Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные методы интенсификации теплообмена и снижения выхода оксидов азота из теплогенерирующих установок при сжигании природного газа и их анализ 10
1.1 Теоретическое обоснование влияния промежуточного излучателя на топочный теплообмен и генерацию оксидов азота 10
1.2. Оксиды азота, как источник загрязнения атмосферы 17
1.3. Механизм образования оксидов азота при сжигании газообразного топлива
1.3.1. Источники оксидов азота и их классификация 19
1.3.2. Условия образования термических оксидов азота 19
1.4. Существующие технологические методы снижения выхода оксидов азота в топках котлов 27
1.4.1. Рециркуляция продуктов сгорания в зону горения 27
1.4.2. Двухступенчатое сжигание топлива 30
1.4.3. Ввод влаги в зону горения 33
1.4.4. Применение различных горелочных устройств с пониженным выходом оксидов азота 35
1.4.5. Химические методы очистки дымовых газов от оксидов азота 38
1.4.6. Применение промежуточных излучателей
1.5. Сравнительный анализ существующих методов по снижению выхода оксидов азота при сжигании природного газа 42
1.6. Изучение топочных процессов при исследовании промежуточного излучателя 49
1.7. Численные методы решения задач оптимизации
1.8. Рекомендуемые параметры оптимизации 58
1.9. Обоснование цели и задач исследования 60
Глава 2. Разработка методики расчета физических характеристик теплообмена в топке 62
2.1. Определение физических характеристик топочного теплообмена (без промежуточного излучателя) на основе нормативного метода теплового расчета котельных агрегатов 62
2.2. Определение основных физических характеристик топочного теплообмена (с промежуточным излучателем) на основе нормативного метода теплового расчета котельных агрегатов 64
Выводы по главе 2 66
Глава 3. Разработка математической модели процессов теплообмена и генерации оксидов азота 67
3.1. Математическая модель процессов теплообмена и генерации оксидов азота в топочном объеме котельного агрегата при использовании промежуточного излучателя 67
3.2. Исследование теплообменных процессов в топке с промежуточным излучателем на математической модели (на примере котла ParoTatriplex VIESSMANN мощностью кВт) 79
Выводы по главе 3 86
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований по влиянию промежуточного излучателя на топочный теплообмен и образование оксидов азота 87
4.1. Описание экспериментальной установки 87
4- - Объект исследований и методика проведения испытаний 91
4.3. Анализ и обобщение результатов экспериментальных исследований по влиянию промежуточного излучателя на топочный теплообмен и образование оксидов азота 94
4.3.1. Численные методы обработки результатов измерений 94
4.3.2. Анализ результатов экспериментальных исследований 96
4.3.3. Оптимизация технологических параметров, характеризующих промежуточный излучатель 104
4.3.4. Обобщение результатов экспериментов по влиянию промежуточного излучателя на топочный теплообмен и образование оксидов азота НО
4.4. Экономический эффект, учитывающий предотвращенный экологический ущерб от загрязнения атмосферы оксидами азота 116
Выводы по главе 4 118
Заключение 119
Литература
- Источники оксидов азота и их классификация
- Определение основных физических характеристик топочного теплообмена (с промежуточным излучателем) на основе нормативного метода теплового расчета котельных агрегатов
- Исследование теплообменных процессов в топке с промежуточным излучателем на математической модели (на примере котла ParoTatriplex VIESSMANN мощностью кВт)
- Экономический эффект, учитывающий предотвращенный экологический ущерб от загрязнения атмосферы оксидами азота
Введение к работе
з
Актуальность проблемы. В настоящее время существует тенденция децентрализации систем теплоснабжения с применением автономных котельных, вызванная нехваткой мощности теплоисточников в районах городской застройки и ограниченной пропускной способностью существующих тепловых сетей.
В связи с этим, с одной стороны, необходимо улучшение технико-экономических показателей газовых водогрейных котлов (КВГ)- С другой стороны, существует проблема экологического характера, т.к. применение таких котлов сопровождается выделением в атмосферу значительного количества токсичных веществ. Особо токсичными компонентами, содержащимися в продуктах сгорания, являются оксиды азота.
Решению проблемы должны способствовать разработка и исследование устройств, которые могли бы устанавливаться в топочном объеме котельного агрегата и иметь способность интенсифицировать теплообменные процессы в топке и снижать выход оксидов азота за счет совершенствования самого процесса горения. Таким устройством может служить тело или система тел (промежуточный излучатель), обладающих огнеупорностью, распространенностью и относительно низкой стоимостью.
