بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
افزايش راندمان احتراق در بويلرهاي نيروگاهي از طريق تنظيم هواي اضافي
چکيده
بررسي عملکرد احتراق در بويلرهاي نيروگاهي يکي از مباحث مهم در تعيين تلفات انرژي خروجي از دودکش يک نيروگاه حرارتي مي باشد. عوامل موثر در وضعيت عملکرد احتراق در بويلرها متاثر از پارامترهاي متعددي مـي باشـد کـه در ايـن مقاله ، مورد بحث و بررسي قرار مي گيرد. در اين تحقيق در ابتدا به عملکـرد احتـراق در يـک بـويلر نيروگـاهي در قالـب محاسبات مربوط به موازنه هاي انرژي و مواد در واکنشها و ميزان هواي مورد نيـاز احتـراق در شـرايط ايـده ال و واقعـي پرداخته مي شود. پس از آن به اختصار به وضعيت موجود احتراق در بويلرهاي نيروگاههاي کـشوراز نظـر تنظـيم هـواي مورد نياز احتراق اشار مي گردد. بررسي تلفات انرژي در بويلرهاي نيروگاهي به ويژه تلفات ناشي از عـدم تنظـيم نـسبت هوا به سوخت از مهمترين مباحثي است که در اين مقاله مطرح مي شود. در انتهـا راهکارهـاي مناسـب بمنظـور کـاهش تلفات انرژي از دودکش از طريق تعيين شرايط بهينه احتراق در بويلر ارائه مي گردد.
واژه هاي کليدي : احتراق ، بويلر، تلفات انرژي ، نيروگاه ، دودکش .
۱- مقدمه
امروزه بيش از ۹۵% انرژي مصرفي جهان از راه احتراق فراهم مي شود. با وجود پژوهشهاي روز افزون بـراي دسـتيابي بـه انرژيهاي جانشين ، اما در سده هاي آينده نيز احتراق ، به ويژه در نيروگاههـاي حرارتـي کـه يکـي از منـابع مهـم توليـد انـرژي الکتريکي در جهان مي باشد، اهميت خود را حفظ خواهد کرد.
از آنجا که ذخيره سوختهاي فسيلي رو به اتمام است اين سوختها پيوسته گرانتر مي شوند و ناگزير مي بايستي بـه منـابع ديگري روي آورد که دسترسي به آنها دشوارتر است . از اين رو انجام فرايند احتراق با بازدهي هر چه بيشتر از اهميـت ويـژه اي بر خوردار مي گردد. بنا براين ملاحظه مي گرددکه بررسي فرايندهاي احتراق يک موضوع مهم و گسترش يافته علمـي اسـت و پيشرفت تکنولوژي در دهه گذشته بازتاب اين حقيقت بوده است . پديده هاي احتراق ، از تاثير فراينـدهاي شـيميايي و فيزيکـي ناشي مي شوند، به طوري که کاربردهاي آن از دامنه دانشهاي فيزيک و شيمي فراتـر رفتـه و دانـشهاي کـاربردي ديگـر ماننـد آئروديناميک و مهندسي مکانيک را در بر مي گيرد. فرايندهاي فيزيکي که در احتراق ديده مي شوند در اساس آنهـايي هـستند که از انتقال جرم وانرژي پديد مي آيند. گرما رسانايي ، پخش گونه هاي شيميايي ، و جريان توده اي گازها همگي پيامدهاي آزاد شدن انرژي شيميايي در يک واکنش گرماي زاي مي باشد و از برهمکنش اين فرايند هاست که پديـده احتـراق بـه وجـود مـي آيند [١].
از طرفي يکي از سيالاتي که به مقدار زيادي در نيروگاهها و ديگر صنايع براي انتقال انرژي حاصل از احتراق به تـوربين از آن استفاده مي شود، بخار است . نيروگاهها از جمله صنايعي هستند که به طور وسيعي از بخار استفاده مي کنند. طبق گـزارش
۱- مربي پژوهش
انجمن بازيافت انرژي آمريکا، در اين کشور در سال ۱۹۹۵ مجموعا ۱۰۱۵*۱۶.۵۵ بي تي يو انرژي به صورت گرم کـردن ، توليـد توان و الکتريسيته مصرف شده که از اين مقدار دو سوم آن صرف توليد بخار شده است که معادل ۱۰۱۵*۹.۳۴ بي تـي يـو مـي باشد. باتوجه به پر هزينه بودن توليد بخار و ارزش اقتصادي آن از حيث انرژي ، بهينـه سـازي عملکـرد بـويلر در توليـد بخـار از مواردي است که در بحث بازيافت و صرفه جويي انرژي در الويت بررسي قرار دارد. از آنجايي که يکي از مهمترين تجهيزاتي کـه در شبکه توليد بخار در اکثر صنايع از جمله نيروگاهها مورد استفاده قرار مي گيرد، بويلرها هستند، بررسي و تحليل و همچنين بهينه سازي عملکرد احتراق آنها از اهميت ويژه اي بر خوردار مي باشد[۶].
