Газоподібні палива

Регулювання витрати палива

СИСТЕМИ РЕГУЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ ГОРІННЯ

У промислових котлах, печах і сушильних агрегатах багато палива витрачається нераціонально, якщо процес горіння регулюється недостатньо ретельно. Зазвичай, щоб забезпечити безпечне проходження процесу і уникнути виділення диму, повітря подають із значно більшою витратою, ніж це необхідно. Хоча такий метод роботи безпечний, він як правило є далеко не найекономічнішим.

Іншою важливою проблемою, пов'язаною з горінням, є контроль забруднення атмосфери. Не можна уникнути виділення деяких небажаних продуктів згорання, наприклад двооксиду сірки, які необхідно видаляти після закінчення процесу горіння. Кількість інших домішок, наприклад вуглеводнів, оксиду вуглецю і оксидів азоту, які не згоріли, можна регулювати шляхом відповідного вибору співвідношення між витратами палива і повітря, а також температури полум'я. Нижче розглядається складний взаємозв'язок між всіма цими факторами, що вимагає розробки систем регулювання, за допомогою яких можна оптимізувати характеристики процесу горіння.

Корисним результатом процесу горіння є тепло, яке виділяється при окисленні палива. Отже, першим важливим моментом для здійснення контролю споживання енергії паровим котлом, газовою турбіною або сушаркою є точне керування витратою палива.

Кожне паливо має свої власні характеристики, пов'язані не тільки з його фізичним станом, але і з хімічним складом. Точне дозування з урахуванням теплових потоків залежить від фізичних властивостей палива при його переміщенні і від його хімічної структури. Ці параметри оцінюються для використовуваних газоподібних, рідких і твердих палив.

Найбільш споживаним газоподібним паливом є природний газ, що містить зазвичай 75 - 95% метану. До числа інших складових відносяться в порядку спадання концентрації: етан, пропан і бутан, причому бутан складає менше 0,5 об.%. Більш важкі вуглеводні мають велику цінність як хімічна сировина, і тому їх все частіше видобувають з газоподібного палива до його використання. Домішки зазвичай складаються менш ніж з 1% вуглекислого газу і різних кількостей азоту.

Окислюючись, метан утворює 1 моль вуглекислого газу і 2 молі води:

Теплотворну здатність, або теплоту згорання будь-якого палива, в продуктах згорання якого міститься вода, можна виразити двома способами. Вища теплотворна здатність виходить в припущенні, що вода в кінцевому результаті сконденсувалася, і в цьому випадку вона віддала свою приховану теплоту паротворення. Нижча теплотворна здатність відповідає припущенню, що вода покидає процес в паровій фазі. В обох випадках вважають, що температура продуктів згорання однакова і відповідає температурі реагентів.

При нормальних умовах вища теплотворна здатність метану рівна 37 700 кДж/м³, а нижча 33 960 кДж/м³. Багато природних газів мають вищу теплотворну здатність в інтервалі значень 39 000 - 40 500 кДж/м³, оскільки в них присутні важкі вуглеводні, які з надлишком компенсують розчинення вуглекислим газом і азотом. Але оскільки все більше цих вуглеводнів виділяються ще в джерелі газу, теплотворні здатності продовжують падати, наближаючись до 36 300 кДж/м³.

Якщо теплотворна здатність газу контролюється постачальником, то вимірювання масової витрати є, по суті, вимірюванням теплового потоку. Зазвичай для вимірювання витрати природного газу використовують мірні діафрагми, в яких масова витрата G пов'язана з перепадом тискуна діафрагмі і з густиноюспіввідношенням:

Витрату природного газу зазвичай вимірюють в одиницях об'єму, а не маси. Але вони безпосередньо зв'язані один з одним через густину.

Тоді можна визначити об'ємну витрату Q газу при нормальних умовах за формулою:

З (2.2) - (2.3) отримуємо:

Вводячи теплотворну здатність, можна перетворити вираз (2.2) або (2.4) в рівняння для потоку тепла; теплотворну здатність потрібно підставляти у відповідних одиницях, тобто віднести до одиниці маси або об'єму за нормальних умов.

Для газових потоків більш вживані об'ємні одиниці:

де F - тепловий потік, Н - теплотворна здатність, віднесена до одиниці об'єму за нормальних умов.

