Что такое разряжение в печи

Что такое разрежение в топочной камере котла и как его нормализовать

Разрежение в топочной камере является основным и наиболее важным явлением, на котором строится функционирование котлов с естественной тягой через дымоход. При недостаточном разрежении горение сильно затрудняется или прекращается вовсе, в помещение попадают токсичные продукты сгорания. При чрезмерном – происходит перерасход топлива.

Что такое разрежение в топке котла

Разрежение в топке котла – это снижение в ней давления под влиянием разницы температур, вследствие чего в топочную камеру естественным путем осуществляется приток свежих воздушных масс, а продукты сгорания вытесняются через дымоход.

Схематическое изображение процесса разрежения в топке котла.

Простыми словами, плотность воздуха зависит от температуры: чем она выше, тем плотность воздуха меньше. Отсюда и термин «разрЕжение«, который часто путают с «разрЯжением«. Соответственно, к зоне низкой плотности (топке котла) осуществляется приток воздуха из зоны более высокой плотности (помещения), поскольку давление там выше. Нагретые воздушные массы и продукты сгорания стремятся вверх и дополнительно вытесняются свежими воздушными массами через дымоход. Иными словами явление называют естественной тягой котла.

Способы и единицы измерения

Для бытового водогрейного котла с традиционным вертикальным дымоходом нормой считаются показатели 10-20 Па.

Причины падения разрежения в топке котла и способы решения проблемы

Критическим считается падение ниже минимального порога 9-10 Па, при нем могут наблюдаться проблемы с горением, попадание в помещение недожженного топлива, продуктов его сгорания. Если исключить ошибки в конструкции топочной камеры и самого котла, причины падения разрежения в топке котла обычно просты и легко исправимы:

Также важно понимать, что разрежение может быть нестабильным и недостаточным, если разница температур в топочной камере и атмосфере не столь существенна, например, в относительно теплые времена вне отопительного сезона при работе котлоагрегата в минимальном температурном режиме.

Регулирование с помощью датчика

Источник

Разряжение в топке котла

Приобретая частные дома, многие строят печи для отопления помещений. Печь или котел обязательно имеют топливник или топку. Это зона, в которой происходит горение материала. Если кислорода будет недостаточно, то отопление будет осуществляться с большими тепловыми потерями. Разряжение в топке котла или тяга – это один из важнейших параметров. Есть правила, по которым его измеряют, увеличивают, уменьшают при необходимости.

Тяга как физическое явление

Прежде чем рассматривать особенности конструкции топки, нужно понять, что такое разряжение в топке. Разряжение или тяга – это уменьшение давления продуктов сгорания, воздуха, благодаря которому обеспечивается приток среды по каналам сооружения в зону низкого давления. Принято различать два вида тяги: (См. также: Ремонт топки печи своими руками)

Чтобы контролировать процесс можно перекрывать отверстие, через которое поступает новый воздух. Очень часто в небольших домашних котлах и печах тяга естественная тяга настолько хороша, что даже требует уменьшения. Единственный недостаток в том, что чем выше температура окружающей среды, тем меньше разряжение. А также при плохой регулировке холодного воздуха будет так много внутри, что печь, не будет прогреваться;

Дымосос требует достаточно много электроэнергии, шумит при работе. Для небольших печей и котлов лучше выбирать варианты с вентиляторами. Обычно вместе с принудительной тягой в любой системе будет присутствовать и естественная, но они не всегда сонаправленны.

Габариты топки для отличного горения

При самостоятельной выкладке печи нужно знать, как правильно устроить топку. Также эти знания могут потребоваться при выборе топки. Топливник – это прямоугольная камера, внутри которой сгорает топливо. Там всегда очень высокие температуры, а потому нужно использоваться специальные материалы. Стандартными размерами считаются габариты 25х38 см. Высота около 80 см. Чаще всего камера используется для сжигания дров, торфа, угля.

Конструкция такова, чтобы разряжение в топке котла было равномерным. Топка имеет обязательную часть – колосниковая решетка, а также поддувало. Решетка располагается немного ниже дверцы для закладки топлива. На ней будут лежать дрова, торф, горючие материалы. В ней проделаны отверстия, чтобы обеспечить приток воздуха. Поддувало – это отверстие в печи ниже топки, которое нужно для улучшения тяги. Нижняя часть топки под колосниковой решеткой – зольник, где будут собираться отходы. (См. также: Как увеличить тягу в дымоходе)

Есть три тонкости, определяющие размеры топки печи:

Измерение разряжения

В котельных аварийные ситуации крайне нежелательны, так как от них многое зависит, могут быть жертвы среди обслуживающего персонала. Но даже в небольшом доме печь или котел должны работать исправно. Множество датчиков постоянно отслеживают работу устройства. Существует датчик разряжения в топке. Есть несколько разных конструкций датчика, главное, чтобы он исправно работал.

Датчик может измерять разрешение, или реагировать на превышение определенного значения. На предприятиях от датчика сигнал передается на устройство оповещения: световое, звуковое, электромагнитное. И сотрудники или автоматика принимают меры для стабилизации ситуации. Например, может быть уменьшен приток воздуха или топлива. Принимаемые меры зависят от конструкции конкретного котла или топки.

Первая топка печи и проверка тяги

После того как была сложена печь, нужно сделать две вещи: дать ей просохнуть и определить качество тяги. Для просушки печи должна пройти неделя. На этот период оставляют открытыми все дверцы, поддувало печи. Можно жечь бумагу и щепки в небольшом количестве. Если не дать ей качественно высохнуть, возможно, растрескивание материала в дальнейшем.

