Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы и анализ нормативной, методической и материально-технической базы испытаний газовых горелок 9
2. Разработка модели стенда и методик определения условий соответствия газовых горелок нормативным требованиям 19
2.1. Разработка математической модели испытательного стенда и технические требования к рабочей камере испытательного стенда 21
2.2. Разработка методов поиска условий соответствия газовых горелок нормативным требованиям 30
2.3. Разработка алгоритма и программы обработки экспериментальных данных полученных при испытаниях газовых горелок 44
3. Разработка и экспериментальные исследования стенда 47
3.1. Расчет рабочей камеры испытательного стенда 47
3.2. Разработка технической документации стенда 53
3.3. Экспериментальные исследования сертификационного стенда 58
3.3.1. Сравнение результатов полученных экспериментальным и расчетным путем 58
3.3.2. Исследование влияния условий испытания горелочного устройства на нормируемые показатели 59
3.3.3. Применение методики поиска области соответствия газовых горелок нормативным требованиям 62
3.3.4. Исследование влияния падающих тепловых потоков при сертификационных испытаниях газогорел очных устройств 68
4. Разработка положений по созданию стендов для сертификационных испытаний. Возможности расширения области применения стенда. Разработка программы аттестации стенда 76
4.1. Положения по созданию стендов для сертификационных испытаний и технические требования к рабочей камере 76
4.2. Расширение возможностей испытательного стенда 81
4.3. Разработка программы аттестации стенда для сертификационных испытаний газовых горелок 87
Заключение 99
Литература 101
Приложение 1 111
Приложение 2 120
Приложение 3 125
Приложение 4 131
- Обзор литературы и анализ нормативной, методической и материально-технической базы испытаний газовых горелок
- Разработка методов поиска условий соответствия газовых горелок нормативным требованиям
- Экспериментальные исследования сертификационного стенда
- Расширение возможностей испытательного стенда
Введение к работе
Намеченный сценарий удвоения ВВП России к 2015г. неизбежно будет сопровождаться ростом потребления органического топлива (при ежегодном росте 7,2%).
Поскольку сжигание газового топлива сопровождается потерями энергии и выбросами в атмосферу вредных веществ, важным критерием в оценке объектов промышленного и сельскохозяйственного производства становится их энергетическая и экологическая эффективность.
Газогорелочное устройство - один из элементов энергетических и теплотехнологических установок, от которого в значительной степени зависят экономичность сжигания топлива, выброс загрязняющих веществ в окружающую среду и безопасность их эксплуатации. Оно должно подвергаться обязательным сертификационным испытаниям на соответствие государственным стандартам РФ.
Все работы, связанные с разработкой, изготовлением и испытаниями газогорелочных устройств, находятся в правовом поле, определяемом тремя федеральными законами: законом о техническом регулировании; законом о промышленной безопасности; законом об энергосбережении.
Государственные стандарты ограничивают поступление на рынок продукции, не отвечающей современным требованиям.
Сертификационные испытания горелок должны проводиться в испытательных лабораториях на аттестованных стендах, технические требования к которым регламентируются государственными стандартами. При этом условия испытаний, влияющие на режим работы горелки (тепловое напряжение объема камеры горения, давление в камере горения, степень стеснения факела, длина камеры горения), должны быть максимально приближены к эксплуатационным. Однако нигде не сказано, как можно достичь этого приближения и каким оно должно быть.
До настоящего времени при сертификационных испытаниях не применялись методы математического моделирования процессов в рабочих камерах для расчета условий испытаний на стендах. Это позволило бы давать прогнозные оценки результатов экспериментальных испытаний на стенде. С другой стороны, с помощью математических методов планирования экспериментов можно получать информацию о влиянии интересующих факторов, количественно оценивать значения выходных величин при заданном режиме работы горелки, а также определить граничные условия, при которых может работать горелка с соблюдением требований нормативов.
Отсутствие научно-методических подходов к реализации приближения условий проведения испытаний в стендах к реальным условиям эксплуатации горелок и к оценке требуемой степени приближения существенным образом повышают вероятность того, что горелки, успешно прошедшие сертификационные испытания на стенде, в эксплуатационных условиях не будут отвечать требованиям ГОСТов.
