Методичка газоснабжение

Wв - принимается равной 2…2,5 м/с (т.к. в данном случае топка котла работает без дутья, за счет тяги; при искусственном дутье – до 8 м/с).

Для создания такой скорости в топке котла должно быть обеспечено соответствующее разрешение (см. табл. 7.1);

α - коэффициент избытка воздуха, величина которого зависит от угла раскрытия отверстий в сечении коллектора (см. рис. 8.1.); еслиβ =90°, то α =1,1; если β =180°, то α =1,05 (необходимо учесть, что стремясь обеспечить полноту сжигания газа, не следует завышать коэффициент избытка воздуха, так как при α =1,2 в процессе горения образуется наибольшее количество окислов азота);

V0– теоретическое количество воздуха, необходимого для горения, м3воздуха/м3; tв – температура воздуха в помещении котельной, °С. [2]

7. Определяется минимальное разряжение в топке котла Pт , по формуле

P	=	1		W	2	ρ
				в				,	(7.1.7.)
		μв2
т				2			в

и проверяется его соответствие необходимому (табл. 7.1.).

8. Определяется глубина проникновения струй газа, вытекающих из отверстий коллектора, в поток воздуха в самом узком сечении щели, где происходит смесеобразование, или дальнобойность струй газа hc, мм:

h = (0.85...0.9)	α − d н	(7.1.8.)
	кол .
c	2

9. Диаметр газовых отверстий, их число и давление газа рассчитываются из условия наиболее равномерного распределения струй газа по сечению воздушного потока. При этом скорость газа на выходе из отверстий, Wc м/с, должна быть в 10…15 раз больше скорости воздуха в щели, т.е.

		Wc=(10…15) Wв .										(7.1.9.)
10. Диаметр выходных газовых отверстий (сопел коллектора) dc, мм, можно
определить по формуле
	dc =	hc Wв						ρв			,	(7.1.10.)
								ρ0
		Ks Wc	sinϕ
где K s – опытный коэффициент, зависящий от шага отверстий S в коллекторах:
	Относительный шаг S/dc			4			8				16
	Ks			1,6			1,7				1,9	2,2

Наиболее благоприятные условия для смесеобразования создаются при S/dc = 6…10, так как при этом обеспечивается «бегущая дорожка» огня от начальных отверстий при воспламенении газовоздушной смеси от запальника; ϕ - угол атаки – угол встречи потоков газа и воздуха. При двухрядном расположении отверстий в коллекторе с углом раскрытия

90° ϕ = β / 2 = 450 , sinϕ =0,707.

Диаметр отверстий принимается не менее 2 мм, так как при меньших размерах отверстий в процессе эксплуатации происходит засорение их сажистыми отложениями, что приводит к нарушению режима работы горелки.

41

11. Уточняется скорость выхода газа из отверстий, Wc м/с,						как
Wc =	hс Wв		ρ	в	.	(7.1.11.)
	Ks ds sinϕ
			ρ0

12. Определяется расстояние между отверстиями в коллекторе (шаг сопел) S, мм.

S=0.75 hc +(2…5) . (7.1.12.) 13. Находится количество отверстий в одном коллекторе n, шт., при двухрядном их

расположении:

n = 2		lкол − (30...40)		+1 .	(7.1.13.)
			S
14. Уточняется действительный расход газа через отверстия Vколдейств , м3/ч, по формуле:
V действ =	π d 2		10−6 3600 W n .		(7.1.14.)
		c
кол				c

4

Определяется невязка, т.е. расхождение между расчетным и действительным значениями расхода газа на один коллектор (допускается до 5%).

Размеры отверстий для выхода газа из коллектора и их количество должны быть подобраны для равномерной загрузки всех сопел таким образом, чтобы отношение их суммарной площади к площади сечения коллектора (∑ fсоп / fкол ) не превышало 30%.

15. Определяется необходимое давление газа перед горелкой Pгор, Па, по формуле:

1

+ ∑ ζ

∑ f 0

2

W с2

,

(7.1.15.)