Чтобы узнать, сколько тепла даст печь, проводят проверку тяги. Она зависит от:

Пробные топки проводят не спеша. Сначала всегда жгут бумагу и щепки, а после уже поджигают дрова. Может возникнуть задымление помещения. Это свидетельствует о не очень хорошей тяге. Иногда проблему решает сжигание в дымоходе бумаги или щепок. Багровое пламя свидетельствует о неполном сгорании топлива. Будет образовываться много копоти, оседающей в дымоходе и сужающей отверстие.

Если же огонь соломенно-желтого цвета и дым бесцветных, то печь сложена правильно. Проверить тягу можно с помощью специального устройства. Если его нет в наличии, то можно использовать обычную бумагу. Лист или полоску бумаги аккуратно подносят к открытой дверце топке. Если она потоком воздуха отклониться к топке, будет затягиваться внутрь, то проблем нет. Хорошо сложенную печь могут украсить часы каминные. Она будет не только нагревать помещение, но и быть эстетически привлекательной.

Готовые топки

Чтобы не мучить себя вопросом подбора размера топки для хорошей тяги, можно приобрести готовые варианты. Сегодня рынок представляет большой ассортимент подобной продукции. Преимущество такой топки в том, что она сделана по всем правилам, надежна, легко монтируется.

От группы МЕТА

Целых четыре варианта топок для каминов выпускает компания МЕТА:

От компании Keddy

Шведские инженеры славятся свое способностью работать с чугуном. Топки Кедди отличает качество используемого чугуна в первую очередь. Технологии его производства и обработки засекречены. Уже очень давно они освоили тонкости работы с этим материалом. По этой причине каждое их изделие отличает:

Логический итог

Разряжение в топке обеспечивает равномерный нагрев помещения. Это обычный физический процесс, которого достаточно для устройства отопления в небольших домах. Качество тяги в большой степени определяется формой и габаритами топки. Ее можно как сложить вручную, так и купить готовую. Преимущества готовой в том, что ее конструкция разработана так, чтобы максимизировать КПД. В зависимости от предполагаемого топлива может меняться конструкция печи.

Предварительная топка нужна для того, чтобы определить качество тяги. В дальнейшем, если требуется постоянный контроль данного параметра, используют специальные датчики. В зависимости от типа котла или печи используют датчики разной конструкции.

Когда камин или печь готовы, их нужно украсить. Сегодня это не просто устройство для отопления, но и часть интерьера. Очень часто приобретают каминные часы из фарфора. Это долговечный материал, которому не страшна высокая температура вблизи камина.

Источник

Регулирование разряжения в топке котла

Что такое разрежение в топке котла

Разрежение в топке котла – это снижение в ней давления под влиянием разницы температур, вследствие чего в топочную камеру естественным путем осуществляется приток свежих воздушных масс, а продукты сгорания вытесняются через дымоход.

Схематическое изображение процесса разрежения в топке котла.

Простыми словами, плотность воздуха зависит от температуры: чем она выше, тем плотность воздуха меньше. Отсюда и термин «разрЕжение», который часто путают с «разрЯжением». Соответственно, к зоне низкой плотности (топке котла) осуществляется приток воздуха из зоны более высокой плотности (помещения), поскольку давление там выше. Нагретые воздушные массы и продукты сгорания стремятся вверх и дополнительно вытесняются свежими воздушными массами через дымоход. Иными словами явление называют естественной тягой котла.

Способы и единицы измерения

Единицы измерения разряжения в топке котла – Паскали (Па). Измеряется показатель приборами, принцип работы которых основан на чувствительности жидкостного или пружинного датчика давления: манометром или вакуумметром. Также применяются анемометры, измеряющие непосредственно силу естественной тяги.

Для бытового водогрейного котла с традиционным вертикальным дымоходом нормой считаются показатели 10-20 Па.

Габариты топки для отличного горения

При самостоятельной выкладке печи нужно знать, как правильно устроить топку. Также эти знания могут потребоваться при выборе топки. Топливник – это прямоугольная камера, внутри которой сгорает топливо. Там всегда очень высокие температуры, а потому нужно использоваться специальные материалы. Стандартными размерами считаются габариты 25х38 см. Высота около 80 см. Чаще всего камера используется для сжигания дров, торфа, угля.

Конструкция такова, чтобы разряжение в топке котла было равномерным. Топка имеет обязательную часть – колосниковая решетка, а также поддувало. Решетка располагается немного ниже дверцы для закладки топлива. На ней будут лежать дрова, торф, горючие материалы. В ней проделаны отверстия, чтобы обеспечить приток воздуха. Поддувало – это отверстие в печи ниже топки, которое нужно для улучшения тяги. Нижняя часть топки под колосниковой решеткой – зольник, где будут собираться отходы. (См. также: Как увеличить тягу в дымоходе)

Есть три тонкости, определяющие размеры топки печи:

Причины падения разрежения в топке котла и способы решения проблемы

Критическим считается падение ниже минимального порога 9-10 Па, при нем могут наблюдаться проблемы с горением, попадание в помещение недожженного топлива, продуктов его сгорания. Если исключить ошибки в конструкции топочной камеры и самого котла, причины падения разрежения в топке котла обычно просты и легко исправимы:

Оптимальная высота дымохода согласно СНиП 41-01-2003.

