Энергетическая стратегия России на период до 2020 года к 2005 г. предусматривает модернизацию 437 и замену 500 ГПА на газотранспортных системах новыми экономичными агрегатами повышенной мощности, что позволит сэкономить около 5 млрд м3/ год газа. В целом же экономия газа в этот период за счет реализации различных мероприятий по всем подотраслям, включая выработку теплоты собственными котельными, составит около 11 млрд м3/год. Однако необходимо особенно подчеркнуть, что при среднем фактическом КПД коммунальных котлов 85 % объемы газа, нерационально сжигаемые в котельных,эквивалентны геологическим месторождениям. Так, если поднять реальный КПД водогрейных котлов до 95 %, то экономия газа может составить 9,2 млрд м3/год.
Экономическим обоснованием, определяющим актуальность разработки и внедрения локальных источников теплоты, является очевидное положение, что к любому объекту легче и дешевле подвести газопровод и непосредственно на месте решить проблемы теплоснабжения без прокладки протяженных и малоэффективных из-за потерь теплофикационных магистралей. При анализе работы и экономического положения собственных предприятий ООО «Уралтрансгаз» установлено, что, например, в г. Екатеринбурге для обогрева производственных помещений в течение осенне-зимнего периода целесообразно вообще исключить городские тепловые сети из источников теплоснабжения. По нашим оценкам, внедрение локального теплоснабжения в промышленности Свердловской обл. позволит сэкономить около 1 млрд м3/год природного газа. Общий же объем его потребления в области составляет около 15 млрд м3.
К основным преимуществам децентрализации систем теплоснабжения, обеспечивающей, как минимум, экономию теплоты до 30 %, также можно отнести снижение стоимости производимой продукции за счет уменьшения доли энергетических затрат в себестоимости. Кроме того, децентрализация теплоснабжения приводит к уменьшению капитальных вложений при кратком сроке их окупаемости, независимости теплопотреб-ления и возможности эффективного местного регулирования нагрузки, в том числе и в течение суток. Для локальных источников теплоты характерны незначительная материалоемкость и высокие экологические показатели. Однако преимущества локального теплоснабжения не могут быть реализованы в полной мере з-за недостатков современных газогорелочных устройств. Стабильное поддео-жание на широко известных газогорелоч-ных блоках отечественного производпз. двух режимов работы: «большое горение» и «малое горение» - не соответствует современным требованиям развития газоиспользующего оборудования.
Для решения указанной задачи за последние годы ООО «Уралтрансгаз» разработало и освоило выпуск целой гам] мы высокоэффективных теплогенериюющих аппаратов, предназначенных ша теплоснабжения промышленных и сельскохозяйственных предприятий и применения в жилищно-коммунальном хозяйстве. Одновременно решалась задачам-здания газогорелочных устройств нового поколения, работа которых основана на иных принципах, чем широко извесг] ные в настоящее время.
Промышленные предприятия и населенные пункты отапливают в основе с использованием либо котельного обо! рудования, либо газовоздушных теплогенераторов.
Воздушное отопление занимает в последнее время все более важное место [1] Особую роль при его использовании рает возможность быстрого изменения подачи тепловой энергии в помещение:
Наиболее простым вариантом газовоздушного теплогенератора предоставляется широко известное теплообмен ное устройство типа труба в трубе, в котором дымовой канал размещен центру. Дымовые газы, протекающие:: внутреннему дымовому каналу, отдай теплоту его стенкам как за счет конвенции, так и путем излучения. Далее теплота передается от внутренней стеке дымового канала к внешней посредством теплопроводности, от внешней стенки нагреваемому воздуху, благодаря конвективному теплопереносу, а внешней трубе путем лучеиспускания. При отсутствии тепловых потерь от корпуса в окружающую среду, что является еще одним упрощающим предположением, теплота, переданная корпусу лучеиспусканием от стенки дымового канала, в свою очередь в полной мере передается тому же воздушному потоку путем конвекции.
Из предварительного анализа особенностей теплообменных процессов в системе горячий дымовой газ - холодный воздух определены варианты конструкции газовоздушных теплогенераторов, расчетные модели которых должны быть рассмотрены и исследованы перед проектированием и реализацией аппарата промышленного масштаба. Базовая модель описывает теплообменное устройство типа труба в трубе. Последующие модели усложнены установленным в зазоре между дымовым каналом и корпусом цилиндрическим экраном или экраном в виде многолучевой звезды. Поскольку в ходе расчетов установлено, что лимитирующей стадией в процессе теплопередачи является теплоотдача от дымовых газов к внутренней стенке дымового канала, исследована роль внутреннего продольного оребрения при обычном и упрощенном (за счет наборной конструкции) его изготовлении. Роль ребра и его производственно и теоретически оправданные размеры установлены при проведении экспериментов на расчетной модели с применением методов оптимального планирования [2].
При проектировании реального аппарата предусмотрено исполнение дымового канала в виде трех расположенных друг над другом, соединенных двойными отводами и размещенных в едином корпусе с пережимами трубных участков. Технология изготовления упрощена путем изготовления экрана из сетки. Исследованиями установлено, что при использовании только дымового канала проблема снижения температуры дымовых газов на выходе, соответственно увеличения коэффициента полезного действия аппарата, решена быть не может. Именно поэтому промышленный аппарат дополнен развитой конвективной частью, выполненной в виде ряда плоских каналов. Работа конвективных элементов также исследована на расчетных моделях.