Р гор

=

ρ 0

μ

2

f

2

с

кол

где ∑ζ - сумма коэффициентов местных сопротивлений от последней задвижки перед горелкой, включая ее, до выходных отверстий горелки (см. рис. 7.1.): задвижка ζ =0,5 ; тройник поворот ζ =1,5; отвод ζ =0,3; истечение из отверстияζ =1; итого 3,3; ∑f0

суммарная площадь всех выходных отверстий (в рассматриваемом случае ∑f0 =2 ∑ f0 ); μс коэффициент расхода, равный 0,6…0,7.

Пример 7.1.1.

Рассчитать подовую горелку низкого давления без принудительной подачи воздуха для водогрейного секционного котла типа УВКр-1,163 с поверхностью нагрева 60,4 м2. Котел работает на природном газе с Qрн = 36749 кДж/м3, ρ0 = 0,799 кг/м3. Максимальный

расход газа котлом Vк =126,59 м3/ч. Теоретическое количество воздуха, необходимого для сжигания газа, V0 =10,2 м3воздуха/м3 газа.

Решение.

Принимаем к установке двухколлекторную горелку. Расход газа на один коллектор составит:

Vкол =126,59 / 2 = 63,294 , м3/ч.

Приняв скорость газа в коллекторе, Wкол=5м/с, определяем диаметр коллектора:

42

dкол = 63,1294 /(3600 3,414 5) = 0,0669 , м.

Для коллектора использована цельнотянутая труба с наружным диаметром dнхδ = 76х4,0 мм.

Уточняем действительную скорость движения газа в коллекторе с внутренним

диаметром 62 мм.
Wкол =		63,294			= 5,83 м/с
	3600		3,14	0,0622
		4

Измеряем длину коллектора горелки, lкол м. Для рассматриваемого котла длина составляет 1200 мм. Определяем величину теплового напряжения коллектора по (7.1.4.)

	q l =	63,294 36749				= 0,54 , кВт/м,
	3600		1,2
что соответствует допустимым значениям, (табл 7.1.)
Находим ширину огнеупорных щелей по (7.1.5.)
α =	1,1 10,2 63,294			273 +12			+ 0,076	= 0,1353м.
	2 1,2 3600			273

Принимаем ширину щели α = 130 мм.

Уточняем минимальное разрежение в топке котла по (7.1.7.):

РТ = 0,172 2,252 1,29 = 8,2 Па,

что соответствует необходимому (табл. 7.1.). Определяем дальнобойность струй газа по (7.1.8.)

hс = 0,85 130 −0,062 1000 = 28,9мм 2

Приняв коэффициент Ks = 1,7 и скорость выхода газа из отверстий

Wс =10 Wв =10 2,89 = 28,91м/ с,

найдем диаметр выходных газовых отверстий по (7.1.10.)

	dс	=			28,9 2,89		1,29	= 3,055мм
			1,7		28,91 0,707		0,799

Принимаем dс = 3 мм и уточняем скорость выхода газа из отверстий по (7.1.11.)

W	=		28,9 2,89			1,29	= 29,44 мм
C		1,7		3 0,707		0,799

Определяем шаг отверстий по(7.1.12.):

S = 0,75 28,9 +5 = 26,675 мм

Количество отверстий в коллекторе по (7.1.13.) составит:

1200 − 40			= 89 шт
n = 2	26,675	+1

Уточняем действительный расход газа через отверстия по (7.1.14.):

V действ =	3,14 9	10−6	3600 29,44 89 = 66,62	м3 / ч
кол	4

43

Определяется невязка между расчетным и действительным значениями расхода газа на коллектор:

66,62 − 63,29 100 = 4,9% 66,62

что допустимо и корректировку проводить не требуется.

Фактический расход газа горелкой будет несколько больше расчетного за счет запальных сопел на соединительной трубе.

Находим суммарную площадь всех отверстий

					Σfс	=			3,14 32		89 = 628,6 мм2
									4
площадь сечения коллектора
	fкол			= 3,14 (0,062 1000)2												= 3017,54 мм2
									4
и проверяем их отношение
					Σfс		=			628,6		100 = 20,83 %
									3017,54
					fкол
что удовлетворяет условию.
Определяем необходимое давление газа перед горелкой по (7.1.15.):
	1								628,6			2			28,912		0,799 = 729,23 Па
Ргор =				+ 3,3		(					)
	0,7	2						3017,54								2

что соответствует рекомендованному значению (табл. 7.1).

