КПД котла и горение

Общий обзор процесса горения, включая типы и системы управления горелками, а также тепловыделение и потери тепла.

Этот модуль предназначен для очень общего обзора процесса горения, который является важной составляющей общего КПД котла. Читателям, которым требуется более глубокое понимание, следует обратиться к специализированной литературе и к производителям горелок. КПД котла — это просто отношение полезной энергии на выходе к подведённой энергии на входе, обычно выражаемое в процентах: Вопросы «теплоты, уносимой с паром» и «теплоты, подводимой с топливом» подробнее рассматриваются в следующих двух разделах.

#Теплота, подводимая с топливом

Теплотворная способность Эта величина может выражаться двумя способами: как «высшая» или «низшая» теплотворная способность. Высшая теплотворная способность Это теоретически полное количество энергии, содержащейся в топливе. Однако все распространённые виды топлива содержат водород, который, сгорая в кислороде, образует воду, уходящую по дымоходу в виде пара. Высшая теплотворная способность топлива включает энергию, затрачиваемую на испарение этой воды. Дымовые газы на парокотельных установках не конденсируются, поэтому фактически доступное котельной количество тепла уменьшается. Точное регулирование количества воздуха крайне важно для КПД котла:

• Слишком большое количество воздуха будет охлаждать топку и уносить полезное тепло.
• Слишком малое количество воздуха приведёт к неполному сгоранию, уносу несгоревшего топлива и возможному дымлению. Низшая теплотворная способность Это теплотворная способность топлива без учёта энергии пара, уходящего в дымовую трубу, и именно этот показатель обычно используют при расчёте КПД котлов. В общем виде: Точное регулирование количества воздуха крайне важно для КПД котла:
• Слишком большое количество воздуха будет охлаждать топку и уносить полезное тепло.
• Слишком малое количество воздуха приведёт к неполному сгоранию, уносу несгоревшего топлива и возможному дымлению. Однако на практике существует ряд трудностей при достижении идеального (стехиометрического) горения:
• Условия в зоне горелки не будут идеальными, и невозможно обеспечить полное совпадение молекул углерода, водорода и кислорода.
• Часть молекул кислорода будет соединяться с молекулами азота, образуя оксиды азота (NOx). Чтобы обеспечить полное сгорание, необходимо подавать определённое количество «избыточного воздуха». Это влияет на КПД котла. Управление соотношением воздух/топливо на многих существующих небольших котельных установках выполнено по «разомкнутому контуру». То есть горелка имеет набор кулачков и рычагов, откалиброванных на подачу определённого количества воздуха для конкретной интенсивности горения. Поскольку это механические элементы, они изнашиваются и периодически требуют перенастройки. Поэтому их необходимо регулярно обслуживать и калибровать. На более крупных установках могут применяться системы «замкнутого контура», использующие датчики кислорода в дымоходе для управления воздушными заслонками горения. Подсос воздуха в камеру сгорания котла отрицательно влияет на точность регулирования процесса горения.

#Нормативные требования

В настоящее время существует глобальная приверженность программе по изменению климата, и 160 стран подписали Киотское соглашение 1997 года. Эти страны согласились предпринимать положительные и индивидуальные действия для того, чтобы:

• Сократить выброс вредных газов в атмосферу. Хотя диоксид углерода (CO2) является наименее активным из газов, охватываемых соглашением, именно он является самым распространённым и составляет примерно 80% общего объёма газовых выбросов, подлежащих сокращению.
• Добиваться измеримого ежегодного сокращения потребления топлива. Это может выражаться либо в использовании альтернативных, не загрязняющих окружающую среду источников энергии, либо в более эффективном использовании тех же видов топлива. В Великобритании это обязательство известно как 'The UK National Air Quality Strategy', и оно реализуется через ряд законов и нормативных требований. В других странах действуют аналогичные стратегии.

#Технологии

Давление со стороны законодательства, связанного с загрязнением окружающей среды, требования пользователей котлов к экономичности, а также возможности микропроцессорной техники значительно продвинули конструкцию как камер сгорания котлов, так и горелок. Современные котлы с новейшими горелками могут иметь:

• Рециркуляцию дымовых газов для обеспечения оптимального горения при минимальном избытке воздуха.
• Сложные электронные системы управления, контролирующие все компоненты дымовых газов и корректирующие расходы топлива и воздуха для поддержания параметров в заданных пределах.
• Значительно улучшенные диапазоны регулирования (отношение максимальной и минимальной тепловой мощности), позволяющие сохранять эффективность и параметры выбросов в более широком диапазоне работы.

