Повышение эффективности использования газового топлива

газоиспользующих установок в режиме отличном от номинального (при повышенном или пониженном давлении газа) снижает тепловую эффективность использования газа, то есть КПД газоиспользующих установок. Как показывают исследования, максимальное значение КПД обеспечивается при отношении Р/Р ном =1 . При отношении Р/Р ном >1 КПД снижается за счет повышенной температуры уходящих продуктов сгорания. Аналогичная ситуация имеет место при отношении Р/Р ном <1 . Уменьшение КПД обуславливается тем обстоятельством, что при снижении давления, а, значит и количества сжигаемого газа, возрастает коэффициент избытка воздуха, подаваемого в зону горения за счет естественной тяги или вентилятора. Это приводит к снижению КПД, несмотря на уменьшение температуры продуктов сгорания.

Согласно ГОСТ на испытание газовых водогрейных аппаратов [1, 2] экспериментальное определение КПД требует измерения расхода и температурного диапазона нагрева воды, а также расхода газа и теплоты его сгорания. Относительно небольшие изменения КПД газоиспользующих аппаратов в диапазоне рабочих режимов их эксплуатации (несколько процентов) предъявляет высокие требования к точности экспериментальных исследований, к минимизации погрешности средств измерения и контроля, методике обработки экспериментальных данных. Указанное обстоятельство требует применения высокоточной измерительной техники и специальных методов статистической обработки экспериментальных материалов. Поэтому при проведении сертификационных испытаний газовых водогрейных аппаратов КПД последних определяется, как правило, только при номинальном режиме эксплуатации, то есть при максимальной тепловой эффективности.

Таблица 1. Номинальные и предельно-допустимые значения давления газа перед бытовыми газовыми приборами

Газовый прибор	P max , Па	P ном , Па	P min , Па	ГОСТ
газовая плита	1764 2744	1274 1960	147 196	ГОСТ 10798-85
проточный водонагреватель	1764 2744	1274 1930	637 980	ГОСТ 19910-74
отопительный котел	1764 2744	1274 1960	635 980	ГОСТ 20219-74
газовая горелка для отопительной печи УГОП	1800 2800	1300 2000	600 1000	ГОСТ 16569-86

Тогда по (4) с учетом (5) имеем:

Экспериментальные исследования водогрейных газовых аппаратов существенно упрощаются, если оценивать их тепловую эффективность с помощью относительного КПД. Последний представляет собой отношение КПД газового аппарата при текущем и номинальном режимах эксплуатации:

η отн

Р ном    t 2 ^- t 1

ном ном Р t₂   - t₁

^η отн

^η η ном

Тогда используя уравнение:

η =

mc( t ₂ - t ₁ ) BQ H ^P

где Р, Р ном – текущее и номинальное давления газа перед газовым аппаратом, Па.

Как видно из (6), экспериментальное определение относительного КПД требует только измерения давления газа перед газовым водогрейным аппаратом и температурных параметров нагреваемой воды. Абсолютное значение КПД определяется пересчетом по формуле (1):

можно записать:

η ⁼ η отн η ном

^η отн ⁼

m(t ₂ - t ₁ )B _ном

Bm ном ном _ном (t ₂ - t ₁ )

где m – расход нагреваемой воды, кг/ч; с - удельная теплоёмкость воды, кДж/кг ⋅ С; t 1 – температура воды на входе в аппарат, ^оС; t 2 - температура воды на выходе из аппарата, ^оС; B – расход газа, м³/ч; Q н^р – низшая теплота сгорания газа, МДж/м³.

При постоянстве расхода воды в текущем и номинальном режимах эксплуатации, то есть при m=m ном уравнение (3) принимает следующий вид:

η отн

B ном t 2 ^- t 1

ном ном

B t₂   - t₁

Как показывают многочисленные теоретические и экспериментальные исследования, расход газа газоиспользующим аппаратом В, м3/ч, связан с давлением газа Р, Па, следующим соотношением [3]:

,

где η ном – максимальный КПД аппарата, соответствующий номинальному режиму его эксплуатации.

Определение КПД газовых водогрейных котлов и водонагревателей проводилось на экспериментальной установке, принципиальная схема которой приведена на рис. 1. Испытания проводились в соответствии с нормативной методикой [1, 2] в РИЦ ОАО «Гипро-ниигаз» и в учебно-исследовательской лаборатории кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция» Саратовского ГТУ. В качестве объектов испытаний использовались: котлы АОГВ-10, «Хопер», «Proterm», а также газовые водонагреватели «Аврора» и ВПГ-10.

Экспериментальные исследования проводились при нескольких режимах эксплуатации оборудования при изменении давления газа от 75 до 250 даПа и следующих значениях начальной температуры воды: котлы газовые водогрейные t1=40оС; газовый проточный водонагреватель t1=18оС. Конечная температура воды на выходе из аппаратов при их работе на номинальном режиме эксплуатации (Рном=200 даПа) обеспечивалась в следующих пределах: котлы газовые водогрейные t2ном=60оС; газовый проточный водонагрева- тель t2ном=58оС. Замеры параметров проводились после выхода экспериментальной установки на стационарный тепловой режим, когда в течение 10 мин. температура воды на входе и на выходе из аппарата оставалась постоянной. Для каждого режима эксплуатации замеры экспериментальных параметров дублировались не менее 6 раз с интервалом в 5 мин. с последующим обобщением результатов методами математической статистики.

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки:

1 – бак постоянного уровня; 2 – первичный подогреватель воды; 3 – газовый водогрейный котел (газовый водонагреватель); 4, 5, 6 – термометры; 7 – U-образный манометр; 8 ,9, 10 – регулирующие вентили; 11 – мерный сосуд.

Как показывает анализ экспериментальных данных, режимы эксплуатации газовых аппаратов оказывают существенное влияние на эффективность использования газового топлива. Так, например, при эксплуатации котла АОГВ-10 на номинальном режиме при давлении 200 даПа относительный КПД составляет 1,0, а при снижении давления до 75 даПа, то есть при снижении тепловой мощности до 2/3 от номинальной, относительный КПД снижается до 0,947, то есть более чем на 5%. Аналогичная ситуация наблюдается и при повышенном давлении газа. Как показывают результаты статистического анализа, результирующая погрешность определения относительного КПД котла АОГВ-10 в исследуемом диапазоне изменения давления газа находится в пределах 1,4^2,! с доверительной вероятностью 0,95, что соответствует требованию ГОСТ к точности экспериментальных исследований. Аналогичные результаты получены и по другим типам газовых водогрейных аппаратов.

Обработка массива экспериментальных данных методами корреляционного анализа выявила тесную связь между исследуемой функцией η отн и управляющим параметром Р отн . Результаты экспериментальных исследований аппроксимируются так:

η отн =– 0,5136 Р отн⁶ + 2,3548 Р отн⁵ -3,0664 Р отн⁴ – 0,7648 Р отн³ +4,4265 Р отн² – 2,9919 Р отн + 1,553.               (8)

Наличие указанной зависимости обеспечивает необходимые предпосылки к оптимизации гидравлических режимов эксплуатации распределительных систем газоснабжения с учетом эффективности использования газового топлива у потребителей.