УДК 665.612.2
© О.А. Зуева, Н.Л. Бачев, Р.В. Бульбович, 2014
О.А. Зуева, Н.Л. Бачев, к.т.н., Р.В. Бульбович, д.т.н. (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Адрес для связи: oksanochka_zueva@mail.ru
Ключевые слова: нефтяной газ, концентрационные пределы горения, принцип Ле Шателье, кинетика реакции горения, балластирующий компонент.
Limits of stable combustion of petroleum gases
O.A. Zueva, N.L. Bachev, R.V Bulbovich
(Perm National Research Polytechnic University, RF, Perm)
E-mail: oksanochka_zueva@mail.ru
Key words: petroleum gas, the concentration limits of combustion, Le Chatelier's principle, kinetics of reaction of the combustion, ballasting component.
The article describes the determination of the ranges of excess air factor, which provide steady burning dissimilar in composition petroleum gases with high content of nitrogen at their disposal in gas-turbine installation to generate electric energy. Concentration limits of burning at real modes of submission of the oxidant and fuel in multi-zone combustion chamber obtained by the method of Le Chatelier's and the method taking into account the kinetics of combustion. Comparison of the obtained results showed that applies the least time-consuming method Le Chatelier's principle, with sufficient accuracy for the adoption of technical solutions. The authors propose organization of the combustion process in the first zone when the excess air ratio of the obtained ranges in developing a unified multi-zone combustion chamber comprising a gas turbine plant. Flammability limit for oil produced gas with a nitrogen content of up to 60%, produced a public company LUKOIL -PERM and the RITEK - Uraloil in the fields of the Perm region.
В газотурбинных установках (ГТУ) для утилизации нефтяного газа с выработкой электрической и тепловой энергии температура газа перед не-охлаждаемой турбиной обычно принимается равной 700-950 °С исходя из работоспособности ее лопаток [1, 2]. При таких условиях невозможна организация устойчивого горения. В многозонной камере сгорания устойчивое горение достигается при соотношении компонентов, близком к стехиометрическому, а допустимая температура на входе в турбину достигается в зонах дожигания подводом вторичного воздуха [3]. Это позволяет обеспечить высокий ресурс ГТУ при утилизации разнородных по составу неподготовленных нефтяных газов различных месторождений.
При повышении различия составов топливной смеси и стехиометрического возрастают потери тепла из зоны пламени на нагрев избытка компонента. Это снижает тепловой эффект реакции, скорость распространения пламени и охлаждает зону горения. При уменьшении количества горючего (бедные смеси) или окислителя (богатые смеси) ниже критического значения пламя гаснет на некотором расстоянии от места его инициирования, либо такую смесь невозможно поджечь внешним импульсом тепла. Для смесей окислителя и горючего принято различать верхнюю и нижнюю предельные концентрации горючего. Концентрационные пределы горения не являются физико-химическими константами топлива, а зависят от его состава, начальной температуры и давления газовоздушной смеси [4, 5]. С повышением начальной температуры концентрационный диапазон воспламенения увеличивается, поскольку в смесь вносится внешнее физиче-
ское тепло. При подогреве смеси до температуры воспламенения она загорается при любом соотношении количества газа и воздуха. Изменение начального давления смеси по-разному влияет на концентрационные пределы воспламенения.
Экспериментальные данные о концентрационных пределах горения получены в основном для индивидуальных газов, кроме того, даже в справочниках для хорошо исследованных веществ имеются различия по концентрационным пределам. Для разнородных по составу нефтяных газов различных месторождений можно использовать расчетный метод Ле Шателье [4] и метод, учитывающий кинетику реакции горения (ГОСТ 12.1.039-82 «Пожарная безопасность. Методы расчета концентрационных пределов воспламенения газов и паров»).
Методы расчета концентрационных пределов
горения
Пределы воспламенения сложных газов, состоящих из нескольких горючих газов, зависят от пределов их воспламенения и могут быть определены по методу Ле Ша-телье [4]. Нижний или верхний предел воспламенения горючей части нефтяного газа определяется по формуле
L = -
(1)
L1 L2
где г1, г2, ...гп - объемное содержание горючих компонентов в нефтяном газе, %; L1, L2, ..Хп - верхний или нижний предел воспламенения горючих компонентов, %.
Г
Г
n
n
Для забалластированного нефтяного газа верхний или нижний предел воспламенения рассчитывается по формуле
Таблица 1
1 + -
1 - Г
Ь--1—6--100%,
о г
100 + Ь ■
(2)
1 - г
где Гб - объемная доля общего содержания балластирующих компонентов в составе газа.
Коэффициент избытка воздуха на верхнем или нижнем пределе воспламенения рассчитывается по уравнению
а-, 100 -11
1 Ь 0 К.„
(3)
Компонентный состав ¿н, % ¿в, % Объемное содержание компонента в нефтяном газе, %, месторождения
1 2 3 4
СН4 5,0 15,0 12,56 51,50 25,89 23,19
С2Н6 3,2 12,5 26,01 12,80 10,94 11,81
С3Н8 2,3 9,5 36,78 8,36 14,59 14,77
'"С4Н10 1,8 8,4 3,65 1,09 3,7 2,34
п-С4Н,„ 1,7 8,5 10,18 2,07 5,78 4,82
'"С5Н12 1,5 7,8 2,20 0,55 2,57 1,12
П-С5Н12 1,4 7,8 2,14 0,40 1,63 0,79
С6Н14 1,0 8,0 5,39 0,33 1,63 0,36
Н2Э 4,5 45,0 0,07 0,14 0,02 0,07
Н2 6,2 71,4 - - - 0,05
N2 - - 0,90 21,85 32,68 38,84
со2 - - 0,13 0,85 0,58 1,75
Не - - - 0,06 - -
где Км - стехиометрическое объемное соотношение воздуха и нефтяного газа.