Динамика роста количества испытательных лабораторий, аккредитованных в области испытания газовых горелок за последние 8 лет, показывает увеличение их числа с июля 1997г. (5 лабораторий) по январь 2005г. (24 лаборатории) почти в 5 раз. При этом не всегда условия испытаний горелки соответствуют эксплуатационным.
В сложившейся ситуации назрела необходимость создания в достаточной степени универсального стенда, который позволил бы проводить испытания в условиях, достаточно близких к реальным и имеющих место в теплоиспользующих установках.
Начало работам по созданию такого стенда было положено институтом ВНИИПромгаз совместно с коллективом кафедры Энергетики высокотемпературной технологии (ЭВТ) МЭИ.
Цель работы: создание материально-технической базы и методического обеспечения сертификационных испытаний, позволяющего получать достоверные результаты при испытаниях газогорелочного оборудования.
Поставлены и решены следующие задачи:
Получена методика расчета стенда, позволяющая определить режимные параметры работы стенда при известных его конструктивных характеристиках или определить конструктивные характеристики при заданных режимных параметрах.
Разработаны методы поиска оптимальных условий работы газовых горелок, а также области соответствия нормативным требованиям экологии, экономичности, безопасности и т.д.
Разработаны принципы создания испытательных стендов с изменяемыми конструктивными и теплотехническими характеристиками, в которых возможно создавать условия испытания, приближенные к эксплуатационным, и как следствие получать достоверные результаты по экологическим и энергетическим показателям работы горелочного устройства.
Разработан эскизный проект и создан головной стенд для испытания газовых горелок тепловой мощностью до 1 МВт, предусматривающий защиту окружающей среды при испытаниях и экономию энергоресурсов благодаря оптимизации методов испытания горелочных устройств.
Предложены возможности расширения использования стенда для испытания и другого теплотехнического оборудования (газовых водогрейных котлов, воздухоподогревателей, теплогенераторов и т.д.), а также разработана методика аттестации стенда для испытаний газогорелочного оборудования целью, которой является установление пригодности его использования в соответствии с назначением.
Работа выполнена на кафедре Энергетики высокотемпературной технологии МЭИ (ТУ), при сотрудничестве с ОАО «Промгаз», ООО НПФ «ЭКОТОРЭНС» и Гжельским заводом «Электроизолятор».
Численный эксперимент проводился с помощью разработанных математических моделей, для чего были созданы программы на ЭВМ. Экспериментальные исследования проводились на огневом стенде.
Обоснованность и достоверность теоретических положений, выводов и рекомендаций подтверждается соответствием расчетных и экспериментальных результатов. Достоверность обеспечивается применением широко используемых методик теплотехнических расчетов, апробированных математических методов моделирования и планирования эксперимента.
Научная новизна работы
Впервые предложена конструкция принципиально нового стенда для сертификационных испытаний отличающегося, возможностью установления более широкого спектра характеристик, определяющих работу горелочного устройства.
Разработаны методические основы расчета стенда, существенно приближающие условия испытаний к эксплуатационным за счет изменения геометрии и конструкции ограждений рабочей камеры. Тем самым ликвидируется несоответствие рабочих и эксплуатационных результатов.
Впервые разработана методология организации, проведения и обработки экспериментальных данных с применением математических методов планирования эксперимента.
Экспериментальные исследования показали принципиальные преимущества предлагаемого типа стенда, отличающегося более широкими возможностями получения объективных результатов сертификационных испытаний газовых горелок по сравнению с существующими.
Практическая ценность работы
Разработаны новые методические подходы к проведению сертификационных испытаний, позволяющие для известных условий работы горелки создавать условия, приближенные к эксплуатационным, а для неизвестных — определять область применения, в которой она будет соответствовать нормативным требованиям.
Создан комплекс программного обеспечения, в среде Mathcad и Microsoft Excel, в основе которого лежит методика сертификационных испытаний газогорелочных устройств.
По разработанному эскизному проекту создан головной стенд для сертификационных испытаний на кафедре ЭВТ МЭИ (ТУ) тепловой мощностью 1 МВт.
Установлены условия и предложены методы и средства выполнения аттестации стенда для испытаний газогорелочного оборудования.