Также важно понимать, что разрежение может быть нестабильным и недостаточным, если разница температур в топочной камере и атмосфере не столь существенна, например, в относительно теплые времена вне отопительного сезона при работе котлоагрегата в минимальном температурном режиме.

Комплект средств управления КСУ-2П.

Для котлов, работающих на газовом топливе, выпускаются следующие модификации:

КСУ-2П совместно с датчиками и исполнительными устройствами обеспечивает: двухпозиционное регулирование основных технологических параметров котла (стабилизацию уровня воды в барабане — для КСУ-2П-1-Г и КСУ-2П-2-Г; стабилизацию давления пара — для всех модификаций); автоматику безопасности (подача газа к котлу прекращается при аварийных понижении и повышении давления газа, понижении давления воздуха, повышении давления пара на выходе из котла, отсутствии пламени горелки, аварийных повышении и понижении уровня в барабане котла — для КСУ-2П-1-Г и КСУ-2П-2-Г, понижении разрежения в топке котла — для КСУ-2П-1-Г, при аварийном повышении температуры пара на выходе из котла и температуры отходящих газов — для КСУ-2П- 3-Г); световую и звуковую аварийную сигнализацию с запоминанием первопричины аварии; выдачу на диспетчерский пульт сигналов о включении комплекта и останове котла; автоматический пуск и останов; рабочую сигнализацию.

БУС содержит функциональные блоки. На передней панели БУС размещены органы оперативного управления и сигнализации (рисунок ниже). Кроме того, БУС включает в себя промежуточные реле, используемые для управления исполнительными устройствами котла и магнитными пускателями блока БКЭ 16, а также и для переключения цепей БУС в процессе выполнения программы управления.

Регулирование с помощью датчика

В бытовых целях постоянный контроль тяги не оправдан в виду дороговизны контрольно-измерительных устройств. В современных отопительных котлах для контроля показателя применяются представляющие собой несколько иное устройство датчики тяги. Однако в промышленных масштабах устанавливаются специальные датчики разрежения: АДР-0,125.4.1 или АДР-0,25.4.1; Метран-100-ДИВ-1310. Стоимость датчиков начинается от 5 тыс. руб.

Разрежение в топочной камере является основным и наиболее важным явлением, на котором строится функционирование котлов с естественной тягой через дымоход. При недостаточном разрежении горение сильно затрудняется или прекращается вовсе, в помещение попадают токсичные продукты сгорания. При чрезмерном – происходит перерасход топлива.

В бытовых целях постоянный контроль тяги не оправдан в виду дороговизны контрольно-измерительных устройств. В современных отопительных котлах для контроля показателя применяются представляющие собой несколько иное устройство датчики тяги. Однако в промышленных масштабах устанавливаются специальные датчики разрежения: АДР-0,125.4.1 или АДР-0,25.4.1; Метран-100-ДИВ-1310. Стоимость датчиков начинается от 5 тыс. руб.

Регулирование разряжения в топке котла — современный подход

В статье рассматривается вопрос построения системы автоматического регулирования разряжения в топке котла на базе современных микропроцессорных средств автоматизации с использованием в контуре регулирования частотного преобразователя-инвертора. Предлагается способ поэтапного перехода от существующей системы к предлагаемой.

Реализация данной системы позволит значительно снизить потребление электроэнергии на привод дымососа котельного агрегата, работающего большую часть времени в регулирующем режиме.

Данное решение предлагается для внедрения на котельных агрегатах малой и средней мощности.

Как возникает разряжение в дымоходе?

Естественное разряжение воздуха или газов основано на силе Архимеда. При нагревании воздуха или газа его плотность становится меньше по сравнению с плотностью холодного воздуха. Из-за этого давление нагретого значительно ниже и он может поднимать наверх. Наибольшее разряжение в дымоходе возникает в нижней части, поскольку в этом месте самая большая разница давлений.

Чем выше разница давлений, тем лучше тяга. Когда естественное разряжение недостаточно сильное, прибегают к принудительной тяге. Чтобы обеспечить правильное движение продуктов горения, применяются дымососы. Тяга обеспечивается крутящимися лопастями, которые приводятся в движение электромотором. Разряжение обычно возникает при всасывании воздуха такими устройствами. Чем дальше воздушные массы от дымососа, тем меньше тяга. Главная их особенность заключается в возможность регулировать разряжение в топке котла и дымоходных трубах.

Введение

Призывы правительства к бережному отношению к энергоресурсам и внедрению энергосберегающих технологий выглядят по меньшей мере странными для страны, ставшей на рельсы рыночной экономики. Рыночная экономика, основанная на жесткой конкуренции, предполагает такой подход «по умолчанию». Однако братья славяне, упорно придерживаясь принципа «пока гром не грянет:», ждут своего часа. Наконец, он настал («не было бы счастья :»). Сразу появились призывы к срочным действиям, уже организовываются летние семинары в Ялте и т.д. Однако, некоторые решения лежат на поверхности. Как говорил мой давний знакомый — изобретатель: «Когда я хожу по территории завода (цеха…), то мне кажется, что я хожу по ассигнациям». Быстрого результата в сфере теплоэнергетики можно достичь, уделив должное внимание контуру регулирования разряжения в топке котельного агрегата.

Еще в технической литературе 30-летней давности в качестве одного из возможных способов регулирования разряжения в топке котла предлагалось скоростное регулирование либо изменением числа оборотов дымососа с помощью гидравлических муфт, либо посредством изменения частоты вращения электропривода. Показано, что такой способ наиболее экономичен.

