Повышение эффективности сжигания природного газа на паровых котлах малой и средней производительности за счет улучшения смесеобразования

Важной задачей при эксплуатации промышленного котельного оборудования является экономичное сжигание природного газа. Процесс горения в котлах малой и средней мощности возможно сделать более экономичным, увеличив паспортный (заводской) КПД и тем самым паропроизводительность, не увеличивая при этом расход природного газа (от паспортного).

Одним из методов для достижения такого результата, является подготовка воздуха перед горением. Подготовка воздуха это — выравнивание его общей и неравномерной по площади сечения воздуховода турбулизации и достижение равномерного распределения воздушного потока в общей площади сечения воздуховода и одновременно, разделению воздушного потока на множество мелких турбулизованных, но равных по объему и давлению потоков воздуха, перед подачей в горелочное устройство. В результате в смесительной части горелочного устройства, подготовленный воздух лучше смешивается с природным газом, что должно привести к сгоранию природного газа в топке котла с минимальным избытком воздуха и снижению температуры горения ядра факела.

С этой целью предложено техническое устройство [1] для повышения эффективности сжигания газового топлива в котлах малой производительности, путем улучшения смесеобразования за счет дополнительной турбулизации воздушного потока на входе в топку, для этого металлическая сетка устанавливается на фланцевом соединении воздуховода и смесительной части горелки, с возможностью плотного сопряжения с внутренним контуром воздуховода при его полном перекрытии. При этом необходимо соблюсти соотношение площади поперечных сечений условных проходов ячейки «устройства» и воздуховода, составляющих 1: (700−720).

В качестве первого объекта исследования выбран паровой котел Е-1,0−0,9Г-3, комплектующийся горелочным устройством Г-1,0к. В процессе пусконаладочных работ и режимноналадочных испытаний ставилось целью достижение паспортной паропроизводительности и паспортного КПД котла. Но это достижимо только с присутствием СО (окиси углерода) в уходящих газах котла [2], что недопустимо. Так как при настройке процесса горения без вредных примесей, для качественного смешивания в горелочном устройстве природного газа и воздуха, приходится снижать давления воздуха и газа на входе в горелку. Это влечёт за собой снижение расхода газа ниже паспортного и снижение паропроизводительности котла.

Это возможно при установке металлической сетки на воздуховод подачи воздуха на горелку [3]. Для эффективности и удобства монтажа сетка устанавливается непосредственно перед горелочным устройством в месте фланцевого соединения воздуховода к горелке.

Газовая горелка Г-1,0 и Г-1,0к устанавливается также на двухбарабанные паровые котлы Е-1,0−0,9 Г [4]. Горелка состоит из самой горелки газовой, воздуховода, фурмы горелки с областью смешения, вентилятора ВД-2,7 или ВД-2,8, электромагнитного исполнительного механизма изменения положения заслонки подачи воздуха на горелку, газовой части горелки с фланцевым соединением с газопроводом.

В данном типе газовой горелки используется стандартный метод сжигания природного газа: подвод к горелке природного газа и воздуха, с их последующим смесеобразованием, зажиганием и стабилизацией факела. Смесеобразование и стабилизация производится за счет закрутки потока воздуха и газа в фурме горелки. В этом случае возникает повышенное гидравлическое сопротивление и неравномерность температурного поля факела. Закрутка потока воздуха вызывает пульсационный режим горения.

Для оценки эффективности применения сетки, проведены экспериментальные пуско-наладочные исследования предложенной модели для определения скоростей воздуха по тракту от входа воздуха в вентилятор до подачи на горелки. Схемы расположения точек измерений скоростей показаны на рис. 1 и 2.

при 100 мм Д 300 мм, при Д > 300 мм Рис. 1 Координаты точек измерения давлений и скоростей в воздуховоде цилиндрического сечения вентилятора Д-2,7 на «всасе». (Д-189 мм)

при 100 мм в 200 мм, при в > 200 мм Рис. 2 Координаты точек измерения давлений и скоростей в воздуховоде прямоугольного сечения (102×163 размер внутреннего сечения воздуховода перед горелкой).

На первом этапе были проведены измерения скоростей и давлений воздуха в воздуховодах вентилятора Д-2,7 горелки Г-1,0К котла Е-1,0−0,9-Г3.

