ОПТИМИЗАЦИЯ ГОРЕНИЯ И ПУТИ ЭКОНОМИИ ТОПЛИВА

 

1          ВВЕДЕНИЕ

 

Производство тепла путем сжигания топлива является древним и, кажется, хорошо знакомым процессом. Однако современная экономическая ситуация, необходимость повышения эффективности производства путем минимальных капитальных вложений, заставляет вновь внимательно присмотреться к процессам, происходящим при сжигании топлива и оценить их, в первую очередь, с экономической точки зрения.

 

Стоимость топлива, потребляемого котельной или иными топливо сжигающими установками предприятия, часто является одной из важнейших составляющих в себестоимости выпускаемой продукции. Но даже при существующем тщательном контроле затрат, может ли руководитель предприятия эффективно контролировать  значительные денежные средства, выплачиваемые за потребленное топливо? В тоже время многие котельные работают при пониженных коэффициентах полезного действия.

 

Данная статья поможет найти ответы на многие интересующие вопросы, позволит взглянуть на хорошо известные вещи с иной точки зрения,  подскажет пути возможного сбережения топлива и, следовательно, значительных денежных сумм, ознакомит с современными методами и приборами, позволяющими значительно повысить эффективность использования дорогостоящего топлива. Одновременно эта брошюра предназначена для общего руководства о путях экономии энергии и денежных средств в процессе эксплуатации котельных и не претендует на роль нормативного документа или глубокого инженерного исследования.

 

При подготовке материалов был использован опыт зарубежных стран, имеющих многолетние традиции бережного отношения к энергии и являющихся примеров экономически эффективного ведения хозяйственной деятельности. Расчетные соотношения и формулы, применяемые в расчетах, основаны на стандарте Великобритании «Методы достижения тепловой эффективности котельных установок».

 

Для рассмотрения экономического эффекта энергосбережения произвольно выбран гипотетический котел, для которого и произведены все вычисления.

 

По имеющимся в брошюре формулам и диаграммам, на основании данных эксплуатации конкретного котла может быть произведен расчет возможной экономии на каждом предприятии.

 

Оценка потенциальной экономии окажет помощь руководителям предприятий в принятии решений о применении методологии и оборудования, описанных в данной брошюре.

 

2          ОПТИМИЗАЦИЯ ГОРЕНИЯ       

 

БАЛАНС ЭНЕРГИИ В КОТЛЕ

 

С достаточной степенью достоверности можно утверждать, что любой котел представляет собой теплообменник, в котором тепловая энергия, выделенная из топлива в процессе горения, передается от продуктов сгорания теплоносителю, например, воде либо пару или  пароводяной смеси. В процессе теплопередачи часть энергии теряется и для того, чтобы определить эти потери, оценить денежную составляющую и показать пути их уменьшения, мы, как пример, рассмотрим гипотетический котел со следующими характеристиками.

 

Производительность:                           3 800 кг пара/час

Давление пара:                                   7 Ати

Температура пара:                               170 °С

 

Температура питательной воды:           15.5 °С

Температура отходящих газов:            195 °С

 

Топливо:                                              природный газ

Режим работы:                                    7 000 часов в год

Годовое потребление топлива:             5 500 000 м³

Цена газа:                                           83 $/1 000 м³

Годовая стоимость топлива:                456 500 м³

 

 

 

2.1                 ВЫЧИСЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

 

Эффективность работы котла зависит от следующих потерь энергии:

 

• Потери с отходящими газами - тепло, уносимое топочными (отходящими) газами; тепло, содержащееся в несгоревшем топливе и продуктах неполного сгорания.
• Потери излучения – потери тепла, излучаемого корпусом котла.
• Потери продувки – потери тепла с водой, сбрасываемой для удаления осаждающихся солей.

 

В сухом математическом виде это можно выразить в следующей формуле:

 

Эффективность=100% - потери с отходящими газами - потери излучения - потери продувки,%;

Для нашего котла:

Потери с отходящими газами:  18%

Потери излучения:                   4%

Потери продувки:                     3%

На основании тепловой диаграммы, зная стоимость сожженного за год топлива, построим диаграмму потерь в абсолютных и денежных единицах.

