การควบคุมการเผาไหม้ในเตาแก๊สธรรมชาติ: อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง อากาศส่วนเกิน และการวิเคราะห์การเผาไหม้

การควบคุมการเผาไหม้ในเตาแก๊สธรรมชาติ: อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง อากาศส่วนเกิน และการวิเคราะห์การเผาไหม้

การควบคุมการเผาไหม้เป็นส่วนที่ถูกมองข้ามมากที่สุดในการทำงานของเตาแก๊ส เตาแก๊สส่วนใหญ่ทำงานโดยมีอากาศมากเกินไป ทำให้สิ้นเปลืองเชื้อเพลิงและลดประสิทธิภาพ การปรับแต่งหัวเผาอย่างเหมาะสมด้วยอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงที่ถูกต้องจะช่วยประหยัดเชื้อเพลิงได้ 5 ถึง 15 เปอร์เซ็นต์ และลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) ได้ 20 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ การปรับแต่งนั้นไม่ซับซ้อน แต่ต้องใส่ใจในรายละเอียดและตรวจสอบอย่างสม่ำเสมอ นี่คือกรอบการทำงานที่ผมใช้ในการตรวจสอบการทำงานของเตาแก๊ส

หลักการพื้นฐานทางเคมีของการเผาไหม้

ก๊าซธรรมชาติส่วนใหญ่ประกอบด้วยมีเทน (CH4) และมีอีเทน โพรเพน และก๊าซเฉื่อยในปริมาณเล็กน้อย ปฏิกิริยาการเผาไหม้สมบูรณ์กับออกซิเจนบริสุทธิ์คือ:

CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O

ในทางปฏิบัติ อากาศสำหรับการเผาไหม้เป็นส่วนผสมของออกซิเจน (21 เปอร์เซ็นต์) และไนโตรเจน (79 เปอร์เซ็นต์) อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงตามหลักสโตอิคิโอเมตริกสำหรับก๊าซธรรมชาติคือ 9.5 ถึง 10.5 ลูกบาศก์เมตรของอากาศต่อลูกบาศก์เมตรของก๊าซ ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของก๊าซ อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงที่เกิดขึ้นจริงในเตาเผาจะสูงกว่าอัตราส่วนตามหลักสโตอิคิโอเมตริกเสมอ เนื่องจากจำเป็นต้องมีอากาศส่วนเกินบางส่วนเพื่อให้แน่ใจว่าการเผาไหม้สมบูรณ์

อากาศส่วนเกินคืออากาศที่จ่ายเกินกว่าปริมาณที่ต้องการตามสัดส่วนทางเคมี โดยแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของปริมาณอากาศตามสัดส่วนทางเคมี ตัวอย่างเช่น อากาศส่วนเกิน 10 เปอร์เซ็นต์ หมายความว่าอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงจริงเป็น 1.10 เท่าของอัตราส่วนตามสัดส่วนทางเคมี

เหตุใดอากาศส่วนเกินจึงมีความสำคัญ

อากาศส่วนเกินบางส่วนมีความจำเป็นเพื่อให้การเผาไหม้สมบูรณ์ หากมีอากาศน้อยเกินไป การเผาไหม้จะไม่สมบูรณ์ และก๊าซไอเสียจะมีคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) และไฮโดรคาร์บอนที่เผาไหม้ไม่หมด ซึ่งคาร์บอนมอนอกไซด์และไฮโดรคาร์บอนที่เผาไหม้ไม่หมดเหล่านี้ถือเป็นเชื้อเพลิงที่สูญเสียไปและเป็นปัญหาด้านกฎระเบียบ

หากมีอากาศมากเกินไป อากาศส่วนเกินจะดูดความร้อนจากเปลวไฟและนำความร้อนนั้นออกไปทางท่อไอเสีย อุณหภูมิของก๊าซไอเสียจะสูงขึ้น และประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงจะลดลง ปริมาณอากาศส่วนเกินที่เหมาะสมคือค่าต่ำสุดที่ทำให้เกิดการเผาไหม้สมบูรณ์โดยมีปริมาณคาร์บอนมอนอกไซด์ต่ำ

