CC BY
205
Вестник КГЭУ, 2017, № 1 (33) УДК 66.041.45
Энергетика
ПОКАЗАТЕЛИ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОТЛОВ ТГМ-84Б ПРИ СЖИГАНИИ В НИХ МЕТАНО-ВОДОРОДНОЙ ФРАКЦИИ
М.А. Таймаров, Р.В. Ахметова, Е.Г. Чикляев, Р.Г. Сунгатуллин
taimarovma@yandex. ru; raesg@mail. ru
Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия
Резюме. В данной статье исследуются процессы теплообмена, происходящие при реакциях горения метано-водородной фракции в энергетических котлах ТГМ-84Б. Рассмотрены вопросы распределения температуры и тепловых потоков по газоходу котлов. Результаты расчетов режимных параметров по сжиганию метано-водородной фракции сопоставлены с режимными показателями работы котлов при сжигании природного газа.
Ключевые слова: метано-водородная фракция, горение, теплота сгорания, температура, котел КПД, коэффициент избытка воздуха, уходящие газы, тепловые потоки.
INDICATORS OF REGIME PARAMETRICAL TGM-84B BY BURNING THEM IN A METHANE-HYDROGEN FRACTION
M.A. Taymarov, R.V. Akhmetova, E.G. Chiklyaev, R.G. Sungatullin
taimarovma@yandex. ru; raesg@mail. ru
Kazan state power engineering University, Kazan, Russia
Abstract In this article are investigated by calculation of the heat transfer processes occurring during the combustion reactions of methane-hydrogen fraction in power boilers TGM-84B. The questions of temperature distribution and heat flow in the flue of boilers. The results of calculations of operating parameters for combustion of methane-hydrogen fraction regime associated with the performance of the boilers when burning natural gas.
Keywords', methane-hydrogen fraction, combustion, heat of combustion, temperature, boiler efficiency, excess air, exhaust gases, heat flows.
Введение. В связи с углублением процесса переработки нефти и увеличением выхода конечных светлых продуктов на нефтеперерабатывающих заводах возросло количество метан-водородной фракции (МВФ), которое предложено к использованию в качестве газообразного топлива вместо природного газа [1-2]. Эксплуатируемые на ТЭЦ котлы ТГМ-84Б спроектированы на сжигание природного газа с теплотой сгорания Qhp=34,38 МДж/м3 с содержанием метана 95,5%. Метано-водородная фракция содержит: метана до 30% (мол.) и водорода 50% (мол.), имеет теплотворную способность около 28,89 МДж/м3 и более широкие пределы воспламенения (взрываемости) от 4,1% до 75% при 20°С) в смеси с воздухом по сравнению с природным газом, пределы взрываемости которого от 5,3% до 15% [3; 4]. Определение оптимальных режимных параметров сжигания метано-водородной фракции по условиям минимального отрицательного влияния на теплообмен в котлах ТГМ-84Б с использованием существующих горелочных устройств является актуальной проблемой и рассматривается в данной статье.
58
Описание объекта исследования и методики. В данной работе исследуются процессы горения метано-водородной фракции в топках котлов ТГМ-84Б. Экспериментальная часть исследования проведена на Нижнекамской ТЭЦ-1 (НкТЭЦ-1) при сжигании природного газа Уренгойского месторождения. Данные экспериментов по режимным параметрам сопоставлялись с расчетными результатами при сжигании метано-водородной фракции. Методика измерений температуры, падающих от факела тепловых потоков контактными и бесконтактными методами и определения КПД по прямому и обратному балансу описаны в работах [5-8]. Погрешность опытов при определении КПД составляла +3,51%. Программа для ЭВМ, по которой производился тепловой расчет печей при сжигании метано-водородной фракции, изложена в работе [9].
Котел ТГМ-84Б имеет П-образную компоновку и состоит из топочной камеры, являющейся восходящим газоходом, опускной конвективной шахты и горизонтального газохода, соединяющего топку с конвективной шахтой. В топочной камере размещены испарительные экраны, радиационный пароперегреватель. В верхней части топки и в горизонтальном газоходе установлен ширмовый пароперегреватель. Потолок топочной камеры горизонтального газохода экранирован трубами потолочного пароперегревателя. В конвективной шахте размещены конвективный пароперегреватель и водяной экономайзер. В области водяного экономайзера конвективная шахта разделена на два газохода. Топочная камера имеет призматическую форму и в плане представляет прямоугольник с размерами 6016x17710. Объем топки - 1557 м3. Полная радиационная поверхность топки Нп =1100 м2. Боковые и задние стенки топочной камеры полностью экранированы трубами 0 60x6 мм с шагом 64 мм.
Основные характеристики котла ТГМ-84Б:
- номинальная паропроизводительность 420 т/ч;
- рабочее давление за главной паровой задвижкой Рпе= 14 МПа;
- рабочее давление в барабане /',, 15.5 МПа;
- температура перегретого пара 570 °С;
- температура питательной воды 230 °С;
- температура горячего воздуха при сжигании газа 238 °С;
- температура горячего воздуха при сжигании мазута 268 °С.
Топочная камера оборудована 6 газомазутными горелками, установленными в два яруса в ряд вершинами на фронтовой стене. Горелки нижнего яруса (2 шт. или 4 шт.) установлены на отметке 7200 мм, верхнего яруса (2шт.) - на отметке 10200 мм. Горелки предназначены для раздельного сжигания газа и мазута. Производительность горелки на газе 5200 нм3 /час. Растопка котла на паромеханических форсунках. Для регулирования температуры перегретого пара установлены 3 ступени впрыска собственного конденсата.
Топочная камера разделена двухсветным экраном. Нижняя часть каждого бокового экрана переходит в слегка наклонный подовый экран, нижние коллекторы которого прикреплены к коллекторам двухсветного экрана и совместно перемещаются при тепловых деформациях во время растопок и остановок котла. Наклонные трубы пода защищены от излучения факела слоем огнеупорного кирпича и хромитовой массы. Наличие двухсветного экрана обеспечивает интенсивное охлаждение топочных газов.
В верхней части топки трубы заднего экрана отогнуты внутрь топочной камеры, образуя порог с вылетом 1400 мм. Этим обеспечивается смывание ширм и их защита от прямого излучения факела. Десять труб каждой панели - прямые, выступа в топку не имеют и являются несущими. Выше порога располагаются ширмы, которые являются частью пароперегревателя и предназначены для охлаждения продуктов сгорания и перегрева пара
Результаты исследования и их обсуждение. В настоящей работе произведены тепловые расчеты тепловыделений в топках при химических реакциях горения метано-водородной фракции и природного газа при различных избытках воздуха, подаваемого на горение. Результаты расчетов приведены в сравнении с экспериментальными данными для
природного газа. Составы метано-водородной фракции и сжигаемого природного газа приведены в табл. 1,2.
Таблица 1
_Состав метано-водородной фракции_
Компоненты Молекулярный вес, кг/кг-моль Состав, молярная доля, %
Н2 2,01 50,10
СН4 16,04 30,41
С2Н6 30,07 14.58
СзН8 44,09 2,63
пС4Н10 58,12 6,46
Молекулярный вес, кг/кг-моль — 12,87
Плотность смеси, кг/м3 — 0,5357
Низшая теплота, кДж/кг — 53248
Низшая теплота, ккал/м3 — 6807,8
Таблица 2 Состав природного газа
Компоненты Молекулярный вес, кг/кг-моль Состав, молярная доля, %
СН4 16,04 95,48
С2Н6 30,07 2,38
Плотность газа, кг/м3 — 0,7039
Низшая теплота сгорания, кДж/м3 — 34380
Низшая теплота сгорания, ккал/м3 — 8211
Горение водорода формально выражается известной реакцией Н2 + 0,5 02 —>■ Н20. Однако эта реакция не позволяет представить разветвлённые цепные реакции, протекающие в смесях водорода с воздухом и другими газами. В реакциях участвуют восемь компонентов: Н2, 02, Н, О, ОН. Н02, ЬГО. Н^О?. Подробная кинетическая схема химических реакций между данными компонентами включает более 20 элементарных реакций с участием свободных радикалов в реагирующей смеси. При наличии в системе соединений азота и углерода число компонентов и элементарных реакций существенно увеличивается.
Сжигание метано-водородной фракции с большим содержанием водорода имеет свои особенности. Скорость горения водорода в 2 - 5 раз выше скорости горения природного газа. Поэтому скорость подачи метано-водородной фракции в топку должна быть минимум в 2 раза большей, чем для природного газа. Горелки, с помощью которых газ смешивается в топке, создают нестабильное пламя вследствие недостаточной турбулизации потока воздуха и метано-водородной фракции, поскольку количество инжектируемого воздуха недостаточно. Стабильное горение метано-водородной фракции достигается при интенсивном турбулентном перемешивании его с достаточным количеством воздуха.
Смесь водорода с кислородом воздуха образует гремучую смесь, которая воспламеняется и горит с большой скоростью, что приводит к взрыву. Скорость горения водорода зависит от концентрации кислорода в смеси и колеблется в пределах 120 - 1000 см/сек. При сжигании водорода в смеси с воздухом максимальная скорость горения достигает 260 см /сек [10]. Расчеты данной работы показали, что в радиантных топках при
использовании существующих горелок, рассчитанных на сжигание природного газа, горение водорода происходит в области выхода топок в районе ширм, то есть за пределами непосредственно самой радиантной топки. Это связано с малой скорость подвода воздуха и метано-водородной фракции в зону горения. Поэтому температура на выходе повышается в среднем на 35...40°С (рис.1) при повышении массовой доли водорода от 6 до 12% . Сложность расчетов заключалась в том, что для поддержания необходимой температуры нагрева на выходе из топки при увеличении доли водорода в метано-водородной фракции необходимо увеличивать также расход этой фракции, подаваемой на горение (рис. 2).
I* °С 1200
1100
Метамо-иооровиая фрикция -расчст
^........
Природный газ -жспсрнмлгт
200
400
Дк. I Ч
Рис. 1. Температура продуктов сгорания 1:п на вьгходе из топки при различньгх нагрузках Дк при сжигании метано-водородной фракции и природного газа
В.
тыс.м3/ч
40
20
Метано-водородная
фракция -расчет
Природный газ -эксперимент
4-
200
400
Дк. т/ч
Рис. 2. Расход «В» метано-водородной фракции и природного газа в зависимости от нагрузки
Дк котла ТГМ-84Б
Выводы
1. Для поддержания стабильного горения и предотвращения взрывов в топках котлов ТГМ-84Б необходимо процесс горения метано-водородной фракции проводить при увеличенных скоростях подачи метано-водродной фракции и воздуха на горение.
2. Снижение температуры продуктов сгорания на выходе из топок может быть достигнуто путем уменьшения доли водорода в составе метано-водородной фракции.
Литература
1. Таймаров М.А., Додов Н.Р., Степанова Т.О. Сжигание сбросных газов для теплофикации в нефтехимии. Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т.18 С.95-98.
2. Тепловой расчет котлов. Нормативный метод, С.-П., АОО НПО ЦКТИ. 1998, 258 с.
3. Танатаров М.А., Ахметшина М.Н., Фасхутдинов Р.А. Технологические расчеты установок переработки нефти. М., Химия, 1987. 352 с.
4. Сарданашвили А.Г., Львова А.И. Примеры и задачи по технологии переработки нефти и газа. М., Химия, 1980.256 с.