Экономическим обоснованием, определяющим актуальность разработки и внедрения локальных источников теплоты, является очевидное положение, что к любому объекту легче и дешевле подвести газопровод и непосредственно на месте решить проблемы теплоснабжения без прокладки протяженных и малоэффективных из-за потерь теплофикационных магистралей. При анализе работы и экономического положения собственных предприятий ООО «Уралтрансгаз» установлено, что, например, в г. Екатеринбурге для обогрева производственных помещений в течение осенне-зимнего периода целесообразно вообще исключить городские тепловые сети из источников теплоснабжения. По нашим оценкам, внедрение локального теплоснабжения в промышленности Свердловской обл. позволит сэкономить около 1 млрд м3/год природного газа. Общий же объем его потребления в области составляет около 15 млрд м3.
К основным преимуществам децентрализации систем теплоснабжения, обеспечивающей, как минимум, экономию теплоты до 30 %, также можно отнести снижение стоимости производимой продукции за счет уменьшения доли энергетических затрат в себестоимости. Кроме того, децентрализация теплоснабжения приводит к уменьшению капитальных вложений при кратком сроке их окупаемости, независимости теплопотреб-ления и возможности эффективного местного регулирования нагрузки, в том числе и в течение суток. Для локальных источников теплоты характерны незначительная материалоемкость и высокие экологические показатели. Однако преимущества локального теплоснабжения не могут быть реализованы в полной мере з-за недостатков современных газогорелочных устройств. Стабильное поддео-жание на широко известных газогорелоч-ных блоках отечественного производпз. двух режимов работы: «большое горение» и «малое горение» - не соответствует современным требованиям развития газоиспользующего оборудования.
Для решения указанной задачи за последние годы ООО «Уралтрансгаз» разработало и освоило выпуск целой гам] мы высокоэффективных теплогенериюющих аппаратов, предназначенных ша теплоснабжения промышленных и сельскохозяйственных предприятий и применения в жилищно-коммунальном хозяйстве. Одновременно решалась задачам-здания газогорелочных устройств нового поколения, работа которых основана на иных принципах, чем широко извесг] ные в настоящее время.
Промышленные предприятия и населенные пункты отапливают в основе с использованием либо котельного обо! рудования, либо газовоздушных теплогенераторов.
Воздушное отопление занимает в последнее время все более важное место [1] Особую роль при его использовании рает возможность быстрого изменения подачи тепловой энергии в помещение:
Наиболее простым вариантом газовоздушного теплогенератора предоставляется широко известное теплообмен ное устройство типа труба в трубе, в котором дымовой канал размещен центру. Дымовые газы, протекающие:: внутреннему дымовому каналу, отдай теплоту его стенкам как за счет конвенции, так и путем излучения. Далее теплота передается от внутренней стеке дымового канала к внешней посредством теплопроводности, от внешней стенки нагреваемому воздуху, благодаря конвективному теплопереносу, а внешней трубе путем лучеиспускания. При отсутствии тепловых потерь от корпуса в окружающую среду, что является еще одним упрощающим предположением, теплота, переданная корпусу лучеиспусканием от стенки дымового канала, в свою очередь в полной мере передается тому же воздушному потоку путем конвекции.
Из предварительного анализа особенностей теплообменных процессов в системе горячий дымовой газ - холодный воздух определены варианты конструкции газовоздушных теплогенераторов, расчетные модели которых должны быть рассмотрены и исследованы перед проектированием и реализацией аппарата промышленного масштаба. Базовая модель описывает теплообменное устройство типа труба в трубе. Последующие модели усложнены установленным в зазоре между дымовым каналом и корпусом цилиндрическим экраном или экраном в виде многолучевой звезды. Поскольку в ходе расчетов установлено, что лимитирующей стадией в процессе теплопередачи является теплоотдача от дымовых газов к внутренней стенке дымового канала, исследована роль внутреннего продольного оребрения при обычном и упрощенном (за счет наборной конструкции) его изготовлении. Роль ребра и его производственно и теоретически оправданные размеры установлены при проведении экспериментов на расчетной модели с применением методов оптимального планирования [2].
При проектировании реального аппарата предусмотрено исполнение дымового канала в виде трех расположенных друг над другом, соединенных двойными отводами и размещенных в едином корпусе с пережимами трубных участков. Технология изготовления упрощена путем изготовления экрана из сетки. Исследованиями установлено, что при использовании только дымового канала проблема снижения температуры дымовых газов на выходе, соответственно увеличения коэффициента полезного действия аппарата, решена быть не может. Именно поэтому промышленный аппарат дополнен развитой конвективной частью, выполненной в виде ряда плоских каналов. Работа конвективных элементов также исследована на расчетных моделях.
Рис. 1. Общий вид ОПУ ГВН-450:
1- корпус; 2 - экран; 3 - жаровая труба; 4 - конвективный теплообменник; 5 - горелка; 6 - отвод
1- корпус; 2 - экран; 3 - жаровая труба; 4 - конвективный теплообменник; 5 - горелка; 6 - отвод
Результаты расчета газовоздушного теплогенератора тепловой мощностью 450 кВт (в собственном производстве ООО «Уралтрансгаз» принято название ГВН-450) и результаты его промышленных испытаний показали практически идеальное совпадение. Таким образом, установлена высокая степень достоверности математической модели газовоздушного теплогенератора и обоснованность принятого подхода к решению последующих задач проектирования энергосберегающего газоиспользующего оборудования. В настоящее время промыш-ленно эксплуатируются более 100 аппаратов типа ГВН-450 (рис. 1) с высокими экономическими показателями.