 

 

 

Врезка 1.   Обратите внимание, что вычисления  эффективности основаны на Брутто эффективности, подразумевающей, что энергия, содержащаяся в водяном паре (образующемся в результате сгорания и из влажного топлива) не извлекается полностью, в отличие от Нетто эффективности, подразумевающей нулевую составляющую потерь с влагой.

 

 

Расчет 1.        Эффективность режима горения, экономия или потери?   Попробуем путем простого арифметического расчета выявить зависимость между эффективностью горения и стоимостью топлива. Соотношение между изменением стоимости топлива, начальной эффективностью и эффективностью после наладки будет выглядеть следующим образом:   Изменение стоимости = годовая стоимость  х (новая эффективность – старая эффективность)/новая эффективность.   Предположим, что эффективность нашего котла повысилась на 4% с 75 до 79 процентов.   Экономия топлива = 456 500 $ x (79 – 75)/79 = 23 114 $ в год.   Если котел, в силу каких либо причин, работает с эффективностью 50%, то увеличение на те же 4% даст большую экономию:   Экономия топлива =  456 500 $ x (54 - 50)/54 = 33 815 $ в год.

 

2.3       СОСТАВЛЯЮЩИЕ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ

 

Из предшествующих расчетов видно, что наибольшую относительную и абсолютную величину имеют потери с отходящими газами, которые характеризуются следующими параметрами:

 

¨       Состав газообразных продуктов сгорания (коэффициент избытка воздуха)

¨       Температура отходящих газов

¨       Содержание СО (неполное сгорание)

 

2.3.1          Состав газообразных продуктов сгорания

(коэффициент избытка воздуха)

 

Для сжигания топлива с максимальной эффективностью количество воздуха, подаваемого для сгорания, должно быть ограничено до уровня, обеспечивающего полное сгорание газа или другого топлива.

 

Тепло передается в отходящие газы с избыточным воздухом. Следовательно, если количество воздуха велико, возрастает величина тепловых потерь с отходящими газами. Если же воздуха недостаточно – часть топлива останется несгоревшей и образовавшийся дым увеличит количество и стоимость сжигаемого топлива, вызовет превышение экологических нормативов.

 

Тип используемой комбинации горелки и котла, качество наладки и эксплуатации определяют требуемое оптимальное соотношение топливо/воздух. Требуемое значение содержится в технической документации поставляемой производителем топливо сжигающего оборудования. Обычно в горелках с принудительной подачей воздуха на горение соотношение топливо/воздух контролируется по лекалу, которое подвержено износу и механическим повреждениям, и требует постоянного контроля и ухода.

 

 

Кроме того, при использовании многотопливных горелочных устройств переход от одного вида топлива к другому требует перенастройки соотношения топливо/воздух и постоянного контроля эффективности.

  

Врезка 2    Для проверки соотношения топливо/воздух обычно производится анализ отходящих газов. Путем определения состава и температуры отходящих газов может быть определена величина тепловых потерь с отходящими газами. Так же потери могут быть определены расчетным путем по формулам, или же найдены по организационным диаграммам, как на рис3. Эти диаграммы достаточно точны для целей этой брошюры и учитывают состав сухих отходящих газов при температуре окружающего воздуха, но диаграммы не учитывают потери, вызванные недостатком воздуха для сгорания. Величина тепловых потерь, определяемая по диаграммам, соответствует Брутто эффективности.

 

Современные технологии позволяют осуществлять непрерывный контроль соотношения топливо/воздух. Сервоприводы с микропроцессорным управлением, управляющие клапанами подачи топлива и воздуха, постепенно вытесняют существующие методы контроля, обеспечивая программируемое управление, автоматически определяющее вид топлива и оптимальное для него соотношение.

 

Очень важно осознать, что потери топлива из-за неправильного соотношения топливо/воздух не так очевидны, как, например, утечки пара или перегрев помещений. Тем более важно контролировать состав отходящих газов и делать это регулярно. Если в отходящих газах обнаруживаются горючие газы, необходимо срочно произвести перенастройку топливо сжигающей установки, так как  их наличие не только означает потери топлива, но и является опасным.

