Газогорелочные устройства

Основные термины и определения. Газогорелочными устройствами называются устройства, генерирующие тепловую энергию в виде разогретых до высокой температуры продуктов сгорания газа. Газовой горелкой называется устройство, обеспечивающее устойчивое сжигание газообразного топлива и возможность регулирования процесса горения. Газовая горелка осуществляет подачу газа и воздуха в зону горения, обеспечивая смесеобразование, воспламенение и стабилизацию факела. Газовые горелки осуществляют преобразование химической энергии газа в тепловую. Газогорелочные устройства должны быть компактными, удобными и надежными в эксплуатации. Общие технические требования к газовым горелкам определяются ГОСТ 21204-97.

    Работа каждой горелки характеризуется основными параметрами, определяемыми при испытаниях:

• тепловой мощностью;

• коэффициентом рабочего регулирования;

• давлением газа и воздуха и их расходами;

• концентрациями оксида углерода, диоксида серы, оксидов азота в сухих неразбавленных продуктах сгорания;

• массой и т.д.

Рассмотрим некоторые термины и определения основных параметров, которые независимо от конструктивного исполнения горелок являются общими.

Тепловая мощность горелки Р_Г — это количество теплоты, образующееся в результате сжигания газа V_Г, подводимого к горелке в единицу времени:

    Различают максимальную, номинальную и минимальную тепловые мощности горелки. На практике пользуются также понятием минимальной рабочей тепловой мощности горелки Р_{r min раб} при которой показатели ее работы соответствуют установленным нормам.

Коэффициент рабочего регулирования горелки К_р.р — отношение номинальной тепловой мощности горелки к ее минимальной рабочей тепловой мощности:  Коэффициенты рабочего регулирования горелки должны соответствовать значениям, приведенным в таблице приложения. Коэффициент предельного регулирования горелки К_пр.р — отношение максимальной тепловой мощности к ее минимальной тепловой мощности:

    Диапазон регулирования тепловой мощности горелки — диапазон, в котором изменяется тепловая мощность горелки во время эксплуатации.

    Давление газа перед горелкой — давление (максимальное, номинальное, минимальное рабочее, минимальное), измеренное после последнего по ходу регулирующего или запорного органа горелки и соответствующее максимальной, номинальной, минимальной рабочей или минимальной тепловой мощности горелки.

    Номинальная относительная длина факела представляет собой расстояние по оси факела от выходного сечения горелки, измеренное (при номинальной тепловой мощности) в калибрах выпускного отверстия до точки, где концентрация СО₂ (при α = 1) составляет 95 % от максимального значения.

    Удельная металлоемкость горелки — отношение массы горелки к номинальной тепловой мощности.

    Давление (разряжение) в камере сгорания измеряется в зоне выходного сечения горелки при номинальной тепловой мощности.

    Шумовая характеристика горелки — уровень звукового давления, создаваемого работающей горелкой в зависимости от спектра частот.

    Автоматика горелки — комплекс элементов, обеспечивающих пуск, автоматическое регулирование и контроль безопасности горелки.

    Система контроля пламени включает в себя устройство контроля пламени и управляемый этим устройством запорный клапан.

    Горелка с ручным управлением — это горелка, в которой розжиг, изменение режима работы горелки и наблюдение за работой горелки выполняет оператор.

    Автоматическая горелка — горелка, оборудованная автоматическими устройствами: дистанционным запальным, контроля пламени, контроля давления топлива и воздуха, запорными клапанами и средствами управления, регулирования и сигнализации.

    Блочная газовая горелка — газовая горелка, скомпонованная с вентилятором в единый блок, оборудованная средствами автоматического управления и регулирования.

    Запальное устройство — устройство для розжига горелки. Запальная горелка — вспомогательная горелка, служащая для розжига основной.

Основные функции и элементы горелок

    Процесс сжигания газа условно разделяется на три основных стадии:

• смешение газа с воздухом для горения (подготовка горючей смеси);

• подогрев горючей смеси до температуры воспламенения;

• собственно процесс сжигания — горение.

    В соответствии с этим газогорелочные устройства, обеспечивающие сжигание газа, выполняют следующие функции: подготавливают газ и воздух для горения, придавая им требуемое направление и скорость движения; подготавливают горючую смесь; стабилизируют горение; осуществляют подачу горючей смеси или продуктов сгорания в рабочее пространство или из него.