Для отопления и горячего водоснабжения наибольшее распространение получили жаротрубно-дымогарные котлы трехходовые по движению газов (жаровая труба - дымогарные трубы второго хода - дымогарные трубы третьего хода). Котлы подобной традиционной конструкции широко описаны как в отечественной [3], так и в зарубежной [4] литературе. Результаты анализа работы традиционных конструкций жаротрубно-дымогарных водогрейных котлов подтверждают неизбежность кипения нагреваемой воды на поверхности жаровой трубы (а также и на поверхности труб второго хода), на что указывают и основные инструктивные материалы [5]. Кипение является следствием низких скоростей воды в котле и образования застойных зон.
Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды предъявляют определенные требования и к тепловым нагрузкам аппарата без доступного обоснования этого (при работе на газообразном топливе тепловое напряжение жаровой трубы не должно превышать 1000 кВт/м3). Таким образом, обязательные для применения, они как бы заранее исключают возможность снижения температур теплообменных поверхностей и увеличения интенсивности водогрейных котлов. Подобное положение нормальным признать нельзя. Кроме того, при современном состоянии вычислительной техники, развитой теории теплообменных процессов и моделирования аппаратуры представляется перспективным определение верхних границ соответствующих параметров в ходе прямого расчета. Следует особо подчеркнуть, что для аналогичных котлов в Германии при соблюдении весьма жестких требований к эмиссии NOxпредусмотрено тепловое напряжение жаровой трубы от 2600 до 1800 кВт/м3 при мощности котла от 300 до 17 500 кВт соответственно [6].
По общей теории теплообменных процессов при стремлении снизить температуру стенки и исключить кипение необходимо увеличить частный коэффициент теплоотдачи от воды, но при механизме обычного конвективного теплообмена без изменения агрегатного состояния вещества (воды). Наиболее правильный вариант (и зачастую единственно возможный) - увеличение скорости потока воды.
В промышленно выпускаемом ООО «Уралтрансгаз» жаротрубно-дымогарном
Для отопления и горячего водоснабжения наибольшее распространение получили жаротрубно-дымогарные котлы трехходовые по движению газов (жаровая труба - дымогарные трубы второго хода - дымогарные трубы третьего хода). Котлы подобной традиционной конструкции широко описаны как в отечественной [3], так и в зарубежной [4] литературе. Результаты анализа работы традиционных конструкций жаротрубно-дымогарных водогрейных котлов подтверждают неизбежность кипения нагреваемой воды на поверхности жаровой трубы (а также и на поверхности труб второго хода), на что указывают и основные инструктивные материалы [5]. Кипение является следствием низких скоростей воды в котле и образования застойных зон.
Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды предъявляют определенные требования и к тепловым нагрузкам аппарата без доступного обоснования этого (при работе на газообразном топливе тепловое напряжение жаровой трубы не должно превышать 1000 кВт/м3). Таким образом, обязательные для применения, они как бы заранее исключают возможность снижения температур теплообменных поверхностей и увеличения интенсивности водогрейных котлов. Подобное положение нормальным признать нельзя. Кроме того, при современном состоянии вычислительной техники, развитой теории теплообменных процессов и моделирования аппаратуры представляется перспективным определение верхних границ соответствующих параметров в ходе прямого расчета. Следует особо подчеркнуть, что для аналогичных котлов в Германии при соблюдении весьма жестких требований к эмиссии NOxпредусмотрено тепловое напряжение жаровой трубы от 2600 до 1800 кВт/м3 при мощности котла от 300 до 17 500 кВт соответственно [6].
По общей теории теплообменных процессов при стремлении снизить температуру стенки и исключить кипение необходимо увеличить частный коэффициент теплоотдачи от воды, но при механизме обычного конвективного теплообмена без изменения агрегатного состояния вещества (воды). Наиболее правильный вариант (и зачастую единственно возможный) - увеличение скорости потока воды.
В промышленно выпускаемом ООО «Уралтрансгаз» жаротрубно-дымогарном
1- корпус; 2 - дымогарные трубы второго хода; 3 - жаровая труба; 4 - первая обечайка; 5 - вторая обечайка; 6 - третий ход газов; 7 - оребренные трубы (число труб - 200, длина - 1 м, коэффициент оребрения - 5,8)
котле (рис. 2) третий ход газов вынесен за пределы корпуса котла. При этом возникает возможность формирования принципиально правильной организации потоков: поток воды направляют в трубки, а газ обтекает их снаружи. Данный прием не решает проблемы снижения площади теплообменной поверхности третьего хода, но при использовании широко применяемых в настоящее время трубок с оребрением положение меняется. Значительное снижение температуры жаровой трубы и гарантированное исключение кипения на ее поверхности в отсутствии циркуляции достигнуто с помощью введения в конструкцию соосной жаровой трубы и расположенной на достаточно близком от нее расстоянии специальной кольцевой обечайки. В этом случае весь поток воды направляют в канал, образованный внешней стенкой жаровой трубы и внутренней стенкой кольцевой обечайки. Повышение скорости воды в канале до нормальных значений (0,3-0,8 м/с) приводит к увеличению частного коэффициента теплоотдачи от воды к стенке жаровой трубы и, следовательно, к снижению ее температуры.
Для повышения скорости воды в зоне дымогарных труб и возможности ее изменения может служить при формировании двух ходов газа собственно в корпусе котла устанавливаемая между ним и дымогарными трубами дополнительная обечайка. Масса встраиваемых обечаек мала, поскольку толщина стенки выбирается только из соображений удобства изготовления (по обе стороны обечаек давление воды практически одинаково).