#Потери тепла

После обсуждения горения в топке котла и, в частности, важности правильного соотношения воздух/топливо для полного и эффективного сгорания, остаётся рассмотреть другие потенциальные источники тепловых потерь и неэффективности. Потери тепла с дымовыми газами Вероятно, это самый крупный единичный источник тепловых потерь, и значительную их часть руководитель инженерной службы может сократить. Эти потери связаны с температурой газов, покидающих топку. Очевидно, чем горячее газы в дымовой трубе, тем ниже КПД котла. Газы могут быть слишком горячими по одной из двух причин:

1. Горелка вырабатывает больше тепла, чем требуется для конкретной нагрузки котла. Это означает, что горелка(и) и механизмы заслонок нуждаются в техническом обслуживании и повторной калибровке.
2. Поверхности теплопередачи внутри котла работают неправильно, и тепло не передаётся воде. Это означает, что поверхности теплопередачи загрязнены и требуют очистки. Здесь нужна осторожность: слишком сильное охлаждение дымовых газов может привести к снижению температуры ниже «точки росы», а риск коррозии возрастёт из-за образования: Азотной кислоты (из азота воздуха, используемого для горения). Серной кислоты (если топливо содержит серу). Воды. Потери излучением Поскольку температура котла выше температуры окружающей среды, часть тепла будет передаваться наружу. Повреждённая или плохо установленная изоляция значительно увеличивает потенциальные тепловые потери. Достаточно хорошо изолированный жаротрубный или водотрубный котёл мощностью 5 MW и более теряет в окружающую среду от 0,3 до 0,5% своей энергии. Это может показаться небольшим количеством, но следует помнить, что речь идёт о 0,3–0,5% номинальной мощности котла при полной нагрузке, и эта потеря остаётся постоянной даже тогда, когда котёл не подаёт пар на предприятие, а просто находится в резерве. Это указывает на то, что для более эффективной работы котельная установка должна эксплуатироваться ближе к своей максимальной мощности. В свою очередь, это может потребовать тесного взаимодействия персонала котельной с производственными подразделениями.

#Диапазон регулирования горелки

Важной функцией горелок является диапазон регулирования. Обычно он выражается в виде отношения и определяется как максимальная тепловая мощность, делённая на минимальную управляемую тепловую мощность. Диапазон регулирования — это не просто вопрос подачи в котёл разных количеств топлива. С экономической и нормативной точки зрения всё важнее, чтобы горелка обеспечивала эффективное и правильное горение, а также соответствовала всё более жёстким нормам выбросов во всём рабочем диапазоне. Как уже упоминалось, уголь как котельное топливо в настоящее время обычно ограничен специализированными применениями, например водотрубными котлами на электростанциях.

#Горелки на жидком топливе

Для эффективного сжигания жидкого топлива требуется высокое отношение площади поверхности топлива к объёму. Практика показывает, что наиболее эффективны частицы топлива размером от 20 до 40 μm. Частицы, которые:

• Больше 40 μm, как правило, проходят через пламя, не завершив процесс сгорания.
• Меньше 20 μm, могут двигаться настолько быстро, что пройдут через пламя, не сгорев вовсе. Очень важным аспектом при сжигании жидкого топлива является вязкость. Вязкость топлива зависит от температуры: чем горячее топливо, тем легче оно течёт. Большинство людей знает, что тяжёлое жидкое топливо необходимо подогревать для свободного течения. Менее очевидно то, что изменение температуры, а значит и вязкости, влияет на размер капель топлива, образующихся в сопле горелки. Поэтому температуру необходимо регулировать очень точно, чтобы обеспечить стабильные условия на сопле. Горелки с распылением под давлением Такая горелка представляет собой по сути отверстие на конце трубки под давлением. Обычно давление жидкого топлива находится в диапазоне от 7 до 15 bar. В рабочем диапазоне значительный перепад давления на отверстии при выходе топлива в топку приводит к его распылению. Тот же эффект возникает, если закрыть пальцем конец садового шланга. Изменяя давление топлива непосредственно перед отверстием (соплом), регулируют расход топлива через горелку. Если расход топлива уменьшается до 50%, энергия на распыление снижается до 25%. Это означает, что доступный диапазон регулирования для конкретного сопла ограничен примерно 2:1. Чтобы преодолеть это ограничение, горелки с распылением под давлением комплектуются набором сменных сопел для различных нагрузок котла. Преимущества горелок с распылением под давлением:
• Относительно низкая стоимость.
• Простота технического обслуживания. Недостатки горелок с распылением под давлением:
• Если режимы работы установки существенно меняются в течение суток, котёл придётся выводить из работы для замены сопла.
• Сопла легко забиваются загрязнениями. Поэтому необходимы хорошо обслуживаемые фильтры тонкой очистки.

#Ротационная чашечная горелка

Жидкое топливо подаётся по центральной трубке и попадает на внутреннюю поверхность быстро вращающегося конуса. По мере движения топлива по чаше (из-за отсутствия центростремительной силы) масляная плёнка становится всё тоньше, так как окружность чаши увеличивается. В конце концов топливо срывается с кромки конуса в виде мелкодисперсного распыла. Поскольку распыление создаётся вращающейся чашей, а не какими-либо свойствами самого топлива (например давлением), диапазон регулирования у такой горелки значительно больше, чем у горелки с распылением под давлением. Преимущества ротационных чашечных горелок:

• Надёжность.
• Хороший диапазон регулирования.
• Вязкость топлива менее критична. Недостатки ротационных чашечных горелок:
• Более высокая стоимость покупки и технического обслуживания.