Независимо от типа все горелки имеют общие конструктивные элементы:

• устройства для подвода газа (сопло) и воздуха (воздуховод);

• смеситель и горелочную насадку со стабилизирующим устройством.

    Сопло предназначено для подачи определенного количества газа, а иногда и воздуха с определенной скоростью в смесительную часть горелки.

    Воздуховод — конструктивный элемент для подачи воздуха в необходимом количестве и требуемой скоростью.

    Смеситель предназначен для подготовки горючей смеси для горения в процессе взаимодействия струй газа с воздушным потоком.

    Горелочная насадка предназначена для распределения газа или газовоздушной смеси по выходному сечению.

    Стабилизаторы предназначены для обеспечения устойчивости процесса горения, предотвращения отрыва и проскока пламени.

    В зависимости от типа горелки или условий эксплуатации ее конструктивные элементы имеют различное оформление. В некоторых конструкциях отдельные элементы могут отсутствовать или компоноваться в одной детали.

 

Приложение к лекции 9

 

Лекция 10

Классификация газовых горелок

    Горелки могут быть классифицированы по различным признакам:

• по длине факела (длиннопламенные, короткопламенные);

• светимости пламени (светящиеся или слабосветящиеся);

• теплоте сгорания газа (высококалорийные, низкокалорийные);

• давлению газа перед горелкой (низко- и высоконапорные);

• числу подводящих трубопроводов (одно- и двухпроводные).

    В соответствии с ГОСТ 21204—97 по способу подачи воздуха и коэффициенту α₁ различают горелки: диффузионные с α₁ = 0, инжекционные с α₁ > 1 и α₁ < 1 и с принудительной подачей воздуха (дутьевые).

    Диффузионные горелки (рис. 14.1, а). Это наиболее простые устройства, представляющие собой трубу с просверленными отверстиями. Газ вытекает из отверстий, а необходимый для горения воздух поступает полностью из окружающей среды. В диффузионных горелках процессы смешивания газа с воздухом и горение совершаются параллельно на выходе газа из горелки.

Достоинствами данных горелок: малые габаритные размеры и простота конструкции, удобство и безопасность эксплуатации, высокая устойчивость пламени без проскоков и отрыва, высокая степень черноты пламени, широкий диапазон регулирования тепловой мощности. Недостатки: повышенный коэффициент избытка воздуха, плохие условия догорания газа и выделение при сжигании углеводородных газов продуктов неполного сгорания.

    Эти горелки используют при сжигании природных и сжиженных углеводородных газов, когда требуется получение длинного светящегося (коптящего) факела с равномерной температурой по его длине: в печах мартеновских, цементных, стекловарочных, а также в печах для получения газовой сажи. В отдельных случаях такие горелки незаменимы, например, в высокотемпературных плавильных печах, где требуется получение растянутого факела с высокой степенью черноты.

    Инжекционные горелки (рис. 14.1, б, в). Это горелки, в которые необходимый для горения воздух поступает полностью (α₁ > 1) или частично (α₁ < 1) в качестве первичного, а подача его осуществляется за счет кинетической энергии струи газа, вытекающего из сопла. Процессы смешивания газа с воздухом и горения разделены, при этом обеспечивается хорошее смешивание газа с воздухом.

    В инжекционных горелках с α₁ > 1 газ, вытекая из сопла с большой скоростью за счет кинетической энергии струи, засасывает в инжектор из окружающего пространства воздух в количестве, необходимом для его полного сгорания. Процесс сжигания происходит по кинетическому принципу: получение короткого пламени с высокой температурой. В горелке автоматически обеспечивается соотношение газа и воздуха в рабочем диапазоне, т.е. постоянный α₁ независимо от изменения давления. Такие горелки имеют низкую устойчивость к образованию проскоков и отрыва пламени, поэтому требуют применения стабилизаторов. Инжекционные горелки с α₁ > 1 работают на газе среднего давления (10...90 кПа).

