;

ДонНТУ

 

з теми випускної роботи «Обґрунтування та розробка структурної схеми приладу контролю та керування процесом зпалювання газового палива»

Вступ

Огляд дослiджень з теми

Рішення поставленого завдання

Висновки

Вступ. В економіці України енергозбереження й енергозберігаючі технології є пріоритетними при впровадженні їх у виробництво. У зв'язку із цим важливе місце займає всебічне комплексне обстеження теплоенергетичних систем і ресурсів. Теплова енергія – необхідна умова життєдіяльності людини, удосконалювання суспільства, у якому він живе і створення сприятливих факторів його побуту. Оптимізація систем виробництва й розподіли теплової енергії, коректування енергетичних і водних балансів, енергозбереження та енергоаудит дозволяють поліпшити перспективи розвитку теплоенергетики, підвищити техніко-економічні показники теплоенергетичного обладнання

Ефективність, безпека, надійність й економічність роботи теплоенергетичного встаткування котелень багато в чому визначаються методом спалювання палива, досконалістю й правильністю вибору встаткування й приладів. Підвищення надійності й економічності систем теплопостачання залежить від роботи казанових агрегатів, раціонально спроектованої теплової схеми котельні, широкого впровадження енергозберігаючих технологій, економії палива, теплової й електричної енергії.

Проблема газового заощадження змушує переглядати процес спалювання палива, поліпшувати технології для збільшення котельного агрегату при зменшенні витрат на паливні ресурси. Сучасні наукові й виробничі технології припускають використання високотемпературних реакцій для забезпечення джерелом енергії й опалювальною системою [4]. Ефективність використання застосовуваних для цих цілей джерел енергії (зокрема використання газової суміші в пальниках) повинна забезпечувати максимальні температури й повноту згоряння палива.

Огляд досліджень з теми. Цій проблемі присвячено кілька робіт, пов'язаних з теплотехнічними процесами. Наприклад, у роботі [3] врахована залежність нагрівання води від кількості подаваного палива. Проведено дослідження оптимальних параметрів факела для нагрівання води. Ґрунтуючись на отриманій математичній моделі теплообміну нагрітого повітря усередині топкової камери з конвекційними поверхнями нагрівання [2] отримані теоретичні дані температури факела в різних дiлянках середовища У цих роботах показано, що досягнення максимальної температури для даного пальника можливо при оптимальномуспіввідношенні для неї подачі окислювача й пального. Змішування компонентів відбувається в робочомутілі пальника, щоб у сопло надходилаприготовлена суміш вихідних компонентів. Одержуване полум'я протягом значного видалення від сопла стабільно й осесiметрично. Це дозволяєнам застосовувати термоелектричні методи визначення температур. Однак ці дослідження не стосуютьсявимірювальної частини й не роблять акценту на виборі первинних перетворювачів, які можна використатив агресивному високотемпературномусередовищі знайменшими погрішностями.

Постановка завдання. Побудувати математичну модель нагріву води від палива, що подаеться на вхiд системи, що забезпечує економічність процесу за рахунок збільшення КПД роботи казанової установки. Для цього необхідно провести дослідження оптимальних параметрів факела в різних дiлянках середовища у середині топкової камери з конвекційними поверхнями нагрівання. Урахувати, що факел рівномірно розподіляється по топковій камері, тому що тип пальника дифузійний, тобто паливо змішується до надходження в пальник.

Наукова значимість полягає в тім, що для оптимальної організації процесу горіння й, отже, ефективного використання газу необхідно дослiдження структури факела полум'я використовуваного пальника. [2]

Рішення поставленого завдання. Топкова камера являє собою замкнутий простір, з одним входом і виходом, у яке через пальник подається тепло, а димосос забирає продукти згоряння палива.

Рисунок 1 - Структурна схема казанового агрегату

Структурна схема казанового агрегату має вигляд, представлений на рисунку, на якому позначено:

1 - топкова камера; 2 - горiлочний пристрій; 3 - барабан; 4 - пароперегрівник 5 - пароохолодник; 6 – вихідна камера пароперегрівника 7 - циклон виносний 8,9 – водяні економайзери; 10,11 – повітропідігрівники; 12 – вихід гарячого повітря на пальники; 13 – вхід повітря після дуттьового вентилятора; 14 – вихід продуктів згоряння на димосос.

