Руководство по выбору подходящей горелки для промышленных котлов

В системах отопления котлы играют ключевую роль в обеспечении тепловой энергии для различных технологических процессов. Горелка, как сердце теплогенерации в котле, отвечает за создание пламени и подачу энергии сгорания.
Правильный выбор горелки для котла не только повышает КПД и снижает расход топлива, но и гарантирует безопасность системы, увеличивает срок службы оборудования и обеспечивает его стабильную работу.
Процесс подбора подходящей горелки — это технический анализ, основанный на типе котла, требуемой тепловой мощности и условиях эксплуатации.
В этой статье шаг за шагом рассматривается технический подход к правильному выбору горелки. Сначала определяется тип котла, затем рассчитывается его тепловая мощность на основе входных и выходных параметров. После этого определяется требуемая тепловая мощность горелки с учетом условий окружающей среды и вносятся корректировки.

🔧 Определение типа котла
Прежде всего, необходимо определить тип котла. Котлы обычно делятся на два типа: • Водогрейные котлы (Hot Water Boiler) • Паровые котлы (Steam Boiler)
Выбор горелки напрямую зависит от типа котла, поскольку каждый из них имеет свои технические особенности и требует горелки, соответствующей рабочим условиям.

♨️ Водогрейные котлы
В таких котлах вода нагревается от низкой температуры (например, 60 °C) до более высокой, необходимой для потребителя.Например, для отопления жилых зданий вода должна быть нагрета до ~80 °C.
Для расчета мощности водогрейного котла необходимы следующие параметры: • массовый расход воды (дебит), • рабочее давление котла, • температура на входе и выходе.
Эти параметры также критически важны при подборе подходящей горелки.

 Паровые котлы
В паровых котлах вода сначала проходит процесс дегазации (удаление кислорода и CO₂) в деаэраторе и нагревается до ~100 °C. Затем вода поступает в котел, где при заданном рабочем давлении превращается в насыщенную жидкость, а затем — в насыщенный пар.
Для расчета мощности парового котла достаточно знать: • рабочее давление, • массовый расход воды.
Выбор горелки для парового котла также требует особого внимания к этим параметрам.

Паровые котлы с перегревом пара (Суперподогрев)
Если котёл относится к типу с перегревом пара (superheated steam), то после образования насыщенного пара он дополнительно нагревается в суперподогревателе до температуры, требуемой потребителем.
В этом случае, для определения тепловой мощности котла, кроме рабочего давления и массового расхода воды, необходимо также знать температуру перегретого пара на выходе.

🧮 Расчёт тепловой мощности котла — Qboiler
Если известна тепловая нагрузка здания, завода или любого другого объекта, требующего отопления, то она принимается как мощность котла, и дополнительный расчёт не требуется.
Однако при отсутствии этой информации мощность котла можно определить по следующим исходным данным:
Необходимые параметры: 

• 🌡 Температура воды на входе 

• 🌡 Температура воды на выходе (для водогрейного котла) или пара (для парового с перегревом) 

• ⚙ Рабочее давление котла 

• 💧 Массовый расход воды (ṁ)

🔬 Энтальпия и её значение
При нагревании воды в котле её энтальпия (h) увеличивается.Энтальпия — это мера тепловой энергии, накопленной в жидкости. Чем выше температура, тем выше энтальпия.
Согласно первому закону термодинамики, количество теплоты, полученной водой, определяется как разность между начальными и конечными значениями энтальпии:
📐 Формула:
Q = ṁ × (h₂ – h₁)
где: • Q — тепловая энергия, поданная воде (в кДж/ч или кВт) • ṁ — массовый расход воды (кг/ч) • h₁ — начальная энтальпия (на входе) • h₂ — конечная энтальпия (на выходе)

📊 Определение энтальпии по таблицам
Энтальпию воды или пара можно определить из термодинамических таблиц при заданных: • давлении котла (Pboiler) • температуре воды или пара (T)
Если вода находится в жидком или насыщенном паровом состоянии, то одного давления достаточно для определения h.
Формулы: • h₁ = h(Pboiler, T₁) • h₂ = h(Pboiler, T₂)
В таблицах обычно приводятся значения энтальпии для различных сочетаний давления и температуры.