    В инжекционных горелках с α₁ < 1 выбор значения α₁ зависит от диапазона устойчивой работы. Обычно инжекционные горелки с α₁ < 1 работают на газе низкого давления (до 2 кПа). С увеличением значения α₁ происходит переход в область кинетического процесса сгорания газовоздушной смеси, который характеризуется низкой устойчивостью горения, т.е. возможностью проскока и отрыва пламени. При малых коэффициентах первичного воздуха происходит разложение углеводородов с образованием сажи, что приводит к свечению пламени и химической неполноте горения. Такая работа горелок с малым коэффициентом первичного воздуха нежелательна (из устья горелки выходит газовоздушная смесь с избытком горючего, т.е. газ, смешанный только с 50...60 % воздуха от теоретически необходимого). Поэтому для инжекционных горелок с α₁ < 1 требуется организовать подвод вторичного воздуха (см. рис. 14.1, в), а в топках, где устанавливаются эти горелки, должно быть разрежение.

    Пламя горелки состоит из внутреннего и внешнего конусов. Внутренний конус представляет собой поверхность остановленного фронта пламени, где выгорает часть горючего, обеспеченная первичным воздухом. Горение газовоздушной смеси во внутреннем конусе кинетическое. Внутренний конус пламени ярко очерчен и имеет зеленовато-голубой цвет. Внешний конус представляет собой поверхность, где в результате диффузии окружающего воздуха выгорает оставшаяся часть газа. Процесс сгорания газа во внешнем конусе диффузионный. Такие горелки обладают большой устойчивостью к отрыву и проскоку пламени и не требуют применения стабилизаторов.

    Инжекционные горелки с α₁ < 1 применяют в бытовых газовых плитах, проточных и емкостных водонагревателях, ресторанных плитах, секционных отопительных котлах и отопительных печах.

    Горелки с принудительной подачей воздуха (рис. 14.1, г). Воздух, необходимый для горения, в такие горелки подается вентилятором. Газ из сопла попадает в закрученный поток воздуха, и происходит их смешивание. Газовоздушная смесь через насадок попадает в топочное пространство. Горелки данного типа оснащены стабилизаторами. В схеме обвязки горелок предусматривается установка клапана блокировки, отключающего подачу газа при прекращении подачи воздуха.

    Процесс смешивания газа с воздухом зависит от конструкции смесителя. При полном предварительном смешивании процесс горения кинетический, пламя образуется короткое с высокой температурой.

    Схемы горелок с принудительной подачей воздуха приведены на рис. 14.2. В горелке на схеме I газ и воздух поступают к месту сгорания раздельно, параллельными потоками. Смешивание происходит медленно, горение диффузионное. Пламя образуется длинное светящееся с невысокой температурой. В горелке на схеме II поверхность соприкосновения потоков газа и воздуха увеличивается за счет подачи газа внутрь воздушного потока. Длина пламени при этом уменьшается.

    Еще большее уменьшение длины пламени достигается путем предварительного смешивания газа с воздухом (схема III). Улучшение предварительного смешивания газа с воздухом достигается установкой в горелки завихрителя, закручивающего поток воздуха (схема IV).

    Для увеличения площади соприкосновения газа с воздухом используются горелки с множеством мелких отверстий в корпусе, направленных под углом к предварительно закрученному потоку воздуха (схема V). При этом образуется равномерная газовоздушная смесь. Процесс горения кинетический, пламя образуется короткое с высокой температурой.

    Если подавать газ в закрученный воздушный поток не только из центра горелки, но и с периферии (схема VI), то обеспечивается равномерное распределение газовых струй в воздушном потоке.

    Закручивание воздушного потока может осуществляться лопаточным направляющим аппаратом (улиткой) тангенциальным подводом к горелке.

    Горелки с принудительной подачей воздуха в зависимости от конструкции работают на газе низкого или среднего давления. Их применяют для промышленных теплоагрегатов: котлов, печей, сушилок. Горелки позволяют использовать теплоту отработанных дымовых газов за счет подогрева в теплообменниках (рекуператорах, регенераторах) воздуха, подаваемого для горения, что позволяет повысить КПД теплоагрегатов.

 

Приложение к лекции 10

 

Лекция 11

Общие технические требования к газовым горелкам

    На основании опыта эксплуатации и анализа конструкций устройств сформулированы основные требования к конструкциям газовых горелок.

