Горелки

Соотношение газ-воздух

Наддувная горелка отличается тем, что воздух подаётся вентилятором (с избыточным давлением), а значит соотношение газ–воздух определяется не тягой и подсосами, а согласованной работой воздушного тракта, газовой арматуры и системы управления. Это повышает повторяемость и расширяет диапазон модуляции, но делает критически важными: правильную настройку (lambda), динамику регулирования и контроль по дымовым газам.

Ниже — систематизированная «учебниковая» логика для наддувных горелок (подход, характерный для инженерных руководств по горелкам: от стехиометрии к схемам регулирования и пуско-наладке).

Горелочная техника · природный газ · диффузионное пламя

Соотношение газ–воздух в наддувных горелках с диффузионным пламенем

Техническая версия статьи с инженерной подачей: формулы, расчетные ориентиры, таблицы по O₂, CO₂, λ и практические рекомендации для двухходовых и трехходовых жаротрубных котлов.

Исходные данные Расход воздуха O₂ / CO₂ / λ Регулирование 2-ход / 3-ход Итоги

1. Введение

Для наддувной газовой горелки с диффузионным пламенем соотношение газ–воздух определяет устойчивость воспламенения, форму факела, уровень неполного сгорания, запас по безопасности и фактическую экономичность работы котла.

В инженерной практике настройка не сводится к одной цифре по кислороду в дымовых газах. Реально согласуются три подсистемы:

горелка;
топочная камера котла;
газовый и воздушный тракты во всем диапазоне нагрузки.

Практический тезис

Правильная настройка — это не «минимально возможный O₂», а минимально возможный избыток воздуха, при котором сохраняются устойчивое горение, низкий CO, приемлемая форма факела и эксплуатационный запас.

Наверх ↑

2. Принятые исходные данные

Рассматривается наддувная горелка с диффузионным пламенем на природном газе, установленная на жаротрубном котле среднего объема топки, типичном для европейских котлов классов Bosch, Loos, Viessmann и аналогов.

H_i ≈ 9,3 кВт·ч/Нм³ Низшая теплота сгорания природного газа

L₀ ≈ 9,6 Нм³/Нм³ Теоретический расход воздуха на 1 Нм³ газа

λ ≈ 1,14–1,16 Типичный коэффициент избытка воздуха при O₂ около 3%

O₂ ≈ 3% Практическая целевая точка на номинальной нагрузке

Обозначения

H_i — низшая теплота сгорания топлива;
Q_f — тепловая мощность, подводимая с топливом, кВт;
V_g — расход газа, Нм³/ч;
V_a — расход воздуха, Нм³/ч;
L₀ — теоретически необходимый воздух;
L — действительный воздух на 1 Нм³ газа;
λ — коэффициент избытка воздуха.

Наверх ↑

3. Особенность именно диффузионной горелки

В диффузионной горелке газ и воздух не образуют полностью однородную смесь до начала горения. Основное смешение происходит у головки горелки и далее в факеле, уже внутри топки.

Инженерные следствия

для полного сгорания нужен эксплуатационный избыток воздуха;
слишком малый запас быстро приводит к росту CO;
форма факела зависит от скорости и крутки воздуха, давления в топке и геометрии камеры;
настройка только по давлению газа недостаточна без анализа дымовых газов.

Для диффузионной горелки нельзя ориентироваться на сверхнизкие значения O₂, характерные для хорошо настроенных систем предварительного смешения. Здесь обязателен запас по воздуху.

Наверх ↑

4. Теоретический и действительный расход воздуха

4.1. Теоретически необходимый воздух

Для природного газа, близкого по составу к метановому, теоретическое количество воздуха принимают в диапазоне 9,5–10,0 Нм³ воздуха на 1 Нм³ газа. Для расчетов удобно использовать:

L₀ ≈ 9,6 Нм³ воздуха / 1 Нм³ газа

4.2. Действительный расход воздуха

Реальный расход воздуха всегда больше стехиометрического и определяется через коэффициент избытка воздуха:

L = λ × L₀

Номинальная нагрузка

λ ≈ 1,12–1,20

Практически рабочий диапазон для наддувной диффузионной горелки.

Малая нагрузка

λ ≈ 1,20–1,25

Избыток воздуха обычно выше из-за ухудшения смесеобразования.

Практический ориентир

Значение O₂ около 3% в сухих дымовых газах обычно соответствует λ порядка 1,14–1,16, то есть избытку воздуха примерно 14–16%.