 

Температура горіння може коливатися в діапазоні від 100 ºС у нижньої правої області факела до 700 ºС у верхньої центральної області факела. Керування системою можна здійснювати двома способами: за рахунок контролю витрати палива або контролю температури. Існуюча система контролює витрати палива, контроль температури є другорядним параметром. Розроблювальний прилад контролює температуру тим самим забезпечує економічність процесу. У цей час система контролю й керування процесом спалювання газового палива має вигляд, структурно представлений на рисунку 2. Було доведено [1,2], що оптимізація організації процесу горіння та, отже ефективнicть використання газу можлива за рахунок розробки додаткових елементів контролю (приладу), за допомогою яких, керуючи кількістю подаваного палива на пальник, можна управляти структурою факела, отже, змінювати нагрівання конвекційних поверхонь.

Проаналізуємо сполуку сухої маси газоподібного палива:

CH₄+C₂H₆+C₃H₈+C₄H₁₀+C₅H₁₂+N₂ =100%,

якщо розглянути детально, то процентний вміст речовин становить:CH₄=94,1%, C₂H₆=3,1%, C₃H₈=0,6%, C₄H₁₀=0,2%, C₅H₁₂=0,8%, N₂=1,2% для щiльностi газу при 0ordm;С и 760 мм.рт.ст ρ=0,786кг/м³.

 

 

 

 

Факел стабільний приблизно до зони жовтого світіння, що розташовується на відстані ¾ довжини факела починаючи від торця сопла. Дана нестабільність обумовила неможливість одержання точних значень температур верхньої чверті факела.

По осі факела температура зростає в міру видалення від торця сопла й досягає максимуму в нижнього краю зони жовтого світіння. Далі виміру реєструють спад температури полум'я.

Таким способом механізм горіння в торцi сопла носить дифузійний характер. У міру просування по факелі, перемішування окислювача й пального поліпшується й певну роль починає грати кінетична складова, що й спричиняється підвищення температури в краю зони жовтого с вітіння. Що стосується сталості температури зовнішнього краю великого конуса, то вона визначається дифузією окислювача із зовнішнього повітря в зону реакції [5].

 

Рисунок 3 - Сечения факела

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 - Структурна система контролю та керування процессом зпалювання газового палива

Нижча теплота згоряння сухого газоподібного палива [4]:

Q_H^P=358·CH₄+637·C₂H₆+912·C₃H₈+1186·C₄H₁₀+1460·C₅H_12,

Q_H^P=358·94,1+637·3,1+912·0,6+1186·0,2+1460·0,8=37614,9 кДж/ч,

Витрата палива, м³/ c, подаваного в камеру згоряння, визначається по формулі:

(1)

D(i_ПП-i_ПВ)+D_ПР(i'-i_ПВ)

В=                                  ∙100,

Q_H^P∙η_ПГ

____________________

 

 

D=2,78 кг/с паропродуктивність парогенератора ДЕ-10-14ГМ

_пп=2928,4 кДж/кг – ентальпiя перегретої пари, визначається по [4], табл.П.10.

i’=855 кДж/кг–ентальпiя води при температурi кипiння, по [4] ,табл.П.9.

i_пв=4,19·t_пв=4,19·100=419 кДж/кг–ентальпiя живильної води

t_пв=100ºС–температура живильної води

D_ПР=         =           =0.0278 кг/с - витрата продувочної води

q_пр∙D    1∙2,78

 

100       100

_____   ______

 

 

 

Математична модель, що розроблюєтсья, повинна враховувати залежність вихідних параметрів від вхідних. Існуюча вимірювальна система, наладжена на контроль палива та не враховує розподіл температури по середовищу топкової камери. Пропонується врахувати в модель цей факт, і тим самим забезпечити таке ж нагрівання поверхонь, але при спалюванні меншої кількості палива, тобто цільовою функцією розроблювального приладу можна визначити як:

                                            Еф=g(T_ФАКЕЛУ,Н_ФАКЕЛУ)àmax.                                 (2)

Н_ФАКЕЛУ - висота факелу; T_ФАКЕЛУ- температура факелу в певнiй дiлянцi факелу

Знаючи кількість виділюваної теплоти й диференціальне рівняння теплообміну для нескінченного стержня круглого зрiзу можна побудувати залежність нагрівання води від подаваного палива.

