УСТРОЙСТВО ПОЛУЧЕНИЯ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ ЕДИНОЙ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ

2
Полезная модель относится к области систем газоснабжения, а именно, к устройствам получения газообразного топлива на автоматических газосмесительных системах, сооружаемым на газопроводах системы газоснабжения городов и населенных пунктов и предназначенных для обеспечения природными (газовых и нефтяных месторождений) газами и газовоздушными смесями с избыточным давлением не более 1,2 МПа (12 кгс/см) потребителей, использующих эти газы в качестве топлива.
Преимущественным видом применения полезной модели является использование в газоснабжении промышленных и коммунально-бытовых объектов.
Основной задачей устройств получения газовоздушной смеси является получение газовой смеси единой теплоты сгорания.
При использовании устройств получения газовоздушной смеси и решении данной задачи, то есть при получении на выходе газосмесительной станции газового топлива, обладающего стабильной теплотворной способностью, полученного путем смешения горючего газа и атмосферного воздуха, или газа и низкокалорийных искусственных газов:
- устраняется неполное сгорание газа в газогорелочных устройствах,
- стабилизируется режим работы газогорелочных устройств топок и котлов
- увеличивается эффективность работы газопотребляющих установок,
- уменьшается удельный расход газового топлива на единицу выпускаемой продукции.
В конечном счете, решение данной задачи позволяет увеличить экономичность всей конкретной системы газоснабжения, а также, за счет уменьшения выбрасываемых в атмосферу вредных веществ, улучшить экологическую обстановку.
Поскольку полезная модель относится к области устройств для получения газообразного топлива, а именно к созданию автоматической газосмесительной системы для получения смеси горючего газа с воздухом единой теплоты сгорания и может быть использовано на газопроводах системы газоснабжения городов и населенных пунктов, то следует иметь ввиду следующее:
Газопроводы системы газоснабжения в зависимости от давления транспортируемого газа подразделяются на (Газоснабжение СНиП 2.04.08-87, М. 2001):
2
2
2
- газопроводы высокого давления I категории - при рабочем давлении газа свыше 0,6 МПа (6 кгс/см) до 1,2 МПа (12 кгс/см) включительно для природного газа и газовоздушных смесей и до 1,6 МПа (16 кгс/см) для сжиженных углеводородных газов (СУГ);
2
2
- газопроводы высокого давления II категории - при рабочем давлении газа свыше 0,3 МПа (3 кгс/см) до 0,6 МПа (6 кгс/см);
2
2
- газопроводы среднего давления - при рабочем давлении газа свыше 0,005 МПа (0,05 кгс/см до 0,3 МПа (3 кгс/см);
2
- газопроводы низкого давления - при рабочем давлении газа до 0,005 МПа (0,05 кгс/см) включительно.
H
Горючие газы можно классифицировать по низшей теплоте сгорания - Q и температуре горения (Равич М.Б. Газ и его применение в народном хозяйстве. М. Наука, 1977, с.357).
H
По низшей теплоте сгорания - Q:
H
- с повышенной теплотой сгорания (высококалорийные) - Q>31,40 Мдж/м3 (природные, попутно-нефтяные и сжиженные);
H
- со средней теплотой сгорания Q=12,60-31,40 Мдж/м3 (коксовые, сланцевые и генераторные, получаемые при газификации с парокислородным дутьем под давлением);
H
- с низкой теплотой сгорания Q<12,60 Мдж/м3 (доменные, генераторные, смешанные и газы подземной газификации угля).
По температуре горения Т(mах):
max
- с T=2000°С - природные, нефтепромысловые, сжиженные, коксовые, сланцевые газы, которые целесообразно использовать для высокотемпературных процессов;
max
- с T=1500-1700°С - смешанные (50% коксового и 50% доменного),
генераторные газы из битумозных топлив, которые используются для среднетемпературных процессов;
max
- с T=1400-1500°С - доменные и некоторые генераторные газы, которые используются для среднетемпературных и низкотемпературных процессов;
max
- с T=750-1400°С - многочисленные отбросные газы (ваграночные, заводов технического углеводорода, продувочные, которые часто не утилизируются);
max
- с T<750°С - эти газы в качестве топлива не используются.
Технические условия на газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения устанавливаются в соответствии с ГОСТ 5542-87.
Требования к оборудованию и методам расчета, применяемым для определения и контроля объемной теплоты сгорания природного газа, его компонентного состава и плотности регламентируются ГОСТ Р 8.577-2000 «Теплота объемная (энергия) сгорания природного газа», ГОСТ 27193-86 «Газы горючие природные, метод определения теплоты сгорания водяным калориметром», ГОСТ 23781-87 «Газы горючие природные, хроматографический метод определения компонентного состава», ГОСТ 22667-82 «Газы горючие природные, расчетный метод определения теплоты сгорания, относительной плотности и числа Воббе».
