В системах отопления котлы играют важную роль в обеспечении тепловой энергией различных процессов. Горелка, являясь сердцем выработки тепла в котле, отвечает за создание пламени и обеспечение энергии сгорания. Правильный выбор горелки для котла не только повышает эффективность и снижает расход топлива, но и обеспечивает безопасность системы, срок службы оборудования и стабильную работу. Выбор горелки для котла — это процесс, включающий анализ типа котла, требуемой тепловой мощности и условий окружающей среды.
В данной статье с техническим и пошаговым подходом предпринимается попытка рассмотреть выбор горелки для котла. В первую очередь определяется тип котла, а затем тепловая мощность котла рассчитывается на основе входных и выходных данных. Далее определяется входная мощность горелки и, наконец, мощность горелки с учетом условий окружающей среды и их корректировки, чтобы обеспечить точный и научный выбор горелки для котла.
Определение типа котла
В первую очередь необходимо определить тип котла. Котлы обычно делятся на две категории: водогрейные котлы и паровые котлы.
Выбор горелки для котла зависит от его типа, поскольку каждая категория имеет свои технические характеристики и требует горелки, соответствующей конкретным условиям работы.
В водогрейных котлах, в зависимости от типа котла, вода нагревается от более низкой температуры (например, 60 °С) до более высокой температуры, необходимой потребителю. Например, для отопления бытовых зданий водогрейный котел должен нагревать воду до температуры, близкой к 80 °С. В котлах такого типа для расчета мощности необходимо знать массовый расход воды, рабочее давление котла, а также температуру воды на входе и выходе. Эти параметры также имеют решающее значение при выбор горелки для котла водогрейного типа.
В паровых котлах входная вода сначала поступает в деаэратор для удаления растворенных газов, таких как кислород и углекислый газ, и нагревается примерно до 100 °С. Затем эта вода поступает в котел и при определенном рабочем давлении достигает температуры насыщенной жидкости и, наконец, превращается в насыщенный пар. Поэтому для расчета мощности парового котла достаточно знать только рабочее давление котла и массовый расход воды. Здесь также выбор горелки для котла типа парового требует точности и внимания к этим параметрам.
Если котел перегретого (пересыщенного) типа, то насыщенный пар после выработки нагревается в пароперегревателе до более высокой температуры, требуемой потребителем. В этом случае для определения мощности котла, помимо рабочего давления котла и массового расхода воды, необходимо знать также температуру перегретого пара на выходе.
Расчет тепловой мощности котла Qboiler
Если тепловая нагрузка здания, завода или любого объекта, требующего отопления, известна, то это значение принимается в качестве мощности котла, и нет необходимости рассчитывать её. Однако, если мощность котла неизвестна, ее можно рассчитать по следующим формулам.
Для расчета мощности котла необходима следующая информация:
- Температура входящей воды
- Температура выходящей воды (для водогрейного котла) или парового (для парового котла с перегревом)
- Рабочее давление котла
- Массовый расход воды
С повышением температуры воды в котле увеличивается её энтальпия. Энтальпия — это мера количества тепловой энергии, запасенной в жидкости, и чем выше температура жидкости, тем больше ее энтальпия. Согласно первому закону термодинамики, количество тепла, которое получает вода в котле, равно разнице ее энтальпии в начальном и конечном состояниях. Эта количество, т.е. энергия, необходимая для нагрева жидкости, играет ключевую роль на выбор горелки для котла с подходящей тепловой мощностью.
![\[ Q = \dot{m} \cdot (h_2 - h_1) \]](https://raadmanburner.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-d839401fb61402c606700a21323e64c0_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Q: Тепло, отдаваемое воде
ṁ: Массовый расход воды
h1: Начальная энтальпия воды
h2: Конечная энтальпия (воды или пара)
Поэтому по мере нагревания воды, ее энтальпия увеличивается, и это увеличение эквивалентно количеству тепловой энергии, полученной от котла. Поэтому необходимо определить энтальпии воды на входе и выходе. Энтальпии в кДж/кг извлекаются из термодинамических таблиц таким образом, что по давлению котла (Pкотел) и температуре воды (T) определяется его энтальпия. Если вода находится в жидком или насыщенном парообразном состоянии, достаточно знать давление в котле.
h1 = h (Pboiler, T1)
h2 = h (Pboiler, T2)
В таблице ниже показана энтальпия жидкой и парообразной воды при некоторых давлениях и температурах.
