Управление процессом горения в газовой печи: соотношение воздуха и топлива, избыток воздуха и анализ процесса горения.
Контроль процесса сгорания — наиболее часто игнорируемая область работы газовой печи. Большинство газовых печей работают с избытком воздуха, что приводит к перерасходу топлива и снижению эффективности. Хорошо настроенная горелка с правильным соотношением воздуха и топлива обеспечивает экономию топлива на 5–15 процентов и снижение выбросов CO на 20–50 процентов. Настройка проста, но требует внимания к деталям и регулярной проверки. Вот схема, которую я использую при анализе работы газовой печи.
Основы химии горения
Природный газ состоит преимущественно из метана (CH4) с меньшим количеством этана, пропана и инертных газов. Полная реакция сгорания с чистым кислородом выглядит следующим образом:
CH4 + 2 O2 -шшшш CO2 + 2 H2O
На практике воздух для горения представляет собой смесь кислорода (21 процент) и азота (79 процентов). Стехиометрическое соотношение воздуха и топлива для природного газа составляет от 9,5 до 10,5 кубических метров воздуха на кубический метр газа, в зависимости от его состава. Фактическое соотношение воздуха и топлива в печи всегда выше стехиометрического, поскольку для обеспечения полного сгорания необходим некоторый избыток воздуха.
Избыток воздуха — это количество воздуха, подаваемого сверх стехиометрической нормы. Он выражается в процентах от стехиометрического количества воздуха. Например, 10-процентный избыток воздуха означает, что фактическое соотношение воздуха и топлива в 1,10 раза превышает стехиометрическое соотношение.
Почему избыток воздуха важен
Для обеспечения полного сгорания необходим некоторый избыток воздуха. При недостатке воздуха сгорание происходит не полностью, и в выхлопных газах содержатся CO и несгоревшие углеводороды. CO и несгоревшие углеводороды представляют собой потери топлива и являются проблемой, требующей соблюдения нормативных требований.
При избытке воздуха он поглощает тепло от пламени и выводит его через выхлопную систему. Температура выхлопных газов повышается, а топливная эффективность снижается. Оптимальный избыток воздуха — это минимальное значение, обеспечивающее полное сгорание с низким содержанием CO.
Для газовых горелок оптимальный избыток воздуха составляет от 5 до 10 процентов для высокоскоростных горелок и от 10 до 20 процентов для атмосферных горелок с низкой скоростью потока. Выбросы CO должны быть ниже 50 ppm (с поправкой на 3% O2) при оптимальном значении.
Как избыток воздуха влияет на эффективность
Взаимосвязь между избытком воздуха и эффективностью существенна. Увеличение избытка воздуха с 20% до 10% повышает топливную эффективность на 3-5%. Увеличение с 10% до 5% повышает эффективность еще на 1-2%. При избытке воздуха менее 5% выбросы CO быстро возрастают, и риск неполного сгорания становится проблемой безопасности и качества.
При работе газовой печи мощностью 5 МВт в течение 6000 часов в год повышение эффективности на 5 процентов позволяет сэкономить 250 кВт потребляемого топлива, что составляет 1,5 миллиона кВт·ч природного газа в год. При цене 0,40 доллара США за кубический метр это означает экономию от 150 000 до 200 000 долларов США в год на топливных расходах.
Процедура анализа продуктов сгорания
Анализ продуктов сгорания проводится с помощью портативного анализатора дымовых газов. Анализатор измеряет содержание O2, CO, CO2, NO, NO2 и температуру в отходящих газах. Анализ занимает от 30 до 60 минут на одну горелку, процедура следующая:
Запустите печь и доведите её до рабочей температуры.
2. Вставьте зонд в поток отработавших газов рядом с горелкой.
3. Запишите состав дымовых газов при текущей скорости сжигания топлива.
4. Отрегулируйте соотношение воздуха и топлива, чтобы довести содержание кислорода до целевого значения.
5. Убедитесь, что концентрация CO ниже допустимого предела (обычно 50 ppm с поправкой на 3% O2).
6. Повторите для каждой скорострельности в рабочем диапазоне.
Целевое содержание O2 для высокоскоростной рекуперативной горелки составляет от 3 до 5 процентов (что эквивалентно 15-25-процентному избытку воздуха). Для горелки с низким уровнем выбросов NOx и рециркуляцией отработавших газов целевое содержание O2 составляет от 5 до 8 процентов. Содержание CO должно быть ниже 50 ppm при целевом содержании O2.
