Совершенствование топливно-кислородного режима горения в теплогенерирующих установках систем жилищно-коммунального теплоснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.03, кандидат технических наук Бацура, Александр Витальевич

• Бацура, Александр Витальевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бацура, Александр Витальевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБЗОР ПРОЦЕССОВ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В ИСТОЧНИКАХ СИСТЕМ ТЕПЛО-СНАБЖНИЯ МЕГАПОЛИСОВ.

1.1 Способы сжигания газообразного топлива.

1.2 Экологические аспекты сжигания газообразного топлива.

1.2.1 Основные компоненты продуктов сгорания газообразного топлива, загрязняющих окружающую среду.

1.2.2 Методы подавления вредного воздействия выбросов.

ГЛАВА 2.ТЕПЛОФИЗИКА ГОРЕНИЯ ПРИ ЛАМИНАРНОМ ДВИЖЕНИИ ГАЗОВОЙ СМЕСИ В ГАЗОВОЙ ГОРЕЛКЕ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРА СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ.

2.1 Физико-химические основы сжигания газа.

2.2 Скорость распространения пламени при газо-воздушной и газокислородной смеси.

2.3 Теплофизика горения при ламинарном движении газовой смеси в горелке

2.4 Недостатки, возникающие при повышении концентрации кислорода в воздухе, участвующем при сжигании газа.

2.5 Выводы.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА ПРИ РАЗЛИЧНОМ ПРОЦЕНТНОМ СОДЕРЖАНИИ КИСЛОРОДА

В ВОЗДУХЕ, ИСПОЛЬЗУЕМОМ В КАЧЕСТВЕ ОКИСЛИТЕЛЯ В ТЕПЛОГЕНЕРАТОРАХ МАЛОЙ И СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ.

3.1 Топливно-воздушный, топливно-воздушно-кислородный и топливно-кислородный источник энергии для источников систем теплоснабжения

3.2 Расчёт теплогенератора при различном процентном содержании кислорода в воздухе, используемом в качестве окислителя для источников систем теплоснабжения.

3.2.1 Топливно-воздушный, 21 % кислорода.

3.2.2 Топливно-воздушно-кислородный, 50 % кислорода.

3.2.3 Топливно-кислородный источник энергии, 100 % кислорода.

3.3 Расчёт теплогенератора.

3.4 Расчёт объёмов продуктов сгорания для топливно-воздушного, топливно-воздушно-кислородного и топливно-кислородного режима сгорания газообразного топлива.

3.5 Расчёт ПДК продуктов сгорания и высоты дымовой трубы источников систем теплоснабжения.

3.6 Выводы.

ГЛАВА ^ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОПЛИВНО-КИСЛОРОДНОГО СПОСОБА СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В ТЕПЛОГЕНЕРАТОРАХ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ.

4.1 Схема экспериментальной установки.

4.2 Методика проведения эксперимента топливно-кислородного режима сжигания топлива.

4.3 Использование топливно-кислородного источника для котлов тепловой мощностью 100 кВт, используемых в децентрализованных системах теплоснабжения.

4.4 Экспериментальное исследование топливно-кислородного способа сжигания для котлов тепловой мощностью 2 МВт широко применяемых для систем теплоснабжения малых городов и посёлков.

4.4.1 Схема промышленно-эксплуатационной установки.

4.5 Методика проведения промышленно-эксплуатационных испытаний топ-ливно-воздушно-кислородного режима сжигания газа с котлами ВК

КСВа-2).

4.5.1 Результаты промышленно-эксплуатационных исследований.

4.5.2 Измерение процентного содержания кислорода в воздухе.

4.5.3 Измерение температуры уходящих газов.

4.5.4 Измерение коэффициента избытка воздуха.

4.5.5 Коэффициент полезного действия экспериментально-промышленной установки.

4.6 Расчёт экономической эффективности проведённого исследования.

4.7 Выводы.

ГЛАВА 5. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОГРЕШНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

5.1 Классификация погрешностей средств измерений.

