Денис Рындин,
главный инженер компании
ООО ТД «Водная техника»

1. Обоснование необходимости измерения эффективности сгорания топлива
В последнее время намечается четкое перераспределение нагрузки между централизованными и автономными источниками тепла. Вызвано это прежде всего изменением коньюктуры рынка энергоснабжения, повышением требований к качеству услуг, изношенностью тепловых сетей и повышением стоимости тепло- и энергоносителей. Поэтому большое распространение получают автономные источники теплоты, особенно в бытовом секторе.

Здесь мы сталкиваемся с таким положением дел, что ни нормативная база, ни специалисты, занимающиеся эксплуатацией теплогенераторов, не были готовы к качественной эксплуатации вышеупомянутого оборудования.

С другой стороны, за последнее десятилетие укрепилось стойкое мнение, что подобные теплогенераторы настолько простое устройство в эксплуатации и обслуживании, что никакого дорогостоящего оборудования (типа газоанализаторов, электронных термометров и т.д.) не требуется и все операции по диагностике и наладке, в отличие от «серьезных» напольных котлов, можно выполнить на «глазок». В то же время в западной Европе за последние десятилетия накоплен богатый опыт по эксплуатации подобного оборудования. Для европейского сервиса обязательным мероприятием является оценка действительной эффективности процесса сгорания топлива в теплогенераторе и анализ состава продуктов сгорания.

Как наглядно показывает диаграмма (рис. 1), эти показатели тесно взаимосвязаны и чрезвычайно важны при оценке состояния и эффективности работы теплогенератора.

В данной статье освещен порядок проведения проверки эффективности маломощных теплогенераторов бытового сектора (навесных котлов) и приведены комментарии по данному вопросу.

Данная статья базируется на использовании европейских норм:
UNI 10389 — «Указания по проведению измерений эффективности сгорания топлива»;
UNI 4546 — «Измерения и замеры — Термины и основные понятия»;
UNI CEI 70011 — «Руководство к обработке результатов замеров»;
UNI 7271 — «Теплогенераторы, работающие на газе, с атмосферными горелками»;
UNI 9893 — «Теплогенераторы, работающие на газе, с дутьевыми горелками»;
UNI 9166 — «Определение эффективности работы теплогенераторов, классифицируемых как высокоэффективные», a также отечественных норм и рекомендаций:
«Методическое пособие по проведению комплексных эколого-теплотехнических испытаний котлов, работающих на газе и мазуте» (Ин-т газа НАН Украины, Киев 1992) [1].

3. Определения, понятия и размерности
3.1. Основные определения

• Эффективность сгорания топлива: отношение полезной тепловой мощности к полному тепловыделению в топке с = полезная тепловая мощность/ полное тепловыделение в топке.
• Полезная тепловая мощность: количество теплоты, полезно используемой в теплогенераторе полезная тепловая мощность = полное тепловыделение в топке – потери теплоты с уходящими газами (приблизительно).

Тогда эффективность сгорания топлива можно подсчитать следующим образом:
с = 1 – потери теплоты с уходящими газами.

Данная формула используется для подсчета эффективности сгорания топлива в приборах, осуществляющих комплексный анализ продуктов сгорания — газоанализаторах. На рис. 2 приведена предварительная схема, иллюстрирующая распределение теплоты в теплогенераторе.

• Полное тепловыделение в топке: представляет собой произведение расхода сжигаемого топлива на его теплотворную способность

полное тепловыделение в топке = расход топлива x теплотворная способность топлива.

Другими словами, это то количество теплоты, которое выделяется в топке при полном сгорании топлива.