Наверх ↑

5. Связь между O₂, CO₂, λ и эффективностью

Основной практический инструмент контроля соотношения газ–воздух — анализ дымовых газов. Наличие кислорода в сухих дымовых газах означает, что воздуха подано больше стехиометрически необходимого.

При росте O₂ увеличивается избыток воздуха и растут потери с уходящими газами. При чрезмерном снижении O₂ у диффузионной горелки быстро растет CO и снижается стабильность горения.

O₂, % сух.	Примерный λ	CO₂, % сух.	Практическая оценка
2,0	~1,09	~10,7	Для диффузионной горелки часто уже слишком «острая» настройка
2,5	~1,12	~10,3	Допустимо при устойчивом факеле и низком CO
3,0	~1,15	~10,0	Типичная практическая середина
3,5	~1,18	~9,8	Более консервативная настройка
4,0	~1,22	~9,4	Устойчиво, но воздух уже избыточен

Инженерный вывод

Для метанового газа максимальный CO₂ при стехиометрии составляет около 11,7% сухих. В реальной эксплуатации диффузионной горелки на котле обычно получают примерно 9,8–10,4% CO₂.

Наверх ↑

6. Как выбирают соотношение газ–воздух

Оптимальная точка определяется не одной цифрой, а совокупностью факторов:

конструкция головки горелки;
характер завихрения воздушного потока;
давление воздуха перед головкой;
давление газа и характеристика газовой арматуры;
сопротивление котла;
геометрия и объем топки;
допустимая длина и диаметр факела;
диапазон регулирования нагрузки.

Базовый принцип

Настройку выбирают так, чтобы избыток воздуха был минимально возможным, но при этом во всем диапазоне нагрузки сохранялись:

надежное воспламенение;
устойчивый факел;
низкий CO;
отсутствие пульсаций;
отсутствие касания факелом стенок и разворотной зоны.

Ошибка настройки «по минимуму O₂» опасна тем, что при изменении давления газа, температуры воздуха, противодавления в топке или загрязнении воздушного тракта горелка быстро уходит в режим неполного сгорания.

Наверх ↑

7. Пример расчета для 1 МВт тепловой мощности

7.1. Расход газа

V_g = Q_f / H_i

V_g = 1000 / 9,3 ≈ 107,5 Нм³/ч

7.2. Действительный расход воздуха

L = λ × L₀ = 1,15 × 9,6 ≈ 11,0 Нм³ воздуха / Нм³ газа

V_a = V_g × L = 107,5 × 11,0 ≈ 1180 Нм³/ч

107,5

Нм³/ч газа при 1 МВт

1180

Нм³/ч воздуха при λ ≈ 1,15

≈ 3%

Целевой O₂ на номинале

Что это означает practically

Для 1 МВт входной тепловой мощности стартовая инженерная точка настройки — примерно 107,5 Нм³/ч газа, 1180 Нм³/ч воздуха и около 3% O₂ в сухих дымовых газах, с последующим уточнением по CO, форме факела и устойчивости горения.

Наверх ↑

8. Контроль подачи воздуха относительно расхода газа

Система регулирования должна обеспечивать согласованное изменение расхода воздуха и расхода газа во всем диапазоне нагрузки.

8.1. Основные подходы

механическая связка «газ–воздух»;
раздельные сервоприводы с электронной картой;
электронное соотношение с коррекцией по O₂.

8.2. Механическая связка

Один сервопривод через кулачки или рычажную систему одновременно управляет воздушной заслонкой и газовым клапаном.

плюсы: простота, надежность, распространенность;
минусы: ограниченная гибкость, влияние люфтов и допусков, сложность точной настройки промежуточных точек.

8.3. Электронное безрычажное регулирование

Более современный вариант — отдельные сервоприводы воздуха и газа с электронной картой по нагрузкам. Такой подход дает более точное удержание кривой газ–воздух и удобнее для средних и крупных котлов.

8.4. Коррекция по O₂

Система O₂-trim не создает правильное горение сама по себе, а лишь подправляет уже корректно настроенную базовую карту.

Датчик O₂ не заменяет инженерную наладку. Сначала формируют устойчивую базовую характеристику газ–воздух, и только потом допускают небольшую эксплуатационную коррекцию.

Наверх ↑

9. Как practically настраивают горелку

9.1. Сначала максимальная нагрузка

На номинале добиваются одновременно:

правильной формы факела;
низкого CO;
приемлемого O₂;
отсутствия пульсаций;
отсутствия перегрева задней части топки.