5.2 Погрешность температуры и над1жность измерения двуокиси углерода в продуктах сгорания.

5.3 Метрологические характеристики и погрешности средств измерения.

5.4 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование топливно-кислородного режима горения в теплогенерирующих установках систем жилищно-коммунального теплоснабжения»

Актуальность проблемы

В связи с ростом объёмов капитального строительства потребление природного газа в жилищно-коммунальном хозяйстве постоянно увеличивается. Например, в г. Волгограде и Волгоградской области потребление природного газа в среднем ежегодно возрастает на 4,5 %. При этом, по статистическим данным в топливном балансе систем теплоснабжения жилищно-коммунального хозяйства доля использования природного газа в настоящее время достигает 87-90 %, а эффективность его использования мала [56, 66, 67, 128].

Вместе с тем, отмечается значительное повышение цен на углеводородное топливо как на мировом, так и на внутреннем рынке. Поэтому актуальными являются исследования, направленные на экономию углеводородного топлива в системах жилищно-коммунального хозяйства.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с Перечнем приоритетных научно-технических проблем ОАО «ГАЗПРОМ» на 2006-2010 годы, от 25.07.2005 г. по тематике «Развитие системы обеспечения эффективного использования Обществом топливно-энергетических ресурсов и стимулирования газо-энергосбережения потребителями» и тематическим планом научно-исследовательских работ ГОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Цель диссертационной работы снижение расхода газового топлива в теплогенерирующих установках систем теплоснабжения жилищно-коммунального хозяйства посредством обеспечения рационального режима сжигания природного газа.

Задачи исследования анализ существующих методов сжигания природного газа в теплогенерирующих установках систем теплоснабжения ЖКХ; проведение численного эксперимента по исследованию закономерностей процесса горения газовой смеси в газогорелочном устройстве теплоге-нерирующей установки;

- аналитические исследования для определения закономерности изменения температуры в зоне догорания при топливно-воздушно-кислородном режиме сжигания природного газа;

- разработка методики оценки эффективности применения топливно-• кислородного режима сжигания природного газа при различных режимно-технологических условиях эксплуатации теплогенерирующих установок ЖКХ;

- разработка опытно-промышленной установки по определению потерь теплоты, КПД, концентрации вредных веществ в продуктах сгорания при применении топливно-воздушно-кислородного режима сжигания природного газа в тепогенерирующих установках;

- экспериментальные исследования по определению рационального диапазона увеличения процентного содержания кислорода в воздухе, применяемом для сжигания природного газа в теплогенерирующих установках систем теплоснабжения ЖКХ.

Объект исследования

Рациональные способы сжигания газообразного топлива, их технологические и экологические преимущества и недостатки перед широко применяемыми в настоящий момент в источниках систем теплоснабжения.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, физико-математическое моделирование изучаемых процессов, экспериментальные исследования в лабораторных и промышленных условиях действующего производства.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделирования изучаемых процессов, подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований, приведённых в лабораторных и натурных условиях, с результатами других авторов.

Научная новизна

1. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование топ-ливно-кислородного и топливно-воздушно-кислородного режима сжигания газообразного топлива источника теплоты систем теплоснабжения.

2. Разработана математическая модель определения теплофизических характеристик горения газообразного топлива при ламинарном движении газовой смеси.

3. Уточнена формула Ле-Шателье позволяющая теоретически анализировать скорость горения любого газа от его физических характеристик.

4. Разработана методика проведения эксперимента для подтверждения теоретических расчетов эффективности замены топливно-воздушного источника энергии на топливно-воздушно-кислородный.

5. Впервые введён коэффициент Ф - коэффициент теоретически необходимого кислорода для горения топлива в источниках систем теплоснабжения.

6. Спроектирована экспериментальная установка, позволившая повысить эффективность работы источника теплоты системы теплоснабжения.