สำหรับเตาเผาก๊าซธรรมชาติ ปริมาณอากาศส่วนเกินที่เหมาะสมที่สุดคือ 5 ถึง 10 เปอร์เซ็นต์สำหรับเตาเผาความเร็วสูง และ 10 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์สำหรับเตาเผาแบบบรรยากาศความเร็วต่ำ ปริมาณการปล่อยก๊าซ CO ควรต่ำกว่า 50 ppm (ปรับแก้ตามปริมาณ O2 3 เปอร์เซ็นต์) ที่สภาวะที่เหมาะสมที่สุด

อากาศส่วนเกินส่งผลต่อประสิทธิภาพอย่างไร

ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณอากาศส่วนเกินและประสิทธิภาพนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง การลดปริมาณอากาศส่วนเกินจาก 20 เปอร์เซ็นต์เหลือ 10 เปอร์เซ็นต์ จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงได้ 3 ถึง 5 เปอร์เซ็นต์ การลดจาก 10 เปอร์เซ็นต์เหลือ 5 เปอร์เซ็นต์ จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพได้อีก 1 ถึง 2 เปอร์เซ็นต์ แต่หากปริมาณอากาศส่วนเกินต่ำกว่า 5 เปอร์เซ็นต์ การปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และความเสี่ยงของการเผาไหม้ไม่สมบูรณ์จะกลายเป็นปัญหาด้านความปลอดภัยและคุณภาพ

สำหรับเตาแก๊สขนาด 5 เมกะวัตต์ที่ทำงาน 6,000 ชั่วโมงต่อปี การเพิ่มประสิทธิภาพขึ้น 5 เปอร์เซ็นต์จะช่วยประหยัดพลังงานเชื้อเพลิงได้ 250 กิโลวัตต์ ซึ่งเท่ากับก๊าซธรรมชาติ 1.5 ล้านกิโลวัตต์ชั่วโมงต่อปี หากคิดราคาที่ 0.40 ดอลลาร์สหรัฐต่อลูกบาศก์เมตร จะสามารถประหยัดค่าใช้จ่ายด้านเชื้อเพลิงได้ 150,000 ถึง 200,000 ดอลลาร์สหรัฐต่อปี

ขั้นตอนการวิเคราะห์การเผาไหม้

การวิเคราะห์การเผาไหม้ทำโดยใช้เครื่องวิเคราะห์ก๊าซไอเสียแบบพกพา เครื่องวิเคราะห์จะวัดปริมาณ O2, CO, CO2, NO, NO2 และอุณหภูมิในก๊าซไอเสีย การวิเคราะห์ใช้เวลา 30 ถึง 60 นาทีต่อหัวเผา และขั้นตอนมีดังนี้:

1. เริ่มเดินเครื่องเตาและปรับอุณหภูมิให้ถึงระดับใช้งาน

2. 2. สอดหัววัดเข้าไปในกระแสไอเสียใกล้กับหัวเผา

3. 3. บันทึกองค์ประกอบของก๊าซไอเสียที่อัตราการเผาไหม้ปัจจุบัน

4. 4. ปรับอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงเพื่อให้ค่า O2 เป็นไปตามค่าเป้าหมาย

5. 5. ตรวจสอบว่าระดับ CO ต่ำกว่าขีดจำกัด (โดยทั่วไปคือ 50 ppm เมื่อปรับค่าให้เป็น 3 เปอร์เซ็นต์ O2)

6. 6. ทำซ้ำขั้นตอนนี้สำหรับอัตราการยิงแต่ละค่าในช่วงการทำงาน

ปริมาณออกซิเจนเป้าหมายสำหรับหัวเผาแบบรีคิวเพอเรทีฟความเร็วสูงคือ 3 ถึง 5 เปอร์เซ็นต์ (ซึ่งเทียบเท่ากับอากาศส่วนเกิน 15 ถึง 25 เปอร์เซ็นต์) สำหรับหัวเผาแบบลด NOx ที่มี FGR ปริมาณออกซิเจนเป้าหมายคือ 5 ถึง 8 เปอร์เซ็นต์ และปริมาณคาร์บอนมอนอกไซด์ควรต่ำกว่า 50 ppm ที่ระดับออกซิเจนเป้าหมายนี้

