МУ КР Источники энергии

газов», т. е. продуктов горения, разбавленных воздухом „за счет его присоса в топке, газоходах и газовом тракте).

Объем продуктов горения, отнесенный к 1 м3 сожженного газа, представляет собой сумму объемов сухих продуктов горения Vс.г и водяных паров Vв.п :

Vп.г =Vс.г+ Vв.п

Объемы продуктов горения различных газов, соответствующие химическим формулам горения стехиометрических смесей, приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2. – Объемные соотношения воздуха и продуктов горения основных составляющих газового топлива

Практически по ряду причин объем воздуха, участвующего в горении, больше необходимого, обусловленного формулами горения. Поэтому в уходящих газах содержатся также азот и кислород избыточного воздуха Vизб , а объем сухих уходящих газов:

где V0 – теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 м3 газа,

м3/м3;

α – коэффициент избытка воздуха.

Исходя из баланса углерода в сжигаемом газе и в образовавшихся продуктах горения объем сухих газов при α > 1 определяется по формуле

Vс.г = СО2 +СО+СН4 +2С2Н6 +3С3Н8 +4С4Н10 +5С5Н12 +2С2Н4 . СО2 +СО +СН4

(1.9)

11

Если известен общий объем сухих уходящих газов, а анализом определено процентное содержание в них отдельных компонентов, то можно подсчитать раздельно ихобъемы, необходимые для расчетов по формуле (1.7),

г/м3; т, п – число атомов углерода и водорода в данном углеводородном газе. Значения абсолютной влажности воздуха приведены в табл. 1.3. В расчетах по

формуле (1.11) содержание водяных паров в воздухе котельных можно принимать равным 10–14 г/м3, что соответствует влагосодержанию при температуре воздуха 20– 25°С и относительной влажности 50–60%. Количество водяных паров в сжигаемом газе по сравнению с воздухом (учитывая объемные соотношения) незначительно, и в рассматриваемых расчетах им можно пренебречь.

Если в продуктах горения содержатся Н2 и СН4, то при точном расчете объем водяных паров, подсчитанный по формуле (1.11), должен быть уменьшен на величину,

равную V’с.г (Н’2 + 2С Н’4).

В табл. 1.2 приведено количество воздуха, необходимое для сгорания отдельных составляющих газового топлива. При этом принимают, что содержание

12

кислорода в воздухе равно 21%, а азота 79%, т. е. соотношение этих газов составляет 1 : 3,76, и для участия в горении 1 м3 кислорода следует подать 4,76 м3 воздуха. Как видно из табл. 1.2, объемы продуктов горения Vп.г водорода и окиси углерода меньше исходных объемов горючего газа и воздуха Vисх, для метана и этилена – равны исходным, а для других газов – больше исходных объемов.

Необходимое для горения 1 м3 газового топлива количество воздуха с учетом кислорода, содержащегося в самом топливе (например, в сланцевом или коксовом газе), определяется по формуле:

По приведенной формуле определяется количество сухого воздуха. При точных расчетах действительно необходимого воздуха и других его характеристик следует учитывать объем, плотность и теплоемкость водяных паров, содержащихся при данной температуре и давлении в воздухе. Отношение фактического количества воздуха, участвовавшего в горении, к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха и является оченьважной характеристикой α = (V0 + Vизб)/ V0.

Величина коэффициента избытка воздуха в общем случае определяется по данным анализа продуктов горения:

продуктах горения компонентов химического недожога формула принимает следующий вид:

N2 3,76О2

Помимо приведенной формулы, называемой «азотной», применяется более простая формула, в которой избыток воздуха приближенно определяется как отношение объема содержащегося в нем кислорода к объему кислорода, израсходованного на горение,

По приведенным формулам может быть определен коэффициент избытка воздуха в любой точке газового тракта: за топкой, за котлом, до и после экономайзера, перед Дымососом. При этом коэффициент избытка воздуха по ходу уходящих газов будет возрастать за счет присоса воздуха в газовый тракт через неплотности.

Содержание кислорода в продуктах горения возрастает с увеличением коэффициента избытка воздуха и стремится в пределе к О’2 = 21%. Величина (О’2 связана с величиной RО’2 = СО’2 + SО’2, показывающей содержание углекислого газа и

13

сернистого газа в продуктах горения. Так как содержание серы в газе ничтожно мало, то в практических расчетах учитывают только СО’2. Для условий полного сгорания газа при количестве воздуха, участвующего в горении, равном теоретическому:

Например, сухие продукты горения метана состоят из 1м3 СО2 и 7,52 м3 N2. Следовательно, в этом случае:

1

СО2max 1 7,52 100 11,75%.

