Навигация
1. НАЗНАЧЕНИЕ
Предлагаемая горелка может быть использована в технологических и энергетических установках, использующих сжигание углеводородного топлива и, прежде всего, в установках, работающих в экстремальных условиях (при низких температурах, давлении, при использовании низкокалорийных топлив).
Использование новых принципов организации процесса горения при конструировании горелочных устройств позволит улучшить пусковые и рабочие характеристики камер сгорания путем интенсификации процесса подготовки и сжигания топливовоздушной смеси; обеспечить многотопливность энергоустановки.
2. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ.
В газотурбинных двигателях и газотурбинных установках:
эффективный розжиги обеспечение рабочего процесса основных и форсажных камер сгорания;
создание режима дежурного зажигания длительного непрерывного действия;
улучшение экологичности двигателя за счет предварительной подготовки топливовоздушной смеси.
В прямоточных воздушно-реактивных двигателях: розжиг камеры сгорания;
стабилизация горения топливовоздушной смеси,
Розжиг и стабилизация горения газовых, мазутных и пылеугольных горелок топок теплоэнергоценралей.
В технологических процессах газопламенной обработки материалов в машиностроении ив химической промышленности.
Переработка экологически вредных отходов производств.
3. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ
Особенность конструкции является способность организовать рабочий процесс так, что пусковой стабилизирующий факел первой ступени поступает тангенциально во вторую ступень. Во второй ступени образуется сильно закрученный высокотемпературный поток, в который впрыскивается топливо из основной форсунки. Из второй ступени в жаровую трубу или топочную камеру выходит устойчивый стабилизированный факел, состоящий (в зависимости от коэффициента избытка воздуха) из продуктов сгорания и несгоревших компонентов топливо-воздущной смеси, которые дожигаются в жаровой трубе или в топочной камере.
4. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ
Расход сжатотого воздуха, г/с 5(60
Давление сжатого воздуха, МПа 0,15(0,6
Температура воздуха и топлива на входе в первую ступень,
не менее, (С-55
Давление топливо-воздушной смеси в разжигаемой камере сгорания, КПа 10,3(101,3
Топливо первой ступени жидкое или газообразное
Топливо второй ступени газообразное, жидкое, твердое измельченное
Диапазон надежного запуска и устойчивой работы по коэффициенту избытка воздуха 0,3(8,0)
Температура факела на срезе выходного сопла, (С) 700(2000)
НОВЫЙ СПОСОБ РАСШИРЕНИЯ ВОЗМОЖНОСТЕЙ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ВИХРЕВЫХ ГОРЕЛОК СО СТАНДАРТНЫМИ ЗАВИХРИТЕЛЯМИ
Все проблемы экологически безопасного и экономичного сжигания топлив на котлах тепловых электростанций, так или иначе, связаны с выбором и настройкой горелок. Причем всегда следует рассматривать оптимизацию всей системы «горелки-топка», включая систему сбросных воздушных сопел, расположенных на стенах топки выше горелок для подачи воздуха в разные зоны надгорелочного пространства. Конечно, имеем в виду не тривиальные неэффективные схемы так называемого двухстадийного сжигания и не всегда удачные схемы сжигания трехстадийного. Речь, конечно, далее пойдет о сложных современных и весьма индивидуальных схемах настройки топочного процесса, которые называют по-разному: двухзонным, просто стадийным или нестехиометрическим сжиганием. В любом случае, эти технологии предусматривают первичное сжигание топлива в несколько стадий при разном дефиците кислорода, что необходимо для управляемого образования и подавления оксидов азота (NOx) разных групп (быстрых, топливных, термических). Для этого в индивидуальном факеле каждой горелки необходимо осознано управлять температурой и составом газовой атмосферы в отдельных зонах. Дожигание топлива, точнее восстановительной атмосферы производится в средней и даже в верхней части топки. Это, в свою очередь, требует создания эффективной аэродинамической схемы для тщательного смешения воздуха с потоком вязких почти ламинарно текущих топочных газов большой толщины. Удачная реализация подобной схемы обеспечивает в настоящее время достижение рекордных одновременно экологических и экономических характеристик топочного процесса на лучших зарубежных котлах.