Появление на рынке частотных преобразователей-инверторов создали условия для реализации давней технической идеи в жизнь.

Измерение разряжения

В котельных аварийные ситуации крайне нежелательны, так как от них многое зависит, могут быть жертвы среди обслуживающего персонала. Но даже в небольшом доме печь или котел должны работать исправно. Множество датчиков постоянно отслеживают работу устройства. Существует датчик разряжения в топке. Есть несколько разных конструкций датчика, главное, чтобы он исправно работал.

Датчик может измерять разрешение, или реагировать на превышение определенного значения. На предприятиях от датчика сигнал передается на устройство оповещения: световое, звуковое, электромагнитное. И сотрудники или автоматика принимают меры для стабилизации ситуации. Например, может быть уменьшен приток воздуха или топлива. Принимаемые меры зависят от конструкции конкретного котла или топки.

Автоматическая система регулирования разряжения

1.1. Характеристика участка регулирования

Объект регулирования по разряжению представляет собой последовательно расположенные топку (камеру сгорания) и газоходы до всасывающих патрубков дымососа. Наличие небольшого разряжения 2-3 мм. вод. ст.(20-30 Па) в верхней части топочного пространства необходимо для устойчивости факела в зоне горения, предотвращения выбивания продуктов горения из котла и косвенно характеризует материальный баланс между воздухом-окислителем топлива и отходящими газами-продуктами горения. Входное регулирующее воздействие-расход отсасываемых дымовых газов, определяемый производительностью дымососа. Внешнее возмущающее воздействие-изменение расхода воздуха, подаваемого в топку при изменении тепловой нагрузки котельного агрегата. Внутренние возмущения — нарушения газовоздушного режима.

Динамические свойства объекта регулирования характеризуются отсутствием запаздывания, малой инерционностью (постоянная времени порядка 5-10 сек), самовыравниванием. Особенностью являются колебания регулируемой величины около среднего значения с амплитудой 3-4 мм. вод. ст.(30-40 Па) с частотой несколько герц. Такие низкочастотные колебания обусловлены, в частности, пульсациями расходов топлива и воздуха, кроме того, процесс горения сам является источником высокочастотных колебаний(100-150 Гц), отдельные низкочастотные моды которых могут резонировать.

1.2. Способы регулирования

Регулирующее воздействие можно осуществлять путем изменения производительности дымососа:

Из графиков видно, что при нагрузках отличных от 100%-ной наиболее экономичным является скоростной способ реализации регулирующего воздействия.

С точки зрения структуры контура регулирования наибольшее распространение получила одноконтурная схема с импульсным регулирующим блоком, который совместно с исполнительным механизмом постоянной скорости реализует ПИ-закон в импульсном режиме.

Однако стоит отметить, что контуры регулирования соотношения топливо-воздух и разряжения физически связаны через объект регулирования, поэтому при работе котла в регулирующем режиме (т.е.при частом изменении нагрузки котла) изменение расхода воздуха для поддержания соотношения с топливом нарушает баланс материальных потоков и для предотвращения такой ситуации вводят упреждающий исчезающий сигнал от регулятора воздуха (реальное дифференцирования выходного сигнала регулятора воздуха).

1.3. Существующие технические средства регулирования разряжения

Как правило для котлов малой и средней мощности используются следующие средства автоматизации:

В случае необходимости осуществить динамическую связь между контурами соотношения топливо-воздух и разряжения используется комплект динамической связи КДС (МЗТА).

Как видим весь комплекс технических средств производится в России. Живучесть такого комплекса обусловлена не только консервативностью эксплуатационников, но и наличием мощного рынка так называемых «неликвидов», сроки существования которого предопределены.

Если ориентироваться на реальные цены новых средств автоматизации, то получим следующее:

Таким образом замена приборов(а они рано или поздно выйдут из строя окончательно) в рамках старой схемы регулирования обойдется примерно в 7000 грн., при этом ни шагу не будет сделано в сторону получения каких либо экономических дивидендов.

Источник

Повышение эффективности технологических нагревательных печей НПЗ

Авторы: Ю.А. Бадьин, В.Ф. Решетов (ОАО «ВНИКТИ нефтехимоборудование»), В.М. Ящук (ВолгГТУ).

Опубликовано в журнале Химическая техника №3/2016

Технологические трубчатые печи с огневым обогревом являются главными потребителями энергии в нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности. В крупнотоннажных производствах НПЗ их доля в энергопотреблении доходит до 70% [1]. Повышение эффективности при их использовании позволяет получить существенную экономию и заметно снизить энергозатраты в общем балансе затрат на производство продукции. Как показывает практика обследований на предприятиях отрасли, важнейшим параметром, позволяющим добиться высокой эффективности эксплуатации нагревательных печей, контролю которого в ходе эксплуатации уделяется недостаточное внимание, является разрежение в топочном пространстве печи и управление тягой печи с целью его регулирования.

При эксплуатации оборудования на неоптимальном по разрежению режиме возможны две противоположные, но неблагоприятные по последствиям ситуации: эксплуатация технологических печей производится либо с очень большими значениями разрежения, либо с избыточным давлением в топочном пространстве. В обоих случаях имеет место значительный перерасход топлива и риск возникновения аварийной ситуации.

Вместе с тем имеются значительные резервы снижения энергопотребления за счет обучения операторов управлению уровнем тяги и внесения необходимых изменений в конструкции печей. Автоматическое регулирование тяги может еще более улучшить эффективность печей.