7. Проведена экологическая оценка воздействия топочных газов на окружающую среду при различном процентном содержании кислорода в окислителе, применяемом для сжигания природного газа.

8. Полученные результаты исследования внедрены в условиях действующего производства и получен экономический эффект с выдачей рекомендаций и режимных карт для дальнейшей работы теплогенератора.

Практическая значимость

- разработана методика оценки эффективности замены топливно-воздушного режима сжигания природного газа в теплогенерирующих установках систем теплоснабжения ЖКХ на топливно-воздушно-кислородный и топливно-кислородный способы сжигания;

- разработаны и внедрены организационно-технические мероприятия и практические рекомендации по применению топливно-кислородного и топ-ливно-воздушно-кислородного режимов сжигания газа в теплогенерирующих установках систем теплоснабжения жилищно-коммунального хозяйства.

Реализация результатов работы:

- результаты исследовательской работы использованы ООО «Газпром трансгаз Волгоград» при эксплуатации теплогенерирующих установок на собственных котельных,

- результаты исследовательской работы применены организацией ЗАО «Теплосервис» (г. Волгоград) при изготовлении газогорелочных устройств и ДЗАО «Оргремгаз» ОАО «Электрогаз» (г. Краснодар) - при выпуске тепло-генерирующих установок,

- материалы диссертационной работы внедрены в учебный процесс при подготовке инженеров по специальности 290700 Теплогазоснабжение и вентиляция ГОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Личный вклад автора

В диссертации изложены результаты исследований выполненных лично автором; разработка математических и физических моделей оптимизации объектов систем теплогазоснабжения сжигания газа; организация, планирование и проведение экспериментальных исследований на лабораторных установках; обработка, анализ и обобщение результатов; внедрение на действующем производственном объекте.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы представлялись и докладывались; на ежегодных научных конференциях ВолгГАСУ; на III Международной научной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» и V Международной научной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды»

Основные результаты и положения выносимые на защиту

- аналитические зависимости, характеризующие расчётные параметры теплогенерирующей установки (теоретические объёмы и энтальпии продуктов сгорания, температура точки росы, потери теплоты, КПД брутто, полный, условный и расчётный расход топлива, габариты газо-воздушного тракта) при топливно-воздушно-кислородном и топливно-кислородном режимах сжигания газообразного топлива в теплогенерирующих установках;

- результаты численного эксперимента по уточнению зависимости изменения температуры в зоне догорания газообразного топлива при ламинарном движении газовой смеси в газовой горелке;

- для условий топливно-воздушно-кислородного режима сжигания газа дополнение формулы Ле-Шателье, позволяющее теоретически оценить скорость горения газа в зависимости от его физических характеристик;

- полученные по результатам численного эксперимента значения коэффициента теоретически необходимого кислорода для проведения расчётов теплового баланса теплогенерирующих установок систем теплоснабжения при топливно-воздушно-кислородном и топливно-кислородном режимах сжигания природного газа;

- экспериментальные зависимости, характеризующие изменение объёма и состава продуктов сгорания при различном процентном содержании кислорода в воздухе, применяемом для сжигания природного газа.

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 9 работ, в том числе 3 работы по списку ВАК, в материалах международных и Российских конференций.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Общий объём - 124 страницы, в том числе: 19 рисунков на 19 страницах; 18 таблиц на 20 страницах список литературы из 139 наименований на 11 страницах.

Заключение диссертации по теме «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение», Бацура, Александр Витальевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В работе проведено исследование, направленное на решение актуальной задачи по уменьшению расхода природного газа при сжигании в теплогенерирующих установках малой и средней мощности, применяемых в системах теплоснабжения ЖКХ.

На основании полученных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать основные выводы:

1. Получены аналитические зависимости, характеризующие расчётные параметры теплогенерирующей установки (теоретические объёмы и энтальпии продуктов сгорания, температуру точки росы, потери теплоты, КПД брутто, полный, условный и расчётный расход топлива, габариты газо-воздушного тракта) при топливно-воздушно-кислородном и топливно-кислородном режимах сжигания газообразного топлива.