Подобная конструкция котла обладает еще одним преимуществом. При решении вопроса прочностных характеристик котла очевидна целесообразность выравнивания средней температуры жаровой и дымогарных труб. При этом исключаются имеющие место в традиционных конструкциях сжимающие усилия, воздействующие на жаровую трубу, и растягивающие усилия, воздействующие на дымогарные трубы. Если в традиционной конструкции наличие указанных усилий вынуждены принимать как данность без практической возможности изменить положение, то в усовершенствованной конструкции возможны и реализуемы изменения сечений для прохода воды вдоль жаровой и дымогарных труб при практическом выравнивании температур стенок.
Исследование работы котла также было проведено на основании сформированной полной расчетной модели аппарата, включающей параметры всех трех ходов дымовых газов. На первом этапе исследования ставилась задача определения конструктивных и рабочих параметров водогрейного котла мощностью 3 МВт, как имеющего наибольший спрос на рынке. В ходе исследования изменялись диаметры труб, их длины, размещение в трубной решетке, размеры обечаек и т. д. Задаваемыми при расчете и исследовании величинами являются собственно тепловая мощность, состав природного газа, ожидаемый коэффициент полезного действия котла (предполагаемый КПД составляет 95 %). Исходная температура поступающей из сети воды с давлением 0,6 МПа принята равной 70 °С, конечная температура воды (для определения ее расхода) - 110 °С. При учете роли отложений толщина последних принята равной 0,5 мм при теплопроводности 1,163-10-3 кДж/(м-ч-К).
Следует подчеркнуть, что при полученных размерах аппарата, по меньшей мере, на 30 % снижена его металлоемкость. КПД ограничен лишь требованием предотвращения конденсации в зоне третьего хода дымовых газов.
Изготовленные на основании проведенных математических исследований жаротрубно-дымогарные котлы (в собственном производстве КВТ-3-115) в настоящее время эксплуатируют как при номинальном режиме, так и при кратковременном увеличении тепловой мощности до 3,4 МВт и уменьшении ее до 600 кВт с практически одинаковым КПД, равным 97 %. При эксплуатации установлена высокая скорость набора температуры (~ 24 °С/ч) по сравнению с выпускаемыми и применяемыми на предприятиях ООО «Уралтрансгаз» котлами российско-финского производства типа UNICON. Низкая температура газов перед оребренными трубками третьего хода (260-320 °С) при работе котла на номинальной мощности свидетельствует о высокой эффективности теплообмена между водой и дымовыми газами жаровой и дымогарных труб второго хода. Гидравлическое сопротивление котла движению дымовых газов примерно 750 Па.
Использование разработанных нами газогорелочных блоков позволяет плавно изменять тепловую мощность с ее минимальным значением 600 кВт, что составляет 20 % номинальной мощности котла. Как указано выше, имеющиеся конструкции отечественных газогорелочных блоков не удовлетворяют современным требованиям. Повышенное сопротивление и особенности конструкции газовоздушного нагревателя ГВН-450 (например, наличие ребер в жаровой трубе) позволили использовать блоки ГБЛ и DAVA только при определенных изменениях конструкции газосмесительного узла и пламенной насадки. Блоки фирмы Weishaupt оказались в этих условиях неработоспособными.
При сжигании газа особое внимание уделяют подготовке газовоздушной смеси. Поэтому конструирование горелок с принудительной подачей воздуха неразрывно связано с формированием за-вихрителей различного типа. При работе газогорелочных устройств необходимо поддерживать заданное соотношение газ - воздух в широком диапазоне регулируемой мощности горелки при одновременном обеспечении оптимальной скорости истечения газовоздушной смеси. Это вынуждает разработчиков вводить в конструкцию горелок элементы, позволяющие менять площадь сечения для прохода газа, воздуха и газовоздушной смеси, поэтому современные горелки содержат сотни деталей. Практически 50-60 % напора вентилятора используется на преодоление сопротивления собственно газосмесительного узла.
В основу создания модернизированных газогорелочных блоков могут быть положены следующие основные принципы. Смешение газа и воздуха может быть проведено без специальных устройств, поскольку высокое качество смешения может быть достигнуто непосредственно в вентиляторе газогорелочного блока. Природный газ в этом случае должен быть подведен к всасывающей линии вентилятора. Современный уровень техники позволяет обеспечить безопасность работы горелочного устройства в этом случае без каких-либо осложнений.
Перед вводом природного газа в горелках с принудительной подачей воздуха проводят обязательное снижение давления газа регулятором. При этом остаточное давление превышает атмосферное. Существенный недостаток горелок этого типа состоит в необходимости сложных схем автоматического регулирования для поддержания заданного состава газовоздушной смеси. Этот недостаток особо проявляется при работе горелок с переменной мощностью. Поддержания постоянного состава газовоздушной смеси при изменениях тепловой нагрузки можно достичь, снижая давление газа перед газогорелочным устройством до атмосферного.