Тяга – это разность между давлением газов внутри технического устройства и давлением окружающей среды при их свободном сообщении. Тяга возникает вследствие того, что газы внутри печи, в газоходах и в дымовой трубе легче, чем более холодный воздух снаружи, и поэтому они вытесняются более холодным и тяжелым воздухом.

Теоретически рассчитанная тяга (Па) выражается формулой

P = 9,81H(ρг – ρа), (1) где H – высота технического устройства, м; ρг – средняя плотность газа в газоходе, кг/м3; ρа – средняя плотность атмосферного воздуха, кг/м3.

По абсолютной величине тяга отрицательна. Для вычисления средней плотности воздуха и дымовых газов используются законы идеальных газов.

Воздух для горения из атмосферы подается в горелки, где топливо сжигается в смеси с воздухом в печи, и горячие дымовые газы отводятся через газоходы и дымовую трубу в атмосферу (рис. 1–4).

Рис. 1. Технологическая печь с естественной тягой Рис. 2. Технологическая печь с дымососом Рис. 3. Технологическая печь с воздунагнетателем Рис. 4. Технологическая печь
с воздунагнетателем и дымососом

При прохождении через секцию конвекции и газоходы газы преодолевают их аэродинамическое сопротивление.

Высота дымовой трубы задается с таким расчетом, чтобы обеспечить тягу, достаточную для преодоления этого сопротивления и гарантировать отрицательное давление (или разрежение) внутри печи.

Как видно из формулы (1), тяга не является постоянной величиной и зависит от состояния окружающей атмосферы, температуры газов внутри печи, в газоходах и дымовой трубе. При прочих равных условиях тяга максимальна в холодное время года и минимальна в теплое.

Влажность воздуха также существенно влияет на тягу: увеличение влажности снижает тягу.

Следующий пример иллюстрирует влияние состояния атмосферы на работу печей.

Тяга дымовой трубы Н = 100 м для выброса в атмосферу дымовых газов печи температурой tг = 200°С составит: – для теплого времени года (t = 20°C): ρа = 1,198 кг/м3; ρг = 0,725 кг/м3 (плотность дымового газа при 200°C);

P = 9,8·100(0,725 – 1,198) = – 464,0 Па; – для холодного времени года (t = – 20°C): ρа = 1,387 кг/м3;

P = 9,8·100(0,725 – 1,387) = – 649,4 Па.

Разница в тяге дымовой трубы летом и зимой за счет разницы плотности атмосферного воздуха ΔP = 185,4 Па.

Принимая во внимание, что рекомендуемый рабочий диапазон величины разрежения в топочном пространстве печи составляет в конкретном случае –10… –40 Па, можно сделать вывод, что при отсутствии регулирования оптимальный режим эксплуатации печи может легко нарушиться в связи с сезонным изменением атмосферы.

Всем этим обусловливается необходимость регулирования тяги в ходе эксплуатации.

Существуют четыре типа систем обеспечения тяги в печах:

Важность регулирования тяги

Регулирование тяги в печи имеет целью обеспечение снабжения воздухом процесса горения в печи. В результате экзотермической реакции вследствие соединения топлива с кислородом образуются теплота и дымовые газы. Топливо и воздух должны быть смешаны полностью и в стехиометрических количествах. В реальных условиях эксплуатации полное и совершенное смешение топлива и воздуха невозможно из-за недостатка времени, в течение которого происходит горение. Если обеспечено только теоретически необходимое количество воздуха, то некоторое количество топлива не будет полностью сжигаться, и поэтому необходим избыток воздуха (выражается в % теоретически необходимого количества).

Коэффициент избытка воздуха в значительной степени зависит от вида сжигаемого топлива и марки горелок.

Процесс распыления и смешивания с воздухом жидкого топлива значительно сложнее, чем газообразного.

Для распыления жидкого топлива применяется водяной пар или подогретый воздух. Способ распыления и наличие подачи воздуха также влияет на необходимый коэффициент избытка топлива. В общем случае необходимый избыток воздуха для сжигания жидкого топлива больше, чем для сжигания газообразного.

Рекомендуемые значения коэффициента избытка воздуха в зависимости от марки горелки, вида топлива, способа распыления приведены в таблице [2].

Избыток или недостаток воздуха оказывают непосредственное влияние на эффективность печей и являются одним из важнейших эксплуатационных параметров. Большой избыток воздуха, подаваемого в печь, приводит к большим тепловым потерям вследствие двух происходящих процессов:

Одновременно, вследствие большего объема вырабатываемых дымовых газов улучшается работа секции конвекции печи за счет большей скорости движения дымовых газов. Но поскольку именно секция радиации обеспечивает основную часть теплопроизводительности печи (обычно более 70%), тепловые потери могут только быть уменьшены.

В случае недостаточной подачи воздуха относительно рекомендованных значений результатом будет неполное сгорание топлива и снижение количества вырабатываемого тепла. Снижается температура пламени и ухудшаются условия лучистого теплообмена. Для поддержания заданной теплопроизводительности печи приходится увеличивать подачу топлива.

Таким образом, можно сделать вывод, что в ходе эксплуатации необходимо обеспечивать снабжение воздухом горелок печи с заданным значением коэффициента избытка воздуха.

Избыток или недостаток воздуха проявляет себя в наличии кислорода в дымовых газах. В настоящее время наиболее удобным и точным методом контроля является метод измерения содержания кислорода в дымовых газах.