Конкретная технология сжигания топлива на котлах по наиболее эффективным схемам нестехиометрического сжигания (наиболее принятая отечественная терминология) в топках котлов электростанций связана, прежде всего, с использованием совершенно определенных типов горелок с особыми схемами индивидуальной их настройки. Горелки для самой полной реализации подобных технологий должны, по нашему мнению, удовлетворять определенным требованиям. Выделим некоторые из них, на наш взгляд, самые важные.
Во-первых, это почти всегда вихревые горелки, гарантирующие самую надежную стабилизацию воспламенения и горения в индивидуальном факеле. Эти горелки позволяют дополнительно создавать в отдельных областях их факелов зон повышенной и пониженной интенсивности смешения механизмами турбулентности. Это условие всегда должно быть выполнено, так как без него трудно формировать специальные зоны факелов с нужными избытками воздуха и температурами, а настраивать и регулировать эти процессы трудно.
Поэтому, во-вторых, эти горелки должны обеспечивать регулирование интенсивности крутки формируемых ими потоков, - хотя бы части из них. Без этого нельзя оптимизировать размеры отмеченных выше зон индивидуального факела, а также его длину и угол раскрытия в топке. Без этого, в свою очередь, очень трудно влиять на теплотехнические характеристики результирующего факела в топке и на процессы теплообмена по газовому тракту котла.
В третьих, горелки должны формировать длинные факела сильно пониженной крутки. Эти удлиненные факела необходимы для достижения многих целей. Прежде всего, выделим время пребывания первичных продуктов, содержащих NOx, в восстановительной атмосфере. Обеспечив местные избытки воздуха в зоне горения на уровне значений 0,8-0,9 (часто всего это внешние и дальние участки индивидуального факела горелки), можно сильно ослабить процессы образования NOx. При этом они даже почти не будут зависеть (по Рослякову - МЭИ) от температуры, если она не слишком высока. Снижение крутки индивидуальных факелов вплоть до затухания (захлопывания) приосевого обратного тока может, по данным ряда зарубежных и отечественных работ 60-70-х годов, вызывать усиление турбулентного обмена в протяженной приосевой области факела. Это, на наш взгляд, особенно важно для подавления образования сажи (содержат канцерогены группы С20Н12) в области сжигании топлива с недостатком О2, особенно при экстремально низких избытках воздуха (примерно равных 0,4-0,6). Эта зона горения очень важна для экологически чистого сжигания не только природного газа. При сжигании углей, это может понизить образование «топливных» NOx при умеренном выходе «быстрых» NOx (следует из работ Рослякова и зарубежного опыта).
В связи с этим, в четвертых, такие горелки должны иметь дополнительные средства стабилизации горения, так как иначе их эксплуатация вообще невозможна из-за опасности обрыва факела при сильном снижении его крутки в режимах приближения к достижению максимального подавления выбросов оксидов азота. В лучших современных американских и немецких конструкциях горелок чистого и экономичного сжигания твердых топлив этому служат совсем небольшие конусы, уступы, шайбы (плохообтекаемые тела), не вызывающие увеличения аэродинамического сопротивления. Они одновременно являются еще и весьма эффективными турбулизаторами отдельных зон горящего факела за горелкой, где вследствие резкого роста температур снижается эффективность проявления механизмов турбулентного переноса. Еще один прием совместной стабилизации горения и активизации механизмов перемешивания в приосевой зоне факела горелки, был популярен за рубежом уже более 30 лет тому назад, - это установка в центральной части горелок (в потоке воздуха или аэропыли) неподвижного или подвижного (например, горелки фирмы Stork) лопаточного регистра с радиальными или наклонными (диагональными) лопатками. Этот прием применялся также на газовых горелках самой высокой эффективности, например, компанией Deutsche Babcock, а ныне – John Zink, а сегодня - и в ряде подобных новых отечественных конструкций.