Одним из основополагающих условий работы горелок является устойчивость горения,связанная с предотвращением как проскока, так и отрыва пламени от огневой насадки. При формировании смеси в объеме вентилятора проскок пламени недопустим. Для расширения диапазона устойчивости горения скорость истекающей из огневой насадки газовоздушной смеси принимают на практике в несколько раз большей, чем скорость отрыва. Предотвращение отрыва при этом обеспечивают стабилизаторы горения, выполненные в виде специальных насадок или тоннелей. Для горелок с высоким коэффициентом предельного регулирования превышение скорости истечения над скоростью отрыва не реализуемо. В этом случае правильным следует считать оснащение горелки огнепрег-радителем, что вообще не присуще горелкам с принудительной подачей воздуха. Огнепреградитель представляет собой набор каналов с размером меньшим, нежели критический диаметр гасящего канала [7]. Поскольку широкое использование горелок с принудительной подачей воздуха исключает возможность безусловного использования стабилизирующих тоннелей, становится необходимым применение стабилизаторов горения других типов.
Таким образом, конструктивный элемент горелки должен обеспечивать стабилизацию пламени за счет предотвращения его отрыва и проскока, способности изменять форму пламени и улучшать качество смеси. Элемент горелки в виде многоканальной вставки в огневой насадок может быть изготовлен, например, из свернутой в плотный рулон металлической ленты с отверстиями, которые имеют односторонние выступы по периферии. Внешняя поверхность вставки может быть плоской, вогнутой или выпуклой, что позволяет изменять форму факела.
На основании изложенных принципов создан и испытан газогорелочный блок (в собственном производстве принято название ГВГ), обладающий рядом преимуществ перед известными конструкциями.
Сертификационные стендовые испытания горелки ГВГ-2000 показали возможность ее работы без отрыва пламени на мощности 0,4 МВт, устойчивого поддержания избытка воздуха в пределах 1,07-1,25 на мощностях от 0,6 до 2,2 МВт. Содержание СО в дымовых газах во всем диапазоне регулирования мощности при испытаниях находилось в пределах ошибки газоанализатора JRM-1000, составляющей 2-5 мг/м3. При работе горелки в условиях испытательного стенда определено малое содержание NOx в выхлопных газах. Для горелок мощностью 3,0 МВт содержание NOx находится в пределах 80-120 мг/м3 при объемной нагрузке в камере сгорания до 1,5 МВт/м3. При установке периферийного завихрителя сопротивление потоку возрастает ориентировочно до 20 мм вод. ст., но значительно изменяется структура пламени и снижается содержание NOx, пересчитанное в соответствии с ГОСТ 21204-92, до 55-65 мг/м3.
Данные, полученные на испытательном стенде, не могут быть перенесены на другие агрегаты, поскольку при определенных конструкциях топочной камеры, интенсивности теплопередачи, теплового напряжения и т. д. могут существенно измениться факторы, влияющие на образование NOx [8]. Экспериментальное исследование работы блока ГВГ-3000 проведено на жаротруб-но-дымогарном котле описанной выше конструкции. При постепенном наращивании мощности котла от 860 до 2600 кВт (коэффициент избытка воздуха а = 1,26-И, 18) содержание NOx монотонно возрастает от 77,5 до 145 мг/м3 при пересчете содержания оксидов азота в сухих уходящих газах на коэффициент избытка воздуха, равный единице, в соответствии с требованиями ГОСТ 10617-83. При пересчете на объемное содержание кислорода в уходящих газах 3 %, как это принято фирмой Weishaupt [6], объем выбросов изменяется от 66,4 до 124,3 мг/м3 (проводимое сравнение с
Для повышения скорости воды в зоне дымогарных труб и возможности ее изменения может служить при формировании двух ходов газа собственно в корпусе котла устанавливаемая между ним и дымогарными трубами дополнительная обечайка. Масса встраиваемых обечаек мала, поскольку толщина стенки выбирается только из соображений удобства изготовления (по обе стороны обечаек давление воды практически одинаково).
Подобная конструкция котла обладает еще одним преимуществом. При решении вопроса прочностных характеристик котла очевидна целесообразность выравнивания средней температуры жаровой и дымогарных труб. При этом исключаются имеющие место в традиционных конструкциях сжимающие усилия, воздействующие на жаровую трубу, и растягивающие усилия, воздействующие на дымогарные трубы. Если в традиционной конструкции наличие указанных усилий вынуждены принимать как данность без практической возможности изменить положение, то в усовершенствованной конструкции возможны и реализуемы изменения сечений для прохода воды вдоль жаровой и дымогарных труб при практическом выравнивании температур стенок.
Исследование работы котла также было проведено на основании сформированной полной расчетной модели аппарата, включающей параметры всех трех ходов дымовых газов. На первом этапе исследования ставилась задача определения конструктивных и рабочих параметров водогрейного котла мощностью 3 МВт, как имеющего наибольший спрос на рынке. В ходе исследования изменялись диаметры труб, их длины, размещение в трубной решетке, размеры обечаек и т. д. Задаваемыми при расчете и исследовании величинами являются собственно тепловая мощность, состав природного газа, ожидаемый коэффициент полезного действия котла (предполагаемый КПД составляет 95 %). Исходная температура поступающей из сети воды с давлением 0,6 МПа принята равной 70 °С, конечная температура воды (для определения ее расхода) - 110 °С. При учете роли отложений толщина последних принята равной 0,5 мм при теплопроводности 1,163-10-3 кДж/(м-ч-К).
Следует подчеркнуть, что при полученных размерах аппарата, по меньшей мере, на 30 % снижена его металлоемкость. КПД ограничен лишь требованием предотвращения конденсации в зоне третьего хода дымовых газов.