    Горелки должны быть возможно более простыми: без подвижных частей, без устройств, изменяющих сечение для прохода газа и воздуха, и деталей сложной формы, расположенных вблизи носика горелки. Сечения для выхода газа, воздуха и газовоздушной смеси в процессе эксплуатации должны быть неизменными. Количество подаваемых через горелку газа и воздуха следует изменять только дроссельными устройствами, установленными на подводящих трубопроводах.

    Сечения для прохода газа и воздуха в горелке и конфигурация внутренних полостей должны обеспечивать минимальное сопротивление на пути движения газа и воздуха внутри горелки. Давление газа и воздуха должно быть использовано для создания требуемых скоростей в выходных сечениях горелки. Подача воздуха в горелку должна быть регулируемой. При осуществлении частичного предварительного смешения газа и воздуха следует использовать какой-либо один способ, а не усложнять горелку большим числом элементов одного и того же назначения, например для улучшения смешения. Для стабилизации горения предпочтительнее аэродинамические методы, т.е. создание зон циркуляции продуктов сгорания, которые поджигают газовоздушную смесь.

    Назначение. Номинальная тепловая мощность каждой горелки должна соответствовать номинальной тепловой мощности, установленной для горелок данного типоразмера (предельные отклонения +10...-5%).

    Требования к автоматике. Автоматические горелки должны работать при поддержании давления газа перед основным запорным органом с точностью ±15 % от номинального значения; для газа низкого давления до 5 кПа; для газа среднего давления до 100 кПа. В автоматических горелках должны выполняться следующие операции: пуск горелки по программе, зависящей от ее мощности (включая продувку камеры горения и дымоходов); перевод ее в рабочее состояние; регулирование тепловой мощности; контроль параметров безопасности горелки и тепловой установки; выключение горелки при недопустимых отклонениях контролируемых параметров.

    Пуск не должен осуществляться в следующих случаях: прекращение подачи электроэнергии; давление газа за основным запорным органом на 30 % ниже номинального значения; недопустимые отклонения контролируемых параметров тепловой установки; недостаток воздуха для горения; неполадки устройств продувки, отвода или рециркуляции продуктов сгорания; короткое замыкание или разрыв в датчике контроля пламени либо связи датчика; при пуске не обеспечены условия для безопасной эксплуатации горелки (требуемая температура топлива, давление распыливающего вещества, частота вращения механического распыливающего устройства и др.); сигнал о нарушении герметичности запорного органа (у горелок, оснащенных автоматическим контролем герметичности). В автоматических горелках не допускается подача топлива в основную горелку, пока не включено запальное устройство или не появилось пламя запальной горелки. Автоматика должна обеспечивать защитное выключение газовой горелки, если при ее розжиге не произойдет воспламенение топлива в течение не более:

5 с — для горелок тепловой мощностью до 50 кВт;

3 с — для горелок тепловой мощностью свыше 50 кВт.

    При работе автоматических горелок защитное выключение должно осуществляться: при погасании контролируемого пламени; прекращении подачи электроэнергии; снижении давления газа за основным запорным органом более чем на 30 % относительно номинального значения; недопустимых отклонениях контролируемых параметров тепловой установки; недостатке воздуха для горения; неполадках устройств продувки, отвода или рециркуляции продуктов сгорания.

    Защитное выключение должно сопровождаться сигналом. При защитном выключении автоматической горелки из-за прекращения подачи электроэнергии возобновление подачи энергии не должно вызывать самопроизвольного пуска горелки (за исключением блочных горелок с регулированием мощности от 0 до 100 % от номинальной, находящихся в рабочем состоянии, с выполнением полной программы пуска).

    Если горелки устанавливаются на воздухонагревателях, применяемых для воздушного отопления и вентиляции помещений, выработки теплоносителя для сушильных процессов или тепловых завес, то защитное выключение горелок в рабочем состоянии, должно предусматриваться также: при повышении температуры нагреваемого воздуха выше заданного значения; превышении давления продуктов сгорания над давлением нагреваемого воздуха в рекуперативных воздухонагревателях. Система контроля пламени должна обеспечивать защитное выключение горелки, если произойдет погасание контролируемого пламени, за время не более 2 с.

