Условия оптимизации процессов сжигания жидкого топлива и газа - Выбор типоразмеров и рабочих параметров горелочных устройств

При сжигании топлива принята условная градация давления рабочих сред (табл. 8).

Отечественные и большинство зарубежных горелочных устройств работают в области средних и низких давлений.

Таблица 8

Примечание. Среднее пониженное давление горячего паза составляет 0,005—0,003 МПа.
Подача и распределение воздуха-окислителя и топлива для сжигания определяется давлением перед горелками и потерей давления на распределительном устройстве, причем сам по себе уровень давлений не определяет успех. Эффект дает, как уже говорилось, умелое преобразование давления в скорость и организацию турбулентного обмена при минимальном сопротивлении проточной части и обеспечении оптимального распределения воздуха и топлива. Этот сложный комплекс пока не поддается расчету, однако существует несколько оценочных расчетных схем (см. гл. 2), позволяющих обеспечить принципиальную возможность получения условий, близких к оптимальным. В принципе с целью уменьшения расхода энергии на собственные нужды и значения давлений всегда стремятся к минимальным возможным давлениям.
Что же, кроме сопротивления распределяющих устройств, является основой для выбора давления воздуха и топлива перед горелкой? Зачастую давление воздуха и топлива выбирают исходя из параметров имеющегося оборудования (вентиляторов, насосов, регуляторов давления), хотя этот выбор должен базироваться на строгой физической основе.
Чтобы определить давление воздуха, нужно правильно выбрать рабочую скорость потока в факеле, недопускающую выпадания топлива из воздушного потока (см. § 10). При проектировании вихревых горелок выбрать рабочую скорость воздуха можно по зависимости скорости воздуха в устье от производительности горелки, которая приведена на рис. 19. Эта зависимость есть не что иное, как влияние основных размеров горелки на рабочие параметры. На рис. 19 заштрихована рекомендуемая область значений скоростей, что дает возможность варьировать скоростями для горелок одинаковой мощности. Для удобства выбора дутьевого оборудования эта область условно может быть преобразована в ступенчатую. Зная коэффициент сопротивления проточной части горелки, параметры рабочей среды и выбрав скорость, можно определить требуемый уровень давлений перед горелкой.

Рис. 19. Зависимость средней скорости в устье вихревой горелки vу от производительности В
Для уменьшения габаритов топливных распределителей и улучшения процесса сжигания целесообразно увеличивать давление топлива. Однако на практике повышение давления связано с целым рядом технических трудностей. Для жидкого топлива — это отсутствие соответствующих топливных насосов, топливоподогревателей, фильтров, регулирующей арматуры и т. п. Повышение давления горючего газа более доступно, но ограничено оптимальным давлением газа в транспортных трубопроводах, допустимым уровнем шума и т. п.
Выбор давления жидкого топлива основывается на дисперсности распыления при необходимой единичной производительности (для центробежно-механических форсунок давления топлива может быть определено расчетом).
Давление горючего газа перед горелкой определяется расчетом. В основу расчета принимаются скорости, обеспечивающие внедрение газа в воздушный поток.
При переводе первых малых котлов на газ они либо подключались к регуляторным пунктам бытового назначения, либо устанавливались специальные Рг= 0,002 МПа газорегуляторные пункты (ГРП) на такое же давление [11]. На этих установках не увеличивали давление еще и из-за отсутствия соответствующего оборудования и арматуры. На такое же низкое давление проектировались и горелки. Практика конструирования и эксплуатации показала, что применение низкого давления приводит к излишним капитальным затратам и не оправдывается ни экономичностью, ни надежностью топочных устройств.  Перевод крупных котлов на газ позволил увеличить давление газа, так как для больших горелок применение низкого давления оказалось невозможным. Переход на среднее давление газа целесообразен также и для малых горелок.
При выборе уровня давления необходимо учитывать и его потери в транспортных трубопроводах и арматуре. В общем случае полная энергия движущейся рабочей среды слагается из трех составляющих:потенциальной энергии давления (численно равной манометрическому давлению); потенциальной энергии положения (численно равной произведению высоты на массу); кинетической энергии движения:
(38)
При высоком давлении влияние положения трубопровода на общее давление можно не рассматривать.
Основная часть горелочных устройств для сжигания жидкого и газообразного топлива, применяемого в настоящее время, относится к устройствам, сжигающим топливо в диффузионном факеле. Как в однозонных, так и в многозонных схемах сжигания используются смесительные горелки, в которых воздух и топливо подводятся раздельно и перемешиваются в объеме для сжигания.
Для всех видов топливосжигающего оборудования горелочные устройства условно разбиты по производительности на группы: малые, средние и большие.
В энергетике горелочные устройства делятся на четыре группы: микро (для котлов производительностью до 2,5 т/ч); малые (для котлов до 25 т/ч); средние (для котлов до 160 т/ч) большие (для котлов более 160 т/ч).
Все горелки делятся также соответственно типу оборудования, на котором они применяются, на котельные, газотурбинные, печные и т. д.
Классификация диффузионных горелок, применяемых для сжигания жидкого и газообразного топлива, приведена на рис. 20.
Большое значение для оптимизации сжигания топлива имеет правильный выбор типоразмеров и параметров изделий (долгосрочного применения), входящих в топливосжигающий комплекс. Кроме этого, необходимо выбрать параметр и диапазон ряда, определить члены ряда внутри диапазона изменения главного параметра, разработать исходный ряд и его экономическое обоснование по функциям затрат (потерь).
В качестве главного параметра горелок выбрана их единичная тепловая производительность (производительность по наиболее трудносжигаемому топливу). Диапазон ряда типоразмера горелок от 3,8 до 287,6 ГДж/ч. Члены ряда внутри диапазона определяются либо на основе ряда предпочтительных чисел (1,0; 1,25; 1,6; 2,0; 2,5; 3,15; 4,0; 5,0; 6,3; 8,0; 10,0; 12,5; 16,0; 20,0; 25,0 и т. д.) или на базе имеющихся типоразмеров котлов и компоновочных вариантов горелок. Во втором случае для котлов по ГОСТ 3619—76 ряд горелок соответствует диапазону изменения параметров котлов.

