Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,813

ЭНЕРГОЭКЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СЖИГАНИЯ ГАЗОВОГО И ЖИДКОГО ТОПЛИВА В КОТЛАХ МАЛОЙ И СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ

Воликов А.Н. 1 Новиков О.Н. 2 Окатьев А.Н. 2
1 ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»
2 ЗАО НПФ «УРАН-СПб»
В работе предложено решение проблемы в области совершенствования сжигания топлива в отопительных котельных с котлами мощностью 2-20 МВт. При этом решаются задачи повышения экономичности сжигания, снижения выбросов вредных веществ в атмосферу и затраты на их осуществление. Совместное решение этих задач называется энергоэкологической оптимизацией сжигания топлива. Основные её направления заключаются в автоматизации работы котла, режимных мероприятиях: ступенчатом сжигании топлива, рециркуляции дымовых газов, совершенствовании узлов и элементов котла, очистке продуктов сгорания, утилизация теплоты уходящих газов, снижении теплопотерь. Для получения оптимального регулирующего воздействия на работу котла необходимо иметь информацию о содержании как свободного кислорода, так и продуктов химического недожога в дымовых газах. Сумму их концентраций удобно представлять как эквивалентную концентрацию оксида углерода. Только имея комплексную информацию о содержании оксида и диоксида углерода в продуктах сгорания, можно добиться экологически чистого, экономичного сжигания топлива с учетом технологического изменения нагрузки, состава, температуры топлива и воздуха, параметров климата и т.д. Для автоматизации процесса коррекции предложено оснащать автоматику котлов кроме анализаторов оксида и диоксида углерода дополнительным корректирующим регулятором, воздействующим на штатный регулятор воздуха
котёл
жидкое топливо
газовое топливо
Энергоэкологическая эффективность
1. Борщов Д.Я., Воликов А.Н. Защита окружающей среды при эксплуатации котлов малой мощности. - М.; Стройиздат, 1987 г.
2. Воликов А.Н. «Сжигание газового и жидкого топлива в котлах малой мощности». - Л., Недра, 1989 г.
3. Воликов А.Н. Совершенствование энергосберегающих и природоохранных технологий и конструкций отопительно-коммунальных котельных малой мощности. Автореферат диссертации доктора технических наук / СПБГАСУ. - СПб., 2001. - 50 с.
4. Воликов А.Н., Шкаровский А.Л. Методы подавления выбросов оксидов азота при сжигании газа и мазута в котлах малой и средней мощности. - М.; ИРЦ Газпром, 1993 г.
5. Воликов А.Н., Новиков О.Н., Окатьев А.Н. Повышение эффективности сжигания топлива в котлоагрегатах // ж. «Энергонадзор-Информ», №1(43), 2010. - С. 54-57.
Введение

Повышение эффективности сжигания газового и жидкого топлива, уменьшение выбросов вредных веществ весьма актуальны в топливо-потребляющих системах, где сжигание больших количеств топлива происходит с недостаточной полнотой и относительно низким КПД. К этой группе потребителей относятся отопительные котельные ЖКХ и промышленных предприятий с котлами мощностью от 2 до 20 МВт.

Цель данной статьи - решение проблемы совершенствования сжигания топлива. Для этого необходимо одновременное решение часто взаимоисключающих задач: повышения экономичности сжигания, уменьшения выбросов вредных веществ в атмосферу и капитальные затраты на их осуществление. Одновременное решение этих задач принято называть энергоэкологической оптимизацией сжигания топлива.

Можно выделить несколько направлений такой оптимизации:

  • автоматизация работы котла;
  • технологическое направление: режимные мероприятия, различные варианты ступенчатого сжигания топлива, рециркуляция дымовых газов и другие мероприятия, которые активно внедряются в последние годы на пылеугольных и газо-мазутных котлах;
  • конструктивное направление: совершенствование узлов и элементов котла, топочных и горелочных устройств;
  • очистка продуктов сгорания, невыгодная с точки зрения энергетических затрат, но необходимая в некоторых случаях;
  • утилизация теплоты уходящих газов, снижение тепловых потерь.