#Газовые горелки

В настоящее время газ, вероятно, является самым распространённым топливом в Великобритании. Поскольку это газ, распыление не требуется, и для горения достаточно лишь правильно смешать газ с необходимым количеством воздуха. Применяются два типа газовых горелок: «низкого давления» и «высокого давления». Горелка низкого давления Такие горелки работают при низком давлении, обычно от 2,5 до 10 mbar. Горелка представляет собой простое устройство Вентури, в горловину которого подаётся газ, а воздух для горения засасывается снаружи. Производительность ограничена примерно 1 MW. Горелка высокого давления Такие горелки работают при более высоких давлениях, обычно от 12 до 175 mbar, и могут включать несколько сопел для формирования требуемой формы пламени.

#Двухтопливные горелки

Привлекательный «прерываемый» тариф на газ делает его выбором подавляющего большинства организаций в Великобритании. Однако многим из этих организаций необходимо продолжать работу даже при прекращении подачи газа. Обычная схема заключается в наличии на площадке запаса жидкого топлива, которое используется для работы котла при отсутствии газа. Это привело к развитию «двухтопливных» горелок. Такие горелки проектируются с газом как основным топливом, но имеют дополнительную возможность работы на жидком топливе. Предупреждение от газовой компании о прекращении подачи может поступить незадолго до события, поэтому переход на жидкое топливо выполняется максимально быстро. Обычно процедура следующая:

• Изолировать линию подачи газа.
• Открыть линию подачи жидкого топлива и включить топливный насос.
• На панели управления горелкой выбрать режим 'oil firing'. (Это изменит настройки воздуха для другого вида топлива).
• Выполнить продувку и повторный розжиг котла. Эта операция может быть выполнена за достаточно короткое время. В некоторых организациях такой переход периодически отрабатывается как учебная процедура, чтобы операторы были знакомы с порядком действий и имелось всё необходимое оборудование. Однако, поскольку жидкое топливо является лишь резервным вариантом и, вероятно, используется только кратковременно, система сжигания жидкого топлива может быть относительно простой. На более сложных установках с высокопроизводительными котлами газовые горелки могут демонтироваться, а вместо них устанавливаться горелки на жидком топливе.

#Системы управления горелками

Следует понимать, что систему управления горелкой нельзя рассматривать изолированно. Горелка, система управления горелкой и система регулирования уровня должны быть совместимы и работать согласованно, чтобы эффективно удовлетворять потребность установки в паре. Следующие несколько абзацев в общих чертах описывают основные системы управления горелками. Система управления вкл./выкл. Это самая простая система управления: горелка либо работает на полной мощности, либо выключена. Главный недостаток этого способа в том, что котёл подвергается сильным и часто повторяющимся термическим ударам каждый раз при включении горелки. Поэтому её применение следует ограничивать небольшими котлами производительностью до 500 kg/h. Преимущества системы управления вкл./выкл.:

• Простота.
• Наименьшая стоимость. Недостатки системы управления вкл./выкл.:
• Если большая нагрузка подключится к котлу сразу после отключения горелки, количество доступного пара уменьшится. В худших случаях это может привести к вскипанию с уносом воды и блокировке котла.
• Термоциклирование. Система high/low/off Это немного более сложная система, в которой у горелки есть две ступени мощности. Сначала горелка работает на пониженной мощности, а затем по мере необходимости переключается на полную мощность, тем самым снижая наиболее сильный термический удар. При уменьшении нагрузки горелка также может возвращаться в положение 'low fire', снова ограничивая термические напряжения в котле. Такая система обычно устанавливается на котлы производительностью до 5 000 kg/h. Преимущества системы high/low/off:
• Котёл лучше реагирует на большие нагрузки, поскольку положение 'low fire' обеспечивает больший запас аккумулированной энергии в котле.
• Если большая нагрузка появляется, когда горелка находится в режиме 'low fire', она может немедленно отреагировать переходом в режим 'high fire', и, например, можно обойтись без цикла продувки. Недостатки системы high/low/off:
• Более сложная, чем управление вкл./выкл.
• Более дорогая, чем управление вкл./выкл. Модулирующая система управления Модулирующее управление горелкой изменяет тепловую мощность в соответствии с нагрузкой котла по всему диапазону регулирования. Каждый раз при остановке и повторном пуске горелки систему необходимо продувать холодным воздухом через газоходы котла. Это ведёт к потерям энергии и снижает эффективность. Полная модуляция, напротив, означает, что горелка продолжает работать во всём диапазоне, максимизируя тепловую эффективность и минимизируя термические напряжения. Такая система может устанавливаться на котлы любой производительности, но должна обязательно применяться на котлах свыше 10 000 kg/h. Преимущества модулирующей системы управления: Котёл ещё лучше переносит большие и переменные нагрузки. Это связано с тем, что:
• Давление котла поддерживается у верхней границы диапазона регулирования, а запас аккумулированной энергии максимален.
• Если в короткий срок требуется больше энергии, система управления может немедленно увеличить тепловую мощность, не прерываясь на цикл продувки. Недостатки модулирующей системы управления:
• Самая дорогая.
• Самая сложная.
• Требуются горелки с высоким диапазоном регулирования.