หากค่า CO สูงกว่า 50 ppm ที่ระดับ O2 เป้าหมาย แสดงว่าต้องตรวจสอบและซ่อมบำรุงหัวเผา สาเหตุที่พบบ่อยที่สุดที่ทำให้ค่า CO สูง ได้แก่: ช่องหัวเผาสึกหรอ (เปลี่ยนหัวเผา), ช่องหัวเผาสกปรก (ทำความสะอาดหัวเผา) และอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงไม่ถูกต้อง (ปรับเทียบตัวควบคุมอัตราส่วนใหม่)

ปัญหาการเผาไหม้ที่พบได้ทั่วไป

ปัญหาที่ 1: ปริมาณอากาศมากเกินไป อาการคือมีออกซิเจนในไอเสียสูง (เกิน 5 เปอร์เซ็นต์สำหรับหัวเผาความเร็วสูง) อุณหภูมิไอเสียสูง และประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงต่ำ สาเหตุมักเกิดจากการปรับอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงไม่ถูกต้อง วาล์วควบคุมอากาศรั่ว หรือหัวเผาไม่ตรงแนว วิธีแก้ไขคือปรับอัตราส่วนใหม่ ซ่อมแซมวาล์วควบคุมอากาศ หรือปรับแนวหัวเผาใหม่

ปัญหาที่ 2: ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) สูงเกินไป อาการคือมีก๊าซ CO เกิน 50 ppm ในไอเสีย มีควันในไอเสีย และอาจมีเขม่าเกาะบนชิ้นงาน สาเหตุมักเกิดจากอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงต่ำเกินไป (อากาศน้อยเกินไป) หัวเผาสึกหรอ หรือช่องอากาศเข้าอุดตัน วิธีแก้ไขคือเพิ่มปริมาณอากาศ เปลี่ยนหัวเผา หรือทำความสะอาดช่องอากาศเข้า

ปัญหาที่ 3: ปริมาณ NOx สูงเกินไป อาการคือมี NO เกิน 100 ppm ในไอเสีย สาเหตุมักเกิดจากอัตราการเผาไหม้สูงเกินไปโดยมี FGR ไม่เพียงพอ หัวเผาไม่ตรงแนว หรือการตั้งค่าอากาศส่วนเกินสูงเกินไป วิธีแก้ไขคือติดตั้งหรือปรับ FGR ใหม่ ปรับแนวหัวเผา หรือลดปริมาณอากาศส่วนเกิน

ปัญหาที่ 4: การเผาไหม้ไม่สม่ำเสมอ อาการคืออุณหภูมิเตาเผาผันผวน ปริมาณออกซิเจนในไอเสียผันผวน และความร้อนไม่สม่ำเสมอ สาเหตุมักเกิดจากตัวควบคุมอัตราส่วนสึกหรอ วาล์วควบคุมอากาศรั่ว หรือแรงดันแก๊สผันผวน วิธีแก้ไขคือเปลี่ยนตัวควบคุม ซ่อมแซมวาล์วควบคุมอากาศ หรือติดตั้งตัวควบคุมแรงดันแก๊ส

ระบบควบคุมอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง

ระบบควบคุมเตาแก๊สสมัยใหม่ใช้ตัวควบคุมอัตราส่วนแบบจำกัดไขว้เพื่อรักษาสัดส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงให้อยู่ในระดับที่เหมาะสมตลอดช่วงการเผาไหม้ทั้งหมด การออกแบบแบบจำกัดไขว้จะเชื่อมต่อวาล์วอากาศและวาล์วแก๊สเข้าด้วยกัน เพื่อให้อากาศนำหน้าแก๊สเล็กน้อยเสมอ (หรือตามหลังเล็กน้อย ขึ้นอยู่กับประเภทของหัวเผา) ซึ่งจะช่วยป้องกันไม่ให้หัวเผาเผาไหม้แบบบางเกินไปเมื่อเพิ่มการเผาไหม้ หรือเผาไหม้แบบหนาเกินไปเมื่อลดการเผาไหม้