Для улучшения эффективности теплообмена и снижения концентрации оксидов азота в выбросах необходим выбор оптимальных характеристик промежуточных излучателей, в числе которых -относительные размеры, форма, расположение и материал излучателя.
Таким образом, является актуальным решение задачи совершенствования процесса сжигания природного газа в котлах КВГ.
Цель работы - повышение эффективности и снижение концентрации оксидов азота в продуктах сгорания водогрейных котлов малой мощности при сжигании природного газа посредством оптимизации характеристик промежуточных излучателей.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: - уточнение расчетной математической модели, описывающей процессы теплообмена и генерации оксидов азота в топочном объеме котельного агрегата при использовании промежуточных излучателейі-ч- национальна «Г
ГУЩ*
БИБЛИОТЕКА J Ctl
О»
4'
оценка влияния промежуточных излучателей на генерацию оксидов азота и КПД котла на основе математической модели по результатам вычислительного эксперимента;
проведение теоретических и экспериментальных исследований по оценке влияния промежуточных излучателей на топочный теплообмен и образование оксидов азота в котлах КВГ.
разработка методики расчета физических характеристик топочного теплообмена с учетом влияния промежуточных излучателей применительно к водогрейным котлам малой мощности;
разработка прикладной программы для определения оптимальных параметров промежуточных излучателей с точки зрения увеличения теплосъема топки и минимизации эмиссии NOx-
Основная идея работы состоит в совершенствовании методов расчета характеристик промежуточных излучателей в топках водогрейных котлов малой мощности.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, математическое моделирование, опытно-промышленные исследования, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа с применением ПК.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теории теплообмена, моделированием изучаемых процессов, планированием необходимого объема экспериментов, подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна работы состоит в том, что: уточнена расчетная математическая модель, описывающая закономерности процессов теплообмена и кинетику образования оксидов азота в топках котлов КВГ при использовании промежуточного излучателя;
разработана методика определения физических характеристик топочного теплообмена с учетом влияния промежуточных излучателей;
установлены теоретические и экспериментальные зависимости, характеризующие эффективность применения промежуточных
5 излучателей с позиции интенсификации теплообмена и снижения концентрации оксидов азота;
- оптимизированы размерные, компоновочные и материальные
параметры промежуточных излучателей в топках котлов КВГ.
Практическое значение работы:
- разработана и внедрена конструкция промежуточного излучателя,
повышающая эффективность теплообмена и подавления выбросов
оксидов азота в котлах КВГ;
разработана схема установки промежуточного излучателя в топочной камере котла;
разработана прикладная программа расчета оптимальных параметров промежуточных излучателей, обеспечивающих приращение теплосьема топки и наименьшую концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания котлов КВГ;
- разработана методика расчета оптимальных характеристик
промежуточного излучателя.
Реализация результатов работы:
водогрейный котел с промежуточным излучателем Paromat - Triplex VIESSMANN мощностью 105 кВт внедрен на предприятии ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМНЕФТЬ», г. Оса Пермской области;
материалы диссертационной работы использованы кафедрой ТГВ и ОВБ Пермского государственного технического университета в курсах лекций, а также в курсовом и дипломном проектировании при подготовке инженеров по специальности 290700 «Теплогазоснабжение и вентиляция».
На защиту выносятся:
Уточненная расчетная математическая модель, характеризующая закономерности процессов теплообмена и генерации оксидов азота в топочном объеме котлов КВГ при размещении промежуточного излучателя в зоне наибольших температур факела горелки;
теоретические и экспериментальные зависимости, характеризующие эффективность применения промежуточных излучателей с точки зрения интенсификации теплообмена и снижения концентрации оксидов азота;
6 - результаты расчетов, определяющие оптимальные параметры промежуточных излучателей с точки зрения увеличения теплосъема топки и минимизации эмиссии NOx (применительно к котлам КВГ).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно-практических конференциях: «Энергосберегающие технологии, материалы и оборудование в современном строительстве и реконструкции зданий» (Пермь, 1998 г.); «Качество строительства -основа работы в рыночных условиях» (Пермь, 1998 г.); «Проблемы исполнения экологического и земельного законодательства в РФ» (Пенза, 2004 г.); ежегодных научно-технических конференциях Пермского государственного технического университета (2001-2003 г.г.).