9.2. Затем малая нагрузка

На малом огне обычно требуется несколько больший избыток воздуха из-за ухудшения смесеобразования, изменения рециркуляции и более высокой чувствительности факела к положению головки.

9.3. Далее промежуточные точки

Обязательно проверяют середину диапазона нагрузок, чтобы исключить:

локальные зоны переобогащения;
скачок CO;
вибрации;
срыв или нестабильность факела.

9.4. Что измеряют при наладке

O₂;
CO;
CO₂;
температуру дымовых газов;
давление газа;
давление воздуха;
давление в топке или за горелкой;
параметры вентилятора, если установлен ЧРП.

Типовая логика наладки

Максимальная нагрузка → малая нагрузка → промежуточные точки → контроль стабильности и повторяемости.

Наверх ↑

10. Целевые значения O₂ для данного класса котлов

Режим	Рекомендуемый O₂	Комментарий
Номинальная нагрузка	2,8–3,3%	Типичный рабочий диапазон
Практическая середина	Около 3,0%	Хорошая базовая цель для старта
Малая нагрузка	3,5–4,5%	Часто нужен больший избыток воздуха

По CO для хорошо настроенной газовой горелки следует стремиться к очень низким значениям — обычно к единицам или десяткам ppm. Если при снижении O₂ начинается рост CO, значит достигнут предел по избытку воздуха для данной комбинации «горелка–котел».

Наверх ↑

11. Разница между двухходовым котлом с реверсивной топкой и трехходовым

Химическая стехиометрия одинакова, но различаются аэродинамика топки, требования к форме факела и чувствительность к противодавлению. Именно поэтому одна и та же горелка на разных котлах требует разной настройки кривой газ–воздух.

11.1. Двухходовой котел с реверсивной топкой

более высокая чувствительность к форме и длине факела;
важна мягкость факела и контролируемый разворот в задней зоне;
на номинале часто целесообразно держать O₂ ближе к 3,0–3,5%;
на малом огне — обычно 3,8–4,5%.

11.2. Трехходовой котел

аэродинамика первого хода обычно более предсказуема;
меньше чувствительность к развороту факела;
часто допустима более плотная настройка по воздуху: O₂ порядка 2,5–3,0% на номинале;
на малом огне — примерно 3,3–4,2%.

Параметр	Двухходовой с реверсивной топкой	Трехходовой
Чувствительность к форме факела	Выше	Обычно ниже
Требование к «мягкости» факела	Выражено сильнее	Обычно умереннее
Типичный O₂ на номинале	3,0–3,5%	2,5–3,0%
Типичный O₂ на малом огне	3,8–4,5%	3,3–4,2%
Работа с минимальным избытком воздуха	Обычно ограниченнее	Обычно лучше

Главный тезис

Число ходов не меняет стехиометрию, но заметно влияет на допустимую аэродинамическую настройку горелки.

Наверх ↑

12. Что важнее самой цифры O₂

В практической эксплуатации правильная настройка определяется не только уровнем кислорода в дымовых газах.

Критерии правильного режима

устойчивое воспламенение;
устойчивый факел на всех ступенях;
низкий CO;
отсутствие пульсаций;
отсутствие касания факелом стенок и разворотной зоны;
приемлемая температура уходящих газов;
наличие эксплуатационного запаса по воздуху.

Наверх ↑

13. Итоговые практические рекомендации

Базовые инженерные ориентиры

теоретический воздух: около 9,6 Нм³/Нм³ газа;
при O₂ около 3%: λ ≈ 1,15;
действительный воздух: около 11,0 Нм³/Нм³ газа.

Практическая цель по котлам

общий стартовый ориентир на номинале: O₂ около 3,0%;
для двухходового котла с реверсивной топкой: 3,0–3,5%;
для трехходового котла: 2,5–3,0%;
на малом огне значение O₂ обычно должно быть выше;
окончательная настройка обязательно подтверждается по анализатору дымовых газов.

Финальный вывод

Для наддувной горелки с диффузионным пламенем правильное соотношение газ–воздух — это не рекордно низкий O₂, а минимально возможный избыток воздуха при устойчивом, безопасном и низкоэмиссионном горении во всем диапазоне нагрузки.

Наверх ↑

Соотношение газ–воздух в наддувных горелках с диффузионным пламенем

Отboiler