7.2.Расчет инжекционной горелки среднего давления

Расчет сводится к выбору необходимого типа горелки, проверке возможности ее работы при данных условиях и определению необходимого давления газа перед горелкой.

Задаются числом устанавливаемых на котле n горелок, определяют расход газа на

	одну горелку (VГ =VK / n , м3/ч) и ее тепловую нагрузку, QГ					кВт:
		V	Г	QН
	QГ =			Р	.	(7.2.1)
		3600

По тепловой нагрузке выбирают необходимый тип горелки (Таблица Е.1 приложение Е) и выписывают диаметры ее основных элементов: сопла dc, горловины dг и насадка dн.

Расчетная схема горелки представлена на рис. 7.2.1.

В основу расчета инжекционных горелок положен закон сохранения энергии. Проверяется баланс энергии в горелке. Должно быть выдержано условие:

Eгор ≥ EВ + ЕГ + ЕД + ЕН + Епот ,		(7.2.2.)
где Eгор - кинетическая энергия струи газа, вытекающего из сопла, Дж/м3;	EВ , EГ -
затраты энергии на инжекцию воздуха и на изменение скорости струи газа, Дж/м3;	E	Д	, E	Н	,

Eпот — затраты энергии в диффузоре, насадке и с выходной скоростью газовоздушной смеси из насадка горелки, Дж/м3.

44

Рис. 7.2.1. Схема инжекционной горелки среднего давления[2] 1 - сопло; 2 -дроссель для регулирования количества воздуха; 3 - конфузор; 4 — горловина смесителя; 5 - диффузор; 6 - насадок горелки (кратер);

7 - горелочный туннель

Определяются затраты энергии:

- на инжекцию воздуха, то есть на создание скорости инжектируемого воздуха: WВ

ЕВ =

W 2

ρ

0

αV

,

(7.2.3.)

Г

0

2

где

WГ - скорость газовоздушной смеси в горловине, м/с, вычисляется по формуле

W

Г

=

VГ (1 +V0 )

273 + tсм

,

(7.2.4.)

3600 0,785 d

Г2

273

где

tсм

- температура газовоздушной смеси в горловине,

°C ; принимается равной

температуре воздуха в помещении;

- на изменение скорости струи газа от WС

доWГ :

ЕГ =

(W −W

Г

)2

ρ

0

,

(7.2.5.)

C

2

где

WС

- скорость выхода газа из сопла, м/с.

Скорость выхода газа из соплаWС , м/с, определяется, исходя из закона сохранения

количества движения при смешении газа и воздуха. Количество движения 1 м3 выходящего из сопла газа равно WС − ρ0 ,а инжектируемого из атмосферы воздуха может приниматься

равным нулю, так как он не имеет первоначальной скорости.
В горловине смесителя смесь газа и воздуха приобретает	скорость Wt и
соответствующее ей количество движения WГ (ρ0 +α V0 ρВ ) . Тогда уравнение сохранения
количества движения
WС ρ0 =WГ (ρ0 +αV0 ρВ ) ,	(7.2.6.)
отсюда

45

	WГ (ρ0 +αV0 ρВ )
				ρВ
WС =		WГ 1	+αV		.	(7.2.7.)
	ρ0
				ρ0

Скорость выхода газа из сопла не должна превышать 300 м/с, в противном случае необходимо сделать пересчет, выбрав горелку большей тепловой мощности.

Затраты энергии в диффузоре при изменении скорости газовоздушной смеси:

	W 2	−W 2	(1 +α V0 ) ρсм (1 −η) ,	(7.2.8.)
ЕД =	Г	Д
		2

где η- к.п.д. диффузора, зависящий от отношения d Г / d Д

dг/dд	0,55	0,65
η	0,80	0,75

Wд - скорость смеси в выходном сечении диффузора, м/с,

WД =	VГ (1 +αV0 )	273 + tсм ,	(7.2.9)
	3600 f Д	273

где f Д = π d Д2 / 4 , м2; ( d Д = (1,5...1,8)d Г , мм);

ρсм - плотность газовоздушной смеси в выходном сечении диффузора кг/м3

ρсм =

ρ0

+α V0 ρВ

273

,

(7.2.10.)

1 +α V0

273 + tсм

Затраты энергии в насадке горелки

ЕН =

1,5(W

Д

−W

Н

)2

(1 +α V0 ) ρсм ,

(7.2.11.)