Реализация
Методика проведения сертификационных испытаний и обработки их результатов использованы при сертификации газовой горелки ГКС-160 номинальной производительностью 160 кВт, разработанной Гжельским заводом «Электроизолятор». Также по данной методике сертифицировано 5 газогорелочных устройств иностранного производства.
Материалы диссертации нашли практическое применение при выполнении работы по созданию научно-технического продукта «Разработка документации на экспериментальные стенды, программ и методик испытания новых элементов горелочных устройств и теплообменных аппаратов» по заданию «Тепловой инвестиционной компании» г.Сыктывкар (Москва, 2004г.).
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка использованной литературы и приложений. Содержание работы изложено на ПО страницах машинописного текста. Список литературы содержит 97 наименований.
Обзор литературы и анализ нормативной, методической и материально-технической базы испытаний газовых горелок
В связи со сложностью комплекса аэродинамических, химических и тепловых процессов, происходящих при сжигании топлива, наиболее простым при создании и контроле горелочных устройств является испытание. Испытание - это экспериментальное определение качественных и количественных характеристик горелочных устройств и создаваемых ими факелов при работе горелок в стендовых или промышленных условиях.
При стендовых сертификационных испытаниях не всегда имеется возможность приблизить условия испытаний в стенде к эксплуатационным в реальных рабочих камерах. При сертификации же необходимо дать рекомендации по поведению горелочного устройства в конкретной рабочей камере. В этом случае может помочь математическое моделирование для прогнозирования поведения горелочного устройства в конкретной рабочей камере, а проведение экспериментальных испытаний в огневой модели с условиями, приближенными к реальным, для проверки результатов полученных из математической модели.
Моделированием горения в различных камерах занимались еще в середине прошлого века такие ученые, как В.И. Иевлев (ЭНИН), В.А. Арутюнов (МИСиС), А.Д. Ключников (МЭИ) и др. В.Н. Иевлев изучал процесс горения факела в открытом пространстве -свободно развивающийся факел в стальном туннеле при охлаждении стенок и без охлаждения. Он выяснил, что процесс горения по оси туннеля развивается также как и в свободном горящем факеле, причем раскаленные стенки туннеля не оказывают на размеры факела заметного влияния. Для подтверждения этого обстоятельства им проведены дополнительные опыты в стальном туннеле с охлаждаемыми водой стенками, исключающими влияние раскаленных поверхностей на развитие процесса горения. Характерный для огнеупорного туннеля поджиг горючей струи раскаленными газами в данном случае имитировался поджигом посредством «зажигающего кольца».
Опыты Иевлева показали, что при сжигании горючей смеси (в условиях устойчивого зажигания) в свободном факеле, огнеупорном туннеле и в туннеле с охлаждаемыми стенками, общая картина хода процесса горения по оси потока во всех трех случаях практически одинакова и «кривые выгорания» довольно хорошо совпадают друг с другом. Раскаленные стенки туннеля снижают теплопотери циркулирующих к корню струи газовых потоков и тем самым повышают зажигающую способность источника. Другого влияния раскаленных стенок туннеля на процесс горения нет, так как контакт между горящей струей и стенками отсутствует; излучение же от раскаленных стенок не влияет на длину факела, определяющую эффективность процесса по оси потока.
В.А. Арутюнов занимался моделированием горения различных реакторов металлургии. Значительная часть работ А.Д. Ключникова посвящена физическому и математическому моделированию процессов в высокотемпературных теплотехнологических установках.
А.Д. Ключниковым рассматриваются так называемые аффинные физические модели, т.е. модели, которые имеют одно или несколько нереализованных существенных требований подобия с образцом (модель отличается от образца численным значением некоторых существенных инвариантов подобия). Например, имеется нарушения подобия в геометрическом отношении, тепловой нагрузки, тепловых потерь в окружающую среду и др. Метод аффинных физических моделей, так же как и метод подобных физических моделей, предусматривает необходимость математического описания процессов, происходящих в изучаемом объекте, и последующего его анализа методами теории подобия.
Также моделирование горения газа в различных камерах изучалось такими научно-исследовательскими институтами, как ВНИИПромгаз, Теплопроект и т.д. К сожалению, до настоящего времени математическое моделирование или методы планирования эксперимента не имели отражения в методическом обеспечении сертификационных испытаниях газовых горелок.