2. По результатам численного эксперимента уточнена зависимость изменения температуры в зоне догорания газообразного топлива при ламинарном движении газовой смеси.

3. На основании математического эксперимента для предложенного топливно-воздушно-кислородного режима сжигания газа при ламинарном движении газовой смеси дополнена формула Ле-Шателье, в которой уточнена взаимосвязь скорости подаваемой газо-воздушной смеси от зоны догорания и уменьшения этой зоны при увеличении содержания кислорода, в воздухе, используемом для сжигания природного газа.

4. По результатам теоретических исследований предложен коэффициент теоретически необходимого кислорода, для проведения балансовых расчётов теплогенерирующих установок систем теплоснабжения при топливно-воздушно-кислородном и топливно-кислородном режимах сжигания.

5. По результатам натурных исследований определена величина уменьшения объёма продуктов сгорания и концентрация оксидов азота в продуктах сгорания при различном процентном содержании кислорода в окислителе, применяемом для сжигания природного газа в теплогенераторе.

6. Предложен для расчетов объёма продуктов сгорания коэффициент — теоретически необходимого кислорода для сжигания топлива в зависимости от процентного содержания кислорода в воздухе, используемом для горения.

7. Разработан метод сжигания природного газа на основе использования топливно-воздушно-кислородного режима при различных режимах работы теп-логенерирующей установки. Определен ожидаемый эффект экономии газа - при увеличении процентного содержания кислорода с 21 % до 29 % в воздухе, участвующем в расчете на 100 МВт вырабатываемой тепловой энергии, составит л

127 м природного газа. Получен экономический эффект при внедрении результатов исследования в котельной ООО «Газпром трансгаз Волгоград» в размере 65 тыс. руб. Планируется получение экономического эффекта от внедрения результатов исследования при производстве газогорелочных устройств ЗАО «Теп-лосервис» г. Волгоград 15 тыс. руб на единицу выпускаемой продукции при годовом выпуске 40 горелок в год. При выпуске теплогенерирующих установок ЗАО «Оргремгаз» - 50 тыс. руб в год.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бацура, Александр Витальевич, 2008 год

1. Аметистов Е. В. Основы теории теплообмена. М., Изд. МЭИ, 2000. - С. 242.

2. Андреев А. А. Автоматические показывающие, самопишущие и регулирующие приборы. JL, Машиностроение, 1973. - С. 286.

3. Арсеев А. В. Сжигание газов. Методы и приборы. М., 1952. - С. 387.

4. Ахмедов Р. Б., Цирульников JI. М. Технология сжигания горючих газов и жидких топлив. Л., Недра, 1984. - С. 238.

5. Башмаков И. А. Энергоэффективность: от риторики к действию. М., ЦЭНЭФ, 2001. - С. 224.

6. Беккер В. Я. Энергетика Москвы и проблемы комплексного развития города. М., НП АВОК, 2006. - №6 - С. 56 - 59.

7. Беликов С. Е., Котлер В. Р. Малые котлы и защита атмосферы. М., Энергоиздат, 1996.-С. 128.

8. Белоусенко И. В., Дильман М. Д., Попырин Л. С. Энергетическая безопасность единой системы газоснабжения России. М., Наука, 2006. -С.307.

9. Беляев Н. М., Рядно А. А. Методы теории теплопроводности. I и 2-я ч. -М., Высшая школа, 1982. С. 671.

10. Бербедев В. И. Сжигание газа в печах безокислительных и малоокислительного нагрева. Л., Недра, 1988. - С. 175.

11. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. М., Наука, 1972. - С. 766.

12. Блох А. Г. Основы теплообмена излучением. М., Л., Госэнергоиздат, 1962.-С. 330.

13. Блохин Ю. Н., Олекс А.О. Приборы и системы управления. М., Наука, 1989. -№1 - С. 14-15.

