيد من تكوين غاز أكسيد النتريك. و هذه المعضلة بدورها تتكرر عندما تضبط المتغيرات المطلوبة لتقليل إنبعاث أكسيد النتريك (أي أنه عند تقليل إنبعاث أكسيد النتريك فإن كفاءة الغلاية تنخفض أيضاً). علاوة على ذلك فإن تغيراً طفيفاً في طلب البخار قد يسبب إضطراباً في كل ديناميكة نظام الغلاية مما يتسبب في عدم إستقراريتها إذا لم يتم التحكم فيها بصورة صحيحة. كل ذلك يجعل من الحوجة بمكان أخذ قياسات لتحسين كفاءة الغلاية و تقليل إنبعاث أكسيد النتريك إلى أقضى درجة ممكنة مع تنظيم المتغيرات المستخدمة مثل ضغط وعاء الغلاية و مستوى المائع داخل وعاء الغلاية في نفس الوقت. أول و أهم المتطلبات للتعامل مع المشاكل المذكورة أعلاة هو ضرورة الحصول على نموذج ديناميكي للكفاءة، و أكسيد النتريك (NOx) و متغيرات الإستجابة لنظام الغلاية. لتتبع تكلفة عمليات الغلاية نحتاج لحساب الكفاءة بدقة كافية بتوظيف الأدوات الحسابية الفعالة. في هذه الرسالة ، قد قمنا ببحث تعديل جديد في الصيغة الرياضية التقليدية للكفاءة المبنية على الكفاءة المتغيرة زمنياً باستخدام المتغيرات أو العوامل المستخدمة في الغلاية و المتغيرة مع الزمن. هذا التعديل تم إنجازه باستخدام الطريقة الغير مباشرة للكفاءة بتطبيق بيانات التجارب المعملية للمتغيرات لفترة زمنية محددة. علاوة على ذلك تم إستنتاج نموذج رياضي ديناميكي من الدرجة الثانية لدرجة حرارة الوقود لإنشاء صيغة رياضية للكفاءة بدلالة متغيرات الدخل فقط. بعد عملية الحصول على النموذج، تمت مناقشة تأثير تغييرات نسبة الهواء إلى الوقود و معدل إنسياب الوقود في الكفاءة. و تم إثبات أن الكفاءة المتغيرة مع الزمن تعطي تفسيراً أعمق للعلاقة الديناميكية بين الكفاءة و متغيرات الدخل الأخرى لنظام الغلاية خصوصاً نسبة الهواء إلى الوقود و معدل إنسياب الوقود. علاوة على ذلك قد ثبت أن الكفاءة تتفاعل مع المتغيرات الديناميكية للغلاية و في هذا الصدد تم إنشاء علاقة ديناميكية بين عملية الإحتراق و ديناميكية الغلاية باستنتاج الكفاءة الديناميكية. بعد عملية الحصول على نموذج للكفاءة، تم إجراء دراسة مفصلة لبحث كيفية الإنبعاث الحراري لأكسيد النتريك، و تفاعل الكفاءة و ديناميكية نظام الغلاية مع بعضهما البعض. في هذا الصدد، قد تم التحقيق في النماذج الديناميكية لأكسيد النتريك، و الكفاءة، و المتغيرات الأخرى المستخدمة في الغلاية و هذه النماذج قد تم دمجها لتشكل نموذج مشترك لنظام الغلاية الكامل. هذا النموذج قد إستخدم بعد ذلك لتكوين تحكم فعال لمتغيرات الغلاية مع التوفيق بين تحسين الكفاءة و تقليل الإنبعاث الحراري لأكسيد النتريك. جميع نتائج النمذجة، و التحكم، و التحسين تم التحقق من صحتها باستخدام بيانات واقعية من غلاية صناعية.