В пятых, наряду с возможностью регулировать расходы воздуха и топлива по любому из каналов горелок, необходимо добиться предельного повышения осесимметричости всех формируемых потоков. Считаем, что это очень важно, так как осесимметричность позволяет предельно снижать местные избытки воздуха в факелах и общие - в результирующем факеле всей топки. Это обеспечит значительно более полное использования потенциала любых схем позонного подавления или восстановления «термических» или иных NOx с достижением предельной полноты выгорания в камерной топке любого вида энергетического топлива.
Достижение оптимального минимума перечисленных требований невозможно, следуя требованиям давно устаревших ОСТ. Стандартные или нормализованные горелки не имеют регулируемых регистров (завихрителей) воздуха и дополнительных средств стабилизации горения. Не предусмотрены на них дополнительные средства повышения интенсивности турбулентного обмена в отдельных зонах потоков или факелов на их основе. Регулирование расходов воздуха по каналам - слабое и совершенно недостаточное средство управления смешением и размерами отдельных зон факела. И все приведенные нами выше требования обеспечения безопасного и экономичного сжигания реализуется только в специальных горелках, принципиально противоречащих требованиям ОСТ. Эти горелки иногда называют горелками экологически чистого сжигания. Далее обозначим их как ГЭЧС.
В связи с изложенным, выделим три ключевые технологические проблемы, которые необходимо разрешить при разработке ГЭЧС. Первая – они должны позволить регулировать интенсивность крутки в широком диапазоне, по крайней мере, одного потока. Причем диапазон регулирования крутки должен быть реализован в условиях реальной эксплуатации котла. Вторая – закручивающие аппараты (регистры) ГЭЧС должны обеспечивать исходную (до включения регулирования) структуру потока (факела), которая позволит в эксплуатации изменять крутку в нужном для практике направлении. Третья - решение двух перечисленных технологических проблем должно быть обеспечено с минимальными затратами энергии, в пределах возможностей обычных дутьевых средств энергетического котла.
При анализе горелок и их регистров в отечественной практике ограничиваются сильно условными расчетами крутки по геометрии устройств, используя как стандартные (ОСТ), так и нестандартные и популярные методы (Ахмедов, Найденов, Иванов и др.). Разумеется, что эти расчеты крутки при таких крайне условных подходах никогда не совпадают со значением крутки, найденной интегрированием экспериментальных профилей (полей) скоростей, давлений и плотностей. Но даже независимо от этого противоречия, мы подчеркнем неоспоримый факт: существует несколько типов регистров для закрутки воздуха на горелках. Каждый из них формирует поток с некоторыми существенными для практики особенностями, а простейшие горелки на их основе, имеют некий свой диапазон значений коэффициента аэродинамического сопротивления и характеристик горящего факела. Другой особенностью каждого типа регистра является реальный диапазон регулирования крутки и структуры формируемого им потока в диапазоне допустимых на практики коэффициентов аэродинамического сопротивления.
Известно несколько похожих классификаций регистров горелок или горелок с этими регистрами. Считаем, удобнее принять классификацию Ахмедова (или Найденова) , в которой выделены 1-2 вида камерных регистров и 3 основных типа лопаточных регистров: тангенциальные лопатки (ТЛ), аксиальные лопатки (А), и АТЛ (аксиально-тенгенциальные). Здесь и далее все абревиатуры нами даны по Ахмедову. Однако считаем, что тип АТЛ лучше было бы называть диагональным регистром и обозначить как «Д», что мы и делаем.