Газовое топливо используется во всех отраслях промышленности и на предприятиях коммунально-бытового назначения. При этом невозобновляемость органического топлива ставит вопрос его рационального и эффективного использования. На практике горючий газ с различной теплотой сгорания и плотностью поступает на газогорелочные устройства топок и котлов, где автономно, перед подачей на сжигание, смешивается с воздухом. Процессы образования газовоздушных смесей, как правило, происходят непосредственно в газогорелочных устройствах топок и котлов и состоят из последовательно протекающих стадий: образование гомогенной газовоздушной смеси, подогрев
смеси до температуры воспламенения и химического реагирования - собственно реакции горения. Стадия смесеобразования оказывает существенное влияние на горение и может осуществляться или как предварительная (подготовительная) стадия, или происходить параллельно с другими процессами. Известны многочисленные газогорелочные устройства с различными способами смешения газа с воздухом, которые практически не обеспечивают быстрое и полное сгорание топлива, так как полученная газовоздушная смесь в смесительных камерах этих газогорелочных устройств не имеет постоянного состава, плотности и требуемой (расчетной) теплоты сгорания. Все это приводит к изменению тепловой мощности газогорелочных устройств и ухудшению технико-экономических показателей установок в целом.
Широко распространена установка смешения газа с воздухом, (А.К.Кортунов, Е.С.Коршунов, П.Л.Кузнецов, Б.В.Барабаш, А.И.Промтов, М.З.Шакиров, М.А.Али-Заде, А.К.Ходжаев, Газовая промышленность США, Москва, Недра, 1964, с.190-191, рис.112.
Установка состоит из воздушного фильтра, воздухопровода, дроссельной заслонки, газопровода природного газа, камеры смешения, автоматического калориметра, автоматического регистратора теплоты сгорания газа, исполнительного механизма на дроссельной заслонке, автоматического регистратора плотности газа, направляемого к потребителям.
В связи с тем, что плотность и состав природного газа, поступающего на вход установки, не являются равномерными, также неравномерна и получаемая газовоздушная смесь. Для выравнивания ее параметров на некотором расстоянии от смесителей идет непрерывный отбор пробы, поступающей как в автоматический калориметр, так и в автоматический регистратор плотности газа, направляемого к потребителям. Показания калориметра в постоянном режиме сравниваются с заданным значением, в случае их отклонения от заданного значения калорийности на исполнительный механизм подается сигнал, после чего поворотом дроссельной заслонки осуществляется увеличение или уменьшение проходного сечения для воздуха, поступающего в камеру смешения.
Недостатком данной схемы является значительная инерционность работы как системы управления, так и исполнительного устройства в целом, что не
позволяет достаточно точно поддерживать требуемые выходные показатели газовоздушной смеси в режиме «реального времени», следствием чего является невозможность оперативного достижения постоянной единой теплоты сгорания газовоздушной смеси и ее плотности.
Известна установка для получения смеси горючего газа с воздухом на базе использования сжиженного газа пропано-бутановой фракции от грунтовых резервуарных установок (Н.Л.Стаскевич, Г.Н.Северинец, Д.Я.Вигдорчик, Справочник по сжиженным углеводородным газам, Л. Недра, 1990, с.405-409).
Установка включает резервуары для хранения газа, подогреватели для осушки газа, воздушные компрессоры эжекторы для образования газовоздушной смеси. Потребление газа в течение суток неравномерное, поэтому установка снабжена тремя или четырьмя эжекторами, которые автоматически включаются и отключаются в зависимости от величины потребления газа. Установка оборудована дорогостоящими воздушными компрессорами и сложными контрольно-измерительными приборами, за счет которых растет себестоимость топлива. Полученная газовоздушная смесь имеет теплоту сгорания 8400-8500 Ккал/нм3. Недостатком данного решения является то, что в результате использования подобной газовоздушной смеси часть газа (10-15% объема) не окисляется до СO2 и в виде непредельных углеводородов (Сn Н2n) и монооксида углерода (СО) поступает в атмосферу в составе продуктов сгорания.
При этом часть ценного углеводородного топлива теряется, происходит загрязнение атмосферы зоны горения (промышленных и бытовых помещений), а также быстрый износ газогорелочных устройств.
Наиболее близким аналогом является блочная автоматическая газосмесительная система для получения смеси горючего газа с воздухом единой теплоты сгорания (Евразийский патент ЕА 006716 В1, 2006.02.24, Бюллетень №1, автор - заявитель - патентообладатель - АГАЕВ ШАМИЛЬ МИРЗА ОГЛЫ, Азербайджан).