В таблице ниже показана энтальпия жидкой и парообразной воды при некоторых давлениях и температурах.

🔄 Преобразование массового расхода воды
Массовый расход воды часто указывается в тоннах в час (ton/hr).Для преобразования в килограммы в секунду (kg/s) используется следующая формула:
ṁ [kg/s] = 0.2778 × ṁ [ton/hr]

🔥 Расчёт тепловой мощности котла (Qboiler)
После определения энтальпии (h₁ и h₂) по термодинамическим таблицам и массового расхода воды, можно рассчитать тепловую мощность котла:
Qboiler [MW] = 0.001 × ṁ [kg/s] × (h₂ – h₁)

💡 Расчёт необходимой мощности горелки (Qinput)
КПД (η) любого котла меньше 100%, поэтому реальная подводимая мощность на горелке всегда больше, чем требуемая тепловая мощность потребителя. Это связано с тепловыми потерями.
Qinput = Qboiler / ηboiler
Примерные значения КПД: • Обычные (неконденсационные) котлы: • ≈ 85% без экономайзера • ≈ 92% с экономайзером • Конденсационные котлы: • до 95%
При выборе горелки следует учитывать потери и рассчитывать её мощность с поправкой на КПД котла.

🌬️ Расчёт тепловой мощности горелки с учётом условий окружающей среды (Qburner)
Для стабильной работы горелки требуется точная подача воздуха для горения. Воздух подаётся вентилятором, который обычно обеспечивает постоянный объёмный расход воздуха (м³/ч).Но для поддержания тепловой мощности важен массовый, а не объёмный расход воздуха.

Формула для массового расхода воздуха:
ṁair [kg/s] = V̇air [m³/s] × ρair [kg/m³]
где: • ṁair — массовый расход воздуха • V̇air — объёмный расход воздуха • ρair — плотность воздуха

📉 Влияние плотности воздуха
С уменьшением плотности воздуха необходимо увеличивать его объёмную подачу, чтобы поддерживать заданную тепловую мощность.

🧪 Плотность воздуха как идеального газа
Плотность воздуха определяется по уравнению идеального газа:
ρ = (P × M) / (R × T)
где: • ρ — плотность воздуха • P — давление • T — температура (в Кельвинах) • R — универсальная газовая постоянная • M — молярная масса воздуха
📉 Плотность уменьшается при: • росте температуры • снижении давления

⛰️ Влияние высоты над уровнем моря
С увеличением высоты: • Атмосферное давление (Patm) уменьшается • Плотность воздуха падает→ Это влияет на эффективность работы горелки.

📉 График давления воздуха в зависимости от высоты над уровнем моря
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}
где: 

• T_{atmosphere}: Температура окружающей среды в °C 

• P_{atmosphere}: Давление окружающей среды в барах

Таким образом, мощность горелки определяется по следующему уравнению:
Q_{burner} [MW] = Q_{input} [MW] \times CF
где: 

• Q_{input}: Номинальная мощность горелки при стандартных условиях (20 °C и 1.01325 бар) 

• Q_{burner}: 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/kgh₂= h (P=10 bar, T=80 C) = 335.4 kJ/kg

Расчет тепловой мощности котла:Q_boiler =0.001 × ṁ (h₂-h₁) = 0.001× 2.778 ×(335.4-251.7) = 0.232 MW

Расчет входной мощности горелки на основе КПД котла:Q_input = 100 × (Q_boiler/ η _boiler) = 100 × (0.232/ 85) = 0.274 MW

Рассчитайте давление окружающей среды на указанной высоте:P_atmosphere = 1.01325 × (1-2.25577×10^-5×1000)^5.25588 = 0.898 bar

Поправочный коэффициент мощности горелки в зависимости от условий окружающей среды: Расчет мощности горелки:Q_input = Q_input × CF = 0.274 × 1.2 = 0.329 MWСогласно 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.

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.