В связи с высокими темпами развития мировой экономики потребность в тепловой и электрической энергии неизбежно возрастает. Изданный Правительством Российской Федерации документ «Энергетическая стратегия России на период до 2030 г.» от от 13 ноября 2009 г., ставит перед собой цель – создание инновационного и эффективного энергетического сектора страны. Вместе с тем важной проблемой является неэффективное использование отбросных газов нефтепереработки. На предприятиях нефтяной промышленности в качестве основного топлива используется смесь углеводородов с достаточно высокой теплотой сгорания, так называемый топливный газ. В то же время, отбросной газ, например отдувочный газ процессов нефтепереработки, содержащий кроме горючих компонентов высокое количество балластных примесей, практически выбрасывается в атмосферу [1]. Как следствие актуальной становиться проблема использования композиционных топлив: смеси основного топлива с отбросным газом.
В отличие от природного газа, компонентный состав попутного нефтяного газа может сильно различаться в разные периоды времени на одном и том же нефтяном месторождении [2]. Сжигание смесей представляет большие сложности как с позиции проектирования топочных камер и топливосжигающих устройств, так и проведения пуско-наладочных работ и режимно - наладочных испытаний энергетического оборудования. Расчеты процессов горения становятся более трудоемкими, а в некоторых случаях менее точными. Применение расчетных таблиц для обработки теплотехнических испытаний котлов и печей, сжигающих композитные топлива, приводит к существенным неточностям в определении КПД.
В последние годы широкое распространение при теплотехнических испытаниях котлов получила методика, разработанная проф. М. Б. Равичем [3]. В отличии от методики описанной в источнике [4], здесь не требуется выполнять трудоемкие работы по определению состава и теплоты сгорания топлива, облегчается обработка результатов испытаний.
Для исследования эффективности и безопасности процессов сжигания композиционного топлива рассмотрена смесь топливного и отдувочного газов в различных соотношениях. Проведен пересчет состава и теплоты сгорания для смеси, а так же построен график зависимости теплоты сгорания топлива от соотношения в его составе топливного и отдувочного газов (рисунок 1).
Рисунок 1 График зависимости теплоты сгорания топлива от соотношения в его составе топливного и отдувочного газов.
Анализ значений теплоты сгорания показывает значительные изменения в составе топливной смеси, так теплота сгорания меняется от 21,425 до 5,796 МДж/м3, т.е. в несколько раз.
Количество продуктов сгорания определяется по известному составу топлива с использованием нормативного метода расчета[4]. Теоретический объем воздуха, необходимого для полного сгорания единицы топлива рассчитывается по формуле (1):
, (1)
где m - число атомов углерода;
n - число атомов водорода.
Теоретический объем азота в продуктах сгорания по формуле (2)
, (2)
Теоретический объем водяных паров при сжигании газового топлива рассчитывается по формуле (3):
, (3)
Объем трехатомных газов рассчитывается по формуле (4):
, (4)
Для того что бы наглядно проанализировать изменение объема продуктов сгорания в зависимости от соотношения газов в составе топлива построены графики, отображенные на рисунке 2.
Рисунок 2 График зависимости объемов продуктов сгорания топливной смеси от соотношения в её составе топливного и отдувочного газов.
Определив состав продуктов сгорания, можно установить обобщенные характеристики продуктов сгорания смеси газов (tmax – жаропроизводительность,P –максимальное теплосодержаниесухих продуктов горения, R-максиальное теплосодержание влажных продуктов горения, В - соотношение объёмов сухих и влажных продуктов полного сгорания). Они подвергаются незначительным колебаниям при изменении состава топлива и его теплоты сгорания.
