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 ЖКХпроведение 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 290 700 Теплогазоснабжение и вентиляция ГОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Личный вклад автора.

В диссертации изложены результаты исследований выполненных лично авторомразработка математических и физических моделей оптимизации объектов систем теплогазоснабжения сжигания газаорганизация, планирование и проведение экспериментальных исследований на лабораторных установкахобработка, анализ и обобщение результатоввнедрение на действующем производственном объекте.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы представлялись и докладывалисьна ежегодных научных конференциях ВолгГАСУна 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

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.