| Жидкость | Температура (°С) | Давление (бар) | Энтальпия (кДж/кг) |
| Жидкая вода | 40 | 1 | 6/167 |
| Жидкая вода | 40 | 5 | 168 |
| Жидкая вода | 60 | 1 | 2/251 |
| Жидкая вода | 60 | 5 | 6/251 |
| Жидкая вода | 60 | 10 | 252 |
| Жидкая вода | 80 | 1 | 1/335 |
| Жидкая вода | 80 | 5 | 4/335 |
| Жидкая вода | 80 | 10 | 8/335 |
| Жидкая вода | 100 | 5 | 5/419 |
| Жидкая вода | 100 | 10 | 8/419 |
| Жидкая вода | 100 | 15 | 2/420 |
| Жидкая вода | 150 | 5 | 2/632 |
| Жидкая вода | 150 | 10 | 5/632 |
| Жидкая вода | 150 | 15 | 8/632 |
| Насыщенный пар | 6/99 | 1 | 9/2674 |
| Насыщенный пар | 8/151 | 5 | 1/2748 |
| Насыщенный пар | 180 | 10 | 2777 |
| Насыщенный пар | 3/198 | 15 | 2791 |
| Насыщенный пар | 4/212 | 20 | 2798 |
| Насыщенный пар | 234 | 30 | 2803 |
| Перегретый пар | 150 | 1 | 2777 |
| Перегретый пар | 200 | 5 | 2856 |
| Перегретый пар | 230 | 10 | 2898 |
| Перегретый пар | 250 | 15 | 2924 |
| Перегретый пар | 270 | 20 | 2953 |
| Перегретый пар | 280 | 25 | 2960 |
| Перегретый пар | 300 | 30 | 2994 |
Массовый расход воды обычно выражается в тоннах в час. Для перевода тонн в час (тонн/ч) в килограммы в секунду (кг/с) используется следующая формула.
ṁ [kg/s] = 0.2778 × ṁ [ton/hr]
Таким образом, вычислив энтальпии по термодинамическим таблицам и имея массовый расход воды, можно рассчитать мощность котла.
Qboiler [MW] = 0.001 × ṁ [kg/s] × (h2 – h1)
Расчет входной мощности горелки Qinput
Учитывая, что котлы не обладают 100% КПД, потребляемая горелкой мощность всегда будет больше тепловой мощности, необходимой потребителю. Фактически часть энергии, поступающей в котел, теряется из-за теплопотерь. Это можно выразить с помощью следующего соотношения:
![\[ Q_{input} = \frac{Q_{boiler}}{\eta_{boiler}} \times 100 \]](https://raadmanburner.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-ea7419350debc13104e760f895208064_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Qinput: Входная мощность горелки
Qboiler: Мощность котла
ηboiler: КПД котла
КПД неконденсационных котлов обычно составляет около 85% без экономайзера и 92% с экономайзером. КПД конденсационных котлов составляет около 95%. Поэтому при выбор горелки необходимо учитывать эти потери и рассчитывать потребляемую мощность горелки в зависимости от КПД котла.
Расчет мощности горелки с учетом условий окружающей среды Qburner
Для правильной работы горелки необходимо обеспечить правильное количество воздуха для горения. Воздух, необходимый для горения в горелке, подается вентилятором. Вентиляторы обычно способны обеспечивать постоянный объемный расход 
воздуха; другими словами, он подает определенный объем воздуха в горелку за единицу времени. Однако для того, чтобы горелка могла работать при постоянной теплотворной мощности, важно не только объемный расход, но и массовый расход воздуха 
. Для того чтобы горелка работала с постоянной мощностью, ее массовый расход воздуха должен быть постоянным.
Массовый расход возду — Это количество массы воздуха, проходящего за единицу времени, который рассчитывается по следующей формуле. Эти расчеты напрямую влияют на выбор горелки для котла, так как горелка должна иметь возможность работать в различных условиях окружающей среды.
![\[ \dot{m}_{air} = \dot{V}_{air} \times \rho_{air} \]](https://raadmanburner.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-0093ad41620e32f4492005089d348b1a_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
: Массовый расход воздуха в кг/с
: Расход воздуха в м^3/с
: Плотность воздуха в кг/м^3
В результате с уменьшением плотности воздуха в горелку необходимо подавать больший объем воздуха для поддержания ее тепловой мощности. Поэтому важно знать плотность воздуха в различных условиях окружающей среды. Воздух обычно рассматривается как идеальный газ, и его соотношение определяется следующим образом.