Сертификационным испытаниям подвергаются горелочные устройства с целью установления соответствия их технических характеристик национальным или международным нормативным документам.
Обязательная сертификация предусматривается для следующего оборудования: - бытовая аппаратура, работающая на твердом, газообразном или жидком топливе; - отопительные котлы; - горелки газовые промышленные; -теплогенераторы для животноводства, птицеводства и кормопроизводства.
Обязательная сертификация распространяется также на все импортируемые горелочные устройства независимо от типа и назначения. При этом испытания продукции для обязательной сертификации проводятся исключительно испытательными лабораториями и центрами, аккредитованными Госстандартом России в системе ГОСТ Р, а выдача сертификатов соответствия - органами по сертификации, аккредитованными Госстандартом России или региональными центрами стандартизации, метрологии и сертификации (СМиС).
Для проведения обязательной сертификации газовых горелок изготовитель или продавец обращается в соответствующей орган по сертификации (перечень органов с указанием области их аккредитации (деятельности) публикуется ежегодно Госстандартом России и имеется в региональных центрах СМиС). При желании разработчик может указать испытательную лабораторию или центр, в котором будут проведены испытания для целей сертификации. Горелка, представленная на сертификацию, должна иметь технические условия, зарегистрированные в установленном порядке, а также конструкторскую и эксплуатационную документацию.
Если в технических условиях на горелку по каким-либо причинам разработчик указал более жесткие требования, чем в ГОСТах или правилах, то соответствие требованиям определяется на основе этих технических условий, а не стандартов и Правил. Методы сертификационных испытаний определяются стандартами и нормами в зависимости от типов горелочного оборудования и его назначения [9-36].
Разработка методов поиска условий соответствия газовых горелок нормативным требованиям
На работу горелок при сертификационных испытаниях существенное влияние оказывают условия, при которых осуществляется процесс сжигания топлива. К ним в первую очередь следует отнести конструктивные и тепловые характеристики топки. При большом многообразии возможной конструкции испытательного стенда выделим те параметры, которые однозначно выделяют из множества возможных вариантов конкретный испытательный стенд. К таким параметрам (в дальнейшем их будем называть факторами) относятся геометрия проточной части стенда (форма и размеры поперечного сечения, длина рабочей камеры), а также важнейшая теплотехническая характеристика стенда - температура в рабочей камере, которая во многом определяет термическим сопротивлением его ограждений.
Так при большом термическом сопротивлении ограждений (R«l4-10 м2-К/Вт) температура внутренней поверхности ограждений будет стремиться к температуре факела (в пределе к адиабатической температуре горения). При малом термическом сопротивлении ограждения (R«0,0005-r.0,005) температура внутренней поверхности рабочей камеры будет приближаться к температуре охлаждающей стенки воды.
Наибольший эффект при проведении испытаний достигается при проведении так называемого активного эксперимента, который предполагает возможность установления каждого фактора на любом интересующем нас значении вне зависимости от того, какие значения в данный момент имеют другие факторы.
Каким же образом можно устанавливать необходимые значения факторов при испытании газовых горелок на разработанном испытательном стенде?
При работе горелки на номинальном режиме, когда тепловыделение постоянно, варьирование температуры в рабочей камере может производиться за счет изменения теплоотдачи от факела к внутренней поверхности стенда. Максимальная температура в рабочей камере при этом будет при минимальной теплоотдаче факела к окружающим его поверхностям. Это достигается путем выполнения эффективной тепловой изоляции внутренней металлической стенки стенда. Выбор тепловой изоляции для обеспечения необходимого температурного уровня осуществляется расчетным способом с помощью математической модели.
Минимальная температура газов в рабочей камере обеспечивается при помощи использования специальных огнеупорных материалов из карбида кремния марки КН обладающего высоким коэффициентом теплопроводности А,= 10,6-2,12-10-3-ґ[87].
При достаточно высокой тепловой мощности испытываемой горелки необходимая температура в рабочей камере обеспечивается изложенным выше способом.