۲- احتراق در محفظه کوره بويلر
احتراق يک سوخت ،تبديل شيميايي سوخت به محصولات احتراق همراه با آزاد سـازي انـرژي حرارتـي ناشـي از آن مـي باشد. اجزاي محترقه يک سوخت گازي يا مايع ، مثل کربن ، هيدروژن ، گوگرد و نيتروژن توسط واکنشهاي شـيميايي گرمـازا بـا اکسيژن هواي احتراق در مي آميزند. محصولات احتراق شامل گازهاي دوکش و باقيمانده هاي جامد از احتراق سوختهاي مـايع و جامد مي باشند. گازهاي دودکش حاوي ترکيبات آلوده کنند زيان آور مثل اکـسيدهاي گـوگرد، اکـسيدهاي نيتـروژن ، منـو اکسيد کربن ، دي اکسيد کربن و بخار آب هستند. که البته بخار آب نيز از جمله گازهاي آلوده کننـده و زيـان آور بـشمار نمـي رود. معادلات استوکيومتري تشريح ساده اي از واکنشهاي احتراق کامل اجزاي قابل احتراق سوخت با اکسيژن را بهمراه موازنـه مواد و واکنشها بر مبناي مولي يا جرمي ارائه مي کنند. شکل (۱) شماي کلي از فرايند احتراق را نشان مي دهد.
شکل ۱- شماي کلي از فرايند احتراق
واکنش اکسيداسيون کربن با اکسيژن به دي اکسيد کربن عبارت است از:
به طور مشابه براي احتراق هيدروژن نيز داريم :
به طور مشابه داريم :
سوختهاي گازي حـاوي اجـزاي قابـل احتـراق از قبيـل CH4 ,CO , H2 ,CnHm شـامل C2H6 , C3H8 , C4H10 هـستند.
معادلات استو کيومتري براي احتراق سوختهاي گازي بر مبناي مولي نوشته مي شوند. راحتر اين است که ۱۰۰ مول از سوخت در نظر گرفته شود. سپس تعداد مولهاي واکنش گرما و محصولات ، به ترتيب برابر با درصد حجمي اجزاي سوخت و محـصولات احتراق هستند.
معادلات استوکيومتري زير بر مبناي مولي را براي احتراق هيدروژن ، منواکسيد کربن ، متان و هيدرو کربنهاي بـالاتر مـي توان نوشت :
- هواي تئوري لازم :
مقدار حداقل هواي لازم براي احتراق کامل يک واحد جرم سوخت ، هواي تئوري يا هواي استوکيومتري است . اين هـوا را مي توان بر اساس جرم يا مول محاسبه کرد. مبناي جرم براي سوختهاي جامد و مايع و مبنـاي مـولي بـراي سـوختهاي گـازي ترجيح داده مي شوند. نسبت جرم هواي احتراق به جرم سوخت ، نسبت هوا به سوخت ناميده مي شود:
بر مبناي روابط استو کيومتري - يعني معادلات (۱) و (۲) و (۳) نسبت هوا به سوخت تئوري بر حسب kg هـواي خـشک برkg سوخت به صورت زير داده مي شود:
که در آن O,S,H,C کسرهاي جرمي در تجزيه و تحليل نهايي سوخت جامد يا مايع هستند.حجم تئوري هـواي خـشک
لازم براي سوزاندن ۱kg سوخت جامد يا مايع عبارت است از :
که در آن щ دانسيته هوا در شرايط استاندارد (C ٠ , kPa ١٠١.٣ ) و برابر با ۱.۲۹۳kg.m3 است . تعداد مولهاي تئوري
اکسيژن لازم براي احتراق کامل ۱۰۰ مول سوخت گازي از معادله استوکيومتري داده شده در بالا محاسبه مي شود و با ضرب در نسبت ۴.۷۶=۲۱ — ۱۰۰ هواي تئوري لازم بدست مي آيد:
که در آن CO,H,CnHm,CH4,O2 به ترتيب کسر مولي هيدروژن ، منواکسيد کربن ، متان ، هيدروکربنهاي بالاتر، و اکـسيژن در سوخت گاز هستند. در شرايط استاندارد کسر (مول سوخت .مول هوا) برابربا کسر (حجم سوخت . حجم هوا) مي باشد.فـرض بر اين است که H2S در سوخت گاز موجود نيست .