14. Богуславский Л. Д. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха. Справочное пособие. М., Стройиздат, 1990. - С. 443.

15. Бурганов Ф. С., Тужилкин В. Н., Шварц Г. Р., Шпилевой В. А. Энергетика и электрофикация компрессорных станций магистральных газопроводов. -Тюмень, 2003. С. 448.

16. Буренин И. С. и др. Методическое пособие по расчёту, нормированию и контролю выбросов загрязняющих атмосферный воздух. С-П., НИИ Атмосфера, 2004. - С. 128.

17. Ведрученко В. Р. и др. Состояние и перспективы повышения энергоэкологической эффективности инженерно-технических мероприятий в котельных установках железнодорожного транспорта. Промышленная энергетика - НТФ "Энергопрогресс", 2000. - №1 - С. 36 - 43.

18. Внуков А. К., Розанова Ф. А. Цена подавления оксидов азота рециркуляцией газов на котлах. Энергетик - "НТФ "Энергопрогресс", 2007. -№7 - С. 35 -36.

19. Воликов А. Н., Шкаровский A. JI. Методы подавления выбросов оксидов азота при сжигании газа и мазута в котлах малой и средней мощности. М., - ИРЦ Газпром. Сер. Природный газ и охрана окружающей среды, 1993,- С. 5-7.

20. Галушта А. Н. Перспективы динамики мирового топливно-энергетического баланса. Энергосбережение - М., 2005. — №3 - С. 64.

21. Гашо Е. Г. Особенности эволюции и проблемы повышения эффективности территориальных систем энергообеспечения городов. Вести в электроэнергетике - НТФ "Энергопрогресс" , 2007. - №3 - С. 49 - 60.

22. Геращенко О. А., Гордов А. Н., Лах В. И. Температурные измерения. Справочник. Киев, Наукова думка, 1984. - С. 496.

23. ГОСТ 10617-83 Межгосударственный стандарт. Котлы отопительные теплопроизводительностью от 0,10 до 3,15 МВт. Общие технические условия. Дата введения 01.01.85.

24. ГОСТ 11.004-74. Прикладная статистика. Правила определения оценок и доверительных границ для параметров нормального распределения. Дата введения 13.08.1981.

25. ГОСТ 23789 79. Метод испытаний. - М., Издательство стандартов, 1980.- С. 12.

26. ГОСТ 8.009-84. Государственная система обеспечения единства измерений. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений. Дата введения 01.01.1986.

27. ГОСТ 8.157-75. Государственная система обеспечения единства измерений. Шкалы температурные практические. Дата введения 01.01.1976.

28. Грановский В. А., Сирая Т. Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. Л., Энергоатомиздат, 1990. - С. 287.

29. Грушко А. В., Арефьев Б. К. и др. Состояние окружающей природной среды Волгограда в 2004 г.

30. Делягин Г. Н., Лебедев В. И., Пермяков Б. А. Теплогенерирующие установки. М., Стройиздат, 1986. - С. 539.

31. Диньков В. А., Ганаулин 3. Т., Подкопаев А. П., Кондратьев В. С. Измерение и учёт газа в промышленности. Г., Волго-Вятское, 1982. - С. 188.

32. Жученко И. А. Экономические проблемы энерго- и газосбережения. Материалы заседания бюро НТС ОАО "Газпром" по теме "Концепция энергосбережения в ОАО "Газпром" на 2001-2010 гг." М., ИРЦ "Газпром", 2001.-С. 20-25.

33. Зайдель А. Н. Ошибки измерений физических величин. Л., Наука, 1974.-С. 108.

34. Иванова Г. М., Кузнецов Н. Д., Чистяков В. С. Теплотехнические измерения и приборы. -М., Энергоатомиздат, 1984. С. 140.

35. Иссерлин А. С. Основы сжигания газового топлива. Л., Недра, 1984. -С. 238.

36. Иссерлин А. С., Певзнер М. И. Теория и практика сжигания газа. Л., Недра, 1984. - С. 238.38