Избыточное количество воздуха α с достаточной точностью может быть вычислено по формуле α = 100x/(21 – x), %, (2) где x – содержание кислорода, % об.

Увеличение содержания на 1% об. кислорода соответствует

5%-ному увеличению избытка воздуха и соответственно увеличению коэффициента избытка воздуха на 0,05 (например, содержание 3% об. кислорода соответствует коэффициенту избытка воздуха 1,15).

Обычно в технологических нормах указывается диапазон значений содержания кислорода в дымовых газах печи, например, 2–4 % об.

Подсос воздуха

Основной причиной неточности в определении действительного коэффициента избытка воздуха является возможность подсоса воздуха в топку печи через неплотности печи, что приводит к повышению количества содержания кислорода в дымовых газах печи. Этот кислород не участвует в процессе горения, но присутствует в дымовых газах. В связи с этим особое внимание следует уделять ситуации, когда эксплуатация печи производится с низкими значениями содержания кислорода в дымовых газах, но при этом превышающими установленное минимальное допустимое значение. Имеющиеся подсосы воздуха маскируют недостаточное снабжение горелок воздухом.

Промышленные печи могут иметь места подсоса воздуха вследствие различных причин, но в основном из-за недостаточно квалифицированного обслуживания и из-за ошибок при проектировании.

Большое количество печей находятся в эксплуатации много лет и подверглись значительному изнашиванию.

Они расположены на открытом воздухе и вследствие воздействия погодных условий изнашивание ускоряется.

Большие по размерам промышленные печи имеют большое число соединений, которые при разрушении могут привести к образованию мест подсоса. Циклические термические нагрузки в процессе нагрева и охлаждения приводят к образованию трещин в футеровке, а металлический корпус может получить повреждения из-за происходящих в ходе эксплуатации «хлопках» горючего газа в топке. Трещины могут быть достаточно малы, не замечены и не устранены, но могут приводить к большим объемам подсоса воздуха.

В камерах сгорания промышленных печей имеется большое число отверстий различного назначения:

Эти отверстия в камерах сгорания могут быть плохо герметизированы.

Рис. 5. Подсос воздуха в узле ввода трубы в камеру конвекции печи

На рис. 5 показано отверстие для прохождения трубы змеевика в камеру конвекции. Герметизация отверстия должна была проводиться с помощью огнеупорного материала. Большая часть прокладочного материала отсутствует, что приводит к интенсивному подсосу воздуха. На рис. 6 показан пример правильной герметизации узлов пропуска труб змеевика в камеру сгорания с помощью высокотемпературного уплотнения.

Рис. 6. Правильная герметизация проходящих труб змеевика в камеру радиации Рис. 7. Открытая гляделка
и трещина в металлическом корпусе технологической печи

На рис. 7 показан пример открытой гляделки и трещины в металлическом корпусе печи. Иногда персонал принимает решения производить эксплуатацию печи с открытыми гляделками. Это все равно не позволяет улучшить снабжение воздухом процесса горения и потому не имеет смысла.

Рис. 8. Недостаточно герметизированная гляделка с металлической привалочной поверхностью; видна аналогичная гляделка с противоположной стороны

На рис. 8 показана недостаточно герметизированная гляделка. Привалочная поверхность гляделки выполнена только из металла (без прокладочного материала).

Следует отметить, что печи обычно оснащаются большим числом гляделок, и это может обусловить значительный подсос воздуха, даже если подсос через отдельную гляделку может быть относительно небольшим.

Визуально можно выявить ситуацию подсоса воздуха по более темному цвету по периметру гляделки вследствие более низкой температуры за счет подсоса холодного атмосферного воздуха (показана аналогичная гляделка с противоположной стороны печи).

Наиболее рационально в данном случае применение смотровых портов, которые позволяют значительно сократить подсос воздуха в печь и производить осмотр без открытия, что повышает безопасность персонала. Например, в случае наличия в топочном пространстве печи избыточного давления при попытке открыть гляделку и выхлопе горячих газов наружу человек может получить ожоги. чей с открытыми недействующими горелками. Такая ситуация может возникнуть при необходимости уменьшения производительности печи. При выключении некоторых горелок необходимо закрывать заслонки, регулирующие подачу в них воздуха. Простое выключение подачи топлива в горелку с естественной тягой без закрытия заслонок означает, что будет происходить подсос воздуха в печь; при этом подсос происходит именно в том в месте, где поддерживается высокое разрежение, что приводит к большому объему подсоса воздуха.

Необходимо иметь в виду, что заслонки для доступа воздуха предназначены для регулирования подачи воздуха и не предназначены для полной герметизации горелки. Даже в закрытом положении через них будет происходить заметный подсос воздуха. В связи с этим желательно снижать производительность печи уменьшением мощности каждой горелки, чтобы они оставались в работе.

Рис. 9. Недостаточная герметизацизация труб, проходящих в камеру радиации печи, выявляется по наличию света
от пламени горелок

На рис. 9 показан случай, когда вследствие недостаточной герметизации проходящих труб происходит подсос воздуха – недостаточная герметизация выявляется визуально по наличию в щели света от пламени горелок.

Кроме того, если технологическая печь эксплуатируется при значительно более высоком уровне разрежения, чем проектное значение, то подсос воздуха может резко возрасти. Такая ситуация обычно возникает, когда шибер на выходе печи открыт в значительной степени, а заслонки горелок почти прикрыты [3]. В результате увеличивается объем воздуха, подсасываемого в печь через трещины футеровки и корпуса, а также через другие места с недостаточной герметизацией.