Система состоит из блока воздушного компрессора; блока смесителя газа и воздуха, включающего газосмеситель, регулируемой эжекторной смесительной установки, включающей четыре центробежных вентилятора и четыре
регулируемых эжекторных смесителя, содержащих регулируемое сопло, камеру смешения, диффузор, конфузор и патрубок; и блока пропорционирущего устройства, включающего датчик-расходомер воздуха, клапан, регулирующий расход воздуха, обратный клапан, клапан, регулирующего расход газа, датчик-расходомер газа и регулятор соотношения газа и воздуха.
В данном решении подготовленный предварительно газ (очищенный и подогретый), давлением Р=3-12 кгс/см3, подают на вход блока смесителя газа с воздухом автоматической газосмесительной станции. Воздух из воздушного компрессора через ресивер, блок редуцирования и пропорционирующее устройство подают в автоматическое газосмесительное устройство. Туда же подают воздух из автоматической регулируемой эжекторной установки, входящей в блок смесителя газа и воздуха. Подача низконапорного воздуха в регулируемую эжекторную установку осуществляется центробежными вентиляторами. В газосмесителе газ с воздухом смешивается в соотношении, приближенном к стехиометрическому (1,01-1,02). Соотношение газа и воздуха регулируется в зависимости от изменения расхода газа. Регулирование соотношения газа и воздуха осуществляют автоматически с помощью пропорционирущего устройства.
Недостатком этого решения является недостаточная точность при определении соотношения газа и воздуха, требуемых для подачи в эжектор для смешения, что в результате приводит к значительным разбросам в параметрах выходной газовоздушной смеси по таким показателям как калорийность и плотность.
Как видно из описанных выше технических решений, имеющих как свои плюсы, так и минусы, все существующие технические решения, направленные на получение газовоздушной смеси с постоянными показателями по теплотворной способности, используют, в различной мере, контрольно измерительную аппаратуру различной степени сложности. Данная аппаратура во всех известных решениях определяет состав уже готовой газовоздушной смеси путем отбора проб с последующим их анализом - что в итоге создает инерционность работы таких систем контроля и управления и, как следствие, запаздывание корректировки работы исполнительных устройств, приводящее к нестабильным характеристикам по теплотворной способности получаемой газовоздушной смеси. Все технические
усовершенствования системы контроля и управления, использующие подобный принцип, могут только снизить инерционность и размер отклонения параметров смеси от заданного значения, но принципиально не могут полностью предотвратить такие отклонения.
Техническим результатом заявленного решения является такая компоновка составных частей системы, которая обеспечивает на выходе системы точные заданные параметры газовоздушной смеси, в частности ее теплотворной способности, при котором отклонения от заданных параметров не превышают значений погрешности измерительной аппаратуры за счет минимизации инерционности в работе системы контроля и управления.
Такой технический результат обеспечивается за счет того, что одна из составляющих системы контроля и управления, а именно блок анализа состава газа, устанавливается на входе в систему подающего газопровода, к выходу подключенного к подающему газопроводу блока измерения расхода газа подсоединены параллельно блок смешения газа с воздухом и блок редуцирования, их выходы объединены и подключены к входу блока измерения расхода газовоздушной смеси, выход которого подключен к газопроводу потребителя, причем второй вход блока смешения газа с воздухом соединен с выходом блока принудительной подачи воздуха, при этом входы автоматизированной системы управления подключены к блоку анализа состава газа, блоку измерения расхода газа и блоку измерения расхода газовоздушной смеси, а выходы автоматизированной системы управления подключены к блоку принудительной подачи воздуха, через электроуправляемую задвижку к блоку смешения газа с воздухом и блоку редуцирования.
Данная компоновка, за счет расположения блока анализа состава газа на входе, а не на выходе системы, как в существующих аналогах, позволяет исключить инерционность системы.
Устройство состоит из следующих основных узлов: блока редуцирования (БР), блока измерения расхода газа (БИРГ), блока смешения газа с воздухом (БСГВ), блока измерения расхода газовоздушной смеси (БИРГВС),
блока принудительной подачи воздуха (БППВ), блока анализа состава газа (БАСГ) и системы автоматического управления (АСУ).
В состав блока редуцирования входят регулятор давления, предохранительно-запорный и сбросной клапаны и запорная арматура. Блок редуцирования необходим для создания необходимого перепада давления на БСГВ для обеспечения необходимого разрежения воздуха на всасе эжектора, входящего в состав БСГВ.
Блок измерения расхода газа (БИРГ) состоит их запорной арматуры и счетчика расхода газа с электронным корректором, расходомером газовым, датчиком абсолютного давления газа и датчиком температуры.