Изготовленные на основании проведенных математических исследований жаротрубно-дымогарные котлы (в собственном производстве КВТ-3-115) в настоящее время эксплуатируют как при номинальном режиме, так и при кратковременном увеличении тепловой мощности до 3,4 МВт и уменьшении ее до 600 кВт с практически одинаковым КПД, равным 97 %. При эксплуатации установлена высокая скорость набора температуры (~ 24 °С/ч) по сравнению с выпускаемыми и применяемыми на предприятиях ООО «Уралтрансгаз» котлами российско-финского производства типа UNICON. Низкая температура газов перед оребренными трубками третьего хода (260-320 °С) при работе котла на номинальной мощности свидетельствует о высокой эффективности теплообмена между водой и дымовыми газами жаровой и дымогарных труб второго хода. Гидравлическое сопротивление котла движению дымовых газов примерно 750 Па.
Использование разработанных нами газогорелочных блоков позволяет плавно изменять тепловую мощность с ее минимальным значением 600 кВт, что составляет 20 % номинальной мощности котла. Как указано выше, имеющиеся конструкции отечественных газогорелочных блоков не удовлетворяют современным требованиям. Повышенное сопротивление и особенности конструкции газовоздушного нагревателя ГВН-450 (например, наличие ребер в жаровой трубе) позволили использовать блоки ГБЛ и DAVA только при определенных изменениях конструкции газосмесительного узла и пламенной насадки. Блоки фирмы Weishaupt оказались в этих условиях неработоспособными.
При сжигании газа особое внимание уделяют подготовке газовоздушной смеси. Поэтому конструирование горелок с принудительной подачей воздуха неразрывно связано с формированием за-вихрителей различного типа. При работе газогорелочных устройств необходимо поддерживать заданное соотношение газ - воздух в широком диапазоне регулируемой мощности горелки при одновременном обеспечении оптимальной скорости истечения газовоздушной смеси. Это вынуждает разработчиков вводить в конструкцию горелок элементы, позволяющие менять площадь сечения для прохода газа, воздуха и газовоздушной смеси, поэтому современные горелки содержат сотни деталей. Практически 50-60 % напора вентилятора используется на преодоление сопротивления собственно газосмесительного узла.
В основу создания модернизированных газогорелочных блоков могут быть положены следующие основные принципы. Смешение газа и воздуха может быть проведено без специальных устройств, поскольку высокое качество смешения может быть достигнуто непосредственно в вентиляторе газогорелочного блока. Природный газ в этом случае должен быть подведен к всасывающей линии вентилятора. Современный уровень техники позволяет обеспечить безопасность работы горелочного устройства в этом случае без каких-либо осложнений.
Перед вводом природного газа в горелках с принудительной подачей воздуха проводят обязательное снижение давления газа регулятором. При этом остаточное давление превышает атмосферное. Существенный недостаток горелок этого типа состоит в необходимости сложных схем автоматического регулирования для поддержания заданного состава газовоздушной смеси. Этот недостаток особо проявляется при работе горелок с переменной мощностью. Поддержания постоянного состава газовоздушной смеси при изменениях тепловой нагрузки можно достичь, снижая давление газа перед газогорелочным устройством до атмосферного.
Одним из основополагающих условий работы горелок является устойчивость горения,связанная с предотвращением как проскока, так и отрыва пламени от огневой насадки. При формировании смеси в объеме вентилятора проскок пламени недопустим. Для расширения диапазона устойчивости горения скорость истекающей из огневой насадки газовоздушной смеси принимают на практике в несколько раз большей, чем скорость отрыва. Предотвращение отрыва при этом обеспечивают стабилизаторы горения, выполненные в виде специальных насадок или тоннелей. Для горелок с высоким коэффициентом предельного регулирования превышение скорости истечения над скоростью отрыва не реализуемо. В этом случае правильным следует считать оснащение горелки огнепрег-радителем, что вообще не присуще горелкам с принудительной подачей воздуха. Огнепреградитель представляет собой набор каналов с размером меньшим, нежели критический диаметр гасящего канала [7]. Поскольку широкое использование горелок с принудительной подачей воздуха исключает возможность безусловного использования стабилизирующих тоннелей, становится необходимым применение стабилизаторов горения других типов.
Таким образом, конструктивный элемент горелки должен обеспечивать стабилизацию пламени за счет предотвращения его отрыва и проскока, способности изменять форму пламени и улучшать качество смеси. Элемент горелки в виде многоканальной вставки в огневой насадок может быть изготовлен, например, из свернутой в плотный рулон металлической ленты с отверстиями, которые имеют односторонние выступы по периферии. Внешняя поверхность вставки может быть плоской, вогнутой или выпуклой, что позволяет изменять форму факела.
На основании изложенных принципов создан и испытан газогорелочный блок (в собственном производстве принято название ГВГ), обладающий рядом преимуществ перед известными конструкциями.
Сертификационные стендовые испытания горелки ГВГ-2000 показали возможность ее работы без отрыва пламени на мощности 0,4 МВт, устойчивого поддержания избытка воздуха в пределах 1,07-1,25 на мощностях от 0,6 до 2,2 МВт. Содержание СО в дымовых газах во всем диапазоне регулирования мощности при испытаниях находилось в пределах ошибки газоанализатора JRM-1000, составляющей 2-5 мг/м3. При работе горелки в условиях испытательного стенда определено малое содержание NOx в выхлопных газах. Для горелок мощностью 3,0 МВт содержание NOx находится в пределах 80-120 мг/м3 при объемной нагрузке в камере сгорания до 1,5 МВт/м3. При установке периферийного завихрителя сопротивление потоку возрастает ориентировочно до 20 мм вод. ст., но значительно изменяется структура пламени и снижается содержание NOx, пересчитанное в соответствии с ГОСТ 21204-92, до 55-65 мг/м3.