Публикации. Основные положения диссертации отражены в девяти печатных работах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы 174 страницы, в том числе: 134 страницы - основной текст, содержащий 21 таблицу на 45 страницах; 30 рисунков на 30 страницах; список литературы из 117 наименований на 12 страницах; 4 приложения на 18 страницах.
Источники оксидов азота и их классификация
Рециркуляция продуктов сгорания в зону горения Одним из наиболее распространенных и хорошо изученных методов снижения концентрации образующихся оксидов азота является рециркуляция продуктов сгорания в зону горения. При этом более эффективной является рециркуляция предварительно охлажденных газов из хвостовой части котла в дутьевой воздух. Так, например, при подаче рециркуляционных газов с температурой 300 С в ядро факела в количестве, равном 30% от объема воздуха, поступающего на горение, максимальная температура факела снижается почти на 200 С [96,93,98,112].
Рециркуляция дымовых газов в топочную камеру в настоящее время широко применяется в котельной технике. Обычно дымовые газы с температурой 300-400 С отбираются перед воздухоподогревателем и специальным рециркуляционным дымососом подаются в топочную камеру. При этом условия ввода могут быть различными [68,108,110]: подача газов через каналы в поду топки (котел ТГМП-314); подача газов через шлицы под горелками (ГГМП-114); подача газов через кольцевой канал вокруг горелки(ТГМП-324); подача газов в воздуховод (ТГМП-324).
Применение рециркуляции позволяет регулировать теплоотдачу к топочным экранам, сближая характеристики работы котлов при сжигании различных топлив, например жидких и газообразных.
Наряду с явными преимуществами, к которым следует отнести защиту топочных экранов от перегрева, регулирование перегрева пара, возможность унификации котлов по топливу, а также возможность снижения образования оксидов азота, применение рециркуляции связано с определенными трудностями, которые должны быть учтены. К таким трудностям (наряду с некоторым снижением КПД) следует отнести: 1. Необходимость в специальном рециркуляционном вентиляторе. 2. Строительство дополнительных газоходов. 3. Повышение сопротивления воздушного тракта. 4. Возможность нарушения стабилизации пламени или появления сажи и оксидов углерода при увеличении степени рециркуляции. Имеется еще существенный недостаток данного метода — ввод рециркуляционных газов в топочную камеру приводит к снижению КПД котла - 0,02- 0,03% на 1% рециркуляционных газов [95].
Ввод рециркуляционных газов в зону горения позволяет уменьшить образование оксидов азота в топочной камере. Влияние рециркуляции на выход оксидов объясняется влиянием нескольких факторов: а) снижения теоретической и близкой к ней максимальной температуры в зоне горения из-за разбавления охлажденными продуктами сгорания; б) снижения концентраций реагирующих веществ из-за разбавления продуктами сгорания; в) уменьшения скорости реакции горения вследствие снижения температуры и концентрации реагирующих веществ; г) «растягивание» зоны горения и вследствие этого более эффективное охлаждение этой зоны топочными экранами. Как показывает расчетный анализ [62, 77], при температуре рециркуляционных газов 200-300С в связи с увеличением объема газов снижается теоретическая температура горения, а уменьшение концентрации кислорода вызывает снижение выхода оксидов азота.
Это практически подтвердилось результатами, полученными Саратовским политехническим институтом и Институтом газа АН УССР на котле БКЗ-320-140-ГМ (Д = 320 т/ч), работающем на природном газе. Котел оборудован системой рециркуляции, состоящей из двух дымососов типа ВГД-13,5 и подводящих коробов. Дымовые газы, отбираемые за водяным экономайзером, можно направлять как в воздушный тракт, так и в нижнюю часть топки. При г = 12 - 14% и при вводе рециркуляционных газов в тракт дутьевого воздуха наблюдалось снижение концентрации оксидов азота на 25-30%, а при вводе в нижнюю часть топки - только на 7% [101]. В работе [112] на опытах с малыми топочными камерами показано, что при значительной степени рециркуляции дальнейшее ее увеличение (г 25%) слабо сказывается на выходе оксидов азота. Эти результаты совпадают с данными исследований [99, 108]. Влияние рециркуляции на выход оксидов азота изучалось на жаротрубном котле с расходом мазута 38 кг/ч при изменении содержания топливного азота в пределах от О до 0,77%. Результаты корректировались по данным опытов на котле энергоблока мощностью 250 Мвт [93].