1. Производительность вентсистем определяется по формуле:

м3/ч (1).

где cp — средняя скорость, м/с; F — площадь сечения проема.

2. При определении скорости воздушных потоков [5] с помощью пневмометрических трубок средняя скорость в измеряемом сечении вычисляется по формуле (при нормальных условиях: температура воздуха +20°С, атмосферное давление 760 мм. рт. cт.):

м/с (2).

где Н_дин — динамическое давление в измеряемом сечении, кгс/м2.

При условиях, отличающихся от нормальных, следует вычислять среднюю скорость по формуле:

(3).

где t — температура воздуха в измеряемом сечении,°С; B — атмосферное давление, кПа.

3. Динамическое давление в воздуховодах измерялось микроманометрами [7] или жидкостными U-образными манометрами в комплекте с пневмометрическими трубками. Минимальные значения скоростей воздушных потоков, измеряемые с помощью микроманометров, составили, м/с: для U — образного манометра 7−8, для микроманометра ЦАГИ 4, для микроманометра ММН 3.

Для скоростей меньших значений точность измерения резко падает и в этих случаях следует применять другие методы измерений [6] (например, крыльчатые анемометры и др.).

• 4. Вычисление численных значений динамических давлений следует производилось по формулам:
  • а) для микроманометров типа ММН:

кгс/м2 (4).

где h — длина столбика спирта в мм; f = c · · sin — фактор микроманометра (значение фактора на дуге прибора); = 0,81 г/см3 — удельный вес спирта; sin — угол наклона трубки микроманометра;

c — тарировочный коэффициент прибора;

5. При измерении давлений и скоростей в воздуховодах допускается использовать упрощенный метод определения координат — метод равноотстоящих точек [9]. Точки измерений располагаются на каждой оси равномерно, и расстояние между ними определяется из выражения.

(5).

где Д — диаметр (или ширина) воздуховода, мм; n — число точек измерения.

Число точек измерений на каждой оси должно быть не менее 6. При числе точек 6 вычисленную величину расхода воздуха следует умножить на поправочный коэффициент, равный 1,10 — для металлических и пластмассовых воздуховодов, 1,14 — для воздуховодов из других материалов (асбоцемент, гипс и др.). При числе точек больше 6-ти следует вводить поправочный коэффициент.

6. Для проверки паспортного значения давления, развиваемого вентилятором, измеряли полное и статическое давления в воздуховодах до и после вентилятора.

Полное давление Н_полн воспринимается приемным отверстием пневмометрической трубки, ориентированным навстречу воздушному потоку. Статическое давление Н_ст воспринимается щелевыми или круглыми отверстиями, расположенными на цилиндрической поверхности пневмометрической трубки.

Места измерений Н_полн и Н_ст давлений выбирались на прямых участках воздуховодов до вентилятора на расстоянии одного диаметра, после вентилятора — не менее 5 диаметров от нагнетательного отверстия [7]. Развиваемый вентилятором напор складывается из суммы полных давлений до и после вентилятора.

кгс/м2 (6).

Для контроля правильности измерения полного давления следует в каждом измерительном сечении проверять численное равенство.

(7).

Полученную величину давления, развиваемого вентилятором, приводили к стандартным условиям [8].

В результате эксперимента по измерению давления H_полн, H_ст, Н_дин воздуха установлено:

Таблица 1 — Изменения скоростей воздуха на входе вентилятора и перед горелкой.

Режим работы парового котла остался прежним, запорные органы открыты полностью, показания приборов визуального контроля на фронте котла и составили:

Давление газа на горелке — Рг. г. — 30 кгс/м2;

Давление воздуха на горелке — Рв. г. — 20 кгс/м2;

Разрежение в топке котла — Sт — 2,5 кгс/м2.

Как видно из приведенных данных поле скоростей напора в сечениях воздуховода поменялось в сторону увеличения. Напор Н_дин при этом пропорционально снизился. Анализ изменений распределения поля скоростей, а так же динамики произошедших изменений, указывает, что на участке вентилятор — горелка, установка сетки приводит к равномерному распределению давления и скорости потока по всей площади поперечного сечения воздуховода. Что в свою очередь ведет к улучшению процесса смешивания воздуха и природного газа в зоне смешения горелочного устройства Г-1,0-К. Динамика этого улучшения заметна и экспериментально подтверждена. Отсюда можно сделать вывод о целесообразности использования технологического устройства [1] для подготовки воздуха перед газовой горелкой Г-1,0-К парового котла Е-1,0−0,9-Г3.