В прикидочных расчетах принимают следующие величины для различных газов: природный (состоящий в основном из метана) – 11,8, попутный – 13, сжиженный – 14, коксовый –10,4, генераторный – 20%. Значение С02max (%) определяется исходя из данных анализа продуктов горения по формуле:

Вчислителе формулы приведено содержание СO2 в сухих продуктах горения с учетом объема СO2, который образовался бы при полном сгорании углеродсодержащих составляющих продуктов горения при условии что количество воздуха равно теоретическому, в знаменателе – 100% за вычетом избыточного воздуха, содержащегося в сухих продуктах горения, с учетом кислорода, необходимого для сгорания горючих составляющих.

Втех случаях, когда природный газ содержит значительное количество тяжелых углеводородов, азота и углекислого газа, значение СO2mах (%) можно подсчитать, используя данные состава газа, по формуле:

СО2max 11,75 0,01 2С2Н6 4С3Н8 6С4Н10 8С5Н12 ... 11СО2 1,5N2 . (1.17)

Правильность соотношения содержания кислорода и углекислого газа в продуктах полного сгорания, определенного по результатам химического анализа последних, может быть проверена по формуле:

Несоответствие величины О2 значению ее, полученному по приведенной зависимости, указывает на неточность результатов анализа на СО2 , или на наличие химического недожога.

Количество физического тепла, внесенного в топку воздухом, определяется по формуле:

14

где cв – теплоемкость воздуха, ккал/(м3 град),(кДж/(м3·град)); tв – температура

поступающего в топку воздуха, °С.

Величина физического тепла, внесенного в топку газом, незначительна. Определяется она по формуле:

где г – содержание отдельных составляющих в газе, %; сг – теплоемкость отдельных составляющих, ккал/(м3 град), (кДж/(м3·град)); tг – температура газа, °С.

При расчетах по формуле (1.20) можно пользоваться усредненным для данного состава газов значением теплоемкости, определяемым по формуле:

где N2, O2 и т. д. – содержание отдельных составляющих в газе, %; cN2 , cО2 и т.

д. – теплоемкости этих составляющих, ккал/(м3 град), (кДж/(м3·град)).

Таблица 1.4 - Потери тепла с уходящими газами при полном сжигании природного газа в зависимости от α и tух .

В табл. 1.4 приведены значения относительных потерь тепла для природного газа при различных температурах уходящих газов и коэффициентах избытка воздуха. Данные, приведенные в табл. 1.4, соответствуют газу с СО2max = =11,8% и температуре воздуха, участвующего в горении, примерно 18–20° С. Такими таблицами удобно пользоваться при проведении наладочных работ. Они должны быть составлены для различных газов и с более частой разбивкой по температуре.

Температура уходящих газов при определенных условиях теплопередачи в данном котле зависит главным образом от правильности процесса горения и состояния

15

поверхности нагрева. Наличие сажи на наружных и накипи на внутренних (со стороны воды) поверхностях нагрева приводит к ухудшению теплопередачи и, следовательно, к повышению температуры уходящих газов. Можно примерно считать, что повышение избытка воздуха на 0,15 или повышение температуры уходящих газов на 20°С приводят к снижению к. п. д на 1,5%.

Необходимо ограничивать и нижний предел температуры уходящих газов в целях предотвращения конденсации содержащихся в них паров воды на последних по ходу газов поверхностях нагрева. Кроме того, при работе котельной на естественной тяге

взимний период в устье дымовой трубы могут образоваться ледяные наросты вследствие конденсации паров воды. Поэтомунижний пределтемпературы уходящих газов должен определяться расчетом.

Потери тепла из-за химической неполноты горения определяются содержанием

впродуктах горения водорода, окиси углерода, метана. Величина Q3 характеризует то тепло, которое могло бы дополнительно выделиться при сгорании этих газов. Подсчет Q3 ведется по объемному содержанию горючих составляющих в продуктах горения и их теплоте сгорания:

Q3 VСН4 8558 VН2 2576 VСО 3016 (1.22)

где VСН4 и т. д. – объемы горючих составляющих продуктов горения, м3/м3.

Химическая неполнота сгорания наблюдается при недостаточном количестве воздуха, участвующего в горении, и плохом перемешивании его с газом, при снижении

Рисунок 1.1 – Номограмма для определения потери тепла от химической неполноты сгорания природного газа

16

температуры в топке, в отдельных зонах горящего факела или при соприкосновении этого факела с относительно холодными поверхностями нагрева котла. В тех случаях, когда процесс горения организован плохо, химический недожог может наблюдаться и при больших избытках воздуха. На рис. 1 приведена номограмма, по которой, имея данные химического анализа продуктов горения, можно приближенно определить потери от химической неполноты сгорания газа.