Проведенные исследования позволили авторам [104] рекомендовать выбор коэффициента рециркуляции в пределах от 20 до 30 %. По данным [95], при работе на природном газе котла паропроизводительностью 480 т/ч энергоблоков мощностью 160 Мвт с концентрацией оксидов азота 0,5— 0,6 г/м3 применение рециркуляции позволяет снизить выход оксидов на 47—60%. При подаче рециркулирующих газов в дутьевой воздух котла паропроизводительностью 900 т/ч на станции «Аламитос», США, работающего на газе, достигнуто снижение выбросов оксидов азота с 0,66 до 0,30 г/м3 или на 55%.
Аналогичные схемы подачи применены еще на нескольких котлах компании «Эдисон» [95]. Из анализа результатов промышленной проверки влияния рециркуляции на выход оксидов азота следует, что: 1. Подача рециркулирующих газов более эффективна при высоких нагрузках и г 25 %. 2. Применение рециркуляции продуктов сгорания в дутьевой воздух на котлах, не оснащенных рециркуляционными дымососами и каналами, требует значительной реконструкции и затруднительно для реализации.
Определение основных физических характеристик топочного теплообмена (с промежуточным излучателем) на основе нормативного метода теплового расчета котельных агрегатов
Для того чтобы иметь возможность проанализировать все многообразие технологических, конструктивных и компоновочных решений возникает необходимость в создании математической модели, позволяющей исследовать работу топки котла с применением ПИ, определяя тем самым наиболее оптимальные условия, при которых выход оксидов азота минимален.
Одним из важнейших этапов при разработке прикладной программы является создание адекватной математической модели.
Математическая модель топки с ПИ должна быть детерминированной и объективно отражать основные закономерности их функционирования, связанные с процессами теплообмена и генерации NOx . Математическая модель, составленная на основании системы дифференциальных уравнений, описывающих процессы генерации NOx , & так же сложные процессы теплообмена между экранными поверхностями топки и ПИ, дает приближенное описание действительности: количественных соотношений между основными параметрами рассматриваемой системы; всеобъемлющей совокупности исследуемых взаимосвязанных ее элементов; технологических и конструктивных связей; структуры и характеристик функциональных элементов; организации данной структуры [55, 71].
В данной главе диссертации разработана детерминированная идеальная математическая модель топки, с установленным в ней ПИ, с целью ее дальнейшего исследования. В результате решены следующие задачи: 1. Определена исследуемая система ФГ + ПИ + ЛПТ, которая предполагает учет характеристик топки и технологических параметров ПИ. 2. Найдены граничные условия функционирования исследуемой системы. 3. Отражена кинетика образования оксидов азота. 4. Выявлены оптимальные условия применения ПИ при которых выход оксидов азота минимален.
Цель исследования процессов теплообмена и генерации NOx в топке с помощью математической модели состоит в определении степени снижения концентрации NOx с одновременным повышением КПД котла брутто за счет размещения в зоне наибольших температур факела горелки ПИ.
Данная математическая модель включает в себя зависимости, описывающие теплообмен между факелом и тепловоспринимающей поверхностью топочного объема; теплообмен между факелом и промежуточным излучателем, установленным в области наибольших температур факела и теплообмен между промежуточным излучателем и экранными поверхностями топки. При этом вышеперечисленные теплообменные процессы рассматриваются комплексно, как единая консервативная энергетическая система. Абстрагируясь от многочисленных условий и факторов, прямо или косвенно влияющих на процессы теплообмена и генерации NOx в системе ФГ + ПИ + ЛПТ, необходимо выделить граничные условия, при которых возможно математически описать вышеперечисленные процессы без чрезмерного усложнения задачи и, в то же время, с достаточной точностью [55, 71].