2

где WН определяют по формуле

	W	Н	=	VГ (1 +αV0 )		273 + tсм .	(7.2.12.)
				0,785 d Н2 3600
						273

Скорость выхода газовоздушной смеси из насадка горелки не должна быть меньше скорости распространения пламени для смеси данного газа при минимальном расходе газа горелкой (обычно 10 м/с и более).

Затраты энергии с выходной скоростью газовоздушной смеси из насадка горелки

Е		=	W		2	ρ		(1+α V ) ,	(7.2.13.)
	пот			н			см
			2					0

здесь плотность газовоздушной смеси находят по формуле

ρсм' =	ρ0 +α V0 ρВ		273	,	(7.2.14.)
	1 +α V0		273 + tн

где tн - температура газовоздушной смеси на выходе из насадка, °С. Принимается

tн = 50°С .

Определяют общие затраты энергии Е = Ев+Ет+Ед+Ен+Епот.

Находят кинетическую энергию струи газа, вытекающего из сопла, Егор, Дж/м3, по формуле

Егор =	W	2	ρ0 ,	(7.2.15.)
	c
	2

46

и проверяют баланс энергии по (7.2.2.). ЕслиЕгор < ΣЕ , то необходимо принять

большую скорость выхода газа из сопла.

Определяют необходимое давление газа перед горелкой, Ргор Па,

	Р	гор	=	Егор	,	(7.2.16.)
				μ2
				0

где μ0 - коэффициент расхода отверстий головки горелки, учитывающий потери при истечении. Так как выходной насадок - это канал длиной от 2 до 4 диаметров отверстий, то

μ0 = 0,75...0,82 .

Необходимо учесть, что максимальное давление газа перед горелкой не должно превышать критического давления, равного для природного газа 90000 Па (табл. 7.2.1). При большем давлении нарушается режим истечения газа из сопла, меняется состав газовоздушной смеси.

Таблица 7.2.1.

Расчетные характеристики инжекционных горелок среднего давления[2]

	Наименование	Величина
	Минимальное давление газа перед горелкой для	10…30кПа
	устойчивости работы
	То же максимальное (при перегрузке в три раза)	90кПа
	То же при повышенных пределах регулирования	150 кПа
	То же при работе на подогретом воздухе	0,2...0,3 МПа
		(избыточное)
	Необходимое разрежение в топке	0...30Па
	Коэффициент избытка воздуха в горелке а	1,02. ..1,15
	Скорость выхода газовоздушной смеси для	10...20 м/с
	природного газа, м/с
	То же для искусственных газов	15. ..30 м/с
	Тепловое напряжение объема туннеля	1,2...5,9 Вт/м3
	То же топочного объема	700·103 Вт/м3
	Диаметр туннеляdm , мм	2,5 dкр
	Длина туннеля для стабилизации горения	6 dкр + 30
	природного газаlm , мм

Как известно, нормальная устойчивая работа большинства промышленных горелок при коэффициенте избытка воздуха α >1 обеспечивается только при наличии стабилизаторов фронта горения (керамические туннели, пластинчатые стабилизаторы и т.д.). Туннель подбирается по диаметру выходного насадка горелки.

Для определения скорости, при которой наступает отрыв пламени для горелок с керамическими туннелями, используют формулу

W	= С	α−2 W 1,5	d			0,5	(7.2.17.)
					T	,
отр	1	норм		α

47

где С1 - эмпирический коэффициент, С1 = 0,575 ·102; Wнорм - нормальная скорость

распространения пламени, м/с. Целесообразно рассматривать только максимальное значение скорости Wнорм = 0,38 м/с; α - коэффициент температуропроводности смеси, м2/с.

α = 0,213 10−4 , м2/с
Для	определения скорости, при которой наступает проскок пламени, пользуются
формулой:
	W max = С		W 2		d н	,	(7.2.18.)
	пр	2	норм		α

где С2 - эмпирический коэффициент; С2 = 7,75 103 .

Проверяется, чтобы Wпрmax <Wн и Wотр >Wн , что обеспечивает стабилизацию пламени.

Пример 7.2.1.