Т_ФАКЕЛУ=f(R_ГАЗУ,R_{ПОВIТРЯ}),

Н_ФАКЕЛУ=f(R_ГАЗУ,R_{ПОВIТРЯ}),

де R_ГАЗУ,R_{ПОВIТРЯ}-витрата газу та повiтря вiдповiдно

Якщо врахувати що витрату палива B (м³/с), є не що інше як функція від витрати газу й повітря, то математична модель прийме вид:

Т_{ФАКЕЛУ,} Н_ФАКЕЛУ=f(B),

                                             Т_В.ВИХ=φ(Н_{ФАКЕЛУ,}Т_В.ВХ),                                       (3)

где Т_В.ВХ,Т_В.ВИХ - температура води на виходi та на входi вiдповiдно.

Важливо розробити прилад контролю факелу при різних подачах палива, скласти характеристичну таблицю максимальної температури факелу від палива, що подається, в ідеальному випадку – усе топливо згоряє та тепло йде на нагрівання поверхні. Виходячи з отриманих умов потрібно видавати регулюючий вплив на подачу палива, якщо це не допоможе враховувати втрати при недопалюваннi.У зв'язку із цим, важливо представити механізм горіння. Метод, за допомогою якого це можливо - розподіл температури у факелі та її вимір [4]. Звичайно вимірювані температури лежать у досить широкому інтервалі від -273 ºСдо 3000 ºС і більше. Розробити прилад контролю факелу при рiзних подачах топлива, скласти  характеристичну таблицю максимальнiй температури факелу вiд палива, що подається, в iдеальному випадку – усе зпалюване паливо згоряє i тепло йде на нагрiв поверхнi. Виходячи з отриманих умов треба видавати керуючу дiю на подачу палива, якщо це не допоможе, враховувати затрати при недопалюваннi.

У зв'язку з цим, важливо уявити механiзм горiння. Метод, за допомогою якого це можливо  - разподiл температури в факелi та її вимiр [4]. Звичайно температури, що вимiрюються, лежать у достатно широкому iнтервале вiд -273 ºС до 3000 ºС та бiльше.

Для реалізації приладу необхідно визначити кількість крапок контролю полум'я в різних температурних зрiзах. Вимір температури може здійснюватися за рахунок контактного або безконтактного виміру. Контактні методи виміру температури припускають безпосередній контакт із вимірюваним об'єктом. Однак використання контактного термометра може приводити до порушення структури полум'я. Виникаючі в результаті цього погрішності виміру й запізнювання показань залежать від фізичних властивостей і швидкості плину вимірюваного середовища біля термометра, а також від конструкції термометра. Такі погрішності можуть бути більше методичних погрішностей. При виборі контактного термометра треба, крім того, ураховувати, що термометр повинен витримувати механічні, хімічні й термічні навантаження, яким він підданий на даному об'єкті дослідження.

У випадку великих температур і швидкопротiкаючих процесів, використаються оптичні методи виміру температури, що володіють високим просторовим і часовим дозволом.

Розрахувати дійсну температуру полум'я за результатами вимірів можна одним термометром по формулі (4). Одержали також розвинені способи виміру температури, засновані на залежності між показаннями термометра й діаметра термоелектроднiй дроту: у певне місце полум'я один за іншим уводять два (або більше) термометри з різною товщиною термоелектродов і виходячи з результатів вимірів розраховують дійсну температуру факелу

(4)

 

 

 

де d - діаметр термоелектродного дроту; індекс «1» ставиться до тонкого термоелектроду, індекс «2» - до товстого, індекс w - до стінки.

Цей, а також і більшість інших методів з використанням двох термометрів не враховують обміну випромінюванням між термометром і полум'ям. Зневага цим обміном у випадку несвітлового полум'я не приводить до великої погрішності виміру. У випадку світного оптично товстого полум'я обміном випромінюванням між термоелектродний дротом і стінкою можна зневажити в порівнянні з обміном між термолектродний дротом і полум'ям. Внаслідок сильної абсорбції полум'я термометр «не бачить» стінку. У цьому випадку застосування рівняння (4) не приводить до корисних результатів. Природно, що вплив випромінювання стінки або полум'я залежить також і від місця виміру.