Данные, полученные на испытательном стенде, не могут быть перенесены на другие агрегаты, поскольку при определенных конструкциях топочной камеры, интенсивности теплопередачи, теплового напряжения и т. д. могут существенно измениться факторы, влияющие на образование NOx [8]. Экспериментальное исследование работы блока ГВГ-3000 проведено на жаротруб-но-дымогарном котле описанной выше конструкции. При постепенном наращивании мощности котла от 860 до 2600 кВт (коэффициент избытка воздуха а = 1,26-И, 18) содержание NOx монотонно возрастает от 77,5 до 145 мг/м3 при пересчете содержания оксидов азота в сухих уходящих газах на коэффициент избытка воздуха, равный единице, в соответствии с требованиями ГОСТ 10617-83. При пересчете на объемное содержание кислорода в уходящих газах 3 %, как это принято фирмой Weishaupt [6], объем выбросов изменяется от 66,4 до 124,3 мг/м3 (проводимое сравнение с
Рис. 3. Содержание N0, (мг/м3) и СО (ррт) в зависимости от коэффициента избытка воздуха а
данными фирмы Weishaupt оправдано ведущей ролью этого предприятия, производящего газогорелочные устройства, на рынках Западной Европы). Одновременно следует особо подчеркнуть, что эта фирма гарантирует содержание оксидов азота при применении газого-релочных блоков стандартного исполнения в котлах мощностью 3 МВт при тепловом напряжении камеры сгорания 1,8 МВт/м3, что соответствует условиям эксплуатации разработанного котла, на уровне 150 мг/м3. При применении газовых горелок специального исполнения LN (LowNOx) и соблюдении требований к длине и диаметру жаровой трубы содержание оксидов азота составляет 100 мг/м3. Следовательно, разработанные горелки полностью соответствуют европейским нормам.
При недостатке кислорода для полного сгорания природного газа содержание NOx возрастает и достигает максимума при а = 1. Далее с ростом а содержание оксидов азота резко снижается [8]. Это положение подтверждено экспериментами с котлом КВТ-3-115 при использовании блока ГВГ-3000 (рис. 3). Содержание NOx приведено к а = 1. На рис. 3 одновременно проведена линия тренда (полиноминальная аппроксимация). Некоторое снижение содержания оксида азота при малых а объяснимо появлением ощутимых концентраций окиси углерода.
Снижение а в определенной мере позволяет полнее использовать теплоту природного газа. Но при этом возрастает температура факела, что приводит к усложнениям при конструировании тепловых агрегатов, предъявляет повышенные требования к материалам и увеличивает содержание Шхза счет не только увеличения температуры факела, но и повышения собственно температуры стенок камеры сгорания. В ходе экспериментальных исследований газогорелочные блоки новой конструкции были параллельно установлены в котле КВТ-3-115 и котле традиционной конструкции UNICON. Малоинтенсивный процесс теплопередачи в последнем случае приводил к очевидному увеличению температуры стенки жаровой трубы и, как следствие, к повышенному содержанию оксидов азота.
Представляется целесообразным отказаться от ужесточенных требований к минимизации коэффициента избытка воздуха, но с помощью современных методов увеличить КПД тепловых агрегатов, примером чего и является описанный выше водогрейный котел. При этом выполняются и требования к использованию теплоты природного газа и современные требования экологии.
Как указывалось ранее,европейские, в частности германские, нормы [6] предусматривают приведение содержания NOx в дымовых газах к тому, которое имело бы место при объемной доле кислорода в них 3 %, что практически соответствует а = 1,2. Приведенные фирмой Weishaupt примеры пересчета соответствуют работе блоков с а = 1,18, что косвенно свидетельствует об использовании газогорелочных блоков в газоисполь-зующем оборудовании европейских стран приблизительно в этой области.
В настоящее время работы по созданию и модернизации газоиспользующе-го оборудования продолжаются. Разработаны и широко используются нагреватели непосредственного сжигания газа с подачей в помещение животноводческих ферм и теплиц продуктов сгорания. Разработаны котлы аналогичные КВТ-3-115, но с уменьшенными габаритами благодаря компактному сочетанию корпуса и третьего хода. Следует особо отметить разработку котла с оребренным корпусом, значительная поверхность которого ранее не использовалась вообще. Третий ход газов при этом осуществлен в зазоре между корпусом и наружной обечайкой. В этом случае исключено использование дорогостоящих оребренных труб при том же КПД котла. Одновременно уменьшается металлоемкость агрегата.
Следует подчеркнуть, что разработанный котел КВТ-3-115, проходящий ресурсные испытания в ООО «Уралтрансгаз», обеспечивает КПД на уровне 96,5-97 % на всех режимах работы. Если принять, что освоенные котельные агрегаты имеют КПД на уровне 89 %, то при повышении КПД, по меньшей мере, на 6 % высвобождается 114 млн м3 газа при выработке более 54 млн ГДж теплоты.
Список литературы
1. Эффективная система отопления зданий/ В.Е. Минин, В.К. Аверьянов, Е.А. Беленький и др.; Под общей ред. В.Е. Минина. - Л.: Строй-издат, 1988.
2. Горский В.Г., Адлер Ю.П. Планирование промышленных экспериментов (модели статистики). - М.: Мир, 1974.