• Номинальная тепловая мощность: величина, заявленная производителем в качестве тепловой мощности теплогенератора при его работе в стационарном режиме. Как правило, указывается на бирке котла и в его технических характеристиках (паспорт) (см. табл. 1)

• Значения параметров измерения: величины, измеряемые при контроле эффективности процесса сгорания топлива
• Контроль процесса горения: совокупность операций, производимых оператором при анализе состава продуктов сгорания и эффективности процесса горения
• Оператор: квалифицированный технический работник, осуществляющий контроль над процессом сгорания и обладающий необходимыми разрешениями государственных органов контроля и соответствующими полномочиями
• Распечатка результатов анализа состава продуктов сгорания: документ, распечатанный на принтере газоанализатора и содержащий данные о результатах анализа состава продуктов сгорания; выдается оператором как официальный документ
• Паспорт системы — документ, содержащий основные характеристики и параметры системы теплоснабжения объекта
• Паспорт теплогенератора — документ, содержащий основные характеристики теплогенератора, параметры измерений и испытаний, а также данные об эксплуатирующей организации

4. Предварительные операции

Перед проведением замеров Оператор обязан тщательно изучить следующие документы:

• Полную инструкцию теплогенератора
• Паспорт тепловой системы
• 
  
• Паспорт и техническую документацию измерительных приборов, используемых при анализе;

подготовить протокол измерений стандартного формата.

5. Последовательность произведения замеров и обработка результатов
a. Взятие проб для анализа состава дымовых газов

Основным условием корректного отбора проб для анализа состава продуктов сгорания является стабильное состояние потока и отсутствие влияния присосов воздуха, которые могут внести погрешность в результаты измерений. Для котлов с закрытой камерой сгорания (тип С) производители используют два способа: размещают пробоотборники в подсоединительных фланцах газоходов либо в верхней части герметичной камеры сгорания (рис. 4, 5).

Первый способ предпочтительней, потому что поток дымовых газов имеет более стабильную структуру, однако не всегда есть конструктивная возможность разместить подобные фланцы с пробоотборниками (они имеют несколько увеличенные габариты).
Для котлов с открытой камерой сгорания (тип В) отбор проб следует проводить на прямом участке дымохода на расстоянии двух диаметров от выходного патрубка котла. Если расстояние до отвода меньше, чем два диаметра, отбор проб должен проводиться на расстоянии одного диаметра от отвода (согласно норме UNI 7129) (рис. 6).


b. Измерение температуры воздуха, поступающего на сгорание

Замер температуры воздуха, поступающего на сгорание, производится в следующих пунктах:

• На входе в котел патрубка забора воздуха при закрытой камере сгорания и принудительной тяге
• Под котлом при открытой камере сгорания и естественной тяге.

В последнем случае замер температуры производят непосредственно в районе защитной решетки под котлом. Так как зона замера имеет значительную площадь, то желательно использовать термометр с несколькими датчиками с последующим выводом усредненного значения, так как возможен значительный разброс в показаниях. Если в распоряжении Оператораимеется прибор с одним датчиком, то необходимо произвести несколько замеров и аналогично вывести среднее значение температуры.

При взятии проб необходимо уделять особое внимание герметичности соединения зонда измерительного прибора и штуцера пробоотборника, так как несанкционированные притоки и утечки могут в значительной степени исказить результаты измерений. Проще всего соблюсти это условие, если фланцевые патрубки подключения газоходов котла имеют специально оборудованные пробоотборники, гарантирующие газоплотность всей системы.
На рис. 7 представлен вариант таких пробоотборников для котла с закрытой камерой сгорания.


c. Измерительные приборы и оборудование
Примечание: Перед проведением измерений Оператор обязан тщательно изучить инструкции по использованию измерительных приборов.