При практичному застосуванні методу двох термометрів часто виникають погрішності виміру того ж порядку, що й розраховані. Тому запропоновано вимірювати температуру лише одним можливо більше тонким термоелектричним термометром. Послідовність розрахунків наступна.

            Ф_k=α∙F_Th∙(T-T₁)≈σ∙ε∙F_Th∙(T₁⁴-T_w⁴)=Ф_Str,                        (5)

ε - випромінювальна здатність;

F_Th - поверхня термометра.

Після нескладних перетворень одержимо

                                                              T≈T₁₊K_So∙(T₁⁴-T_w⁴).                                   (6)

       Коефіцієнт K_Soрозраховується при температурі Тw=300 К. Дійсна температура приблизно дається рівнянням (6), у яке вводяться обмірювані значення Т1 і Тw і значення K_So, визначенi для даної температури Т1 і діаметру дроту d. Внаслідок своєї маси термоелектричні термометри при високочастотних турбулентних коливаннях температури полум'я не можуть точно за ними іти й дають середні значення температури, отримані інтегруванням першого ступеня температури в часі. При вимірі температури контактними термоперетворювачами можуть виникнути значні погрішності, обумовлені відводом теплоти від чутливого елемента за рахунок тепловіддачі по чохлі й тепловiдвiда випромінюванням.

Погрішність Δt виміру температури газу, викликана променистим теплообміном між чохлом термоперетвоювача й стінкою труби, визначається з вираження:

 

 

Δt=T_T-T_C=-        [(      ) - (      )]                               (7)

____   ____     ____

α_К      100        100

C₀ε_ПР    Т_Т⁴        Т_Т⁴

 

де ТС, ТТ, ТСТ – відповідно температура вимірюваного середовища, термоперетворювача й стінки, К;

α_К - коефіцієнт тепловіддачі конвекцією між термоперетворювачем і вимірюваним середовищем,  Вт/(м^2∙К); С₀=5,67Вт/(м^2∙К) - коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла; ε_ПР- наведений коефіцієнт теплового випромінювання, що характеризує теплообмін між термоперетворювачем і стінкою.

Коли поверхня стінки значно більше поверхні термоперетворювача (F_СТ>>F_Т), можна вважати, що наведений коефіцієнт теплового випромінювання практично дорівнює коефіцієнту теплового випромінювання термоперетворювача (ε_ПР=ε_Т).

Погрешнiсть Δt вимiру температури за рахунок тепловiдвода по чохлу визначається по формулі:

 

(8)

 

 

 

де α - коефіцієнт тепловіддачі між термоперетворювачем і вимірюваним середовищем, Вт/(м^2∙К); Р и S – периметр, м, і площа, м², поперечного зрiзу чохла термоперетворювача;
λ- коефіцієнт теплопровідності матеріалу термоперетворювача, Вт/(м^∙К);
l - глибина занурення чохла у вимірюване середовище, м.

Проведений аналіз показує, що для вибору контрольних крапок необхідно досліджувати структуру факела для подальшого контролю температури полум'я в ньому. Геометрично факел являє собою, що звужується нагору осесiметричну структуру (див. рис. 3). зрiзи вибиралися в такий спосіб: 1-і зрiз – у сопла пальника, 2-і зрiз – на відстані 1/3 від загальної довжини малого конуса, 3-і зрiз - на відстані 2/3 від загальної довжини малого конуса, 4-і зрiз – у вершини малого конуса. Усередині великого конуса ясно-синіх кольорів спостерігається малий конус насичених блакитних кольорів. У вершини малого (внутрішнього) конуса розташовується зона жовтого свічення.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким чином отримана структура факела обумовлена режимом дифузійного горіння пального (пропан-бутановая суміш застосовувана в побутовій техніці й окислювача повітря) з поступовим збільшенням кінетичної складової (і температури), що досягає максимального значення в нижнього краю зони жовтого світіння. При проведення цієї роботи були виявлені паралельні дослідження в теплотехнічному напрямку [2], у якій були отримані експериментальні дані для топкового газового пристрою,представлені в таблиці 1.