 

Расчет 2. Состав отходящих газов, экономия или потери? Важность соотношения топливо/воздух.   Если для нашего котла коэффициент избытка воздуха составляет 20% это соответствует 18% потерь с отходящими газами. При уменьшении избытка воздуха до 10% содержание СО2 в отходящих газах при температуре 195°С увеличится от 9.75% до 10.7%, что соответствует уменьшению отходящих потерь до 17.4%. Эффективность котла повысится на 0.6%,  давая в результате уменьшение годового счета за топливо на:   Экономия топлива = 456 500 $ x (75.6 – 75)/75.6 = 3 623 $ в год.   Если же, наоборот, в результате плохих условий эксплуатации, избыток воздуха возрастет до 44%, содержание СО2 в отходящих газах при температуре 195°С соответственно уменьшится от 9.75% до 8% и эффективность котла понизится на 1.3% до 73.7%,  увеличивая годовые расходы на топливо на:-   Переплата за  топливо = 456 500 $ x (73.7 – 75)/73.7 = 8 052 $ в год.   Эти расчеты графически показаны на рис3., показывающем пример использования организационных диаграмм.

 

Для поддержания оптимальной эффективности горения необходимо измерять содержание кислорода и/или двуокиси углерода, а также проверять наличие избыточного воздуха. Типичные уровни, характерные для передовых предприятий, где осуществляется правильный уход за оборудованием, показаны в следующей таблице 1.

 

Табл. 1

 

Топливо	Избыточный воздух (%)		О2 в топочных газах (%)
	Мин	Макс	Мин	Макс
Природный газ	10,0	15,0	2,0	2,7
Мазут:
Легкий	12,5	20,0	2,3	3,5
Тяжелый	20,0	25,0	3,3	4,2
Уголь	30,0	50,0	4,9	7,0

 

 

2.3.2     Температура отходящих газов

 

Для достижения максимального КПД котла температура топочных газов должна поддерживаться на минимальном уровне.

 

Существуют две основные причины высокой температуры топочных газов: недостаточная поверхность теплопередачи и/или загрязнение поверхностей теплопередачи. Сажа обычно образуется в результате сжигания тяжелого топочного мазута, и в меньшем количестве при использовании дизельного топлива и иногда при сжигании газа, когда это происходит при недостаточном доступе воздуха.  Ее появление – это признак низко технологичного и “грязного” сжигания. Постепенное накопление сажи на поверхностях нагрева ведет к существенному снижению эффективности работы котельных установок.

 

В результате регулярных ежедневных мероприятий обычно невозможно устранить проблему высокой температуры топочных газов, поскольку подобная процедура требует отключения котла на довольно продолжительное время. Однако температура должна контролироваться регулярно, параллельно с анализом топочных газов. 

 

 

Следует отметить, что температура топочных газов не должна снижаться ниже точки росы, поскольку это может стать причиной возникновения коррозии. Температура кислотной точки росы зависит от содержания серы в топливе. Безопасная температура для мазута составляет 180°С. Для природного газа эта температура значительно ниже.

 

Первоначально чистые трубы котла и режим горения близкий к оптимальному препятствуют образованию копоти. Загрязнение труб, например, вследствие изменения режима горения или переход на другой вид топлива, приводит к увеличению потерь с отходящими газами и увеличению количества избыточного воздуха.

 

Таким образом, высокая температура отходящих газов является симптомом загрязнения наружных поверхностей нагрева котла и должна служить сигналом их очистки.

 

Расчет 3. Потери топлива из-за высокой температуры газов.   Возрастание температуры отходящих газов на 56° С вызывает рост потерь с отходящими газами с 18% до 20.5%. Для нашего котла уменьшение эффективности составит 2.5%, что эквивалентно:-   Переплата за  топливо = 456 500 $ x (72.5 – 75)/72.5 = 15 200 $ в год.(см. Рис6.) Эти расчеты графически показаны на рис5., показывающем пример использования организационных диаграмм.

 

2.3.3          Содержание СО (неполное сгорание или жимнедожог)

 

Обычно эффективной работе котла соответствует 8 – 35% избытка воздуха и соответственно 3 – 5% кислорода (О2) и 9 – 10% диоксида углерода (СО2) в отходящих газах. Однако для полноты картины сгорания необходимо измерение оксида углерода (СО), дающее представление о неполноте сгорания топлива (химическом недожоге).

Контроль полноты сгорания путем измерения содержания СО, характеризующего количество несгоревших частиц позволяет поддерживать эффективность горения на необходимом уровне.