Для газу, що має змінний склад, змінюватимутьсяЦі дві величини можна об'єднати в написаному нище рівнянні, щоб ввести поправку на змінність складу, - ця функція відома під назвою "індекс Вобба":

де Т_а і Р_а - абсолютні температура і тиск газу, a R — універсальна газова

постійна, для температури в Кельвінах, тиску в Па і густини в кг/м³ , R = 8,314 кДж/(кмоль-К).

У більшості нафтоочисних установок горючі гази поряд з метаном містять водень і деякі важчі вуглеводні. Вплив водню на індекс Вобба відрізняється від впливу важчих компонентів. У табл. 2.1 наведені індекси Вобба для різних вуглеводнів і деяких сумішей. Якщо для кожного з цих газів нанести на графік індекс Вобба залежно від густини (мал. 2.1), то виходить гладка монотонна крива, на яку не потрапляє точка для водню.

Це дозволяє ввести в газовий витратомір поправковий множник, який залежить від виміряної густини.

Таблиця 3.1

Індекси Вобба для легких вуглеводнів та їх сумішей(з рівними об'ємними частками компонентів).

Для визначення теплотворної здатності сумішей горючих газів існують

калориметричні бомби. Цей прилад є фактично експериментальним нагрівачем, в якому окислюється паливо і вимірюється виділення енергії. Тому його теплоємність обмежена, як і у будь-якої топки, і в ньому не можна визначити швидкі зміни теплотворної здатності в часі, які відповідали б займанню палива в топці. Прилади для визначення теплопровідності і густини неточні і придатні працювати в першу чергу з бінарними сумішами, наприклад пропану з повітрям. Для дослідження природнього газу можна скористатися спеціальними аналізаторами, наприклад хроматографом, але обчислити індекс Вобба з результатів аналізу багатокомпонентної суміші досить складно, і хроматограф, ймовірно, дає результат не швидше, ніж калориметрична бомба.

Рис.З.1 .Залежність Індексу Вобба для легких вуглеводнів і еквімолекулярних сумішей легких вуглеводнів з воднем від густини газів.

Коли тиск природнього газу змінюється, перед клапаном, який регулює витрату, зазвичай встановлюють регулятор тиску, а між ними - витратомір, як показано на мал. 3.2. Оскільки обидва клапани впливають і на витрату, і на тиск, можна чекати, що між двома контурами регулювання виникне взаємодія. Дослідження цього процесу, виконане в роботі [1], показує, що взаємодія зростає пропорційно відносному перепаду повного тиску на регуляторі тиску. Наприклад, якщо перепад тиску на клапані тиску складає половину, або менше перепаду тиску на клапані витрати, можна отримати стійкі характеристики обох

регуляторів. Але, якщо б перепад на обох клапанах був однаковим, то у випадку коли обидва регулятори настроювалися на спільну роботу вручну, в автоматичному режимі розвивалися б автоколивання. Тоді для відновлення стійкості необхідно заново проводити сумісну настройку регуляторів в автоматичному режимі.

Рис 3.2. Розміщення регуляторів тиску і витрати, і їх давачів при змінному тиску подачі природнього газу: PC -регулятор тиску; FC -регулятор витрати.

Якщо перепад на клапані тиску значно більший, ніж на клапані витрати, то перший регулятор сильніше впливає на витрату, ніж на тиск. В результаті кожен з контурів регулювання вносить збурення в роботу іншого контуру, і регулятори втрачають здатність до ефективного виконання своїх функцій. Якщо при цьому обидва регулятори працюють в автоматичному режимі, то витрата і тиск все більше відхиляються від своїх заданих значень, і регулювання неможливе. Щоб зображені на мал. 3.2 контури працювали ефективно, перепад тиску на першому клапані повинен бути меншим, ніж на другому, і в цьому випадку поперечний перерізу клапану, регулюючого тиск, повинен бути більшим, ніж у клапану, регулюючого витрату.

Іншим вирішенням задачі є використання тільки одного клапану, тоді тиск не регулюватиметься. В цьому випадку в виміряний перепад тиску на мірній діафрагмі необхідно вносити поправку на зміну тиску відповідно до рівняння (3.5).

Протитиск, що існує в топці, залежить від витрати. Тому перепад тиску на клапані витрати змінюється зворотньо до витрати. Щоб отримати допустиме лінійне співвідношення між витратою палива і положенням клапану, бажано використовувати клапан з рівновідсотковою характеристикою.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Розділ З	\|	Рідкі палива

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.004 сек.