• Хронометр
• Термометр для измерения температуры воздуха (диапазон измерения от 10 до +50 °C, погрешность измерений ± 2 °C)
• Термометр для измерения температуры продуктов сгорания (диапазон измерения от 0 до + 500 °C, погрешность измерений ± 5 °C)
• Термометр для измерения температуры теплоносителя в магистрали подачи (диапазон измерения от 0 до + 200 °C, погрешность измерений ± 2 °C)
• Прибор для определения индекса задымленности
• Анализатор концентрации кислорода O2 (диапазон измерения от 0 до 21 %, погрешность измерений ± 0,5); анализатор концентрации диоксида углерода CO2 (диапазон измерения от 0 до 16 %, погрешность измерений ± 0,5)
• Aнализатор концентрации оксида углерода CO (диапазон измерения от 0 до 4000 ppm, погрешность измерений от ± 20 ppm до 400 ppm, ± 5% от значения измеряемого параметра)

Все приборы, кроме первого, могут быть выполнены в виде единого универсального прибора.

d. Условия измерений

Температура теплоносителя в магистрали подачи может быть измерена с помощью штатного термометра котла; как правило, датчик термометра располагается на магистрали подачи. Как показывает практика, точность штатного термометра вполне достаточна, так как нам необходимо только индикативное значение температуры теплоносителя для определения режима работы теплогенератора.
Обычно замеры проводят при работе котла в режиме производства горячей воды, ориентируясь на ее расход.

В случае, когда теплогенератор работает только в режиме отопления, необходимо проводить измерения, ориентируясь на показания давления газа на горелке. Как правило, в полной инструкции по использованию оборудования производитель приводит таблицы соответствия между мощностью теплогенератора и давлением газа на горелке. Таким образом, ориентируясь на измеренное давление газа на горелке, мы можем быть уверены, что котел работает с номинальной мощностью и процесс стационарен.

e. Результаты измерений

В результате измерений нам необходимо получить значения следующих величин:

• Температуру продуктов сгорания
• Температуру воздуха, поступающего на сгорание
• Концентрацию кислорода в продуктах сгорания (двуокиси углерода, как альтернатива, так как данные две величины жестко связаны (см. рис. 9)
• Концентрацию оксида углерода СО в продуктах сгорания

Как уже говорилось выше, все эти измерения могут быть выполнены одним универсальным прибором. В этом случае Оператор вначале проводит измерение температуры воздуха, подаваемого на сгорание, а потом производит анализ состава дымовых газов.

Для получения достоверных результатов измерений необходимо провести не менее 3 измерений с последующим усреднением результата, делая интервал между замерами не менее 120 с. Если один из результатов измерений сильно отличается от остальных, его необходимо забраковать и повторить замер.

f. Проверка величины тепловыделения в топке

Для экспериментальной проверки тепловыделения в топке необходимо выполнить следующие операции:

Измерить объемный расход топлива (м3/час) с помощью газового счетчика и умножить на низшую теплотворную способность газа

• Для природного газа 9,60 для того, чтобы получить значение тепловыделения в топке в kW 8250 для того, чтобы получить значение тепловыделения в топке в ккал/час
• Для сжиженного баллонного газа 31,4 для того, чтобы получить значение тепловыделения в топке в kW 27000 для того, чтобы получить значение тепловыделения в топке в ккал/час

Замер объемного расхода производят с помощью бытового газового счетчика, при отключенных других потребителях газа, в течение 120 секунд, затем умножают на 30, для того, чтобы получить расход топлива в м3/час.
Коэффициент 8250 является усредненной низшей теплотворной способностью газа при давлении 1013 мбар и температуре 15 °С.
Таким образом, тепловыделение в топке будет вычисляться следующим образом:
Тепловыделение в топке = Расход топлива x низшую теплотворную способность топлива.
Соотношение между ккал/час и kW равно 860, т.е.
Тепловыделение (ккал/час)/860 = Тепловыделение (kW).

6. Расшифровка результатов анализа состава дымовых газов
Потери с уходящими газами можно подсчитать с помощью следующих эмпирических формул:

или

где
Qs — потери теплоты с уходящими газами, %;
Tf — температура дымовых газов, °C;
Ta — температура воздуха, поступающего на сгорание, °C;
O2 — концентрация кислорода в продуктах сгорания, % по объему;
CO2 — концентрация двуокиси углерода в продуктах сгорания, % по объему;
A1, A2, B — коэффициенты, сведенные в табл. 3, выбираются в зависимости от вида топлива.

