CC BY
11
УДК 621.036.7
DOI: 10.24412/1728-323X-2022-3-75-78
РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА ВЫБРОСОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ГАЗООБРАЗНЫХ ТОПЛИВ
B. Ю. Ильичев, кандидат технических наук, доцент кафедр «Тепловые двигатели и гидромашины», «Мехатроника и робототехнические системы», Калужский филиал МГТУ имени Н. Э. Баумана, patrol8@yandex.ru, г. Калуга, Россия,
C. А. Кусачева, кандидат биологических наук, доцент кафедры «Экология и промышленная безопасность», Калужский филиал МГТУ имени Н. Э. Баумана, г. Калуга, Россия,
И. Н. Лыков, доктор биологических наук, профессор, научный руководитель института естествознания и медицинского института Калужского государственного университета им. К. Э. Циолковского, linprof47@yandex.ru, г. Калуга, Россия
Аннотация. Состав продуктов сгорания газообразных топлив, выбрасываемых непосредственно в атмосферу, является важнейшим экологическим показателем работы различных типов двигателей. В частности, в данной статье рассматриваются выбросы газотурбинных двигателей (или энергетических котлов) при условии полного сгорания топлива. Для расчета состава таких выбросов необходимо в качестве исходных данных задать состав исходного топлива и коэффициент избытка воздуха, подаваемых в камеру сгорания или в топку котла. Это позволит сравнивать различные типы топлива по количественному и качественному составу выбросов. В данной работе автоматизация расчета достигается за счет использования языка программирования Python. При этом как процесс ввода исходных данных, так и вывод результатов расчетов оформлены в виде удобного пользовательского интерфейса. Разработана программа определения состава и теплофизических свойств продуктов сгорания газообразных топлив. Данная программа может быть полезна для использования студентами, инженерами-проектировщиками для упрощения процедуры расчета и выбора различных утилизационных теплообменных аппаратов и подогревателей при исследовании их влияния на экологические параметры окружающей среды. Результаты представленных исследований могут быть использованы при реализации утвержденных Правительством России программ энергоэффективности и энергосбережения, а также охраны окружающей среды.
Abstract. The composition of combustion products of gaseous fuels emitted directly into the atmosphere is the most important environmental indicator of the operation of various types of engines. In particular, this article considers emissions from gas turbine engines (or power boilers) under the condition of complete combustion of fuel. In order to calculate the composition of such emissions, it is necessary to specify the composition of the initial fuel and the excess air ratio supplied to the combustion chamber or to the boiler furnace as the initial data. This will make it possible to compare different types of fuel in terms of quantitative and qualitative composition of emissions. In this work, the automation of the calculation is achieved by using the Python programming language. In this case, both the process of input data and the output of calculation results are designed in the form of a user-friendly interface. A program for determining the composition and thermal physical properties of combustion products of gaseous fuels has been developed. This program may be useful for students, design engineers to simplify the procedure of calculation and selection of various utilization heat exchangers and heaters in the study of their impact on environmental parameters. The results of the presented research can be used in the implementation of programs of energy efficiency and energy saving, as well as environmental protection approved by the Russian government.
Ключевые слова: газообразные выбросы, атмосфера, энергетические установки, состав продуктов сгорания, язык Python.
Keywords: gaseous emissions, atmosphere, power plants, composition of combustion products, Python language.
• так называемый регенеративный подогрев воздуха при его подаче в камеры сгорания газотурбинных установок (что увеличивает их КПД и уменьшает расход топлива, а значит, приводит к уменьшению вредных выбросов);
• подогрев подаваемого в парогенераторы топливного газа на отопительных котельных или на теплоэлектростанциях (в ряде случаев это улучшает процесс горения, что также уменьшает выбросы вредных веществ, либо обеспечивает специальный режим работы котельной);
• дополнительного подогрева воды в сетях теплоснабжения (для повышения степени полезного использования теплоты сгорания топлива).
Введение
Энергетическая отрасль является одной из наиболее тесно связанных с экологическими проблемами из-за большого разнообразия и количества выбросов вредных веществ (сажи, золы, химических элементов) при сжигании топлив. Особенно эти проблемы актуальны для нашей страны, где основным энергетическим источником являются различные типы углеводородов. Еще одним из современных направлений развития энергетической отрасли и экологии является утилизация тепла продуктов сгорания топлив энергетических установок (металлургических, газотурбинных, газопоршневых и др.) для подогрева рабочих тел и достижения при этом некоторых дополнительных целей:
Самым популярным топливом для промышленных энергоустановок у нас в стране является природный газ; в последнее время в целях экономии энергоресурсов стало необходимым сжигать в энергетических котлах весь горючий газ, образующийся при технологических процессах на металлургических комбинатах (например, доменный и конвертерный газы), а также при специальной переработке угля (коксовый газ, образующийся при нагреве угля до высоких температур без д оступа воздуха в шахтах). Очень большие перспективы возлагаются на водород и водоро-досодержащее топливо (и на нем уже работает ряд используемых в России газотурбинных установок).
Таким образом, используя в энергетике большое количество газообразного топлива, обязательно следует обращать внимание на количественный и качественный состав выбросов (считается, что наиболее вредными для окружающей среды являются оксиды азота, соединения серы, а также углекислый газ, усиливающий парниковый эффект).
Представленная работа посвящена следующей цели: созданию кода программы, позволяющей вычислять количество определенных видов выбросов в продуктах сгорания энергетических установок.
Методы исследований
При написании любого программного продукта вначале необходимо подобрать наиболее подходящий для него язык программирования. В данном случае был выбран язык Python, обладающий следующими преимуществами перед остальными:
• это бесплатный язык высокого уровня (что означает относительную простоту написания кода программы), имеющий множество поддерживающих его ресурсов в сети Интернет (в основном это сайты с документацией, форумы и сообщества пользователей);
• очень важно наличие библиотеки теплофизи-ческих свойств большого количества химических веществ CoolProp, содержащей в том числе и химические соединения, составляющие как топливо, так и образующиеся продукты его сгорания;
• данный язык программирования хорошо освоен авторами, создавшими на его основе десятки программ для различных отраслей исследований (так как язык благодаря возможности подключения дополнительных модулей функций является универсальным) [1];
• язык Python с подключаемыми модулями позволяет создать современный интерфейс пользователя, содержит широкие возможности по выводу графики и по проведению различного рода математических вычислений [2, 3]. Программный код позволяет пользователю задать состав используемого газообразного топлива, коэффициент избытка воздуха и ряд прочих параметров. После нажатия на кнопку начала расчета определяется состав продуктов горения. Алгоритм, заложенный в данный процесс расчета, взят из методики [4].
Результаты и обсуждение
В результате написания программного кода был разработан инструментарий для проведения вычислений. Интерфейс пользователя данного программного продукта приведен на рис. 1.
После запуска программы необходимо заполнить следующие поля и колонки «Компоненты газового топлива» в процентах, «Компоненты воздуха» (подаваемого для осуществления процесса горения топлива) в процентах. Суммы представленных значений объемного содержания компонентов проверяются (они должны быть равны 100 %). Дополнительно заполняются поля программы «Коэффициент избытка воздуха», «Температура продуктов сгорания» (при которой необходимо получить состав и теплофизические свойства продуктов сгорания — обычно это температура на входе в утилизационный теплообменник или на выходе из дымососа).
После нажатия кнопки «Рассчитать свойства продуктов сгорания» в правой колонке окна интерфейса отображаются все необходимые для выполнения поставленной в работе цели результаты расчета: состава продуктов сгорания (в объемных процентах), а также дополнительно полученные с помощью команд библиотеки CoolProp теплофи-зические свойства смеси продуктов сгорания, которые могут быть необходимы для расчета теплоутилизационной установки. Для разработки некоторых функций программы пришлось использовать так называемые низкоуровневые возможности указанной библиотеки [5], т. к. только таким образом удалось произвести определение всех необходимых свойств рассматриваемых смесей газов.
Расчеты были произведены для наиболее применяемых в нашей стране в газотурбинных двигателях и энергетических котлах газообразных топлив. Использованы следующие виды газов: природный, коксовый, конвертерный, доменный и водородное топливо. Состав указанных видов
76
№ 3, 2022
$ Расчет выхода >' свойств продутое сгорания газообразной топливной смес ваш
Процентное содержание компонентов топлива (по объему): Результаты: свойства продуктов сгорания:
Компоненты газового топпива: Компоненты воздуха: проц. содерж. прод. сг. (по массе):
СО: ¡20.46 N2: |76ДЮ , % С 02: |19.7758
С02: 9.1196 02: ¡24.00 . % Н20: 18.0487 , %
СН4; 220.672 , % Итого. ¡100.0 , % N2: |6ЭД008 . %
С2Н6: ;1Л314 , % 02: ¡2.2747
СЗН8: р.7448 , % Итого: (кюл
С4Н10: ¡0.4611 Теплофизические свойства продуктов сгорания:
N2: ¡41Л075 , % Коэф. изб. возд.: ¡114 Энтальпия: 1491019.7 , Дж/кг
Н2: 1.0185 Темп прод. сг.: 840.0 , 'С Плотность: ¡0.31197 , кг/м*
Н20: ¡3.8769 Теппоёмк. изобарная: ¡1296.82 , Дж/кг/К
Итого: ¡«юл ?1% Теплопроводность: ¡0,0764 , Вт/м/К
Динамич. вязкость: 0.00014213 . Па*с
Рассчитать свойства продуктов сгорания Число Прандтля: ¡0.75259
Рис. 1. Интерфейс программы для определения состава и теплофизических свойств выбросов, получаемых при сгорании
газообразного топлива
топлива взят из л итературных источников [6, 7] и приведен в таблице 1.
Состав воздуха принят усредненным (76 % N2, 24 % О2). Коэффициент избытка воздуха взят рекомендуемым для энергетических котлов 1,14.
Температура продуктов сгорания принята условно 840 °С только для демонстрации возможности вычисления с помощью созданной программы теплофизических параметров выбросов.
В таблице 2 приведены результаты расчета объемного содержания в продуктах сгорания наиболее важных для определения опасности выбросов компонентов: оксидов азота (условно обозначены в интерфейсе программы рис. 1 и в табл. 2 как N2) и углекислого газа (СО2).
Согласно данным таблицы, наименее вредными выбросами обладает водородное топливо. При использовании чистого водорода выбросы можно уменьшить в значительно большем объеме. Остальные виды продуктов сгорания газообразных топлив имеют в своем составе очень большое количество углекислого газа.
Выводы
1. На примерах расчета состава выбросов наиболее распространенных газообразных топлив-
Таблица 1 Состав исследуемых топливных газов
Процентный (по объему) состав топливных газов
Компо-
ненты топлива природ- коксо- конвер- домен- водородное
ный вый терный ный
топливо
сн4 98,63 23 — 0,3 20
С2Н6 0,12 2 — — —
С3Н8 0,02 — — — —
С4Н10 0,1 — — — —
N2 0,12 7,5 10,2 58,5 —
СО2 1,01 3 14 10,5 —
СО — 7 72,5 28 —
н2 — 57,5 3,3 2,7 80
Таблица 2 Состав продуктов сгорания (выбросов) от исследуемых топливных газов
Компоненты
Процентный (по объему) состав продуктов сгорания (выбросов) от топливных газов
топлива природ- коксо- конвер- домен
ный вый терный ный
СО2 13,50 11,28 42,90 31,67
Н2О 10,91 13,66 0,67 1,10
N2 72,87 72,41 54,52 65,91
О2 2,72 2,65 1,91 1,33
водородное топливо
6,77 16,61 73,87 2,76
ных газов показано, что с помощью созданного программного кода цели представленной работы полностью достигнуты.
2. Разработана программа определения состава и теплофизических свойств продуктов сгорания газообразных топлив, которая может быть
полезна для использования студентами и инженерами-проектировщиками для упрощения процедуры расчета и выбора различных утилизационных теплообменных аппаратов при исследовании их влияния на экологические параметры окружающей среды.
Библиографический список
1. Ильичев В. Ю., Юрик Е. А. Анализ массивов данных с использованием библиотеки Pandas для Python // Научное обозрение. Технические науки. — 2020. — № 4. — С. 41—45.
2. Ильичев В. Ю. Создание параметрических конечно-элементных трехмерных объектов с использованием функций Python. // Системный администратор. — 2021. — № 5 (222). — С. 82—85.
3. Ильичев В. Ю. Использование библиотеки ZenCAD языка Python для разработки универсальной методики создания объемных изделий // Системный администратор. — 2021. — № б (223). — С. 82—85.
4. Горение топлива и горение газа. [Электронный ресурс]. — URL: http://www.kazgerm.kz/spravochnik-sug/318-gorenie-topliva.
5. CoolProp. Low Level Interface. http://www.coolprop.org/coolprop/LowLevelAPI.html.
6. Шахуов Т. А., Куникеев Б. А. Анализ работы газотурбинной установки при изменении состава топлива // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. — 2018. — № 5 (1421). — С. 87—95.
7. Kawasaki Heavy Industries построит первую газотурбинную электростанцию на водороде. http://www.turbine-diesel.ru/ rus/node/4418.
8. Энергетика. Энергоэффективность и энергосбережение. http://goverпment.ru/rugovclassifier/5б2/events/.
9. Государственная программа «Охрана окружающей среды». http://government.ru/rugovclassifier/874/events/
DEVELOPMENT OF AUTOMATED METHODOLOGY FOR DETERMINING THE COMPOSITION OF EMISSIONS WHEN USING DIFFERENT TYPES OF GASEOUS FUELS
V. Y. Il'ichev, Ph. D. (Engineering), Associate Professor of the Departments of "Thermal engines and hydraulic machines", "Mechatronics and robotics systems", Kaluga branch of Bauman Moscow State Technical University, Kaluga, Russia, patrol8@yandex.ru,
S. A. Kusacheva, Ph. D. (Biology), Associate Professor of the Department of "Ecology and Industrial Safety" Kaluga branch of Bauman Moscow State Technical University, Kaluga, Russia, Bauman Moscow State Technical University, Kaluga, Russia, I. N. Lykov, Ph. D. (Biology), Dr. Habil., Professor, Scientific Director of the Institute of Natural Sciences and Medical Institute, Head of the Institute of Natural Science and Medical Institute of Tsiolkovsky Kaluga State University, linprof47@yandex.ruAbstract
References
1. Il'ichev V. Yu., Yurik E. A. Analiz massivov dannyh s ispolzovaniem biblioteki Pandas dlya Python [Array analysis using the Pandas library for Python]. Scientific Review. Technical Sciences. 2020. No. 4. P. 41—45 [in Russian].
2. Il'yichev V. Sozdanie parametricheskih konechno-elementnyh trehmernyh obektov s ispolzovaniem funkcij Python. [Array analysis using the Pandas library for Python]. Scientific Review. Technical Sciences. 2021. No. 6 (223). P. 82—85 [in Russian].
3. Il'ichev V. Yu. Ispol'zovanie biblioteki ZenCAD yazyka Python dlya razrabotki universal'noj metodiki sozdaniya ob"emnyh izdelij [Using the Python ZenCad library to develop a universal technique for creating volumetric products] Sistemnyj administrator. 2021. № 6 (223). P. 82—85 [in Russian].
4. Gorenie topliva i gorenie gaza. [Elektronnyj resurs]. URL: http://www.kazgerm.kz/spravochnik-sug/318-gorenie-topliva. [Fuel combustion and gas combustion]. [Electronic resource] [in Russian].
5. CoolProp. Low Level Interface. http://www.coolprop.org/coolprop/LowLevelAPI.html.
6. Shakhuov T. A., Kunikeev B. A. Analiz raboty gazoturbinnoj ustanovki pri izmenenii sostava topliva [Analysis of Gas Turbine Unit Operation when Changing Fuel Composition]. Ferrous Metallurgy. Bulletin of scientific, technical and economic information. 2018. No. 5 (1421). P. 87—95 [in Russian].
7. Kawasaki Heavy Industries postroit pervuyu gazoturbinnuyu elektrostanciyu na vodorode [Kawasaki Heavy Industries to build first hydrogen-fired gas turbine power plant]. http://www.turbine-diesel.ru/rus/node/4418 [in Russian].
8. Energetika. Energoeffektivnost i energosberezhenie. [Energy. Energy Efficiency and Energy Saving]. [Electronic resource]. http://government.ru/rugovclassifier/562/events/.
9. Gosudarstvennaya programma "Ohrana okruzhayushej sredy". [State program "Environmental Protection"] [in Russian].
78
№ 3, vovv