Многие современные специалисты считают , что самые успешные типы – это регистры А и Д, которые более удачно совмещаются в неком регистре промежуточного типа, близко напоминающем тип Д, но не выделяемом специально. Они формируют устойчивые длинные, хорошо стабилизированные горящие факела, с хорошими условиями смешения топлива с воздухом в приосевой области корня факела до и после воспламенения - в зоне первичного горения топлива. К таким регистрам можно отнести некоторые конструкции центральных регистров стандартных (ОСТ) отечественных газовых горелок. Другой еще более удачный пример,
-это центральный регистр рекордных по своим характеристикам вихревых горелок камер сгорания газовых турбин корпорации «Siemens» серии «3а». Мы также имеем удачный опыт использования подобных регистров, разработанных нами в 1985 году для специальных вихревых газовых горелок, с необычно длинными, устойчивыми, хотя и слабо закрученными турбулентными факелами, но, тем не менее, сохраняющими устойчивые осевые обратные токи. Горелки эти на практике показали рекордно низкое аэродинамическое сопротивление и были установлены на опытном водогрейном котле с топкой циркулирующего кипящего слоя в котельной УПИ, который был пущен в 1991 году. Регистры этих горелок (комбинация типа А и Д) геометрически совершенно подобны осевым регистрам горелок газовых турбинах «Siemens», поступивших в эксплуатацию в том же году. А необычные параметры горелок опытного котла ЦКС-УПИ были связаны с внедрением нового способа влияния на крутку и структурой потока (о нем речь дальше), который и обеспечил устойчивое воспламенение и полное сгорание природного газа при сверхнизком сопротивлении и пониженной крутке.
Иная ситуация складывается при использовании камерных регистров типа У и Т. Эти регистры имеют очень надежную стабилизацию горения и активное смешение на периферии факелов, но у них ухудшено смесеобразование на оси корня факела. Можно утверждать, что этот порок регистров У и Т можно устранить при формировании потока циклоном (Ц) – диафрагмированной камерой, подобной, в том числе, регистрам Т или У. Этот тип регистра мы рекомендуем выделять принципиально в самостоятельный тип «Ц». На основе собственного опыта можем утверждать, что эти регистры Ц формируют потоки с постоянной структурой даже при заметном изменении крутки всего потока в циклоне. Во вторых, в регистрах Ц надежно устраним другой недостаток регистров Т и У – несимметричность потока на выходе из устройства. Использование горелок с камерным регистром типа Ц пока не нашло широкого применения, несмотря на ряд достоинств. К регистрам Ц, по нашему мнению, можно отнести и удачные циклонные предтопки разработки ДВПИ и вышедших из него специалистов, а также ряд газомазутных горелок для небольших котлов разработки американской корпорации John Zink.
Все эти проблемы в значительной мере или даже полностью можно решить в рамках приемлемых для практики аэродинамических сопротивлений и высокой эксплуатационной надежности применением нового оригинального способа управления структурой и круткой закрученного потока. Есть модель вихревой горелки с этим новым способом управления. Эта модель, исследованная нами ранее наряду с некоторыми другими, состояла из нерегулируемой улитки с выходным каналом, длина которого соизмерима с диаметром. Стенка канала по всей длине была перфорирована отверстиями малого диаметра. Через них в закрученный поток радиально вдувался воздух в виде системы равномерно рассредоточенных струй со скоростями, соизмеримыми со скоростями в самом вихре. Такой струйный радиальный вдув (СРВ) разной интенсивности через стенку оказался чрезвычайно эффективным средством управления потоком, вызывал сильную перестройку его структуры и на порядок изменял интенсивность крутки интегрального вихря на выходе из модели.
В этой модели простейшей вихревой, формально нерегулируемой горелки, установлен нерегулируемый регистр постоянной геометрии. Все остальные узлы модели также были неизменны и неподвижны. Тем не менее, на этой модели нами были получены течения, характерные для всех основных типов регистров, применяемых в вихревых аппаратах разного назначения, например, на вихревых горелках разных типов. Интенсивность управляющего СРВ была положена нами как относительный радиальный импульс вдува в отверстиях перфорации стенки. Это среднерасходный импульс всех струй СРВ в отверстиях перфорации стенки выходного канала модели горелки, отнесенный к осевому интегральному импульсу (также среднерасходному) всего потока при выходе из модели:
k = Kвд/Kвых /1/
Величина k – то есть изменение интенсивности вдува, в данной работе было необычно значительным, - до значений на два порядка выше, чем обычно принято при организации охлаждающих и регулирующих вдувов через проницаемые (пористые) стенки аппаратов из аэрокосмической отрасли (в отличие от данной работы - вдувов в незакрученный потоки). Нами установлено соотношение импульса Kвд вдува и осевого импульса Kвых вихря, при котором прекращалось взаимодействие закрученного потока (или вихря с сильным осевым стоком) со стенкой выходного цилиндрического канала модели горелки. В этих режимах до нуля уменьшалась вращательная скорость (Wφ=0) у стенки перфорированного цилиндра в модели. Во всех этих режимах продувок параметр СРВ всегда был равен примерно k ≈ 0,7.