Граничные условия: 1) Режим теплообмена и температурное поле топочного объема стационарные. 2) Процесс теплообмена по поперечному сечению топки одномерный. 3) Поверхность ПИ изотермическая. Система дифференциальных уравнений, описывающих механизм образования NOx в пламени горелки при условии размещения ПИ в зоне наибольших температур ядра факела может быть представлена в следующем виде:
Из уравнения (3.1.3) следует, что концентрация оксидов азота имеет экспоненциальную зависимость от характерной температуры Ттах. Данную температуру можно вывести из предложенного Блохом дифференциального уравнения (3.1.2) для одномерного процесса [10]. Пределы интегрирования будут определяться из условий, что температура продуктов сгорания изменяется от максимальной Ттах, в зоне ядра факела горелки, до температуры на выходе из топки Т"т . ЛПТ, по мере охлаждения продуктов сгорания, изменяется от ноля до площади экранирования топки F3. После разделения переменных и расстановки пределов интегрирования получим (тт(изл.)) Вр Vr -Сг -Kt
Подробно рассмотрен механизм снижения температуры продуктов сгорания за топкой за счет внесения ПИ в зону наибольших температур ФГ. Для этого составлена система уравнений, определяющих тепловосприятие топки без ПИ и с ПИ. При этом предполагается, что коэффициент сохранения тепла ф и полезное тепловыделение в топке QT для обоих случаев одинаковы. Тогда с учетом [36, 34, 46, 55, 71, 90]: Q,=4KQT-J"T) (3-1.9) 0,(„зл) +О.ЗЛ =Ф (0г -JT(HM)) (3.1.10) Тепловосприятие топки с ПИ может быть определено как (изл.) Q, СТ0 БТ(изл) ФсР - М FCT ТТ(ит) " Т1 (3.1.11) вс м2 т х Т(изл.) ) Собственный тепловой поток от ПИ, в соответствии рекомендациям [34], определяется по формуле мпл V 100J ґт V UOOy F С изл изл (3.1.12) Согласно формуле (1.5.3) температура ПИ определяется так: изл 1 Ф(изл) " А тах(изл) (J. 1.1J J Но эта формула применима в том случае, если ПИ находится непосредственно в пламени горелки.
При достаточно большой площади поверхности ПИ будет происходить так называемое «затенение» ЛПТ и как следствие этого - снижение тепловосприятия топки (это подтверждается в работах [75, 76, 77]). Поэтому необходимо на основе функционально-технологических показателей провести оптимизацию характеристик ПИ. Оптимизация характеристик ПИ проводится с учетом двух основных условий-ограничений, снижающих интенсивность теплообмена между ФГ и ЛПТ при внесении ПИ: - если ПИ находится на достаточно малом расстоянии от оси ФГ и имеет относительно большую площадь, то это приведет к чрезмерному «затенению» ЛПТ в селективной части спектра и снижению суммарного тепловосприятия топки (рис. 3.1.1. а); - если ПИ находится на достаточно большом расстоянии от оси ФГ, то даже при небольшом «затенении» средняя эффективная температура ПИ будет мала, что приведет к снижению роли ПИ в интенсификации теплообменных процессов (рис. 3.1.1.6).
Исходя из условий-ограничений для достижения наибольшего эффекта, определенного целью исследования, форма ПИ должна представлять собой пластину, ориентированную так, как показано на рис.4.1.3.
Кроме того, такая форма ПИ, с точки зрения аэродинамики продуктов сгорания, наиболее приемлема для устойчивого горения газа [42, 59], так как не вызывает значительную турбулентность потока дымовых газов и, в то же время, позволяет обеспечить достаточную площадь поверхности излучения.
Определение площади тени, отбрасываемой ПИ на ЛПТ представляет собой геометрическую задачу. На основании рис. 3.1 (Приложение 2) составлен алгоритм программы по определению площади «тени», отбрасываемой ПИ на ЛПТ:
Рис. 3.1.1. Схема распределения температур ПИ при изменении его местоположения в топочной камере: 1 -топочная камера; 2 - «тень» от ПИ; 3 - ПИ; 4 - геометрическая ось ФГ; 5 — газовая горелка Так как ПИ является подсистемой и может состоять из нескольких стандартных элементов, то целесообразно рассматривать его температуру (при стационарном температурном режиме работы топки) как среднегеометрическую [90].
Для того чтобы определить температуру ПИ, если он располагается в любом месте топочного пространства, необходимо знать распределение температур в топке, т.е. построить стационарное температурное поле топочного объема.
На основании [5, 30, 50] изменение температуры в объеме топки в основном определяется соотношением между тепловыделением при сгорании топлива и теплоотдачей от факела к тепловоспринимающим поверхностям нагрева. В корне факела происходит быстрый подъем температуры газов, обусловленный интенсивным тепловыделением при сгорании топлива, а в зонах догорания - постепенный спад, вызванный теплоотдачей обедненной горючей смеси.