В первую очередь, предприятий-заказчиков интересует усовершенствование установленных котлов, а не строительство новых. Поэтому перспективным направлением оптимизации является технологическое, ориентированное на причины и механизмы не экономичного сжигания топлива и образования вредных веществ. Ряд технологий позволяет добиться значительного эффекта при весьма ограниченных капиталовложениях с помощью автоматизации управления сжиганием топлива. В данной статье приведены некоторые результаты практической реализации мероприятий по повышению экономичности сжигания топлива в котлах, достигнутые ЗАО НПФ «УРАН-СПб» совместно с СПбГАСУ.

С учетом состояния действующего парка отопительных и промышленных котельных, имеющих физически и морально устаревшие, часто не работоспособные системы автоматики регулирования, составной частью или начальным шагом комплексного решения может быть усовершенствование, с целью повышения экономичности сжигания топлива, штатных систем автоматики или, в некоторых случаях - при значительном износе, их полная замена. Следующим шагом энергосбережения является уменьшение расхода электроэнергии тягодутьевыми машинами котлоагрегатов.

Характерной особенностью внедрения энергосберегающих и природоохранных технологий на действующих котлах малой и средней мощности является жесткое их ограничение по капитальным затратам. В соответствии с этим целесообразны решения, предусматривающие не замену существующего технологического оборудования новым, а максимально возможное его использование при условии достижения современных показателей по эффективности сжигания топлива и охране воздушного бассейна. Исключение составляют только небольшие усовершенствования некоторых узлов горелочного устройства в ходе внедрения какого-либо технологического метода. Поэтому такие действия являются энергоэкологической реабилитацией действующего теплотехнического оборудования.

Эффективность работы котлоагрегатов складывается из эффективности работы его компонентов: горелочных устройств, поверхностей нагрева, теплообменников (экономайзеров, воздухоподогревателей), тягодутьевых машин и других устройств. В данной статье акцент делается на эффективность сжигания топлива, т.е. экономичность работы непосредственно горелочных устройств и связанного с ними оборудования (вентиляторов и дымососов).

КПД котла, при сжигании газового и жидкого топлива, зависит от трех видов потерь _ q2 (потери с уходящими газами); q3 (потери с химической неполной сжигания); q5 (потери в окружающую среду). Потери тепла с уходящими газами q2 зависят: от температуры и объема дымовых газов, т.е. от коэффициента избытка воздуха a. Потери q3 также зависят от избытка воздуха, но главным образом они определяются качеством перемешивания топлива и воздуха. Эти потери должны быть близкими к нулю при правильно организованном горении. Потери q5 в окружающую среду зависят от конструктивных особенностей котла, но главным образом от состояния обмуровки котла. Эти потери относительно невелики и обычно не уменьшаются при ремонте в процессе проведения РНИ.

Влияние коэффициента избытка воздуха a на концентрацию основных компонентов дымовых газов (О2, СО2, СО, NOx) и КПД h при определенной тепловой нагрузке котла показывают графики рис.1.

Рис. 1. Влияние коэффициента избытка воздуха на концентрацию основных компонентов дымовых газов и КПД при определенной тепловой нагрузке котла

Из приведенных кривых видно, что уменьшение коэффициента избытка воздуха способствует: снижению содержания кислорода (О2), повышению КПД и, как следствие, снижению температуры дымовых газов и потребления электроэнергии вентилятором и дымососом. При этом уменьшается выход вредных окислов азота (NOХ). Появление химического недожога (СО) определяет границу допустимого воздействия на уменьшение подачи воздуха. Эта граница является гибкой и зависит от характеристик горелочных устройств, тепловой нагрузки котла. Область экономически выгодного режима сжигания топлива соответствует малым значениям кислорода (0,5-1,5%) и появлению «следов» q3, т.е. содержанию оксида углерода на уровне 120-600 мг/м3. Работа в этой зоне (А), выделенной на рис.1 штриховкой, может быть обеспечена только автоматической коррекцией работы горелочных устройств. На этом же рисунке показаны линии, соответствующие работе котла по режимной карте (К) и фактическому режиму (Ф), когда за счет негерметичности топочно-дымового тракта со временем ухудшаются экономические показатели котла.

На рис. 2 приведены графики зависимостей от паропроизводительности парового котла (Qпара): содержания кислорода в дымовых газах (О2); электрической мощности Рэл, потребляемой из сети вентилятором и дымососом; температуры дымовых газов Тдг для различных систем автоматики котла и вариантов их настройки. Новая оптимизированная автоматика котла с автоматической коррекцией коэффициента a на графиках обозначена как (А). Существующая автоматика котла с дополнительно установленными приборами контроля качества сжигания топлива и ручной регулировкой a по режимной карте - (К). Существующая автоматика котла без переделок схемы, которая работает фактически не по режимной карте в результате длительной эксплуатации после наладки - (Ф).

Рис. 2. Графики зависимостей от паропроизводительности котла: электрической мощности вентилятора и дымососа; содержания кислорода и температуры дымовых газов.

Вторая составляющая, влияющая на экономичность работы котлоагрегата, - это величина расхода электроэнергии двигателями вентиляторов и дымососов. Электрическая мощность двигателей рассчитана на номинальную теплопроизводительность котлов. Фактически тепловая мощность котла может быть 40-110% от номинальной, в соответствии с изменяющимися условиями потребления теплоты (пара). Регулирование производительности вентилятора и дымососа в сторону уменьшения обычно осуществляется дросселированием с помощью заслонки, которая устанавливалась на входе этих машин. Этот способ регулирования крайне неэкономичен. Альтернативным является способ регулирования производительности тягодутьевых машин изменением скорости вращения электродвигателя, с использованием преобразователя частоты (ПРЧ). На рис. 3 представлены зависимости мощности Р, потребляемой из сети центробежным вентилятором (дымососом), от величины расхода L для двух способов регулирования, и зависимость экономии мощности Р при питании электродвигателя от ПРЧ. Из рис. 3 видно, что потребляемая мощность при регулировании производительности изменением скорости вращения составляет меньше половины мощности, потребляемой из сети при регулировании дроссельными заслонками. С помощью ЧРП можно значительно снизить мощность, потребляемую электродвигателем, а тем самым и расход электроэнергии за счет отсутствия потерь в заслонке. Использование ПРЧ обеспечивает дополнительную экономию электроэнергии и позволят получить плавное и точное регулирование производительности этих машин.

Рис. 3. Зависимость экономии мощности от расхода вентилятора (дымонасоса)

На рис. 2 показаны кривые мощности, потребляемой электродвигателями котлоагрегата: РЭЛ(А) - для новой предлагаемой системы автоматики с функцией энергосбережения за счет анализаторов дымовых газов, корректора и ЧРП; РЭЛ(Ф) - для существующей системы автоматики без нововведений и после ее длительной эксплуатации без наладки.

Сегодня в большинстве котельных Санкт-Петербурга и Ленинградской области работают системы автоматики, не оборудованные приборами контроля состава отходящих газов, а котлы работают с ручным регулированием подачи топлива и воздуха. При составлении режимной карты наладчики сознательно увеличивают расход воздуха, подаваемого на горение, для исключения химического недожога, вызываемого изменением теплоты сгорания топлива, температуры воздуха и др. В процессе эксплуатации оператор визуально определяет качество горения, в результате чего расход воздуха может увеличиться еще больше. Все это ведет к перерасходу топлива и повышенному выбросу загрязняющих веществ в атмосферу.

Приблизить работу котла к показателям режимно-наладочной карты, обеспечить максимальную эффективность работы котла можно, имея информацию о содержании свободного кислорода и оксида углерода в уходящих газах. Такую информацию можно получить от стационарных анализаторов дымовых газов, например, разработанных и выпускаемых фирмой «УРАН-СПб». Для этой цели можно использовать: анализатор кислорода О2 - МАДГ-2 и анализатор оксида углерода СО-МАДГ-1, или комбинированный анализатор КАДГ-2, или интеллектуальный анализатор качества горения ИАКГ-2. Установка этих приборов позволяет оператору получать непрерывно данные от анализаторов. При этом оператор может своевременно обнаруживать серьезные неисправности в газо-воздушном тракте технологического оборудования по расхождению параметров, заданных в режимной карте и измеренных анализаторами. Возможность оперативного контроля технического состояния котла и ручная коррекция позволяют существенно повысить эффективность, надежность и экономичность работы теплогенерирующей установки.

Следующим логичным этапом энергоэкологической оптимизации сжигания топлива является внедрение технологических решений, направленных на организацию горения с низким или предельно низким коэффициентом избытка воздуха. Это малозатратный и эффективный способ экономии топлива с одновременным уменьшением образования вредных веществ в топке. При этом необходимо поддерживать подачу воздуха так, чтобы значение коэффициента a находилось в довольно узкой области (зона А на рис.1), нижнюю границу которой определяет появление следов оксида углерода, а верхнюю - рост потерь теплоты с уходящими газами и повышение интенсивности образования оксидов азота, сопутствующее росту концентрации свободного кислорода.

Высокой эффективности сжигания топлива с низкими значениями a можно достичь, даже на существующем газогорелочном оборудовании, только при использовании систем непрерывного контроля и регулирования соотношения «топливо-воздух». Это требует разработки надежных, легких в управлении и быстро окупающихся систем регулирования подачи воздуха в топку котла. Принципиально новый подход к решению рассматриваемой проблемы заложен в концепции систем автоматического регулирования семейства «Факел», разработанных НПФ «УРАН-СПб». Этот подход базируется на утверждении, что для получения оптимального регулирующего воздействия необходимо иметь информацию о содержании как свободного кислорода О2 так и продуктов химического недожога СО+Н2+СН4 в дымовых газах, сумму концентраций которых удобно представлять в виде эквивалентной концентрации оксида углерода (СО)Э. Диапазон измерения по О2 составляет 0-10 %, по (СО)Э 0-2850 мг/м3. Только имея комплексную информацию о содержании О2 и СО в продуктах сгорания, можно добиться экологически чистого и экономичного сжигания топлива с учетом технологического изменения нагрузки, состава топлива, температуры топлива и воздуха, климатических параметров и других условий, определяющих процесс горения. Для автоматизации процесса коррекции НПФ «УРАН-СПб» предлагает существующую автоматику котлов оснащать кроме анализаторов О2 и СО в дымовых газах еще дополнительным корректирующим регулятором, воздействующим на штатный регулятор воздуха. Такие запрограммированные микропроцессорные корректирующие регуляторы типа «МИНИТЕРМ-400.07» выпускает ОАО «МЗТА». Комплект данных приборов представляет проектно-компонуемую энергосберегающую систему автоматики «Факел-2», которая может быть легко адаптирована к любой системе автоматики котла.

В качестве заключения отметим, что полная окупаемость затрат на внедрение систем «Факел-2», «Факел-3» и «Факел-2000», зависящая от тепловой мощности котла, достигается за 4-24 месяца. Предложенные газоаналитические приборы, системы коррекции соотношения «топливо-воздух» и системы автоматизации котлоагрегатов позволяют:

  • реализовать концепцию энергосберегающей работы котлоагрегатов в непрерывном режиме;
  • экономить до 6-10 % топлива в течение года;
  • сократить, на 3-40 % выбросы оксидов азота в атмосферу;
  • уменьшить на 20-55 % потребление электроэнергии вентиляторами и дымососами;
  • повысить надежность работы оборудования за счет диагностики и контроля работы газо-воздушных трактов, датчиков, исполнительных механизмов и др.

Рецензенты:

  • Дацюк Тамара Александровна, доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой общей и строительной физики, декан факультета инженерно-экологических систем. ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», г. Санкт-Петербург.
  • Юрманов Борис Николаевич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», г. Санкт-Петербург.

Библиографическая ссылка

Воликов А.Н., Новиков О.Н., Окатьев А.Н. ЭНЕРГОЭКЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СЖИГАНИЯ ГАЗОВОГО И ЖИДКОГО ТОПЛИВА В КОТЛАХ МАЛОЙ И СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 4.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=6610 (дата обращения: 03.04.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074