Рис. 20. Классификация газомазутных горелок и их элементов

Таблица 9

Возможное различие производительностей котлов учитывается при определении типоразмера горелки путем алгебраического сложения максимальной производительности горелки по табл. 9 c производительностью допуском), соответствующей возможному ее уменьшению за счет изменения параметров котлов.
Приведенный в табл. 9 ряд типоразмеров горелок предназначается для комплектации котлов любой производительности при условии установки на котлы производительностью меньше 25 т/ч не более двух горелок. Ряд типоразмеров элементов, входящих в состав горелок, определяется по табл. 9, а ряд типоразмеров вспомогательного оборудования — по рядам котлов. В качестве расчетных приняты следующие параметры рабочих сред: теплота сгорания мазута 38 МДж/кг; плотность 1,0 кг/дм3; рабочая вязкость мазута 3,0 °ВУ; теплота сгорания газа 35,6 МДж/кг; плотность 0,8 кг/дм3; температура воздуха 20 °С (200 °С — при воздухоподогреве).
Допустимые предельные отклонения размеров проточных частей горелок:  для воздуха выбираются по 7 классу точности (ГОСТ 1010—78); для топлива — по 3 классу точности (ГОСТ 3047—66).
Форсунки горелок должны иметь следующие углы раскрытия для конуса факела распыливания: (55±5)° — для горелки производительностью <3,8 ГДж/ч; (70+5)°—<32,7 ГДж/ч; (85±5)°< 81,2 ГДж/ч, >85°—>81,2 ГДж/ч.
Вихревые горелки по направлению закрутки основного воздуха изготавливаются правого и левого вращения, правая горелка собирается так, чтобы закрутка потока воздуха происходила по ходу часовой стрелки (если смотреть со стороны ввода воздуха в горелку), у левой горелки закрутка воздуха осуществляется против часовой стрелки.
Основным условием, позволяющим оптимизировать процесс сжигания топлива, является применение хорошо отработанных горелочных устройств, соответствующих по производительности предлагаемому ряду. Они в совокупности с топочными камерами и вспомогательным оборудованием должны обеспечивать оптимальные показатели экономичности и надежности всего комплекса. Применение случайных горелочных устройств и вспомогательного оборудования в энергетике приводит к перерасходу топлива.