Для горелок малой мощности требуемое максимальное значение температуры газов в охлаждаемой рабочей камере потребует толстой тепловой изоляции с высоким термическим сопротивлением. Минимальное значение необходимой температуры в рабочей камере устанавливается путем уменьшения слоя огнеупорного материала вплоть до его полного исключения.
Для получения высоких температур в рабочем пространстве диаметр рабочей камеры можно уменьшить путем увеличения толщины огнеупорного и теплоизоляционного слоев огнеупоров с высоким термическим сопротивлением. Для получения относительно низких температур рабочую камеру нужного диаметра выкладывают огнеупорными материалами с высоким коэффициентом теплопроводности.
Относительная длина камеры Кда=—- (здесь Ьф и L - соответственно длины факела и рабочей камеры) изменяется путем варьирования длины рабочей камеры перемещением на необходимое расстояние обечайки с отверстием для выхода газов.
Для поиска области соответствия параметров работы горелки установленным ГОСТ нормам необходимо провести ряд экспериментов с целью получения математических моделей, описывающих основные характеристики горелки от перечисленных выше факторов (термического сопротивления ограждения, диаметра рабочей камеры, длины рабочей камеры).
Под математическим описанием будем понимать систему уравнений, связывающих интересующие нас выходные величины (содержание оксида углерода СО и оксидов азота NOx, потери теплоты от химической неполноты сгорания 7ХН, тепловая мощность горелки, коэффициент рабочего регулирования и т.д.) с влияющими на процесс сжигания факторами (диаметр рабочей камеры Z)pK., длина рабочей камеры Z,pK. и термическое сопротивление ограждений обмуровки RorH,).
С помощью математического описания можно получить информацию о влиянии факторов, количественно оценить значения выходных величин при заданном режиме работы горелки, определить граничные условия, при которых может работать горелка с соблюдением требований ГОСТ.
Экспериментальные исследования сертификационного стенда
Эксперименты проводились на стенде, смонтированном на кафедре ЭВТ МЭИ номинальной мощностью 1 МВт на примере горелки газовой ГКС-160 скоростного типа с принудительной подачей воздуха и ручным управлением, производства ОАО Гжельский завод «Электроизолятор» номинальной мощности 160 кВт.
Для удобства идентификации конкретной конструкции рабочей камеры, полученной при варьировании ее конструктивных характеристик введем понятие «конструктивного вектора», составляющими которого являются диаметр рабочей камеры в свету (Dc), термическое сопротивление футеровки (Rom) и длина рабочей камеры стенда (LpK). Этот вектор будет обозначаться так k(D,R,L), см. рис. 3.4.
Так например для рабочей камеры с координатами: диаметр рабочей камеры в свету (Д) 800мм, термическое сопротивление футеровки (для ШЛА-1,3 Som = 65 мм) (Rom) 0,114Вт/(м2-С) и длине рабочей камеры стенда (ZpK) 1000 мм, конструктивный вектор имеет координаты &(0,8;0,114;1).
Целью эксперимента является сравнение результатов полученных экспериментальным путем на огневой модели и расчетным способом из математического описания стенда. Результаты этих опытов (после их статистической обработки) приведены на рис. 3.5.
Мощность горелки, кВт Рис. 3.5. Сравнение данных полученных расчетным и экспериментальным путем экспериментального при тепловой мощности горелки, составляющей 10% от номинальной мощности испытуемого стенда, составляет 4% и далее уменьшается. Такая точность нас удовлетворяет.
Это обусловлено конструктивными особенностями горелки. Во-первых, длина носика горелки « 800 мм, во-вторых, горелка является скоростной (т.е. компоненты горения истекают через сужающийся конус), поэтому с увеличением нагрузки увеличивается и скорость истечения компонентов горения пропорционально увеличению мощности горелки. При сложении всех вышеописанных факторов получается следующая картина (рис. 3.8) в рабочей камере формируется холодная зона, в которой образуются вихревые потоки, а с увеличением мощности, увеличивается скорость истечения продуктов горения, усиливается циркуляция продуктов горения в холодной зоне, а как следствие и подмес в основной факел, что и приводит к снижению образования NOx.
С учетом коэффициента рабочего регулирования (Крр = 3), по концентрации NOx в продуктах горения, горелка соответствует нормам в обоих случаях.