    Для горелок номинальной тепловой мощностью до 0,1 МВт, установленных в камерах горения, работающих под разрежением, время защитного отключения подачи газа в горелку при погасании пламени не должно превышать 30 с. При прекращении подачи электроэнергии от внешнего источника газовый автоматический запорный орган должен закрыться. Запорный орган должен закрываться без дополнительного подвода энергии от внешнего источника. Время от момента прекращения подачи энергии от внешнего источника до прекращения поступления газа через запорный орган не должно превышать 1 с. Устройство контроля пламени должно реагировать только на пламя контролируемой горелки и не должно реагировать на посторонние источники теплоты и света (раскаленная футеровка, освещение и т.д.).

    При неисправности устройства контроля пламени или нарушении в линиях связи между чувствительным элементом и вторичным прибором устройства контроля пламени при розжиге или работе горелки должно произойти защитное выключение горелки. Группу горелок допускается оснащать одним устройством контроля пламени в случае, если наличие пламени горелки, оснащенной устройством контроля пламени, обеспечивает розжиг и в других горелках группы.

    Газовые горелки номинальной тепловой мощностью до 0,35 МВт должны быть оснащены одним газовым автоматическим запорным органом; мощностью свыше 0,35 до 2 МВт — двумя газовыми автоматическими запорными органами; свыше 2 МВт — двумя газовыми автоматическими запорными органами и автоматическим органом контроля утечки газа, установленным между ними и связанным с атмосферой.

    При работе на тепловом агрегате группы горелок с общим подводом газа, суммарная тепловая мощность которых находится в пределах 0,35...2,0 МВт, допускается один из двух автоматических запорных органов устанавливать общим для всех горелок.

    Работоспособность автоматики горелок должна быть обеспечена при отклонениях питающего напряжения электрического тока от +10 до -15 % от номинального.

    Конструктивные требования. Присоединение горелки к трубопроводам для подвода топлива и распыливающей среды (при необходимости) должно быть разъемным, исключать утечку. Конструкция горелки должна обеспечивать возможность очистки или замены сопла, завихрителя, форсунки без разборки подвода газообразного топлива и демонтажа горелки. Ремонтные и смотровые лючки горелки должны надежно закрываться. Горелки должны быть оснащены блокировкой, не допускающей возможности их включения в открытом положении и осуществляющей их отключение при выдвижении или извлечении в процессе работы.

    Система топливораспределения горелки не должна допускать утечки газа. Горелка, розжиг которой осуществляется при помощи переносного запального устройства, должна иметь отверстие, позволяющее безопасное введение запального устройства. Допускается розжиг горелки проводить через отверстие камеры горения теплового агрегата. Конструкция горелки должна обеспечивать возможность визуального наблюдения за пламенем.

    Конструкции горелок с принудительной подачей воздуха, предназначенных для печных агрегатов, должны быть выполнены из материалов, допускающих работу на подогретом воздухе температурой не менее 300 °С.

    Требования безопасности. Горелки в части общих требований безопасности должны соответствовать ГОСТ 12.2—2003.

    Предельно допустимые шумовые хар-ки горелок даны в приложении.

    Температура поверхностей элементов горелок, предназначенных для ручного управления, не должна превышать 45 °С при изготовлении из неметаллических материалов и 40 °С — при изготовлении из металлов.

    Рекомендуемые значения скоростей для горелок типа «труба в трубе» представлены в таблице приложения.

    Электрическое оборудование горелки должно питаться от одного источника электроэнергии и выключаться при помощи одного выключателя.

    Горелки номинальной мощностью более 0,12 МВт должны разжигаться при пусковой мощности, не превышающей 50 % номинальной.

    Горелки номинальной мощностью более 0,1 МВт должны разжигаться запальным устройством или запальной горелкой (переносной или стационарной). Мощность запальной горелки должна быть не более 5 % номинальной мощности основной горелки, 10 % ее пусковой мощности и не превышать 0,12 МВт. Автоматические и полуавтоматические горелки, пусковая мощность которых превышает 0,4 МВт, должны быть оснащены стационарной запальной горелкой. Группа горелок с ручным управлением может быть оснащена общим переносным запальным устройством или запальной горелкой. Подвод топлива к переносной запальной горелке должен быть независим от подвода топлива к основной горелке и оснащен самостоятельным запорным органом, управляемым вручную.