Для котла с расходом газа VК = 56,04 м3/ч необходимо подобрать инжекционные горелки среднего давления туннельного типа. Используя природный газ с ρ0 = 0,959 кг/м3; Qрн = 28578 кДж/м3. Теоретическое количество воздуха, необходимого для сжигания газа, V0 = 7,52 м3воздуха/м3 газа. Коэффициент избытка воздуха α = 1,05.

Решение.

Принимаем к установке на котел пять горелок. Тогда расход га а на одну горелку составит VГ =11,21 м3/ч, а тепловая нагрузка горелки по (7.2.1.)

= 11,21 28578 =

QГ 88,99 кВт 3600

Выбираем для котла инжекционные горелки конструкции Стальпроекта (рис.7.2.2.). Технические характеристики данных горелок приведены в табл. Е.1 Принимаем горелку типа В с тепловой нагрузкой QГ =88,99 кВт. Диаметры основных элементов горелки: dС = 3 мм;

dГ = 39 мм; dН = 48 мм (табл.Е.1.).

Определяем скорость газовоздушной смеси в горловине по формуле (7.2.4.)

	W	Г	=	11,21(1 + 7,52)		273 +12	= 23,20 м с
				3600 0,785 0,0015 2		273

изатраты энергии на инжекцию воздуха, по выражению (7.2.3.)

ЕВ = 2549,24 Джм3

Находим скорость выхода газа из сопла по формуле (7.2.7.)

	WС					1,29		= 252,39 м с
		= 23,2 1	+1,05	7,52
						0,959

и затраты энергии на изменение скорости струи газа по выражению (7.2.5.)

ЕГ = (252,39 − 23,2)2 1,29 = 31516,86 Дж м3 2

Принявd Д =1,8d Г , получим d Д =1,8 39 = 70 мм и f Д = (3,14 / 4) 0,0702 2 = 0,0039 м2;

48

Плотность газовоздушной смеси в выходном сечение диффузора по формуле (7.2.10.) равняется

	ρсм =	0,959 +1,05 7,52 1,29		273		= 0,92 кг/ м3
		1 +1,05 7,52		273 +	20

Рис.7.2.2. Инжекционная горелка среднего давления Стальпроекта, тип «В»[2]

а– без охлаждения насадка; б – с водоохлаждаемым насадком.

аскорость смеси в нем по выражению (7.2.9.) составит

	WД	=	11,21(1 +1,05 7,52)		273 + 20	= 7,69	м
			3600 0,0039		273		с

Подставив значения W Д				и ρсм	в (7.2.8.), найдем затраты энергии в диффузоре
Е	Д	=	23,22	−7,692	(1 +1,05	7,52) 1,165(1 −0,9) =195,76	Дж
				2			м3

Определяем скорость выхода газовоздушной смеси из насадки по формуле (7.2.12.)

	W	н	=	11,21(1 +1,05 7,52)		273 + 50	=18,12	м
				0,785 0,0482 3600		273		с

и затраты энергии в насадке по (7.2.11.)

	Ен =	1,5(7,69 −18,12)2	(1 +1,05 7,52) 0,92 = 667,61
		2

Плотность газовоздушной смеси на выходе из насадки по выражению (7.2.14.) равняется

	ρсм, =	0,959 +1,05 7,52 1,29		273	= 0,92	кг
		1 +1,05 7,52		273 + 20		м3

и тогда затраты энергии с выходной скоростью смеси из насадки по (7.2.13.)

	Е	пот	=	18,122	1,05(1 +1,05 7,52) =1341,99	Дж
				2		м3

49

Общие затраты энергии равны

ΣЕ = 2549,24 +31516,86 +195,76 +667,61+1341,99 = 36271,46 Джм3

Кинетическая энергия струи газа, вытекающего из сопла, по формуле (7.2.15.) равняется

	Е	гор	=	252,392	1,29 = 38219,45	Дж
				2		м3

Таким образом Егор > ΣE;

Находим по выражению (8.2.16.) необходимое давление газа перед горелкой

Ргор = 67945,7 Па Определяем скорость отрыва пламени по формуле (7.2.17.)

Wотр = 917 мс

и скорость проскока пламени по (7.2.18.)

Wпрmax = C2 Wнорм2 dαн = 2,39 мс

Проверяем, чтобы Wпрmax <Wн и Wотр <Wн что обеспечивает стабилизацию пламени.

50