Из приведенного примера следует, что горелки, успешно прошедшие сертификационные испытания на стендах, могут показать отрицательные результаты при работе на реальных объектах, и условия испытаний должны быть максимально приближены к эксплуатационным.
Расширение возможностей испытательного стенда
Разработанный испытательный стенд обладает определенной степенью универсальности и достаточно легко может быть расширен в направлении использования его для сертификационных и иных испытаний жидкотопливных горелок, котлов и теплообменного оборудования.
Для обеспечения возможности проведения испытаний жидкотопливных горелок с использованием разработанного стенда необходимо дополнить его инфраструктуру жидкотопливной системой, т.е. подготовки и подачи жидкого топлива к испытуемой горелке. Принципиальная схема этой системы представлена на рис. 4.1. Основными элементами жидкотопливной системы являются: - приемная емкость, оснащенная крышкой с горловиной для заливки жидкого топлива и отдушкой для сброса паров топлива и воздуха в атмосферу, устройством для измерения уровня топлива в емкости, патрубком с вентилем Т12 для опорожнения емкости; - расходная емкость, оснащенная крышкой с отдушкой и мерником; - топливный фильтр; - топливный насос.
Расходная емкость соединена с приемной емкостью переливной трубой, исключающей возможность переполнения расходной емкости. После заполнения расходной емкости вентили ТІ и Т9 закрываются, а топливный насос выключается.
Подача топлива из расходной емкости к жидкотопливным горелкам осуществляется путем открытия вентиля Т2, вентилей ТЗ и Т4 (до и за фильтром). Жидкое топливо может поступать к горелкам через байпас топливного насоса Т8 при закрытых вентилях Т7 и Т6 и выключенном насосе. Если гидростатического давления топлива не хватает, байпас с вентилем Т8 надо закрыть и топливоподачу осуществлять насосом. Регулирование давления топлива перед вентилями ТІ0 и ТІЇ можно осуществлять подпорным вентилем Т9 за счет организации рециркуляции части топлива.
При открывании вентиля Т9 часть топлива, перекачиваемого насосом, сбрасывается в расходную емкость и давление топлива понижается, при закрывании вентиля Т9 доля рециркулирующего топлива уменьшается, а его давление возрастает.
В том случае, если жидкотопливные горелки оснащены встроенными топливными насосами, подача топлива к ним осуществляется через байпас с вентилем Т8 (топливный насос системы - отключен).
В случае необходимости предварительного подогрева топлива, его можно организовать в расходной емкости разместив в ней змеевиковую поверхность нагрева внутри, которой циркулирует вода, подогретая в электрическом или газовом нагревателе.
Необходимо отметить, что в условиях испытательной лаборатории желательно проводить испытания жидкотопливных горелок, работающих на легких видах топлива (печное или бытовое топливо, флотский мазут и т.п.), но также можно проводить испытания горелок работающих на вязких мазутах. На рис. 4.1 показано только подключение топливной системы к испытательному котлу с жидкотопливной горелкой, дымовые газы из которого сбрасываются в рабочую камеру испытательного стенда.
По способу распыла жидкого топлива жидкотопливные горелки (форсунки) классифицируются, как горелки (форсунки) механического распыла и горелки (форсунки) с распыливающей средой (сжатый воздух или пар). В случае испытания жидкотопливных горелок (форсунок) с применением в качестве распыливающего агента сжатого воздуха, необходимо иметь компрессор.
Подача воздуха на горение топлива может быть осуществлена от системы воздухоснабжения испытательного стенда. Необходимость в использовании этой системы отпадает, если испытанию подлежат жидкотопливные горелки со встроенным в них вентилятором.
Испытательные стенды могут быть использованы только для тех котлов, номинальная тепловая мощность которых не превосходит номинальной тепловой мощности испытательного стенда. Испытания котлов большой мощности должны проводиться на самих котлах в условиях их инфраструктуры (химводоотчистка, деаэрация, тяго-дутьевые установки, насосное хозяйство, т.е. питательные, сетевые, циркуляционные, подпиточные насосы и т.п.). Вопрос о создании полигонов для питания больших котлов здесь не рассматривается.