![\[ \rho = \frac{P}{RT} \]](https://raadmanburner.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-5a7d345438b7783ce5a2526afe8d5e69_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Плотность воздуха, давление воздуха (P), температура воздуха (T) и универсальная газовая постоянная (R) являются основными параметрами в этом уравнении. Согласно этому соотношению, плотность воздуха имеет прямую зависимость от давления и обратную зависимость от температуры. Поэтому с уменьшением давления и повышением температуры плотность воздуха уменьшается. С увеличением высоты над уровнем моря атмосферное давление уменьшается. Это снижение давления приводит к снижению плотности воздуха. Для расчета атмосферного давления в зависимости от высоты над уровнем моря используется следующее уравнение.
![\[ P_{atmosphere} \; [\text{bar}] = 1.01325 \times \left(1 - 2.25577 \times 10^{-5} \times \text{Altitude} \right)^{5.25588} \]](https://raadmanburner.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-f3af88b00b0bffc62f86255fb553c598_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Patmosphere : Давление окружающей среды в барах
Altitude : Высота над уровнем моря в метрах
Для температуры можно использовать соотношение идеального газа и рассчитать плотность воздуха при различных температурах. Таким образом, чтобы горелка могла работать при постоянной мощности в различных условиях окружающей среды, её мощность должна быть скорректирована в зависимости от условий окружающей среды. Условиями окружающей среды, используемыми в качестве эталонных для горелок, являются температура 20°C и давление 1,325/0,013 бар. Поэтому для мощности горелки определяется коэффициент коррекции, который обозначается как CF и имеет следующий вид:
![\[ CF = \frac{1.01325}{P_{atmosphere}} \times \frac{T_{atmosphere} + 273}{293} \]](https://raadmanburner.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-46e002a3c1f505e928e7ed5bd5f202fb_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Tatmosphere: Температура окружающей среды в C°
Patmosphere: Давление окружающей среды в барах
Таким образом, мощность горелки определяется по следующему уравнению:
![\[ Q_{burner} \; [\text{MW}] = Q_{input} \; [\text{MW}] \times CF \]](https://raadmanburner.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-eaab11f75b9e8518c484993d971b1bed_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Qinput: Номинальная мощность горелки при стандартных условиях (20°C и 1,01325 бар)
Qburner: Фактическая мощность горелки при условиях окружающей среды
CF: Коэффициент коррекции мощности
Например, при высоте или температуре окружающей среды выше эталонных условий плотность воздуха снижается. Поэтому поправочный коэффициент CF увеличивается, чтобы горелка могла обеспечить требуемую тепловую мощность. Это вдвойне важно при выбор горелки для котла, соответствующей географическому положению проекта.
Пример: Мощность горелки для водогрейного котла с расходом 10 тонн/час при давлении 5 бар, который нагревает воду с 60°C до 80°C, рассчитывается следующим образом. Высота над уровнем моря — 1000 м, температура воздуха — 40°C, КПД котла — 85% .
Преобразование массового расхода воды в килограммы в секунду:
ṁ = 0.2778 × 10 = 2.778 kg/s
Расчет энтальпий воды на входе и выходе из термодинамических таблиц:
h1= h (P=10 bar, T=60 C) = 251.7 kJ/kg
h2= h (P=10 bar, T=80 C) = 335.4 kJ/kg
Расчет тепловой мощности котла:
Qboiler =0.001 × ṁ (h2-h1) = 0.001× 2.778 ×(335.4-251.7) = 0.232 MW
Расчет входной мощности горелки на основе КПД котла:
Qinput = 100 × (Qboiler/ η boiler) = 100 × (0.232/ 85) = 0.274 MW
Рассчитайте давление окружающей среды на указанной высоте:
Patmosphere = 1.01325 × (1-2.25577×10-5×1000)5.25588 = 0.898 bar
Поправочный коэффициент мощности горелки в зависимости от условий окружающей среды:
![\[ CF = \frac{1.01325}{P_{atmosphere}} \times \frac{T_{atmosphere} + 273}{293} = \frac{1.01325}{0.898} \times \frac{40 + 273}{293} = 1.2 \]](https://raadmanburner.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-a044c358702d523496e9c8f28b164fbd_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Расчет мощности горелки:
Qinput = Qinput × CF = 0.274 × 1.2 = 0.329 MW
Согласно расчетам, фактическая мощность горелки для данного водогрейного котла в указанных климатических условиях составляет 0,329 МВт. На практике мощность горелки считается примерно на 20% выше входной мощности горелки, чтобы учитывать влияние температуры окружающей среды и высоты над уровнем моря.