    Тепловая мощность стационарной запальной горелки непрерывного действия не должна превышать 5 % номинальной тепловой мощности основной горелки. Тепловая мощность переносной запальной горелки не должна превышать 30 кВт. Для розжига основной горелки применение электрического запального устройства запальной горелки не допускается.

    Группу горелок с ручным управлением допускается оснащать одной стационарной запальной горелкой, если наличие пламени основной горелки, оснащенной запальной горелкой, обеспечивает зажигание пламени других горелок группы.

    Конструкция горелок с принудительной подачей воздуха должна предусматривать возможность продувки камеры горения перед розжигом.

    Горелки, в которые трубопроводом подается предварительно подготовленная горючая смесь, должны быть оснащены преградителями огня.

    Горелки должны быть оборудованы штуцерами для присоединения приборов, измеряющих давление газа перед горелкой, а горелки с принудительной подачей воздуха — дополнительно штуцерами для присоединения приборов, измеряющих давление воздуха перед горелками или в корпусе горелки. Штуцеры могут быть установлены на трубопроводах, принадлежащих непосредственно горелке, и на подводящих трубопроводах. Во всех случаях штуцеры располагают после последнего по ходу газа (воздуха) запорного или регулирующего органа.

    Группу горелок допускается оснащать одним штуцером для измерения давления газа и одним штуцером для измерения давления воздуха.

    Конструкция автоматических газовых горелок должна обеспечивать возможность измерения: давления газа за основным запорным органом и после последнего по ходу газа регулирующего органа горелки; давления воздуха после последнего по ходу воздуха регулирующего или запорного органа. Измерение давления газа допускается заменять измерением расхода газа.

    Конструкция горелки должна предусматривать продувку камеры горения до открытия крана на трубопроводе подвода газа.

    Требования по рациональному использованию газа. Газовые горелки при номинальной тепловой мощности должны обеспечивать коэффициент избытка воздуха, не превышающий значений 1,05... 1,15. При работе горелок в системах отопления тепловых агрегатов, предусматривающих многостадийное (ступенчатое) сжигание топлива, значения коэффициентов избытка воздуха следует относить к выходному сечению камеры горения теплового агрегата (за вычетом присосов). Допустимое увеличение коэффициента избытка воздуха в диапазоне рабочего регулирования мощности (за исключением пусковых режимов) не должно превышать 0,2.

    Потери теплоты от химической неполноты сгорания на выходе из камеры горения теплового агрегата или установки в диапазоне рабочего регулирования горелки не должны быть более 0,4 %.

    Требования по охране окружающей среды. Содержание оксида углерода в продуктах сгорания в пересчете на сухие неразбавленные продукты сгорания (при α = 1,0) не должно превышать на выходе из камеры горения 0,05 об. % и в контролируемом сечении за видимой длиной факела при температуре продуктов сгорания не более 1400 °С.

    Содержание оксида углерода в продуктах сгорания для горелок, предназначенных для соответствующих котлов, предельные нормы концентраций оксида азота (NO) в продуктах сгорания для газогорелочных устройств различных по назначению и конструктивному оформлению теплотехнологических агрегатов, соотношение между единицами измерения концентрации NO регламентируются стандартами.

    Требования надежности. Средний ресурс горелок до капитального ремонта (для ремонтнопригодных горелок) и до списания (для неремонтнопригодных горелок) должен быть по жаростойкости не менее 18000 ч. Электрические элементы автоматики должны в условиях, близких к эксплуатационным, при напряжении, равном 110% номинального значения, выдерживать не менее 100 000 циклов включения и выключения.

    Вероятность безотказной работы устройства контроля пламени — не менее 0,92 за 2000 ч.

 

Приложение к лекции 11.

 

Предельно допустимые шумовые характеристики горелок должны соответствовать значениям:

Уровни звукового

давления, дБ............... 107 95 87 82 78 75  73 71  69

Октавные полосы со

среднегеометрически-

ми частотами, Гц....... 31,5 63 125 250 500  1000 2000  4000   8000

При этом уровень звука и эквивалентный уровень звука составляет 80 дБ.

 

 

Лекция 12

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться: