Экономия топлива с помощью контроля режима горения
16 декабря 2024 г.
Снижение затрат является одной из важных задач предприятия, его руководителя и различных служб и отделов. Если на предприятии имеются топливосжигающие системы, используемые для производства пара или/и горячей воды (котлы), то одним из эффективных способов снижения затрат может явиться экономия топлива. Топливосжигающие системы используют газ, мазут или другие виды топлива, которое необходимо регулярно закупать. В данной заметке мы покажем, как с помощью несложных мероприятий можно экономить топливо, таким образом снижая затраты предприятия в целом. Для простоты изложения в качестве топлива здесь имеется в виду газ, но принцип, на котором основана экономия, распространяется и на другие виды топлива.
Процесс горения
Для сжигания топлива в котле нужен воздух, в котором содержится кислород, непосредственно вступающий в реакцию горения. Для горения требуется абсолютно точно определённое законами природы количество воздуха - не больше и не меньше. Если воздуха подать меньше, чем требуется для реакции горения, то его не хватит, и после того, как весь воздух вступит в реакцию, в топке останется несгоревшее топливо, которое будет рассеяно в атмосферу вместе с дымом. Т.е. в таком режиме часть топлива, поданного в котёл, просто выбрасывается, вместо того чтобы быть использованным для получения полезной энергии. Кроме самого топлива, тратятся лишние ресурсы (в т.ч. и энергия, произведенная котлом) на подготовку топлива, подачу его в котёл, нагрев его до температуры горения и удаление его из котла. Поэтому нужно подать столько воздуха, сколько нужно, чтобы топливо сгорело полностью.
Если воздуха подать больше, чем требуется для сжигания топлива, то излишек воздуха не вступит в реакцию и будет рассеян в атмосферу. В этом случае тратятся ресурсы на подачу избыточного воздуха, его нагрев до температуры горения, при котором расходуется тепловая энергия (произведенная котлом), и дальнейший его выброс в атмосферу. Чем больше “лишнего”, т.е. не участвующего в горении воздуха, подать в котёл, тем больше энергии будет потрачено бесполезно.
Таким образом, поддержание оптимального (не больше и не меньше чем надо) соотношения топлива и воздуха - это ключевой фактор для создания самого экономного режима горения. На практике условия горения никогда не бывают идеальными из-за недостаточного перемешивания воздуха и топлива в топке котла, и по другим причинам. Для этого воздух подают с запасом - немного больше чем нужно, что гарантирует сжигание всего топлива. Т.е. количество воздуха, подаваемого в топку, всегда превышает необходимое количество, и это превышение характеризуется коэффициентом избытка воздуха, в странах СНГ обозначаемым “альфа” (“лямбда” в странах Запада). Коэффициент избытка воздуха измеряется в долях. Избыток воздуха в 7% соответствует Коэффициенту избытка воздуха 1,07.
Эффективность и экономия
Избыток воздуха необходим для полного сгорания топлива. Но чрезмерный избыток воздуха (примерно более 15%) требует излишних затрат энергии, т.е. снижает эффективность котла - его Коэффициент Полезного Действия (КПД). КПД котла - это мера эффективности его работы, которая показывает, насколько получаемое количество энергии (в виде горячей воды или пара) меньше, чем затраченное при сгорании топлива. КПД котлов в среднем составляет около 90%. Высокий КПД означает, что затраченная энергия (т.е. топливо) используется с большей пользой.
Поскольку при избытке воздуха происходит потеря энергии, то соотношение топливо-воздух прямо влияет на КПД котла. Можно привести обобщённые цифры, основанные на результатах наладочных испытаний котлов, которые говорят, что снижение избытка воздуха с 30% до 15% ведёт к увеличению КПД котла примерно на 3%. Другими словами, в результате оптимизации горения количество затраченной энергии уменьшится. Если количество затраченной энергии уменьшится на 3%, то и топлива для производства этой энергии потребуется меньше на те же 3%. Точные цифры зависят от конкретного оборудования, но принцип остаётся: поддержание оптимального режима горения ведёт к экономии топлива.
Насколько существенным является экономия 3% топлива?
Попробуем ответить на этот вопрос для котла ДКВР-10-13 при номинальной нагрузке. Котёл ДКВР-10-13 - это сравнительно небольшой промышленный котёл для производства пара, устанавливаемый в котельных предприятий и коммунальных хозяйств.
Номинальный расход газа для данного котла, согласно данным производителя: 740 м3/ч.
С помощью снижения избытка воздуха с 30% до 15% ориентировочная экономия топлива: 3%.
Тогда экономия топлива в кубометрах равна (3% от 740 м3/ч): 22,2 м3/ч.
Отпускная цена на природный газ в 2024 году: 438,35 руб. за 1000 м3.
Отсюда легко определить, что часовая экономия в денежном выражении составит: 9,73 руб. в час.
Годовая экономия будет зависеть от количества часов работы котла за год. Если котёл работает 5000 часов в году, что является невысоким для промышленных котельных (бывает и 8000 часов), то экономия составит: 48 657 руб. в год.
Как это сделать?
Почему же избыток воздуха не оптимален с самого начала, и требует регулярного контроля и подстройки?Ответ: он оптимален с самого начала. Но мы находимся не в начале. Мы находимся в середине.
В начале эксплуатации котла производятся пуско-наладочные работы, при которых, безусловно, определяются и оптимизируются все параметры котла, включая и коэффициент избытка воздуха при разных нагрузках. Определяется точное соотношение давления воздуха и газа на горелках котла, при котором создаётся оптимальный коэффициент избытка воздуха в топке. Далее в процессе работы котла регулярно производятся режимно-наладочные испытания, при которых также определяются и оптимизируются все параметры котла. Однако в период между данными работами внешние факторы не остаются постоянными. Температура, давление, скорость и влажность окружающего воздуха, также как и топлива, постоянно изменяются. Также изменяется и сам котёл: увеличиваются присосы воздуха, поскольку при работе котла всегда изменяется плотность его обшивки, даже если на котле не производилось никаких ремонтно-восстановительных работ. Тем более если такие работы проводились. В процессе эксплуатации котла может меняться и его оборудование. Все эти факторы могут приводить к тому, что коэффициент избытка воздуха со временем увеличивается. Как было рассмотрено выше, вслед за этим увеличивается и расход топлива.
Таким образом, чтобы расход топлива не увеличивался в процессе эксплуатации котла, необходимо поддерживать оптимальный избыток воздуха, подаваемого в топку котла, определённый при наладке и внесенный в режимную карту котла. При этом важно руководствоваться не столько давлением воздуха и топлива на горелках, сколько непосредственно замеряемым значением избытка воздуха в котле. Делать это не трудно. Контроль избытка воздуха - это несложная операция, которая под силу эксплуатационным службам с помощью портативного газоанализатора, измеряющего количество остаточного кислорода и окиси углерода в дымовых газах. По данным показателям прибор автоматически рассчитает и покажет коэффициент избытка воздуха в топке (в %). Идеальным прибором для этой цели является газоанализатор testo 310, используемый в Беларуси уже много лет. Testo 310 - это недорогой компактный прибор, который имеет встроенный зонд длиной 180мм и простую систему управления. Зонд вводится в предусмотренное пробоотборное отверстие, и коэффициент избытка воздуха отображается на дисплее прибора. Если “альфа” отклоняется от режимного значения, нужно оперативно уменьшить или увеличить подачу воздуха на горение и сразу проконтролировать результат. Регулярный контроль и поддержание избытка воздуха соответственно режимной карте котла позволит эксплуатировать котёл с максимальным КПД и экономить значительные суммы на закупку топлива для котлов. Если экономия составляет 9,73 руб. в час, то газоанализатор testo 310 окупится приблизительно за 20 дней.
Кроме testo 310, выпускаются и более сложные газоанализаторы, которые, кроме контроля режима горения, используются для контроля экологических параметров котлов, турбин, дизельных двигателей и промышленных печей, а также для их наладки и точного определения КПД. Линейка газоанализаторов Testo включает 4 прибора (в порядке возрастания сложности и стоимости): testo 310, testo 300, testo 340 и testo 350. Все они поставляются предприятиям Беларуси в течение многих лет.