В соответствии с работами [10, 36, 30, 34] профиль температур топочных газов аналитически описывается распределением Шлихтинга. Характер температурного профиля Шлихтинга представлен в виде следующей зависимости:
Исследование теплообменных процессов в топке с промежуточным излучателем на математической модели (на примере котла ParoTatriplex VIESSMANN мощностью кВт)
Экспериментальные исследования проводятся с целью определения влияния ПИ на генерацию оксидов азота и изменение интенсивности топочного теплообмена в условиях реальной ТГУ:
Для реализации поставленной цели были решены следующие задачи: - проведены измерения концентрации NOx без применения ПИ; - проведены измерения концентрации NOx при условии размещения в топке котла ПИ и комбинации его параметров; - определено тепловосприятие топки без применения ПИ; - определено тепловосприятие топки при условии размещения в топке котла ПИ и комбинации его параметров. - проведены измерения температуры в ядре ФГ, С; - проведены измерения температуры продуктов сгорания на выходе из топки, С; - проведены измерения температуры продуктов сгорания на выходе из котла, С; - проведены измерения концентрации Ог на выходе из котла, %; - проведены измерения расхода газа, м3/ч; - проведены измерения температуры ПИ, С; - проведены измерения КПД котла, брутто %. Условия выполнения эксперимента:
Для проверки и подтверждения теоретических разработок на практике, а так же для дальнейшего внедрения устройства выполнена экспериментальная установка на базе серийного водогрейного котла типа Paromat - Triplex VJESSMANN, теплопроизводительностью 105 кВт (Рис. 4.1.1).
Котел находится в помещении здания производственно-бытового назначения по работе с персоналом, принадлежащему ООО «ЛУКОИЛ-ПЕРМНЕФТЬ» (г. Оса Пермской области, рис. 4.1.2).
Эксперимент проводился в нормальных эксплуатационных условиях при установившемся тепловом режиме и номинальной нагрузке. Основные технические характеристики установки: 1. Номинальная теплопроизводительность -105кВт; 2. КПД установки, брутто - не ниже 92 %; 3. Температура воды на входе в котел - 70 С; 4. Температура воды на выходе из котла - 95 С; 5. Вид сжигаемого топлива — природный газ с низшей теплотворной способностью QHP = 33437 кДж/нм3, уд. весом 0,672 кг/м3; 6. Организация подачи воздуха для горения и отвода продуктов сгорания -наддув; 7. Вид горелочного устройства - газовая горелка вентиляторного типа; 8. Номинальное давление газа перед горел очным устройством - ЗкПа; 9. Габаритные размеры котла, мм: длина- 1950 ширина- 1050 высота- 1120 10. Размеры топочной камеры, мм: длина- 1600 диаметр - 600 В данный серийный котел в соответствии с теоретической методикой и на основе выполненной оптимизации параметров, устанавливался ПИ. Основные технические характеристики ПИ: 1. Материал ПИ - «коричневый» шамот. 2. Расположение ПИ относительно оси ФГ и размеры ПИ - см. рис. 6.1 приложения 6. 3. Крепление ПИ в топочной камере производилось с помощью специально разработанного опорно-фиксирующего устройства.
Разработанное устройство позволило снизить расход природного газа (при такой же развиваемой номинальной мощности котла) на 2755,3 м3/год и как следствие этого достичь экономического эффекта, составившего 7,2 тыс. рубУгод. План
На основании поставленной цели и условий выполнения эксперимента объектом исследований является система ФГ + ПИ + ЛПТ в комплексе со всеми остальными элементами котельного агрегата. В соответствии с этим предметом исследования является ПИ и его влияние на генерацию оксидов азота и теплообмен топочной камеры в процессе сжигания природного газа применительно к котлам КВГ. Испытания проводились в соответствии с разработанной методикой, и на основании [98, 99]. Всего поставлено четыре сравнительных серии опытов: 1). Базовый вариант котла без ПИ. 2). Котел с ПИ. Размерные характеристики ПИ превышают предел оптимальности, определенный теорией. 3). Котел с ПИ. Размерные характеристики ПИ меньше оптимальных. 4). Котел с ПИ. Размерные характеристики ПИ оптимальны. В ходе эксперимента измерялись следующие параметры: 1. концентрация NOx на выходе из котельного агрегата, мг/м3; 2. температура в ядре ФГ, С; 3. температура продуктов сгорания на выходе из топки, С; 4. температура продуктов сгорания на выходе из котельного агрегата, С; 5. концентрация Ог на выходе из котельного агрегата, %; 6. расход газа, м3/ч; 7. температура ПИ, С; 8. КПД котла, брутто, %. При выполнении измерений применялись следующие средства измерений: Таблица 4.2. Порядковый номер инаименование средстваизмерений Тип средства измерений Наименование измеряемой величины 1. Термовизор «Тандем VS60» Температура ядра ФГ 2. Термовизор «Тандем VS60» Температура продуктов сгорания за топкой 3. Газоанализатор КГА-8П Концентрация NOx 4. Газоанализатор КГА-8П Температура продуктов сгорания на выходе из котельного агрегата 5. Газоанализатор КГА-8П Концентрация Ог на выходе из котельного агрегата 6. Термовизор «Тандем VS60» Температура ПИ 7. Счетчик газовый СГ-16 100 Расход газа 8. Газоанализатор КГА-8П КПД котельного агрегата (брутто) 4.3. Анализ и обобщение результатов экспериментальных исследований по влиянию промежуточного излучателя на топочный теплообмен и образование оксидов азота
Наблюдение основных параметров, характеризующих теплообменные процессы в топке, а так же процессы образования NOx, производилось с помощью средств измерений, перечисленных в таблице 4.2.1.
Наблюдения производились в отопительный период года при установившемся (стационарном) режиме работы и номинальной нагрузке котельного агрегата. Результаты наблюдений приведены в Таблице 4.3.1. Обработка результатов наблюдений
Методика обработки результатов наблюдений регламентируется [98]. В соответствие с данной методикой выполняются следующие действия: Исключение известных погрешностей из результатов наблюдений: - приборные погрешности измерения в проведенных испытаниях даны в общих характеристиках приборов (приложение 8). - систематические погрешности исключены при проведении испытаний. - случайные ошибки содержат в своей основе много различных причин, каждая из которых не проявляет себя отчетливо. Случайную ошибку можно рассматривать как суммарный эффект действия многих факторов. Поэтому случайные ошибки при многократных измерениях получаются различными как по величине, так и по знаку. Их невозможно учесть как систематические, но можно учесть их влияние на оценку истинного значения измеряемой величины. Анализ случайных ошибок является важнейшим разделом математической обработки экспериментальных данных и приводится ниже. Вычисление результатов измерений
За результаты измерений принимают среднее арифметическое исправленных результатов наблюдений. Результаты измерений определяются по формуле п _ ZAf п (4.3.1.1) где П - число результатов наблюдений; - текущий результат наблюдений. Результаты измерений температур продуктов сгорания за топкой и характерных температур ФГ а, так же, концентраций оксидов азота за котлом, определенные по формуле (4.3.1.1), приведены в таблице 4.3.1. Оценка среднего квадратичного отклонения результатов измерения Среднее квадратичное отклонение результатов измерения оценивают по формуле: ,-А): S{A)-UWn(n-l) 4 ЗЛ-2 где Xj - і-й результат наблюдения. Результаты расчета среднего квадратичного отклонения результатов измерения приведены в таблице 4.3.3. 4.3.2. Анализ результатов экспериментальных исследований Проверка гипотезы о принадлежности результатов наблюдений нормальному распределению
При числе результатов наблюдений п от 15 до 50 проверку гипотезы о принадлежности результатов наблюдений нормальному распределению выполняют с помощью следующего критерия [98]:
Экономический эффект, учитывающий предотвращенный экологический ущерб от загрязнения атмосферы оксидами азота
Обработка результатов наблюдений
Методика обработки результатов наблюдений регламентируется [98]. В соответствие с данной методикой выполняются следующие действия: Исключение известных погрешностей из результатов наблюдений: - приборные погрешности измерения в проведенных испытаниях даны в общих характеристиках приборов (приложение 8). - систематические погрешности исключены при проведении испытаний. - случайные ошибки содержат в своей основе много различных причин, каждая из которых не проявляет себя отчетливо. Случайную ошибку можно рассматривать как суммарный эффект действия многих факторов. Поэтому случайные ошибки при многократных измерениях получаются различными как по величине, так и по знаку. Их невозможно учесть как систематические, но можно учесть их влияние на оценку истинного значения измеряемой величины. Анализ случайных ошибок является важнейшим разделом математической обработки экспериментальных данных и приводится ниже. Вычисление результатов измерений
За результаты измерений принимают среднее арифметическое исправленных результатов наблюдений. Результаты измерений определяются по формуле _ ZAf п (4.3.1.1) где П - число результатов наблюдений; - текущий результат наблюдений.