Блок смешения газа с воздухом (БСГВ) состоит из воздушного фильтра, запорной арматуры, предохранительно-запорного клапана, предотвращающего попадание газа наружу и электроуправляемой задвижки, осуществляющей регулирование воздушного потока, и эжектора, осуществляющего забор воздуха из атмосферы, перемешивание его с поступающим газом и подачу полученной газовоздушной смеси в газопровод потребителя. Блок измерения расхода газовоздушной смеси (БИРГВС) представляет собой счетчик расхода газа с электронным корректором, расходомером газовым, датчиком абсолютного давления газа и датчиком температуры.
Блок принудительной подачи воздуха (БППВ) состоит из воздушного компрессора, с возможностью его внешнего управления, а также воздушного фильтра.
Блок анализа состава газа (БАСГ), необходимый для оперативного контроля параметров газа и их передачи АСУ состоит из калориметра. Также возможным является применение в качестве БАСГ газового хроматографа.
Система автоматического управления (АСУ) состоящая из управляющего контроллера (например, типа 750 фирмы WAGO) и персонального компьютера;
АСУ предназначена для автоматического поддержания заданного состава газовоздушной смеси.
Все блоки системы связаны с АСУ и работают под ее управлением.
На фиг.1 показана принципиальная схема устройства получения газовоздушной смеси единой теплоты сгорания.
1. Газопровод подающий
2. Блок измерения расхода газа (БИРГ)
3. Блок принудительной подачи воздуха (БППВ)
4. Блок смешения газа с воздухом (БСГВ)
5. Блок редуцирования (БР)
6. Блок измерения расхода газовоздушной смеси (БИРГВС)
7. Блок анализа состава газа (БАСГ)
8. Автоматизированная система управления (АСУ)
9. Газопровод потребителя.
Устройство получения газовоздушной смеси единой теплоты сгорания работает следующим образом.
Газ, предварительно очищенный, с давлением не более 12 кг/см2, из подающего газопровода 1 поступает в блок измерения расхода газа 2. Одновременно из подающего газопровода 1 производится отбор пробы газа, поступающий в блок измерения состава газа 7. Данные о расходе газа, давлении газа, температуре газа и низшей теплоте сгорания газа, плотности газа, компонентном составе газа в системе поступают в автоматизированную систему управления АСУ 8, где происходит анализ параметров поступающего в систему газа. На основании сравнения фактических с заданными параметрами газа по расходу газа, давлению газа, температуре газа и низшей теплоте сгорания газа, плотности газа, компонентном составе газа АСУ задает требуемую низшую теплоту сгорания и расход газовоздущной смеси за блоком смешения газа и воздуха БСГВ
4 путем расчета требуемого количества воздуха добавляемого в активный газ в БСГВ и обеспечения его поддержания путем регулирования положения электроуправляемой задвижки БСГВ на всасе эжектора, при этом в смесительной камере эжектора БСГВ образуется газовоздушная смесь, близкая по своему соотношению к стехеометрическому.
Обеспечение необходимого расхода воздуха на всасе эжектора возможно при наличии определенного значения перепада давления газа до и после эжектора БСГВ и определенного расхода газа через БСГВ, что реализуется АСУ посредством расчета величины этих значений, на основании сравнительного анализа фактических значений давления и расхода газа на входе и выходе БСГВ, а именно на основании получаемых параметров газа из Блока измерения расхода газа 2 и газовоздушной смеси из Блока измерения расхода газовоздушной смеси 6. Непосредственно поддержание требуемого для стабильной работы эжектора перепада давления и расхода газа осуществляется АСУ при помощи регулятора давления Блока редуцирования 5, обеспечивающего постоянное давление газа за эжектором БСГВ. В случае невозможности поддержания требуемого перепада давления, например при значительном снижении давления газа на входе в систему, предусмотрена принудительная подача воздуха в БСГВ, осуществляемая посредством блока принудительной подачи воздуха БППВ 3. Воздух из БППВ подается непосредственно на входной тракт эжектора БСГВ, перед воздушным фильтром. Управление БППВ и контроль за количеством подаваемого им для смешения с газом воздуха осуществляется посредством АСУ, на основании постоянного мониторинга и анализа фактических данных по давлению и расходу газа.
В результате, на входе в газопровод потребителя 9, при работе данной системы в автоматическом режиме обеспечивается смешение природного газа с содержанием метана (СН4) в нем от 70,0 до 98,5 об.%, движущегося под давлением от 0,5 до 12,0 кг/см2 и атмосферного воздуха в заданном соотношении от 0,01 до 4,76 об.%, что позволяет получать на выходе установки газовоздушную смесь единой теплоты сгорания при минимально возможном отклонении от заданного показателя по теплотворной способности.