5. Таймаров М.А., Ахметова Р.В., Салтанаева Е.А., Хусаинов Д.Г. Лабораторный практикум «Измерение температуры пламени и тепловые балансы в топке котла». Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2017. 30 с.
6. Таймаров М.А., Кувшинов Н.Е., Ахметова Р.В., Сунгатуллин Р.Г. Особенности химических реакций горения метано-водородной фракции в радиантных топках // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2016. № 11-12. С. 124-128.
7. Трембовля В.И. Теплотехнические испытания котельных установок М.: Энергия, 1977,297 с.
8. Gelderen L, Malmquist L.M.V.; Jomaas G. Vaporization order and burning efficiency of crude oils during in-situ burning on water. 2017. P. 558-537.
9. Таймаров M.A. Тепловой расчет барабанного котла ТГМ-84. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012612419 от 6 марта 2012.
10. Sánchez A.L., Williams F.A. Recent advances in understanding of flammability characteristics of hydrogen//Progress in Energy and Combustion Science. Elsevier, 2014. Vol. 41, № 1. P. 1-55.
References
1. Tamarov M.A., Dedov I.R., Stepanova Т.О. Combustion of waste gas for Central heating in the petrochemical industry. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta. 2015. Vol. 18 P. 95-98.
2. Thermal calculation of boilers. Standard method. S.-P., AOO NPO CKTI. 1998. P. 258.
3. Tanatarov M.A., Akhmetshina M.N., Faskhutdinov R.A. process calculations of the treatment units, oil. Moscow, Khimiya, 1987. P. 352.
4. Sardanashvily A.G., Lvov, A.I., Examples and problems on technology of processing of oil and gas. Moscow, Khimiya, 1980. P. 256
5. Tamarov M.A. Akhmetova R.V., Sultanaeva E.A., Khusainov D.G. Laboratory course "Measurement of flame temperature and heat balances in the boiler furnace". Kazan: 2017. P. 30.
6. Tamarov M.A., Kuvshinov N.E. Akhmetov R.V., Sungatullin R.G. Peculiarities of the chemical reactions of combustion of methane-hydrogen fraction in radiant furnaces // proceedings of higher educational institutions. The energy problems. 2016. №. 11-12. P. 124-128.
7. Trembovlya V.I. Heat engineering testing of boilers, M.: Energy, 1977. P. 297.
8. Gelderen L, Malmquist L.M.V.; Jomaas G. Vaporization order and burning efficiency of crude oils during in-situ burning on water. 2017. P. 558-537.
9. Tamarov M.A. Thermal calculation of a drum boiler TGM-84. The certificate of state registration of computer programs №2012612419 on 6 March 2012.
10. Sánchez A.L., Williams F.A. Recent advances in understanding of flammability characteristics of hydrogen//Progress in Energy and Combustion Science. Elsevier, 2014. Vol. 41, № 1. P. 1-55.
Авторы публикации
Таймаров Михаил Александрович - д-р техн наук, профессор кафедры «Энергетическое машиностроение» (ЭМС) Казанского государственного энергетического университета. Ахметова Римма Валентиновна - старший преподаватель кафедры «Электрические станции» Казанского государственного энергетического университета.
Чикляев Евгений Геннадьевич - старший преподаватель кафедры «Физическое воспитание» Казанского государственного энергетического университета.
Сунгатуллин Раис Газимуллович - старший преподаватель кафедры «Энергообеспечение предприятий и энергоресурсосберегающих технологий» Казанского государственного энергетического университета.
Authors of the publication
Mikhail A. Taymarov - Dr. Sci. (techn.), professor, Boilers and steam generators, Kazan state power engineering university.
Rimma V. Akhmetova - senior lecturer, Department of Electric Stations, Kazan state power engineering university.
Evgenyi G. Chiklyaev - bienior lecturer, Physical training, Kazan state power engineering university. Rais G. Sungatullin - senior lecturer, Power supply of enterprises and energy resource saving technologies Kazan state power engineering university.
Дата поступления 16.02.2017.
