5.4. Методика определения фактической эффективности использования топлива в термических и нагревательных печах

Критериями эффективности работы газоиспользующих агрегатов являются коэффициент полезного действия и удельный расход газа на единицу годной продукции, полученной в агрегатах. КПД нагревательных и термических печей показывает, какая доля тепла, введенного в их рабочую камеру, полезно используется на нагрев металла:

КПД = Q_м /Q_общ,

где Q_м – тепло, затраченное на нагрев металла, ккал/ч; Q_общ – общее количество тепла, введенного в рабочую камеру, ккал/ч.

Для определения КПД по этой формуле необходимо знать расход газа на печь, теплотворную способность сжигаемого газа и температуру, с которой он подается в топку, теплоемкость, температуру и расход воздуха, подаваемого на горение, вес нагреваемого металла, его начальную и конечную среднюю по массе температуру. Получение этих данных и подсчет по ним полезного и общего расхода тепла в топке печи занимает значительное время. Если учесть, что подавляющее большинство печей не имеет приборов учета расхода газа, а подсчет его, исходя из замеров диаметров сопел, давления газа перед горелками и степени открытия задвижек или шиберов на газопроводе перед горелками затруднителен, то станет ясно, насколько трудоемка работа по составлению прямого теплового баланса печи.

Следует учитывать также, что в печах обрабатываются детали весом от нескольких килограммов до нескольких десятков и сотен килограммов, а степень нагрузки печей колеблется в широких пределах в зависимости от производственной программы, смены, в которую они работают, дня недели, начала или конца месяца, квартала, года и т.д. Поэтому КПД печи, подсчитанный в период обследования, может быть нехарактерным для ее работы в течение всего года. В этом случае требуется длительное обследование печи во всем диапазоне ее производительности для определения среднего фактического КПД. Для проведения такой работы персонал, обследующий предприятия, не всегда располагает достаточным временем.

Другим показателем работы печи может быть коэффициент использования топлива. Он определяется по формуле:

КИТ= 100 – (q₂ + q₃),%,

где q₂ – потери тепла с уходящими газами, %; q₃ – потери тепла от химической неполноты сгорания газа, %.

В практике КИТ, как показатель эффективности работы печи, распространения не получил, так как не учитывает потери тепла через обмуровку, загрузочные окна, неплотности в ограждающих конструкциях печи.

Исходя из изложенного и на основании опыта работы, предлагается методика определения эффективности работы печи, как теплового агрегата. По этой методике, на основании определения сверхнормативных потерь тепла с уходящими газами, от химической неполноты сгорания и потерь в окружающую среду, подсчитываются суммарные непроизводительные потери тепла, по которым устанавливаются только непроизводительные потери газа без определения КПД или КИТ печи.

Подготовительные работы

В подготовительные работы по организации обследования входит:

1. Ознакомление с имеющейся технической документацией печей (проектной, заводской, ремонтной и отчетной), по которой устанавливается:

• проектная производительность печей;

• температура наружной поверхности печей,

• температурный режим и характер газовой атмосферы в печном объеме (окислительная, нейтральная или восстановительная);

• геометрические размеры ограждающих конструкций печей, необходимые для определения их площадей;

• в случае отсутствия поагрегатного приборного учета, для определения расхода газа из паспортов на газогорелочные устройства принимаются диаметры сопел, теплопроизводительность и другие характеристики горелок;

• теплотехнические характеристики установленных утилизаторов тепла, температура воздуха до и после утилизатора, уходящих газов после утилизаторов и т.д.;

• в случае установки котлов-утилизаторов следует разобраться в тепловой схеме их подключения, ознакомиться с их паспортными данными.

2. Ознакомление с отчетами о теплотехнических испытаниях и режимными картами.

3. Осмотр печей и вспомогательного оборудования с целью оценки их состояния и оснащенности средствами регулирования и кип.

4. Выбор точек для взятия анализов состава уходящих газов. В случае если газоотборные трубки на печах установлены, проверить их пригодность к взятию проб, если нет – силами предприятия установить. Диаметр отверстия под газоотборные трубки должен быть таким, чтобы имелась возможность замерить температуру уходящих газов термопарой. Точки отбора проб должны быть расположены как можно ближе к выходу дымовых газов из печи, утилизатора. По возможности, точки отбора проб следует предусматривать в наиболее узком месте газохода, где относительно высокая скорость потока способствует лучшему перемешиванию продуктов горения. Газоотборные точки не следует располагать на поворотных участках газоходов.

5. Проверка технического состояния и пригодности к эксплуатации приборов теплотехнического контроля, установленных на печах.

Обследование печей

Цель теплотехнических обследований технологических печей - дать качественную оценку использования газа, установить уровень их технического состояния, вскрыть причины, ведущие к непроизводительным расходам газа, установить возможность более полного использования тепла продуктов сгорания, определить имеющиеся непроизводительные потери газа.

Количество подлежащих приборному обследованию газоиспользующих агрегатов должно быть не менее 10 % от количества установленных.

Во время обследования уточняется фактический тепловой режим и соответствие его параметров режимно-технологической карте, определяется степень загрузки печи.

По приборам теплотехнического контроля, установленным на печи, определяются величины давления газа и воздуха перед горелками, температуры уходящих газов и воздуха, подаваемого на горение. При наличии автоматики регулирования процессов горения устанавливается ее укомплектованность и работоспособность.

Уточняется количество установленных и фактически работающих горелок.

Замеряется температура наружных поверхностей ограждающих конструкции печи.

Замер температуры уходящих газов производится одновременно с отбором проб продуктов сгорания. Термопара для замера должна быть экранированной отсасывающей. При обследованиях камерных нагревательных печей температура продуктов сгорания на выходе из печи может быть принята на 100 ^оС ниже температуры в рабочей зоне печи.

При обследовании утилизаторов (рекуператоров, котлов-утилизаторов и т.д.) необходимо замерить температуру продуктов сгорания на входе и выходе, температуру воздуха до и после утилизатора, отобрать пробы для анализов продуктов горения до и после утилизатора.

Отбор проб продуктов горения с температурой выше 400 ^оС должен осуществляться только водоохлаждаемыми трубками. При отборе пробы необходимо следить за плотностью установки газоотборной трубки. Следует стремиться к отбору средней пробы за время обследования, при котором поддерживается постоянный тепловой режим.

Правильно отобранная проба и выполненные теплотехнические замеры – залог правильных дальнейших расчетов.

Расчеты

В основу расчетов по определению эффективности использования газа в нагревательных и термических печах положена упрощенная методика теплотехнических испытаний профессора М.Б. Равича [5.20].

По данным анализа состава продуктов горения природного газа и их температуре устанавливаем:

• потери тепла с уходящими газами;

• степень завершенности процесса горения (потери тепла от химической неполноты горения);

• условия сгорания газа (коэффициент избытка (расхода) воздуха);

• размер присосов воздуха в газоходы и рабочую зону печей.

Конечным результатом расчета является определение непроизводительных потерь газа. К непроизводительным относятся все затраты газа газоиспользующей установкой, вызванные химическим недожогом, сверхнормативными избытками воздуха, высокой температурой уходящих газов, а также расходы, связанные с неудовлетворительным технически состоянием газоиспользующей установки и «горячими» простоями.

Непроизводительные потери тепла определяются по следующим статьям:

а) потери тепла с уходящими газами (q₂);

б) потери тепла от химического недожога газа (q₃);

в) потери тепла в окружающую среду (q₅).

Данные расчета заносятся в протокол приборного обследования энерготехнологического оборудования (табл. 5.23).

Расчет может быть выполнен в следующей последовательности:

1. Правильность проведенного анализа состава уходящих газов проверяется по максимальному содержанию углекислого газа (СО₂^макс) в продуктах сгорания по формуле (5.26).

При отсутствии химического недожога газа правильность проведенного анализа контролируется по соответствию содержания СО₂ и О₂. Коэффициент расхода воздуха в этом случае также принимается по данным [5.20].

2. Потери тепла с уходящими газами, как и для котлов (см. п. 5.3), подсчитываются по формуле:

q₂ = 0,01 Z(t_уг – 0,85t_хв),

где Z – коэффициент, зависящий от температуры продуктов горения и степени их разбавления воздухом, то есть от содержания в сухих продуктах полного сгорания СО₂, а в продуктах неполного сгорания – суммы (СО₂ + СО + CH₄) [5.20]; t_уг – температура уходящих газов, ^оС; t_хв – температура воздуха, подаваемого на горение, ^оС; 0,85 – поправочный коэффициент, учитывающий отношение теплоемкости продуктов сгорания и меньший объем воздуха по сравнению с объемом продуктов сгорания природного газа.

3. Непроизводительные потери тепла с уходящими газами подсчитываются по формуле:

Δq2 = 0,01 Z(tуг – tнормир),

(5.28)

где t_нормир – значение температуры уходящих газов, определенное в проекте в соответствии с температурным режимом печи, или расчетная температура уходящих газов после утилизаторов. В большинстве случаев для уходящих газов промышленных печей t_нормир может быть принята равной 180-200 ^оС.

При ведении теплового режима печей со значительными избытками воздуха, когда α_ф > α_н излишние потери тепла только по этой причине будут составлять:

Δq2' = [(αф – αн) / αф] q1, %,

(5.29)

где α_ф – значение фактического по данным анализа коэффициента избытка воздуха; α_н – номинальное значение коэффициента избытка воздуха в рабочей зоне печи, принимается по технологическому регламенту работы печи (режимной карте).

4. Потери тепла вследствие неполноты горения можно подсчитать по формуле:

q₃ = (35СО + 30Н₂ + 100СН₄)/(СО₂ + СО + СН₄), %.

Печи, работающие с защитной атмосферой в рабочей зоне, создаваемой за счет недожога газа, должны быть оборудованы установками по дожиганию продуктов неполного сгорания газа с использованием тепла уходящих газов. На печах, не имеющих указанных установок, выявленный химический недожог газа относится в непроизводительные потери.

При обследовании термических печей с радиационными трубами анализы уходящих газов и потери вследствие химического недожога газа определяются по каждой трубе и суммируются в целом по печи.

При неполноте сгорания природного газа коэффициент расхода воздуха можно подсчитать по формуле:

α= О₂ + 2СО₂ + 1,5СО – 0,5Н₂/2(СО₂ + СО + СН₄).

Примечание. При использовании компьютерных газоанализаторов ДАГ-16, ДАГ-500, «Testo-Теrm» и др., газовый анализ, а также подсчет потерь тепла с уходящими газами от химической неполноты сгорания газа, коэффициента избытка воздуха производить не обязательно, так как они определяются приборами автоматически.

Таблица 5.23