- نسبت هواي اضافي :
براي رسيدن به احتراق کامل بايد يک مقدار هواي اضافي علاوه بر مقدار تئوري فراهم شود. نسبت هوا به سوخت واقعي AFa معمولا بر حسب نسبت هواي اضافي يا درصد هواي اضافي بيان مي گردد. از تقسيم نسبت هوا به سوخت واقعي AFa بر نسبت هوا به سوخت تئوري AFt (استوکيومتري )، نسبت هواي اضافي (ضريب رقيق بودن ) ф تعريف مي شود:
درصد هواي اضافي به صورت زير تعريف مي گردد:
نسبت هواي اضافي ф بستگي به مشخصه هاي سوخت ، طراحي کوره و نوع مشعل دارد. بنابراين ф براي سوخت گازي
۱.۱- ۱.۰۳ بوده در حالي که براي سوخت مايع بين ۱.۳ و ۱.۶ قرار دارد. در جايي که در محفظه هاي احتراق توربين گاز مي تواند حتي بالاتر(حدود ۴) باشد. نسبت هواي اضافي واقعي در يک کوره را مي توان از تجزيه و تحليل گاز دودکش آن تعيين کرد.
- هواي واقعي لازم :
نسبت هواي خشک به سوخت واقعي عبارت است از :
نسبت هواي تر به سوخت واقعي که بخار آب موجود در هواي اتمسفر در نظر گرفته مي شود برابر است با:
که در آن w نسبت رطوبت يا جرم بخار آب در واحد جرم هواي خشک است . حجم هواي خشک و مرطوب فراهم شده
براي کوره به صورت زير داده مي شود:
که در آن щ هوا و щ آب به ترتيب دانسيته هوا و بخار آب برابر با kg.۱.۲۹۳m3 و kg.۰.۸۰۴m3 در شرايط استاندارد مي باشد.نسبت هواي اضافي AFa.AFt در سوختهاي مايع و گازي به کار گرفته مي شود تا تفاوت بين مخلوطهاي سوخت و هواي
رقيق و غني مشخص شود . اگر اين نسبت کمتر از يک باشد، مخلوط غني و در غير اين صورت رقيق ناميده مي شود.
- محصولات احتراق :
محصولات احتراق کامل يک سوخت ، حاوي NO2,H2O,CO2,SO2,N2,O2 است . وقتي احتراق غير کامـل صـورت پـذيرد، گاز دودکش همچنين حاوي CO و هيدروکربنهاي نسوخته است . از معادلات استوکيومتري ، معادلات (۱) تا (۷) ، مقدار اجـزاي گاز دودکش را مي توان محاسبه کـرد. سـپس جـرم هـر جـز بـراي احتـراق کامـل يـک سـوخت جامـد يـا مـايع از معـادلات استوکيومتري يعني معادلات (۱) تا (۳) به دست مي آيد و سپس حجم از تقسيم جرم بـر دانـسيته حاصـل مـي شـود. جـرم و حجم اجزاي گاز دودکش براي احتراق استوکيومتري يک سوخت جامد يا مايع در جدول (١) آمده است . حجم کلـي نيتـروژن در گاز دودکش برابر است با:
حجم کلي بخار آب با در نظر گرفتن رطوبت هواي محيط برابر است با:
جدول (١) جرمها و حجمهاي اجزاي گاز دودکش براي احتراق استوکيومتري سوخت جامد و مايع
حجم اکسيژن در گاز دودکش برابر است با:
در اين جا ф نسبت هواي اضافي (ضريب رقيق بودن )، w نسبت رطوبت هواي احتراق برحسب (kg.kg) ، و Vaحجم
هواي واقعي براي هر kg سوخت است . تعداد مولهاي اجزاي گاز دودکش را نيز مي توان از تعداد مولهاي n عنصر N,O,S,H,C در هر kg سوخت از تجزيه و تحليل نهايي آناليز سوخت محاسبه کرد. موازنه مولي هر عنصر در سوخت و در گاز دودکش تعداد مولهاي گاز دودکش را مشخص مي نمايد.
