Технико-экономическое сопоставление управления горением газа в котле по аэродинамическим параметрам и кислородомеру

Технико-экономическое сопоставление управления горением газа в котле по аэродинамическим параметрам и кислородомеру.

Д.т.н. А. К. Внуков, к.т.н. Ф. А. Розанова, БелНИПИЭнергопром, г. Минск

Объектом настоящего рассмотрения являются относительно малые котлы промышленных предприятий и коммунального хозяйства.

На протяжении десятилетий в Советском Союзе формировались два принципа управления горением газа:

по аэродинамическим параметрам «газ-воздух»;

по показаниям кислородомеров.

Для придания конкретности дальнейшим расчетам примем следующие исходные данные. Номинальная мощность котла — 10 Гкал/ч, использование каждой ступени мощности — 4000 ч/год, удельный расход топлива — 0,16 т у.т./Гкал, цена природного газа — 40 долл. США/т у.т. Отклонение, а от оптимального на 1% оборачивается пережогом 0,03% топлива.

Для аэродинамического управления рассмотрены тягомеры типа НМП-52, ТИМП-52 и т. п., класс 2,0% стоимостью по 50 долл. США/шт. и входящие в число штатных КИП. В качестве кислородомера рассмотрены российские газоанализаторы ТДК-ЗМ, КГА-8Ф со шкалой 5% О₂ и точностью 0,1% О₂. Стоимость прибора, монтажа и наладки — 2500+800+800=4100 долл. США.

Стоимость более качественных аналогов ABB достигает 15 000 долл. США и в дальнейших расчетах не рассматривается. Система «газ-воздух» практикуется уже более 50 лет, т. е. была освоена еще до появления серийных кислородомеров. В основу этой системы управления положена зависимость избытка воздуха от сопротивления горелок по воздуху Р_в и по газу Р_г, имеющая вид:

сопротивление кислородомер рентабельность воздух.

В связи с наличием присосов топки и другими причинами коэффициент К незначительно меняется вместе с нагрузкой, «прямая» давлений «газ-воздух» не проходит через начало координат и слегка изогнута. Однако многолетний опыт эксплуатации показывает, что кривые «газ-воздух» достаточно стабильны во времени и в отдельных случаях воспроизводились в РНИ, выполненных с интервалом в 3 года.

В нашей статье речь пойдет о малых котлах, не имеющих подогрева воздуха. Характеристика нарушается при очевидных повреждениях горелок, например, их пережоге. Погрешность избытка воздуха, реализуемого на базе соотношения «газ-воздух», зависит от погрешностей измерения соответствующих сопротивлений, т. е. давления перед горелкой плюс разрежения в топке. В соответствии с законами вероятностей относительная ошибка задания избытка воздуха определяется погрешностями измерений соответствующих сопротивлений по выражению:

После выполнения соответствующих действий и несложных преобразований это выражение приобретает вид:

где АР_{в (г)} и Аа — абсолютные погрешности измерения величин соответствующих сопротивлений и избытка воздуха, со — относительная ошибка соответствующей величины.

Для измерения давлений чаще всего используются приборы с относительной погрешностью со_р=АР_{в (г)}/АР_{в (г) макс}, равной 2%, т. е. с абсолютной ошибкой ДР_{в (г)}=0,02-Р_макс. Как известно, абсолютная погрешность прибора есть величина неизменная, в то время, как относительная ошибка, равная АР_{в (г)}/АР_{в (г)}, на разных участках шкалы существенно меняется — от 2% при 100% шкалы до 100% при 2% шкалы.

В качестве примера рассмотрим работу котла с номинальной и половинной нагрузкой. При полной нагрузке давления воздуха и газа составляют Р_в=Р_вмакс, и Р_г=Р_гмакс. При половинной нагрузке, соответственно, Р_в=0,25Р_{в макс}, и Р_г=0,25Р_{г макс}. Тогда относительная ошибка задания избытка воздуха, а при полной нагрузке составит:

При половинной нагрузке неточность задания, а возрастет до значения.

В свою очередь, это эквивалентно 0,03.2,8=0,084% пережога топлива, а в случае полной нагрузки и 0,03.11,3=0,339% топлива при половинной нагрузке.

Таким образом, обусловленная методом «газ-воздух» погрешность регулирования избытка воздуха, а зависит как от класса приборов, измеряющих давление, так и от абсолютных величин сопротивления горелки, т. е. от нагрузки котла.

Опуская расчеты, вытекающие из (2), покажем, что для реально практикуемых избытков воздуха 5−10% указанная выше погрешность кислородомера ±0,1% О₂ дает погрешность определения избытка воздуха 0,6% или всего 0,03−0,6=0,018% пережога топлива.

На рисунке сопоставлены пережоги топлива при управлении горением по принципу «газ-воздух» и с помощью кислородомера. Как видно, при аэродинамическом управлении относительный пережог топлива стремительно нарастает с падением нагрузки. При управлении по кислородомеру с уменьшением нагрузки относительный пережог не меняется. Размеры пережога в несколько раз меньше, чем при управлении по соотношению «газ-воздух». При очевидных технических преимуществах управления по газоанализатору окончательное решение требует учета совокупности экономических факторов.

Экономический эффект применения кислородомера по сравнению с использованием соотношения «газ-воздух» выражается разностью пережогов топлива и окупаемостью инвестиций. Как показали расчеты для котла 10 Гкал/ч, даже без дисконтирования окупаемость кислородомеров составляет 24,2 года при номинале и 7,8 года при 0,4 номинальной нагрузки. Для котла 100 Гкал/ч окупаемость снизилась бы до 2,4 года и 0,78 года соответственно, т. е. целесообразность использования кислородомера бесспорна.

Таким образом, определяющим фактором рентабельности использования кислородомеров становится количество сожженного в течение года топлива, т. е. мощность котла и число часов ее использования, а также соотношение цены кислородомеров и топлива. Приведенные методы оценки следует осторожно применять к апробированию головных образцов газоанализаторов нового поколения.

Как видно из сказанного, малые котлы следует ориентировать на управление по принципу «газ-воздух».