Не касаясь всех, полезных для практики эффектов, полученных нами на модели, выделим лишь самый важный факт. С помощью одного лишь изменения интенсивности СРВ (параметр k) через перфорированную стенку цилиндрического канала модели получено изменение крутки потока на порядок при выходе из этого устройства неизменной геометрии. Причем речь идет только о действительной крутке потока, определенной в соответствии с классическими подходами (Дубов и др.) - прямым интегрированием экспериментальных полей скоростей, плотности и статических давлений в точках зондирования потока в модели. Другим и, по нашему мнению, самым важным результатом является четко установленная нами необычно сильная деформация всей структуры закрученного потока перед его выходом из модели. При этом в любых деформированных потоках полностью сохранялись все его структурные особенности. Эти особенности проще всего наглядно представлять радиусами характерных зон закрученного потока. Эти зоны или их границы обычно, хотя и в разном наборе, определяют через максимумы и нулевые значения некоторых составляющих вектора скорости и нулевые значения полных и статических давлений. Для теоретических моделей или инженерных расчетов используют также радиусы локализации в вихре областей потока с разным предполагаемым или явным законом вращения или других особенностей.
Изменение этих характерных радиусов или характерных зон потока, изучено нами в рамках серии режимов изменения интенсивности управляющего СРВ в диапазоне изменения параметра вдува 0 < k < (1,1-1,2). Еще раз подчеркнем, что при всех деформациях потока управляющим СРВ и при любых изменениях интенсивности крутки потока, при выходе из модели в закрученном потоке всегда строго сохраняется последовательность радиусов всех перечисленных выше характерных зон:
Похожие работы
... : низкая капиталоемкость, возможность поэтапного ввода в эксплуатацию, наличие сырьевой базы во всех регионах России, низкая удельная стоимость тонны КЖТ. Заключение Современные энергоблоки ТЭС являются сложными структурами. Оснащенные новыми технологиями, они становятся электротехнологическими многоцелевыми блоками. Новые технологии включают системы сероочистки и азотоочистки дымовых газов, ...
... ) 9,5 10,15 34 Коэффициент поглощения частиц кокса kк μк 1/ МПа Принимаем для бурого угля 0,1 37 Коэффициент теплоотдачи излучением αл рис. 5.9 = αН αл = αН×а 70,98 75,44 39 Коэффициент тепловой эффективности ψ - п. 5.3 табл. 5.2[1] СаО=33% 0,65 0,65 43 Коэффициент теплопередачи k ψ ...
... , предполагаем ввод дополнительного топлива в конечную зону факела для coздания восстановительной среды. В образовавшейся зоне с недостатком кислорода происходит взаимодействие Допустимые концентрации NO и СО (мг/м ) для тепловых электростанций Италии Вид топлива Новые ТЭС Действующие ТЭС Ожидаемые Европейские стандарты Тепловая мощность котла МВт(D т/ч) 50….300 (60-400) 300….500 ( ...
... . В последние годы значительно возрос интерес к использованию нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ). Это экологически чистые способы получения энергии, не требующие затрат органического топлива, но вместе с тем жесткая территориальная привязка значительно ограничивает масштабы их применения. Солнечная энергетика. В России сооружение солнечных электрических станций (СЭС) с ...
0 комментариев