Средствами инструментального контроля может фиксироваться соответствие содержания кислорода в дымовых газах установленной норме, но на самом деле горение будет производиться с недостатком воздуха. В связи с этим необходимо предусматривать установку прибора контроля содержания моноксида углерода в дымовых газах. Увеличение содержания моноксида углерода более установленного значения однозначно свидетельствует о недостаточном снабжении воздухом горелок.

К сожалению, большое количество технологических печей, выполненных по старым проектам, не оснащены приборами контроля содержания указанных газов, и поэтому контроль тяги недостаточен, что обусловливает неточную настройку режимов горения и перерасход топлива.

В ходе эксплуатации необходимо периодически проводить настройку режимов горения в печах в силу сезонных и погодных изменений состояния атмосферы и соответствующего изменения тяги в печах.

Объем подсоса воздуха

Размер отверстия непосредственно влияет на объем воздуха, который засасывается в топочное пространство печи. На рис. 10 [3] показана зависимость объема воздуха, проходящего через отверстие диаметром 28 мм (площадь 6,5 см2) от разрежения.

Рис. 10. Зависимость объема воздуха, проходящего через отверстие диаметром 28 мм (площадь 6,5 см2) от разрежения

В предположении, что заслонки недействующей горелки оставлены открытыми, можно оценить дополнительный объем воздуха, поступающий в печь через недействующую горелку.

Диаметр горловины горелки составляет 410 мм, что соответствует площади 1300 см2. Предполагая, что согласно проекту тяга на уровне пода печи составляет 75 Па, для отверстия диаметром 28 мм при указанном разрежении подсос воздуха составит 21 м3/ч; для отверстия диаметром 410 мм – 4200 м3/ч. Для печи теплопроизводительностью 29 МВт при работе с коэффициентом избытка воздуха 1,15 (15% избытка воздуха, что соответствует содержанию кислорода в дымовых газах 3% об.) для газообразного топлива (метана) расход воздуха в печь составит 34 100 м3/ч (согласно тепловому расчету). Расчетный подсос воздуха в таком случае составит

14% минимально необходимого стехиометрического количества воздуха. Это означает, что если допустимое содержание кислорода установлено на уровне 3% (типично при эксплуатации печей), то почти весь избыточный воздух будет приходить из неработающей горелки.

При установленной доле остаточного кислорода, равной 3/21 = 14,2% (21% – содержание кислорода в воздухе), горелки, находящиеся в работе, будут иметь всего лишь 0,8% избытка воздуха для горения [3].

Если в печи установлена автоматическая система регулирования тяги по содержанию кислорода в дымовых газах, то это приведет к сильному уменьшению тяги в печи, недостаточному снабжению воздухом горелок, образованию вытянутого пламени с высоким уровнем выбросов СО из-за неполного сгорания, нестабильному пламени из-за недостатка кислорода, и горелки станут работать неустойчиво и гаснуть.

Если же тяга в печи не регулируется, то эксплуатация будет происходить с большим объемом дополнительного воздуха, что приведет к снижению энергоэффективности печи.

Распределение и регулирование тяги в печах

В большинстве печей используются горелки с естественной тягой. Такие горелки в наибольшей степени зависят от тяги. Обеспечение большей по сравнению с проектной тяги приведет к большему количеству воздуха, поступающему в горелки, в то время как меньшая тяга приведет к недостатку воздуха для горения.

В настоящее время наблюдается тенденция увеличения теплопроизводительности печей за счет использования горелок с принудительной подачей воздуха. Это также позволяет повысить эффективность печей за счет оснащения системой подогрева воздуха дымовыми газами. Горелки с принудительной подачей воздуха получают воздух от вентилятора. Такие горелки в меньшей степени зависят от тяги в печи.

Поддержание разрежения во всей печи во время работы делает эксплуатацию безопасной и гарантирует, что горячие дымовые газы не будут выходить из печи.

Наоборот, избыточное давление внутри печи может представлять опасность для персонала. Например, в случае попытки открыть гляделку печи при нахождении людей непосредственно перед ней выхлоп горячих дымовых газов из печи может привести к ожогам. Избыточное давление в печи может вызвать выход дымовых газов наружу вместе с повреждением металлического каркаса печи.

При рассмотрении распределения тяги по высоте печи можно сказать, что наименьшая тяга всегда наблюдается на перевале печи. Если тяга на перевале будет поддерживаться отрицательной, то можно быть уверенным, что вся печь будет работать при разрежении.

Рис. 11. Забитое отложениями межреберное пространство труб змеевика конвекции

Подовая часть печи, где обычно установлены горелки, имеет тягу выше, чем на перевале печи, вследствие высоты радиантной секции. В секции конвекции дымовые газы встречают большее сопротивление из-за установки пакета труб, но при этом получают некоторую тягу вследствие высоты этой секции. Если секция конвекции забивается отложениями (рис. 11), то падение давления в этой секции увеличивается, и давление на перевале может стать положительным.

В ходе эксплуатации необходимо следить за состоянием пакета труб камеры конвекции и при забивании отложениями его необходимо подвергать чистке (продувке).

Для выявления забиваниями отложениями необходимо оснащать печь приборами контроля разрежения на перевале и после камеры конвекции. Значительная разница показаний приборов однозначно свидетельствует о необходимости проведения чистки.