При проведении измерений температуры (до и после установки технического устройства) ядра факела горения природного газа в топке котла Е-1,0−0,9-Г3, оборудованного газовой горелкой Г-1,0-К, использовались высокотемпературные термопары никельхром алюмелевого преобразователя [7] типа ТХА (К) с диапазоном измерения от 0 до +2200°С, подключенного к двухканальному микропроцессорному измерительному преобразователю типа 2ТРМ. А также пирометра С-700 с токовым (400 мА) выходом, диапазон измерения от +700 до +2200, подключенным к преобразователю 2ТРМ1.

Анализ статистики измерений температуры ядра факела и подведения итогов измерения с помощью двух методов показал, что:

до установки технического устройства температура ядра факела при сгорании природного газа в топке котла Е-1,0−0,9-Г3, оборудованного газовой горелкой Г-1,0-К, составила — 1380−1430°С.

после установки «устройства» — 1280−1320°С.

Аналогичным методом подготовки воздуха перед газовыми горелочными устройствами, удалось повысить эффективность сжигания газовоздушной смеси в газовых блочных горелках — ГБГ, ГБЛ, ГБФ. На четырех паровых котлах Е-1,0−0,9Г-3, оборудованных горелками Г-1,0к г. Армавира, ООО «Триумф», СПП «Юг», ИП Недашковский; двух паровых котлах КЖ-500 с горелками ГБФ (Л) — 0,34 кормоцеха ст. Советской, Новокубанского района; четырех котлах Д-721, оборудованных горелками ГБФ-0,85 кормоцеха СПК колхоз «Родина» ст. Безскорбная, Новокубанского района.

сжигание природный газ котел горелка.

Заключение

• 1. Разработана, предложена и экспериментально опробована полезная модель устройства для подготовки воздуха перед газовым горелочным устройством с целью повышения эффективности сжигания топлива в котле за счет дополнительной турбулизации воздушного потока на входе в топку.
• 2. Установка сетки перед газовыми горелками Г-1,0к паровых котлов типа Е-1,0−0,9Г-3 позволила снизить коэффициент избытка воздуха в уходящих газах котлов до б=1,04−1,08, понизить температуру уходящих газов до температуры 215 °C и как следствие, повысить КПД котла до 92%. Увеличена паропроизводительность котлоагрегата до 1,05 т пара в час. При производительности котла 1,05 тонны пара в час, достигнуто снижение расхода природного газа до 80,0 м3/ч.
• 3. Экспериментально установлено:
  • — отсутствие химического недожога (q₃=0),
  • — снижение температуры факела в топке с 1380—1430^оС до 1280−1320^оС,
  • — снижение расхода природного газа.

Список используемых источников

Патент № 140 170, зарегистрирован в Государственном Реестре Полезных Моделей РФ от 01.04.2014 г., на полезную модель устройства для подготовки воздуха перед горелочным устройством по Заявке № 2 013 116 031 от 09.04.2013 г.

Зельдович Я.Б., Садовников П. Я., Окисление азота при горении.М. — Л.: Изд-во АН СССР, 1947.148 с.

Варварин В.К., Панов П. А. Справочное пособие по наладке котельных установок и тепловых сетей. М.: Высшая школа, 1984.113 с.

Столпнер Е. Б. Справочник эксплуатационника газифицированных котельных — 2-е изд., перераб. и доп. — Ленинград: Недра, 1988.607 с.

Роддатис К. Ф. Справочник по котельным установкам малой производительности М.: Энергоатомиздат, 1989.311с.

Клименко А.В., Зорина В. М. Справочник. (Теплоэнергетика и теплотехника; Кн.4). М.: Издательство МЭИ, 2004.632 с.

Хансуваров К.И., Цейтлин В. Г. Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара.М. Издательство стандартов. 1989.420 с.

Эстеркин Р. И. Эксплуатация, наладка и испытание теплотехнического оборудования. Ленинград: Энергоатомиздат, 1984.279 с.

Эстеркин Р. И. Эксплуатация, наладка и испытание теплотехнического оборудования промышленных предприятий. СПб.: Энергоатомиздат, 1991.304 с.