Если концентрация CO превышает 50 ppm при целевом содержании O2, горелка нуждается в обслуживании. Наиболее распространенные причины высокой концентрации CO: износ патрубков горелки (замена горелки), загрязнение патрубков горелки (очистка горелки) и неправильное соотношение воздуха и топлива (перекалибровка регулятора соотношения).
Распространенные проблемы сгорания
Проблема 1: Избыток воздуха слишком велик. Симптомом является высокое содержание кислорода в выхлопных газах (более 5 процентов для высокоскоростной горелки), высокая температура выхлопных газов и низкая топливная эффективность. Причиной обычно является неправильно отрегулированное соотношение воздуха и топлива, неисправная воздушная заслонка или смещение горелки. Решение заключается в регулировке соотношения, ремонте заслонки или выравнивании горелки.
Проблема 2: Слишком высокий уровень CO. Симптомом является содержание CO выше 50 ppm в выхлопных газах, дым в выхлопной системе и, возможно, сажа на рабочей поверхности. Причиной обычно является низкое соотношение воздуха и топлива (слишком мало воздуха), износ горелки или засорение воздухозаборника. Решение заключается в увеличении подачи воздуха, замене горелки или очистке воздухозаборника.
Проблема 3: Слишком высокий уровень NOx. Симптомом является содержание NO в выхлопных газах выше 100 ppm. Причиной обычно является высокая скорость сгорания при недостаточном рециркуляции отработавших газов (FGR), смещение горелки или высокое значение избытка воздуха. Решение заключается в установке или регулировке FGR, выравнивании горелки или уменьшении избытка воздуха.
Проблема 4: Нестабильное горение. Симптомом являются колебания температуры печи, колебания содержания кислорода в выхлопных газах и неравномерный нагрев. Причиной обычно является износ регулятора соотношения, утечка воздуха из воздушной заслонки или колебания давления газа. Решение заключается в замене регулятора, ремонте заслонки или установке регулятора давления газа.
Системы регулирования соотношения воздуха и топлива
Современные системы управления газовыми печами используют регулятор с перекрестным ограничением соотношения для поддержания оптимального соотношения воздуха и топлива во всем диапазоне режимов работы. Конструкция с перекрестным ограничением блокирует воздушные и газовые клапаны, так что воздух всегда немного опережает газ (или немного отстает, в зависимости от типа горелки). Это предотвращает обеднение смеси при увеличении мощности или обогащение при уменьшении мощности.
Контроллер соотношения использует расходомер топлива (или сигнал давления газа) и расходомер воздуха для вычисления фактического соотношения воздуха и топлива. Вычисленное соотношение сравнивается с целевым, и воздушная заслонка регулируется для поддержания целевого значения. Контроллер также имеет входной сигнал коррекции от анализатора кислорода, который компенсирует долговременный дрейф соотношения воздуха и топлива.
Хорошо настроенный регулятор соотношения поддерживает соотношение воздуха и топлива в пределах 2 процентов от целевого значения на всем диапазоне стрельбы. Плохо настроенный регулятор может отклоняться на 10–20 процентов, что приводит к соответствующим потерям эффективности и увеличению выбросов.
Ежегодная настройка системы сгорания
Компания MONTE INTELLIGENCE рекомендует ежегодно проводить техническое обслуживание всех газовых печей. Техническое обслуживание выполняется сервисным инженером и включает в себя: анализ процесса сгорания каждой горелки при трех режимах работы (низкий, средний, высокий), калибровку регулятора соотношения пламени, осмотр зажигателя и пламенного стержня, а также осмотр воздушной заслонки и газового клапана. Техническое обслуживание занимает от 1 до 2 дней на одну печь, а типичная экономия энергии составляет от 3 до 8 процентов в течение следующих 12 месяцев эксплуатации.
Затраты на техническое обслуживание окупаются за 1-3 месяца за счет снижения стоимости топлива. В ходе технического обслуживания также выявляются проблемы с горелкой и системой управления, которые, если их не устранить, могут привести к незапланированным простоям.
Обратитесь в MONTE INTELLIGENCE по вопросам настройки системы сгорания.
Для покупателей, заинтересованных в настройке процесса сгорания в существующей газовой печи, инженеры MONTE INTELLIGENCE могут запланировать визит специалиста и предоставить письменный отчет с результатами испытаний и рекомендациями по регулировке. Посетите сайт.www.cnlymonte.com/products-gas-furnace.html Технические характеристики продукции см. на сайте. Для запроса на выезд специалиста отправьте электронное письмо по адресу helenxu@cnlymonte.com с темой «Настройка системы сгорания» и укажите тип вашей печи, модель горелки и текущие цены на топливо.