Результаты измерений температур продуктов сгорания за топкой и характерных температур ФГ а, так же, концентраций оксидов азота за котлом, определенные по формуле (4.3.1.1), приведены в таблице 4.3.1.
Оценка среднего квадратичного отклонения результатов измерения Среднее квадратичное отклонение результатов измерения оценивают по формуле: ,-А): S{A)-UWn(n-l) 4 ЗЛ-2 где Xj - і-й результат наблюдения. Результаты расчета среднего квадратичного отклонения результатов измерения приведены в таблице 4.3.3. 4.3.2. Анализ результатов экспериментальных исследований Проверка гипотезы о принадлежности результатов наблюдений нормальному распределению
При числе результатов наблюдений п от 15 до 50 проверку гипотезы о принадлежности результатов наблюдений нормальному распределению выполняют с помощью следующего критерия [98]:
Вычисляется отношение d = ;ГЇ , (4.3.2.1) п ь где S - смещенная оценка среднего квадратичного отклонения, вычисляемая по формуле 1(х,-А) S = i--1 (4.3.2.2) " п Результаты наблюдений группы можно считать распределенными нормально, если di-qi/2 d dqI/2, (4.3.2.3) где di.qi/2 и dqi/2- квантили распределения, получаемые по п, причем dqi/2 -заранее выбранный уровень значимости критерия.
Результаты расчетов приведены в таблице 4.3.2. Все результаты распределений группы попадают в необходимый диапазон, следовательно, распределены нормально. Определение доверительных границ погрешности результата измерения Для результатов наблюдений, принадлежащих нормальному распределению, доверительные границы случайной составляющей погрешности результата измерения устанавливаются в соответствии со стандартом [99]. Они определяются исходя из не исключенных систематических погрешностей и случайных систематических погрешностей. При отношении границ не исключенной систематической погрешности к среднему квадратичному отклонению результатов измерения менее 0,8 не исключенными систематическими погрешностями по сравнению со случайными пренебрегаются и принимаются так, что граница погрешности результата равна Е. В данном случае принимаются границы, равные нулю.
Доверительные границы Е (без учета знака) случайной погрешности результата измерения находят по формуле E = t-S(A), (4.3.3.4) где t - коэффициент Стьюдента, который зависит от доверительной вероятности Р и числа результатов наблюдений п. Доверительная вероятность рекомендуется 0,95. Число результатов наблюдений 16. Коэффициент Стьюдента равен 2,12 [15].
Доверительные границы Е случайной погрешности результата измерения приведены в таблице 4.3.5.
Результаты измерений даны в таблице 4.3.6. Возникает необходимость оценки адекватности эмпирической функции распределения результатам измерения. В качестве критерия согласия применяется критерий Пирсона [15]: X2=ZV , (4.3.2.5) j=l nij где irij - наблюдаемая частота случайного события; m j - ожидаемая по принятому теоретическому закону распределения; К - число интервалов случайной величины. Результаты расчетов приведены в таблице 4.3.7. Х2=1,85. Определение числа степеней свободы R = K-s, (4.3.2.6) где К - число интервалов случайной величины; s - число параметров теоретической функции распределения. Согласно рекомендациям, данным в работе [15] принимается s = 10 отсюда R=16-10 = 6. Для критерия Пирсона 1,85 и числа степеней свободы 6 вероятность соответствия теоретического распределения фактическому равна 0,95 [15]. Следовательно, теоретический закон удовлетворительно коррелирует с фактическими результатами.
Обработка и анализ опытных данных, полученных в результате экспериментальных исследований, позволили оптимизировать основные параметры ПИ с целью достижения наибольшего эффекта по интенсификации топочного теплообмена и по снижению концентрации оксидов азота. Решение данной оптимизационной задачи сводится к поиску максимумов на полученных экстраполяционных кривых.