3. Бузников Е.Ф., Верес А.А., Грибов В.Б. Па-роводогрейные котлы для электростанций и котельных/ Под общ. ред. Е.Ф. Бузникова. -М.: Энергоатомиздат, 1989.
4. Котлы малой производительности за рубежом / Обзор, информ. Энергетическое оборудование. - М.: НИИинформтяжмаш, 1976.
5. Сборник правил и нормативно-технических документов по котлонадзору. - М.: Машиностроение, 1993.
6. Горелки газовые, комбинированные, жидко-топливные// Информационно-справ. каталог «Weishaupt». - 2001. (Изд. «NOWATHERM - РА-ЦИОНАЛ»).
7. Стаскевич Н.Л., Северинец Г.Н., Вигдорчик Д.Я. Справочник по газоснабжению и использованию газа. - Л.: Недра, 1990.
8. Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива. - Л.: Недра, 1987.
А.В. Наумейко, В.И. Дейнеженко, М.С. Гофман (Уралтрансгаз)
При недостатке кислорода для полного сгорания природного газа содержание NOx возрастает и достигает максимума при а = 1. Далее с ростом а содержание оксидов азота резко снижается [8]. Это положение подтверждено экспериментами с котлом КВТ-3-115 при использовании блока ГВГ-3000 (рис. 3). Содержание NOx приведено к а = 1. На рис. 3 одновременно проведена линия тренда (полиноминальная аппроксимация). Некоторое снижение содержания оксида азота при малых а объяснимо появлением ощутимых концентраций окиси углерода.
Снижение а в определенной мере позволяет полнее использовать теплоту природного газа. Но при этом возрастает температура факела, что приводит к усложнениям при конструировании тепловых агрегатов, предъявляет повышенные требования к материалам и увеличивает содержание Шхза счет не только увеличения температуры факела, но и повышения собственно температуры стенок камеры сгорания. В ходе экспериментальных исследований газогорелочные блоки новой конструкции были параллельно установлены в котле КВТ-3-115 и котле традиционной конструкции UNICON. Малоинтенсивный процесс теплопередачи в последнем случае приводил к очевидному увеличению температуры стенки жаровой трубы и, как следствие, к повышенному содержанию оксидов азота.
Представляется целесообразным отказаться от ужесточенных требований к минимизации коэффициента избытка воздуха, но с помощью современных методов увеличить КПД тепловых агрегатов, примером чего и является описанный выше водогрейный котел. При этом выполняются и требования к использованию теплоты природного газа и современные требования экологии.
Как указывалось ранее,европейские, в частности германские, нормы [6] предусматривают приведение содержания NOx в дымовых газах к тому, которое имело бы место при объемной доле кислорода в них 3 %, что практически соответствует а = 1,2. Приведенные фирмой Weishaupt примеры пересчета соответствуют работе блоков с а = 1,18, что косвенно свидетельствует об использовании газогорелочных блоков в газоисполь-зующем оборудовании европейских стран приблизительно в этой области.
В настоящее время работы по созданию и модернизации газоиспользующе-го оборудования продолжаются. Разработаны и широко используются нагреватели непосредственного сжигания газа с подачей в помещение животноводческих ферм и теплиц продуктов сгорания. Разработаны котлы аналогичные КВТ-3-115, но с уменьшенными габаритами благодаря компактному сочетанию корпуса и третьего хода. Следует особо отметить разработку котла с оребренным корпусом, значительная поверхность которого ранее не использовалась вообще. Третий ход газов при этом осуществлен в зазоре между корпусом и наружной обечайкой. В этом случае исключено использование дорогостоящих оребренных труб при том же КПД котла. Одновременно уменьшается металлоемкость агрегата.
Следует подчеркнуть, что разработанный котел КВТ-3-115, проходящий ресурсные испытания в ООО «Уралтрансгаз», обеспечивает КПД на уровне 96,5-97 % на всех режимах работы. Если принять, что освоенные котельные агрегаты имеют КПД на уровне 89 %, то при повышении КПД, по меньшей мере, на 6 % высвобождается 114 млн м3 газа при выработке более 54 млн ГДж теплоты.
Список литературы
1. Эффективная система отопления зданий/ В.Е. Минин, В.К. Аверьянов, Е.А. Беленький и др.; Под общей ред. В.Е. Минина. - Л.: Строй-издат, 1988.
2. Горский В.Г., Адлер Ю.П. Планирование промышленных экспериментов (модели статистики). - М.: Мир, 1974.
3. Бузников Е.Ф., Верес А.А., Грибов В.Б. Па-роводогрейные котлы для электростанций и котельных/ Под общ. ред. Е.Ф. Бузникова. -М.: Энергоатомиздат, 1989.
4. Котлы малой производительности за рубежом / Обзор, информ. Энергетическое оборудование. - М.: НИИинформтяжмаш, 1976.
5. Сборник правил и нормативно-технических документов по котлонадзору. - М.: Машиностроение, 1993.
6. Горелки газовые, комбинированные, жидко-топливные// Информационно-справ. каталог «Weishaupt». - 2001. (Изд. «NOWATHERM - РА-ЦИОНАЛ»).
7. Стаскевич Н.Л., Северинец Г.Н., Вигдорчик Д.Я. Справочник по газоснабжению и использованию газа. - Л.: Недра, 1990.
8. Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива. - Л.: Недра, 1987.
А.В. Наумейко, В.И. Дейнеженко, М.С. Гофман (Уралтрансгаз)
УДК 621.6