Метод прямого регулирования расхода воздуха по содержанию кислорода при всей его кажущейся простоте до сих пор не нашел широкого применения даже на объектах, работающих при нагрузках близких оптимальным. Причиной является рассмотренное выше запаздывание как в измерительной системе так и в отработке регулирующего воздействия. В результате анализа частоты следования возмущений, требующих изменения расхода воздуха, и времени запаздывания этого изменения на примере теплоэнергетического котла, работающего при 80% нагрузке, показано, что время работы с n, заметно отличается от n опт., составляет почти половину времени работы котла и не может быть уменьшено. Хорошие результаты могут быть получены либо при устранении запаздывания, либо при стабилизации параметров топлива и воздуха и нагрузки агрегата.

Для частичной компенсации запаздывания вводят сигнал по расходу воздуха, организуют дифференциальную цепочку уже в системе измерения и суммируют два параметра, характеризующих процесс – содержание кислорода и недожог. Для этого сигнал по расходу воздуха дифференцируют, сигнал химического недожога инвертируют и суммируют с сигналом содержания кислорода, суммарный сигнал преобразуют в линейный и совместно с дифференцированным сигналом по расходу воздуха используют для формирования регулирующего воздействия. Кроме уменьшения запаздывания такой способ регулирования позволяет поддерживать минимальное содержание О2 и избежать остаточной неравномерности регулирования.

Стремление работать с минимальным содержанием О2 объясняется попытками выйти на экстремум зависимости тепловыделения от коэффициента расхода воздуха. Однако эта зависимость достаточно размыта и наклон кривой слева, больше чем справа. Следовательно даже идеальный регулятор обеспечит погрешность удержания экстремума слева большую, чем справа. Для устранения этого дефекта и обеспечения максимального использования энергии топлива дополнительно измеряют разность средних наклонов левой и правой ветвей, формируют корректирующий сигнал, пропорциональный этой разности, и суммируют его с основным сигналом задания регулятору соотношения.

Работа с предельно малым содержанием кислорода ведет к тому, что в факеле по его длине одновременно присутствуют и О2 и СО даже при n > 1. Если обозначить величину недожога за О , то наибольшая температура в факеле будет в точке где n – О =1. Если при установке датчика температуры в этой области, задать желаемое содержание СО и начальную температуру факела, то высокое качество управление процессом горения можно обеспечить за счет того, что оптимальный расход воздуха стабилизируется в зависимости от параметра качества процесса горения, который однозначно характеризует этот процесс. Для реализации этого способа необходимо в схему регулирования соотношения объемов топлива и воздуха ввести корректирующий импульс по отклонению произведения температуры на соотношение от заданного для этого произведения постоянного значения, определяемого из заданных начальных температуры и концентрации О2 и СО.

Наиболее простой системой поиска оптимального соотношения является система с экстремальным регулятором, попытки внедрить которую на отечественных заводах ведутся с 50 – х годов.

В качестве входного параметра система использует температуру в зоне горения и изменяет расход воздуха до достижения максимальной температуры, а затем поддерживают ее вблизи максимума попеременным изменением n в обе стороны. При всей кажущейся простоте система не прижилась на нагревательных печах. Первый и основной ее недостаток в отсутствии представительной точки контроля температуры. Каждая горелка в зоне горит по своему, в зависимости от режима работы зоны меняется местоположение факелов и их яркость, через зону проходит металл с различной температурой и радиационными свойствами и т. д. В результате система, обеспечив максимальную температуру в точке контроля, заводит всю зону и эффективность сжигания топлива в далеко неоптимальную области. Второй недостаток связан с рассмотренными выше последствиями запаздывания в отработке изменения расхода воздуха по сравнению с изменениями расхода топлива. Этот недостаток усугубляется еще и тем, что система сама постоянно изменяет n и оценивает результат, который появляется только через некоторое время, в течении которого идет сжигание топлива при n = n опт. Система достаточно хорошо и быстро подводит n к области n ном., если соотношение было далеко от оптимального, но в таких режимах работают очень редко и, как правило, преднамеренно, т.е. вмешательство системы не требуется.

Поэтому для систем, работающих только по поиску экстремума, необходимо формировать сложный входной сигнал, отражающий действительно эффективность работы всего агрегата, и подавать его в качестве корректирующего в систему, обеспечивающий работу всех контролируемых возмущений без запаздывания или с минимальным запаздыванием.

Как уже указывалось выше, стремление к обеспечению максимальной эффективности сжигания топлива только за счет поддержания максимальной температуры горения вступает в противоречие с целым рядом других требований, влияющих на эффективность работы агрегата и в первую очередь с требованиями о защите окружающей среды. Поэтому в последнее время среди способов сжигания топлива появились и такие, при которых организуют потоки бедной и богатой газо-воздушной смеси, поток богатой смеси предварительно нагревают до температуры воспламенения, а получающиеся продукты сгорания инжектируют потоком бедной смеси в зону горения печи.

Такого рода инжекционная горелка, обеспечивая полное выгорание топлива, минимизирует выход окислов азота при достаточно высокой температуре факела.

Снижение выхода окислов азота, бес потери эффективности использования топлива за счет происходящего при этом снижения температуры горения, можно обеспечить увеличив коэффициент излучения факела путем впрыска в него воды или подачи пара.

В этом случае температура факела упадет, но за счет роста коэффициента излучения поток тепла к металлу снизится незначительно. Образование окислов азота уменьшится существенно. При этом оптимальное состояние топлива и воздуха на подводе к горелкам обеспечит одна из описанных выше систем, так что в продуктах горения не будет содержаться избыточного кислорода, что обеспечит малую концентрацию NOx и низкое окалинообразование. Однако увеличение в продуктах горения содержание H2O ведет к существенному ускорению окалинообразования.

Обеспечить оптимальное соотношение топливо – воздух и минимизировать запаздывание при его отработки даже для самых совершенных из описанных выше систем регулирования можно за счет введения опережающего результаты сжигания импульса по рассчитанным по составу топлива значениям теоретически необходимого количеств воздуха В0 и плотности газа, например, импульса В0. Вычисленный в районе газосмесительной станции, где осуществляется приготовление топлива переменного состава, этот импульс поступит в систему регулирования у потребителя топлива раньше, чем само топливо. Это позволит произвести все регулирующие воздействия в системе точно в нужный момент, полностью устранив запаздывание. Устранить возможные небольшие отклонения, возникшие из-за неточности расчета или отработки, можно уже по результатам сжигания, т.е. с помощью обратной связи.