При температуре подачи нефтяного газа в камеру сгорания энергоустановки от 25 до 150 °С нижний и верхний пределы распространения пламени вычисляются соответственно по следующим формулам работы [5]:
Коэффициенты избытка воздуха при сжигании забалластированного нефтяного газа на нижнем и верхнем пределах воспламенения соответственно ан б и ав б при стандартной температуре, соответственно а*н б и а(в б при температуре подачи вычисляются аналогично методу Ле Шателье.
Ь - Ь.
Ь - Ь
г - 25 1250
г - 25 800
(4)
(5)
где Ьн б, Ьв б - соответственно нижний и верхний предел воспламенения забалластированного нефтяного газа, %.
Более точные значения концентрационных пределов горения по сравнению с методом Ле Шателье могут быть получены при анализе кинетики реакции горения (ГОСТ 12.1.039-82).
Нижний и верхний пределы воспламенения забалластированного нефтяного газа рассчитываются соответственно по формулам
1„.о -100/[1 + А - 0,01 -(0,988 ■ г^ +1,59 ■ гШг + +1,247 ■ Гн2о + Го2 мег,)],
100
со2 и2о
В + -
'1 - А )-(1 - КФ
(6) (7)
фф
где А = Зг/Ь^-, В = Ъг/Ь^ - коэффициенты; Ь^, - соответственно нижний и верхний предел воспламенения }-го горючего компонента; ^ - объемное содержание }-го горючего компонента в составе нефтяного газа; Кф -общий коэффициент флегматизации; фф - флегматизи-рующее содержание всех инертных компонентов нефтяного газа [6].
Анализ полученных результатов
Нефтяные газы разных месторождений заметно различаются по составу. Анализ их компонентных составов 15 месторождений Пермского края показал, что содержание балластирующих компонентов (N2, С02, Не) может достигать более 40 % в основном за счет содержания N2. В качестве примера в табл. 1 приведены компонентные составы нефтяных газов четырех месторождений, а также нижние Ьн и верхние Ьв пределы воспламенения горючих компонентов.
На примере нефтяного газа месторождения 4 с максимальным объемным содержанием балластирующих компонентов 40,6 % проведены расчеты по обоим методам при Км = 15,6, I = 60 °С. Сравнение результатов показало, что коэффициенты избытка воздуха при стандартной температуре отличаются на 3-12 %, а с учетом температуры подачи горючего - на 0,5-3 %. Поэтому с достаточной для принятия решений точностью в дальнейшем целесообразно применение менее трудоемкого мег о да Ле Шателье.
В табл. 2 представлены результаты расчета концентрационных пределов горения нефтяных газов четырех месторождений с объемным содержанием балластирующих компонентов 1,03-40,6 %, полученные методом Ле Шателье при температуре подачи 60 °С, давлении подачи окислителя 0,43 МПа и давлении подачи горючего 0,5 МПа [3].
Влияние содержания балластирующих компонентов и условий подачи на концентрационные пределы горения рассмотрено на примере нефтяного газа месторождения 4. Содержание балластирующих компонентов увеличивает пределы Ьн и Ьв соответственно на 40 и 36 % или снижает коэффициенты ан и ав на 41 %. Таким образом, диапазон устойчивого горения Да уменьшился на 41 %, и для обеспечения устойчивого горения требуется увеличение расхода горючего. Учет температуры подачи
г
о
.о
НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО
06'2014 65
Таблица 2
Параметры Нефтяной газ месторождения
1 2 3 4
Объемное содержание балластирующих компонентов, % 1,03 22,76 33,26 40,59
Объемное стехиометрическое соотношение компонентов 25,118 12,658 16,975 15,632
Объемный
концентрационный предел горючей части нефтяного газа, %:
нижний 2,30 3,72 2,68 2,88
верхний 10,25 13,14 11,12 11,44
Коэффициент избытка воздуха на концентрационном пределе горючей части:
нижнем 1,692 2,046 2,139 2,156
верхнем 0,348 0,522 0,471 0,495
Объемный
концентрационный предел забалластированного нефтяного газа, %:
нижний 2,32 4,76 3,96 4,77
верхний 10,35 16,38 15,79 17,90
Коэффициент избытка воздуха на концентрационном пределе забалластированного нефтяного газа:
нижнем 1,675 1,580 1,428 1,277
верхнем 0,345 0,403 0,314 0,293
Объемный
концентрационный предел забалластированного нефтяного газа при температуре подачи, %:
нижний 2,26 4,63 3,85 4,64
верхний 9,90 15,67 15,10 17,12
Коэффициент избытка воздуха на концентрационном пределе забалластированного нефтяного газа при температуре подачи:
нижнем 1,724 1,628 1,471 1,316
верхнем 0,362 0,425 0,331 0,310
забалластированного нефтяного газа уменьшает пределы Lн и 1в соответственно на 3 и 4 % или увеличивает коэффициенты ан и ав соответственно на 3 и 5 %. Диапазон устойчивого горения Да возрастает на 2 %, следовательн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.