Значение потерь теплоты с уходящими газами получаем в %, следовательно, эффективность процесса сжигания топлива будет вычисляться следующим образом:

Рассматривая погрешность, вызванную разбросом измерений полученного значения эффективности процесса сгорания, необходимо заметить, что ее допустимая величина составляет ± 2 %, согласно UNI 4546.
Согласно UNI 7271, UNI 9893, UNI 9166, минимально допустимая эффективность теплогенератора мощностью до 400 кВт регламентируется в двух режимах: при 30 и при 100 % мощности. Температура теплоносителя при этом должна поддерживаться на отметке 50 и 70 °С соответственно. Значения минимально допустимой эффективности вычисляются по следующим формулам:

где Pn — номинальная тепловая мощность котлоагрегатов.
Значение концентрации оксида углерода в продуктах сгорания соответствует показателю их задымленности и, по сути, символизирует потерю теплоты от химического недожога топлива.
При оценке содержания оксида углерода в продуктах сгорания принято пользоваться стехиометрическим показателем. При такой оценке содержание оксида углерода в продуктах сгорания
приводится к его содержанию при нулевом избытке воздуха (т.е. коэффициент избытка воздуха = 1).

Для привода концентрации оксида углерода к стехиометрическому показателю необходимо умножить измеренное значение на один из двух множителей, приведенных ниже:
21/(21 - O2) или CO2t/CO2 ,
где O2 — концентрация кислорода в продуктах сгорания по результатам измерений, % по объему;
CO2t — максимальная теоретически возможная концентрация двуокиси углерода в продуктах сгорания, % по объему (см. табл. 4);

CO2 — концентрация двуокиси в продуктах сгорания по результатам измерений, % по объему.
Так как концентрации O2 и CO2 однозначно связаны между собой обратнопропорциональной зависимостью

(см. также график 1 на рис. 11), то использование того или другого множителя обусловлено только удобством вычислений и типом газоанализатора.

Cогласно [1], CO2t = 11,8 % низшая теплота сгорания L = 4,187 МДж/м3
Максимально допустимый стехиометрический показатель концентрации оксида углерода составляет 1000 ppm.
Для справки, 1% по объему = 10000 ppm.
Если полученное значение превышает максимально допустимый показатель, то необходимо провести мероприятия по регулированию и настройке топливной аппаратуры ( см. табл. 5).
Согласно [1] максимально допустимое содержание оксидов в продуктах сгорания при нормальных условиях составляет:

Для котлов мощностью 0,1-3,15 МВт, работающих на газе (стр. 27 табл. 5.1), нормальными условиями принято считать 0 °С и 760 мм. рт. ст.
Для приведения содержания оксидов к нормальным условиям используются следующие формулы:

где V — объемная концентрация оксидов, %;
C — массовая концентрация оксидов, мг/м3;
М — молярная масса оксида;
h — коэффициент разбавления
           
            h = 21/(21 - О2).
Удельные выбросы оксидов, отнесенные к количеству выработанной тепловой энергии, рассчитываются по формуле:

где q4 — потери теплоты от механического недожога, %;
L — низшая теплота сгорания, МДж/м3;
— коэффициент полезного действия теплогенератора.
Так как многие отечественные нормы имеют размерность в мг/м3, а практически все современные приборы отградуированы в объемных долях( ррm), то необходим пересчет из одной системы измерений в другую.
Согласно [1], перевод можно осуществить, используя следующие формулы:

Окончательно тепловой баланс сжигания топлива с учетом потерь от химического недожога топлива, выглядит следующим образом (cм. рис. 10).