ตัวควบคุมอัตราส่วนใช้มิเตอร์วัดการไหลของเชื้อเพลิง (หรือสัญญาณความดันก๊าซ) และมิเตอร์วัดการไหลของอากาศเพื่อคำนวณอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงที่แท้จริง อัตราส่วนที่คำนวณได้จะถูกเปรียบเทียบกับค่าเป้าหมาย และตัวปรับปริมาณอากาศจะถูกปรับเพื่อรักษาระดับให้เป็นไปตามเป้าหมาย ตัวควบคุมยังมีอินพุตการปรับแต่งจากเครื่องวิเคราะห์ O2 ซึ่งใช้แก้ไขการเปลี่ยนแปลงระยะยาวของอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง

ตัวควบคุมอัตราส่วนที่ปรับแต่งมาอย่างดีจะรักษาอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงให้อยู่ภายใน 2 เปอร์เซ็นต์ของค่าเป้าหมายตลอดช่วงการยิงทั้งหมด ในทางกลับกัน ตัวควบคุมที่ปรับแต่งไม่ดีอาจคลาดเคลื่อนได้ถึง 10 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ ส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลงและปล่อยมลพิษมากขึ้น

การปรับแต่งระบบเผาไหม้ประจำปี

MONTE INTELLIGENCE แนะนำให้ทำการปรับแต่งระบบการเผาไหม้ประจำปีสำหรับเตาแก๊สทุกเครื่อง การปรับแต่งนี้จะดำเนินการโดยวิศวกรบริการ และรวมถึง: การวิเคราะห์การเผาไหม้ของหัวเผาแต่ละตัวที่อัตราการเผาไหม้สามระดับ (ต่ำ ปานกลาง สูง) การปรับเทียบตัวควบคุมอัตราส่วน การตรวจสอบตัวจุดไฟและแท่งเปลวไฟ และการตรวจสอบแดมเปอร์อากาศและวาล์วแก๊ส การปรับแต่งใช้เวลา 1 ถึง 2 วันต่อเตา และโดยทั่วไปจะประหยัดพลังงานได้ 3 ถึง 8 เปอร์เซ็นต์ใน 12 เดือนถัดไป

ค่าใช้จ่ายในการตรวจเช็คและปรับแต่งเครื่องจะคืนทุนได้ภายใน 1-3 เดือนจากการลดต้นทุนเชื้อเพลิง การตรวจเช็คและปรับแต่งเครื่องยังช่วยระบุปัญหาของหัวเผาและระบบควบคุมที่อาจทำให้เกิดการหยุดทำงานโดยไม่คาดคิดหากปล่อยทิ้งไว้โดยไม่แก้ไข

ปรึกษา MONTE INTELLIGENCE เกี่ยวกับการปรับแต่งการเผาไหม้

สำหรับผู้ซื้อที่สนใจการปรับแต่งระบบเผาไหม้ของเตาแก๊สที่มีอยู่แล้ว ฝ่ายวิศวกรรมของ MONTE INTELLIGENCE สามารถนัดหมายเข้าตรวจสอบและจัดทำรายงานเป็นลายลักษณ์อักษรพร้อมผลการทดสอบและคำแนะนำในการปรับแต่งได้ เยี่ยมชมเว็บไซต์www.cnlymonte.com/products-gas-furnace.html สำหรับข้อมูลจำเพาะของผลิตภัณฑ์ หากต้องการขอรับบริการ โปรดส่งอีเมลไปที่ helenxu@cnlymonte.com โดยระบุหัวข้ออีเมลว่า "combustion tune-up" พร้อมรายละเอียดเกี่ยวกับประเภทเตา รุ่นหัวเผา และต้นทุนเชื้อเพลิงปัจจุบันของคุณ