З результатів експерименту, отриманих роботі [2], видно, що вимір температури необхідно проводити в різних дiлянках зрiзу, для визначення поширення полум'я в середовищі топкової камери. Вимір у центрі факела теоретичне підтверджується експериментальними даними, температура по висоті повинна бути максимальної в кожному зрiз. Дані в крайніх дiлянках видимої області факела ближче перебувають до конвекційних поверхонь тому мають важливе значення. Подача повітря регулюється збільшенням зазору дифузора пальника, забезпечуючи підсмоктування повітря в робочий об'єм пальника. Можливість регулювання в такий спосіб досить обмежене й здійснюється в основному зміною подачі пального (газ) у робочий об'єм.

Таблиця 1 – Експериментальні дані отримані в зрiзах факелу

зрiз 1	r, мм	Т, ºС	зрiз 2	r, мм	Т, ºС
5	0	170	5	0	560
4	2.75	440	3	4,63	640
3	6.13	530	2	5,69	600
2	6,81	485	1	6,81	420
1	7,5	420
зрiз 3			зрiз 4
5	0	650	5	0	700
3	2,38	640	2	2,31	600
2	4,02	630	1	4,36	420
1	5,59	420

Як термоелектричний датчик можна використати хромель-алюмелеву диференціальну термопару. Робочий спай термопари, що поміщає в полум'я кріпиться на електроізолюючій тефлоновій підставці, закріпленої на препаратоводителе, конструкція якого дозволяє переміщення в горизонтальному та вертикальному напрямках, що дає можливість виміряти температуру в будь-якій крапці факела [2].

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 - Принцип роботи системи контролю

На даний час робота перебуває в стадії завершення, очікувані результати:

1. Побудовано узагальнену математичну модель нагрівання води від подаваного на вхід системи палива, що вiдрiзняєтсья від існуючих тим, що забезпечує керування не по витраті а по температурі усередині топлення. Це дозволяє забезпечити збільшення економічності процесу (1) за рахунок зменшення витрат палива (3).

2. Визначено, що гіпотетичні дані подібні експериментальними, тобто мають таку ж тенденцію поширення температур у факелі й аргументують можливість модифікації існуючої системи контролю й керування

3. Проведенi дослідження оптимальних параметрів факела в різних дiлянках усередині топкової камери – у центральних і крайніх дiлянках факела. Визначено що елементами модифікації існуючої системи контролю й керування буде установка термоперетворювачей у центральних і крайніх дiлянках полум'я, причому необхідно перехід від контактних датчиків температури до безконтактних, які забезпечать можливість дослідження високодинамичного поширення температури полум'я в середовищі.

Лiтература

1. Киселев Н. А. – Котельные установки. Учеб. пособие для техн. училищ. М., «Высш. школа», 1975, 277 с.

2. Трофименко М.Ю. Особенности структуры факела пламени твердых смесевых систем на основе перхлората аммония. Диссертация на соискание степени канд. физ.-мат. наук, Одесса, 1999.

3. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод). Кузнецов Н.В., Митор В.В., Дубовский И.В., Карасина Э.С. -М.: Энергия, 1973

4. Тепловой расчет котельных агрегатов [ Учебное пособие] А. С. Попов, И. Л. Дунин; Рост. инж.-строит. ин-т 119 с., [2] л. табл. ил. 20 с.

5. Гейдон А.Г., Вольфгард Х.Г. Пламя, его структура, излучение и температура. Пер. с англ. –М: Металлург, 1959. -333 с.

6. Евдокимов Н. И. Методы и средства исследований. Ч. 1 Температура. Российский гос. университет нефти и газа им. И. М. Губкина.

7. Двойнишников В. А.,,Деев Л. В. Конструкция и расчет котельных установок: Уч. для техникумов по специальности «Котлостроение». М.: Машиностроение, 1988. - 264 с. ил.

8. В. С. Мухин, И. А. Саков Приборы контроля и средства автоматики тепловых процессов. М: Высшая школа 1988 - 256 с.

9. Качан А. Д. - Режимы работы и эксплуатации ТЭЦ, Минск: Вышэйшая школа

10. М. М. Щеголев Топливо, топки и котельные установки М.: Литературы по строительству и архитектуре. 1953

До змiсту

 

В=                                                       ∙100=0.2 м³/с

37614,9∙91,95

2,78∙(2928,4-419)+0,0278∙(855-419)

________________________________