Определение потерь тепла от наружного охлаждения или, как принято говорить, в окружающую среду очень часто связано с рядом трудностей. Эти потери зависят от габаритных размеров и взаимного расположения котлов, толщины и качества обмуровки, степени экранирования топки, конструкции фронтовых секций, наличия хвостовых поверхностей нагрева (экономайзеров) и местных условий в котельной.

При составлении тепловых балансов величину потерь тепла в окружающую среду принимают по графикам, приведенным на рис. 1,2. Для чугунных котлов график построен по данным испытаний, выполненных НИИ сантехники. Если фактическая теплопроизводительность (паропроизводительность) котла Qф отличается от номинальнойQном,то значенияq5г,полученныепо графикудолжныбыть пересчитаны по формуле:

фактическая паропроизводительность котла отличается от номинальной более чем на ±25%. Однако в целях сопоставимости результатов испытаний пропорциональную

Можно еще отметить, что в отношении потерь тепла в окружающую среду «Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей» предусмотрены следующие нормативы: температура наружной поверхности обмуровки должна быть не более 55°С, а тепловой поток с 1 м2 поверхности не должен превышать

300 ккал/(ч м2), (кДж/(ч м2)).

К. п. д., подсчитанный методом прямого баланса, характеризует использование топлива без анализа отдельных видов потерь тепла. Значение к. п. д. брутто, т. е. без учета расходов тепла и электроэнергии на собственные нужды котельной (продувка, работа тягодутьевых устройств, питательных насосов), выражается отношением (%) полезно использованного тепла к затраченному:

где Q1 – количество полезно использованного тепла, ккал/ч (кДж/ч); Dк – количество выработанного пара или горячей воды, кг/ч; i" – энтальпия пара или горячей воды, ккал/кг (кДж/кг); i – энтальпия питательной воды, ккал/кг (кДж/кг); Vн – количество сожженного газа, м3/ч.

Количество выработанного пара или нагретой воды, а также энтальпия теплоносителя до и после котла определяются по данным непосредственных измерений. Объем сожженного газа, определенный по измерительному устройству (счетчик, диафрагма), приводят к нормальномусостоянию по формуле:

17

Т760

где V – объем газа, замеренный по счетчику, м3; Т – абсолютная температура газа перед счетчиком °К; рбар – барометрическое давление в период измерения, мм рт. ст.; ризб – избыточное давление газа, измеренное по манометру, перед счетчиком, мм рт. ст; рв.п – парциальное давление водяных паров , учитывается при влажном газе, мм рт. ст. (Парциальное давление – давление газа или пара в смеси, которое имел бы этот газ или пар при данной температуре, если бы он один занимал весь объем.).

Расход газа, измеряемый с помощью самопишущих приборов, определяется путем обработки диаграмм с учетом поправок на принятые в расчете диафрагмы и фактические температуру, давление и плотность газа. Значение парциального давления (упругости) водяных паров при различных температурах воздуха приведены в табл. 1.3. Этой же таблицей, допуская некоторое приближение, можно пользоваться при определении парциального давления и влагосодержания водяных паров в газе.

18

Таблица 1.5 – Свойства сухого насыщенного пара (на линии насыщения)

19

Таблица 1.6 – Энтальпия перегретого пара iп.п, ккал/кг

При составлении тепловых балансов котлов подсчитанная по результатам испытаний величина к. п. д. может не соответствовать истинному его значению из-за неточности в определении потерь тепла в окружающую среду. Поэтому можно ограничиваться только определением эффективности сжигания газа, которая характеризуется величиной 100–(q2+q3),%. Эта величина позволяет сопоставить данные по сжиганию газа в различных котлах и определить потери тепла с уходящими газами и из-за химического недожога. Уменьшение потерь тепла в окружающую среду может быть достигнуто конструктивными способами, в зависимости от местных условий.

Работа котла, помимо количества выработанного тепла или теплопроизводительности, характеризуется также тепловой нагрузкой, которая равна произведению количества сожженного газа (м3/ч) на его теплоту сгорания (ккал/м3),(кДж/м3) и соответствует значению знаменателя в формуле (1.24).

Работа топки (камеры горения, огневого туннеля) характеризуется тепловым напряжением объема топочного пространства ν, а в ряде случаев (особенно, при сжигании твердого топлива) и тепловым напряжением зеркала или поверхности горения u:

где Q – количество выделившегося тепла, ккал/ч (кДж/ч); V – объем топки (камеры), м3; R – площадь зеркала горения, м2. (Парциальное – давление газа или пара в смеси, которое имел бы этот газ или пар при данной температуре, если бы он один занимал весь объем).

Интенсивность передачи тепла в котле от горящего факела и продуктов горения определяется тепловым напряжением поверхности нагрева.

20