Отчет о проведенных измерениях
Согласно норме UNI 70011, отчет о проведенных измерениях должен содержать следующие сведения:

• Данные об операторе
• Данные об установке
• Ссылки на соответствующие нормы и правила
• Данные об инструменте, которым проводились измерения
• Результаты измерений
• Добавочные сведения о настройке и операции, произведенные оператором во время наладочных работ
• Дата проведения измерений
• Подпись оператора

За исключением концентрации оксида углерода, величины всех параметров должны быть приведены в тех же единицах, в которых проводились измерения.
Углубляя и развивая тему дальнейшего анализа зависимости между составом продуктов сгорания и эффективностью процесса сгорания топлива, нам необходимо более подробно рассмотреть такие понятия, как относительный избыток воздуха и коэффициент избытка воздуха .

Относительный избыток воздуха
= [(действительный объем воздуха - теоретически необходимый объем воздуха)/теоретически необходимый объем воздуха] x 100%.

Коэффициент избытка воздуха
= действительный объем воздуха/теоретически необходимый объем воздуха.
Для того, чтобы получить реальное представление о содержании оксида углерода в продуктах сгорания, необходимо привести его к стехиометрическому показателю, т.е. к коэффициенту избытка воздуха = 1.
Для того, чтобы реально оценить взаимоотношения вышеуказанных величин целесообразно
рассмотреть графики зависимости стехиометрических множителей 21/(21 - O2), CO2t /CO2, коэффициента избытка воздуха и содержание кислорода или диоксида углерода в продуктах сгорания.
На графиках 1 и 2 (рис. 11) фиолетовой линией представлена зависимость от коэффициента избытка воздуха, а желтой — от соответствующего стехиометрического множителя.

Оптимальный рабочий диапазон для инжекционных горелок находится в пределах = 1-2. Если рассмотреть данные измерений содержания кислорода в продуктах сгорания на хорошо отрегулированных котлах, то очевидно, что оптимальное значение коэффициента избытка воздуха составляет = 1,25 (= 0,25) (график 1, фиолетовая линия).

Так как в рассматриваемом диапазоне содержание кислорода и двуокиси углерода в продуктах
сгорания связаны пропорциональной зависимостью, то практически такие же значения оптимального коэффициента избытка воздуха можно получить, рассматривая зависимость между содержанием диоксида углерода и (график 2, фиолетовая линия).

Еще один наглядный график можно получить, рассматривая уравнение для расчета эффективности котлоагрегата (график 3). В этом случае аргументом служит содержание диоксида углерода в продуктах сгорания, а также температура воздуха, поступающего на сгорание (желтая кривая символизирует зависимость при разнице температур дымовых газов и воздуха Т = 110 °С, а фиолетовая при Т = 120 °С.)

Легко заметить, что эффективность процесса сгорания тем выше, чем выше температура поступающего воздуха.

То есть, результаты измерений, сделанные в разное время года на одном и том же котле при других неизменных условиях, могут иметь значительный разброс.
Эффективность сгорания топлива также будет зависеть от типа конструкции дымоотводящего канала (в случае теплогенератора с закрытой камерой сгорания и принудительной тягой).

В «турбокотлах» существуют два варианта решения вопроса удаления продуктов сгорания и подачи воздуха в топку:

• По отдельным газоходам
• По коаксиальному дымоходу

При втором варианте воздух, поступающий на сгорание, попутно нагревается за счет уходящих дымовых газов, что, как мы уже показали выше, влияет на эффективность процесса сгорания.
Например, при протяженности дымохода порядка 1 м разброс величины эффективности может составлять до 0,6 %.

Выводы
Операции, рассмотренные в этой статье, пока еще не являются обязательными при эксплуатации теплогенераторов бытового сектора, однако имеют очень большое практическое и теоретическое значение для их качественной эксплуатации, а также для более глубокого понимания процессов, происходящих в теплогенераторах.
Вполне вероятно, что в скором будущем будет меняться отечественная нормативная база и операторам придется выполнять операции по оценке эффективности процесса сгорания топлива.
Надеюсь, что данный материал будет интересен специалистам-эксплуатационщикам, работающим с маломощными теплогенераторами.