Controlul arderii la cuptorul cu gaz natural: raportul aer-combustibil, excesul de aer și analiza arderii
Controlul arderii este aspectul cel mai neglijat în funcționarea unui cuptor pe gaz. Majoritatea cuptoarelor pe gaz funcționează cu prea mult aer în exces, risipind combustibil și reducând eficiența. Un arzător bine reglat, cu raportul corect aer-combustibil, oferă economii de combustibil de 5 până la 15% și o reducere de 20 până la 50% a emisiilor de CO2. Reglarea este simplă, dar necesită atenție la detalii și verificări regulate. Iată cadrul pe care îl utilizez atunci când analizez funcționarea unui cuptor pe gaz.
Noțiuni de bază despre chimia combustiei
Gazul natural este în mare parte metan (CH4) cu cantități mai mici de etan, propan și gaze inerte. Reacția completă de ardere cu oxigen pur este:
CH4 + 2 O2 - șșșș CO2 + 2 H2O
În practică, aerul de ardere este un amestec de oxigen (21%) și azot (79%). Raportul stoichiometric aer-combustibil pentru gazul natural este de 9,5 până la 10,5 metri cubi de aer per metru cub de gaz, în funcție de compoziția gazului. Raportul real aer-combustibil într-un cuptor este întotdeauna mai mare decât cel stoichiometric, deoarece este necesar un exces de aer pentru a asigura o ardere completă.
Excesul de aer este aerul furnizat dincolo de cerința stoichiometrică. Acesta este exprimat ca procent din aerul stoichiometric. De exemplu, 10% exces de aer înseamnă că raportul real aer-combustibil este de 1,10 ori raportul stoichiometric.
De ce contează excesul de aer
Un exces de aer este necesar pentru a asigura o ardere completă. Cu prea puțin aer, arderea este incompletă, iar gazele de eșapament conțin CO și hidrocarburi nearse. CO și hidrocarburile nearse reprezintă combustibil pierdut și o problemă de reglementare.
Cu prea mult aer, excesul de aer absoarbe căldura din flacără și o transportă prin gazele de eșapament. Temperatura gazelor de eșapament crește, iar eficiența combustibilului scade. Excesul optim de aer este cea mai mică valoare care asigură o ardere completă cu emisii scăzute de CO2.
Pentru arzătoarele pe gaz natural, excesul optim de aer este de 5 până la 10% pentru arzătoarele de mare viteză și de 10 până la 20% pentru arzătoarele atmosferice de mică viteză. Emisiile de CO ar trebui să fie sub 50 ppm (corectate la 3% O2) la valori optime.
Cum afectează excesul de aer eficiența
Relația dintre excesul de aer și eficiență este semnificativă. Trecerea de la 20% exces de aer la 10% exces de aer îmbunătățește eficiența consumului de combustibil cu 3 până la 5%. Trecerea de la 10% la 5% îmbunătățește eficiența cu încă 1 până la 2%. Sub 5% exces de aer, emisiile de CO2 cresc rapid, iar riscul unei arderi incomplete devine o problemă de siguranță și calitate.
La o centrală termică pe gaz de 5 MW care funcționează 6000 de ore pe an, o îmbunătățire a eficienței de 5% economisește 250 kW de combustibil, ceea ce reprezintă 1,5 milioane kWh de gaze naturale pe an. La 0,40 USD pe metru cub, aceasta reprezintă o economie de 150.000 până la 200.000 USD pe an în costurile combustibilului.
Procedura de analiză a combustiei
Analiza arderii se face cu un analizor portabil de gaze de ardere. Analizorul măsoară O2, CO, CO2, NO, NO2 și temperatura din gazele de eșapament. Analiza durează între 30 și 60 de minute per arzător, iar procedura este:
Porniți cuptorul și aduceți-l la temperatura de funcționare.
2. Introduceți sonda în fluxul de gaze de eșapament de lângă arzător.
3. Înregistrați compoziția gazelor de ardere la rata de ardere actuală.
4. Reglați raportul aer-combustibil pentru a aduce O2 la valoarea țintă.
5. Verificați dacă nivelul de CO este sub limită (de obicei 50 ppm corectat la 3% O2).
6. Repetați pentru fiecare rată de declanșare din intervalul de funcționare.
Ținta de O2 pentru un arzător recuperativ de mare viteză este de 3 până la 5% (ceea ce este echivalent cu 15 până la 25% exces de aer). Pentru un arzător cu emisii reduse de NOx cu FGR, ținta de O2 este de 5 până la 8%. CO ar trebui să fie sub 50 ppm la ținta de O2.