 

На повышенный уровень СО влияют три основных фактора:

-          дутьевой воздух, не соответствующий нормативным требованиям;

-          неправильное соотношение топливо/воздух;

-          присосы холодного воздуха, вызывающие реакцию «замораживания» горения.

 

Уровни окиси углерода должны постоянно контролироваться с тем, чтобы обеспечить полное сгорание. Обычно содержание СО не должно превышать приблизительно 300 ррм (частиц на миллион) (0.03%)для систем, работающих на твердом топливе, и должно быть значительно ниже, чем 50 - 100 ррм (0.005 – 0.01%) для систем, работающих на мазуте или газе.

 

2.3.4          Приведение к образцовому содержанию кислорода

 

В некоторых странах нормативными документами требуется производить измерения вредных выбросов, приведенных к образцовому содержанию кислорода. Что означает приведение?

 

Если выбрано приведение к 3 % O₂ и в отходящих газах измерено 5 % O₂  тогда значение СО должно быть пересчитано так, как если бы было измерено 3 % O₂. 

 

Соответствующее уравнение:

 

CO PPMn = CO PPM x (20.9 – O2r)/(20.9 – O2m)

 

Например, если измерено 95 РРМ, то приведенное значение будет рассчитано следующим путем:

 

CO PPMn = 95 PPM x (20.9 – 3)/(20.9 – 5)

 

CO PPMn = 95 PPM x (17,9)/(15,9)

 

CO PPMn = 107

 

Например, соответствующими контролирующими организациями для вашего котла установлен норматив максимальных выбросов 100 ррм оксида углерода приведенных к 3% образцового содержания кислорода.  В нашем случае при фактических показаниях 95 ррм норматив превышен и требуется оперативное вмешательство для уменьшения уровня выбросов СО.

 

Приведение к образцовому содержанию кислорода позволяет избежать ошибок измерения, вызванных попаданием дополнительного воздуха в газоход, увеличением содержания кислорода и, следовательно, разбавлением измерений токсичных газов. Приведение позволяет производить измерения, как «неразбавленные».

 

Приведение так же используется для:

 

• Нормализации и поддержания требуемого уровня
• Проведения «Разбавленных» и «Неразбавленных» измерений
• Проведения «Чистых от кислорода» измерений, когда устанавливается приведение к 0 % кислорода

 

ДОПОЛНЕНИЕ 1: Измерение задымленности   Задымленность отходящих газов может возникать при сжигании мазута и твердого топлива. Ее появление является верным признаком наличия горючих веществ в топочных газах либо неудовлетворительного состояния пламени, что недопустимо ни при каких условиях. Некоторые котлы, работающие на мазуте и твердом топливе, особенно крупные, оснащены датчиками дыма, которые могут быть весьма полезны для раннего обнаружения плохих условий сгорания. В случае газообразного топлива  задымленность, как правило, не является серьезной проблемой даже при плохом сгорании. В качестве критерия приемлемых условий можно принять, что степень задымленности (по шкале BACHARACH), наблюдаемый при низких уровнях избыточного воздуха, не должен превышать следующих значений:   Используемое топливо             Максимальная степень задымленности               Уголь                                                              4             Легкое дизельное топливо                               1-2             Тяжелое дизельное топливо                            3-4             Природный газ                                                1

 

2.3.5.        Соотношение СО/СО2, Poison индекс

 

Соотношение CO/CO2

Широко используемый в Европе экспресс показатель качества работы котла. Результат деления измеренного соотношения СО на вычисленное значение СО2.

 

Например: Новый или хорошо настроенный котел малой мощности будет характеризоваться соотношением менее 0,004, устройство нуждающееся в наладке 0,004 – 0,008, и устройство нуждающееся в капитальном ремонте даст значение более 0,008.

 

Poison индекс.PI

Соотношение СО/СО2 выраженное в процентах: PI,% = 100 Х СО/СО2.

 

 

Подводя итоги, следует отметить, что вместе с технической целесообразностью, еще более важно всеобщее осознание того, что можно иметь максимум комфорта вместе с максимумом энергосбережения и экологической безопасности. Экологический момент, который даже в этом случае звучит как интеллигентное напоминание об энергоэффективности, а также энергосбережение, несмотря на технические и экономические условия, должны, в конце концов, восторжествовать в инженерии, мышлении, планировании, реализации идей и даже законодательстве для всех, работающих в этой сфере.