حجم گازي زير (بر حسب m3.m3 سوخت گاز در شرايط استاندارد) در احتراق کامل سوخت گازي با هواي اضـافي (بـراي 1<ф ) تشکيل مي شود.[۵]
بنابراين حجم گاز تر دودکش از مجموع حجم تمام اين اجزا به دست مي آيد:
۳- وضعيت موجود احتراق در نيروگاهها
در تعدادي از نيروگاههاي قديمي هواي مورد نياز احتراق براي مصارف مختلف سوخت يا بعبارت ديگر براي توليد مگاواتهاي مختلف توسط منحني هايي که شرکت هاي سازنده براي تنظيم احتراق بويلر تهيه نموده اند، تعيين مي گردد. در اين منحني ها که از طرف شرکت سازنده ارائه مي گردد مقاديرغلظت اکسيژن گازهاي حاصل از احتراق نسبت به دامنه بار نيروگاه تعيين شده است . وظيفه اپراتوردر اينگونه نيروگاهها، تنظيم دستي فرمان باز و بست دمپرهاي دمنده هاي هواي ورودي به بويلر براساس تطابق مقادير اکسيژن موجود در گاز خروجي و منحني مشخصه مي باشد. در اينگونه سيستمها پس از گذشت زمان زيادي ، ازحساسيت و دقت سنسورهاي اکسيژن آنالايزرکاسته شده و مقدار صحيحي را نشان نمي دهد. علاوه بر اين بدليل کهنگي مشعلها و فرسايش ديگرعوامل مکانيکي موثر در بهبود شرايط احتراق ، منحني هاي توصيه شده از طرف شرکتهاي سازنده کارايي خود را نداشته و در نهايت شرايط وضعيتي را مقتضي مي نمايد که اپراتور مي بايستي بطور تجربي هواي مورد نياز احتراق را تنظيم نمايد. اين کار بسته به تجربه کاري بهره برداران از طريق مشاهده وضعيت شعله و دود خروجي از دودکش هاي نيروگاه انجام مي گيرد. در تعدادي ديگر از نيروگاهها، کنترل هواي مورد نياز احتراق از طريق مدار کنترل احتراق صورت مي پذيرد.
وظيفه سيستم کنترل احتراق ، تأمين بهينه هواي مورد نياز براي حداکثر بازدهي احتراق در بويلر مي باشد. سيگنال فرمان کنترلرحلقه احتراق توسط مدار اصلي سيگنال تقاضاي بار تعيين مي شود. کنترلر مربوطه با فرمان سيگنال بار و سيگنال مربوط به اکسيژن آنالايزر، سيگنال متناسب جهت تأمين اپتيمم هواي مورد نياز احتراق را صادر مي نمايد . خروجي حلقه کنترل اصلي نقطه کارحلقه داخلي را مشخص مي نمايد .اين سيگنال ، ميزان تقاضاي دبي هواي ورودي به کوره است و با سيگنال دبي هواي محاسبه شده ، مقايسه و تفاوت آن دو وارد کنترل کننده حلقه داخلي مي شود .
بدين ترتيب حلقه کنترل خارجي ، ميزان هواي مورد نياز را تعيين مي کند و سيگنال هواي خروجي از فن دمنده هـواي ورودي پس از تصحيح توسط کنترلر هواي اضافي ، باسيگنال هواي تئوري مقايسه و نهايتا هواي موردنياز بويلر بـراي احتـراق کامل با درصد هواي اضافي طراحي شده ، کنترل مي گردد. خروجي کنترل کننده ، پس از تبديل به فرمان نيوماتيک و توسط بازوهاي مکانيکي به دمنده هواي ميرا کننده (سمت راست و چپ ) همزمان اعمال مي شود .
همانطور که قبلا نيز ذکر گرديد بر اثر گذشت زمان ، سنسورهاي سيستمهاي اکسيژن آنالايزرحساسيت و دقت خود را از دست داده و سيگنالهاي ارسالي به کنترلر از مقادير واقعي منحرف شده وسيستم دچار خطا مي گردد.
در هر صورت در هنگاميکه تنظيم هواي مورد نياز احتراق بعللي دچار اشکــــال گــردد احتــراق بويلــر يــا بـ هـواي
کمتـــر از انــدازه يـــا با هواي بيش از اندازه انجام مي گيرد.
- احتراق با هواي بيش از اندازه :
آنچه مسلم است با ورود بيش ازحد هواي مورد نياز احتراق در کوره و علي رغم کامل شدن احتـراق (حـداقل تـشکيل )