Обобщённые теплотехнические характеристики топливных смесей определяются в соответствии с методикой М.Б. Равича [3] по формулам (5-10):
соотношение объёмов сухих и влажных продуктов полного сгорания, м3/м3:
(5)
где VRO2, VO.N2, VO.H2O– теоретические объёмы продуктов сгорания, м3/м3
жаропроизводительность, т.е. максимальная температура горения, развиваемая при полном сгорании топлива без избытка воздуха и предварительного нагрева топлива и воздуха, °С:
(6)
где сСO2, сSO2, сH2O, сN2– средние объёмные удельные теплоёмкости диоксида углерода, сернистого газа, водяного пара и азота соответственно в температурном диапазоне от 0°С до tmax, кДж/(м3·град.);
удельная энтальпия сухих (hс.г) и влажных продуктовсгорания (hг), кДж/м3:
; (7)
где Qi– низшая теплота сгорания газообразного топлива, кДж/м3;
максимальная объёмная доля углекислого газа в сухих продуктах сгорания, водяных паров в сухих и влажных продуктах сгорания, %:
(8)
(9)
(10)
В результате составлена новая расчетная таблица обобщенных характеристик продуктов сгорания смеси топливного и отдувочного газов в различных соотношениях (таблица 1).
ТАБЛИЦА 1 Теплотехнические характеристики композиционного топлива
Соотношение газов |
Технические характеристики |
||||
Топливный газ |
Отдувочный газ |
Жаропроизводительность tmax, °С |
Максимальное теплосодержание 1нм3сухихпродуктов горения, Р, кДж/нм3 |
Максиальное теплосодержание 1нм3 влажных продуктов горения, R, кДж/нм3 |
Отношение объемов сухих и влажных продуктов горения, В |
1 |
0 |
1743,94 |
4749,21 |
3572,29 |
0,752 |
0,9 |
0,1 |
1719,86 |
4673,22 |
3522,532 |
0,754 |
0,8 |
0,2 |
1699,84 |
4607,03 |
3480,99 |
0,755 |
0,7 |
0,3 |
1676,68 |
4530,89 |
3432,97 |
0,758 |
0,6 |
0,4 |
1649,58 |
4442,39 |
3376,80 |
0,760 |
0,5 |
0,5 |
1617,45 |
4338,22 |
3310,23 |
0,763 |
0,4 |
0,6 |
1578,74 |
4213,84 |
3230,08 |
0,766 |
0,3 |
0,7 |
1531,20 |
4062,74 |
3131,70 |
0,771 |
0,2 |
0,8 |
1471,42 |
3875,26 |
3008,09 |
0,776 |
0,1 |
0,9 |
1393,98 |
3636,46 |
2848,13 |
0,783 |
0 |
1 |
1289,65 |
3321,85 |
2632,92 |
0,793 |
На рисунках 3 и 4 отображены графические зависимости теплотехнических характеристик от соотношения в его составе топливного и отдувочного газов:
Рисунок 3 графические зависимости теплотехнических характеристик (tmax, P,R)отсоотношения в его составе топливного и отдувочного газов.
Рисунок 4 графические зависимости отношения объемов сухих и влажных продуктов горения отсоотношения в его составе топливного и отдувочного газов.
Далее можно рассчитать потери теплоты с уходящими газами (q2) и теплоты вследствие химической неполноты сгорания (q3).
Таким образом, в связи с непостоянным составом топливных смесей и с их значительными отличиями от традиционных видов топлива бала проведена корректировка действующих методик расчета в части создание новых таблиц применительно к топливным смесям и определения новых теплотехнических характеристик сжигаемых смесей на основе отбросных газов. Таким образом, становится возможным более точное определение КПД котельного агрегата по методу обратного баланса применительно к работе топливосжигающего оборудования.
Список литературы
Малкова, И. Факел на 1,3 млрд $//Газета «Ведомости»:№49, 2013г.
Филипов, А.В. Компонентный состав попутного нефтяного газа//Журнал «Neftegas.RU»:№10, 2013г.
Равич, М.Б. Упрощенная методика теплотехнических расчетов. - М., изд-во АН СССР, 1966. — 407 с.
Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод) 3-е изд.. - СПб.: НПО ЦКТИ, 1998. - 256 с.