Dacă CO este peste 50 ppm la valoarea țintă de O2, arzătorul necesită service. Cele mai frecvente cauze ale unui nivel ridicat de CO sunt: orificiile arzătorului uzate (înlocuiți arzătorul), orificiile arzătorului murdare (curățați arzătorul) și raportul incorect aer-combustibil (recalibrati regulatorul de raport).
Probleme comune de ardere
Problema 1: Excesul de aer este prea ridicat. Simptomele sunt niveluri ridicate de O2 în gazele de eșapament (peste 5% pentru un arzător de mare viteză), temperatură ridicată a gazelor de eșapament și eficiență scăzută a combustibilului. Cauza este de obicei un raport aer-combustibil nereglat, o clapetă de aer cu scurgeri sau un arzător nealiniat. Soluția constă în reajustarea raportului, repararea clapetei sau realinierea arzătorului.
Problema 2: Nivelul de CO este prea ridicat. Simptomele sunt concentrații de CO peste 50 ppm în evacuare, fum în evacuare și, eventual, funingine pe sarcina de lucru. Cauza este de obicei un raport scăzut aer-combustibil (prea puțin aer), un arzător uzat sau o admisie de aer înfundată. Soluția este creșterea volumului de aer, înlocuirea arzătorului sau curățarea admisiei de aer.
Problema 3: NOx este prea mare. Simptomul este NO peste 100 ppm în gazele de eșapament. Cauza este de obicei o rată mare de ardere cu FGR insuficient, un arzător nealiniat sau o setare mare a excesului de aer. Soluția constă în instalarea sau reglarea FGR, realinierea arzătorului sau reducerea excesului de aer.
Problema 4: Ardere inconsistentă. Simptomul este temperatura fluctuantă a cuptorului, fluctuația nivelului de O2 în evacuare și încălzirea neuniformă. Cauza este de obicei un regulator de raport uzat, o clapetă de aer cu scurgeri sau o presiune fluctuantă a gazului. Remedierea este înlocuirea regulatorului, repararea clapetei sau instalarea unui regulator de presiune a gazului.
Sisteme de control al raportului aer-combustibil
Sistemele moderne de control al cuptoarelor pe gaz utilizează un regulator de raport cu limitare încrucișată pentru a menține raportul aer-combustibil la valoarea optimă pe întregul interval de ardere. Designul cu limitare încrucișată interblochează supapele de aer și gaz, astfel încât aerul să fie întotdeauna puțin înaintea gazului (sau puțin în spate, în funcție de tipul arzătorului). Acest lucru previne ca arzătorul să devină sărac în timpul creșterii arderii sau să devină bogat în combustibil în timpul scăderii arderii.
Regulatorul de raport utilizează un debitmetru de combustibil (sau un semnal de presiune a gazului) și un debitmetru de aer pentru a calcula raportul aer-combustibil real. Raportul calculat este comparat cu ținta, iar clapeta de aer este modulată pentru a menține ținta. Regulatorul are, de asemenea, o intrare de reglare de la analizorul de O2, care corectează abaterea pe termen lung a raportului aer-combustibil.
Un regulator de raport bine reglat menține raportul aer-combustibil în limita a 2% față de țintă pe întregul rază de acțiune. Un regulator prost reglat poate avea o deviație de 10 până la 20%, cu pierderi corespunzătoare de eficiență și emisii.
Reglarea anuală a sistemului de ardere
MONTE INTELLIGENCE recomandă o reglare anuală a arderii pentru toate instalațiile de cuptoare pe gaz. Reglarea este efectuată de un inginer de service și include: analiza arderii pentru fiecare arzător la trei rate de ardere (scăzută, medie, ridicată), calibrarea regulatorului de raport, inspecția aprinzătorului și a tijei flăcării și inspecția clapetei de aer și a supapei de gaz. Reglarea durează 1 până la 2 zile per cuptor, iar economia tipică de energie este de 3 până la 8% în următoarele 12 luni de funcționare.
Costul reglajului este recuperat în 1 până la 3 luni prin reducerea costurilor cu combustibilul. Reglajul identifică, de asemenea, problemele arzătorului și ale comenzilor care pot cauza întreruperi neprogramate dacă nu sunt corectate.
Discutați cu MONTE INTELLIGENCE despre reglarea combustiei
Pentru cumpărătorii interesați de o reglare a arderii la o centrală termică pe gaz existentă, echipa de inginerie MONTE INTELLIGENCE poate programa o vizită de service și poate furniza un raport scris cu rezultatele testelor și ajustările recomandate. Vizitațiwww.cnlymonte.com/products-gas-furnace.html pentru specificațiile produsului. Pentru o solicitare de vizită la service, trimiteți un e-mail la adresa helenxu@cnlymonte.com, cu subiectul: reglare combustie și detalii despre tipul de cuptor, modelul arzătorului și costul actual al combustibilului.