Выбор горелки
После определения требуемой тепловой мощности следующим этапом является анализ используемого топлива, принципа работы и конструкции горелки. В зависимости от типа используемого топлива промышленная группа Rааdman производит горелки различных категорий, включая газовые, дизельные, комбинированные (газ/дизель), на тяжелом топливе, таком как мазут, а также горелки, использующие в качестве топлива водород или его смеси. Например, горелка R-Hydro является примером водородных горелок компании Rааdman.
После определения типа топлива горелки необходимо проверить ее принцип работы. По своему назначению горелки делятся на три основные категории:
- Одноступенчатые горелки: такие горелки имеют только два состояния — включено и выключено, и отличаются простой конструкцией.
- Многоступенчатые горелки: эти типы горелок могут работать на нескольких различных уровнях мощности, что позволяет лучше адаптироваться к изменяющейся потребности в тепле.
- Прогрессивные (модулируемые) горелки: в этих горелках выходная мощность регулируется в зависимости от текущих условий системы с помощью современных контроллеров. Среди таких контроллеров — Autoflame MK8 MM, который используется для одновременного управления котлом и горелкой. Благодаря непрерывному и точному регулированию, горелки такого типа обеспечивают высокую точность, гибкость и эффективность работы в различных условиях.
С точки зрения конструкции, горелки делятся на две группы: моноблочные и двухблочные. Точное понимание конструкции горелки является одним из эффективных факторов при выбор горелки для котла с подходящими параметрами эффективности и габаритов.
- Моноблочные горелки: в таких горелках, вентилятор и корпус горелки установлены как единое целое, что делает их особенно подходящими для ограниченных по пространству установок. Моноблочные горелки компании Rааdman выпускаются с тепловой мощностью до 22 МВт.
- Двухблочные горелки: в этом типе конструкции горелка и система подачи воздуха (вентилятор) располагаются отдельно. Вентилятор устанавливается на определенном расстоянии от корпуса горелки, а воздух для горения направляется в горелку через воздушный канал (дакт). Такая конструкция делает двухблочные горелки подходящим вариантом для применений с высокой теплопроизводительностью. Используя эту технологию, промышленная группа Rааdman проектирует и производит двухблочные горелки мощностью до 60 МВт.
График производительности горелки
Каждая горелка имеет свой собственный график производительности, который отражает её способность обеспечивать необходимую тепловую мощность при различном падении давления в системе. Горизонтальная ось такого графика показывает мощность горелки в стандартных условиях (температура 20 °C и давление 1,01325 бар), а вертикальная ось отображает давление в котле. Точный выбор горелки для котла нуждается определение давление в котле.
Затем на графике производительности горелки проводится горизонтальная линия, соответствующая заданному значению давления. Точка пересечения этой линии с вертикальной линией, соответствующей требуемой мощности горелки, указывает на рабочую точку горелки. Если эта точка попадает в диапазон графика производительности, горелка сможет обеспечить требуемую мощность при данном давлении в котле. Если точка пересечения находится вне допустимой зоны, выбранная горелка не сможет работать в таких условиях, и необходимо выбрать горелку с большей мощностью.
Например, если горелка должна обеспечивать 20 МВт тепловой энергии при давлении в котле 15 мбар, то на основании график производительности горелки RLGB—M/M-2250, рабочая точка определяется как точка А. Учитывая, что точка А расположена внутри абочей зоны графика, данная горелка может хорошо работать в этой рабочей точке, и выбор горелки для котла считается корректным.
Заключительные слова: оптимальный выбор горелки для котла
В данной статье был рассмотрен выбор горелки для котла с использованием инженерного и пошагового подхода. Сначала был определен тип котла, затем с учетом термодинамических параметров и рабочих условий, были рассчитаны тепловая мощность котла и необходимая мощность горелки. Далее, с учётом таких факторов, как температура и высота установки над уровнем моря, была определена фактическая мощность горелки. На заключительном этапе, исходя из полученной мощности, в качестве надёжного и эффективного варианта были предложены горелки, производимые промышленной группой «Raadman».
Одним из ключевых инструментов для оценки производительности этих горелок являются их графики, которые чётко показывают взаимосвязь между давлением в котле и тепловой мощностью горелки. Эти графики позволяют проверить совместимость горелки с потребностями системы и дают возможность инженерам выбрать наиболее подходящую модель с учетом эксплуатационных условий.
Горелки «Rааdman» отвечают разнообразным потребностям отрасли благодаря своей передовой конструкции, технологии сжигания с низким уровнем выбросов, возможностям интеллектуальной регулировки и широкому диапазону мощностей.