Помимо снижения эффективности работы печи вследствие снижения объема дымовых газов, проходящих через пакет труб камеры конвекции, такая ситуация опасна тем, что поток дымовых газов начинает перераспределяться в промежутках между внутренней поверхностью камеры конвекции и пакетом труб. Большие скорости движения дымовых газов в этих местах приводят к перегреву крайних труб, их закоксовыванию с последующим прогаром.

Тяга в дымовой трубе регулируется шибером. Если шибер прикрыт слишком сильно, то вместо разрежения возникнет избыточное давление на перевале; если шибер будет открыт слишком сильно, то это приведет к сильному разрежению и большой тяге на перевале печи.

Достаточная высота дымовой трубы обеспечит необходимую тягу для поддержания разрежения на перевале печи с компенсацией аэродинамических потерь в секции конвекции и газоходах.

Вследствие того, что на перевале печи наблюдается наибольшее давление, общим правилом является использование именно ее в качестве точки контроля.

Обычно на всех печах поддерживается для перевалов печей значение разрежения 2,5 мм водного столба или 20…30 Па. Избыток воздуха должен быть минимизирован для тепловой эффективности. С другой стороны, должно быть обеспечено достаточное количество воздуха для получения правильной и желательной формы пламени и полного сгорания топлива. Закрытие всех заслонок горелок сокращает ток воздуха, но увеличивает тягу печи. Закрытие шибера сокращает тягу в печи. Для эффективного регулирования избытка воздуха шибер печи и заслонки горелок должны регулироваться совместно [1].

Как правило, печи оснащены шиберами, управляемыми вручную. Управление шиберами на установках, выполненных по современным проектам, может осуществляться дистанционно. Но в силу того, что эксплуатация шиберов проводится в условиях высоких температур, может наблюдаться ситуация «заклинивания» шибера, и для вращения шиберов необходимы большие усилия. В связи с этим требуются дополнительный контроль за их состоянием и регулирование по месту для обеспечения точной настройки.

Рис. 11. Забитое отложениями межреберное пространство труб змеевика конвекции

Особое внимание следует уделять месту расположения шибера для бесконвекционных печей (например, многокамерных печей установок риформинга). Установка шибера в непосредственной близости к топочному пространству печи (рис. 12) приводит к перегреву шибера излучением раскаленных газов в топке, его короблению, заклиниванию и выходу из строя с полной невозможностью регулирования тяги в печи. Необходимо избегать таких конструкций при проектировании.

Влияние коэффициента избытка воздуха на потребление топлива

Нельзя недооценивать влияние, которое оказывает коэффициент избытка воздуха на тепловую эффективность печей. На рис. 13 показана зависимость между содержанием кислорода в дымовых газах печи (и соответственно коэффициентом избытка воздуха в печи) и расчетным потреблением топлива, полученная при исследовании режимов эксплуатации печей вакуумного блока установки АВТ одного из предприятий отрасли.

Рис. 13. Пример зависимости между содержанием О2
в дымовых газах печи и расчетным потреблением топлива

Согласно этой зависимости, увеличение содержания кислорода на 3% об. приводит к увеличению потребления топлива не менее чем на 10%. Если речь идет о печах большой производительности, то экономический эффект может быть очень значительным. Например, в указанном случае эксплуатация печей проводилась с текущим уровнем содержания кислорода в дымовых газах печей более 12% об. В этом примере суммарный расчетный эффект снижения потребления топлива для двух печей составил более 1000 кг газообразного топлива в 1 ч, что соответствует экономии топлива 8000 т/год и экономическому эффекту более 60 млн. руб. в год.

Рис. 14. Зависимость между тепловыми потерями вследствие увеличенного избытка О2 и выходной температуры
дымовых газов

График, приведенный на рис. 14 [3], показывает влияние избытка воздуха и температуры дымовых газов на выходе на тепловую эффективность печей: сколько теплоты теряется в зависимости от количества избыточного воздуха (определяемого из измерений избыточного кислорода в дымовых газах).

Из графика также видно, что потери теплоты растут с увеличением температуры дымовых газов.

На большинстве предприятий считается нормальным, чтобы температура дымовых газов на входе в дымовую трубу была не ниже 200 °С. При более низкой температуре возникает опасность достижения температуры точки росы, что приводит к повреждению оборудования.

Выводы

Таким образом, на основании изложенного можно сделать следующие выводы. Вследствие значительного влияния подсосов воздуха на эффективность эксплуатации технологических печей они должны быть минимизированы. Особенно это важно для печей большой производительности и для печей, работающих с большим разрежением в топке, поскольку чрезмерно высокое разрежение увеличивает подсос воздуха.

Все места возможного подсоса воздуха должны быть герметизированы. Следует применять специально разработанные устройства для уменьшения подсоса воздуха в печь, например, смотровые порты вместо обычных гляделок. Печи должны быть оснащены приборами контроля содержания кислорода, моноксида углерода и замера разрежения в топочном пространстве и на выходе из печи. Операторам и ИТР нужно понимать необходимость выявления подсосов воздуха и вести постоянную работу по их устранению. Важным является поддержание работы в камере сгорания с разрежением на уровне, установленном проектом. Необходимо избегать режимов эксплуатации технологических печей с большими или низкими значениями содержания кислорода и с повышенным содержанием моноксида углерода в дымовых газах, большими значениями разрежения. С этой целью нужно контролировать и регулировать тягу в технологических печах.

Источник